(57)【要約】【課題】五酸化ニオブ粉と石英ガラス粉の混合物を加熱溶融する場合、五酸化ニオブの還元が十分おこなわれ、遮光度の高い黒色石英ガラスが得られるようにする。【解決手段】ガス排出穴２を有するカーボン板１０を組み合わせた箱状容器１内にカーボンフェルト３を敷き詰めた治具１内に、五酸化ニオブ粉２５ｇと石英ガラス粉４ｋｇの混合物原料４を充填し、カーボンフェルト３１で覆い、ガス排出穴２を有するカーボン製板の蓋１１を容器１に載せ、電気炉内を真空状態として１８００℃に加熱して混合物原料４を溶融した。得られた黒色石英ガラスは、厚さ３ｍｍ以上において従来品と変わらない遮光性であった。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
五酸化ニオブ粉末と石英ガラス粉末を混合して混合物原料とし、この混合物原料をガス排出用の穴が多数形成してあるカーボン製容器内に充填し、カーボン製容器にガス排出用の穴が形成してあるカーボン板の蓋をして混合物原料をカーボンで包囲し、この容器を炉内に設置して真空状態において１８００℃以上に加熱して溶融することを特徴とする黒色石英ガラスの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、カーボン製容器内にはカーボンフェルトが敷き詰められており、更に充填した混合物原料がカーボンフェルトで覆われている黒色石英ガラスの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、石英ガラス粉の平均粒径が１０μｍ以上２００μｍ以下である黒色石英ガラスの製造方法。
【請求項４】
石英ガラスと五酸化ニオブ粉の混合物原料を真空溶融時に使用するカーボン製治具であって、複数のガス排出穴が形成してあるカーボン板を組み合わせた箱状の容器と、複数のガス排出穴が形成してあるカーボン板の蓋からなる黒色石英ガラス製造用治具。
【請求項５】
請求項４において、カーボン製箱状容器の内側にはカーボンフェルトが敷き詰めてある黒色石英ガラス製造用治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造用石英治具や光学分析用の石英ガラスセル等に使用する黒色石英ガラスの製造方法に関するものであり、更に詳しくは、遷移金属酸化物の粉末と石英ガラス粉を混合して溶融する黒色石英ガラスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、石英ガラスの黒色化は、石英ガラス中に五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）や三二酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）、もしくは二酸化ニオブのような金属酸化物を呈色材として加えることによっておこなわれている。
特許文献１（特許第３１５６７３３号公報）には、塩化ニオブをアルコールに溶解させ、この溶液を石英ガラス粉に添加混合して塩化ニオブを石英ガラス粉中に均等に分散させ、加熱して塩素分を除去してニオブ酸化物に化学変化させ、この乾燥混合物を還元雰囲気の電気炉中で１１００℃以上の熱処理をおこなって二酸化ニオブもしくは一酸化ニオブに還元し、更に真空炉中で溶融して黒色石英ガラスを得る方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２（特許第３４９７２２０号公報）には、バナジウム、ニオブ、タンタルのいずれかの金属塊を粉砕媒体として水晶粉または合成石英ガラス粉末をボールミルに投入し、粉砕用のボールの代替物として金属塊を使用して石英ガラス粉末等を粉砕すると共に金属塊自らも粉砕されて両者が均一に混合され、この混合物を酸水素火炎溶融法あるいは電気炉中でガラス化して黒色石英ガラスを得ることが開示されている。
【０００４】
ニオブを石英ガラス粉に均一に混合するためニオブ塩化物をアルコールに溶解して石英ガラス粉に添加して均一な黒色石英ガラスが得られるが、ニオブ塩化物をニオブ酸化物に化学変化させるために乾燥工程を必要とするので時間がかかり、また、溶剤を必要とするので余分なコストがかかるという問題がある。
【０００５】
そこで、本願出願人は、特許文献２にあるように、ボールミルで石英ガラス粉をニオブ等の金属塊で粉砕することによって金属塊自身も粉砕されるようにし、得られたニオブ等の金属粉体と石英ガラス粉が均一に混合されたものを加熱溶融して黒色石英ガラスを得る方法を提案した。しかし、金属塊が粉砕されて黒色を呈するに必要な量となるまで時間を要するので、短時間で金属粉体と石英ガラス粉を混合できるようにすることが望まれていた。
また、五酸化ニオブの粉体を石英ガラス粉と混合して黒色石英ガラスを製造する場合、加熱溶融時の還元が十分でなく、溶融して得られた黒色石英ガラスの黒色度が満足できないものとなる場合があった。
更に、加熱溶融時に粉体原料が一部気化して粉体間に空隙が形成され、この空隙に原料由来のガスが溜まり、この状態で加熱溶融してガラス化すると、発生したガスの逃げ場がなくなって粉体間に空隙として閉じ込められて残留して巣と呼ばれる状態になり、均一な黒色石英ガラスが得られない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１５６７３３号公報
【特許文献２】特許第３４９７２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、五酸化ニオブと石英ガラス粉の混合物原料を加熱溶融する場合、五酸化ニオブの還元が十分おこなわれ、遮光度の高い黒色石英ガラスが得られるようにすると共に、加熱溶融時に発生するガスが粉体間に閉じ込められて巣が生成されるのを防止することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
五酸化ニオブの粉末と石英ガラス粉末を混合し、この混合物をカーボンフェルトで包囲すると共に、ガス抜き穴を有するカーボン製容器に充填し、真空炉において加熱溶融することによって、五酸化ニオブの還元が素早くおこなわれるようにし、黒色度が十分であると共に大型の黒色石英ガラスを得られるようにしたものである。
カーボン製容器内において、カーボンフェルトで混合粉体を包囲して熱分解によって発生する酸素ガスは容器のカーボンと結合して二酸化炭素もしくは一酸化炭素となってニオブ酸化物が還元され、必要な黒色度の黒色石英ガラスを得ることができるのである。
【０００９】
五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）粉を石英ガラス粉に添加して混合するものであり、五酸化ニオブ粉の混合割合は製造する黒色石英ガラスの黒色度を考慮して配合割合を決めるものであり、石英ガラス粉に対して１．５重量％以上とすると黒色度が十分高い黒色石英ガラスが得られる。
【００１０】
石英ガラス粉の平均粒径は、溶融温度及び溶融時間を考慮して定めるが、１０μｍ以上２００μｍ以下とするのが好ましい。この範囲外の場合、溶融して得た黒色石英ガラスに気泡が入りやすくなるので好ましくない。
【００１１】
混合物の溶融温度は、１８００℃以上とするのが好ましく、加熱溶融時の雰囲気は０．１ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気とするのが好ましい。
五酸化ニオブは白色であり、これを黒色化するためには還元して二酸化ニオブ（ＮｂＯ2：青黒色）または一酸化ニオブ（ＮｂＯ：黒色）に化学変化させる必要があるので炉内を均一な還元雰囲気とする必要がある。
加熱溶融する際に混合物をカーボン製容器内に充填してあるので、１８００℃以上に高温に加熱すると、五酸化ニオブが熱分解されて酸素が放出されてカーボン製容器の炭素と反応して一酸化炭素となり、更に酸化されて二酸化炭素となって排出されることから、原料の五酸化ニオブは二酸化ニオブや一酸化ニオブとなり、溶融された石英ガラス粉は黒色を呈することになる。
【００１２】
混合した粉末を充填する容器は、カーボン板を組み合わせて容器としてあり、その内側にはカーボン製フェルトが敷き詰めてある。更に、容器はカーボン板からなる蓋を有する箱体であり、容器内の温度が均一となるようにしてある。
加熱による熱分解によって放出された酸素はカーボン製容器の炭素と反応して一酸化炭素や二酸化炭素となるので、これらが系外に素早く排出されるようにカーボン製容器の天井となる蓋にはガス排出用の穴が複数形成してあり、その直径は約１０ｍｍである。
【００１３】
溶融時に使用する混合原料粉体を入れるカーボン治具は、カーボンフェルトとカーボン板の二層構造からなり、カーボン板を組み合わせて組立てた容器の内側にカーボンフェルトを敷き詰めたものであり、石英ガラス粉と五酸化ニオブ粉体を混合した混合粉体原料をカーボン治具に充填し、混合原料粉体の表面をカーボンフェルトで覆い、カーボン板の蓋をして混合原料粉体をカーボンで包囲する。
カーボン治具は、混合原料を溶融する際発生する一酸化炭素や二酸化炭素を排出させるため、カーボン板に多数の直径約１０ｍｍ穴が形成してあり、排気が効果的におこなわれるようにしてある。
【発明の効果】
【００１４】
黒色を呈色するための五酸化ニオブを溶液に溶解せず粉体のまま石英ガラスと混合するので製造工程が簡素化される。五塩化ニオブを使用しアルコール溶液とする製造法に比べ、溶剤が不要である上に、五酸化ニオブを還元するための還元雰囲気をカーボン製治具によってつくりあげており、高価な石英ガラス治具が不要となり、黒色石英ガラスの製造時間の短縮及び製造コストを低減することができる。
溶融して得られた石英ガラスは黒色を呈し、波長２００〜２０００ｎｍの波長域でガラスの厚さ３ｍｍ以上で光透過率が１％以下であり、遮光性能が高く、遮光用として半導体製造用石英ガラス治具や光学分析用石英ガラスセルに使用することができる。
加熱溶融に使用するカーボン製治具にガス抜き穴が設けてあるので、発生ガスによる巣の生成を防止することができ、均一な黒色石英ガラスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】カーボン製治具の断面図。
【図２】黒色石英ガラスの厚さによる透過率のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施例１
五酸化ニオブ粉２５グラムと平均粒径６０μｍの石英ガラス粉４ｋｇをボールミルで約３時間撹拌混合する。撹拌後、混合物原料を１５０メッシュの篩（ＳＵＳ）にかけて粉体粒子の粒径を調整する。
【００１７】
この混合物原料を、図１に示すφ１０ｍｍの多数の穴２を形成した厚さ１５ｍｍのカーボン板１０を組み合わせて内寸５００（Ｗ）×５００（Ｄ）×１００（Ｈ）（ｍｍ）の箱状の容器とし、容器の内側には厚さ１０ｍｍのカーボンフェルト３が敷き詰めてあるカーボン製容器１に充填する。
【００１８】
カーボン製容器１に充填した混合物原料４の上に厚さ１０ｍｍのカーボンフェルト３１を被せ、φ１０ｍｍの多数の穴２が形成してあるカーボン板の蓋１１を載せる。混合物原料４は、カーボンフェルト３、３１とカーボン板１０によって二重に包囲された状態となる。
【００１９】
混合物原料４が満たされたカーボン製容器１を真空装置付の溶融電気炉内にセットして０．１ｔｏｒｒ以下の真空状態とし、真空状態において電気炉内を１８００℃に昇温して１時間保持して混合物原料を溶融した後、常温まで冷却した。
得られた黒色石英ガラスの遮光性について試験をおこなった。その結果を図２のグラフで示す。なお、遮光性は、日立製作所製のダブルビーム式分光光度計によって、黒色石英ガラスのサンプルを厚さ１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、８．３ｍｍのサンプルについて、波長２００〜２０００ｎｍに対しての透過率を測定した。
【００２０】
なお、比較例として、従来技術の特許文献１に開示された方法である塩化ニオブをアルコールに溶解して石英ガラス粉に添加混合し、乾燥したものをカーボン製箱に入れて電気炉で実施例と同じ真空状態で１８００℃で溶融して得た黒色石英ガラスを用いた。
図２のグラフから見て取れるように、厚さが薄い１ｍｍでは、本発明の黒色石英ガラスの透過率が同じ厚さの比較例に対し約２倍の透過率であり、遮光性が十分とはいえないが、厚さが３ｍｍ以上では、透過率が１％以下となって実質的にゼロと看做すことができ、実用性のある遮光性の黒色石英ガラスであった。なお、厚さ５ｍｍ、及び８．３ｍｍのサンプルの透過率は全波長に渡りほぼゼロであるので、グラフでのプロットを省略してある。  
【００２１】
本発明の方法によって得られた黒色石英ガラスの加工性は、透明石英ガラスと同等であった。
本発明は粉体を直接混合するものであるので簡便に原料を調合することができ、混合物原料をカーボン製の容器とカーボンフェルトで包囲して熱溶融するので、五酸化ニオブの熱分解で発生する一酸化炭素や二酸化炭素を系外に排出することができるので還元が十分おこなわれ、黒色石英ガラスを簡単な方法で製造することができるので製造コストを低減することができる。
【符号の説明】
【００２２】
１    カーボン製容器
１０  カーボン板
１１  蓋
２    穴
３    カーボンフェルト
３１  カーボンフェルトの覆い
４    混合物原料（五酸化ニオブ粉と石英ガラス粉の混合物）
【図２】
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【図１】
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