(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粗面を有する石英ガラス物品を０．００１ＭＰａ以上０．１ＭＰａ以下の水蒸気分圧を含む雰囲気内にて８００℃以上１２５０℃以下に保持し、前記石英ガラス物品の表面を処理することにより前記石英ガラス物品の表面粗さを改善する石英ガラス物品の表面処理方法であって、
前記石英ガラス物品の処理前の表面粗さがＲａ値で１３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、処理後の表面粗さがＲａ値で１ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、
前記石英ガラス物品の処理時間の下限値ｔｍｉｎを下記数式（１）で決定し、且つ前記石英ガラス物品の処理時間の上限値ｔｍａｘを下記数式（２）で決定することを特徴とする石英ガラス物品の表面処理方法。
【数１】
0004911726.tif 000022
【数２】
0004911726.tif 000023
［前記数式（１）及び（２）において、ｔｍｉｎは処理時間の下限値（時間）、ｔｍａｘは処理時間の上限値（時間）、Ｒは処理前の表面粗さＲａ値（ｎｍ）、Ｔは処理温度（℃）である］
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粗面を有する石英ガラス物品、例えば、機械的な研磨が困難な窪み部を有する石英ガラス物品、あるいは段差や凹凸を有した石英ガラス基板や湾曲した面を有する半導体熱処理等に用いられる石英ガラス管、石英ガラス治具、例えば石英ガラスボートの溝部等の表面粗さを改善する表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英ガラス製マスクサブストレートや半導体膜付け用石英ガラス基板においては非常に平滑な面を形成するために酸化セリウム等の砥粒を用いた高精度な研磨処理が行われてきた。これらは表面粗さがＲａ値（定義については後述）で５オングストローム（０．５ｎｍ）程度の非常に平滑な面を構成できる上、基板全体の平坦度も確保できるために広く用いられている。これらの研磨方法は回転する定盤に砥粒を流しながら石英ガラス基板を片面あるいは両面同時に研磨するものであるから、平面を構成するためには都合が良いが、例えば部分的に段差がある面や凹凸のある面に関しては実施することが不可能である。
【０００３】
また、石英ガラス管や石英ガラス棒の研磨はこれらの表面が湾曲しているために前述した研磨は不可能であるから精度は低下するが酸水素バーナーの火炎で表面を部分的に溶融する火炎研磨（ファイアポリッシュ）が行われている。
このような火炎研磨を施す場合、表面の面状態は改善するものの石英ガラス物品を温度の高い火炎（通常２２００℃程度と言われている）であぶるために部分的な変形やガスの圧力により部分的な凹凸が形成され面形状が変形してしまうと言う欠点がある。
【０００４】
同様に石英ガラスボートの溝部は石英ガラスロッドに一定の間隔で溝を機械的に研削して形成される。この溝面については前述の研磨処理が不可能であるために火炎研磨が用いられるが、火炎研磨による溝部のだれ等がしばしば問題になることがある。
【０００５】
一方、特許文献１は、シリカガラスにＯＨ基をドープすることを目的とした処理方法として、シリカガラス治具を水蒸気雰囲気中で少なくとも８００℃で加熱処理する方法を記載している。しかしながら、特許文献１は、表面粗さや熱変性については考慮されておらず、表面粗さに関しては何ら記載されていない。
【特許文献１】特開平８−２５０５７２号公報
【非特許文献１】Physical Science data 15 handbook of glass data Part A silica glass and binary silicate glasses, ELSEVIER 1983 PP.79 Fig.96
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の機械研磨が不可能な段差や凹凸を有する石英ガラス基板や湾曲した面、あるいは溝部を有する石英ガラス管や棒、それらを用いた石英ガラス治具の表面を火炎研磨と同じ程度の面粗さまで面の形状変化を起こすことなく平滑化することができる石英ガラス物品の表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らはかかる課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、粗面を有する石英ガラスを水蒸気の存在下で加熱保持することによって面粗さが改善することを見出し、かつ面粗さの改善が温度と時間の関数で表されること、同時に面粗さの変化が石英ガラスの粘性変形と競争関係にある事を見出し、適切な条件を見出すことにより本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明の石英ガラス物品の表面処理方法は、粗面を有する石英ガラス物品を０．００１ＭＰａ以上０．１ＭＰａ以下の水蒸気分圧を含む雰囲気内にて８００℃以上１２５０℃以下に保持し、前記石英ガラス物品の表面を処理することにより前記石英ガラス物品の表面粗さ（表面粗度）を改善する石英ガラス物品の表面処理方法であって、
前記石英ガラス物品の処理前の表面粗さがＲａ値で１３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、処理後の表面粗さがＲａ値で１ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、
前記石英ガラス物品の処理時間の下限値ｔｍｉｎを下記数式（１）で決定し、且つ前記石英ガラス物品の処理時間の上限値ｔｍａｘを下記数式（２）で決定することを特徴とする。
【数１】
0004911726.tif 000002
【数２】
0004911726.tif 000003
［前記数式（１）及び（２）において、ｔｍｉｎは処理時間の下限値（時間）、ｔｍａｘは処理時間の上限値（時間）、Ｒは処理前の表面粗さＲａ値（ｎｍ）、Ｔは処理温度（℃）である］
【０００９】
本発明において、前記石英ガラス物品の処理前の表面粗さがＲａ値で１３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、処理後の表面粗さがＲａ値で１ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好適である。本発明において、処理前の石英ガラス物品の表面粗さを初期表面粗さと称する。
【００１０】
本発明において、前記石英ガラス物品の処理時間の下限値ｔｍｉｎを下記数式（１）で決定することが好ましい。また、前記石英ガラス物品の処理時間の上限値ｔｍａｘを下記数式（２）で決定することが好適である。
【００１１】
【数１】
0004911726.tif 000004
【００１２】
【数２】
0004911726.tif 000005
【００１３】
［前記数式（１）及び（２）において、ｔｍｉｎは処理時間の下限値（時間）、ｔｍａｘは処理時間の上限値（時間）、Ｒは処理前の表面粗さＲａ値（ｎｍ）、Ｔは処理温度（℃）である］
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来の機械研磨が不可能な段差や凹凸を有する石英ガラス基板や湾曲した面、あるいは溝部を有する石英ガラス管や棒、それらを用いた石英ガラス治具の表面を火炎研磨と同じ程度の面粗さまで面の形状変化を起こすことなく平滑化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１６】
本発明の石英ガラス物品の表面処理方法は、粗面を有する石英ガラス物品を０．００１ＭＰａ以上０．１ＭＰａ以下の水蒸気分圧を含む雰囲気内にて８００℃以上１２５０℃以下の高温に保持し、石英ガラス物品の表面を熱処理することにより石英ガラス物品の表面粗さを改善することを特徴とする。
【００１７】
本発明では、熱処理によって得られた試料の表面の凹凸の減少を定量的に示す指標として、表面粗さＲａによる評価を行った。この表面粗さＲａは下記数式（３）によって定義される。
【００１８】
【数３】
0004911726.tif 000006
【００１９】
前記数式（３）において、縦Ｍ点と横Ｎ点の表面の格子点が測定点であり、その高さの平均をｕで表し、各測定点の座標を（ｘｋ，ｙｉ）とし、そこでの高さがｚである。
本発明において、表面粗さＲａ値を測定する装置は特に制限はなく、公知の表面粗さ測定機、例えば、触針式の表面粗さ計やレーザー顕微鏡等を用いることができる。
【００２０】
本発明は、表面処理における水蒸気分圧の条件を０．００１ＭＰａ以上０．１ＭＰａ以下とし、０．０１ＭＰａ以上０．１ＭＰａ以下が好ましい。本発明において、水蒸気分圧を０．００１ＭＰａ以上とすることにより表面粗さを改善することができるが、水蒸気分圧を０．０１ＭＰａ以上とすることにより、より迅速且つ効率的に表面粗さを改善することができ、より好ましい。水蒸気分圧を０．１ＭＰａ（即ち、大気圧）を越える条件とするには大掛かりな装置を必要とし、コストがかかるが、本発明は加圧しなくとも目的を達成することができる為、工業的に非常に有利である。
【００２１】
本発明は、表面処理における温度条件を８００℃以上１２５０℃以下とし、１１００℃以上１２００℃以下がより好ましい。本発明において、８００℃以上の温度条件により表面平滑化が進行するが、温度条件が１２５０℃を超えると石英ガラス物品の熱変形が増大するため、処理温度は８００℃以上１２５０℃以下とする。石英ガラスの熱変形は実質的に１１００℃以上で顕著になる為、１１００℃以上１２５０℃以下の処理温度範囲においては熱処理時間の管理が重要になる。
【００２２】
本発明による表面粗さの改善について、平坦化の機構の詳細は不明であるが、後述する処理時間を変えた実施例１の結果から、処理時間と表面粗さＲａの変化は一次反応で近似することが出来、平坦化反応の速度定数にアレニウス型を適用できることが判った（表２及び図９）。即ち、図９に示す表面粗さＲａの値ｘ（ｎｍ）は下記数式（４）で表される。なお、図９は実施例１の試料Ａ（初期表面粗さＲａ値：約１５０ｎｍ）の処理時間に対する表面粗さの結果を示すグラフである。
【００２３】
【数４】
0004911726.tif 000007
【００２４】
前記数式（４）は表面粗さＲａの経時変化式であり、前記数式（４）において、ｘは表面粗さＲａ（単位：ｎｍ）、ｔは処理時間（単位：時）、Ａ及びｋ１は定数である。実施例１の試料Ａの結果より、定数Ａ＝１５６ｎｍ、反応速度定数ｋ１＝２．０４×１０−２（ｈ−１）となり図９中の破線を得ることが出来る。
また、前記数式（４）は初期表面粗さが３００ｎｍの場合、Ａ＝３００ｎｍとすると実施例１の結果とも同様に非常に良い整合性を与えるため、数式（４）は初期表面粗さＲを用いて、下記数式（５）と表すことが出来る。
【００２５】
【数５】
0004911726.tif 000008
【００２６】
前記数式（５）において、ｘは表面粗さＲａ（単位：ｎｍ）、ｔは処理時間（単位：時）、Ｒは初期表面粗さＲａ（単位：ｎｍ）、ｋ１は定数である。
更に、反応速度定数がアレニウス型であることから、反応速度定数ｋ１は活性化エネルギーＥ、絶対温度Ｔ１（Ｋ）、定数ｋ０を用いて、下記数式（６）で示される。
【００２７】
【数６】
0004911726.tif 000009
【００２８】
前記数式（６）において、ｋ１は反応速度定数、Ｅは活性化エネルギー、Ｔ１は絶対温度（単位：Ｋ）、ｋ０は定数である。
後述する処理温度を変えた実施例１（処理温度：１２００℃）と実施例３（処理温度：１０００℃）の表面粗さの結果から、ある温度Ｔｎにおける反応速度定数ｋｎは下記数式（７）で与えられることがわかった。
【００２９】
【数７】
0004911726.tif 000010
【００３０】
前記数式（７）において、Ｔｎは処理温度（単位：Ｋ）、ｋｎは処理温度Ｔｎにおける反応速度定数である。
更に、後述する水蒸気分圧を変えた実施例１、実施例５及び６の結果から、水蒸気分圧は反応速度にある程度の影響を与えるものの、その影響は温度条件と比べて小さく、水蒸気分圧が０．０１２ＭＰａから０．０８５ＭＰａの範囲においては、上記数式（５）〜数式（７）を適用しても実用上問題ないことが判った。ただし、実施例７に示すように水蒸気分圧が０．００４ＭＰａ以下では反応が遅くなるため、これらの数式を適用するには水蒸気分圧を０．０１ＭＰａ以上に設定することが好適である。
【００３１】
本発明の表面処理方法は、初期表面粗さがＲａ値で１３０ｎｍ以上である石英ガラス物品の表面粗さの改善に好適である。通常Ｒａ値が１３０ｎｍ以上ある場合、図２（ａ）に示した如く、表面における光の散乱によって向こう側の物体がややぼやけて見える。なお、図２（ａ）は、表面粗さがＲａ値で約１５０ｎｍの石英ガラス板（実施例１の処理前の試料Ａ）の写真である。
【００３２】
本発明によれば、石英ガラス物品の処理後の面粗さはＲａ値で１２０ｎｍ以下とすることができる。Ｒａ値が１２０ｎｍ以下であると、図２（ｂ）に示した如く、石英ガラス物品は十分に透明で向こう側を視認できるようになり、火炎研磨を施した石英ガラス物品とほぼ同等の外観を呈することが出来る。なお、図２（ｂ）は、表面粗さがＲａ値で５６ｎｍの石英ガラス板（実施例１の４８時間処理後の試料Ａ）の写真である。
石英ガラス物品の処理後の面粗さの下限値は特に制限はないが、Ｒａ値で１ｎｍ以上に設定することが好ましい。初期表面粗さがＲａ値１３０ｎｍ以上の場合、処理後の表面粗さ１ｎｍ未満を達成するには処理時間がいたずらに長くなり、工業的に好ましくない。
【００３３】
本発明の表面処理方法に適用される石英ガラス物品の初期表面粗さの上限値は特に制限はないが、処理後のＲａ値が１２０ｎｍ以下である石英ガラス物品を得る場合には、初期表面粗さがＲａ値で４００ｎｍ以下の石英ガラス物品を選択することが好ましい。
【００３４】
本発明において、処理後の表面粗さが所望の数値を達成するための必要な最低処理時間は、前記数式（５）及び数式（７）を用いて算出することができる。例えば、処理後の表面粗さがＲａ値で１２０ｎｍ以下である石英ガラス物品を得るために必要な最低処理時間は、前記数式（５）及び数式（７）を用いて下記の如く数式化することができる。即ち、数式（５）にｘ＝１２０を代入し、数式（５）及び数式（７）をｔについて解くと、下記数式（１）を得る。
【００３５】
【数８】
0004911726.tif 000011
【００３６】
前記数式（１）において、ｔｍｉｎは石英ガラス物品の表面粗さがＲａ値で１２０ｎｍになるまでの処理時間（単位：時）、Ｔは処理温度（単位：℃）、Ｒは初期表面粗さＲａ（単位：ｎｍ）を示す。
前記数式（１）により算出されるｔｍｉｎ以上の処理時間を施すことにより石英ガラス表面の面粗さＲａを１２０ｎｍ以下に平坦化することが出来る。
【００３７】
本発明における面粗さの改良は高温時の石英ガラスの構造変化に伴うものであるから、石英ガラス全体の粘性流動に伴う塑性変形も同時に進行する。本発明の目的である石英ガラス全体の変形を抑制しつつ、表面粗さを改善する事を達成するためには熱処理を石英ガラスの塑性変形が許容範囲内である条件に設定する必要がある。
【００３８】
石英ガラスの粘性変形を知る上で最も重要な要素が粘度であるが、石英ガラスの粘度に関しては過去詳細に調べられている。例えば、非特許文献１は、石英ガラスにおける粘度の温度変化を表す図が記載されている。非特許文献１の図９６に記載された石英ガラスにおける粘度と温度の関係を示すグラフを図１１に示した。図１１に示した如く、非特許文献１より、石英ガラスの粘度と温度について下記数式（８）を得ることができる。下記数式（８）において、ηは粘度（単位：ポアズ）、Ｔは温度（℃）である。
【００３９】
【数９】
0004911726.tif 000012
【００４０】
図１０は、石英ガラスの熱変形測定方法の一例を示す概略説明図であり、図１０（ａ）は熱処理前、図１０（ｂ）は熱処理後をそれぞれ示す。図１０において、３０は石英ガラス試料、３２ａ及び３２ｂは治具、例えば、ＳｉＣ治具であり、Ｌは治具３２ａ及び３２ｂの間隔、ｂは石英ガラス試料の長さ、ｄは石英ガラス試料の厚さ、Ｙは変形量である。
図１０（ａ）に示した如く、石英ガラス試料３０の対抗する端面を固定せずに治具３２ａ，３２ｂで保持し熱処理することにより、図１０（ｂ）に示した如く、高温で自重にて石英ガラス試料３０が熱変形し、変形量Ｙが測定される。
【００４１】
石英ガラスの熱変形は、幅ａ（ｃｍ）、長さｂ（ｃｍ）、厚さｄ（ｃｍ）の粘度ηの石英ガラスの板を、図１０に示した如く、間隔Ｌ（ｃｍ）で自由保持し、熱処理した場合、１時間あたりの変形量ｙ（ｃｍ）は間隔Ｌの４乗に比例し、厚さと粘度に反比例すると考えられ、下記数式（９）で表される。実際にはａ及びｂは消去されて式上には現れない。
【００４２】
【数１０】
0004911726.tif 000013
【００４３】
前記数式（９）において、ｙは１時間あたりの変形量（ｃｍ）、Ａは定数、Ｌは治具３２ａ及び３２ｂの間隔（ｃｍ）、ｄは石英ガラスの厚さ（ｃｍ）、ηは粘度（ポアズ）である。
後記する表５は、処理温度及び処理時間を変えた実施例８〜１１の熱変形量の結果、並びに前記数式（８）より求められる粘度を示すものである。前記数式（９）に表５に示された変形量及び粘度ηを代入し、定数Ａを最小二乗法にて求めると、Ａ＝６．７４７×１０４を得る。従って、前記数式（９）は、下記数式（１０）となる。下記数式（１０）において、ｙ、Ｌ、ｄ及びηは前記数式（９）と同じである。
【００４４】
【数１１】
0004911726.tif 000014
【００４５】
本発明において、処理後の石英ガラスの変形量を所望の数値以下とするための処理時間の上限値は、前記数式（８）〜数式（１０）を用いて算出することができる。
具体的には、本発明において石英ガラスの熱的な変形の限界設定として、一般的に石英ガラスのマスク基板として用いられている６０２５タイプの石英ガラスマスク基板（幅１５２ｍｍ×長さ１５２ｍｍ×厚さ６．２５ｍｍの正方形のガラス基板）を、前述した図１０に示した方法により熱変形させた際の変形量Ｙが１００μｍ以下とすることが好適である。
【００４６】
本発明においては、石英ガラス板は通常平面上に静置して熱処理されるかあるいは重力の影響を僅少化する目的で略垂直に立てて熱処理されるため、上記のような重力による自由変形は生じない事から１００μｍの変形量を最大値とすることは妥当であると考える。
一方、石英ガラス管や棒のような断面円形状の石英ガラス物品の場合は図１０のように平板を保持する場合に比べて変形量は実質上１／１０程度に低減されるために上記変形量の設定はやはり妥当であると考える。
【００４７】
前述した如く、熱処理における石英ガラスの許容変形量Ｙを１×１０−２（ｃｍ）、ｄ＝０．６３（ｃｍ）、Ｌ＝１５（ｃｍ）として許容変形量に到るまでの処理時間ｔ（時間）を求めると、下記数式（１１）であるから、数式（８）〜数式（１１）にこれらの値を代入、ηを消去して下記数式（２）を得る。
【００４８】
【数１２】
0004911726.tif 000015
【００４９】
前記数式（１１）において、ｔは処理時間（単位：時）、ｙは１時間あたりの変化量（単位：ｃｍ）である。
【００５０】
【数１３】
0004911726.tif 000016
【００５１】
前記数式（２）において、ｔｍａｘは熱処理による石英ガラスの変形量が前述した許容変形量［１×１０−２（ｃｍ）］となる処置時間（単位：時）であり、Ｔは処理温度（単位：℃）である。
本発明において、処理時間を前記数式（２）により算出されるｔｍａｘ以下とすることにより、石英ガラスの熱変形を前述した許容変形量以下に抑えることができる。
【００５２】
本発明において、前記数式（１）及び数式（２）により各温度に関して最小処理時間と最大処理時間をそれぞれ決定することが好ましい。
表１に初期表面粗さがＲａ値で１５０ｎｍ（Ｒ＝１５０）とした時の、各温度における数式（１）によって求まる処理時間の下限値ｔｍｉｎと数式（２）によって求まる処理時間の上限値ｔｍａｘを示す。
【００５３】
【表１】
0004911726.tif 000017
【００５４】
表１に示した如く、本発明に適用される処理温度８００℃〜１２５０℃において、ｔｍｉｎ以上ｔｍａｘ以下の処理時間の条件で、初期表面粗さがＲａで１５０ｎｍの石英ガラス物品を表面処理することにより、熱変形を抑制し且つ表面粗さをＲａで１２０ｎｍ以下に改善することができる。
後述する実施例２に示した如く、表面平滑化は８００℃以上の温度で進行する為、本発明において処理温度は８００℃以上とするものであるが、表１に示した如く、処理後の表面粗さＲａを１２０ｎｍ以下とするためには長い処理時間が必要である。また、表１及び表５に示した如く、石英ガラスの熱変形は実質的に１１００℃以上で顕著になる。１１００℃以上の処理温度範囲においては熱処理時間の管理が重要になり、１２５０℃では短時間で表面粗さを改善することができるがプロセス許容度度がより小さい為、処理時間の管理が極めて重要となる。
１２５０℃を超えると熱変形の速度が表面平滑化反応の速度とほとんど同じになってしまうので、プロセス許容度が得られず、更に、処理温度１３００℃では、熱変形を防止する最大処理時間ｔｍａｘが表面平滑化を達成する最小処理時間ｔｍｉｎよりも大きく、変形が支配的である為、処理温度の上限は１２５０℃であると考える。
【００５５】
図１は、本発明で用いられる装置の構成の一例を示す概略説明図である。
本発明の表面処理方法に用いられる装置は特に制限はなく、処理温度及び水蒸気分圧を制御できる装置であればいずれも好適に使用できるが、例えば、図１に示した装置を用いることができる。
【００５６】
図１において、１００は本発明の処理方法に用いられる装置、１０ａ，１０ｂは熱処理炉、１２は試料ホルダー、２０は石英ガラス試料、２２ａ及び２２ｂは熱電対である。熱処理炉１０への水蒸気の導入は特に制限はないが、例えば、図１に示した如く、純水Ｗを入れたガス洗浄瓶１６をオイルバス１４に入れ、この洗浄瓶１６に乾燥空気を流すことにより容易に熱処理炉を水蒸気雰囲気とすることができる。この際、オイルバス１４の温度を調整することによって水蒸気分圧を調整することができる。
炉１０における水蒸気の導入部及び排気部にはそれぞれリボンヒーター１８ａ及び１８ｂを巻いて全ての配管を１００℃以上に保温し、水蒸気の結露を防止することが好適である。これにより、水蒸気が結露して水蒸気分圧が設定値より低下することを防止することができる。
【実施例】
【００５７】
以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００５８】
（実施例１）
〈試料作成〉
幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×厚さ２ｍｍの石英ガラス板に酸化セリウムを用いた高精度研磨を施し、表面粗さを０．５ｎｍ以下に調整した後、粗い砥粒（例えばカーボランダム）を用いて再研磨して表面を一様な面粗さに再調整した。
この際、粒度の異なる２種類の砥粒を用いることで、再調整後の面粗さが表面粗さ計による測定で、Ｒａ値で略３００ｎｍ、１５０ｎｍの２種類の試料（試料Ａ，Ｂ）を作成した。
【００５９】
〈試料の熱処理〉
前記粗面を有する石英ガラス板（試料Ａ，Ｂ）を砥粒の残留を避ける目的で、純水中で１０分間超音波洗浄を施し、更に１０分間アセトン中で超音波洗浄を施した。
この石英ガラス試料を石英ガラス製の試料ホルダーにのせ、ホルダーごと、図１に示す熱処理炉の中に設置した。炉を所定の温度まで約３時間かけて昇温した後、水蒸気を含んだ空気を流して熱処理を行った。
水蒸気の導入は純水を入れたガス洗浄瓶をオイルバスに入れ、この洗浄瓶に乾燥空気を２００ｍｌ／分の流量で流して行った。この際、オイルバスの温度を調整することによって水蒸気分圧を調整した。炉における水蒸気の導入部及び排気部にはリボンヒーターを巻いて全ての配管を１００℃以上に保温し、水蒸気の結露を防止した。
【００６０】
熱処理条件１として、温度を１２００℃、水蒸気分圧を０．０４７ＭＰａ（オイルバスの温度を８０℃に設定）として設定した。この条件に対して表面粗さがＲａ値１５０ｎｍ（試料Ａ）と３００ｎｍ（試料Ｂ）のそれぞれ１５枚の石英ガラス試料を用意し、３枚１組として５組の試料をそれぞれ１時間、３時間、１２時間、２４時間、４８時間熱処理を施した。これは熱処理による表面粗さの時間変化を観察するためである。
【００６１】
図２は実施例１の結果を示す写真であり、（ａ）は熱処理前の試料Ａの写真であり、（ｂ）は４８時間熱処理を施した試料Ａの写真である。この写真から判るように表面の凹凸による散乱が４８時間の熱処理によって殆ど消え、透明なガラス試料となったことがわかる。
【００６２】
〈表面粗さの測定〉
石英ガラス試料の表面形状を観察するためＫＥＹＥＮＣＥ社製ＶＫ−９５１０レーザー顕微鏡［型式：コントローラ部  ＶＫ−９５００，測定部  ＶＫ−９５１０］を用いて、倍率９０００倍にて試料の表面形状、高さプロファイル、表面粗さを測定した。同じ熱処理条件の３個の試料の表面粗さＲａを測定し平均値を求めた。実施例１の処理条件及び処理前後の表面粗さＲａの測定結果を表２に示す。図９は、実施例１の試料Ａの処理時間に対する表面粗さＲａの経時変化を示すグラフである。
【００６３】
【表２】
0004911726.tif 000018
【００６４】
表２及び図９に示した如く、処理時間と表面粗さＲａの変化は一次反応で近似し、平坦化反応の速度定数にアレニウス型を適用できることが判った。
【００６５】
〈レーザー顕微鏡による表面形状と高さプロファイル〉
実施例１の試料Ａの表面をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した画像と高さプロファイルを図３〜８に示す。図３及び４は熱処理前の試料Ａの画像及び高さプロファイルであり、図５及び６は１２時間熱処理を施した試料Ａの画像及び高さプロファイルであり、図７及び８は４８時間熱処理を施した試料Ａの画像及び高さプロファイルである。
処理前の試料において、表面形状（図３）は種々の大きさの凹凸が多く存在し、高さプロファイル（図４）からは鋭い凹凸の存在が目立つことが判った。熱処理条件１にて１２時間処理した試料の表面（図５）は、処理前の試料表面に見られる小さな粒子状の凹凸が融けて結合しているように見える。高さプロファイル（図６）では処理前に見られる鋭い凹凸がなくなり、凹凸の数が減少したことがわかる。４８時間処理した試料表面（図７）は、滑らかになり、高さプロファイル（図８）からも凹凸が殆ど見えなくなったことが判った。
【００６６】
（実施例２〜４）
実施例１と同様に表面粗さがＲａ値で略１５０ｎｍの試料を作成した。熱処理条件を、水蒸気分圧は変えずに処理温度を８００℃（実施例２）、１０００℃（実施例３）又は１２５０℃（実施例４）に設定し、熱処理を４８時間行った以外は実施例１と同様の方法により前記作成した試料の表面処理を行い、表面形状の変化を測定した。実施例２〜４の処理条件及び処理前後の表面粗さＲａの測定結果を表３に示す。
【００６７】
【表３】
0004911726.tif 000019
【００６８】
表３に示した如く、処理温度８００℃〜１２５０℃において、処理温度に応じて表面粗さが改善されていることがわかった。
【００６９】
（実施例５〜７）
実施例１と同様に表面粗さがＲａ値で略１５０ｎｍの試料を作成した。熱処理条件を、温度を１２００℃に固定して、水蒸気分圧を０．０１２ＭＰａ（実施例５、オイルバスの温度を５０℃に設定）、０．０８５ＭＰａ（実施例６、オイルバスの温度を９５℃に設定）又は０．００４ＭＰａ（実施例７、オイルバスの温度を３０℃に設定）に設定し、熱処理を４８時間行った以外は実施例１と同様の方法により前記作成した試料の表面処理を行い、表面形状の変化を測定した。実施例５〜７の処理条件及び処理前後の表面粗さＲａの測定結果を表４に示す。
【００７０】
【表４】
0004911726.tif 000020
【００７１】
表４に示した如く、水蒸気分圧０．００４ＭＰａ〜０．０８５ＭＰａにおいて、表面粗さが改善された。特に、水蒸気分圧０．０１２ＭＰａ及び０．０８５ＭＰａにおいて、迅速に表面粗さが改善されており、水蒸気分圧の変化の影響が少なかった。
【００７２】
（実施例８〜１１及び実験例１）
〈試料作成〉
熱処理による石英ガラスの粘性変形の度合いを調査するために、幅２０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、厚さ０．６３ｍｍの石英ガラス板を用意した。この石英ガラス板は６０２５タイプの石英ガラスマスクより切り出したために、表面は高精度研磨が施されている。前記石英ガラス板を、実施例１と同様の方法により表面粗さがＲａ値で約１５０ｎｍとなるように面粗さを調整する処置を施した。
【００７３】
〈熱処理による変形量の測定〉
上記石英ガラス板を図１０に示すようにシリコンカーバイド製の治具に載せ（治具の距離Ｌ＝１５ｃｍ）、全体を図１に示す熱処理炉にセットして水蒸気分圧を０．０４７ＭＰａに設定しつつ、８００℃（実施例８）、１０００℃（実施例９）、１２００℃（実施例１０）、１２５０℃（実施例１１）又は１３００℃（実験例１）で表５に示す所定時間熱処理を行い、３次元測定器により変形量を測定した。また、前記熱処理前及び熱処理後の石英ガラス板の表面粗さＲａを測定した。実施例８〜１１及び実験例１の処理条件、石英ガラス試料の変形量及び処理前後の表面粗さＲａを表５に示す。
また、前記数式（８）より算出した各処理温度における粘度η、及び前記数式（１０）及び処理時間より算出した変形量をあわせて表５に示した。なお、変形量を計算した際に数式（１０）に代入した数値は、Ｌ＝１５（ｃｍ）、ｄ＝０．０６３（ｃｍ）、ηは前記数式（８）より求められた計算値である。
【００７４】
【表５】
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【００７５】
表５に示した如く、本発明で適用される処理温度８００℃〜１２５０℃において、表面粗さか改善されており且つ変形量が抑制されていたのに対し、処理温度１３００℃では変形が著しかった。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明で用いられる装置の一例を示す概略説明図である。
【図２】実施例１の結果を示す写真であり、（ａ）は熱処理前の試料Ａの写真であり、（ｂ）は４８時間熱処理を施した試料Ａの写真である。
【図３】実施例１の熱処理前の試料Ａの表面形状をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した画像である。
【図４】実施例１の熱処理前の試料Ａの表面をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した高さプロファイルである。
【図５】実施例１の１２時間熱処理を施した試料Ａの表面形状をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した画像である。
【図６】実施例１の１２時間熱処理を施した試料Ａの表面をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した高さプロファイルである。
【図７】実施例１の４８時間熱処理を施した試料Ａの表面形状をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した画像である。
【図８】実施例１の４８時間熱処理を施した試料Ａの表面をレーザー顕微鏡（倍率９０００倍）で観察した高さプロファイルである。
【図９】実施例１の試料Ａの処理時間に対する表面粗さの経時変化を示すグラフである。
【図１０】石英ガラスの熱変形測定方法の一例を示す概略説明図であり、（ａ）は熱処理前、（ｂ）は熱処理後をそれぞれ示す。
【図１１】石英ガラスにおける粘度と温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１０：熱処理炉、１２：試料ホルダー、１４：オイルバス、１６：ガス洗浄瓶、１８ａ，１８ｂ：リボンヒーター、２０，３０：石英ガラス試料、２２ａ，２２ｂ：熱電対、３２ａ，３２ｂ：治具、１００：装置、Ｗ：純水。
【図１】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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