TW201544480A - 不透明石英玻璃及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種不透明石英玻璃及其製造方法,無吸水性且紅外線之遮蔽性優異。本發明之不透明石英玻璃製造方法,係藉由將微細的非晶質矽土粉末與造孔劑混合之後加以成形,以預定溫度加熱,而得到一種不透明石英玻璃,其所含的氣孔係封閉氣孔,氣孔的平均直徑係5~20μm,且含氣孔密度高,故隔熱性優異。

Description

不透明石英玻璃及其製造方法
本發明係關於一種無吸水性且紅外線之遮蔽性優異的不透明石英玻璃及其製造方法。
不透明石英玻璃係使用於需要隔熱性的用途。隔熱性與紅外線之遮蔽性有關,遮蔽性愈高的不透明石英玻璃,隔熱性愈優異。
以往,就不透明石英玻璃的製造方法而言,吾人已知者有於結晶矽土或非晶質矽土添加氮化矽等發泡劑並熔融的方法(例如專利文獻1~3)等。然而,此種製造方法所製造的不透明石英玻璃,具有下述問題:因為發泡劑氣化並形成氣孔,所以氣孔的平均直徑大,且具有堪供實際使用的強度之不透明石英玻璃之中,含氣孔密度變低,紅外線之遮蔽性降低。
另一方面,也有人提議過一種方法,並不添加發泡劑,而是將非晶質矽土粉末之成形體以其熔融溫度以下的溫度加熱,且在完全緻密化之前中斷熱處理,進行局部地燒結(例如專利文獻4)。此一製造方法所製造的不透明石英玻璃,可以縮小氣孔的平均直徑,但有以下問題:若燒結至氣孔成為封閉氣孔為止,則含氣孔密度變低,紅外線之遮蔽性降低;氣孔的平均直徑變得過小,而長波長紅外線之遮蔽性降低。此外,依此方法,由於電爐內的溫度分佈,亦有以下問題:在不透明石英玻璃燒結體內容易產生密度分佈(density distribution),難以得到大尺寸並均質的不透明石英玻璃。
此外,也有人提議過一種方法,將石英玻璃多孔質體在高壓條件下加熱燒製(例如專利文獻5),但依此一製造方法所製造的不透明石英玻璃,波長200~5000 nm之光的透射率變為0.5~2.0%,而有長波長側的紅外線之遮蔽性減低的問題。此外,本方法因施行高壓燒製,故須要特殊裝置,不能說是簡易的方法。 【先前技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本特開平4-65328號公報 【專利文獻2】日本特開平5-254882號公報 【專利文獻3】日本特開平7-61827號公報 【專利文獻4】日本特開平7-267724號公報 【專利文獻5】WO2008/069194號公報
【發明所欲解決之問題】
本發明係提供一種無吸水性且紅外線之遮蔽性優異的不透明石英玻璃及其製造方法。 【解決問題之方式】
本案發明人發現,藉由將非晶質矽土粉末與造孔劑粉末(以下有時僅稱作造孔劑)混合並成形後,以預定溫度燒結,而能得到一種不透明石英玻璃,其所含的氣孔係封閉氣孔,且含氣孔密度高、並能在寬廣的波長範圍中遮蔽紅外線,而完成本發明。
以下更詳細說明本發明。
本發明之不透明石英玻璃,特徵如下:密度係1.95g/cm3 以上,2.15g/cm3 以下;平均氣孔直徑係5~20μm;樣本厚度1mm時,波長1.5μm至5μm下的直線透射率為1%以下;且吸水率為0.1wt%以下。
氣孔的平均直徑較光的波長更小之情況下,散射強度依存於波長,長波紅外線比短波紅外線具有更不易散射的傾向。另一方面,氣孔的平均直徑係與光的波長同樣程度、或是大於光的波長之情況下,散射強度的波長依存性小。此外,若將相同密度的不透明石英玻璃加以比較,則有氣孔的平均直徑愈小者散射強度愈大的傾向。此可認為是因為氣孔的平均直徑愈小者含氣孔密度愈高。
因此,為了提昇不透明石英玻璃的紅外線之遮蔽性,下述情形有效:具有與所欲遮蔽的紅外線同樣程度或之上尺寸的氣孔;以及含氣孔密度高。因為所欲遮蔽的紅外線之波長係1.5~5μm,所以要求平均氣孔直徑係5μm以上。另一方面,若平均氣孔直徑過大、含氣孔密度過高,則因為不透明石英玻璃的密度變低、強度降低,所以不佳。考慮紅外線之遮蔽性與不透明石英玻璃的強度之平衡,平均氣孔直徑必須係5~20μm,宜為9~15μm。密度必須係1.95g/cm3 以上,2.15g/cm3 以下,宜為1.97g/cm3 以上且未滿2.08g/cm3
本發明之不透明石英玻璃宜為:於波長1.5μm至5μm下,樣本厚度1mm的直線透射率為1%以下。換言之,本發明之不透明石英玻璃,宜為:即使於波長1.5μm~5μm之任一波長下,樣本厚度1mm的直線透射率亦不超過1%。隔熱性與紅外線透射率相關連,於波長1.5μm至5μm,樣本厚度1mm的直線透射率為1%以下之本發明之不透明石英玻璃,隔熱性非常優異。
本發明之不透明石英玻璃所含的氣孔宜為封閉氣孔,特徵為吸水率係0.1wt%以下。若不透明石英玻璃的吸水率係0.1wt%以下,則因以下特點而為佳:於不透明石英玻璃之研磨、拋光等機械加工時不吸附雜質,於加工後不須要精煉處理。
本發明之不透明石英玻璃宜為:於波長2μm下,樣本厚度3mm的擴散反射率係70%以上。擴散反射率亦為一種顯示隔熱性的尺度,具有70%以上之擴散反射率的本發明之不透明石英玻璃,例如在使用於熱處理容器等之情況下,預期將有高的熱效率與熱均勻性。
本發明之不透明石英玻璃宜為:方石英含有率係2%以下。若方石英含有率係2%以下,則能不產生裂紋而得到大型尺寸燒結體。
本發明之不透明石英玻璃,Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn各金屬雜質的含量宜為10ppm以下、更宜為1ppm以下。因為金屬雜質量愈低,例如作為半導體熱處理冶具而使用之際,愈能將半導體的金屬雜質汚染壓低,所以為佳。
本發明之不透明石英玻璃宜為:燒結體內之密度的變動係數係0.02以下。因為使用造孔劑的不透明石英玻璃相較於不使用造孔劑者,密度分佈變小、密度的變動係數小,所以玻璃特性變為均質,能使用於多樣用途。
其次,說明本發明之不透明石英玻璃的製造方法。
本發明之不透明石英玻璃的製造方法,特徵如下:將造孔劑粉末以與非晶質矽土粉末之體積比係0.04以上的方式混合於非晶質矽土粉末,成形前述混合粉末,且以造孔劑會消失的溫度加熱而將造孔劑除去之後,以矽土粉末會進行燒結的溫度,燒結至燒結體所含的氣孔成為封閉氣孔為止。
以下,詳細說明本發明之不透明石英玻璃的製造方法之每個步驟。在全部步驟中都適用的是,必須妥善地挑選所使用的裝置,以免在步驟中產生雜質汚染。
(1) 原料粉末之挑選 首先,挑選在本發明使用的非晶質矽土粉末。非晶質矽土粉末的製造方法不特別限定,但能使用例如藉由矽醇鹽之加水分解而製造的非晶質矽土粉末、還有將四氯化矽以氫氧燄等加水分解而製作的非晶質矽土粉末等。此外,也能使用碎裂石英玻璃後的粉末。
在本發明使用的非晶質矽土粉末的平均粒徑宜為20μm以下。若粒徑過大,則因為燒結需要高溫、長時間,所以不佳。各種製造法所製作的非晶質矽土粉末,可由噴射磨機、球磨機、珠磨機等加以粉碎、分級,藉以調整上述粒徑。
其次,挑選在本發明使用之造孔劑粉末。
本發明之造孔劑的粒徑與不透明石英玻璃的平均氣孔直徑深切關連,必須使用粒徑與所欲得到的平均氣孔直徑等同或之上的造孔劑。使用粒徑係氣孔直徑以上的造孔劑之理由,係因為於造孔劑消失後的燒結階段之中,有時候氣孔會縮得比當初尺寸更小。使用石墨或非晶碳的球狀粉末作為造孔劑之情況下,為了得到平均氣孔直徑5~20μm之不透明石英玻璃,造孔劑的粒徑宜為5~40μm、更宜為以9~30μm。
本發明之造孔劑的種類,只要係以非晶質矽土之燒結溫度以下的溫度行熱分解而汽化消失者即不特別限定,能使用石墨粉末、還有非晶碳粉末、酚醛樹脂粉末、壓克力樹脂粉末、聚苯乙烯粉末等。其中,石墨粉末或非晶碳粉末因熱分解之際產生的氣體成分係無害、無臭,而為佳。
在本發明使用之非晶質矽土粉末與造孔劑粉末的純度,宜係非晶質矽土粉末與造孔劑粉末之混合粉末所含的Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn各金屬雜質量為10ppm以下、更佳者為1ppm以下。在石英玻璃中高濃度地含有鹼金屬元素、鹼土族元素、過渡金屬元素等雜質元素之情況下,於大致1300℃以上的溫度下,石英玻璃中產生方石英。於230~300℃的溫度下,方石英自高溫型至低溫型相變且引起體積收縮。不透明石英玻璃所含有的方石英量多於2%之情況下,燒製體內有一種以此體積收縮為原因而產生裂紋的傾向。尤其在燒製體為大型之情況下,例如在直徑140mm以上的不透明石英玻璃之中此傾向顯著。非晶質矽土粉末與造孔劑粉末的純度為低之情況下,宜施行純化處理。純化的方法不特別限定,能執行化學液體處理、還有乾式氣體精煉、高溫燒製所致之雜質蒸散等。另外,事先說明,即使在不透明石英玻璃中所含的金屬雜質量為少之情況下,有時也會因為水量、還有爐內環境、爐材純度、燒製時間等而方石英大量產生。
本發明之造孔劑的形狀,因以下特點而宜為球狀:能與非晶質矽土粉末均質混合;藉由加壓而將粉末成形之際,而能良好地進行壓力傳達;且表示該粒子之長軸與短軸的比例之長寬比宜為3.0以下。
(2) 原料粉末之混合 其次,將挑選的非晶質矽土粉末及造孔劑粉末加以混合。造孔劑粉末的添加量,有必要混合成對非晶質矽土粉末的體積比係0.04以上,但理想範圍因造孔劑的種類、平均粒徑而異,若造孔劑粉末是平均粒徑5~40μm的石墨粉末或非晶碳粉末,則與非晶質矽土粉末的體積比宜為0.04~0.35。若造孔劑粉末添加量少,則不透明石英玻璃所含的氣孔量變少、紅外線之遮蔽性降低,因而不佳。另一方面,若添加量過多,則不透明石英玻璃的密度變得過低,因而不佳。
非晶質矽土粉末與造孔劑的混合方法不特別限定,能使用搖滾式混合機、交叉轉軸混合機、罐磨機、球磨機等。
(3) 混合粉末之成形 其次,將混合粉末加以成形。成形方法能使用澆鑄成型法、冷均壓(CIP)法、金屬模具沖壓法等乾壓。尤其,若在本發明之成型使用CIP法,則因步驟少、容易得到成形體之特點而為佳。再者,使用CIP法而將圓板狀、還有圓筒狀、環狀的成形體加以製作的方法,不特別限定,但可以由以下方法成形:使用如同發泡聚苯乙烯之可以塑性變形之鑄模的成形法(例如參照日本特開平4-105797)、還有使用底板係藉由壓縮變形比上衝頭更少的材料來構成之組裝式模框的方法(例如參照日本特開2006-241595)。
(4) 成形體之燒結 其次,將藉由上述方法成形的成形體以預定溫度加熱,使成形體內所含的造孔劑消失。加熱溫度因造孔劑種類而異,但例如使用石墨粉末還有非晶碳作為造孔劑之情況下,加熱溫度係以700℃至1000℃施行。
用以使造孔劑消失的加熱,根據造孔劑種類、還有造孔劑添加量、成形體尺寸、加熱溫度而以適宜時間施行,但例如使用石墨粉末還有非晶碳作為造孔劑,且於添加量與非晶質矽土粉末之體積比係0.1~0.2、成形體體積係2×103 cm3 、加熱溫度係800℃之情況下,加熱時間係以24小時至100小時施行。
其次,將造孔劑消失的成形體以預定溫度,燒製至燒結體所含的氣孔成為封閉氣孔為止。燒製溫度宜為1350~1500℃。若燒製溫度低於1350℃,則至氣孔成為封閉氣孔為止需要長時間的燒製而不佳。若燒製溫度超過1500℃,則燒製體內所含的方石英量變多,方石英自高溫型至低溫型之相變所伴隨的體積收縮使得燒製體有產生裂紋之疑慮,因而不佳。
燒製時間依照造孔劑添加量還有燒製溫度而以合宜的時間施行,例如添加量與非晶質矽土粉末之體積比係0.1~0.2、燒製溫度係1350~1500℃之情況下,燒製時間係以1小時至20小時施行。若燒製時間短則因燒結進行不充份,氣孔成為開放氣孔而不佳。此外,若燒製時間過長,則因為燒結進行過度、氣孔變小,所以紅外線之遮蔽性降低的同時,燒製體內所含的方石英量增多,方石英自高溫型至低溫型之相變所伴隨的體積收縮使得燒製體有產生裂紋的疑慮,因而不佳。
用以使造孔劑消失的加熱係在造孔劑會消失的氣體環境施行,例如以造孔劑而言,使用石墨粉末還有非晶碳之情況下,係於存在有氧氣的氣體環境下施行。
用以封閉氣孔化的燒製氣體環境不特別限定,能在大氣氣體環境下、氮氣氣體環境下、真空氣體環境下施行。
本發明之不透明石英玻璃因為隔熱性能優異,所以能利用於熱處理裝置用構件、半導體製造裝置用構件、FPD製造裝置用構件、太陽電池製造裝置用構件、LED製造裝置用構件、MEMS製造裝置用構件、光學構件等。具體而言,列舉如下:凸緣、隔熱鰭片、爐心管、均熱管、化學液體精煉筒等的構成材料、及矽熔融用坩鍋等的構成材料。
如上述之構件,可將不透明石英玻璃單獨使用,亦可將透明石英玻璃層附加於不透明石英玻璃表面的一部份或全體而使用。透明石英玻璃層係考慮以下情形而附加:在將不透明石英玻璃使用於要求密封性的用途之情況下,不透明石英玻璃中所含的氣孔露出於密封面,即使使用墊料也難以完全密封。此外,在以各種用途使用不透明石英玻璃中隨時會施行的洗浄步驟之中,有時具有以下情況:露出於其最表面的氣孔磨損、且不透明石英玻璃之表面的一部份脫落,成為微粒產生之原因。亦以防止此事為目的而附加透明石英玻璃層。
對不透明石英玻璃附加透明石英玻璃層的方法不特別限定,有以下方法:將不透明玻璃之表面以氫氧燄熔融成透明石英玻璃的方法;將不透明石英玻璃與透明石英玻璃以氫氧燄或電爐加熱而貼合的技法;以及使會成為不透明石英玻璃之非晶質矽土粉末與造孔劑的混合粉末與會成為透明石英玻璃之非晶質矽土粉末,對應於所欲之玻璃之透明部及不透明部的位置而成形燒製的方法等。 【發明之效果】
本發明之不透明石英玻璃因為隔熱性優異,所以能利用作為下述者的構成材料:在半導體製造領域使用的各種爐心管、治具、及鐘罩等容器類,例如矽晶圓處理用的爐心管還有其凸緣部、隔熱鰭片、化學液體精煉筒等及矽溶解用坩鍋等。
【實施發明之較佳形態】
以下藉由實施例而具體說明本發明,但本發明不限定於此種實施例。
非晶質矽土粉末的平均粒徑係採用以雷射繞射式粒度分佈測定裝置(島津製作所(股)製,商品名「SALD-7100」)測定的中位數直徑(D50)之値。
造孔劑粉末的長寬比,係藉由光學顯微鏡觀察粉末的長軸直徑與短軸直徑,且藉由(長軸直徑/短軸直徑)而求得。
不透明石英玻璃的密度及吸水率係由下述方法測定。首先,乾燥樣本後測定質量W1。其次,將樣本保持於水中煮沸2小時後藉由自然冷卻而回歸常溫,測定此樣本在水中的質量W2。而後,將撥水性有機溶劑塗佈於樣本且乾燥後,測定此樣本在水中的質量W3。密度及吸水率由W1、W2、W3利用以下算式求得。 密度=W1/((W1-W3)/ρ) 吸水率(%)=((W2-W3)/W1)×100 於此,ρ係在測定時水溫的水之密度。
不透明石英玻璃之燒結體內的密度之變動係數,係將燒結體從中央部至外周部、從頂部至底部而分割的27點之密度加以測定,且藉由(密度的標準差/密度的平均値)而求得。
不透明石英玻璃之紅外光譜係使用FTIR裝置(島津製作所(股)製,商品名「IRPrestige-21」)而測定。測定樣本藉由平面研磨加工,且以140號鑽石磨刀石精加工,使厚度為1mm。另外,在測定樣本之中,係採用具有平均密度的部份。
不透明石英玻璃之反射光譜,係使用可見紫外分光光度計(島津製作所(股)製、商品名「UV-3100PC」),藉由擴散反射法測定。入射角8°,並使狹縫寬度於測定波長400~860nm之測定範圍下為7.5nm,測定波長860~2500nm之範圍下為30nm。測定樣本藉由平面研磨加工,且以140號鑽石磨刀石精加工,使厚度為3mm。
不透明石英玻璃的平均氣孔直徑,係將不透明石英玻璃的切面加以光學拋光,且將光學顯微鏡影像加以影像分析而算出。於影像分析係使用ImageJ1.47v (National Institutes of Health),求得顯像於光學顯微鏡影像之氣孔的平均面積,且由此平均面積求得假設氣孔為圓徑之情況下的氣孔直徑,以此為平均氣孔直徑。另外,在測定樣本之中,係使用具有平均密度的部份。
不透明石英玻璃之方石英含有率係使用X線繞射裝置(理學(股)製,商品名「RINT UltimaIII」),將粉碎透明石英玻璃後的樣本中非晶質矽土與方石英結晶的繞射峰之強度比加以測定,且從該強度比算出方石英含有率。 不透明石英玻璃所含有的金屬、鹼金屬、鹼土族元素的雜質量係使用ICP發光分光分析裝置(精工儀器(股)製、商品名「VIsta-PRO」)而分析。 (實施例1)
就原料粉末而言,挑選平均粒徑係6μm的合成非晶質矽土粉末。
就造孔劑粉末而言,挑選平均粒徑18μm、長寬比1.5、Na、K、Ca、Cr、Fe、TI的濃度係0.1ppm以下的球狀石墨粉末。
將石墨粉末添加於合成非晶質矽土粉末,以罐磨機混合3小時。石墨粉末的添加量與非晶質矽土粉末的體積比係0.16。
將混合粉末填充至發泡聚苯乙烯製的模,且將發泡聚苯乙烯模整體乙聚苯乙烯製袋減壓封入,利用以下條件而CIP成形:壓力200MPa、維持時間1分鐘。
將CIP成形後之直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體,利用爐床昇降式電阻加熱電爐(廣築(股)製,型式「HPF-7020」),於大氣氣體環境下以如下方式昇溫:從室溫至650℃係100℃/小時、從650℃至800℃係50℃/小時、以800℃維持72小時、從800℃至最高燒製溫度1425℃係50℃/小時;且以最高燒製溫度1425℃維持2小時而燒製。以100℃/小時降溫至50℃,其後爐冷得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖1顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
表2顯示不透明石英玻璃所含的雜質濃度。所測定的各種鹼金屬、鹼土族金屬、金屬元素濃度係1ppm以下。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中未產生方石英、未產生裂紋。 (實施例2)
挑選與實施例1同樣的原料粉末與造孔劑,利用與實施例1同樣的程序,而得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1425℃維持4小時之外,利用與實施例1同樣的燒製條件而施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖2顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
所得之不透明石英玻璃的剖面之一部份顯示於圖25。依此,不透明石英玻璃未產生裂紋。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中未產生方石英、未產有裂紋。
表4顯示不透明石英玻璃的密度、及變動係數、吸水率。添加造孔劑而製作的不透明石英玻璃,氣孔均勻地分散且密度的變動係數係0.02以下。
圖22顯示不透明石英玻璃之擴散反射光譜。依此,於波長2μm下之擴散反射率係70%以上。 (實施例3)
挑選與實施例1同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例1同樣的程序,而得到直徑60mm、厚度20mm的半圓柱狀成形體。
將所得之成形體利用SiC發熱體電爐(Siliconit高熱工業(股)製、型式「BTEXSH-1460G),於大氣氣體環境下以如下方式昇溫:從室溫至700℃係5℃/分鐘、700℃以上至最高燒製溫度1450℃係1℃/分鐘;且以最高燒製溫度1450維持6小時而燒製。以5℃/分鐘降溫至1000℃,其後爐冷得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖3顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中未產生方石英、未產生裂紋。 (實施例4)
挑選與實施例1同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例1同樣的程序,而得到直徑60mm、厚度20mm的半圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1450℃維持10小時以外,利用與實施例3同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖4顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中未產生方石英、未產生裂紋。 (實施例5)
挑選與實施例1同樣的原料粉末與造孔劑,將石墨粉末添加量與非晶質矽土粉末之體積比變更為0.22以外,利用與實施例1同樣的程序而得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1425℃維持4小時以外,以與實施例1同樣的燒製條件施行燒製,得到直徑145mm、厚度75mm的不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
不透明石英玻璃之紅外光譜示於圖5。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。 (實施例6)
挑選與實施例5同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例5同樣的程序,而得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1425℃維持6小時以外,以與實施例5同樣的燒製條件施行燒製,得到直徑145mm、厚度75mm的不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、於波長2μm及4μm下之透射率示於表1。
圖6顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中,方石英含有率低、未產生裂紋。
表4顯示不透明石英玻璃的密度、及變動係數、吸水率。添加造孔劑而製作的不透明石英玻璃,氣孔係均勻地分散,而密度的變動係數係0.02以下。 (實施例7)
挑選與實施例5同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例5同樣的程序,而得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1425℃維持8小時以外,以與實施例5同樣的燒製條件施行燒製,得到直徑145mm、厚度75mm的不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖7顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。 (實施例8)
挑選與實施例1同樣的原料粉末,且挑選平均粒徑15μm、長寬比1.0、Ca、Cr、Fe、Ti之濃度分別為6.5、85、150、1.3ppm的球狀非晶碳粉末作為造孔劑。
添加非晶碳粉末於合成非晶質矽土粉末,且以罐磨機混合3小時。非晶碳粉末的添加量與非晶質矽土粉末之體積比係0.16。
將混合粉末以與實施例1同樣的方法CIP成形,得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體利用爐床昇降式電阻加熱電爐(廣築(股)製、型式「HPF- 7020」),於大氣氣體環境下以如下方式昇溫:從室溫至650℃係100℃/小時、從650℃至800℃係50℃/小時、以800℃維持72小時、從800℃至最高燒製溫度1425℃為止係50℃/小時;且以最高燒製溫度1425℃維持6小時而燒製。以100℃/小時降溫至50℃,其後爐冷得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率示於表1。
圖8顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
將不透明石英玻璃的所含雜質濃度顯示於表2。所測定的各種鹼金屬、鹼土族金屬、金屬元素濃度之中,Fe係10ppm以上。
所得之不透明石英玻璃的剖面之一部份顯示於圖26。依此,不透明石英玻璃產生裂紋。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率係變為2%以上,且可認為產生了裂紋。
表4顯示不透明石英玻璃的密度、及變動係數、吸水率。添加造孔劑而製作的不透明石英玻璃,氣孔均勻地分散,而密度的變動係數係0.02以下。 (實施例9)
挑選與實施例8同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例8同樣的程序,而得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體利用爐床昇降式電阻加熱電爐(廣築(股)製、型式「HPF- 7020」),於大氣氣體環境下以如下方式昇溫:從室溫至650℃係100℃/小時、從650℃至1000℃係50℃/小時、以1000℃維持24小時、從1000℃至最高燒製溫度1425℃為止係50℃/小時;且以最高燒製溫度1425℃維持6小時而燒製。以100℃/小時降溫至50℃,其後爐冷得到直徑145mm、厚度75mm的不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖9顯示不透明石英玻璃之紅外光。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。
所得之不透明石英玻璃的斷面之一部份顯示於圖27。依此,不透明石英玻璃產生裂紋。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率變為2%以上,可認為產生了裂紋。
表4顯示不透明石英玻璃的密度、及變動係數、吸水率。添加造孔劑而製作的不透明石英玻璃,氣孔均勻地分散,而密度的變動係數係0.02以下。 (實施例10)
挑選與實施例8同樣的原料粉末與造孔劑,以搖滾式混合機混合3小時。非晶碳粉末的添加量與非晶質矽土粉末之體積比係0.16。
將混合粉末以與實施例1同樣的方法而CIP成形。
將CIP成形後的直徑60mm、厚度20mm之半圓柱狀成形體,利用SiC發熱體電爐(Siliconit高熱工業(股)製、型式「BTEXSH-1460G」), 於大氣氣體環境下以如下方式昇溫:從室溫至650℃係5℃/分鐘、從650℃至850℃係1℃/分鐘、從850℃至最高燒製溫度1425℃為止係5℃/分鐘;且以最高燒製溫度1425℃維持8小時而燒製。以5℃/分鐘降溫至1000℃,其後爐冷得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖10顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。 (實施例11)
挑選與實施例10同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例10同樣的程序,而得到直徑60mm、厚度20mm的半圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1450℃維持6小時以外,以與實施例10同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率示於表1。
圖11顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。 (實施例12)
挑選與實施例10同樣的原料粉末與造孔劑,以與實施例10同樣的程序而得到直徑60mm、厚度20mm的半圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1450℃維持10小時以外,以與實施例10同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖12顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。 (實施例13)
挑選與實施例10同樣的原料粉末與造孔劑,將非晶碳粉末的添加量與非晶質矽土粉末之體積比變更為0.13以外,以與實施例10同樣的程序而得到直徑60 mm、厚度20mm的半圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1450℃維持8小時以外,以與實施例10同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖13顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下。 (比較例1)
僅將與實施例1同樣的原料粉末,以與實施例1同樣的方法CIP成形,得到直徑60mm、厚度20mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體利用電阻加熱式真空加壓燒製爐(富士電波工業(股)製、型式「FVPS-R-150/200」),於1大氣壓力的氮氣氣體環境下以如下方式昇溫:從室溫至1000℃係5℃/分鐘、從1000℃以上至最高燒製溫度1350℃係1℃/分鐘;且以最高燒製溫度1350℃維持10小時維持而燒製。其後以5℃/分鐘降溫至1000℃,而後爐冷得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖14顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下,但因為燒結不夠充份,所以吸水率高於0.1wt%。 (比較例2)
挑選與比較例1同樣的原料粉末,以與比較例1同樣的程序,而得到直徑60 mm、厚度20mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1350℃維持15小時以外,以與比較例1同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖15顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,在波長1.5μm至5μm之中,於3μm至5μm下的直線透射率大於1%。因為平均氣孔直徑小,所以長波長紅外線透射率高。 (比較例3)
挑選與比較例1同樣的原料粉末,以與比較例1同樣的程序而得到直徑60 mm、厚度20mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1400℃維持3小時以外,以與比較例1同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖16顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下,但因為燒結不夠充份,所以吸水率高於0.1wt%。 (比較例4)
挑選與比較例1同樣的原料粉末,以與比較例1同樣的程序而得到直徑60 mm、厚度20mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1400℃維持4小時以外,以與比較例1同樣的燒製條件施行燒製,得到透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖17顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,在波長1.5μm至5μm之中,於2.5μm至5μm下的直線透射率係大於1%。因為平均氣孔直徑小,所以長波長紅外線透射率高。 (比較例5)
僅將與實施例1同樣的原料粉末,以與實施例1同樣的方法而CIP成形,得到直徑170mm、厚度85mm的圓柱狀成形體。
將所得之成形體以與實施例9同樣的燒製條件施行燒製,得到直徑145mm、厚度75mm的不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖18顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,在波長1.5μm至5μm之中,於3μm至5μm下的直線透射率大於1%。因為平均氣孔直徑小,所以長波長紅外線透射率高。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中之裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中,未確認出裂紋。
表4顯示不透明石英玻璃的密度、及變動係數、吸水率。不添加造孔劑而製作的不透明石英玻璃,燒結體內的密度分佈大、密度的變動係數係0.02以上。 (比較例6)
挑選與實施例10同樣的原料粉末與造孔劑,將非晶碳粉末的添加量與非晶質矽土粉末之體積比變更為0.02以外,以與實施例10同樣的程序而得到直徑60 mm、厚度20mm的半圓柱狀成形體。
將所得之成形體以最高燒製溫度1450℃維持6小時以外,以與實施例10同樣的燒製條件施行燒製,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖19顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率大於1%。因為造孔劑的添加量少,所以透射率高。
表3顯示不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率及裂紋的有無。不透明石英玻璃燒結體中的方石英含有率低、且未產生裂紋。 (比較例7)
將粒徑1~10μm的氮化矽粉末混合0.2wt%於水晶粉末,且藉由氫氧燄熔融法熔融,得到不透明石英玻璃。
所得之不透明石英玻璃的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖20顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率大於1%。因為平均氣孔直徑大,所以透射率高。
圖23顯示不透明石英玻璃之擴散反射光譜。依此,於波長2μm下之擴散反射率未滿70%。 (比較例8)
將市售的不透明石英,即OM100(賀利氏石英玻璃製)的密度、吸水率、平均氣孔直徑、於波長2μm及4μm下之透射率顯示於表1。
圖21顯示不透明石英玻璃之紅外光譜。依此,在波長1.5μm至5μm之中,於3至5μm下的直線透射率大於1%。因為平均氣孔直徑小,所以長波長紅外線透射率高。
圖24顯示不透明石英玻璃之擴散反射光譜。依此,於波長2μm下之擴散反射率未滿70%。
就吸水率與於波長4μm下之透射率的關係而言,將實施例1~4以▲符號描繪者顯示於圖28。添加造孔劑而製作的不透明石英玻璃係低透射率、低吸水率。 【產業上利用性】
本發明係一種隔熱效果高的不透明石英玻璃及其製造方法,能合宜地使用於半導體製造裝置用構件等。
無。
【圖1】係由實施例1而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖2】係由實施例2而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖3】係由實施例3而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖4】係由實施例4而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖5】係由實施例5而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖6】係由實施例6而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖7】係由實施例7而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖8】係由實施例8而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖9】係由實施例9而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖10】係由實施例10而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖11】係由實施例11而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖12】係由實施例12而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖13】係由實施例13而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖14】係由比較例1而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖15】係由比較例2而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖16】係由比較例3而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖17】係由比較例4而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖18】係由比較例5而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖19】係由比較例6而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖20】係由比較例7而製作的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖21】係比較例8的不透明石英玻璃之紅外光譜。 【圖22】係由實施例2而製作的不透明石英玻璃之擴散反射光譜。 【圖23】係由比較例7而製作的不透明石英玻璃之擴散反射光譜。 【圖24】係比較例8的不透明石英玻璃之擴散反射光譜。 【圖25】係由實施例2而製作的不透明石英玻璃之剖面的一部份的照片。 【圖26】係由實施例8而製作的不透明石英玻璃之剖面的一部份的照片。 【圖27】係由實施例9而製作的不透明石英玻璃之剖面的一部份的照片。 【圖28】係顯示由實施例1~4、10~13、比較例2~4而製作的不透明石英玻璃之吸水率與於波長4μm下的透射率之關係的圖式。

Claims (25)

  1. 一種不透明石英玻璃,其特徵在於: 其密度係1.95g/cm3 以上,2.15g/cm3 以下;平均氣孔直徑係5~20μm;樣本厚度為1mm時,於波長1.5μm至5μm下的直線透射率係1%以下;且吸水率係0.1wt%以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之不透明石英玻璃,其中, 密度係1.97g/cm3 以上,且未滿2.08g/cm3
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之不透明石英玻璃,其中, 平均氣孔直徑係9~15μm。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之不透明石英玻璃,其中, 樣本厚度為3mm時,於波長2μm下的擴散反射率係70%以上。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之不透明石英玻璃,其中, 方石英含有率係2%以下。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之不透明石英玻璃,其中, 密度的變動係數係0.02以下。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項之不透明石英玻璃,其中, Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn各金屬雜質的含量係10ppm以下。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之不透明石英玻璃,其中, Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn各金屬雜質的含量係1ppm以下。
  9. 一種不透明石英玻璃的製造方法,其係用以製造如申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃,其特徵在於: 將造孔劑粉末以與非晶質矽土粉末之體積比為0.04以上的比例混合於非晶質矽土粉末,使該混合粉末成形,以造孔劑會消失的溫度加熱而除去造孔劑之後,以矽土粉末會進行燒結的溫度,進行燒結至燒結體所含的氣孔成為封閉氣孔為止。
  10. 如申請專利範圍第9項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 該造孔劑粉末的平均粒徑為5~40μm,該造孔劑粉末的添加量與該非晶質矽土粉末的體積比為0.04~0.35。
  11. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 該造孔劑粉末的平均粒徑為9~30μm。
  12. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 該造孔劑係石墨粉末。
  13. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 該混合粉末所含的Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn各金屬雜質量係10ppm以下。
  14. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 係在該燒結體中之方石英含有率為2%以下的條件之下製造。
  15. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 該造孔劑粉末的長寬比為3.0以下。
  16. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 加熱環境係氧化環境中。
  17. 如申請專利範圍第9項或第10項之不透明石英玻璃的製造方法,其中, 該非晶質矽土粉末的平均粒徑為20μm以下。
  18. 一種石英玻璃,其特徵為: 在申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃表面的一部份或整體具有透明石英玻璃層。
  19. 一種熱處理裝置用構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
  20. 一種半導體製造裝置用構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
  21. 一種FPD製造裝置用構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
  22. 一種太陽電池製造裝置用構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
  23. 一種LED製造裝置用構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
  24. 一種MEMS製造裝置用構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
  25. 一種光學構件,其特徵在於: 其一部份或整體係藉由申請專利範圍第1至8項中任一項之不透明石英玻璃形成。
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