TWI777171B - 不透明石英玻璃及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題在於獲得熱線遮斷性、遮光性、機械強度優異,燒成完工面之粗糙度較小,且表面平滑之不透明石英玻璃之大型錠。 本發明之不透明石英玻璃錠係藉由將石英玻璃中之氣泡形狀設為大致真球並且將氣泡之平均粒徑設為1 μm以下而阻止氣泡端部之應力集中,藉此增大強度並且燒成完工時之表面粗糙度之增大得到緩和者,該不透明石英玻璃錠之密度為2.16~2.19 g/cm3 、厚度10 mm處之白度為90%以上、厚度3 mm處波長0.2~3 μm之光之反射率為85%以上、撓曲強度為75 MPa以上、燒成完工面之表面粗糙度Ra為0.5 μm以下。

Description

不透明石英玻璃及其製造方法
本發明係關於一種熱線遮斷性、遮光性優異之不透明石英玻璃及其製造方法。進一步詳細而言,係關於一種可較好地用於半導體製造裝置用構件、光學機器之零件等之不透明石英玻璃錠及其製造法。
石英玻璃由於透光性、耐熱性、耐化學品性優異,故用於照明機器、光學機器零件、半導體工業用構件、理化學機器等多種多樣之用途。其中,於石英玻璃中含有氣泡之不透明石英玻璃由於其優異之熱線遮斷性,故被用於半導體熱處理裝置之凸緣或爐心管。又,由於遮光性優異,故亦被用作投影機用光源燈之反射器基材等光學機器零件。
不透明石英玻璃因於內部含有氣泡而白色化。該氣泡之形狀根據製法不同而大致分為不定形與球狀。不定形之製法容易使氣泡之平均粒徑變小且燒成完工面之平滑性優異,但存在若燒結至氣泡成為封閉氣泡,則氣泡之含有密度變小,白度或紅外線之反射率下降之問題;或應力集中於氣泡端部而機械強度下降之問題。
球狀氣泡由於氣泡無端部而應力不會集中,故不透明石英玻璃之機械強度優異,但難以使氣泡徑變小,燒成完工面較粗糙,呈凹凸面,於將不透明石英玻璃用作凸緣之情形時,與裝置之密接性變差而會導致洩漏。又,於用作反射器基材之情形時,有時燈之光洩漏而對投影機內部之電子零件造成不良影響。
作為氣泡成為不定形(非球狀)之製造方法,於專利文獻1(日本專利第3394323號公報)中揭示有如下方法:將非晶質二氧化矽粉末之成型體以其熔融溫度以下之溫度進行加熱,於完全緻密化之前中斷熱處理,將之局部地進行燒結。該製造方法存在由於不透明石英玻璃成型體之大小有限制,故不易獲得大型錠之課題。
作為氣泡成為球狀之不透明石英玻璃之製造方法,專利文獻2(日本專利第3043032號公報)中揭示有如下方法:於結晶質二氧化矽或非晶質二氧化矽中添加氮化矽等發泡劑,藉由氫氧焰進行加熱熔融。若利用該製造法,則容易獲得大型不透明石英玻璃錠。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3394323號公報
[專利文獻2]日本專利第3043032號公報
本發明為了獲得不透明石英玻璃之熱線遮斷性、遮光性、及機械強度優異,燒成完工面之粗糙度較小而表面平滑之不透明石英玻璃之大型錠,著眼於將不透明石英玻璃錠中所含有之氣泡之平均粒徑作為參數,藉由控制氣泡之平均粒徑,而尋求性能優異之不透明石英玻璃。
本發明之不透明石英玻璃錠係藉由將石英玻璃中之氣泡之平均粒徑設為1μm以下而阻止氣泡端部之應力集中,增大不透明石英玻璃之強度並且使得燒成完工時之表面粗糙度不會增大者,該不透明石英玻璃錠之密度為2.16 ~2.19g/cm3、厚度10mm處之白度為90%以上、厚度3mm處波長0.2~3μm之光之反射率為85%以上、撓曲強度為75MPa以上、燒成完工面之表面粗糙度Ra為0.5μm以下。
又,製成不透明石英玻璃之製造方法如下:利用珠磨機(bead mill)粉碎、球磨機(ball mill)粉碎、振磨機(vibration mill)粉碎、磨碎機(attritor)粉碎中之1種或2種以上之方法之組合,對在水中分散有二氧化矽(silica)粉末45~75wt%之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm、使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、且使漿料中所含有之固形物之BET比表面積成為2~9m2/g,之後進行噴霧乾燥造粒,製成實質上為球形且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下之造粒粉,將之加壓成型後進行燒成。
氣泡之平均粒徑係值D之平均值,該值D係切割不透明石英玻璃之試樣,利用桌上掃描式電子顯微鏡觀察出現在切割面之20個以上之氣泡之形狀,對其影像進行處理,測定各氣泡之剖面之面積A,利用下述式(1)所求出。
所使用之掃描式電子顯微鏡係日立製作所之TM4000Plus。
D=(4×A/π)1/2 (1)
白度係依據JIS Z 8722所測得之亮度,實施例中所使用之機器係柯尼卡美能達公司製造之色彩色差計(CR-400)。
本發明之不透明石英玻璃係藉由如下方式獲得:對在水中分散有二氧化矽粉末之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm且使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、使BET比表面積成為2~9m2/g,對該漿料進行噴霧乾燥造粒,將所獲得之造粒粉進行加壓成型,並進行燒成。
本發明之不透明石英玻璃之特徵如下。
氣泡徑之平均粒徑必須為1μm以下。若氣泡徑大於1μm,則白度降低,撓曲強度降低。又,燒成完工面之表面粗糙度變大。
不透明石英玻璃之密度較佳為2.16~2.19g/cm3之範圍。若密度小於2.16g/cm3,則撓曲強度不充分,又,若密度超過2.19g/cm3,則白度與反射率降低,故欠佳。
以下對本發明之不透明石英玻璃之製造方法進行說明。
本發明之不透明石英玻璃之製造方法中,對分散於水中之二氧化矽粉末之漿料進行濕式粉碎時,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm以下且使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、使BET比表面積成為2~9m2/g。進而,藉由將對該漿料進行噴霧乾燥造粒所得之造粒粉熔融,可獲得本發明之不透明石英玻璃。
以下,逐個步驟詳細地進行說明。再者,對於所有步驟而言,為了不會於步驟中發生雜質污染,需要仔細地選定所使用之裝置等。金屬雜質需要以於最終製品之不透明石英玻璃中各金屬雜質之含量未達1ppm之方式進行管理。
(1)原料粉末之選定
關於二氧化矽粉末,其製法並無特別限定,例如可使用:藉由使矽烷氧化物(silicon alkoxide)水解所製造之非晶質二氧化矽粉末、或利用氫氧焰等使四氯化矽水解所製作之二氧化矽粉末等。又,亦可使用將天然之水晶粉碎而成之粉末或發煙二氧化矽(fumed silica)。
二氧化矽粉末之平均粒徑較佳為100μm以下,進而較佳為60μm以下。若平均粒徑超過300μm,則二氧化矽粉末之濕式粉碎需要較長時間,因此生產性降低,生產成本增大,故欠佳。
(2)漿料之調整
於水中分散有二氧化矽粉末之漿料之濃度為45~75wt%,較佳為60~70wt%。若超過75wt%,則漿料之黏度變高,無法進行濕式粉碎。又,若濃度未達45wt%,則水分量較多,而於乾燥時所需之熱量變多,會導致生產性降低或生產 成本增大,故並不理想。
(3)漿料之濕式粉碎
使用平均粒徑0.1mm~3mm之選自石英玻璃珠、氧化鋯珠、碳化矽珠、氧化鋁珠中之1種或複數種珠,對調整過濃度之漿料進行濕式粉碎。漿料中所含有之粉碎粉之平均粒徑係設為2~8μm。若平均粒徑大於8μm,則石英玻璃中之氣泡之平均粒徑變大。若小於2μm,則漿料之黏度變高,會導致生產性降低,故並不理想。
粉碎粉之粒徑之標準偏差為3~7μm。若標準偏差大於7μm,則漿料之黏度變高,會導致生產性下降,故並不理想。若標準偏差小於3μm,則所獲得之不透明石英玻璃之密度下降。
濕式粉碎後之漿料中所含有之粉碎粉之BET比表面積較佳為2m2/g以上。進而較佳為4m2/g以上,更佳為進行濕式粉碎直至成為6m2/g以上。若BET比表面積小於2m2/g,則造粒粉之強度降低,造粒崩壞而造粒時之良率降低。
若BET比表面積大於9m2/g,則加壓成型中之成形性變差,故欠佳。
漿料之濕式粉碎之方法並無特別限定,可例示:珠磨機粉碎、球磨機粉碎、振磨機粉碎、磨碎機粉碎等,可使用任一種手段。尤其,較理想為珠磨機粉碎或者將球磨機粉碎與珠磨機粉碎組合來使用。
(4)噴霧乾燥造粒
其次,對所製作之二氧化矽粉末之漿料進行噴霧乾燥而獲得造粒粉。所獲得之造粒粉實質上為球形,且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下。若平均粒徑未達30μm,則加壓成型時造粒粉四處散開而良率變差。若平均粒徑超過200μm,則無法均一地進行加壓成型。又,若含水率超過3wt%,則造粒粉之流動性變差,加壓成型時之均一性變差。
(5)造粒粉之加壓成型與燒成
將所獲得之造粒粉加壓成型為任意之形狀並進行燒成,藉此可獲得不透明石英玻璃錠。加壓壓力較佳為10~300MPa。若未達10MPa,則成形體崩壞,成形時之良率變差。為了使加壓壓力大於300MPa,而需要大規模之設備,有導致生產性降低或生產成本增大之虞,故欠佳。
所獲得之成形體之燒成係選自大氣燒成、真空燒成、氣氛燒成中之1種或複數種之組合,以最高燒成溫度1300~1500℃、較佳為1350~1450℃、進而較佳為1380~1430℃來進行燒成。
若燒成溫度較高,則白度及反射率降低,另一方面,若燒成溫度較低,則密度及撓曲強度降低。
藉由利用帶鋸、線鋸、取心鑽等加工機對經過上述步驟所獲得之不透明石英玻璃錠進行加工,可獲得不透明石英玻璃之製品。
(6)不透明石英玻璃之純度
不透明石英玻璃之純度係根據用於原料之二氧化矽粉末之種類進行調整。除了用於粉碎介質之珠之構成元素以外,成為與原料二氧化矽粉末大致同等之純度。
本發明之不透明石英玻璃錠之熱線遮斷性、遮光性優異,尤其是可較好地用於半導體製造領域中所使用之各種爐心管、治具類及鐘罩等容器類、例如矽晶圓處理用之爐心管或其凸緣部、隔熱片、矽熔融用坩堝等之構成材料。又,亦可作為光學機器零件用於投影機用光源燈之反射器基材。
以下,藉由實施例對本發明具體地進行說明,但本發明並不限定於實施例。
氣泡之平均粒徑之測定所使用之桌上掃描式電子顯微鏡係日立製作所製造的TM4000Plus,白度之測定所使用之色彩色差計係柯尼卡美能達公司製造之CR-400。
(實施例1~3)
利用珠磨機粉碎、球磨機粉碎、振磨機粉碎、磨碎機粉碎中之1種或2種以上之方法之組合,對在水中分散有二氧化矽粉末45~75wt%之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm、使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、使漿料中所含有之固形物之BET比表面積成為2~9m2/g,之後進行噴霧乾燥造粒,製成實質上為球形且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下之造粒粉,將之加壓成型後進行燒成,而獲得不透明石英玻璃。
將所獲得之不透明石英玻璃之特性示於表1。不透明石英玻璃中之氣泡之平均粒徑為1μm以下,不透明石英玻璃之密度為2.16~2.19g/cm3、厚度10mm處之白度為90%以上、厚度3mm處波長0.2~3μm之光之反射率為85%以上、撓曲強度為75MPa以上、燒成完工面之表面粗糙度Ra為0.5μm以下。
所獲得之不透明石英玻璃錠之重量為70kg,藉由目視觀察,不透明石英玻璃錠之氣泡均勻地分散,美觀上亦優異。
(比較例1)
利用珠磨機粉碎、球磨機粉碎、振磨機粉碎、磨碎機粉碎中之1種或2種以上之方法之組合,對在水中分散有二氧化矽粉末45~75wt%之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均徑成為9μm、使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、使漿料 中所含有之固形物之BET比表面積成為2~9m2/g,之後進行噴霧乾燥造粒,製成實質上為球形且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下之造粒粉,將之加壓成型後進行燒成,獲得表1所示之石英玻璃中含有平均徑為2μm之氣泡之密度2.16~2.19g/cm3之不透明石英玻璃。
厚度10mm處之白度為83%,低於本發明之下限值之90%,且厚度3mm處波長0.2~3μm之光之反射率為50%,低於本發明之下限值之80%。撓曲強度為67MPa,燒成完工面之表面粗糙度Ra為1.5μm,超過本發明之上限值。
(比較例2)
利用珠磨機粉碎、球磨機粉碎、振磨機粉碎、磨碎機粉碎中之1種或2種以上之方法之組合,對在水中分散有45~75wt%之二氧化矽粉末之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm、使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為2μm且使漿料中所含有之固形物之BET比表面積成為2~9m2/g,之後進行噴霧乾燥造粒,製成實質上為球形且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下之造粒粉,將之加壓成型後進行燒成。測定結果如表1所示,石英玻璃中之氣泡之平均粒徑為0.9μm、密度為2.10g/cm3、厚度10mm處之白度為92%、厚度2mm處波長0.2~3μm之光之反射率為62%、撓曲強度為65MPa、燒成完工面之表面粗糙度Ra為0.8μm,為大於本發明之上限值之0.5μm之值,平坦性不足。
(比較例3)
利用珠磨機粉碎、球磨機粉碎、振磨機粉碎、磨碎機粉碎中之1種或2種以上之方法之組合,對在水中分散有45~75wt%之二氧化矽粉末之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm、使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、使漿料中所含有之固形物之BET比表面積成為2~9m2/g,之後進行噴霧乾燥造粒,製成實質上為球形且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下之造粒粉,將之加壓成型後於1510℃進行燒成,獲得表1所示之特性之不透明石英玻 璃。
不透明石英玻璃之氣泡之平均粒徑為0.8μm、密度為2.20g/cm3,撓曲強度為80MPa、燒成完工面之表面粗糙度Ra為0.5μm,厚度10mm處之白度為79%、厚度2mm處波長0.2~3μm之光之反射率為40%。
Figure 109118272-A0305-02-0010-1
[產業上之可利用性]
本發明之不透明石英玻璃係熱線遮斷性、遮光性優異,燒成完工面之粗糙度Ra較小而表面平滑之大型不透明石英玻璃錠,可較好地用於半導體製造裝置用構件、光學機器之零件等。

Claims (5)

  1. 一種不透明石英玻璃,其氣泡之平均粒徑為1μm以下、密度為2.16~2.19g/cm3、厚度10mm處之白度為90%以上、厚度3mm處波長0.2~3μm之光之反射率為85%以上;再者,氣泡之平均粒徑係值D之平均值,該值D係切割試樣,利用掃描式電子顯微鏡觀察切割面之20個以上之氣泡之形狀,對其影像進行處理,測定各氣泡之面積A,代入至下述式(1)中而求出;D=(4×A/π)1/2 (1)。
  2. 如請求項1之不透明石英玻璃,其三點撓曲強度為75MPa以上。
  3. 如請求項1或2之不透明石英玻璃,其燒成完工面之表面粗糙度Ra為0.5μm以下。
  4. 一種請求項1至3中任一項之不透明石英玻璃之製造方法,其利用珠磨機(bead mill)粉碎、球磨機(ball mill)粉碎、振磨機(vibration mill)粉碎、磨碎機(attritor)粉碎中之1種或2種以上之方法之組合,對在水中分散有二氧化矽(silica)粉末45~75wt%之漿料進行濕式粉碎,使粉碎粉之平均粒徑成為2~8μm且使粉碎粉之粒徑之標準偏差成為3~7μm、使漿料中所含有之固形物之BET比表面積成為2~9m2/g,之後進行噴霧乾燥造粒,製成實質上為球形且平均粒徑為30~200μm、含水率為3wt%以下之造粒粉,將之加壓成型後以1300~1500℃進行燒成。
  5. 如請求項4之不透明石英玻璃之製造方法,其中,於對二氧化矽粉末進行濕式粉碎時,使用平均粒徑0.1mm~3mm之選自石英玻璃珠、氧化鋯珠、碳化矽珠、氧化鋁珠中之1種或複數種珠。
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