JP2009149494A - 石英ガラスの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平板型である大型の石英ガラスのインゴットを泡がなく高純度に、簡便且つ短時間で製造できる石英ガラスの製造方法及び石英ガラス製造装置を提供する。
【解決手段】回転する炉の上部から粉供給装置より石英粉を落下させて炉底中央部に積層させ、加熱溶融して炉の外周方向に伸展させてインゴットとする石英ガラスの製造方法において、石英粉の落下位置と溶融位置を炉底部に分散させるようにした。前記石英粉の落下位置を炉底部中心部から変位させ、前記粉供給装置及び前記炉底部の一方又は両方が回転移動することにより石英粉が炉底部に分散されることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板型である石英ガラスのインゴットを製造する方法及び製造装置に関する。

石英粉を熱で溶融する石英ガラスの製造方法には種々あり、熱源には、水素−酸素、プロパン−酸素などの火炎、アーク、高周波や真空の電気炉などが採用されているが特許文献１などにあるように、溶融石英ガラスを回転するターゲット上に堆積して、堆積部を定速で降下、冷却して積層し、砲弾型である棒状の石英ガラスインゴットを製造する方法が一般的である。また、特許文献２にあるように、プラズマアークで石英粉を溶融し回転台上に積層する方法があるが、いずれも製造されたインゴットは細長い棒形状である。

不純物が少なく化学反応しない石英ガラス、中でも石英粉を溶融した石英ガラスは、合成石英ガラスに比べて耐熱性に優れているため半導体の製造装置に多用されているが、半導体の製造効率を上げるため半導体ウェーハが大型化されてきており、これに伴って石英ガラスも大きなインゴットが要求されるようになった。しかし、従来の製造方法で製造された石英ガラスインゴットは長尺の棒状であり、断面が小さく、径の大きな石英ガラス製品に対応できなかった。

このため、棒状インゴットを再溶融して大きなインゴットに成形する方法が採られているが、微細な泡や不純物の混入、歪の発生など、二次成形汚染による純度や均質性の低下の問題があり、再成形することなしに石英粉を溶融して直接大きなインゴットを製造することが望まれている。

また、特許文献３においては、棒状に形成したインゴットを、石英粉堆積終了後に、補助加熱バーナーで加熱のみ行い、板状に流動変形させる方法も提案されている。但し、この方法では、インゴット形成工程において粉堆積工程とインゴット平坦化工程の２工程を必要とするため手間と時間がかかり、高コストの原因となり、流動時にインゴット上部に加熱集中するため、炉上面から汚染がインゴット上部に局所発生するなどの問題があった。
特公昭４６−４２１１１号公報 特開平４−３２５４２５号公報 特開２００１−３４２０２６号公報

本発明は、平板型である大型の石英ガラスのインゴットを泡がなく高純度に、簡便且つ短時間で製造できる石英ガラスの製造方法及び石英ガラス製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者は鋭意研究を行った結果、回転する炉底の全域に石英粉を分散落下積層させ、加熱溶融することにより、大口径板状インゴットを簡便に得られることを見出した。

即ち、本発明の石英ガラスの製造方法は、回転する炉の上部から粉供給装置より石英粉を落下させて炉底中央部に積層させ、加熱溶融して炉の外周方向に伸展させてインゴットとする石英ガラスの製造方法において、石英粉の落下位置と溶融位置を炉底部に分散させることを特徴とする。

前記石英粉の落下位置を炉底部中心部から変位させ、前記粉供給装置及び前記炉底部の一方又は両方が回転移動することにより石英粉が炉底部に分散されることが好ましく、石英粉の炉底部での堆積速度が、（０．５〜２０ｋｇ／Ｈｒ）／ｒ．ｐ．ｍであることがより好ましい。

前記粉供給装置が、ホッパーと、炉に石英粉を供給する複数本の粉供給バーナーとを有することが好適である。
前記粉供給装置における前記ホッパーから前記粉供給バーナーまでの粉供給ラインを密閉系とし、該粉供給ラインに不活性ガス及び／又は酸素ガスを供給し、且つ該粉供給ライン内を加圧することが好ましい。前記粉供給ラインの不活性ガス及び酸素ガスの供給量の合計（即ち、粉供給ラインに不活性ガス及び酸素ガスを両方供給する場合は両者の合計量、不活性ガスのみを供給する場合は不活性ガスの供給量、酸素ガスのみを供給する場合は酸素ガスの供給量）は、石英粉の供給量１ｋｇ／Ｈｒに対して、（０．０５〜１０ｍ^３／Ｈｒ）／（ｋｇ／Ｈｒ）の範囲であることが好ましい。前記粉供給ラインの加圧条件は特に制限はないが、１〜４００ｍｍＨｇの圧力を掛けることが好適である。

石英粉の炉底部への粉分散密度は、１〜５１ｇ／（Ｈｒ・ｃｍ^２）の範囲であることが好ましい。

炉底部が回転し、前記粉供給装置によって形成される粉堆積位置が、炉底部中心部以外の回転円上にあることが好ましい。また、前記粉供給装置が粉供給バーナーを複数本有し、異径円上に粉堆積部を設定することが好適である。

前記粉供給装置に設けられた粉供給バーナーが石英ガラスバーナーであることが好ましい。

前記石英粉が、１種以上の金属元素を０．０１〜２０ｗｔ％含むことが好ましい。金属元素を混合した石英粉を用いることにより、金属元素がドープされた石英ガラスインゴットを得ることができる。
該金属元素は特に制限はないが、前記金属元素が、３Ｂ族の金属元素の１種類以上と、ランタノイド、アクチノイド、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆからなる群から選択される１種類以上とを含むことが好適である。
金属ドープ石英ガラスインゴットを製造する場合、石英粉を供給する粉供給装置と、金属元素を供給する金属元素供給装置を別途用いることが好ましい。

本発明の石英ガラス製造装置は、回転可能な炉と、該炉の上部に設けられた粉供給装置とを含む石英ガラス製造装置であって、該粉供給装置が、ホッパーと、炉に石英粉を供給する１本又は複数本の粉供給バーナーとを有し、前記粉供給バーナーの少なくとも１本は、石英粉の落下位置が炉底部中心部から変位するように配置されることを特徴とする。
前記粉供給装置が回転可能であることが好ましい。
前記粉供給バーナーから炉底部に堆積される石英粉の堆積位置を炉底部の中心部からずらし、炉底部及び粉供給装置の一方又は両方を回転させることにより、石英粉の落下位置と溶融位置を炉底部に分散させることができる。

本発明の石英ガラス製造装置は、前記ホッパーから前記粉供給バーナーまでの粉供給ラインに不活性ガス及び／又は酸素ガスを供給するガス供給手段をさらに有することが好適である。

本発明によれば、直接的且つ高速、短時間で、汚染及び泡の無い大口径の石英ガラスインゴットを簡便に得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。

図１は、本発明の石英ガラス製造装置の第一の態様を示す概略説明図である。
図１において、符号１００は、本発明の石英ガラス製造装置の第一の態様であり、回転可能な炉２０と、炉２０の上部に設けられた粉供給装置１０とを含む。該粉供給装置１０は、ホッパー１２と粉供給バーナー１４とを有し、該粉供給バーナー１４は、炉２０の天井（天板）４０の耐熱レンガに設けた穴にバーナー先端が炉天井より突出するように取り付けられる。

本発明の石英ガラス製造装置１００において、炉２０は公知の炉を使用することが可能であるが、炉の側壁２２を炭化珪素系耐火耐熱レンガで構成し、炉床２４をジルコニア系耐火耐熱レンガで構成することが好ましい。また、炉天井４０の上部を冷却プレートで冷却することが好適である。
原料の石英粉３０はホッパー１２に貯蔵されており、ホッパー１２には上部からＮ_２ガスを微量に流しながら、正圧状態に保持されることが好適である。

本発明の石英ガラス製造装置１００は、図１に示した如く、ホッパー１２の下側に回転ベルト等の粉搬送部１６を設置して周囲をボックス状にして覆い、ホッパー１２から炉供給バーナー１４までの粉供給ラインを密閉系とし、ガス供給手段１７によりボックス中に不活性ガス及び／又は酸素ガスを掛け流すことが好ましい。該不活性ガスと酸素ガスは併用することがより好ましく、その流量比は、Ｎ_２：Ｏ_２の体積比で９：１から４：６の割合が好ましい。さらに、そのガス流量は、シリカ粉１Ｋｇ／Ｈｒに対して、（０．０５〜１０ｍ^３／Ｈｒ）／（ｋｇ／Ｈｒ）の範囲に供給されるのが好ましく、（０．２〜５ｍ^３／Ｈｒ）／（ｋｇ／Ｈｒ）の範囲に供給されるのがより好ましい。ボックス中に不活性ガスと酸素ガスを掛け流すことにより、粉の流れが安定化し、炉の粉の堆積部分を保温する効果がある。不活性ガスとしては、窒素が好適で、それ以外にも、アルゴン、ヘリウムなども使用可能である。
また、密封系とした粉供給ラインを加圧条件とすることが好適であり、好ましくは１〜４００ｍｍＨｇ、より好ましくは２０〜２００ｍｍＨｇの圧力を掛ける。粉供給ラインを加圧することにより、粉供給バーナーからボックスへの水素ガスの逆流を防止することができる。

ホッパー１２から粉搬送部１６に石英粉３０が供給され、粉搬送部１６は、各粉供給ラインに石英粉を落し込み、各粉供給ラインの先に設けられた粉供給バーナー１４により炉２０の底部に石英粉３０が供給される。各ラインの粉供給速度は、５０ｇ／Ｈｒ〜５０ｋｇ／Ｈｒの範囲で調整することが好ましく、より好ましくは１ｋｇ／Ｈｒ〜２０ｋｇ／Ｈｒである。

石英ガラスの原材料である石英粉３０は、珪石、珪砂、水晶粉やシリコンアルコキシドを塩酸或いはアンモニア触媒下で加水分解して得たシリカを焼成したものや、アルカリ金属珪酸水溶液と酸とを反応させて得たシリカを精製し、焼成したものなどを使用することができる。また、石英粉の粒度は、４０〜２５０メッシュの範囲のものが好ましく、より好ましくは８０〜１００メッシュである。

また、原料の石英粉３０に金属元素を添加し、該金属元素を混合した石英粉を使用することにより、高濃度金属ドープ石英ガラスインゴットを製造することもできる。石英粉中の金属元素の濃度は、０．０１〜２０ｗｔ％が好ましい。金属元素としては、例えば、３Ｂ族の金属元素、ランタノイド、アクチノイド、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆ等が挙げられ、３Ｂ族の金属元素の１種類以上と、ランタノイド、アクチノイド、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆからなる群から選択される１種類以上とを併用することが好適である。

前記粉供給バーナー１４は、炉壁上部に１本以上、好ましくは複数本、より好ましくは２本以上５本以下、設置されており、炉壁上部に可能な数増やすことができる。該粉供給バーナー１４は、公知の石英ガラス製のバーナーを用いることができ、水素と酸素の供給管、及び石英粉の供給管を有するものである。図１において、１８は炉内を加熱する補助加熱バーナー（保温バーナー）であり、炉壁上部に１本以上、好ましくは複数本設置されており、炉壁上部に可能な数増やすことができる。粉供給バーナー１４及び補助加熱バーナー１８の数は、製造するインゴットの大きさ、すなわち炉の大きさに応じて複数個設けることが好適である。

本発明の石英ガラスの製造方法は、石英粉の落下位置と溶融位置を炉の一定箇所に固定せずに、炉底部に分散させるものである。炉底部へ落下堆積される石英粉は、粉分散密度が１〜５１ｇ／（Ｈｒ・ｃｍ^２）、好ましくは５〜３０ｇ／（Ｈｒ・ｃｍ^２）の範囲で分散されて落されることが望ましい。

石英粉の落下位置及び溶融位置を炉底部へ分散させる方法としては、例えば、石英粉の堆積位置を炉底部中心部からずらし、粉供給装置又は炉底部を、または両方を、回転移動させることにより石英粉を炉底部に分散させることが好ましい。図２は、石英粉の堆積状態を示す炉上面部の摘示概略図であり、矢印は堆積位置が移動する状態を示した。図２において、１４は粉供給バーナーであり、１８は補助加熱バーナーである。

図２に示した如く、石英粉の落下位置を炉底部中心部以外とし、炉底部及び粉供給装置の一方又は両方を回転移動させることにより、炉底部上の石英粉の堆積位置が移動し、石英粉の過剰堆積を防止し、石英粉が回転軌道上で溶けるという効果を奏する。石英粉の落下位置は、炉底部中心部から３０ｍｍ以上の距離とすることが好ましく、１００ｍｍ以上がより好ましい。
特に、粉供給バーナー１４を複数本、好ましくは２本以上５本以下とし、粉供給装置を回転させることにより、石英粉がばら撒き分散され、均一化効果を奏するため、より好適である。本発明において、粉供給バーナーを複数本用いる場合、少なくとも１本の粉供給バーナーの石英粉の落下位置を炉底部中心部から外れるように配置すればよいものであり、炉底部中心部に落下する粉供給バーナーを併用することも可能であるが、全ての粉供給バーナーを石英粉の落下位置が炉底部中心部から外れるように配置することが好ましい。

粉供給装置及び炉底部の一方又は両方を回転移動させる場合、石英粉の堆積速度が（０．５〜２０ｋｇ／Ｈｒ）／ｒ．ｐ．ｍ、好ましくは（１〜１０ｋｇ／Ｈｒ）／ｒ．ｐ．ｍで分散落下させることが好適である。この場合、炉底部の粉堆積部は、炉底部中心を避け、回転円上に設定される。特に、粉供給バーナーが複数で粉堆積部が複数の場合、その各堆積部は異径円心上とすることが好ましい。この設定によって、上記回転堆積速度が保たれ、堆積粉が泡を含むことなく軟化される。と同時に回転移動し、回転移動中に酸水素だけの補助加熱バーナーで透明ガラス化される。図１において、２２は炉床に堆積された石英ガラスである。炉底全域に積層され、加熱溶融し、透明ガラス化した石英ガラスインゴットを得ることができる。

こうして泡の少ない石英ガラスインゴットを製造することができる。元来火炎溶融法は、連続的に石英粉を落下させ、落下点の溶融状態の石英ガラスの熱容量で石英粉を溶融させるため、電気溶融法に比較して泡の少ない石英ガラスを製造できるという利点を有しているが、従来のインゴットを得る方法では、大口径のインゴットを製造するには、付加的な加熱や、再加熱処理が必要で、手間、コストが多大となり、汚染の問題もあったが、本発明であれば、直接的且つ、高速、短時間で、汚染の無い大口径の石英ガラスインゴットを得ることができる。

図３は、本発明の本発明の石英ガラス製造装置の第２の態様を示す概略説明図である。図３において符号１０２は本発明の石英ガラス製造装置の第２の態様であり、炉に金属元素を供給する金属元素供給装置、例えば、金属元素供給バーナー１５を有する。金属元素がドープされた石英ガラスを製造する場合、前述した如く、金属元素をドープした石英粉を使用してもよいが、図３に示した如く、金属元素供給バーナー１５を別途用いてもよい。例えば、所望の金属元素を含むセラミック粉を金属元素供給バーナー１５に供給し、金属元素供給バーナー１５を介して粉供給バーナー１４の火先端近傍の火炎中にセラミック粉を落下させ、金属ドープ石英ガラスインゴットを製造することができる。なお、その他の構成については、上記した石英ガラス製造装置の第１の態様と同様であるので、説明は省略する。

以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。

（実施例１）
図１に示した石英ガラス製造装置を用いて石英ガラスインゴットを作製した。
保温用石英ガラスバーナー３本と、粉供給石英ガラスバーナーを２本用い、各バーナーに水素と酸素を供給し（Ｈ_２供給速度：１０ｍ^３／Ｈｒ、Ｏ_２供給速度：４ｍ^３／Ｈｒ）、粉供給石英ガラスバーナーに石英粉を供給し（石英粉供給量：１５ｋｇ／Ｈｒ／バーナー）、各バーナーの粉供給ラインにＮ_２とＯ_２ガスをそれぞれ５．０ｍ^３／Ｈｒ流し、粉供給ボックスの圧力を１００ｍｍＨｇに保ちながら、石英粉を加熱溶融し、５ｒ．ｐ．ｍで回転するベルヌイ炉底部へ落し、３．５時間堆積させて、石英ガラスインゴットを作製した。２本の粉供給石英ガラスバーナーからの石英粉の炉底部への落下位置は、それぞれ炉底中心部より５０ｍｍ離れた位置、及び８０ｍｍ離れた位置とし、異径円上に石英粉を堆積させた。

３０ｋｇ／Ｈｒでインゴットが堆積溶融されて、直径６００ｍｍ、厚さ１６０ｍｍの１００ｋｇインゴットを得た（粉分散密度：約１０．６ｇ／（Ｈｒ・ｃｍ^２）。インゴット内部には、０．３ｍｍを超える泡は観察されなかった。インゴット上表面１０ｍｍまでの純度分析をＩＣＰ−ＡＥＳによって行ったが、Ｎａ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒは、１０ｍｍ以上の深さ位置の純度分析結果と差異が無かった。

（実施例２）
保温用石英バーナー５本と、粉供給石英ガラスバーナーを５本用い、粉供給量を６ｋｇ／Ｈｒ／バーナーに変更した以外は実施例１と同様に実施し、同様な結果を得た。５本の粉供給石英粉からの石英粉の炉底部への落下位置は、それぞれ炉底中心部より３０ｍｍ、８０ｍｍ、１３０ｍｍ、１８０ｍｍ、２３０ｍｍ離れた位置に設定し、５種の異径円上に石英粉を堆積させた。

（実施例３）
粉供給石英ガラスバーナーに供給される石英粉として、Ａｌ_２Ｏ_３：６ｗｔ％、及びＹ_２Ｏ_３：２ｗｔ％を混合した石英粉を用いた以外は、実施例１と同様に行い、同様な結果を得た。

（実施例４）
図３に示した石英ガラス製造装置を用いて石英ガラスインゴットを作製した。
図３に示した石英ガラス製造装置を用い、Ａｌ_２Ｏ_３とＹ_２Ｏ_３粉を２：１の重量比率に混合した混合セラミック粉を金属元素供給バーナーより１ｋｇ／Ｈｒで各粉供給石英ガラスバーナーの火先端５０ｍｍの火炎中に落しながら石英ガラスインゴットを作製した以外は、実施例１と同様に行い、同様な結果を得た。

（比較例１）
１本の石英ガラスバーナーを用い、Ｈ_２：１０ｍ^３／Ｈｒ、Ｏ_２：５ｍ^３／Ｈｒ、石英粉供給量：３ｋｇ／Ｈｒで石英粉を加熱溶融しながら、ベルヌイ炉底中央部へ落し、３５時間堆積させたのち、直径４００ｍｍ、長さ３７０ｍｍの１００ｋｇインゴットを得た後、粉供給を止めて、インゴットの加熱だけを行い、軟化させて、平坦化させ、直径６００ｍｍ、厚さ１６０ｍｍの石英ガラスインゴットを作製した。インゴット内部には、０．３ｍｍを超える泡が、１００ｐ／１００ｃｍ^３観察された。インゴット上表面１０ｍｍまでの純度分析をＩＣＰ−ＡＥＳによって行ったが、Ｎａ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒは、１０ｍｍ以上の深さ位置の純度分析結果より、各々０．１ｐｐｍ程度高くなった。

本発明の石英ガラス製造装置の一例を示す概略説明図である。 石英粉の堆積状態を示す炉上面部の摘示概略図である。 本発明の石英ガラス製造装置の他の例を示す概略説明図である。

符号の説明

１００、１０２：本発明の石英ガラス製造装置、１０：粉供給装置、１２：ホッパー、１４：粉供給バーナー、１５：金属元素供給バーナー、１６：粉搬送部、１７：ガス供給手段、１８：補助加熱バーナー、２０：炉、２２：炉の側壁、２４：炉床、３０：石英粉、３２：堆積された石英ガラス、４０：天板。

Claims (17)

1. 回転する炉の上部から粉供給装置より石英粉を落下させて炉底中央部に積層させ、加熱溶融して炉の外周方向に伸展させてインゴットとする石英ガラスの製造方法において、石英粉の落下位置と溶融位置を炉底部に分散させることを特徴とする石英ガラスの製造方法。
2. 前記石英粉の落下位置を炉底部中心部から変位させ、前記粉供給装置及び前記炉底部の一方又は両方が回転移動することにより石英粉が炉底部に分散されることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスの製造方法。
3. 石英粉の炉底部での堆積速度が、（０．５〜２０ｋｇ／Ｈｒ）／ｒ．ｐ．ｍであることを特徴とする請求項２記載の石英ガラスの製造方法。
4. 前記粉供給装置が、ホッパーと、炉に石英粉を供給する複数本の粉供給バーナーとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の石英ガラスの製造方法。
5. 前記粉供給装置における前記ホッパーから前記粉供給バーナーまでの粉供給ラインを密閉系とし、該粉供給ラインに不活性ガス及び／又は酸素ガスを供給し、且つ該粉供給ライン内を加圧することを特徴とする請求項４記載の石英ガラスの製造方法。
6. 前記粉供給ラインの不活性ガス及び酸素ガスの供給量の合計が、石英粉の供給量１ｋｇ／Ｈｒに対して、（０．０５〜１０ｍ^３／Ｈｒ）／（ｋｇ／Ｈｒ）の範囲であることを特徴とする請求項５記載の石英ガラスの製造方法。
7. 前記粉供給ラインに１〜４００ｍｍＨｇの圧力を掛けることを特徴とする請求項５又は６記載の石英ガラスの製造方法。
8. 石英粉の炉底部への粉分散密度は、１〜５１ｇ／（Ｈｒ・ｃｍ^２）の範囲であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の石英ガラスの製造方法。
9. 炉底部が回転し、前記粉供給装置によって形成される粉堆積位置が、炉底部中心部以外の回転円上にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の石英ガラスの製造方法。
10. 前記粉供給装置が粉供給バーナーを複数本有し、異径円上に粉堆積部を設定することを特徴とする請求項９記載の石英ガラスの製造方法。
11. 前記粉供給装置に設けられた粉供給バーナーが石英ガラスバーナーであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の石英ガラスの製造方法。
12. 前記石英粉が、１種以上の金属元素を０．０１〜２０ｗｔ％含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の石英ガラスの製造方法。
13. 前記金属元素が、３Ｂ族の金属元素の１種類以上と、ランタノイド、アクチノイド、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆからなる群から選択される１種類以上とを含むことを特徴とする請求項１２記載の石英ガラスの製造方法。
14. 石英粉を供給する粉供給装置と、金属元素を供給する金属元素供給装置を別途用いることを特徴とする請求項１２又は１３記載の石英ガラスの製造方法。
15. 回転可能な炉と、該炉の上部に設けられた粉供給装置とを含む石英ガラス製造装置であって、該粉供給装置が、ホッパーと、炉に石英粉を供給する１本又は複数本の粉供給バーナーとを有し、前記粉供給バーナーの少なくとも１本は、石英粉の落下位置が炉底部中心部から変位するように配置されることを特徴とする石英ガラス製造装置。
16. 前記ホッパーから前記粉供給バーナーまでの粉供給ラインに不活性ガス及び／又は酸素ガスを供給するガス供給手段をさらに有することを特徴とする請求項１５記載の石英ガラス製造装置。
17. 前記粉供給装置が回転可能であることを特徴とする請求項１５又は１６記載の石英ガラス製造装置。

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