(57)【要約】【課題】不純物の含有や泡の発生を低減せしめ、構造欠陥が少なく、高い透過率を保持して紫外光線領域の高出力レーザ光を利用する光学装置などに好適な耐紫外線特性を有する石英ガラスの製造方法を得る。【解決手段】石英ガラス微粒子Ｑｆをスラリー１に分散せしめ、該スラリー１を噴霧乾燥機２によって石英ガラス粒状物Ｑｇに造粒せしめた後（造粒工程）、該粒状物Ｑｇを集合、圧縮して、石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑｍとし（成形工程）、次いで該石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑｍを、周波数１８〜６０ＧＨzのマイクロ波１０によって、成形体Ｑｍの中心部よりの発熱加熱せしめるようにして焼結せしめて石英ガラス焼結体を得る（加熱焼結工程）。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス微粒子からなる成形体を、マイクロ波加熱によって焼結せしめることを特徴とする石英ガラスの製造方法。
【請求項２】
マイクロ波の周波数が１８〜６０ＧＨzであることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスの製造方法。
【請求項３】
マイクロ波の電界強度が上記成形体のほぼ中心部で最大となるようにすることを特徴とする請求項１または２記載の石英ガラスの製造方法。
【請求項４】
石英ガラス微粒子が１ｎｍ〜１００μｍの平均粒子径であ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石英ガラスの製造方法。
【請求項５】
マイクロ波加熱の際に、上記成形体をフッ化物を含む雰囲気中に配置す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、光ファイバ用母材や、半導体用石英ガラス部品、光学部材等に使用される石英ガラスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラスの製造方法として、気相化学堆積法などにより合成した石英ガラスの微粒子成形体を加熱焼結して製造するものがある。ところが、この加熱焼結にあたっては、通常の誘導加熱炉、抵抗加熱炉等の加熱手段を使用し、成形体の外部からの伝熱、放射熱を利用するようにしている。
【０００３】
このため、加熱される石英ガラスの微粒子成形体の外周部の温度がどうしても高くなり、焼結が外周部から始まって内部に向けて進行して行くこととなり、泡が発生しやすく、内部に不純物が残りやすくなって、不良品を発生することとなっていた。
【０００４】
また、この従来の方法によると、製作された石英ガラスには構造欠陥が一定レベルで発生するため、紫外線エキシマレーザ用光学部品などとして使用した場合、透過率の劣化等のレーザ耐性特性に問題が生じることとなっていた。
このような石英ガラスの製造に関する先行技術文献としては、例えば以下のようなものが挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−１２４７２９号公報
【特許文献２】
特開平５−１８６２３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ガラス内部での不純物や泡の発生を低減せしめ、構造欠陥が少なく、高い透過率を保持し、紫外線エキシマレーザ等の紫外線領域の高出力レーザ光を利用する光学装置などに好適に使用できる耐紫外線特性を有する石英ガラスの製造方法を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するため、本発明は以下の手段を講じたものである。
請求項１に係わる発明は、石英ガラス微粒子からなる成形体を、マイクロ波加熱によって焼結せしめることを特徴とする石英ガラスの製造方法である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、マイクロ波の周波数が１８〜６０ＧＨzであることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスの製造方法である。
請求項３に係わる発明は、マイクロ波の電界強度が上記成形体のほぼ中心部で最大となるようにすることを特徴とする請求項１または２記載の石英ガラスの製造方法である。
【０００９】
請求項４に係わる発明は、石英ガラス微粒子が１ｎｍ〜１００μｍの平均粒子径であ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石英ガラスの製造方法である。
請求項５に係わる発明は、マイクロ波加熱の際に、上記成形体をフッ化物を含む雰囲気中に配置す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石英ガラスの製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の石英ガラスの製造方法は、外部からの加熱手段による伝熱、放射熱を利用することなく、石英ガラス成形体を加熱焼結せしめる手段として、成形体の中心部で成形体自身が発熱する手段について検討した結果、マイクロ波を利用することに着目したものである。
【００１１】
マイクロ波を利用した、石英ガラス微粒子からなる成形体の加熱焼結においては、成形体自身が発熱するため熱伝導に依存するものでなく、エネルギー効率が高い。加えて、マイクロ波の周波数が高くなると、光のように集光して電界強度を高めることができ、成形体の内部中心より効率よく加熱することが可能となる。
【００１２】
また、高周波領域のマイクロ波では、非熱的作用と称せられる非平衡効果が発現されることから、焼結体は、通常の抵抗加熱等によって加熱焼結された焼結体とは異なる構造を持つことなる。本発明の石英ガラスの製造方法は、これらのマイクロ波加熱の特徴を生かして、予め成形した石英ガラス微粒子からなる成形体をマイクロ波で加熱焼結することによって、不純物や泡が少なく、構造欠陥が少ない、特に耐紫外線エキシマレーザ特性の高い石英ガラスを製造することを可能としたものである。
【００１３】
以下に、本発明の石英ガラスの製造方法について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の石英ガラスの製造方法の実施態様の一例を説明する工程系統概略図である。
先ず、造粒工程おいて、１ｎｍないし１００μｍの平均粒子径の石英ガラス微粒子Ｑfをスラリ１に分散せしめる。
【００１４】
このスラリ１をつぎに噴霧乾燥機２等の手段によって石英ガラス粒状物Ｑgに造粒する。上記石英ガラス微粒子Ｑｆは、ゾルゲル法、ＣＶＤ法などの製造方法によって得られたものである
次いで成形工程において、前記石英ガス粒状物Ｑgを例えば静水圧プレス３によって加圧圧縮して、所望する形状に成形して、石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑmに成形する。石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑｍの成形には、これ以外の方法、例えばＶＡＤ法などによって直接成形することもできる。。
【００１５】
次いで、加熱焼結工程で、前記石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑmをシリカ、アルミナなどの耐熱性断熱材４で被包して、これを石英製容器５内に静置し、石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑmの中心部でマイクロ波１０の電界強度が最大になるように、成形体Ｑmを包囲する放物面鏡６を配置し、周波数１８〜６０ＧＨz、１４００〜２０００℃の温度で、約１時間前後加熱保持して、透明で泡のない石英ガラス焼結体Ｑoを得る。
【００１６】
なお、加熱焼結工程においては、石英ガラス微粒子からなる成形体Ｑmを４フッ化珪素ＳiＦ4などのフッ化物雰囲気中に静置して加熱焼結するとより、より優れた耐紫外線エキシマレーザ特性を有する石英ガラスが得られる。
【００１７】
上記マイクロ波１０の周波数を１８ＧＨz未満とすると、石英ガラス微粒子のマイクロ波の吸収が少なくなり、この結果、多大のマイクロ波出力を必要として好ましくない。一方、６０ＧＨzを超える周波数では、マイクロ波発生装置が複雑、高価になり好ましくない。
【００１８】
また、原料に使用する石英ガラス微粒子Ｑfの粒径は、製品となる石英ガラス焼結体Ｑｏの焼結密度を、紫外線透過率を適確に保って、耐紫外線エキシマレーザ特性を維持することの必要性から特定されるものである。１ｎｍ以下の平均粒子径では石英ガラス微粒子Ｑｆの成形や取扱いが困難となり好ましくない。そして他方、１００μｍ以上の平均粒子径では石英ガラス微粒子Ｑｆの粒子間の空孔が大きくなり泡が残りやすく、焼結温度が高くなり好ましくない。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明の石英ガラスの製造方法の実施例について説明するとともに、本発明の製造方法の効果を確認するため、比較例として、従来の抵抗加熱によって加熱焼結する製造方法で石英ガラスを製造し、実施例で製造して得た本発明の石英ガラスとの耐紫外線特性を比較検証した。
【００２０】
＜実施例１＞
上記図１に図示した本発明の製造方法に基づいて、石英ガラスを製造した。
（造粒工程）：平均粒子径８０ｎｍの石英ガラス微粒子Ｑfを５０％濃度になるようスラリー１に分散せしめて、これを噴霧乾燥機２によって平均粒子径６０μｍの石英ガラス粒状物Ｑgに造粒した。
（成形工程）：前記石英ガラス粒状物Ｑgを、静水圧プレス３により１０００Ｎ／ｃｍ2の圧力で圧縮成形して、直径φ３０ｍｍ、長さ８０ｍｍの石英ガラス微粒子Ｑfからなる成形体Ｑmを得た。
【００２１】
（加熱焼結工程）：前記寸法の石英ガラス微粒子Ｑｆからなる成形体Ｑmを、厚さ５０ｍｍのアルミナの断熱材４で覆い石英製容器５内に静置し、これに周波数２８ＧＨz、出力１０ｋＷのマイクロ波１０を供給して、大気中最高温度１７００℃で１時間保持して焼結した。
この結果、直径φ２０ｍｍ、長さ６０ｍｍの透明なる石英ガラス焼結体Ｑo1を製品として得た。
【００２２】
＜実施例２＞
上記図１に図示した本発明の製造方法に基づいて、石英ガラスを製造した。
この実施例２が上記実施例１と異なる点は、この実施例２では加熱焼結工程において、石英製容器５内に静置する石英ガラス微粒子Ｑｆからなる成形体Ｑmを、放物面鏡６で囲繞するようにして、成形体Ｑfの中心部でマイクロ波１０の電界強度が最大になるようにしたものである。
【００２３】
（造粒工程）：平均粒子径８０ｎｍの石英ガラス微粒子Ｑfを５０％濃度になるようスラリー１に分散せしめて、これを噴霧乾燥機２によって平均粒子径６０μｍの石英ガラス粒状物Ｑgに造粒した。
（成形工程）：前記石英ガラス粒状物Ｑgを、静水圧プレス３により１０００Ｎ／ｃｍ2の圧力で圧縮成形して、直径φ６０ｍｍ、長さ１００ｍｍの石英ガラス微粒子Ｑｆからなる成形体Ｑmを得た。
【００２４】
（加熱焼結工程）：前記寸法の石英ガラス微粒子Ｑｆからなる成形体Ｑmを、厚さ５０ｍｍのアルミナの断熱材４で覆い、その外周に沿って放物面鏡６で囲繞するようにして配置し、成形体Ｑfの中心部でマイクロ波１０の電界強度が最大になるようにして、石英製容器５内に静置した。これに周波数２８ＧＨz、出力１０ｋＷのマイクロ波１０を供給して、大気中最高温度１７００℃で１時間保持して焼結した。
これにより、直径φ５０ｍｍ、長さ８０ｍｍの透明で、泡が無い石英ガラス焼結体Ｑｏ２を製品として得た。
【００２５】
＜実施例３＞
実施例３として、石英ガラス微粒子Ｑfの成形体Ｑmを加熱焼結せしめる加熱焼結工程を、フッ化物の雰囲気にして行って石英ガラス焼結物を得るようにしたものである。
【００２６】
（成形工程）：ＶＡＤ法により、平均粒子径６０ｎｍの石英ガラス微粒子Ｑｆからなる成形体Ｑｍを得た。サイズは直径６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍであった。
【００２７】
（加熱焼結工程）：前記寸法の石英ガラス微粒子Ｑｆからなる成形体Ｑｍを、厚さ５０ｍｍのシリカの断熱材４で覆い、その外周に沿って放物面鏡６で囲繞するようにして配置し、成形体Ｑｆの中心部でマイクロ波１０の電界強度が最大になるようにして、石英製容器５内に静置した。そして、この石英製容器５内にヘリウムＨe９９％、４フッ化珪素ＳiＦ4 １％の混合ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎの流量で導入しながら、これに周波数２８ＧＨz、出力１０ｋＷのマイクロ波１０を供給して、最高温度１４００℃で１時間保持して焼結した。
【００２８】
これにより、直径２５ｍｍ、長さ１４０ｍｍの透明で、泡のない石英ガラス焼結体Ｑｏ３を製品として得た。そして、この石英ガラス焼結体Ｑｏ３にはフッ素Ｆが４００重量ｐｐｍで均一にドープされていた。
【００２９】
＜比較例１＞
上記実施例２と同一条件で、成形工程を経て、直径６０ｍｍ、長さ１００ｍｍの石英ガラス微粒子Ｑｆの成形体Ｑｍを得た。これを加熱焼結工程で、抵抗加熱炉を使用して、大気雰囲気中で最高温度１７００℃で１時間保持して焼結した。これにより、直径５０ｍｍ、長さ８０ｍｍの透明な石英ガラス焼結体Ｑｏｘを製品として得た。この石英ガラス焼結体Ｑｏｘの内部には、直径０．５ｍｍ以上の気泡が１０個以上発生していた。
【００３０】
＜比較例２＞
上記実施例３と同一条件で、成形工程を経て、直径６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの石英ガラス微粒子Ｑｆの成形体Ｑｍを得た。これを加熱焼結工程で、抵抗加熱炉を使用して、ヘリウム９９％、４フッ化ケイ素１％の混合ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎ．の流量で導入しながら、最高温度１４００℃で１時間保持して焼結した。これにより、直径２５ｍｍ、長さ１４０ｍｍの透明で泡のない石英ガラス焼結体Ｑｏｚを製品として得た。この石英ガラス焼結体Ｑｏｚには、フッ素Ｆが９００重量ｐｐｍで均一にドープされていた。
【００３１】
＜製品性能の検証＞
上記実施例３で製造して得た石英ガラス焼結体Ｑｏ３（実施例３）について、厚さ１０ｍｍに研磨してサンプルとして、これにフッ化アルゴン（ＡrＦ）エキシマレーザを１００ｍJ／ｃｍ2のパルス強度で４×１０6回照射して、その照射前後の透過率の変化を測定した。その結果、透過率の低下は２％以下であった。
【００３２】
これに対して、上記比較例２で得た石英ガラス焼結体Ｑｏｚについて、同様な態様で研磨したサンプルに、フッ化アルゴン（ＡrＦ）エキシマレーザを１００ｍJ／ｃｍ2のパルス強度で４×１０6回照射して、その照射前後の透過率の変化を測定した結果、透過率の低下は７％であった。
このように、本発明の製造方法で得た石英ガラスは、その耐紫外線特性に向上することが確認された。
【００３３】
本発明は石英ガラスの製造方法は、上記実施例に限定されるものでなく、石英ガラス微粒子からなる成形体を得る方法としては、上述の石英ガラス微粒子をスラリーに分散せしめ、該スラリーを噴霧乾燥機によって石英ガラス粒状物に造粒せしめた後、該造粒粒状物を集合、圧縮するものに限られず、例えば該スラリーをスリップキャスト法で成形したもの、該スラリーにバインダーを添加して押出法で成形したもの、あるいはゾルゲル法で作製した成形体などを使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の石英ガラスの製造方法にあっては、石英ガラス成形体を加熱焼結せしめる手段として、マイクロ波加熱を利用したものであるので、石英ガラス微粒子からなる成形体の加熱焼結においては、成形体自身が発熱するため熱伝導に依存せず、エネルギー効率が高い。加えて、マイクロ波周波数が高くなると、光のように集光して電界強度を高めることが出来て、石英ガラス微粒子からなる成形体の内部中心を局所的に、効率良く加熱することが可能となる。
【００３５】
また、高周波領域のマイクロ波では、非熱的作用と称せられる非平衡効果が発現されることから、焼結体は、通常の抵抗加熱等によって加熱焼結された焼結体とは異なる構造を持つことなる。そして、本発明の石英ガラスの製造方法は、これらのマイクロ波の特徴を生かして、予め成形した石英ガラス微粒子からなる成形体をマイクロ波で加熱焼結することによって、不純物や泡が少なく、構造欠陥が少ない、透過率の低下が小さく、高い透過率を保持した、特に耐紫外線エキシマレーザ特性の高い石英ガラスを製造することを可能としたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英ガラス製造方法の実施態様の一例を説明する工程系統概略図である。
【符号の説明】
１…スラリー、２…噴霧乾燥機、３…静圧プレス、５…石英製容器、６…放物面鏡、１０…マイクロ波
【図１】
2004210548.tif 000003