(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス管の一端を回転支持手段で保持し、石英ガラス管の他端に石英ガラス製円板を高温火炎で溶着し、溶着端部をテーパー状に拡径させて溶着一体物を回転させながら被丸封面を管軸方向に移動可能な丸封形状規制手段によって規制して高温火炎で加熱すると共に、石英ガラス管内の気体圧力を調整して被丸封面を所定の曲率のＲ部に成形する大型丸封石英ガラス管の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、石英ガラス製円板は石英ガラス管と同厚であり、その直径が、石英ガラス管の溶着する端面の外径と同径、または、内径より小径である大型丸封石英ガラス管の製造方法。
【請求項３】
石英ガラス管を保持し、石英ガラス管をその軸を中心に回転させる  回転支持手段と、高温火炎を生成する局所加熱手段と、石英ガラス管内の気体圧力を調整する圧力付与手段と、溶着一体物の被丸封面の曲率を規制する管軸方向に移動可能な丸封形状規制手段を有する大型丸封石英ガラス管の製造装置。
【請求項４】
請求項３において、丸封形状規制手段が、曲率検知手段を有する大型丸封石英ガラス管の製造装置。
【請求項５】
請求項３または４のいずれかにおいて、丸封形状規制手段を覆う移動可能な熱遮断手段を有する大型丸封石英ガラス管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、端部が丸封されたガラス管、さらに詳しくは半導体製造用等に使用される大型の丸封石英ガラス管の製造方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、丸封部を有するガラス管の製造方法としては、図７に示すように、所定寸法の径に加工したガラス管を加工治具に取り付け、回転させながら該ガラス管の丸封箇所を加熱し、ガラスの可塑領域において周縁部分よりすぼめて密封し丸部を成形していた。
【０００３】
また、丸封部の形状を正確なものとするためには、図８に示すような黒鉛製の型中で吹いて膨らませる成型法も用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の丸封箇所を加熱し周縁部分よりすぼめて丸部を形成する方法では、石英ガラスのような高粘性を有するものについては、ガラスを可塑領域とするのにかなりの高温にしなければならず、まして半導体製造用材料として使用する場合、ウエハー径自体が近年の高集積度化とともに大型化し、それに伴い材料自体も大型化となるので非常なエネルギー消費とともに、多大な加工労力を要していた。
【０００５】
例えば、縦型半導体熱処理用石英ガラス製治具は、２００φ以上の大口径の炉芯管を必要とするため、その要求形状に見合う丸封部を形成するには径の二乗に見合う丸封部面積を必要とし、徐々に縮径しながら密封するには相当の熱エネルギー源と多大な加工労力を要していた。
【０００６】
また、ガラス管丸封箇所の加熱は、ガラス旋盤等によりガラス管を回転させその遠心力を利用してバーナーによる火炎加熱するため、管周縁からすぼめながら丸封部を形成していく方法では管周縁部と管中心部でバーナーによる熱エネルギーの供給バランスが不均一となりやすく、丸封部の内外周上に粘性差が生じて管中心部近傍における肉厚の不均一化である「肉切れ」が生じ、このため薄肉化部で大幅な強度低下を招くという問題を有していた。
【０００７】
さらに、中心部はすぼめながら溶断密封するため、いわゆるヘソ部分が残るとともに、管の回転によりヘソ部分周辺の丸封面が回転軸に沿って円状に微細な凹凸状となり、平滑な面が得にくく、所定の曲率を持つ丸封面形状を再現性良く安定的に製造することが困難となる。
【０００８】
また、黒鉛製の型中に吹いて膨らませる成型法は、二次的なエネルギーコストと労力を要するとともに、生産性が悪く、また汚染源との接触により純度を損なう危険性が高く、高純度の製品が要求される半導体用の製造材料として用いるには問題があった。
【０００９】
このように、従来の方法では、近年の半導体用製造材料として大型化した丸封石英ガラス管を得るには多大な労力とエネルギーを要し、また、半導体用としての高純度品を得ることができず、作業性が向上され再現性良く、高精度な大型丸封石英ガラス管の提供が求められていた。
【００１０】
本発明は、なめらか、かつ高精度に所定の曲率を持つ大型丸封石英ガラス管を高度な熟練度を必要とすることなく、一体的な連続作業で生産性良く、かつ、再現性良く製造し、半導体製造用治具として、強度、寸法性に優れた大型丸封石英ガラス管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】
そこで、本発明者は、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、石英ガラス管端部面と石英ガラス製円板を、両者の中心を合致させて対向配置させ高温火炎で溶着した後、該一体化物を回転させながら被丸封面を高温火炎で加熱すると共に、該石英ガラス管の他端から挿入される気体圧力を調整して、被丸封部面を所定の曲率を持つＲ部とすれば、連続的な簡易な作業で再現性良く、高精度な大型丸封石英ガラス管を製造することが出来るとの知見を得て本発明を完成した。
【００１２】
また、この大型丸封石英ガラス管の製造装置としては、石英ガラス管をその長尺軸を中心として回転させながら支持する回転支持手段と、該石英ガラス管端部面及び石英ガラス製円板若しくは該溶着一体物を加熱軟化させる局所加熱手段と、該溶着一体物内に気体圧力を付与する圧力付与手段と、該溶着一体物の被丸封面を所定の曲率を持つ曲部とするための丸封形状規制手段を備えたものである。
【００１３】
【作用】
石英ガラス管と石英ガラス製円板との溶着は、通常のガラス旋盤を使用して両サイドに回転可能な支持手段で各々を取り付け、回転軸を合わせて溶着時の位置ずれ等が生じないように対向配置する。
【００１４】
石英ガラス製円板は、石英ガラス管端部面の外径と略同径・同厚として両者の中心を合致させて対向配置するか（図２）、または、石英ガラス管内径より若干小さな径・略同厚としてガラス管に嵌挿し（図３）、両者を高温火炎で溶着する。これにより熱伝導差等に起因する丸封部の曲部形成の際の肉厚変動を抑止し熱バランスを保つことができる。なお、丸封部を形成する石英ガラス製円板の板厚は、丸封部面の曲率と指定厚さの関係から、略同厚を原則として適宜調整する。
【００１５】
石英ガラス製円板を溶着した石英ガラス管の溶着端面をガラス管径よりテーパー状に拡径して該拡径部と溶着一体物を加熱し、内圧負荷により外側へ膨出させることが、後述する丸封時に、該溶着面が丸封部中心側へずれこむのを防ぎ、かつ、均一な粘性の可塑領域を保持して丸封面全体の肉厚変動を抑止する上で有効である（図４）。
【００１６】
テーパー状へ拡径しないと、丸封作成時の加熱と内圧により該溶着面が丸封部中心側へずれこむとともに、石英ガラス管の外径ストレート部と丸封面境界部にあたるコーナー部の曲率が所定の曲率に比して小さくなりやすくなり、管ストレート部と丸封部の頂点間距離を測定して、所定の曲率を検知し、フィードバッグする際の誤差を生じる原因ともなる。これは、形状の大きなものほど、また丸封面の所定の曲率半径が小さくなるほど、この傾向が強くなるので、特に大型製品や曲率の小さい丸封部を形成する際にはテーパー状の拡径が有効となる。
【００１７】
テーパー状への拡径は、拡径部を加熱して内圧をかけることにより得られるが、円板溶着前に予め端部の拡径したガラス管を用いてもよい。
【００１８】
石英ガラス製円板の径を石英ガラス管端部面の外径と略同径にするか、若干小さな径とするか、また、拡径部の径については、必要とされる丸封部の曲率によって適宜選択される。
【００１９】
加熱手段は、移動手段を備えた角度調整機構付きの酸水素火炎バーナーを１又は複数個用いるのが好ましく、該石英ガラス管端部面及び石英ガラス製円板若しくは該溶着一体物を、回転支持手段によって支持された石英ガラス管を回転させながら加熱軟化させる。
【００２０】
また、該溶着一体物の他端は、該溶着一体物内に気体圧力を付与する圧力付与手段に連結され、これにより該溶着一体物内を適宜な圧力に調整する。
【００２１】
丸封形状規制手段とは、溶着一体物に対向配置し、ガラス管回転軸上を移動し被丸封面の所定曲率に設定したガイドと（図５、図６）、ガイドを覆い中心部付近から上下に可動する熱線を遮断するための熱遮蔽からなる。
【００２２】
ガイドは、摩耗しないためにもステンレス等の金属製のものが好ましく、ガイド自体概ね求める曲率を有し、被丸封部の曲率を検知・修正する役割を持つもので、図５に示すように上下２分割にして用いることもできる。
【００２３】
曲率差の検知は、無接触にて被丸封面の突出頂点間距離を測定し、ガイドとの差から曲率差を算出したり、モニターに映しだす等して確認し、コンピューター制御により石英ガラス管の内圧や加熱温度をガイドの曲率に沿うように調整、制御を行なって被丸封面を所定の曲率を持つＲ部とするが、求める曲率を有したガイドを接触させて所定曲率とすることもできる。また、当初無接触で丸封部を作成し、Ｒ部形成工程後の最終段階で、ガイドを被丸封面に押圧して最終調整を行うことも、検知による測定誤差を緩和して所定の曲率を得る上で有効である。
【００２４】
熱遮蔽手段としては、平板、曲面、またはこれらを組み合わせた形状のもので、熱線遮蔽効果を有するものが用いられ、ガラス管等との共材で、純度、耐熱性の良い石英ガラス製のものを用いてもよい。熱遮蔽手段を被丸封物と対向配置させることで、バーナーからの熱エネルギーの拡散によるムダな消費を防ぎ、大型製品時による中心部の不溶の原因となる丸封面中心部における高粘性化を防止し効率良く面全体の均熱化を図るとともに、丸封形状規制手段としての金属製等のガイドの劣化をも防止することができる。
【００２５】
本発明の装置は、通常のガラス旋盤装置を容易に改良することによって得られる。
【００２６】
かかる技術手段によれば、ガラス管と円板とを溶着して封じた後、該円板部を膨出させて丸部を形成するので、丸部となる円板の板厚を任意に選択できるとともに、従来技術におけるようなガラス管を縮径して密封の際の肉切れ等の薄肉化を防ぐことが出来る。また、ガラス管と円板の溶着一体物を加熱すればよいので、面全体の均一加熱が可能となり、丸封面の内外周面粘性を略同一条件で所定の曲率を持つ面への加工ができ、溶着一体物の面にかかる内圧負荷を軽減して、円板部膨出による肉厚減から面全体を均一なものにできる。このため丸封部の肉厚変動が非常に少ない大型丸封石英ガラス管の製造を可能にし、また、丸封面自体も人目を引く中心部に管回転軸同心円状の微細な凹凸状痕跡やヘソが残ることもなく、全体にわたって滑らかな優れた平滑面を得ることが出来る。
【００２７】
【効果】
本発明によれば、前述した如く丸封面が滑らかな曲面で形成され、高精度に所定の曲率を持つ大型丸封石英ガラス管が、高度な熟練度を必要とすることなく、ガラス旋盤のような通常的な装置を改良することよって一体的な連続作業で生産性良く、かつ再現性良く製造することが出来る。特に管外径のストレート部長さ及び丸封部の頂点間距離等の制御性も良いことから、縦型半導体熱処理用二重管等の半導体製造用治具として、強度、寸法性に優れた大型丸封石英ガラス管を提供することが出来る。
【００２８】
【実施例】
実施例１
石英ガラスインゴットから通常の製管法により、外径３１４ｍｍ×内径３０５ｍｍ×肉厚４．５ｍｍ×長さ１５００ｍｍの大型石英ガラス管を得た。ガラス旋盤左端の回転支持手段に該石英ガラス管を管の長尺軸を中心として回転するように取り付け、ガラス旋盤右端の回転支持手段に外径３１４ｍｍ×肉厚４．７ｍｍの石英ガラス製円板を円板の中心が対向するガラス管の中心と合致するように設置した。次いで、右端回転支持手段を移動させ酸水素火炎バーナーにより両者を仮溶着し、さらに酸水素火炎バーナーにより本溶着するとともに、内圧を高め、かつ、ガラス管先端部を加熱し、溶着端部面を１５ｍｍにおいて外径が３４４ｍｍとなるようにテーパー状に拡径した。
【００２９】
次に、図６に示すような、ガラス管回転軸上を移動可能な所定の曲率面を持つガイドと、ガイドを覆うように２分割され各々、上下方向に移動可能な熱遮蔽を有する丸封規制手段が取り付けられた右端回転支持手段を管と円板の溶着一体物に所定の距離を有するように対向配置し、溶着一体物面を、管の開口端からの気体による圧力付与手段での内圧（５．０〜５０ｍｂａｒ）をかけながら、バーナー角度を調整しつつ酸水素火炎で加熱し（１８００〜２０００℃）、ガイドで曲率を検知しながら内圧、温度を調整して、所定の曲率を持つＲ部となるように加工した。
【００３０】
実施例２
端部が１５ｍｍにおいて外径が３４４ｍｍとなるようにテーパー状に拡径された外径３１４ｍｍ、内径３０５ｍｍ×肉厚４．５ｍｍ×長さ１５００ｍｍの大型石英ガラス管に外径３３４ｍｍ×肉厚４．７ｍｍの石英ガラス製円板をガラス管拡径部端部に内挿し、実施例１に準じて溶着し、所定の曲率を持つＲ部となるように加工した。
【００３１】
実施例１及び２に準じて大型丸封石英ガラス管を各々５本製造し、丸封面の外観、曲率、肉厚を測定したところ、外観、曲率は全て滑らかな所定の曲率を持つ曲面となっており、肉厚も全て丸封面中心から外縁にいたるまで肉切れすることなく４．３〜４．７ｍｍで十分所定公差を満足する範囲内であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】大型丸封石英ガラス管の製造装置の全体概念図
【図２】石英ガラス管端部面の外径と略同径・同厚の石英ガラス製円板を対向配置した概念図
【図３】石英ガラス製円板を石英ガラス管内径より若干小さな径・略同厚としてのガラス管に嵌挿した概念図
【図４】石英ガラス管の溶着端面をテーパー状に拡径した概念図
【図５】丸封形状規制手段例を示す概念図
【図６】熱遮蔽を有する丸封形状規制手段例を示す概念図
【図７】従来の丸封部を有するガラス管の製造方法を示す図
【図８】従来の丸封部を有するガラス管の成型法を示す図
【符号の説明】
１      大型丸封石英ガラス管の製造装置
２      管
３      板
４      丸封形状規制手段
５      バーナー
６      ガイド
７      熱遮蔽
８      熱線
９      テーパー
１０    圧力付与
【図１】
0003843139.tif 000002
【図２】
0003843139.tif 000003
【図３】
0003843139.tif 000004
【図４】
0003843139.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003843139.tif 000008
【図８】
0003843139.tif 000009