(57)【要約】【課題】従来の製品加工方法で端材として生成する中心部材である不透明石英ガラス塊を有効利用し、製品加工方法全体の歩留（生産性）を改善することを課題とする。【解決手段】加熱伸展成型による不透明石英ガラス成型体の製造方法。不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度において、90kPa以上、150kPa未満の成型圧力にて、不透明石英ガラス被成型塊を加圧して成型体を得ることを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱伸展成型による不透明石英ガラス成型体の製造方法であって、
不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度において、
90kPa以上、150kPa未満の成型圧力にて、不透明石英ガラス被成型塊を加圧して成型体を得ることを含む、前記製造方法。
【請求項２】
前記不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度は、1700℃以上、1800℃未満の温度である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記不透明石英ガラス被成型塊の加圧は、不透明石英ガラス被成型塊の2つの面が対面する２つの方向から行う、請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記不透明石英ガラス被成型塊の加圧は、1時間以上、4時間未満の時間で行う、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記不透明石英ガラス被成型塊の比重(密度)は1.8〜2.2の範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
不透明石英ガラス被成型塊の加圧方向での変形率は、10〜50%の範囲である請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
不透明石英ガラス被成型塊の比重(密度)に対する成型体の比重(密度)の比率は、90〜100%(100〜110%)の範囲である請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
対面する２つの方向からの加圧が、上下方向の加圧である請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
【請求項９】
前記成型体は、リング状または平板状である、請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不透明石英ガラス成型体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
不透明石英ガラスは、Si、Oのネットワーク構造において、密度：1.70〜2.15g/cm3、気泡径：300μm未満、気泡内はN2、H2、Ar、CO、CO2などの混合組成で、独立性の気泡を有する非晶質材料である。
【０００３】
このような物性から不透明石英ガラスは、主に半導体装置の断熱材、光・熱を遮蔽する製品に使用されている。その製品は多様な形状があるため、不透明石英ガラス塊の一次素材を製造し、この塊から製品加工することが一般的である。近年、半導体装置の大口径化に伴い、不透明石英ガラス製品は大きくなる傾向にある。
【０００４】
半導体装置に用いられる製品形状は、リング形状が主流である。しかし、不透明ガラス塊からリング形状に加工後、加工端材として残る中心部は他の製品への転用が難しいのが現状である。
【０００５】
図1に従来の製品加工方法を示す。円柱形状の不透明ガラス塊（例ではΦ650×H300mm）から工作機械のコアドリルを用いてリング状の製品（シリンダー）を加工する。コアドリル加工により中心部材が端材として生成するが、これまではこれを有効利用できずにいた。その結果、加工歩留が低かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2016-88765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、上記従来の製品加工方法で端材として生成する中心部材である不透明石英ガラス塊を有効利用し、製品加工方法全体の歩留（生産性）を改善することを課題として、この課題を解決する方法を提供することを本発明の目的とする。
【０００８】
上記課題を解決するには、不透明石英ガラス塊の品質を維持しながら、端材として生成する中心部材を成型する方法を提供する必要がある。本発明者が種々検討した結果、不透明石英ガラス塊を成型する場合、成型方法にもよるが、ある成型方法では、成型条件によって不透明石英ガラス塊の品質を維持できる場合とできない場合があることが判明した。
【０００９】
成型方法と成型条件の関係についてさらに検討した結果、ある条件範囲において加熱伸展成型することで、不透明石英ガラス塊の品質を維持しながら加工端材を製品形状に近いリング状あるいは平板状の成型体に成型できることを見出して、本発明を完成させた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下の通りである。
［１］
加熱伸展成型による不透明石英ガラス成型体の製造方法であって、
不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度において、
90kPa以上、150kPa未満の成型圧力にて、不透明石英ガラス被成型塊を加圧して成型体を得ることを含む、前記製造方法。
［２］
前記不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度は、1700℃以上、1800℃未満の温度である、［１］に記載の製造方法。
［３］
前記不透明石英ガラス被成型塊の加圧は、不透明石英ガラス被成型塊の2つの面が対面する２つの方向から行う、［１］又は［２］に記載の製造方法。
［４］
前記不透明石英ガラス被成型塊の加圧は、1時間以上、4時間未満の時間で行う、［１］〜［３］のいずれかに記載の製造方法。
［５］
前記不透明石英ガラス被成型塊の比重(密度)は1.8〜2.2の範囲である［１］〜［４］のいずれかに記載の製造方法。
［６］
不透明石英ガラス被成型塊の加圧方向での変形率は、10〜50%の範囲である［１］〜［５］のいずれかに記載の製造方法。
［７］
不透明石英ガラス被成型塊の比重(密度)に対する成型体の比重(密度)の比率は、90〜100%(100〜110%)の範囲である［１］〜［６］のいずれかに記載の製造方法。
［８］
対面する２つの方向からの加圧が、上下方向の加圧である［１］〜［７］のいずれかに記載の製造方法。
［９］
前記成型体は、リング状または平板状である、［１］〜［８］のいずれかに記載の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、不透明石英ガラスの品質を維持しながら、従来は廃材とされていた材料から、成型体を製造する方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の製品加工方法を示す。
【図２】不透明石英ガラス塊の中心部の端材を有効利用し、歩留（生産性）を改善した本発明のプロセスの一例を示す。
【図３】加熱伸展成型処理の成型温度と不透明石英ガラスの品質の関係。
【図４】加熱伸展成型方法に用いる鋳型とその鋳型に不透明石英ガラスを配置した様子を示す。
【図５】実施例で得た成型体の断面形状を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、加熱伸展成型による不透明石英ガラス成型体の製造方法である。本発明においては、不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度において、不透明石英ガラス被成型塊を加圧して成型体を得るが、この加圧を成型圧力が90kPa以上、150kPa未満の範囲とする。
【００１４】
加熱伸展成型とは、鋳型の中にガラスインゴットを仕込み、加熱し、形状を変える成型をいい、製造したものを成型体と呼称する。透明石英ガラスの成型においては、石英ガラスの融点を考慮して1700℃以上の温度で成型体を製造するのが一般的である。一方、透明石英ガラスとは、物性が異なる不透明石英ガラスの場合、加熱伸展成型に関する情報は皆無である。即ち、不透明石英ガラスを加熱伸展成型して成型体を得ることは知られていない。本発明者は、不透明石英ガラスが有する品質を維持しながら、所望の形状の成型体を製造する方法について種々検討した。
【００１５】
その検討の結果、不透明石英ガラスの加熱伸展成型処理条件と品質には、図３に示すような関係があることが分かった。即ち、成型温度を高くすると不透明石英ガラスの粘性が下がり、成型性は良好になる。その一方で、不透明石英ガラスは独立性の気泡を有する材料であるため、熱処理により焼結が進み、気泡が減少し品質が悪化（密度が上昇）する。図３に示す関係は温度との関係であるが、温度のみならず、成型圧力、さらには加圧の時間によっても、気泡減少による品質悪化（密度上昇）の状況は異なることが判明した。これらの事実に基づいて、本発明では、不透明石英ガラス被成型塊を室内の圧力を制御できる成型室内において、不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度とし、不透明石英ガラス被成型塊を90kPa以上、150kPa未満の成型圧力にて加圧して成型体を得ることで、気泡が減少して品質が悪化する（密度が上昇する）ことを回避できることを見出した。成型圧力は、絶対圧力であり、成型室内のゲージ圧（大気圧= 0kPa(G)）ではなく、不透明石英ガラス被成型塊に加わり、被成型塊を変形させる成型圧力である。成型圧力は、成型室内の圧力と加重を用いる場合は加重により被成型塊に加わる圧力の和である。加重を用いない場合には、成型圧力は、成型室内の圧力に等しい。成型室内の圧力が101.3kPaである場合、成型室内の圧力は大気圧とバランスした状態であり、90kPaは大気圧からやや減圧の状態であり、150kPaは大気圧からやや加圧の状態である。
【００１６】
室内圧力が、90kPa未満では被成型塊内の気泡の膨張による密度減少による品質悪化が顕著になり、150kPa以上では、被成型塊に加わる外圧大きくなりすぎて被成型塊に内在する気泡が収縮し、得られる不透明ガラス成型体の密度が高くなり過ぎる。これにより、品質低下を招き、不透明石英ガラス成型体の機能性が損なわれる。
【００１７】
不透明石英ガラス被成型塊が変形可能な温度は、例えば、1650℃超、好ましくは1700℃以上であり、かつ1800℃以下であることが好ましい。温度が1650℃以下では、成型性が不良となり、1700℃以上で成型性は特に良好となり、1800℃超では気泡減少による品質悪化が顕著になる。前記成型圧力による加圧時間は、例えば、1時間以上、4時間未満とすることが好ましい。加圧時間が1時間未満では、十分な成型ができず、4時間以上では上記温度範囲内であっても、気泡減少による品質悪化が顕著になる場合がある。90kPa以上、150kPa 未満の成型圧力で、かつ上記温度及び時間の範囲とすることで、出発原料として用いる不透明石英ガラスの品質を維持しつつ成型体を得ることがより確実にできるようになる。
【００１８】
加熱伸展成型処理条件は、好ましくは、温度は1700℃以上、1800℃未満とし、時間を1時間以上、4時間未満とし、かつ成型圧力を90kPa以上、150kPa未満とする。
【００１９】
不透明石英ガラス被成型塊への加圧は、室内の圧力による加圧、あるいは室内の圧力による加圧と重石などによる加重による加圧の合計とがあり得る。室内の圧力による加圧のみの場合、室内に開放された全ての面が加圧を受けて変形する。一方、室内の圧力による加圧と重石などによる加重による加圧の合計の場合、室内に開放された全ての面が加圧を受けて変形すると同時に、重石などにより加重が加わった対面する２つの面の間でも加圧される。即ち、被成型塊の2つの面が対面する２つの方向からも加圧される。また、温度以上では、自重(重力)により被成型塊は変形する。この変形は、成型圧力による変形ではないが、結果的に被成型塊を変化させ、加圧による変形に合算される。
【００２０】
出発原料として用いる不透明石英ガラス被成型塊は、比重(密度)が例えば、1.8〜2.2の範囲であることができる。本発明の方法では、気泡減少による品質悪化を抑制できることから、比重(密度)が比較的小さい不透明石英ガラスの成型に適している。
【００２１】
加熱伸展成型は、具体的には、不透明石英ガラス被成型塊を、２つの面が対面する２つの方向から加圧して成型体を得る方法であることが、比較的短時間での効率的な製造という観点からは好ましく、例えば、図4に示す成型装置を用いて実施できる。図4に示す成型装置は、上面に不透明石英ガラス被成型塊を載せて成型するための底板、不透明石英ガラス被成型塊を上方から加圧するための重石、底板の条件に固定され、重石の上下移動を両側から補助する2枚の側板、2枚の側板の上端を保持する上枠から構成される。2枚の側板の加担付近で、加圧されて変形した不透明石英ガラスが接触する可能性がある成型室内の面には、剥離材が設けられる。この成型装置を所定圧力に設定でき、かつ所定温度に加熱できる気密室内に設置して、加熱伸展成型を行うことができる。２つの対面方向からの加圧は、図4に示す成型装置においては、上下方向の加圧である。但し、上下方向以外の加圧であってもよい。
【００２２】
加熱伸展成型における不透明石英ガラス被成型塊の加圧方向の変形率は、不透明石英ガラス被成型塊の形状及び寸法、並びに成型体の形状及び寸法を考慮して適宜決定できるが、例えば、10〜50%の範囲であることができる。但し、この範囲に限定される意図ではない。
【００２３】
不透明石英ガラス被成型塊の比重(密度)に対する成型体の比重(密度)の比率は、成型条件により変動するが、例えば、90〜100%(密度100〜110%)の範囲である。比重の比率が100%とは、気泡減少による品質悪化が実質的に生じなかったことを意味し、比重の比率が90%とは、気泡減少による品質悪化によって、気泡が10%減少したことを意味する。
【００２４】
本発明の方法における成型体の形状には特に制限はないが、例えば、リング状または平板状であることができる。リング状の成型には、鋳型として特開2016-88765号公報(特許文献1)に記載の鋳型を用いることができる。特許文献1に記載の鋳型は、透明石英ガラスの成型用に開発されたものであるが、前記本発明の条件を採用することで、不透明石英ガラス被成型塊の成型にも利用できることが今回判明した。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。
【００２６】
実施例及び比較例
図４に加熱伸展成型方法に用いる鋳型とその鋳型に不透明石英ガラスを配置した様子を示す。
仕込みインゴット：Φ200×230t→成型体：Φ340×80t
加熱伸展成型の条件
成型温度：1650〜1800℃  時間：1〜10h
成型圧力（成型加重＋炉内圧力）：8〜150kPa
炉内雰囲気：窒素
上記、条件にて製造した成型体は密度、白度値、などを計測し、品質評価した。
【００２７】
・仕込インゴットと成型体の密度（ρ）は次の方法で計測した。
【数１】
2018095483.tif 000003
【００２８】
・仕込みインゴットと成型体の白度は次の方法で計測した。
・仕込みインゴットと成型体は切断機（刃：ダイヤモンド砥粒＃80）を用いて切断する。
・その切断面を洗浄・乾燥した後、コニカミノルタ製色彩色差計（CR-400）で計測されるＬ*（エルスター、明度（白度））の値を記録した。
【００２９】
表1に成型温度と成型体の品質の関係を示す。成型体の成型性の定義は仕込みインゴットが鋳型の中に広がり、図5に示すように成型体端部の上部と下部のRを指標に、これらRが15mm以上の場合、成型未達と判断し、表中に×印を記載した。Ｒは成型体端部に直角定規を当てて成型体と直角定規が接する距離を計測した。
【００３０】
比較例2の成型温度が1650℃の場合、成型体の下部R：10mm、上部のR：15mmあり、この温度における不透明石英ガラスの粘性が高く、鋳型の内壁までガラスが流れなかった。
【００３１】
次に、成型温度と不透明石英ガラスの品質において、成型体内の白度値を指標に評価した。成型後の白度値が10％以上低下する場合は品質上、不適合として表中に×印を記載した。
【００３２】
実施例と比較例を検証すると、成型温度の上昇に伴い、不透明石英ガラスの品質が悪化していた。本実施例1より成型時間が3.5ｈの場合、成型性と品質を鑑みて、成型温度は1650℃超から1800℃未満の温度範囲が望ましく、1700℃から1800℃未満の温度範囲がより望ましいと示唆される。
【００３３】
【表１】
2018095483.tif 000004
【００３４】
表2に加熱伸展成型処理における成型時間と品質に及ぼす影響を示す。
成型時間：10ｈの場合、成型後の白度値が10％以上低下し、品質上不適合として表中に×印を記載した。本実施例の結果から、成型時間は4ｈ未満が望ましい。
【００３５】
【表２】
2018095483.tif 000005
【００３６】
次に、加熱伸展成型の炉内圧力と不透明石英ガラスの品質の影響を確認した。
表3に成型温度1700℃における炉内圧力と不透明石英ガラスの品質の関係を示す。炉内圧力が8kPa（減圧雰囲気）の場合、不透明ガラス中の気泡が膨張し、密度は2ｇ/cm3から1ｇ/cm3と半減し、物性が大きく変化した。不透明石英ガラスの気泡の独立性が損なわれ、閉孔から開放気泡に変化することを示す。そのため半導体装置用途の製品においてガスの遮蔽性が要求される部品材料には適用できない。
【００３７】
一方、炉内圧力が加圧状態の150kPaになると不透明石英ガラスの気泡径は収縮し、密度が10％以上高くなり、品質が悪化した。炉内圧力が90〜130kPaの大気圧近傍で成型した場合、成型体の気泡径及び密度の変化は10％未満と不透明石英ガラスの品質を維持しながら成型が可能になった。
【００３８】
このように不透明ガラスの密度は製品特性に影響を与え、加熱伸展成型処理後の密度変化が±10％を超えると品質上不適合と判断し、表中に×印を記載した。不透明石英ガラス塊（一次素材）から加熱伸展成型処理後の成型体の密度変化を±10％未満を維持するには炉内圧力範囲は90以上〜150kPa未満が望ましいことが分かった。
【００３９】
同様に、加熱伸展成型方法におけるガラスインゴットの形状を変える成型加重も品質に影響を与えることが分かった。
【００４０】
したがって、加熱伸展成型方法における仕込みインゴットに与える外力である成型圧力（成型加重+炉内圧力）は＜150kPaに設定する必要がある。
【００４１】
【表３】
2018095483.tif 000006
【００４２】
・密度：1.70〜2.15g/cm3、気泡径：300μm未満、気泡内はN2、H2、Ar、CO、CO2などの混合組成で、独立性の気泡を有する不透明石英ガラスの加熱伸展成型においては以下の条件であることが好ましい。
【数２】
2018095483.tif 000007
【００４３】
・従来法と加熱伸展方法の生産性の比較例を示す。
1）現行
【数３】
2018095483.tif 000008
【００４４】
2）加熱伸展成型方法
【数４】
2018095483.tif 000009
【００４５】
・その結果、現行歩留47％→76％に改善し、一次素材の有効活用につながる。
【数５】
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【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、不透明石英ガラス成型体の製造に関する分野に有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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