(57)【要約】【課題】本発明は、光学的に優れた均質性を有する均質石英ガラスを、後工程で均一化処理を行わずに、容易に製造できる方法を提供する。【解決手段】本発明の均質石英ガラスの製造方法は、石英ガラススートからなる容器４’内にシリカ粉末８を充填し、マイクロ波にて加熱し、ガラス化する構成とする。また他の構成は、石英ガラススートからなる容器４’内にシリカ粉末８を充填し、ドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて加熱した後、マイクロ波にて加熱し、ガラス化するものである。更に前記石英ガラススートは、ＶＡＤ法で製造されたものが好ましく、また前記マイクロ波の周波数が、２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚであることが好ましい。【選択図】　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラススートからなる容器内にシリカ粉末を充填し、マイクロ波にて加熱し、ガラス化することを特徴とする均質石英ガラスの製造方法。
【請求項２】
石英ガラススートからなる容器内にシリカ粉末を充填し、ドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて加熱した後、マイクロ波にて加熱し、ガラス化することを特徴とする均質石英ガラスの製造方法。
【請求項３】
石英ガラススートからなる容器内にシリカ粉末を充填し、ドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて、マイクロ波にて加熱し、ガラス化することを特徴とする均質石英ガラスの製造方法。
【請求項４】
前記石英ガラススートが、ＶＡＤ法で製造されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の均質石英ガラスの製造方法。
【請求項５】
前記マイクロ波の周波数が、２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の均質石英ガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率が均一な均質石英ガラスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザなどの紫外域の高出力レーザを用いた光学装置用の光学ガラスや、真空紫外光、紫外光の伝送用レンズやプリズムなどは、光学的に均質であることが不可欠である。特に屈折率が均一であることが要求される。
【０００３】
通常、光学ガラス、レンズ、プリズムなどのガラス材は、ガラスインゴットを溶融、ホットプレス、延伸などにより加熱変形して製造される。このガラスインゴットは、一般に酸水素火炎による直接法やＶＡＤ法、電気炉を用いた方法などによって製造される。
【０００４】
具体的には、原料ガスを多孔質状の石英ガラスとし、これを加熱してガラス化する方法や、原料ガスを直接溶融しガラス化する方法で製造される。また均質性が必要な場合、原料にシリカ微粉末を使用し、これを高温高圧下で熱処理する方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
しかし前記した方法では、外部から加熱するため、ガラスインゴット内に温度勾配（温度分布）が生じることとなり、製造されたガラスインゴット内には密度差が生じ、均一な屈折率とすることが難しい問題がある。このため上記した用途のように、特に光学的に高い均質性が要求されるガラス材を製造する場合、後工程として、ガラスインゴットを均質化処理し、温度分布によって生じた密度差を無くする必要がある。
【０００６】
均質化処理としては、例えば、機械的攪拌の代わりに、高圧のアルゴンガス雰囲気中で熱処理する方法（特許文献２参照。）や、光学的に不均質な石英ガラスをＳｉＯ２の粉末又は塊からなる母型中で０〜１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧下で熱処理する方法（特許文献３参照。）や、両端を支えた石英棒を回転させながら加熱溶融し、延伸や押圧する方法（特許文献４参照。）などが提案されている。
しかし、均質化処理を行う方法では、製造工程が多くなり、これにより製造効率が悪く、また製造コストが高くなる問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−１２４７２９号公報
【特許文献２】
特公平３−１７７７５号公報
【特許文献３】
特開平５−１１６９６９号公報
【特許文献４】
特開平７−２６７６６２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち光学的に優れた均質性を有する均質石英ガラスを、後工程で均一化処理を行わずに、容易に製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、石英ガラススートからなる容器内にシリカ粉末を充填し、マイクロ波にて加熱し、ガラス化することを特徴とする均質石英ガラスの製造方法である。
【００１０】
請求項２にかかる発明は、石英ガラススートからなる容器内にシリカ粉末を充填し、ドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて加熱した後、マイクロ波にて加熱し、ガラス化することを特徴とする均質石英ガラスの製造方法である。
【００１１】
請求項３にかかる発明は、石英ガラススートからなる容器内にシリカ粉末を充填し、ドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて、マイクロ波にて加熱し、ガラス化することを特徴とする均質石英ガラスの製造方法である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記石英ガラススートが、ＶＡＤ法で製造されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の均質石英ガラスの製造方法である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記マイクロ波の周波数が、２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の均質石英ガラスの製造方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、ＶＡＤ法によりスートを製造する製造装置の一例を示す模式図である。ここで、スートとは、多孔質状の石英ガラスからなるものである。バーナ１は、多重管構造のノズルを有するものであり、ＳｉＣｌ４ガス、燃料の水素ガス、酸化剤の酸素ガスなどが供給されるようになっている。出発部材２は、棒状の石英ガラスなどからなり、その基端は回転引き上げ装置（図示省略）に取り付けられている。
【００１５】
この回転引き上げ装置（図示省略）によって、出発部材２を定速で回転させながら上方に引き上げる。このとき、バーナ１の酸水素炎にＳｉＣｌ４ガスを供給し、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を合成し、この微粒子を出発部材２の外周部の径方向に堆積させて、多孔質状の石英ガラスからなるスート３を得る。
【００１６】
次に、以下のようにして、スート３を加工し、スート容器と蓋部をつくる。図２は、スートの加工方法を示す模式図である。スート３の先端部３ａと、末端部３ｂとを切り取り、更に図２に示されたように、所望の位置で切断し、スート容器となる容器部４と、蓋部５とする。
【００１７】
図３は、容器部４の内部を切り出す加工装置の一例を示す模式図である。切り出し装置６は、回転切り出し刃７が設けられたものである。容器部４を固定し、この回転切り出し刃７を回転させながら、所望の深さまで押し下げて、容器部４の内部を削り出し、スート容器４’とする。
【００１８】
図４は、シリカ粉末を充填したスート容器を示す模式図である。得られたスート容器４’に、所望量のシリカ粉末８を充填し、蓋部５を嵌め込む。この蓋部５は、加熱時にスート容器４’が収縮しガラス化する際に、シリカ粉末８が溢れ出ることを抑制する効果がある。
シリカ粉末８は、高純度のものであり、通常、粒子径は７０〜２００μｍである。またシリカ粉末８の充填率を高めるために、数回タッピングを行ったり、又は上方よりシリカ粉末８をプレスしても構わない。
【００１９】
図５は、マイクロ波加熱装置の一例を示す断面模式図である。このマイクロ波加熱装置９は、一般にミリ波（２０ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの近ミリ波帯も含める）と呼ばれる周波数２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波を用いた加熱装置である。マイクロ波加熱装置９には保持体１０が設けられ、この保持体１０上に、断熱材からなるボックス１１が設置されている。シリカ粉末８が充填されたスート容器４’を、蓋部５が嵌め込まれた状態で、このボックス１１内に静置する。マイクロ波加熱装置９の内部雰囲気は特に限定されないが、通常は大気雰囲気である。
【００２０】
マイクロ波導入口１２より２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波を供給し、シリカ粉末８を１３００〜１８００℃として、１〜１０時間加熱溶融し、ガラス化する。これによりシリカ粉末８が均一にガラス化され、密度差が無く、光学的に均質な石英ガラスとなる。ガラス化後、スート容器４’と蓋部５に相当する部分を切断して除去し、所望の寸法形状となるように研削して、研磨し、均質石英ガラスとする。
【００２１】
加熱温度が１３００℃未満、又は加熱時間が１時間未満の場合、シリカ粉末８が完全にガラス化できず好ましくない。また加熱温度が１８００℃よりも高い場合、マイクロ波の電界強度を大きくする必要があり、製造コストが高くなり好ましくない。加熱時間が１０時間よりも長い場合、生産効率が悪くなり好ましくない。
【００２２】
本実施形態では、マイクロ波を用いて、シリカ粉末８を加熱し、ガラス化する。マイクロ波は、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ（波長１ｍ〜１ｍｍ）の電磁波であり、加熱対象物の双極子を振動・回転させ、これによって生じる摩擦エネルギーが内部発熱を引き起こすため、加熱対象物の熱伝導特性には左右されず、内部を一様な温度で加熱できる。
ただし、誘電損率（損失係数）が低い石英ガラスを溶かすには、周波数２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波（近ミリ波を含む）が有効である。
【００２３】
ミリ波で加熱することにより、急速加熱及び低温での焼結が可能となり、加熱時間、消費エネルギーを低減でき、製造コストを抑えることができる。これによりシリカ粉末８中に温度勾配が生じることなく、均一加熱が可能である。
このため温度勾配によりガラス内部に密度分布が生じることが無く、光学的に均質な石英ガラスを製造できる。これにより後工程で均質化処理を行う必要が無く、製造工程を簡略化でき、また製造効率を向上させることができるため、製造コストを低減できる。
【００２４】
また本実施形態では、シリカ粉末８をスート容器４’に充填し、更に蓋部５を嵌め込み加熱する。スート容器４’と蓋部５は、スート３を加工したものであり、多孔質状の石英ガラスからなる。
スート容器４’が多孔質状であるため、マイクロ波が内部まで届き、シリカ粉末８を加熱させることが可能である。またスート容器４’は、多孔質状の蓋部５が嵌め込まれているので、マイクロ波加熱時にスート容器４’は収縮し、高温状態でシリカ粉末８を圧縮し、ガラス化しやすくなる効果がある。
【００２５】
またシリカ粉末８と同じ石英ガラスであるため、スート容器４’とシリカ粉末８との接触面で熱膨張係数の差による熱応力が生じることが無く、またスート容器４’から不純物などが混入することも無い。以上により屈折率分布が均一であり、かつ高純度の石英ガラスが製造できる。
【００２６】
このスート容器４’と蓋部５となるスート３は、ＶＡＤ法により製造されたものである。ＶＡＤ法は、簡単な工程で、連続的に製造でき、更に大型のスートも製造できる。このため，本実施形態の製造方法では、優れた生産効率で製造でき、かつ製造コストを低減できる。
【００２７】
なお本実施形態では、スート３はＶＡＤ法以外の方法でも製造でき、例えばＭＣＶＤ法などの他の化学気相蒸着法でも適用できる。このスート３やシリカ粉末８は、ドーパントとなる元素を添加したものであっても構わない。特にスート３は、シリカ粉末８と同一組成とすることが好ましく、これにより、熱膨張係数の差による熱応力の発生をなくし、またスート３から不純物などが混入することも無くすることができる。
【００２８】
また加熱装置としては、周波数２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波（近ミリ波を含む）を用いたものであれば使用できる。均質石英ガラス内部に、ケイ素以外の元素をドーパントとして添加する場合、マイクロ波加熱装置９内を、このドーパントを含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気とし、この状態でミリ波を供給し加熱しても構わない。スート容器４’と蓋部５が多孔質状であるため、ドーパントを含有した化合物ガス又は混合ガスが内部に浸透しやすく、均一にドーパント元素を含有させることができる。
ただし、この場合、マイクロ波加熱装置９の内部は、ドーパントを含有した化合物ガス又は混合ガスによって腐食させない仕様とする。
例えば、図５において、断熱材１１内部へドーパントを含有した化合物ガス又は混合ガスを導入し、断熱材１１外部には化合物ガス又は混合ガスを排気するなどの手段を設けることによって、化合物ガス又は混合ガスによる腐食を防止できる。
【００２９】
［第２の実施形態］
本実施形態の均質石英ガラスの製造方法の全体構成は、上述した第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
本実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、まずドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて、シリカ粉末８が充填されたスート容器４’を加熱した後、マイクロ波加熱装置９にて加熱し、ガラス化する点である。
【００３０】
図６は、このドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中で加熱する際に、用いられるリング状加熱装置の一例を示す断面模式図である。このリング状加熱装置１３は、リング状ヒータ１４が設けられてなり、通常、ＶＡＤ法などで製造されたスート３を加熱し、ガラス化する加熱装置として使用されるものである。
本実施形態では、ガス供給口１５が設けられ、リング状加熱装置１３内を所望のガス雰囲気とすることができる。またリング状加熱装置１３内は、腐食性ガスや酸化性ガスが使用できるように、耐食性、耐酸化性に優れたセラミックスなどの材質でコーティングされている。
【００３１】
このリング状加熱装置１３に、シリカ粉末８が充填されたスート容器４’を、蓋部５が嵌め込まれた状態で、静置する。次にガス供給口１５より、ＳｉＦ４，ＳＦ６，ＣＦ４などのフッ素を含有した化合物ガスや、他のドーパント元素を含有した化合物ガスなどをリング状加熱装置１３内に供給する。
このフッ素などのドーパント元素を含有した化合物ガス中にて、５００〜１２００℃、好ましくは７００〜９００℃にて、１０分〜５時間加熱する。その後、第１の実施形態と同様にして、マイクロ波加熱装置９を用いて加熱し、ガラス化する。
【００３２】
本実施形態では、まず耐食性、耐酸化性に優れた加熱装置にて、フッ素などのドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中で加熱することによって、所望のドーパント元素を含有した均質石英ガラスが製造できる。このとき、スート容器４’と蓋部５が多孔質状であるため、フッ素などのドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガスが内部に浸透しやすく、均一にフッ素などのドーパント元素を石英ガラスに含有させることができる。
【００３３】
またリング状ヒータ１４によって加熱するため、スート容器４’の外周全面を加熱でき、これによりシリカ粉末８に温度勾配が生じにくく、均一にフッ素などのドーパント元素を含有させることができる。
【００３４】
次に本発明の具体例を以下に述べる。第１の実施形態と同様にして、ＶＡＤ法により、かさ密度０．４５ｇ／ｃｍ３のスートを製造した。このスートを加工し、容器内深さ１５０ｍｍ、内径１２０ｍｍのスート容器と、蓋部をつくった。
このスート容器に、粒子径が７０〜２００μｍのシリカ粉末を充填して蓋部を嵌め込み、マイクロ波加熱装置に入れた。２８ＧＨｚのミリ波を供給して、シリカ粉末を１５００℃で３時間加熱溶融し、ガラス化させた。
ガラス化後、スート容器、蓋部に相当する部分を切除し、円盤状に外周を研削し、更に端面を研磨し、均質石英ガラスとした。得られた均質石英ガラスのホモジニティ測定を行った結果、１．６×１０−６（＠６３３ｎｍ）であった。これにより、製造された均質石英ガラスの屈折率は、優れた均一性であることがわかった。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１に係る発明によれば、マイクロ波にてシリカ粉末を加熱することによって、シリカ粉末中に温度勾配が生じることが無く、均一に加熱することができる。このため内部に密度分布が生じることが無く、光学的に均質な石英ガラスが製造できる。
【００３６】
また石英ガラススートからなるスート容器が多孔質状であるため、マイクロ波が内部まで届き、シリカ粉末を加熱させることが可能である。またスート容器は、多孔質状の蓋部が嵌め込まれているので、マイクロ波加熱時にスート容器は収縮し、高温状態でシリカ粉末を圧縮し、ガラス化しやすくなる効果がある。
【００３７】
更に、石英ガラススートは、シリカ粉末と同じ石英ガラスであるため、石英ガラススートとシリカ粉末との接触面にて、熱膨張係数の差による熱応力が生じることが無い。また石英ガラススートから不純物などが混入することも無い。このため屈折率が均一で、かつ高純度の石英ガラスが製造できる。
以上により後工程で均質化処理を行う必要が無く、製造工程を簡略化でき、また製造効率を向上させることができるため、製造コストを低減できる。
【００３８】
また請求項２に係る発明によれば、まずドーパント元素を含有した化合物ガス又は混合ガス雰囲気中にて加熱することによって、マイクロ波加熱装置では使用できない腐食性、酸化性の高い化合物ガスなどの雰囲気中でシリカ粉末を加熱でき、ドーパントを含有した均質石英ガラスが製造できる。
【００３９】
請求項３に係る発明によれば、石英ガラススートをＶＡＤ法により製造することによって、簡単な工程で、連続的に製造でき、更に大型の石英ガラススートも製造できる。このため優れた生産効率で製造でき、かつ製造コストを低減できる。
【００４０】
請求項４に係る発明によれば、一般にミリ波（近ミリ波を含む）と呼ばれる周波数が２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波にて、シリカ粉末を加熱することによって、優れた加熱効率が実現でき、消費電力を削減でき、製造コストを低減できる。またシリカ粉末を更に均一に加熱でき、より光学的に均質な石英ガラスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＶＡＤ法によりスートを製造する製造装置の一例を示す概略模式図である。
【図２】本実施形態のスートの加工方法の一例を示す概略模式図である。
【図３】本実施形態のスート内部を切り出す加工装置の一例を示す概略模式図である。
【図４】本実施形態のシリカ粉末を充填したスート容器の一例を示す概略模式図である。
【図５】本実施形態のマイクロ波加熱装置の一例を示す概略断面図である。
【図６】本実施形態のリング状加熱装置の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
３・・・スート，４・・・容器部，４’・・・スート容器，５・・・蓋部，８・・・シリカ粉末
【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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【図６】
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