(57)【要約】【解決手段】成形すべき石英ガラスが挿入される筒状体及び外枠部材を備え、筒状体の上下端部を閉塞してそれぞれ天板及び底板が設けられた石英ガラス用型材において、外枠部材の線膨張係数が、周方向に９×１０−７以下であることを特徴とする石英ガラス用型材。【効果】本発明の石英ガラスの成形方法によれば、線膨張係数を考慮した部材を使用した本発明の石英ガラス用型材を使用することにより、成形後のガラス内部残留歪を極力低くすることができる。ガラス内部残留歪が非常に低いため、成形後のアニール処理時間を短縮することも可能である。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形すべき石英ガラスが挿入される筒状体及び外枠部材を備え、筒状体の上下端部を閉塞してそれぞれ天板及び底板が設けられた石英ガラス用型材において、外枠部材の線膨張係数が、周方向に９×１０−７以下であることを特徴とする石英ガラス用型材。
【請求項２】
筒状体と外枠部材との間に内枠部材を介在させることを特徴とする請求項１記載の石英ガラス用型材。
【請求項３】
内枠部材の線膨張係数が、３×１０−６以上であることを特徴とする請求項２記載の石英ガラス用型材。
【請求項４】
筒状体が、軸方向に少なくとも２個以上に分割可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の石英ガラス用型材。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の石英ガラス用型材を用いる石英ガラスの成形方法であって、（１）筒状体内に成形すべき石英ガラスを挿入後、型材の温度が１７００〜１９００℃の範囲になるまで加熱する工程、（２）型材の温度を１７００〜１９００℃の範囲で保持する工程、（３）型材の温度を室温〜６００℃の範囲まで冷却する工程を含むことを特徴とする石英ガラスの成形方法。
【請求項６】
請求項５記載の石英ガラスの成形方法により得られた、成形後の残留歪の最大値が５０ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ガラスを所望の形に加熱成形するに際し、得られる石英ガラスの残留歪を極力小さくすることが可能な、石英ガラス用型材、石英ガラスの成形方法並びにこれによって得られた石英ガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
石英ガラスは、半導体用フォトマスクや光学系におけるレンズ、ミラー等の光学部品として、欠くことのできない重要な素材である。
石英ガラスは一般のガラスに比べ溶融温度が高いため、真空又は減圧不活性ガス下で加熱溶融させ、型材等を用いて所望の形に成形する方法が知られている。そして、その高温に耐えうる素材として炭素製又は黒鉛製の素材を型材に使用することが知られている。実際に求められる成形形状は、その後の工程において得られるフォトマスク、レンズ、ウェーハ等それぞれの形状に合わせて、角棒状又は円柱状のように所望の形に成形される。この場合、石英ガラスはその型材内形状に即して各コーナーまで確実に溶融成形されなければならない。
【０００３】
しかしながら、正確に所望の形に成形されたとしても、光学部品として問題となる歪がガラス内部に存在する場合がある。このような場合、外周を研削等により除外することで歪の小さなガラス部材を得ることはできるが、結果的に製品歩留まりを下げることになり、理想的ではない。
【０００４】
一般に歪を下げるためには、成形後にアニールを行う。アニール処理前において石英ガラスの歪が大きいとアニール時間を長くする必要があることが判っている。よって、成形後の歪を極力低減することが大切である。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、成形後のガラス内部歪を極力小さくすることが可能な石英ガラス用型材、石英ガラスの成形方法、及び石英ガラスを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者は、上記目的を達成するため検討を行った結果、石英ガラスを所望の形に加熱成形する際、使用される型材の線膨張係数が石英ガラスの線膨張係数（約５×１０−７）より一般に大きいため、成形後半の温度降下時において型材の収縮量が石英ガラスより大きくなり、従って、型材と石英ガラス間に圧縮応力が発生し、結果として成形後に石英ガラス内に応力歪が残ることを見出した。この応力歪は、成形時の石英ガラス内部の温度差に起因する内部歪とは発生機構が異なり、区別することができる。
そして、成形後半の温度降下時における型材と石英ガラスとの間の圧縮応力を低減すべく、型材の収縮量に注目し、型材の線膨張係数を石英ガラスと同等もしくはそれに近い値の炭素製素材又は炭素繊維製素材を使用することにより、成形後の石英ガラスに残る残留歪を低減することが可能であることを見出した。
更に、石英ガラスよりも線膨張係数の大きな部材を上記型材内部に挿入することにより、成形後の石英ガラスに残る残留歪をより低減することが可能であることを知見し、本発明をなすに至ったものである。
【０００７】
従って、本発明は、下記の石英ガラス用型材、石英ガラスの成形方法及び石英ガラスを提供する。
請求項１：
成形すべき石英ガラスが挿入される筒状体及び外枠部材を備え、筒状体の上下端部を閉塞してそれぞれ天板及び底板が設けられた石英ガラス用型材において、外枠部材の線膨張係数が、周方向に９×１０−７以下であることを特徴とする石英ガラス用型材。
請求項２：
筒状体と外枠部材との間に内枠部材を介在させることを特徴とする請求項１記載の石英ガラス用型材。
請求項３：
内枠部材の線膨張係数が、３×１０−６以上であることを特徴とする請求項２記載の石英ガラス用型材。
請求項４：
筒状体が、軸方向に少なくとも２個以上に分割可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の石英ガラス用型材。
請求項５：
請求項１乃至４のいずれか１項記載の石英ガラス用型材を用いる石英ガラスの成形方法であって、（１）筒状体内に成形すべき石英ガラスを挿入後、型材の温度が１７００〜１９００℃の範囲になるまで加熱する工程、（２）型材の温度を１７００〜１９００℃の範囲で保持する工程、（３）型材の温度を室温〜６００℃の範囲まで冷却する工程を含むことを特徴とする石英ガラスの成形方法。
請求項６：
請求項５記載の石英ガラスの成形方法により得られた、成形後の残留歪の最大値が５０ｎｍ／ｃｍ以下である石英ガラス。
【０００８】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の石英ガラス用型材は、円筒状、四角筒状等の成形すべき石英ガラスが挿入される筒状体及び外枠部材を具備し、筒状体の上下端部を閉塞して、それぞれ天板及び底板が設けられた炭素製（黒鉛製）又は炭素繊維製の型材である。筒状体と外枠部材の間には内枠部材が介装されていることが好ましい。
【０００９】
図１及び図２は、本発明に係る型材１の一例を示すものであり、この例にあっては、円筒状体２の上下端部を閉塞して天板３及び底板４が配設されたものである。この場合、天板３は、上記円筒状体２内に摺動可能に配置される。また、５，６はそれぞれ円筒状体２の上下外側端部を取り囲んで配設された円形リング状の外枠部材である。この場合、図１の例では、円筒状体２の上下外側端部をこれら外枠部材５，６で直接囲撓しており、図２の例では、円形リング状の内枠部材７，８を介して囲撓している。
ここで、筒状部材、外枠部材、内枠部材、天板、底板の材質は、炭素製（黒鉛製）又は炭素繊維等が挙げられる。
【００１０】
本発明における外枠部材の周方向の線膨張係数は、通常９×１０−７以下、好ましくは７×１０−７以下である。なお、線膨張係数は小さければ小さい程よく、特に限定されるものではないが、通常その下限は１×１０−７以上である。外枠部材の周方向の線膨張係数が大きすぎると、成形後半の温度降下時において外枠部材が石英ガラスを締め付ける力が大きくなり、石英ガラスの残留応力が大きくなる場合がある。
本発明における内枠部材の線膨張係数は、通常３×１０−６以上、好ましくは５×１０−６以上、上限として９×１０−６以下、好ましくは７×１０−６以下である。内枠部材の線膨張係数が小さすぎると、成形後半の温度降下時において、型材全体としては石英ガラスを締め付ける力が大きくなり、石英ガラスの残留応力が大きくなる場合がある。内枠部材の線膨張係数が大きすぎると、成型昇温時に内枠部材の膨張が激しく、外枠部材や石英ガラスを破損させることとなる場合がある。
【００１１】
本発明における筒状体は、図３に示したように、軸方向に少なくとも２個以上に分割可能であることが好ましい。この筒状体が１本の輪になっていると、石英ガラスに対する応力を低減することができない場合がある。石英ガラスに対する熱や応力がどの部分も均一になることが好ましいため、３個以上に分割可能であることが推奨される。また、同様の理由から、内枠部材も、軸方向に２個以上、特に３個以上に分割可能であることが好ましい。図３では、筒状体、内枠部材は、それぞれ４個に分割されている（なお、図中２ａ，８ａはそれぞれ分割片を示す）。
【００１２】
筒状体、外枠部材、内枠部材の厚さは、本発明の目的を損なわない範囲で適宜選定されるが、通常１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上、上限として４０ｍｍ以下、好ましくは３０ｍｍ以下である。厚さが薄すぎると、変型又は破損の原因となる場合があり、厚さが厚すぎると炉内占有体積が大きくなり生産効率が悪くなる場合がある。
【００１３】
本発明の石英ガラス用型材における外枠部材の線膨張係数は、石英ガラスの線膨張係数と同等もしくはそれに近い値であるため、本発明の石英ガラス用型材を用いて石英ガラスを成形すると、外枠部材の線膨張係数が石英ガラスの線膨張係数と大幅に異なる型材を用いる場合に比べ、成形後の石英ガラスに残る残留歪は小さくなる。
また、石英ガラスと外枠部材の間に、石英ガラス或いは該外枠部材よりも線膨張係数の大きな内枠部材を挿入することにより、結果として型材全体が石英ガラスに与える圧縮応力はより少なくなり、最終的に、石英ガラスの残留歪は更に小さくなる。
【００１４】
残留歪の低減には上記石英ガラス用型材を用いることに加え、石英ガラスの除冷点付近以上において降温速度を制御する、言い換えれば緩慢にすることにより、一般に言われる熱歪も更に低減され、より好適である。また、従来の手法では型材の圧縮応力により石英ガラスを締め付けることから、型材から石英ガラスを取り出すことが困難なだけでなく、型材及び石英ガラスの破損の原因ともなっていたが、両素材間での圧縮応力が低減されたことにより、型材及び石英ガラスの破損も発生しなくなるという、２次的効果も得られる。
【００１５】
本発明の石英ガラスの成形方法は、上記型材を用い、（１）その筒状体内に成形すべき石英ガラスを入れ、型材の温度が１７００〜１９００℃の範囲になるまで加熱する工程、（２）型材の温度を１７００〜１９００℃の範囲で保持する工程、（３）型材の温度を室温〜６００℃の範囲まで冷却する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
型材を加熱する工程（１）及び型材の温度を保持する工程（２）において、加熱が十分なされない（型材の温度が低すぎる）と石英ガラスの粘度が下がらず、短時間には所望の形状に熔融されない場合がある。他方、加熱が過剰である（型材の温度が高すぎる）と、石英ガラスの粘度が過剰に下がり、型材から石英ガラスが漏出する場合や、型材自体の消耗も激しくなる場合があり、また不純物拡散の速度が増加することにより石英ガラスの純度が低下する場合がある。
【００１７】
工程（２）の型材の温度を１７００〜１９００℃の範囲で保持する工程における保持時間は、処理される石英ガラスの重量を鑑み、本発明の目的を損なわない範囲で適宜選定されるが、通常０〜５時間、特に１〜２時間である。
【００１８】
工程（３）の型材の温度を室温〜６００℃の範囲まで冷却する工程において、冷却を停止する温度は通常５００℃以下、好ましくは２００℃以下である。冷却を６００℃よりも高い温度で停止した場合、炉の消耗が激しくなる場合がある。
【００１９】
成形後の、石英ガラスの残留歪の最大値は５０ｎｍ／ｃｍ以下とすることが好ましい。石英ガラスの残留歪の最大値が５０ｎｍ／ｃｍを超えると、残留歪を低減するために行われるアニール処理時間が長くなる等、後工程への負荷が大きくなる場合がある。
【００２０】
なお、石英ガラスの成形は、真空又は減圧下、又は、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス下で行われることが好ましい。
【００２１】
本発明の石英ガラスの成形方法は、レンズやフォトマスク用の石英ガラスの成形に利用されるだけでなく、一般のガラスの成形にも応用することができるものである。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、成形される石英ガラスの求められる形状は円柱を用いたが、もちろん四角柱でも楕円柱でもその断面形状は限定されない。
【００２３】
［実施例１］
直径３００ｍｍ、高さ８００ｍｍの円筒状体に、下端開放部を閉塞して底板を配設すると共に、上端開放部を閉塞し、かつ上記円筒状体の中空部内を上下方向摺動可能に天板を配設すると共に、円筒状外枠部材を備えた図１に示す石英ガラス用型材を準備した。円筒状体は黒鉛製で、縦に４つに分割可能である。円筒状外枠部材は炭素繊維製で、その周方向の線膨張係数は５×１０−７であった。
この型材の中に石英ガラス５０ｋｇを入れ、最大出力６０ｋＷの炉にセットした。真空ポンプを稼動させ、５×１０−５Ｔｏｒｒまで炉内を減圧にした後、昇温を開始した。１４００℃まで３０分で昇温し、その後１８５０℃までは１８℃／分で昇温し、更にその後も１８５０℃で１２０分間保持した。この時、真空ポンプと拡散ポンプを用いて、０．５Ｔｏｒｒに維持した。その後、電力を下げて温度を下降させ、成形を終了させた。室温になったところで炉を開放し、高さ３００ｍｍ、直径３００ｍｍの円柱形状の石英ガラス５０ｋｇを得た。得られた円柱状石英ガラスは内形状に沿って正確に形取られていた。その歪を測定した結果を表１に示した。
【００２４】
［実施例２］
円筒状外枠部材に、周方向の線膨張係数が９×１０−７である炭素繊維製の部材を用いた他は、実施例１と同様にして円柱状石英ガラスを得た。得られた円柱状石英ガラスは内形状に沿って正確に形取られていた。その歪を測定した結果を表１に示した。
【００２５】
［実施例３］
円筒状外枠部材に、周方向の線膨張係数が５×１０−７である炭素繊維製の部材を用い、更に円筒状内枠部材として、線膨張係数が３×１０−６である黒鉛素材製の部材を用いた図２，３に示す型材を使用した他は、実施例１と同様にして円柱状石英ガラスを得た。得られた円柱状石英ガラスは内形状に沿って正確に形取られていた。その歪を測定した結果を表１に示した。
【００２６】
［比較例１］
円筒状外枠部材に、周方向の線膨張係数が３×１０−６である炭素繊維製の部材を用いた他は、実施例１と同様にして円柱状石英ガラスを得た。得られた円柱状石英ガラスは内形状に沿って正確に形取られていた。その歪を測定した結果を表１に示した。
【００２７】
［比較例２］
円筒状外枠部材に、周方向の線膨張係数が９×１０−６である炭素繊維製の部材を用いた他は、実施例１と同様にして円柱状石英ガラスを得た。得られた円柱状石英ガラスは内形状に沿って正確に形取られていた。その歪を測定した結果を表１に示した。
【００２８】
【表１】
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成形後の残留歪量測定
石英ガラスの残留歪量の定量測定は、偏光板を用いるセナルモン法を採用した。得られる成形体の残留歪量の測定方法について以下に説明する。
使用装置：ＬＳＭ−４０１（株式会社ルケオ社製）
測定方法：光源と検出器の間に、平行な２枚の偏光板を設置し、２枚の偏光板の間に、実施例１〜３並びに比較例１，２で得た円柱状石英ガラス成形体を、円筒状成形体の軸方向と光軸方向が一致するように設置した。偏光板の回転読み角から、下記式に従って歪量を算出した。
歪量（ｎｍ）＝［（アナライザー回転角度（°））×（１／４波長板の位相差（ｎｍ））］／４５（°）
【００２９】
【発明の効果】
本発明の石英ガラスの成形方法によれば、線膨張係数を考慮した部材を使用した本発明の石英ガラス用型材を使用することにより、成形後のガラス内部残留歪を極力低くすることができる。ガラス内部残留歪が非常に低いため、成形後のアニール処理時間を短縮することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英ガラス用型材の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の石英ガラス用型材の他の例を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１　型材
２　円筒状体
３　天板
４　底板
５，６　外枠部材
７，８　内枠部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年8月19日(2002.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
［実施例１］
直径３００ｍｍ、高さ８００ｍｍの円筒状体に、下端開放部を閉塞して底板を配設すると共に、上端開放部を閉塞し、かつ上記円筒状体の中空部内を上下方向摺動可能に天板を配設すると共に、円筒状外枠部材を備えた図１に示す石英ガラス用型材を準備した。円筒状体は黒鉛製で、縦に４つに分割可能である。円筒状外枠部材は炭素繊維製で、その周方向の線膨張係数は５×１０−７であった。
この型材の中に石英ガラス５０ｋｇを入れ、最大出力６０ｋＷの炉にセットした。真空ポンプを稼動させ、５×１０−５Ｔｏｒｒ（６．６６５×１０−３Ｐａ）まで炉内を減圧にした後、昇温を開始した。１４００℃まで３０分で昇温し、その後１８５０℃までは１８℃／分で昇温し、更にその後も１８５０℃で１２０分間保持した。この時、真空ポンプと拡散ポンプを用いて、０．５Ｔｏｒｒ（６６．６５Ｐａ）に維持した。その後、電力を下げて温度を下降させ、成形を終了させた。室温になったところで炉を開放し、高さ３００ｍｍ、直径３００ｍｍの円柱形状の石英ガラス５０ｋｇを得た。得られた円柱状石英ガラスは内形状に沿って正確に形取られていた。その歪を測定した結果を表１に示した。