(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と燃焼ガスとを複数の管の先端部から噴出させて石英ガラスを製造する際に用いられる石英ガラス製造用バーナーの評価方法において、
前記各管からガスを液体に向けて噴出させて、該液体の液面の状態を観察することにより、該噴出されたガスの、前記各管先端から所定距離離れた面におけるガス圧を検出し、該ガス圧の分布状態を観察することにより、前記各管の配置状態を評価するようにしたことを特徴とする石英ガラス製造用バーナーの評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の石英ガラス製造用バーナーの評価方法において、
前記液体の液面の状態を撮像装置で撮影することによりガス圧の分布状態を観察するようにしていることを特徴とする石英ガラス製造用バーナーの評価方法。
【請求項３】
請求項１に記載の石英ガラス製造用バーナーの評価方法において、
前記液体の、前記ガス圧により押しのけられる部分の位置と面積とを検出することにより、該ガス圧の分布状態を観察し、前記各管の配置状態を評価するようにしたことを特徴とする石英ガラス製造用バーナーの評価方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の石英ガラス製造用バーナーの評価方法により評価し、前記各管の配置を調整して製造することを特徴とする石英ガラス製造用バーナーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体用フォトマスク基板や光学系のレンズ等の光学部材の材料となる石英ガラスを製造するための石英ガラス製造用バーナーの評価方法及び石英ガラス製造用バーナーの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特開平７−１８７６８３号公報には、５重管と、この５重管の周囲に複数配置された細管（はす管）とを有する石英ガラス製造用バーナーが、又、特開平１０−３１６４３５号公報には、３重管と、この３重管の周囲に２重に配置された細管（はす管）とを有する石英ガラス製造用バーナーが開示されている。
【０００３】
これらバーナーにおいては、細管（はす管）を除く全ての燃焼管（５重管，３重管等）の中心が、原料管（中心に配置される管）の中心と一致することが望ましく、それらの各管は同心円状に設計されていることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には、バーナーは手作りであるため、バーナー毎に形状が異なり、これが製造される石英ガラスの光学特性に影響を及ぼしてきた。
【０００５】
そこで、本発明者らは、バーナーのガスが噴出する各管の端面の構造を画像で取り込み、その画像処理により構造を規定することを試みている。
【０００６】
この試みにより、従来から問題とされてきた手作りの製作誤差を起因とする不良バーナーの排除、修正にある程度効果を発揮した。その結果、実際に燃焼して石英ガラスを合成することなく事前に品質の良し悪しを予想することが可能となった。
【０００７】
ところが、この方法には、２つの弱点が存在する。一つは測定にかかる手間の問題である。バーナーの端面に画像取り込みには黒色塗料塗り紙を貼り付けるなどの難しい作業が必要となる。また、取り込んだ画像の解析には距離等の計算作業が必要になると共に、作業終了時には先に塗布した塗料の洗浄作業を行わなければならない。
【０００８】
他の一つの問題点は、この方法で管理されるのはあくまでバーナーの噴出端面の平面的な構造であり、立体的構造の影響による実際のガスの流れの状態まで捉えることはできない、という点である。
【０００９】
この点を解決するために、本発明者らは直接火炎を観察する試みを行ったが設備、コスト的に困難であり、且つ、明確な差異を見出すことも困難であった。
【００１０】
そこで、本発明は、これを解決することを目的とするものであり、光学特性に優れた石英ガラスを製造するのに適した石英ガラス製造用バーナーを精度良く、且つ簡単に評価するための方法及びその石英ガラス製造用バーナーの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明者らは、全く同様に作られた石英ガラスの光学特性がバーナー毎に異なるという特徴を持つことを見出した。このことを発明者らはバーナーの個性と呼ぶが、バーナーの個性の原因はバーナーの原料用中心管と燃焼管との中心のずれが主な原因となり生じる火炎状態の差異に起因することを見出し、本発明に至った。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、原料と燃焼ガスとを複数の管の先端部から噴出させて石英ガラスを製造する際に用いられる石英ガラス製造用バーナーの評価方法において、前記各管からガスを液体に向けて噴出させて、該液体の液面の状態を観察することにより、該噴出されたガスの、前記各管先端から所定距離離れた面におけるガス圧を検出し、該ガス圧の分布状態を観察することにより、前記各管の配置状態を評価するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の石英ガラス製造用バーナーの評価方法において、前記液体の液面の状態を撮像装置で撮影することによりガス圧の分布状態を観察するようにしていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の石英ガラス製造用バーナーの評価方法において、前記液体の、前記ガス圧により押しのけられる部分の位置と面積とを検出することにより、該ガス圧の分布状態を観察し、前記各管の配置状態を評価するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の石英ガラス製造用バーナーの評価方法により評価し、前記各管の配置を調整して製造する石英ガラス製造用バーナーの製造方法としたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を実施の形態に基づいて説明する。
【００２１】
火炎形状を含む燃焼状態は、バーナーから噴き出された原料と燃焼ガスとの合成面に対する温度分布に関与するだけでなく、原料の反応進行状態にまで影響を及ぼす。また、燃焼ガスの混合状態は合成面に降り注ぐ未燃ガスの比率にも違いを生じるため、製品内部に含まれる生ガス成分量や構造に影響を及ぼす。してみれば、各管から噴き出されるガス流の不均一は光学特性に大きく影響すると考えられる。
【００２２】
しかし、基本的に同一仕様で作られているバーナーは目視では差異を見出すことは困難であり、ガスの流れにどの程度の差が生じているかは不明であった。
【００２３】
そして、この同一仕様のバーナー間のバーナー性能差を比較する技術は存在しなった。
【００２４】
本発明者らは、まず、このバーナー性能差を構造上からではなく、直接的に噴出したガスの状態から判断する技術を確立した。
【００２５】
本発明は、以下のような石英ガラス製造用バーナーの評価方法を特徴とするものである。
【００２６】
石英ガラス製造用バーナーとしては、例えば図１に示すようなものがある。この石英ガラス製造用バーナー１は、複数の石英管で形成され、多重管部２と、この多重管部２を取り囲む最外周円状管３と、この最外周円状管３及び前記多重管部２の間に配置された中間円状管４と、この中間円状管４及び多重管部２の間に配置された複数の円状細管５（はす管）と、その中間円状管４及び最外周円状管３の間に配置された複数の円状細管６（はす管）とを有している。
【００２７】
その多重管部２は、５重管で、原料用中央円状管８及びこの原料用中央円状管８の周囲に同心円状に配置された複数のリング状管９，１０，１１，１２を有し、石英ガラス合成時には、その原料用中央円状管８から原料が、又、リング状管９，１０，１１，１２から燃焼ガスが噴出されるように構成されている。
【００２８】
［発明の実施の形態１］
この実施の形態１は、例えば図１に示す石英ガラス製造用バーナー１の多重管部２の各管８，９，１０，１１，１２からガスを噴出させて、このガスの噴出し状態を観察することにより、前記各管８，９，１０，１１，１２から流出するガスの流れに乱れが無く均等か否か検出して、前記各管８，９，１０，１１，１２の配置状態を評価する方法である。
【００２９】
具体的には、そのガスの流れの中にトレーサーと呼ばれる粒子を混入し、この粒子の動きをレーザーライトシートにより複数の位置（例えば図１中位置Ｌ１，Ｌ２…）で切り流れの断面を見る方法である。この方法をトレーサー可視化判定と称す。
【００３０】
これにより、原料用中央円状管８の中心線を中心として、各リング状管９から噴出されるガスの幅や粒子の速度が左右均等に噴出されているかを検出することにより、各管８，９，１０，１１，１２の配置状態を評価する。
【００３１】
左右のガスの幅が均等でなかったり、左右の粒子の速度が均等でなかったりした場合には、その均等でない範囲が、所定の基準を越えているときには、そのバーナー１は改良が必要である、という評価がなされるものである。
【００３２】
このようにすれば、バーナー１を用いて実際に石英ガラスを合成することなく事前に品質の良し悪しを予想することが可能となった。
【００３３】
また、従来のように、バーナー１の端面に画像取り込みには黒色塗料塗り紙を貼り付けるなどの難しい作業が必要なく、作業性が良好である。
【００３４】
さらに、この方法によれば、バーナー１の噴出端面の平面的な構造でなく、立体的構造の影響による実際のガスの流れの状態まで捉えることができる。
【００３５】
そして、この評価方法によりバーナー１を評価し、各管８，９，１０，１１，１２から流出するガスの流れに乱れが無く均等となるように、前記各管８，９，１０，１１，１２の配置を調整することにより、品質の安定した多数の石英ガラス製造用バーナー１を短時間で製造することができる。
【００３６】
この際、バーナー１の多重管部２の位置関係は、バーナー根元の溶接部分で決まっているため、この溶接部分を酸水素火炎で加熱することにより、多重管部２の位置関係を調整することができる。従って、規格外と判定されたバーナー１は多重管部２の位置関係を調整することにより、ズレ量の小さいバーナー１を得ることができる。
【００３７】
但し、ガス流の乱れの原因が各管８，９，１０，１１，１２のズレではなく、流れ方向上流の物理的構造差（太さの変化等）から生じている場合は、補正が不可能となるので、この場合は問題部分の作り直しとなる。
【００３８】
このように製造された石英ガラス製造用バーナー１を用い、石英ガラス製造用バーナー１の所定の管８，９，１０等から、原料及び燃焼ガスを噴出させ、火炎中で前記原料を加水分解させてシリカ微粒子を得、このシリカ微粒子を溶融、ガラス化して石英ガラスを得ることができる。このようして同じ条件で合成された複数の石英ガラスは光学特性に優れ、互いに均質である。
【００３９】
［発明の実施の形態２］
この実施の形態２は、バーナー１から噴出されるガス流のムラを可視化するために、ガスの噴出圧力の分布を利用した。この方法を風圧法判定と称す。
【００４０】
すなわち、前記各管８，９，１０，１１，１２からガスを液体に向けて噴出させて、この液体の液面の状態を観察することにより、該噴出されたガスの、前記各管８，９，１０，１１，１２の先端から所定距離（例えば１ｃｍ乃至２ｃｍ）離れた面におけるガス圧を検出し、このガス圧の分布状態を観察することにより、前記各管８，９，１０，１１，１２から流出するガスの流れに乱れが無く均等か否か検出して、前記各管８，９，１０，１１，１２の配置状態を評価するようにしている。
【００４１】
液体の液面の状態を撮像装置で撮影し、この液体の、前記ガス圧により押しのけられる部分の位置と面積とを検出することにより、このガス圧の分布状態を観察し、前記各管８，９，１０，１１，１２から流出するガスの流れに乱れが無く均等か否か検出して、前記各管８，９，１０，１１，１２の配置状態を評価するようにしている。
【００４２】
具体的には、図２に示すように、バーナー１の噴出し面直下に配置されたシャーレ１５に液体を薄く張り、ガス圧により押しのけられる液面の変化の状態を観察することにより行った。
【００４３】
液体には、ここではシリコーンオイルを用い、状況により適した粘性のものを用い、液体は、黒色の染料により着色した。
【００４４】
そして、バーナー１よりガスを噴出させると、液面は押しのけられ、液厚が薄くなり、この厚さの程度は圧力に支配される。
【００４５】
この状態を、シャーレ１５の下部からこれを観察すると、液厚の違いが透過光の差となって現れる。この画像を「撮像装置」としてのＣＣＤカメラ１６により取り込み、この画像をあるしきい値で２値化することで、ガス噴出分布を代用測定した。二値化画像の一例を図３に示す。図３中、符号１８はガス圧により押しのけられる部分を、又、符号１９はガス圧の影響を受けず液厚が薄くならなかった部分を示す。
【００４６】
この流れムラの判定には、例えば図３中、ガス圧により押しのけられる部分１８の位置及び面積を測定して行った。
【００４７】
例えばリング状管９からガスを噴出した場合に押しのけられた部分１８の重心Ｏ１を求め、この重心Ｏ１の、原料用中央円状管８の重心Ｏ２からの重心ズレ量を算出する。このズレ量が小さいほど良い評価となる。
【００４８】
また、その押しのけられた部分１８の面積を求め、この面積と、基本となるバーナーによる面積とを比較する。面積を求めることで、噴出流速を求めることができ、立体的構造の影響による実際のガスの流れの変化を見極めることができる。その面積の比が「１」に近いほど良い評価となる。
【００４９】
この実施の形態２によれば、実施の形態１のように複数の位置Ｌ１，Ｌ２等で切断して演算する必要が無いため、より簡単な設備で、且つ、少ない労力で評価を行うことができる。
【００５０】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００５１】
［比較例］
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４本のバーナーを、画像解析判定の方法により、比較評価した。
【００５２】
この画像解析判定法とは、バーナーのガスが噴出する端面の構造を画像で取り込み、その画像処理により構造を解析する方法である。
【００５３】
これによれば、表１に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃのバーナーは「Ｇ」、つまり、規格内品質であり、Ｄのバーナーは「ＮＧ」、つまり、規格外の品質であることが判明した。
【００５４】
そして、これらバーナーＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを用いて同一条件で石英ガラスの合成を行い、合成された石英ガラスの品質評価を行った。評価としては、石英ガラスインゴットのφ２８０での屈折率均質性の値Δｎと、インゴット中央での内部水素濃度の分布測定を行った。
【００５５】
その結果、表１に示すように、バーナーＡ，Ｂにより合成された石英ガラスは、屈折率均質性の値Δｎが２．２×１０−６、２．４×１０−６となり、又、内部水素濃度が２．５×１０１７分子／ｃｍ３となり、ほぼ同等の結果を得た。
【００５６】
しかし、バーナーＣにより合成された石英ガラスは、予想に反して、屈折率均質性の値Δｎが４．０×１０−６となり、バーナーＡ，Ｂにより合成された石英ガラスより高く、又、水素濃度の値が１．２×１０１７分子／ｃｍ３となり、バーナーＡ，Ｂにより合成された石英ガラスより低く、バラ付きを生じる結果となった。
【００５７】
また、バーナーＤにより合成された石英ガラスは、予想通り、屈折率均質性の値Δｎが４．５×１０−６となり、バーナーＡ，Ｂにより合成された石英ガラスより高く、又、水素濃度の値が０．７×１０１７分子／ｃｍ３となり、バーナーＡ，Ｂにより合成された石英ガラスより低く、バラ付きを生じる結果となった。
【００５８】
してみれば、この比較例の噴出し口端面の外観のみの評価方法では、バーナーＣについて適正な評価が得られなかったことになる。
【００５９】
［実施例１］
この実施例１は、上記実施の形態１のトレーサー可視化判定によるもので、上記比較例では見極めることができなかったバーナーＣと、バーナーＡ，Ｂとの差異を見出すために、トレーサーを用いたガス流れの断面形状観察を行ったものである。
【００６０】
その結果、表１に示すように、バーナーＡ，Ｂについては、均等な流れが観測されたが、バーナーＣ，Ｄについては、流れの偏りが観測された。
【００６１】
従って、この方法によれば、適正はバーナー評価を行うことができる。
【００６２】
［実施例２］
この実施例２は、上記実施の形態２で説明した風圧を利用した評価方法を用いたものである。
【００６３】
この実施例２によれば、バーナーから噴き出すガスの圧力を検出する方法を用いることにより、ガスにより押しのけられる部分１８の位置と面積を求めることで、バーナーの立体的構造を捉えることができ、より適正なバーナー評価を行うことができる。
【００６４】
具体的には、図３に示すように、風圧により液体が押しのけられた部分１８を観察し、上述のように原料用中央円状管８に対する重心ズレ量と、基本バーナーに対する面積比とを検出する。
【００６５】
この実施例では、重心ズレ量の最大値が２ｍｍ以内となり、且つ、面積比の最大値が±１０％以内となる場合を規格内品質「Ｇ」とし、それ以外の場合を、規格外品質「ＮＧ」としている。
【００６６】
表１に示すように、バーナーＡ，Ｂについて観察すると、重心ズレ量の最大値は、それぞれ１．２ｍｍ、１．１ｍｍとなり、基準の２ｍｍ以内で、且つ、面積比の最大値は、それぞれ１．０３（＋３％）、１．０１（＋１％）となり、基準の±１０％以内で、規格内品「Ｇ」と評価された。
【００６７】
また、バーナーＣについて観察すると、重心ズレ量の最大値は２．３ｍｍとなり、基準の２ｍｍより大きく、且つ、面積比の最大値は、１．１５（＋１５％）となり、基準の±１０％の範囲外で、規格外品「ＮＧ」と評価された。
【００６８】
さらに、バーナーＤについて観察すると、重心ズレ量の最大値は４．０ｍｍとなり、基準の２ｍｍより大きく、且つ、面積比の最大値は、１．２５（＋２５％）となり、基準の±１０％の範囲外で、規格外品「ＮＧ」と評価された。
【００６９】
そこで、「ＮＧ」と評価されたバーナーＣ，Ｄについて修理を行い、風圧評価が規格内に入るまで、修理と評価を繰り返した。
【００７０】
修理の結果は、表１に示すように、バーナーＣは、重心ズレ量の最大値が１．４ｍｍとなり、基準の２ｍｍより小さく、且つ、面積比の最大値は、１．０４（＋４％）となり、基準の±１０％以内で、規格内品「Ｇ」と評価された。
【００７１】
また、バーナーＤは、重心ズレ量の最大値が１．２ｍｍとなり、基準の２ｍｍより小さく、且つ、面積比の最大値は、１．０２（＋２％）となり、基準の±１０％以内で、規格内品「Ｇ」と評価された。
【００７２】
そして、この修正後のバーナーＣ，Ｄを用いて合成された石英ガラスのブロックの品質評価を行い、この結果も表１に示した。バーナーＣにより、合成された石英ガラスは、屈折率均質性の値Δｎが２．２×１０−６となり、又、水素濃度が２．４×１０１７分子／ｃｍ３となった。また、バーナーＤにより、合成された石英ガラスは、屈折率均質性の値Δｎが２．３×１０−６となり、又、水素濃度が２．６×１０１７分子／ｃｍ３となった。
【００７３】
してみれば、上記評価によりほぼ同一と判定されたバーナーＣ，Ｄから同一の品質のものを得ることができた。このことから、風圧法による評価で、外観では判断できないバーナー間のバラ付き簡便に判断することができ、効率的な生産が行えるようになった。
【００７４】
【表１】
0003969049.tif 000002
【００７５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明のバーナー評価方法を用いることにより、簡便迅速にバーナーの特性を各種構造因子の複合的結果として判断することができる。
【００７６】
また、本発明のバーナーの評価方法を用いて、バーナー選別を行うことにより合成結果を見ることなく事前に製品品質を予測が可能であるので、安定して光学特性に優れた石英ガラスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１，２にかかる石英ガラス製造用バーナーの噴出口端部側の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２かかる評価方法である風圧法判定の概念図である。
【図３】同実施の形態２にかかる風圧法判定により得られる２値化画像の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  石英ガラス製造用バーナー
２  多重管部
８  原料用中央円状管
9,10,11,12  リング状管
15  シャーレ
16  ＣＣＤカメラ（撮像装置）
18  ガス圧により押しのけられた部分
【図１】
0003969049.tif 000003
【図２】
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【図３】
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