(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器中に石英ガラスの汚染源とならない材質の粉末を収容し、この粉末中に光学用合成石英ガラス製品を埋めアニールする光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法において、アニール温度が１０５０〜１２５０℃であって、前記容器中に収容される粉末の粒径が５０μｍ以下であり、光学用合成石英ガラス製品の厚さ、径、幅、長さのうち最小の値Ｔを高さ方向としたとき、その上下両方向に少なくとも２×Ｔの厚さで前記粉末が充填されていることを特徴とする光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法。
【請求項２】
前記アニール温度にて１５分間〜１０時間維持すること特徴とする請求項１記載の光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法。
【請求項３】
アニール温度で維持後の冷却に当たり、少なくとも１０００℃までの降温速度を１〜１０℃／時間とすること特徴とする請求項２記載の光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光デバィス、光通信用ファイバ、光学用部品など光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光デバィス、光通信用ファイバ、マスク用基板、光学用部品（たとえば窓、レンズプリズム、紫外線用素子）などの光学用合成石英ガラス製品は、一般的に、次のような溶融成型法で製造されている。すなわち、
▲１▼天然石英を粉砕し、これを原料粉末とした溶融成型法、
▲２▼四塩化珪素を出発材料として得た合成石英粉末を原料とする溶融成型法、あるいは
▲３▼アルキルシリケート類を出発材料として得た合成石英粉末を原料とする溶融成型法で得た石英ガラスインゴットを、製品寸法・形状に切り出し、加工や成型を施して光学用合成石英ガラス製品を得ている。
【０００３】
ところで、前記石英ガラスインゴットの製造過程、あるいは製品化の加工過程において、高温度下に曝されるため、冷却過程で歪みが発生し、この歪みが残留していると、ガラス製品の破壊を招来する恐れがある。したがって、ガラス製品化後、再加熱（アニール）し、発生・残留している歪みの除去を行っている。特に、光学用の場合は、歪みがあると屈折率が変化するので、高精度のアニールが要求される。たとえばエキシマレーザーステッパに使用される石英ガラスでは、歪み量 5nm／cm以下が要求されている。
【０００４】
ここで、アニールの方法は、たとえば電気炉内に石英ガラス製品を収容し、石英ガラスの歪み点以上の温度に加熱保持した後、歪み点以下の温度までゆっくりと降温することである。そして、このアニールによれば、石英ガラスが原子レベルで流動し得る歪み点以上の温度領域で石英ガラス中の温度差をなくし、この温度差をなくした状態を保って歪み点以下の温度まで冷却することにより、内部応力の発生を防止して、結果的に、歪みのない石英ガラスが得られることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記アニールにおいて、加熱炉の特性が石英ガラスの歪みの除去を左右する傾向があり、実際的に、要求される歪み量（たとえば 5nm／cm以下）とすることは困難な状況にある。すなわち、石英ガラスを冷却する過程で、石英ガラス中の内外温度差を 0℃とすることは実質的に至難で、温度差がたとえば 1℃あっても、 1.2×10-6の屈折率差を生じる。エキシマレーザーステッパに使用される石英ガラスに要求される面内屈折率変化量が 1×10-6であることを考慮すると、前記冷却過程における石英ガラス中の内外温度差 1℃が大きく影響することが分かる。
【０００６】
また、光学用石英ガラスの歪み除去方法として、不活性ガス雰囲気中で1200℃以上の温度に加熱することにより、結晶相を折出させずに、石英ガラス中の歪みを除去する方法も提案されている（特開昭 63-218522号公報）。すなわち、大気中で、石英ガラス中の歪みを除去するため、1200℃以上の温度に加熱すると、結晶相が折出・形成され易いので、この改善策として、不活性ガス雰囲気中での加熱を提唱したもので、石英ガラスに対して不活性な粉末で、除歪する石英ガラスの周囲を充填することも提案されている。ここで、不活性な粉末として、粒径50μm 〜 5mmの SiO2 ， C， SiC，安定化 ZrO2 が挙げられている。
【０００７】
しかしながら、不活性ガス雰囲気中、1200℃以上の温度に加熱する除歪法は、結晶相の折出・形成を抑制・防止できるが、光学用石英ガラスにおいて要求される歪み量（たとえば 5nm／cm以下）を、常時、達成することは困難である。すなわち、石英ガラスに対して不活性な粉末で、除歪する石英ガラスの周囲を充填した場合でも、除歪状態にバラツキが認められ、所要の歪み除去を再現性よく行えないのが実情である。
【０００８】
本発明は、上記事情に対処してなされたもので、光学用合成石英ガラス製品について、結晶相の折出・形成を抑制・防止するとともに、再現性よく、かつ高精度の除歪が可能な光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、容器中に石英ガラスの汚染源とならない材質の粉末を収容し、この粉末中に光学用合成石英ガラス製品を埋めアニールする光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法において、アニール温度が１０５０〜１２５０℃であって、前記容器中に収容される粉末の粒径が５０μｍ以下であり、光学用合成石英ガラス製品の厚さ、径、幅、長さのうち最小の値Ｔを高さ方向としたとき、その上下両方向に少なくとも２×Ｔの厚さで前記粉末が充填されていることを特徴とする光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法において、上記アニール温度にて１５分間〜１０時間維持すること特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２記載の光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法において、アニール温度で維持後の冷却に当たり、少なくとも1000℃までの降温速度を 1〜10℃／時間とすること特徴とする請求項２記載の光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法。
【００１２】
すなわち、本発明は、次のような現象に着目して達成されたものである。先ず、 (a)合成石英ガラス製品の周辺に粉末を充填・配置すると、合成石英ガラス製品に対する熱の収支が緩やかに行われること、 (b)前記熱の収支の緩慢化により、合成石英ガラス製品の周辺の均熱性が向上すること、 (c)前記均熱性の向上に伴って、合成石英ガラス製品内部も均熱性を保持し易くなること、などに着目して種々検討を行った。その結果、 (d)合成石英ガラス製品の周辺に充填・配置する粉末の種類、粒径、所定容器内での充填高さなどが重要な条件・因子となることを確認した。
【００１３】
第１に、石英ガラスの汚染源とならない材質で、かつ粒径５０μｍ以下の粉末を均熱化材料として使用する必要がある。ここで、石英ガラスの汚染源とならない材質としては、全金属不純物量が５０ｐｐｍ以下である石英ガラス、ＳｉＣなどが挙げられる。本発明のオニール処理時の失透発生を極力防止するためには、不純物中、特にＮａ，Ｋ，Ｃａ，Ｆｅ，Ｃｕが５ｐｐｍ以下であることが好ましい。そして、粒径が５０μｍを超えた場合は、均熱性が不十分になるため、常時、粒径を５０μｍ以下の範囲内で選ぶ必要がある。なお、粒径が１０μｍ  未満の場合は、粉末充填時に粉末が舞い上がり易いなど、作業性が損なわれる傾向があるので、より好ましくは粒径が１０〜５０μｍである。
【００１４】
第２に、前記合成石英ガラス製品を埋める粉末の所定容器内での充填高さは、合成石英ガラス製品の厚さ、径、幅、長さのうち、最小の寸法値 Tを高さ方向として決められる。すなわち、厚さ、径、幅、長さのうち最小の寸法値 Tを垂直方向として、容器中に合成石英ガラス製品を収容配置したとき、合成石英ガラス製品の上下の両方向に少なくとも 2×T となる厚さに設定する必要がある。
【００１５】
ここで、前記設定とする理由は、合成石英ガラス製品の埋め込み・充填に使用する粉末の所定容器内での高さが、 2×T 未満では均熱化効果が不十分であり、光学用合成石英ガラスで要求される高精度の歪み除去が行えないためである。なお、合成石英ガラス製品の埋め込み・充填に使用する粉末の所定容器内での充填高さは、前記最小の寸法値 Tが 100mm以下の場合、 2×T でよいが、最小の寸法値 Tが 100mmを超えた場合、 2×T よりも高い倍率に選ぶことが望ましい。
【００１６】
第３に、アニール温度は1050〜1250℃の範囲に、また、維持時間は15分間〜10時間に設定される。つまり、前記光学用合成石英ガラス製品の埋め込み・充填に使用する粉末の粒径や充填高さを、上記のように選択・設定したことにより、再加熱温度を1050℃に設定しても十分に所要の除歪が行われ、1250℃を超えると、前記粉末が光学用合成石英ガラス製品の表面に付着し、表面が凹凸化する恐れがある。また、光学用合成石英ガラス製品が肉薄の場合は、反りを生ずる可能性もある。
【００１７】
ここで、アニール温度を1050℃と比較的低く設定できることは、粉末中に埋め込まれる合成石英ガラス製品における熱収支が、より均一性の高い状態で行われることを意味し、効果的に、合成石英ガラス製品の歪みが除去される。
【００１８】
第４に, 前記アニール後、少なくともそのアニール温度から1000℃までの降温速度を 1〜10℃／時間に設定することが好ましい。すなわち、1000℃よりも高温では除歪が十分に行われないことがあり、また、1000℃よりも低温に設定することは、処理時間を延長するこになって、生産性やコスト面で不利である。なお、前記1000℃までの降温速度を 1〜10℃／時間に設定することにより、光学用合成石英ガラス製品と所望される除歪が確実に行われる。
【００１９】
なお、本発明において、アニール雰囲気は、大気、不活性ガス、水素ガス、塩素系ガスなどいずれでもよいが、失透性が懸念される場合は、水素ガスもしくは塩素系ガスを選ぶことが好ましい。
【００２０】
また、本発明で用いられる容器としは、上記粉末と同様に、全金属不純物含有量が、50 ppm以下の石英ガラス製あるいは SiC材料製が好ましい。
【００２１】
請求項１ないし請求項３の発明では、アニールする合成石英ガラス製品は、加熱炉の特性に影響されることなく、容易に、かつ良好な均熱性を確保するため、所要の除歪がなされて、高品質な光学用合成石英ガラスとなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図１および図２を参照して実施例を説明する。
【００２３】
図１および図２は、本発明の実施態様例を説明するための透視的な斜視図である。図１において、１は加熱源２として電熱ヒータを有する電気炉、３は前記電気炉１内に収容された石英ガラス汚染源とならない材質、たとえば SiC製の容器である。ここで、電気炉１は、 500× 500×1000mmの大きさであり、また、 SiC製の容器３は、直径 350mm、深さ 400mmの有底円筒状容器である。
【００２４】
そして、前記有底円筒状容器３内には、図２に拡大して示すように、直径 300mm，厚さ50mmの光学用合成石英ガラス製品４が、粒径10〜50μm の石英粉末５中に埋め込まれている。ここで、石英粉末５は、先ず、有底円筒状容器３の底壁面から 150mmの高さまで充填され、その表面に光学用合成石英ガラス製品４を置き、その後、さらに石英粉末５を光学用合成石英ガラス製品４上面から 150mmの高さまで充填する。この石英粉末５の充填高（厚さ）さは、前記光学用合成石英ガラス製品４の上下各方向の 3×T に相当する厚さである。なお、光学用合成石英ガラス製品４の径方向への石英粉末５の充填の厚さは任意でよいが、この例では25mmであった。
【００２５】
次に、上記電気炉１内の雰囲気を大気とし、また、その電熱ヒータ２を入力して、電気炉１内の温度を1150℃まで上昇させた後、この1150℃の温度を 1時間キープした。次いで、 5℃／時間の割合で1000℃まで冷却し、その後、室温まで自然冷却した。なお、このアニール過程で、1150℃にキープした時点、および1000℃までの降温中、光学用合成石英ガラス製品４周辺の温度を測定したところ、各位置の温度差は最大で 0.5℃に過ぎなかった。
【００２６】
上記アニール処理した光学用合成石英ガラス製品４について、両面光学研磨を行った後、光弾性法によって光学研磨面の歪み量を測定したところ、歪み量は、 3nm／cmで光学用の要求歪み量が容易、かつ十分に確保されていた。
【００２７】
なお、上記電気炉１内の雰囲気を、たとえば窒素ガスなどの不活性ガス、水素ガスあるいは塩素系ガスに変更した場合も、同様の結果が得られた。
【００２８】
比較例１
上記実施例において、光学用合成石英ガラス製品を石英粉末中に埋め込まなかった他は、同一の条件でアニール処理を行った。このアニール過程で、1150℃にキープした時点、および1000℃までの降温中、光学用合成石英ガラス製品４周辺の温度を測定したところ、各位置の温度差は最大で25℃であった。
【００２９】
また、アニール処理した光学用合成石英ガラス製品について、両面光学研磨を行った後、光弾性法によって光学研磨面の歪み量を測定したところ、歪み量は、40nm／cm以上で、光学用の要求歪み量を満たしていなかった。
【００３０】
比較例２
上記実施例において、光学用合成石英ガラス製品の上下方向それぞれに、90mm厚さで石英粉末を充填した他は、同一の条件でアニール処理を行った。このアニール過程で、1150℃にキープした時点、および1000℃までの降温中、光学用合成石英ガラス製品４周辺の温度を測定したところ、各位置の温度差は最大で 9℃であった。
【００３１】
また、アニール処理した光学用合成石英ガラス製品について、両面光学研磨を行った後、光弾性法によって光学研磨面の歪み量を測定したところ、歪み量は、10nm／cm以上で、光学用の要求歪み量を満たしていなかった。
【００３２】
本発明は、上記例示に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、いろいろの変形を採ることができる。たとえば、光学用合成石英ガラス製品の形状・大きさ、有底円筒状容器の材質や寸法・形状、光学用合成石英ガラス製品を埋め込む粉末の材質などは、アニール処理する光学用合成石英ガラス製品などの種類や用途によって任意に選択・設定することができる。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１および請求項３の発明によれば、光学用合成石英ガラス製品の周辺に充填され、かつ埋設する石英粉末などを介して、光学用合成石英ガラス製品は、常時、全体的に均一な（温度差の小さい）熱収支が行われる。すなわち、加熱炉の特性などに影響されることなく、容易に、かつ良好な均熱性が確保されて効果的に、所要の除歪がなされて高品質な光学用合成石英ガラスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光学用合成石英ガラス製品の歪み除去方法の実施態様を説明するための透視的な斜視図。
【図２】図１の一部を拡大して示す透視的な斜視図。
【符号の説明】
１……電気炉
２……電気炉の加熱源
３……石英ガラス製品を収容する容器
４……光学用合成石英ガラス製品
５……光学用合成石英ガラス製品を埋め込む粉末
【図１】
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【図２】
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