(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英粉をカーボン製鋳型に充填し真空下で加熱溶融する気泡を含まない透明な石英ガラスインゴットの製造方法において、前記カーボン製鋳型の少なくとも内周側壁側に石英ガラス層を配置し、その中に石英粉を充填したのち、少なくとも１本の透明石英ガラス棒を縦方向に挿入し、加熱溶融することを特徴とする透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項２】
少なくとも１本の透明石英ガラス棒を充填した石英粉層中の縦方向に中心部又は中心部から均等に間隔を隔てて挿入することを特徴とする請求項１記載の透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項３】
透明石英ガラス棒の表面を粗面化することを特徴とする請求項１又は２記載の透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項４】
透明石英ガラス棒の下端部を円錐状とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の大型石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項５】
透明石英ガラス棒のＯＨ基濃度が３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項６】
石英粉の粒度が５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１記載の透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項７】
カーボン鋳型内の加熱昇温速度を
室温から１６００℃まで              ２００〜６００℃／時間
１６００℃〜石英粉の溶融温度まで    ５〜１５０℃／時間
とし、かつ充填石英粉層の溶融を下部から上方向に順に進行させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【請求項８】
石英粉の真空下での加熱溶融終了後降温せずに鋳型内を不活性ガス加圧下に保持することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の透明石英ガラスインゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、石英粉を原料として気泡を含まない透明石英ガラスインゴットを高い生産性で製造する方法に関する。特に、半導体産業におけるシリコンウエーハの熱処理工程で使用する石英ガラス製装置・治具等の素材として有用な透明石英ガラスインゴットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、石英ガラスは高純度で、しかも耐熱性に優れているところから半導体ウエハーの処理工程で使用される石英ガラス製装置・治具等として使用されてきた。近年、前記半導体ウエハーが大口径化するに従い石英ガラス治具も大型化され、特に肉厚のプレート等を使用する石英ガラス治具が多く使用されるようになってきた。石英ガラス製装置・治具は、石英粉を加熱溶融して得たブロック状、シリンダー状等の石英ガラスインゴットから加工してむく棒、管或は板等を作成したのち、ガラス細工等の手段で組み立てて製造されるが、前記石英ガラスインゴットは主に酸水素火炎中に石英粉を供給しながら溶融堆積させるいわゆるベルヌイ法で製造されるのが一般的である。このベルヌイ法による石英ガラスインゴットの製造では、ＤＩＮ５８９２７規格レベルで気泡含有量が少ないものを製造することができるが、反面、水酸基濃度が高く高温での粘性に劣る上に、製造に長時間を要するといった欠点があった。そこで、大型化が可能で、かつ水酸基濃度の低い高耐熱性の石英ガラスインゴットを製造する方法として、カーボン製鋳型に原料の石英粉を充填しそれを電気炉を用いて真空下で溶融する方法（以下カーボン鋳型法という）が提案された。しかし前記製造方法では石英粉の溶融ガラス化時にカーボン製鋳型内表面と充填石英粉の接触部分で熱反応が起こり、それが一定の深さまで進行してインゴットの外表面に荒れを作ったり、あるいは熱反応で発生した汚染ガスが充填石英粉の隙間を通って内部に移動しインゴットの外層部を汚染したりして製品の歩留を低くしていた。しかもこの製造方法で大型の石英ガラスインゴットを製造する場合、特に水平方向の大きさに対して高さが高い形状のインゴット、例えば大口径の円柱状インゴットを製造する場合には、外周部に比べ中心部の加熱溶融が遅いため、充填石英粉の外周部で発生したガスが中心部分に移動しそのまま気泡として残存するという問題があった。前記問題を解決するため溶融時にあるいは溶融後に加圧下で再度加熱する方法が、例えば特開昭４８−３６２１４号公報、特公昭５６−５６９５号公報等で提案されている。しかしながら、前記公報記載の方法では高圧を必要とするところから炉の構築費用が増大し製造コストを押し上げるといった欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした現状に鑑み、本発明者等は、素材としての石英ガラスインゴット、特に近年半導体産業で要求の高い大型でしかも高温粘性に優れた石英ガラスインゴットの製造について検討を重ねたところ、カーボン鋳型法が最適であるとの結論に達し、このカーボン鋳型法の有する前記欠点を改良すべく鋭意研究を続けた結果、石英ガラスインゴット中心部の気泡の集中化は、従来の抵抗加熱式等の電気炉では充填石英粉の外側と中心部とでは溶融に時間差があり、特に大型石英ガラスインゴットの場合、外側が加熱され溶融されても中心部は未溶融の状態となり外側で発生したガスが石英粉充填層を通って中心部に移行し、そこに取り残されたり、あるいは石英粉層の内部の溶融で発生したガスが熱により上昇しようとしても上部が既にガラス化されていて気体の逃げ場がなくなりそのまま残留することが原因であることがわかった。そしてこのような欠点は、石英粉充填層中に透明石英ガラス棒を縦方向に位置させ、この状態で加熱昇温すると石英粉充填層の水平方向の温度分布が比較的均一化され中心部方向に気泡が移行し残留するのを防止できることで解決できることを見出した。更にまたカーボン鋳型法による石英ガラスインゴットの外表面の荒れ及び外層部の汚染は、カーボン製鋳型と石英粉との熱反応に起因し、その熱反応がカーボン製鋳型と石英粉との接触面積の増大で加速されるが、かかる欠点はカーボン製鋳型の内周側壁に石英ガラス層を介在させることで解決できることを見出し本発明を完成したものである。すなわち、
【０００４】
本発明は、高温粘性に優れた透明石英ガラスインゴットの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、中心部に気泡がなく、しかも外表面の荒れや外層部の汚染が少なく歩留のよい大型の透明石英ガラスインゴットの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、石英粉をカーボン製鋳型に充填し真空下で加熱溶融する気泡を含まない透明な石英ガラスインゴットの製造方法において、前記カーボン製鋳型の少なくとも内周側壁側に石英ガラス層を配置し、その中に石英粉を充填したのち、少なくとも１本の透明石英ガラス棒を縦方向に挿入し、加熱溶融することを特徴とする透明石英ガラスインゴットの製造方法に係る。
【０００７】
本発明で使用する石英粉としては高温粘性に優れ、かつ高純度である必要があるところから精製した高純度の結晶質石英粉を使用する。前記結晶質石英粉としては例えば水晶、珪砂、珪石などを粉砕して得られた粉体を挙げることができるが、特に水晶粉が好ましい。前記結晶質石英粉はその粒度が５０〜３００μｍの範囲のものを使用するのがよい。粒度が５０μｍ未満では石英粉の溶融が速くなり、気泡の含有を助長して好ましくなく、また粒度が３００μｍを超えると均一なガラス化が困難となる。
【０００８】
本発明におけるカーボン製鋳型に結晶質石英粉を充填したときの状態を図１、３に示す。また、図２、４は図１、３のＡ−Ａ線水平断面図を示す。図１〜４において、１はカーボン製鋳型、２は石英ガラス層、３は結晶質石英粉、４は透明石英ガラス棒である。本発明の製造方法では、図１のカーボン製鋳型１の内周壁と充填石英粉の間に要すれば石英ガラス層を配置させ、充填石英粉中に少なくとも１本の透明石英ガラス棒を縦方向に挿入した状態で、カーボン鋳型を電気炉加熱し充填石英粉を真空下で加熱昇温させて溶融する方法であるが、前記カーボン製鋳型と充填石英粉との間に配置させる石英ガラス層としては、必ずしも透明石英ガラスである必要は無いが、一般には管状、板状などの透明石英ガラスが好ましい。特に管状の透明石英ガラス層を配置させるのが作業効率からみて好適である。そして前記透明石英ガラス層は原料の石英粉と同程度の純度を有し、かつ含有されるＯＨ基濃度も３０ｐｐｍ以下とするのがよい。前記ＯＨ基濃度の石英ガラス層を配置することにより真空下での加熱溶融中に石英ガラス層のＯＨ基濃度が一層低減する。溶融終了時には得られたインゴットと介在させた石英ガラス層との境界が判別できない程度まで一体化する。また、配置する石英ガラス層はカーボン製鋳型の内周側壁のみならず内側底部にも配置させるのが特に好ましい。これにより不必要に石英ガラスインゴットを研削することなく歩留り高く気泡のない透明石英ガラスインゴットを製造できる。このようにカーボン製鋳型の内側に石英ガラス層を配置させその内部に原料精製石英粉を充填することにより、カーボン製鋳型と石英粉とが直接接触することがなく、しかもカーボン製鋳型は表面が滑らかな石英ガラス層と接触するところから、接触面積が減少し、カーボン製鋳型と石英粉との熱反応で発生するガスが少なくなる上に、発生したガスが緻密な石英ガラス層で石英粉充填層内部に移行するのが阻止され、石英ガラスインゴットの外表面の荒れや外層部の汚染が少なくなる。
【０００９】
本発明では充填石英粉層中に縦方向に透明石英ガラス棒を位置させることが極めて重要である。この石英ガラス棒は電気炉からの熱（輻射熱）を吸収させ充填石英粉層をその中心部の温度を上昇させ水平方向の均熱化を図る。その結果、溶融時に発生するガスの中心部への移行がなく気泡の中心部への集中がない。前記透明石英ガラス棒としては、安価で入手が容易な大きさで良いが、余り太い棒であると先端部分の平端面下に位置する気泡がガラス棒の端面で塞がれ除去が困難となるので、直径が１０ｍｍ以上の棒を使用する場合には下端部を円錐状に研削しておくのがよい。また石英ガラス棒を図３のように複数本使用する場合は、石英ガラス棒の中心から円状に温度分布が形成されるので、１本の石英ガラス棒でカバーできる温度範囲で充填石英粉層全体を覆うように、例えば同心円状に配列するのがよい。さらに、透明石英ガラス棒の表面はサンドブラスト等により粗面化して熱の吸収と表面での乱反射を起させ温度分布の均一化を図るのがよい。この透明石英ガラス棒としては水酸基濃度が３０ｐｐｍ以下の高純度品が望ましい。
【００１０】
充填石英粉の加熱溶融は、真空下で室温から１６００℃までを２００〜６００℃／時間の昇温速度で、１６００℃〜石英粉の溶融温度までを５〜１５０℃／時間のゆっくりした昇温速度で加熱する。溶融は充填石英粉層を下部から上方向に順に溶融するのが良く、より望ましくは真空下に石英粉の縦方向の厚み５ｃｍにつき少なくとも３０分の加熱時間を維持しながら、同時に充填層の上端部分が溶融温度に達するまでの間、下端部分の温度が上端部分の温度より少なくとも３０℃高い状態を維持しながら溶融する。溶融終了後要すれば２時間以上該温度に保持し、その際に真空とは逆に不活性ガス雰囲気（０．５〜３気圧）による加圧を実施する。かかる加熱溶融条件を採用することにより、充填石英粉中の気体の排気が充分に行われるとともに、溶融中に発生した気体も排気でき気泡のない透明の大型石英ガラスインゴットが外周部の荒れや汚染が少なく生産性よく製造できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に具体例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はそれにより限定されるものではない。
【００１２】
【実施例】
実施例１
カーボン板上に内径１５５ｍｍ、長さ５００ｍｍのカーボン筒を立ててカーボン製鋳型１を形成し、その中に外径１５４ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ５００ｍｍの透明石英ガラス管２（ＯＨ基濃度２８ｐｐｍ、総金属不純物＜２５ｐｐｍ）を挿入し、その内部に結晶質石英粉３（総金属不純物＜３０ｐｐｍ、粒度分布６０〜２８０μｍ、平均粒径１８０μｍ）を振動を与えながら充填し、高さ約４７０ｍｍに詰めた。前記充填物の密度は約１．４５ｇ／ｃｍ3であった。前記充填物にさらに直径８ｍｍ、長さ５００ｍｍの透明石英ガラス棒（ＯＨ基濃度２８ｐｐｍ、総金属不純物＜２５ｐｐｍ）４を表面サンドブラストし先端を鉛筆状に研削したものを充填石英粉３の中心部に垂直に挿入した。
【００１３】
上記カーボン製鋳型全体を真空炉内にセットし真空炉内を１×１０-4ｍｍＨｇ以下の真空度まで排気した後、昇温を開始した。加熱源としてはカーボン鋳型の下端部近くに設置したカーボン抵抗ヒーターを使用し、ヒーター直上及び充填層上端部の温度を熱電対で測定し、両者の温度差が５０〜６０℃となるように制御しながら加熱昇温した。この時の昇温条件は下記のとおりである。
室温〜１６００℃                    ４時間（４００℃／時間）
１６００℃〜１７８０℃              ３時間（６０℃／時間）
１７８０℃保持                      ３時間
【００１４】
上記加熱昇温において、１７８０℃に２時間保持したのち、窒素ガスで炉内の真空を破壊し、大気圧に戻し、溶融・冷却終了まで大気圧下を維持した。前記溶融に至るまでの平均加熱時間は石英粉の充填厚さ４７０ｍｍに対し７時間であり、厚さ５ｃｍ当たり４４分の加熱時間が維持された。
【００１５】
冷却後取り出された石英ガラスインゴットには気泡がなく透明な大型の石英ガラスであった。前記大型石英ガラスインゴットをその外表面から約１ｍｍまで研削したところ通常のガラス表面が現れ、その部分をサンプル抽出し純度を測定したところ内部の純度と変わらなかった。さらに上下表面の凹凸部を切り落として外径１５２ｍｍ、長さ２９５ｍｍで重量１１．７８Ｋｇの石英ガラスインゴットを得た。この石英ガラスインゴットは使用石英ガラス管と石英粉の合計重量に対して９０％の歩留であった。また、カーボン製鋳型の損耗が少なった。
【００１６】
実施例２
上記実施例１において、透明石英ガラス管２を使用しなかった以外は、同例と同条件で結晶質石英粉を溶融した。得られた石英ガラスインゴットを外表面から約５ｍｍ研削したところ通常のガラス表面が現れた。上下表面の凹凸部を切り落として外径１４５ｍｍ、長さ２９０ｍｍで重量１０．５Ｋｇの石英ガラスインゴットを得た。
【００１７】
実施例３
カーボン板上に内径２５５ｍｍ、長さ５００ｍｍのカーボン筒を立て、その中に外径２５４ｍｍ、肉厚３ｍｍ、長さ５００ｍｍの透明石英ガラス管（ＯＨ基濃度２４ｐｐｍ、総金属不純物＜２５ｐｐｍ）２を挿入し、その内部に実施例１で使用した結晶質石英粉３を振動を与えながら３５ｋｇ充填しその密度を約１．４５ｇ／ｃｍ3とした。結晶質石英粉の充填高さは約５００ｍｍであった。前記充填石英粉層に石英ガラス管と同質の直径１０ｍｍ、長さ約５００ｍｍの表面をサンドブラストし先端が鉛筆状に研削された石英ガラス棒を５本、図３、４のように充填石英粉３の中心及びそれと直交する直径上に１／２半径の位置４ケ所にほぼ垂直に挿入した。
【００１８】
このカーボン製鋳型全体を真空炉内にセットし、真空炉内を１×１０-4ｍｍＨｇ以下の真空度まで排気した後、昇温を開始した。加熱源としては長さ１００ｍｍの円筒状ヒーターを５段に積んで使用し、ヒーター内にカーボン製鋳型を位置させた。各ヒーターの温度を熱電対で測定し、各ヒーターの出力を調節しながら上下端の温度差が３０〜８０℃の範囲になるように制御し、下端部が１７８０℃になるまで８時間かけて昇温した。以後は、下端部の温度は維持しながら上端部が１７８０℃になるまで２時間かけて加熱を行い、全体が１７８０℃になった後、更に２時間保持した。この間、１７８０℃に１時間保持した後、窒素ガスにより炉内を大気圧に戻し、溶融・冷却終了まで大気圧を維持した。
【００１９】
冷却後取り出された大型の透明石英ガラスインゴットには気泡がなく、外表面から約２ｍｍ研削したところその純度は内部の純度と同程度の石英ガラスであった。前記石英ガラスインゴットの上下表面の凹凸部を切り落として外径２５０ｍｍ、長さ３００ｍｍで重量３２．４Ｋｇの石英ガラスインゴットを得た。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、気泡の含有がない上に、外表面の荒れや外層部の汚染が少なく大型の透明な石英ガラスインゴットが生産性よく製造できる。前記製造方法で得られた石英ガラスインゴットを素材にして形成された半導体処理用治具は高温粘性が高く治具寿命が長い上に、処理半導体を汚染することがなく歩留高く製造できる。さらに本発明の製造方法ではカーボン製鋳型と石英粉とが接触することがないことからカーボン製鋳型の損耗が少なくカーボン製鋳型を寿命長く使用でき、石英ガラスインゴットの製造コストを低くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の充填石英粉に石英ガラス棒を挿入したカーボン製鋳型の概略図を示す。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線水平断面図である。
【図３】図３は、複数の石英ガラス棒を挿入したカーボン製鋳型の概略図を示す。
【図４】図４は、図３のＡ−Ａ線水平断面図である。
【符号の説明】
１  カーボン製鋳型
２  透明石英ガラス層
３  結晶質石英粉
４  透明石英ガラス棒
５  ガラス板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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