(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ粉末を黒鉛製耐熱モ−ルドに充填し、真空雰囲気下１７００℃以上に加熱して透明シリカガラスを得る方法において、黒鉛製モ−ルドとシリカ粉末の接触面に多孔質黒鉛材を介在させ、かつ、黒鉛モールドとして、複数個の貫通孔を有するものを使用することを特徴とする集合気泡のないシリカガラスの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリカガラスの製造方法において、シリカ粉末の仕込み形状の表面積に対してこれを囲む黒鉛製モ−ルドの総通気断面積を１％以上にすることを特徴とする集合気泡のないシリカガラスの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のシリカガラスの製造方法において、黒鉛製耐熱モ−ルドとして、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｔｉの各不純物が１ｐｐｍ以下の高純度黒鉛を用いることを特徴とするシリカガラスの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの請求項に記載のシリカガラスの製造方法において、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅの各不純物が１ｐｐｍ以下の高純度シリカガラスが製造できることを特徴とするシリカガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高純度シリカガラスからなる成形体、特には大型円柱あるいは大型リング等の製造方法に関する。このシリカガラス部材は、半導体用耐熱治具及び各種フランジ類、炉心管部品などに応用できる。
【０００２】
【従来の技術】
耐熱金属から構成された空間に結晶質石英粉末を充填し、１７００℃以上に加熱溶融してシリカガラスを製造する方法が、すでに特公昭３５−７９１に記載されている。また最近、特開平９−２０２６３１、特開平９−２０２６３２、特開平９−１８３６２３には、黒鉛材からなる容器とシリカ粉末の接触面にシリカガラスを介在させ、加熱溶融してシリカガラスを製造する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特公昭３５−７９１では、モ−ルドとして、耐熱金属であるＭｏを用いているが、この方法ではＭｏが高温酸化を受け、ガスとして、得られるシリカガラスに侵入し、汚染するという問題があった。
【０００４】
また、モ−ルドとして、黒鉛材を用いた場合、ＣとＳｉＯ2 との高温反応によって、モ−ルドとシリカガラスが融着し相互に損傷したり、融着を避け得た場合でもモールドの耐久性は著しく低い等の問題があった。
【０００５】
更に、一般の黒鉛材には、１ｐｐｍを遥かに越えるＦｅ，Ｃａなどが含まれており、これら不純物が高温でガス化し、ガラスに侵入し、高純度が保てないという問題もあった。
【０００６】
特開平９−２０２６３１、特開平９−２０２６３２、特開平９−１８３６２３には、黒鉛鋳型とシリカ粉末の間にシリカガラスを介在させることにより、上記問題を解決する方法が開示されている。しかし、この方法は介在させるシリカガラスの加工製造に手間を要し、かつ、シリカガラスは高価であるため、経済性に優れた方法とは言い難い。また、これらの方法は、８インチウェーハー処理サイズの中型部材に適用できるが、１２インチ以上の大型フランジ部材には適用できない。すなわち溶融加熱時間の延長だけではシリカガラス中の集合気泡は除去できない、という問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、集合気泡が無く、高純度であり、また外径３００〜５５０ｍｍ、高さ２００ｍｍ程度の大型サイズが可能であるリングを含めたシリカガラスを提供することであり、従来、行われていたシリカガラスブロックから機械加工する方法よりも、極めて材料収率に優れ、高純度黒鉛モ−ルドの耐久性も向上し、経済的にも有利な方法を提供し、特に、半導体製造に使用されるシリカガラス治工具類、例えば、反応管のフランジ、エッチング装置の反応室ライナ−、枚葉式装置部品として有用となるシリカガラスを製造する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した結果、黒鉛モ−ルド自身に複数個の貫通孔を設け、シリカ粉末が蒸発溶融しやすくすることにより、集合気泡を除去できることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち、本発明は、黒鉛質モ−ルドから構成された空間にシリカ粉末を充填し、１７００℃以上に加熱溶融してシリカガラスを得る方法において、黒鉛質モ−ルドとシリカ粉末の接触面、加熱溶融することを特徴とするシリカガラスの製造方法である。
【００１０】
本法では、シリカ粉末として、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅの各不純物が１ｐｐｍ以下の高純度結晶質石英、または、高純度非結晶質シリカを用い、モ−ルドとして、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｔｉの各不純物が１ｐｐｍ以下の黒鉛を用いることにより、集合気泡がなく原料とほぼ同純度の高純度シリカガラスを得ることができる。
【００１１】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１２】
本発明の特徴は、集合気泡の無い透明大型シリカガラスが得られることである。そのためにシリカ粉末の加熱中に発生するガスを外界に逃がすための流路断面積を確実に確保することに留意している。すなわち、一番外側の黒鉛質モールド側面には複数個の貫通孔を設ける必要がある。仕込み形状がリング状の場合には更に中央に配置する黒鉛質モールド外側側面にも同様に複数個の貫通孔を設けることが望ましい。また、この貫通孔は対称的に設けることが望ましい。本発明の検討の結果、貫通孔の総断面積は、仕込み形状の立体の総表面積に対して１％以上にすることが望ましい。また、シリカ粉末が溶融した時、通気用の貫通孔からシリカガラスがにじみ出ないように貫通孔断面が円の場合は、直径３ｍｍ未満にすることが望ましい。次に、黒鉛質モールドとシリカ粉末との間には嵩密度０．１〜１．５ｇ／ｃｍ3 の高純度黒鉛からなる多孔質層を介在させる必要がある。この多孔質層は、モールドとシリカの接触を防ぎ、ガスの排出を促進する。嵩密度０．１〜１．５ｇ／ｃｍ3 の高純度黒鉛からなる多孔質層としては、高純度処理された黒鉛フェルト、黒鉛シ−ト、黒鉛粉末を敷いて堆積させたものなどを用いることができる。
【００１３】
黒鉛フェルトとしては、カ−ボン繊維を成形織物とした、嵩密度０．１〜０．４ｇ／ｃｍ3 で、厚さ２〜１０ｍｍのものを用いることが好ましい。
【００１４】
黒鉛シ−トとしては、カ−ボン繊維を成形織物とした、嵩密度０．８〜１．２ｇ／ｃｍ3 で、厚さ０．３〜１ｍｍのものを用いることが好ましい。
【００１５】
黒鉛粉末としては、粒度０．１〜１ｍｍの高純度処理したものが好ましい。黒鉛フェルト、黒鉛粉末堆積物は、いずれも伸縮性と通気性を有するものであり、モ−ルドの破損を防止すると同時に、発生ガスの逃げ道を与える役割を果たす。黒鉛フェルトは黒鉛シ−トに比較して、伸縮性、通気性とも優れた物であり、上記通気の役割を果たすにはより適している。好適な構成として、粉末充填体の側面あるいは上面に黒鉛フェルトを配置して通気性を確保し、底面には黒鉛シートを敷いてガラス底面の平坦度を出すことが挙げられる。
【００１６】
本発明では、集合気泡が無く、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅの各不純物が１ｐｐｍ以下の高純度シリカガラスを得ることができる。そのためには、原料として、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，の各不純物が１ｐｐｍ以下のシリカ粉末を用いる必要がある。粉末は、結晶質、非結晶質いずれでもよい。結晶質としては、天然の結晶質石英、いわゆる水晶を精製した粉末が最も好適である。また、非結晶質としては、ケイ酸ソ−ダ、ハロゲン化ケイ素、シリコンアルコキサイドなどのケイ素源から合成された、いわゆる合成シリカ粉末を用いることができる。
【００１７】
上記粉末の純度を低下させることなく、本発明のプロセスに従ってシリカガラスとするためには、用いる黒鉛モ−ルド並びに黒鉛多孔質層の純度が極めて重要である。すなわち、モ−ルド並びに多孔質層の黒鉛純度はＮａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｔｉの各不純物が１ｐｐｍ以下でなければならず、さらに好ましくは０．５ｐｐｍ以下がよい。
【００１８】
特に、一般の黒鉛材には不純物としてＦｅが１０ｐｐｍ以上含まれる場合があり、高純度処理をしたものを用いるのが望ましい。
【００１９】
シリカ粉末を加熱溶融してシリカガラスとする方法は、特に限定されないが、透明性のよいガラスを得る場合、雰囲気を真空あるいはヘリウムなどの軽元素ガスとし、１８００〜１８５０℃の温度に保持させるのがよい。
【００２０】
以下実施例によって、本発明を更に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００２１】
【実施例】
実施例１
シリカガラスリングの製造実験に用いた黒鉛モ−ルド／黒鉛多孔質層／シリカ粉末の構成を図１に示す。その仕込み形状は外径φ５３０ｍｍ、内径φ４４０ｍｍ、高さ２００ｍｍとした。外側るつぼ側面と中央るつぼ側面にφ３ｍｍの孔を対称的に同数穿孔し、粉体が成す立体の全表面積に対して通気孔の全断面積を１．３％になるようにした。モ−ルドの内側面および外側面に厚さ５ｍｍ、嵩密度０. ２ｇ／ｃｍ3 の高純度黒鉛フェルトを装着し、高純度結晶質石英粉末（平均粒径０．２ｍｍ）を充填した。粉末上面に同様のフェルトを被せた。更にその上に高純度黒鉛のシートを敷き、高純度黒鉛荷重リング（高さ１００ｍｍ，１２ｋｇ）を載せ、粉末上面に１７ｇ／ｃｍ2 の圧力を加えた。モ−ルド底面には厚さ０．４ｍｍ，嵩密度１．０ｇ／ｃｍ3 の高純度黒鉛シ−トを敷いた。この試料をカ−ボン抵抗加熱電気炉に入れ、真空に排気した状態で、室温から１７００℃まで５℃／分で昇温し、１７００℃で３時間保持した後、５℃／分で昇温し、１８５０℃で４０分間保持した後、真空解除し、窒素を導入し、放冷した。この時得られたシリカガラスには筋状集合気泡が全く無かった。
【００２２】
比較例１
図１に示す構成でるつぼ、粉末を用意した。この時、外側るつぼ側面及び中央るつぼ側面にはいずれも通気孔を設けなかった。実施例１と同様の焼成条件で水晶粉末の真空溶融を行った。この時得られたシリカガラスには筋状集合気泡が存在した。
【００２３】
実施例２
図２に示す構成でるつぼ、粉末を用意した。ここで、実施例１と比較して、外側るつぼと高純度黒鉛外周リングは共通である。焼成するシリカガラスリング幅を更に広いものとするため、中央るつぼの形状を小さくした。実施例１の場合と同様に外側るつぼ側面と中央るつぼ側面に１．３％の通気孔を設けた。水晶粉末の仕込み形状は外径φ５２０ｍｍ、内径φ３４０ｍｍ、高さ２００ｍｍとした。側面の高純度フェルトは２重にした。また、底面の高純度黒鉛シートも２重にした。高純度黒鉛荷重は厚み５０ｍｍ、重量１０．１ｋｇで粉体上面への圧力が８ｇ／ｃｍ2 かかるようにした。焼成条件は１７００℃の保持を１０時間とした。昇温速度は５℃／分、最高温度は１８５０℃で４０分は実施例１と同じである。この時得られたシリカガラスには筋状集合気泡が全く無かった。
【００２４】
比較例２
図２に示す構成でるつぼ、粉末を用意した。この時、外側るつぼ側面及び中央るつぼ側面にはいずれも通気孔を設けなかった。実施例２と同様の焼成条件で水晶粉末の真空溶融を行った。この時得られたシリカガラスには筋状集合気泡が存在した。
【００２５】
実施例３
円柱状のシリカガラスの製造実験に用いた黒鉛モ−ルド／黒鉛多孔質層／シリカ粉末の構成を図３に示す。仕込み形状はφ１５０ｍｍ×高さ２００ｍｍとした。蓋、側面外筒、底面板を分離型とした。荷重用円柱は搭載せず、通気孔としては側面外筒及び蓋に２．４％確保した。焼成条件は昇温速度は５℃／分、１７００℃の保持を１０時間、最高温度は１８５０℃で４０分とした。この時得られたシリカガラスには筋状集合気泡が全く無かった。
【００２６】
比較例３
図３に示す構成でるつぼ、粉末を用意した。この時、外側るつぼ側面には通気孔を設けなかった。実施例３と同様の焼成条件で水晶粉末の真空溶融を行った。この時得られたシリカガラスには筋状集合気泡が存在した。
【００２７】
実施例１〜３及び比較例１〜３で得られた結果を、まとめて以下の表１に示す。
【００２８】
【表１】
0004014724.tif 000002
【００２９】
【発明の効果】
本発明から製造されるシリカガラスは集合気泡が無く、高純度である。従来、行われていたシリカガラスブロックから機械加工する方法に比較すると、極めて材料収率に優れる。高純度黒鉛モ−ルドの耐久性も向上し、経済的にも有利な方法となる。特に、半導体製造に使用されるシリカガラス治工具類、例えば、反応管のフランジ、エッチング装置の反応室ライナ−、枚葉式装置部品として有用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で使用した黒鉛モールド、黒鉛多孔質層、シリカ粉末の断面構造を示す。
【符号の説明】
▲１▼：高純度黒鉛モールド
▲２▼：高純度黒鉛荷重
▲３▼：シリカ原料粉末
▲４▼：高純度黒鉛フェルト
▲５▼：高純度黒鉛シート
▲６▼：高純度黒鉛外周リング
▲７▼：通気孔
【図２】実施例２で使用した黒鉛モールド、黒鉛多孔質層、シリカ粉末の断面構造を示す。
【符号の説明】
▲１▼：高純度黒鉛モールド
▲２▼：高純度黒鉛荷重
▲３▼：シリカ原料粉末
▲４▼：高純度黒鉛フェルト
▲５▼：高純度黒鉛シート
▲６▼：高純度黒鉛外周リング
▲７▼：通気孔
【図３】実施例３で使用した黒鉛モールド、黒鉛多孔質層、シリカ粉末の断面構造を示す。
【符号の説明】
▲１▼：高純度黒鉛モールド
▲３▼：シリカ原料粉末
▲４▼：高純度黒鉛フェルト
▲５▼：高純度黒鉛シート
▲７▼：通気孔
【図１】
0004014724.tif 000003
【図２】
0004014724.tif 000004
【図３】
0004014724.tif 000005