(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面円筒状のカーボン製鋳型に、該鋳型の内径より僅かに小径の第一のガラス管とこの第一のガラス管よりも小径の第二のガラス管を同心円状に配置し、前記第二のガラス管内にその全長にわたってカーボン支持棒を設置したのち、第一のガラス管と第二のガラス管の間に石英粉を充填し、それを減圧下で下部から上方に順に加熱溶融することを特徴とするシリンダー状石英ガラスの製造方法。
【請求項２】
加熱溶融を充填石英粉の下部が上部より少なくとも３０℃高い温度に維持しながら行うことを特徴とする請求項１記載のシリンダー状石英ガラスの製造方法。
【請求項３】
真空下での加熱溶融を石英粉の溶融温度まで行ったのち該温度から降温することなく、不活性ガスを導入し０．５〜３気圧の加圧下で行うことを特徴とする請求項１記載のシリンダー状石英ガラスの製造方法。
【請求項４】
ガラス管のＯＨ基濃度が３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のシリンダー状石英ガラスの製造方法。
【請求項５】
石英粉が結晶質石英粉であってその粒度が５０〜３００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載のシリンダー状石英ガラスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、任意の口径のシリンダー状石英ガラスの製造方法、さらに詳しくは半導体製品の製造工程で用いる石英ガラス治具の形成に好適な気泡がなくＯＨ基濃度が低く高温粘性が高い、任意の口径のシリンダー状石英ガラスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、石英ガラスは高純度で、しかも耐熱性に優れているところから半導体ウエハーの処理工程で使用される石英ガラス治具用素材として使用されてきた。近年、前記半導体ウエハーの処理に使用する石英ガラス治具が肉厚の部材を多く使用するようになり、それを作成するむく棒、管或は板は酸水素火炎中に石英粉を供給しながら溶融堆積させるいわゆるベルヌイ法で製造されていたが、製造時間が長くかかりコスト高になるといった欠点があった。そこで、大型化が可能で、かつ水酸基濃度が低く高温粘度の高い石英ガラスの製造方法である、カーボン製鋳型に石英粉を充填しそれを電気炉を用いて加熱溶融する製造方法（以下カーボン鋳型法という）が提案された。しかし前記製造方法では石英粉がガラス化する前にカーボン製鋳型内表面と充填石英粉の接触部分で熱反応が始まり、それが一定の深さまで進行して石英ガラスの外表面に荒れを作ったり、或は前記熱反応で発生した汚染ガスが充填石英粉の隙間を通って内部に移動し石英ガラスの外層部を汚染したりして製品の歩留を低くするといった問題点があった。また、前記製造方法で比較的大口径のシリンダー状石英ガラスを製造する場合、石英粉層の外周部に比べ中心部の加熱溶融が遅いため、充填石英粉の外周部で発生したガスが中心部分に移動しそのまま気泡として残存し気泡含有石英ガラスが得られるという問題もあった。前記気泡の発生の問題を解決するため溶融時にあるいは溶融後に加圧下で再度加熱する方法が、例えば特開昭４８−３６２１４号公報、特公昭５６−５６９５号公報等で提案されている。しかしながら、前記公報記載の方法では高圧を必要とするところから炉の構築費用が増大し製造コストを押し上げるといった欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした現状に鑑み、本発明者等は、半導体処理治具等の製造に有用な石英ガラスを生産性高く製造する方法について鋭意研究を続けた結果、カーボン鋳型法による石英ガラスの外表面の荒れや外層部の汚染が、カーボン製鋳型と石英粉との熱反応に起因し、その熱反応がカーボン製鋳型と石英粉との接触面積の増大で加速されることがわかった。そして前記外表面の荒れや外層部の汚染がカーボン製鋳型の内周壁と充填石英粉との間にガラス層を介在させカーボン製鋳型と石英粉を直接接触させないとともに、充填石英粉中に含有する気体を充分排気しながら加熱溶融することで解決すること、また石英ガラス中心部への気泡の集中化は、充填石英粉の外周部と中心部とで溶融に時間差があり、外側が加熱され溶融されても中心部が未溶融の状態であり、外側で発生したガスが石英粉充填層を通って中心部に移行し、そこに取り残されたり、或は石英粉層の内部の溶融で発生したガスが熱により上昇しようとしても上部が既にガラス化されていて気体の逃げ場がなくなりそのまま残留することが原因であることもわかった。前記欠点は、石英粉の加熱を外側と同時に中心部からも行うことで解決できること、を見出した。こうした知見に基づいて本発明は完成したものである。すなわち、
【０００４】
本発明は、気泡がなく、外表面の荒れや外層部の汚染の少ないシリンダー状透明石英ガラスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、任意の口径の透明なシリンダー状石英ガラスを生産性よく製造する方法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】
上記目的を達成する本発明は、内面円筒状のカーボン製鋳型に、該鋳型の内径より僅かに小径の第一のガラス管とこの第一のガラス管よりも小径の第二のガラス管を同心円上に配置し、かつ該第二のガラス管内にその全長にわたってカーボン支持棒を設置し、第一のガラス管と第二のガラス管の間に石英粉を充填し、減圧下に下部から上方に順に溶融するシリンダー状石英ガラスの製造方法に係る。
【０００７】
本発明で使用する石英粉としては半導体治具においては高温粘性に優れ、かつ高純度であることが要求されるところから精製した高純度の結晶質石英粉が好ましい。前記結晶質石英粉としては例えば水晶、珪砂、珪石などを粉砕して得られた粉体を挙げることができるが、特に水晶粉がよい。前記石英粉はその粒度が５０〜３００μｍの範囲のものがよい。粒度が５０μｍ未満では石英粉の溶融が速くなり、気泡の含有を助長して好ましくなく、また粒度が３００μｍを超えると均一なガラス化が困難となる。
【０００８】
本発明においてカーボン製鋳型内に大小径のガラス管を配置し該ガラス管の間に石英粉を充填した概略図を図１に示す。また、そのＡーＡ線水平断面図を図２に示す。図１、２において、１はカーボン製鋳型、２、４はガラス管、３は石英粉、５はカーボン支持棒、６はガラス底板である。本発明の製造方法では、図１の内面円筒状カーボン製鋳型１に該鋳型の径より僅かに小径の第一のガラス管２を配置し、さらにそれより小径の第二のガラス管４を同心円上に配置するととともに内側のガラス管４の中に全長に亙ってカーボン支持棒５を設置し、前記ガラス管２、４の間に石英粉３を充填したのち、カーボン鋳型全体を電気炉内（図示せず）に移送し、充填石英粉中の気体を真空で排気しながら加熱溶融するシリンダー状石英ガラスの製造方法である。前記製造方法で使用するガラス管及びガラス底板は、透明ガラスである必要がないが、好ましくは透明な石英ガラスであるのがよい。前記石英ガラスを使用することにより管又は該管と底板とが石英粉から形成された石英ガラスと一体となったシリンダー状石英ガラスが製造でき作業効率がよい。前記ガラス管及び底板の純度は原料の石英粉と同程度とし、かつ含有されるＯＨ基濃度を３０ｐｐｍ以下とするのがよい。前記ＯＨ基濃度のガラス管及び底板を使用することにより真空下での加熱溶融中にガラス管中のＯＨ基濃度が低下し、最後には石英粉から得られたシリンダー状石英ガラスとガラス管との境界が判別できない程度まで減少する。前記カーボン鋳型内の充填石英粉層はカーボン製鋳型とシリンダー状の下端部での接触か、または完全な遮断であるところから、カーボン製鋳型と石英粉との熱反応で発生するガスがほとんどなくなる上に、発生したガスが充填石英粉に移行するのが緻密なガラス層で阻止され、シリンダー状石英ガラス表面の荒れや汚染がなくなる。また、充填石英粉は内側のガラス管４の内側からもカーボン支持棒で加熱されるところから、充填石英の溶融に差がなく、しかも真空下で加熱するためガスの発生があっても容易に除去され気泡のない透明なシリンダー状石英ガラスが得られる。前記減圧の程度によっては気泡を含有することが起こる。そのため前記減圧をコントロールすることで気泡入りシリンダー状石英ガラスを製造することもできる。
【０００９】
本発明の製造方法における石英粉の加熱溶融条件は、
室温から１６００℃まで              ２００〜６００℃／時間
１６００℃〜石英粉の溶融温度まで    １０〜１００℃／時間
の昇温速度で、充填石英粉層の厚さ５ｃｍ当たり少なくとも３０分の時間を要して加熱し、充填石英粉内の気体を排気しながら、好ましくは充填石英粉層の下部が上方より高く、より好ましくは下部が上方より３０℃高い温度に保持した状態で加熱溶融することからなる。前記加熱溶後少なくとも２時間、好ましくは３〜５時間前記溶融温度に保持するとともに不活性ガスを導入し真空破壊し、０．５〜３気圧の加圧下にするのがよい。前記溶融条件を採ることにより大型のシリンダー状石英ガラスであっても、その内部に気泡を含有することのない透明なシリンダ状石英ガラスが得られる。
【００１０】
【発明の実施の態様】
次に具体例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はそれにより限定されるものではない。
【００１１】
【実施例】
実施例１
内径１５５ｍｍ、長さ５００ｍｍの内面円筒状のカーボン製鋳型１に、外径１５４ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ５００ｍｍの第一の透明ガラス管２（ＯＨ基濃度２８ｐｐｍ、総金属不純物＜２５ｐｐｍ）及び外径６０ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ５００ｍｍの第二の透明石英ガラス管４を同心円状に配置し、かつ前記第二の透明石英ガラス管４内にその全長に亙ってカーボン支持棒５を配置したのち、第一の透明ガラス管２と第二の透明石英ガラス管４の間に結晶質石英粉３（総金属不純物＜３０ｐｐｍ、粒度分布６０〜２８０μｍ、平均粒径１８０μｍ）を振動を与えながら充填し、高さ約４７０ｍｍに詰めた。前記充填物の密度は約１．４５ｇ／ｃｍ3であった。
【００１２】
上記カーボン製鋳型全体を真空炉内にセットし１×１０-4ｍｍＨｇ以下の真空度まで排気した後、昇温を開始した。加熱源としてはカーボン鋳型の下端部近くに設置したカーボン抵抗ヒーターを使用し、ヒーター直上及び充填層上端部の温度を熱電対で測定し、両者の温度差が５０〜６０℃となるように制御しながら加熱昇温した。前記昇温条件は以下のとおりである。
室温〜１６００℃                    ４時間（４００℃／時間）
１６００℃〜１７８０℃              ３時間（６０℃／時間）
１７８０℃保持                      ３時間
【００１３】
上記加熱昇温において、１７８０℃に２時間保持したのち、窒素ガスで炉内の真空を破壊し、大気圧に戻し、溶融・徐冷終了まで大気圧下を維持した。前記溶融に至るまでの平均加熱時間は結晶石英粉の充填厚さ４７０ｍｍに対し７時間であり、厚さ５ｃｍ当たり４４分の加熱時間が維持された。冷却後取り出された透明石英ガラスには気泡がなく透明なシリンダー状の石英ガラスであった。前記シリンダー状石英ガラスをその表面から約１ｍｍまで研削したところ通常のガラス表面が現れ、その部分をサンプル抽出し純度を測定したところ内部の純度と変わらなかった。また、カーボン製鋳型に損耗が目視できなかった。
【００１４】
比較例１
実施例１と同様なカーボン筒を用い、結晶質石英粉を充填し、石英ガラス管の挿入なしで実施例１と同様な条件で溶融ガラス化した。投入石英粉の量は１２ｋｇでその充填密度は約１．４５ｇ／ｃｍ3であったが、得られた石英ガラスには直径０．５〜１ｍｍ程度の気泡が残るとともに石英ガラス表面に荒れや汚染があった。また、カーボン製鋳型の損耗が著しいことが目視で観察された。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、カーボン鋳型に口径の異なるガラス管を配置し、該ガラス管の間に石英粉を充填し加熱溶融することで気泡がなく、外表面の荒れや外層部の汚染のない透明な任意の大きさのシリンダー状石英ガラスを生産性高く製造できる。得られたシリンダー状石英ガラスは、高純度で、高温粘性が高く半導体処理治具用素材として好適なものである。また、本発明の製造方法においてはカーボン製鋳型が石英粉と直接接触することがないのでカーボン製鋳型の損耗が少なくカーボン製鋳型を長く使用できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の製造方法におけるカーボン製鋳型にガラス管及びガラス底板を配置し、石英粉を充填したときの概略図を示す。
【図２】図２は、図１のＡーＡ線水平断面図である。
【符号の説明】
１  カーボン製鋳型
２、４  ガラス管
３  石英粉
５  カーボン支持棒
６  ガラス底板
【図１】
0003770566.tif 000002
【図２】
0003770566.tif 000003