(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ粉末を４５〜７５ｗｔ％で水に分散したスラリーを湿式粉砕によって平均粒径を８μｍ以下、粒径の標準偏差を６μｍ以上に調整し、得られた粉砕粉スラリーを噴霧乾燥造粒し、得られた造粒粉を加熱溶融することを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の不透明石英ガラスの製造方法において、湿式粉砕後のスラリー中に含まれる固形物のＢＥＴ比表面積を２ｍ２／ｇ以上とし、スラリーを噴霧乾燥造粒して実質的に球形造粒し、造粒粉体の平均粒径を３０〜２００μｍ、含水率を３ｗｔ％以下として加熱溶融することを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の不透明石英ガラスの製造方法において、シリカ粉末の湿式粉砕を平均粒径０．１ｍｍ〜１０ｍｍの石英ガラスビーズ、ジルコニアビーズ、炭化珪素ビーズ、アルミナビーズから選ばれる１種類または複数のビーズを用いておこなうことを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の不透明石英ガラスの製造方法において、シリカ粉末の湿式粉砕をビーズミル粉砕と、ボールミル粉砕、振動ミル粉砕、アトライター粉砕の１種または２種以上を組み合わせることを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスの製造方法において、加熱溶融を酸水素炎でおこなうことを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の不透明石英ガラスの製造方法において、加熱溶融を真空雰囲気でおこなうことを特徴とする不透明石英ガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱線遮断性、遮光性に優れる不透明石英ガラスの製造方法に関する。更に詳しくは、半導体製造装置用部材、光学機器の部品等に好適な不透明石英ガラスインゴットの製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英ガラスは、透光性、耐熱性、耐薬品性に優れることから照明機器、光学機器部品、半導体工業用部材、理化学機器等の様々な用途に用いられている。その中でも、石英ガラス中に気泡を含有した不透明石英ガラスは、その優れた熱線遮断性から半導体熱処理装置のフランジや炉心管に利用されてきた。また、遮光性に優れることから、プロジェクタ用光源ランプのリフレクタ基材等の光学機器部品としても利用されている。【０００３】
従来、不透明石英ガラスの製造方法としては、結晶質シリカまたは非晶質シリカに窒化珪素等の発泡剤を乾式混合により添加し、酸水素炎により溶融する方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。この製造方法によると容易に大型のインゴットが得られるという特徴がある。しかしながら、この製造方法及び製造された不透明石英ガラスには次のような問題点がある。
（１）溶融する際に発泡剤が散失するため、実用的な不透明度を得るためには多量の発泡剤の添加が必要であってコストがかかる。
（２）均一に混合されずに凝集した発泡剤が気化して気泡を形成するため、気泡が大きくなり、不透明石英ガラスの機械的強度や光の反射率が低下する。
（３）気泡が大きいため焼仕上げ面が粗く、不透明石英ガラスをフランジとして使用した場合、装置との密着性が悪くなってリークの原因となる。また、リフレクタ基材として利用した場合、ランプの光が漏洩し、プロジェクタ内部の電子部品に悪影響を及ぼすことがある。【０００４】
一方、発泡剤を添加することなく、非晶質シリカ粉末の成型体をその溶融温度以下の温度で加熱し、完全に緻密化する前に熱処理を中断し、部分的に焼結する方法が特許文献２（特許第３３９４３２３号公報）、特許文献３（特許第３７６３４２０号公報）で提案されている。しかし、この製造方法で製造される不透明石英ガラスは、気泡の平均径を小さくすることが可能であるが、気泡が閉気泡になるまで焼結すると、気泡の含有密度が小さくなり、赤外線の反射率が低下するという問題や、気泡が球状でないため、気泡端部に応力が集中し、機械的強度が低下するという問題がある。また、成型体の大きさに限度があり、大型の不透明石英ガラスインゴットを得るのが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０４３０３２号公報
【特許文献２】特許第３３９４３２３号公報
【特許文献３】特許第３７６３４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決するものであり、従来必須であった発泡剤を使用することなく不透明石英ガラスの製造を可能とし、不透明石英ガラスに求められる熱線遮断性、遮光性に優れ、気泡径が小さく球状で機械的強度に優れ、更には大型のインゴットを容易に製造できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
シリカ粉末を水に分散したスラリーを湿式粉砕によって粉砕粉の平均径を８μｍ以下で、かつ、粉砕粉の粒径の標準偏差を６μｍ以上として噴霧乾燥造粒して得た造粒粉を加熱溶融することによって気泡形状が球形で、気泡径が小さな不透明石英ガラスインゴットを製造するものである。
以下、工程ごとに詳細に説明する。なお、全工程において不純物汚染が起こらぬように、使用する装置等について十分に選定する必要がある。【０００８】
（１）原料粉末の選定
シリカ粉末は、その製法は特に限定されず、例えばシリコンアルコキシドの加水分解によって製造された非晶質シリカ粉末や、四塩化珪素を酸水素炎等で加水分解して作製したシリカ粉末等を用いることができる。また、天然の水晶を粉砕した粉末やヒュームドシリカも用いることができる。【０００９】
シリカ粉末の平均粒径は、３００μｍ以下が好ましい。平均粒径が３００μｍを超えて大きすぎると、シリカ粉末の湿式粉砕に長時間を要するため生産性の低下や生産コストの増大をもたらすため好ましくない。
シリカ粉末の平均粒径は、レーザー回折粒度分布測定装置（マルバーン社製マスターサイザー３０００）を用いて測定を行った。【００１０】
（２）スラリーの調整
シリカ粉末を水に分散させたスラリーの濃度は４５〜７５ｗｔ％、望ましくは６０〜７０ｗｔ％がよい。７５ｗｔ％を超えると、スラリーの粘度が高くなり湿式粉砕が行えない。４５ｗｔ％未満の濃度では水分量が多く、乾燥の際に必要な熱量が多くなり、生産性の低下や生産コストの増大をもたらすため望ましくない。【００１１】
（３）スラリーの湿式粉砕
濃度を調整したスラリーを平均径０．１ｍｍ〜１０ｍｍの石英ガラスビーズ、ジルコニアビーズ、炭化珪素ビーズ、アルミナビーズから選ばれる１種類または複数のビーズを用いて湿式粉砕を行う。スラリー中に含まれる粉砕粉の平均粒径は８μｍ以下でかつ、粉砕粉の粒径の標準偏差が６μｍ以上であることを必須とする。粉砕粉の平均粒径が８μｍより大きいと白色度が低下する。粉砕粉の粒径の標準偏差が６μｍより小さいと白色度が低下する。
粉砕紛の平均粒径及び標準偏差は、レーザー回折粒度分布測定装置（マルバーン社製マスターサイザー３０００）を用いて測定を行った。【００１２】
湿式粉砕後のスラリー中に含まれる粉砕粉のＢＥＴ比表面積は２ｍ２／ｇ以上が好ましい。更に好ましくは４ｍ２／ｇ以上、望ましくは６ｍ２／ｇ以上になるまで湿式粉砕を行うのがよい。
ＢＥＴ比表面積が２ｍ２／ｇよりも小さいと、造粒粉の強度が低下し、造粒が崩れ、酸水素炎溶融時の歩留りが低下する。【００１３】
スラリーの湿式粉砕の方法は、特に限定されず、ビーズミル粉砕、ボールミル粉砕、振動ミル粉砕、アトライター粉砕等を例示することができる。特にビーズミル粉砕、もしくはボールミル粉砕とビーズミル粉砕を組み合わせて用いることが好ましい結果が得られる。
（４）噴霧乾燥造粒【００１４】
次に、上記の方法により作製したスラリーを噴霧乾燥して造粒粉を得る。得られた造粒粉は、実質的に球形で、平均粒径が３０〜２００μｍ、含水率が３ｗｔ％以下である。平均粒径が３０μｍ未満では、酸水素炎溶融時に造粒粉が散逸し歩留りが悪化する。
平均粒径が２００μｍを超えると造粒が崩れ、酸水素炎溶融時に散逸し、歩留りが悪化する。含水率が３ｗｔ％を超えると造粒粉の流動性が悪化し、酸水素炎溶融時の造粒粉の単位時間あたりの供給量が減少するため、生産性が低下する。
造粒紛の平均粒径は、粉砕紛と同様に、マルバーン社製のレーザー回折粒度分布測定装置（マスターサイザー３０００）を用いて測定を行った。
（５）造粒粉の溶融
次に、得られた造粒粉を酸水素炎で溶融、あるいは真空雰囲気下で溶融することによって不透明石英ガラスが得られる。【００１５】
上述の工程を経て、得られた不透明石英ガラスのインゴットを、石英部材を製造する際に使用されるバンドソー、ワイヤーソー、コアドリル等の加工機により加工することで、不透明石英ガラスの製品を得ることができる。
（６）不透明石英ガラスの純度
不透明石英ガラスの純度は、原料に用いるシリカ粉末の種類で調整することができる。粉砕メディアとして使用したビーズの構成元素以外は、原料シリカ粉末とほぼ同等の純度である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の不透明石英ガラス製造方法は、発泡剤を使用することなく、原料のシリカ粉末を所定の濃度で水に分散したスラリーを湿式粉砕によって平均粒径を８μｍ以下、粒径の標準偏差を６μｍ以上に調整し、乾燥造粒した造粒粉を溶融原料とするものであり、従来技術に比較して容易に不透明石英ガラスを得ることができる。
本発明によって製造した不透明石英ガラスは、熱線遮断性、遮光性に優れており、特に半導体製造分野で使用される各種の炉心管、治具類及びベルジャー等の容器類、例えば、シリコンウエハ処理用の炉心管やそのフランジ部、断熱フィン、シリコン溶融用ルツボ等の構成材料として好適である。
また、光学機器部品としてプロジェクタ用光源ランプのリフレクタ基材にも利用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
シリカ原料粉末として、非晶質シリカ（Ｄ１０：３８μｍ  、Ｄ５０：６７μｍ、Ｄ９０：１１０μｍ）を使用した。非晶質シリカを水に分散させてスラリーとし、濃度を６７ｗｔ％に調整した。次に、この濃度調整したスラリーをビーズミル粉砕機に投入し、平均粒径２．０ｍｍの石英ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が５μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が７．０μｍになるよう湿式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は６．０ｍ２／ｇであった。
次に、上記の方法で作製した粉砕造粒スラリーを噴霧乾燥して、造粒粉を得た。得られた造粒粉は平均粒径８０μｍであり、含水率が１ｗｔ％であった。得られた造粒粉を酸水素炎で溶融し、コラム状の不透明石英ガラスインゴットを製造した。
得られたコラム状インゴットの重量は、５００ｋｇであり、不透明石英ガラスの気泡は、目視観察によれば均一に分散しており、美観上も優れていた。
【００１８】
（実施例２）
シリカ原料粉末として、非晶質シリカ（Ｄ１０：３８μｍ  、Ｄ５０：６７μｍ  、Ｄ９０：１１０μｍ）を使用した。非晶質シリカを水に分散させスラリーとし、濃度を６７ｗｔ％に調整した。次に、調整したスラリーをビーズミル粉砕機に投入し、平均粒径２．０ｍｍの石英ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が４μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が６．０μｍになるよう湿式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は８．０ｍ２／ｇであった。次に、上記の方法で作製した粉砕造粒用スラリーを噴霧乾燥して、造粒粉を得た。得られた造粒粉は平均粒径８０μｍであり、含水率が１ｗｔ％であった。得られた造粒粉を酸水素炎で溶融し、コラム状の不透明石英ガラスインゴットを製造した。
得られたコラム状インゴットの重量は、５００ｋｇであり、不透明石英ガラスインゴットの気泡は目視観察により均一に分散しており、美観上も優れていた。
【００１９】
（実施例３）
シリカ原料粉末として、非晶質シリカ（Ｄ１０：３８μｍ  、Ｄ５０：６７μｍ  、Ｄ９０：１１０μｍ）を使用した。非晶質シリカを水に分散させスラリーとし、濃度を６７ｗｔ％に調整した。次に、調整したスラリーをボールミル粉砕機に投入し、平均粒径１０ｍｍの炭化珪素ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が１５μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が１４μｍになるまで湿式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は３．０ｍ２／ｇであった。このスラリーをビーズミル粉砕機に投入し、平均粒径２．０ｍｍの石英ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が６μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が６．５μｍになるよう更に湿式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は５．５ｍ２／ｇであった。次に、上記の方法で作製した粉砕造粒用スラリーを噴霧乾燥して、造粒粉を得た。得られた造粒粉は平均粒径８０μｍであり、含水率が１ｗｔ％であった。得られた造粒粉を酸水素炎で溶融し、コラム状の不透明石英ガラスインゴットを製造した。
得られたコラム状インゴットの重量は、５００ｋｇであり、不透明石英ガラスインゴットの気泡は目視観察により均一に分散しており、美観上も優れていた。
【００２０】
（比較例１）
シリカ原料粉末として平均粒径１５０μｍの水晶粉を使用した。また、発泡剤として平均粒径２μｍの窒化珪素を用いた。シリカ粉末に対する窒化珪素の混合濃度は０．２ｗｔ％とし、この混合粉末を十分に混合した後、酸水素炎により溶融し、コラム状の不透明石英ガラスインゴットを製造した。
【００２１】
（比較例２）
シリカ原料粉末として、非晶質シリカ（Ｄ１０：３８μｍ  、Ｄ５０：６７μｍ  、Ｄ９０：１１０μｍ）を使用した。非晶質シリカを水に分散させスラリーとし、濃度を４０ｗｔ％に調整した。次に、調整したスラリーをビーズミル粉砕機に投入し、平均粒径２．０ｍｍの石英ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が１０μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が３μｍになるよう湿式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は１．５ｍ２／ｇであった。
次に、上記方法で作製した粉砕造粒用スラリーを噴霧乾燥して造粒粉を得た。得られた造粒粉は平均粒径２５０μｍであり、含水率が４ｗｔ％であった。得られた造粒粉を酸水素炎で溶融して得たコラム状のガラスインゴットは、白色化せず半透明であった。
【００２２】
（比較例３）
シリカ原料粉末として、非晶質シリカ（Ｄ１０：３８μｍ  、Ｄ５０：６７μｍ  、Ｄ９０：１１０μｍ）を使用した。非晶質シリカを水に分散させスラリーとし、濃度を４０ｗｔ％に調整した。次に、調整したスラリーをボールミル粉砕機に投入し、平均粒径３０ｍｍの石英ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が１５μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が５μｍになるよう湿式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は１．８ｍ２／ｇであった。次に、上記の方法で作製した粉砕造粒用スラリーを噴霧乾燥して造粒粉を得た。得られた造粒粉は平均粒径２０μｍであり、含水率が５ｗｔ％であった。得られた造粒粉を酸水素炎で溶融したところ、コラム状のガラスインゴットは白色化せず半透明であった。
【００２３】
（比較例４）
シリカ原料粉末として、非晶質シリカ（Ｄ１０：３８μｍ  、Ｄ５０：６７μｍ  、Ｄ９０：１１０μｍ）を使用した。非晶質シリカをボールミル粉砕機に投入し、平均粒径３０ｍｍの石英ビーズを用いて、粉砕粉の平均粒径が２０μｍ、粉砕粉の粒径の標準偏差が５．５μｍになるよう乾式粉砕を行った。この時のＢＥＴ比表面積は２．０ｍ２／ｇであった。得られた粉砕粉を酸水素炎で溶融しようとしたところ、原料が飛散し溶融が不可能であった。
表１に以上の実施例及び比較例の製造条件の一覧を、また、表２に得られた石英ガラスの平均気泡径、気泡形状、気泡真円度、密度、反射率、白度、３点曲げ強度及び焼き仕上げ面の表面粗さの一覧を示す。
【００２４】
【表１】
0006676826.tif 000002
【００２５】
【表２】
0006676826.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の不透明石英ガラスの製造方法によれば、熱線遮断性、遮光性に優れた大型の不透明石英ガラスを製造することができ、得られた不透明石英ガラスは、半導体製造装置用部材、光学機器の部品等に好適に用いることができる。
【要約】
【課題】発泡剤を使用せずに熱線遮断性、遮光性に優れ、気泡径が小さく球状で機械的強度に優れ、大型の不透明石英ガラスインゴットを容易に製造できるようにする。
【解決手段】シリカ粉末を水に分散してシリカ粉末濃度が４５〜７５ｗｔ％のスラリーとし、湿式粉砕によってシリカ粉末の平均粒径を８μｍ以下、粒径の標準偏差を６μｍ以上に調整して噴霧乾燥造粒し、その造粒粉を溶融することによって気泡径が小さく、機械的強度の大きな不透明石英ガラスを得ることができる。
【選択図】なし