JP3687932B2

JP3687932B2 - 石英ガラス製板材の製造方法

Info

Publication number: JP3687932B2
Application number: JP12251896A
Authority: JP
Inventors: 正人一ノ倉; 友之石井; 龍也露木; 浩人生野; 安雄石川
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: JPH09286621A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、石英ガラス製板材の製造方法に関し、詳しくは、半導体ウエハの製造工程で用いられるフォトマスク等の石英ガラス製板材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハの製造工程では高温状態での処理作業が多く、その製造工程での細部において用いられるフォトマスク等の板状ガラス材にあっても、高温特性に優れたものが要求されている。そのため現在においては、高温特性に優れている石英ガラス製板材がこの役割を担っている。
一般的な石英ガラス製板材は、例えば、四塩化珪素等の珪素塩化物を気化し高温化学反応によりシリカ微粉をスートとして所定のバルク体に堆積して石英ガラスインゴットを製造した後、得られた石英ガラスインゴットをフォトマスク等の角形状に加工して製造される。インゴットを板状体に加工するためには、通常、１９００℃以上の高温下で再溶融して角形状とした後、バンドソー等の切断機を用いて板状に切断する。その後、必要に応じてラッピング等の工具を用いて研削や研磨して仕上げている。石英ガラスは、融点が１９００℃以上と高く、一般の板状ガラスの製造方法として広く用いられているフロート方法やフュージョン方法を用いることができないためである。
【０００３】
また、シリカ系光ファイバー製造用に開発されたスート法、即ちＶＡＤ(vaporphase axial deposition) 法がある。このＶＡＤ法は多重火炎バーナを用い、シリカ微粉を生成して光ファイバー用の円柱棒を形成するものである。例えば、図５に光ファイバー製造用ＶＡＤ法の概略説明図を示す。図５において、酸水素バーナ２０、２０’の上方に、出発棒２１の球底形の先端部ターゲット２２を配置し、出発棒２１を回転しながらその先端部ターゲット２２に、酸水素バーナ２０、２０’で、原料ＳｉＣｌ₄ を火炎加水分解反応により生成するシリカ微粉を吹き付け、出発棒２１を引上げながら先端部ターゲット２２に多孔質シリカ材２３を成長させて、電気炉２４で焼結透明化する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＶＡＤ方法は、光ファイバー用として開発されたこともあり、均一な円柱体を得ることを目的として種々の開発がなされてはいるが、このスート法で板状体を製造することは未だなされていない。また、前記したように、得られた石英ガラスインゴットをフォトマスク等の平板角形状とするため、１９００℃以上の高温下に再溶融する必要があり、エネルギーを大量に使用するため製造コスト的な点で問題となっていた。更に、高温下での成形工程では、使用される治具や炉等から金属不純物元素が飛散するため、石英ガラスインゴットが汚染され、高純度な石英ガラス製板材を得ることが困難であった。この汚染を防止するためには、使用する治具や炉等を金属不純物元素の少ない部材とする必要もあり、生産コストを増大させることになり工業的にはより多くの問題点を有する。更にまた、大きな断面形状を有する石英ガラス製板材を作成する場合には、原材料のインゴットとして大きなものを得る必要もあり、別途大型炉等を要する等の問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記従来の石英ガラス製板材の製造方法での種々の問題点を鑑み、連続的、且つ、直接的に石英ガラス製板材を製造する方法及びその装置の提供を目的とする。また、それにより、従来の複数の成形工程を省略して生産効率を上げ、また、高温下での成形工程を省略してエネルギー使用量を削減すると共に、金属不純物元素による石英ガラス汚染がなく高純度な合成石英ガラス製板材を製造することを目的とする。発明者らは、上記目的のため、光ファイバー製造用に開発されたＶＡＤ法が、比較的簡便な操作及び装置で高純度の石英ガラスを製造することに着目し、ＶＡＤ法を石英ガラス板材の製造に適用するために鋭意検討した。その結果、その基本的な原理を用いつつ、板材とするための必要な条件を見出し本発明を完成した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、酸水素炎により原料珪素化合物を加水分解して生成するシリカ微粉のスートを堆積させ石英ガラス材を製造する方法であって、（１）回転ローラ表面上にスートを層状に堆積させるスート層形成工程、（２）前記スート層形成工程で所定厚さに形成されたスート層を平板状にローラ表面から剥離するスート層剥離工程、及び（３）前記スート層剥離工程からの平板状スート層を焼結・透明化して石英ガラス板状体とする焼結・透明化工程を有することを特徴とする石英ガラス製板材の製造方法が提供される。本発明の石英ガラス製板材の製造方法において、スート層形成工程で形成される初期形成スート層が加熱されて高密度化されると共に、前記スート層剥離工程ではスート層表面が加熱され高密度化されて、同時にスート層が剥離することが好ましい。
【０００７】
本発明の石英ガラス製板材の製造方法は上記のように構成され、所定幅の回転ローラ上に層状にシリカ微粉のスート層を形成し、スート層を平坦状態で剥離するため、平板状のスート層を得ることから、そのスート層を平板状を保持して加熱して焼結・透明化することにより平板状の石英ガラスとすることができる。従って、所定の厚さ、所定の幅及び所定の長さの石英ガラス製板材を製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。但し、本発明は下記実施形態に制限されるものではない。図１は本発明の石英ガラス製板材の製造方法を実施するための装置の一例の斜視説明図であり、図２はその断面説明図である。また、図３は加熱焼結炉の概略断面説明図である。
図１及び図２において、第１工程であるスート形成部は、低速で所定方向（図面では矢印で示した）に回転する主ローラ１、その主ローラ１の下部に配置した同心円状の多重管バーナ２、主ローラ１の外表面に接するように多重管バーナ２から流出するガスにより形成される火炎３、火炎先端部から主ローラ１が回転した位置に対応して主ローラ１表面を加熱して低温の火炎先端部で形成される低密度スート層上に形成される最終的に中間スート層となる中密度スート層４を緻密にして高密度化するヒータ５が設置されている。
また、主ローラ１の上方部には、バーナ２のガス流出口とその吸入口６とが、ローラ表面を中心に対向するように配設される排気装置７が設けられている。上記のようにセットされて、多重管バーナ２は図２に矢印で示すように主ローラの回転軸との平行線上を左右に往復移動して、ローラ表面上を火炎３が複数回往復してスート層の厚みを増大させながら、堆積スートを加熱して内側層が高密度で表面層が中密度のスート層を形成させる。
また、主ローラ１は、表面に堆積するスート層の純度を高め、かつ、耐熱性に優れる石英ガラス製が好ましい。また通常、熱変形を防止するため内部に冷却手段を設けることが好ましい。冷却手段としては、空冷あるいは水冷等の公知の各種冷却方式が採用できる。更に、堆積したスート層の剥離を円滑に行うため、主ローラ１の表面にはショットブラスト等の処理を施すことが好ましい。
【００１２】
第２工程であるスート層剥離部は、主ローラ１が回転し、主ローラ１の外周部がほぼ水平方向となる位置に対応してその下方に設けられたヒータ６により形成される。即ち、所定の厚さに形成されたスート層は、主ローラ１の回転に伴い火炎３に接する領域から外れ、その表面スートは充分に加熱されていないため中密度表面層を有する中密度表面スート層８となり、中密度表面スート層８はヒータ９により加熱され表面外側層が緻密となると同時に熱収縮し、主ローラ１の回転と逆方向の力が働き堆積形成されたスート層が主ローラ１上から剥離される。
【００１３】
剥離されたスート層は、次いで第３工程である焼結・透明化部に送られる。焼結・透明化部において、剥離されたスート層が、加熱焼結炉１０を通過しながら上下に配設されたヒータ１１、１１により加熱焼結され透明な石英ガラスとなる。この場合、図３に示すように加熱焼結炉１０の下部に設けたガス導入口１２よりヘリウム等の不活性ガスを導入しスート層導入口から排気させるようにして炉内を流通させて、炉内を不活性ガス雰囲気とする。加熱焼結炉１０は、上記ヒータ８が設けられる主ローラ１の外周部の接線方向に設けられ、剥離したスート層が加熱焼結炉１０に自動的に誘導されるようにすることが好ましい。また、スタート時は、要すれば、例えば石英等耐熱性に優れた耐熱性板または棒状体（図示せず）で支持しスート剥離部から加熱焼結炉出口まで誘導するようにしてもよい。スート層は、加熱焼結炉１０で石英ガラス化され送出されて、次いで、搬送手段の耐熱性ローラ１３により搬送される。耐熱性ローラ１３は、加熱焼結炉１０の後方に設置され、主ローラ１の回転と同期して回転するようにすることにより、剥離スートを、順次、円滑且つ連続的に加熱焼結炉１０を経て平板状の透明な石英ガラス板として搬送することができる。
【００１４】
次ぎに、上記のように構成された石英ガラス製板材の製造装置を用い石英ガラス製板材の製造について説明する。
上記装置において、酸水素炎を形成しシリカ微粉を生成しスートを主ローラ１に付着させる多重管バーナ２として、例えば、４重管の同心円環状酸水素バーナを用い、最内管より原料ガスとして四塩化珪素等の珪素化合物を、その外側の２つの円環状管より熱源ガスの酸素ガス及び水素ガスを流出する。また、最外円環状管からはセパレートガスとして不活性ガスを流出して高温からバーナ本体を保護する。多重管バーナ２で形成される酸水素火炎中において、原料ガス珪素化合物は加水分解されシリカ微粉が生成され、火炎と接する主ローラ１の表面にはシリカ微粉のスートが堆積してスート層が形成される。この場合、主ローラ１の回転は、形成される酸水素火炎の先端方向と逆方向に回転するようにし、主ローラ１の表面が所定時間火炎に接するようにすると共に、回転速度も非常にゆっくり、例えば０．５〜２ｒｐｍとすることにより、通常、５〜３０ｍｍの所定厚さのスート層を得ることができる。主ローラ１の回転速度は、主ローラの径及びバーナの原料供給量、得ようとする透明石英ガラス板の板厚によって適宜選択することができる。
また、多重管バーナ２は、燃料及び原料ガスの流出を開始すると同時に、主ローラ１表面の軸方向のスート堆積量を均一にするため、主ローラ１の回転軸との平行線上を往復移動させる。この往復移動により、主ローラ１の軸方向の長さが酸水素炎幅よりも広い場合であっても、主ローラ１表面全域に均一な厚さのスート層を形成することができる。多重管バーナ２の往復移動速度及びバーナ火炎流量は、主ローラ１の回転速度を勘案し、所望するスート層の厚み等により適宜選択することができる。
【００１５】
上記のようにして多重管バーナ２の酸水素炎で形成されるスート層は、先ず、火炎温度が比較的低い火炎先端と接する主ローラ１の回転軸より上方の表面にスートが堆積する。この酸水素炎先端で堆積するスートは、最終的なスート層の最内層となる。この場合、低温で形成されるスート層は、緻密化されず低密度層となり、主ローラ１の回転と共に、その上に更にスートが堆積されることになる。低密度スート層上に堆積するスートは、高温火炎下を通過すると共に火炎にも接近するため、最内層を形成する低密度スート層より高密度で中密度スート層が形成される。主ローラ１の回転と共に、この中密度スート層上にも、更にスートが同様に中密度で堆積する。しかし、低密度スートの最内層上に所定厚みの中密度スート層が形成された場合、本発明の加熱処理して表面スート層の高密度化に伴う熱収縮による剥離が円滑に行うことができない。中間部に中密度層が存在するために中間部から剥離されるおそれがあるためである。
本発明においては、最終的スート層の剥離を加熱処理で簡便に行うために、低密度の最内側スート層上に形成され最終的に低密度の最内層上の中間層となる中密度スート層を高密度化すると共に、外側層をそれより低密度の中密度層に保持する。そのため、上記したように低温の火炎先端部で主ローラ１の表面に初期形成された低密度スート層上に形成される中密度層４をヒータ５で、通常約９００℃以上、好ましくは約１１００〜１４００℃に加熱して中密度層を高密度化する。この加熱温度が９００℃未満であると高密度化されず、また、剥離後のスート層の反り等の変形を生じるおそれがあり好ましくない。更に、主ローラ１が回転し、高密度化したスート層上に、更に、中密度スート層が形成される。本発明において、主ローラ１表面に形成される最終的スート層は、低密度の最内スート層、高密度の中間スート層及び中密度の外側層の３層構造となり、例えば、最終的なスート層の厚さが約５〜３０ｍｍとして、低密度の最内層が約１〜１５ｍｍ、高密度の中間層は約１〜１５ｍｍ、剥離時に加熱処理され高密度化される表面の外側層が約１〜８ｍｍとなるようにする。
【００１６】
所定の厚さとなった上記３層からなるスート層は、主ローラ１表面に形成保持された状態で主ローラ１の下部まで搬送され、主ローラ１の下方に設けたヒータ８により、スート層表面温度が約１０００〜１３００℃となるように加熱する。この加熱温度は、表面層の高密度化と剥離を行い易くするためであり、また、剥離による変形の際の破損等を防止するためである。１０００℃未満では緻密化されにくく、また、破損防止できない。一方、１３００℃を超えると実用的でなく、また、収縮が大きくなると層間で分離するおそれがあるためである。ヒータ８により加熱された中密度の外側スート層は、緻密化され高密度層となると同時に、熱収縮して矢印ｘ方向への力が働くことになり、主ローラ１からスート層が平板状に剥離される。剥離されたスート層は、次いで加熱焼結炉１０に送入され、上下ヒータ１１、１１により約１４００〜１６００℃の温度に保持され、不活性ガス雰囲気下の炉内を通過して、シリカ微粉で形成される平板状のスート層が加熱焼結されて、透明にガラス化され石英ガラス平板が形成される。加熱炉１０から搬送された石英ガラス平板は、耐熱性ローラ１３の搬送先に設置するダイアモンドカッター等の切断機（図示せず）により切断し、任意の長さの石英ガラス製板材とすることができる。
【００１７】
図４は、本発明の石英ガラス製板材の製造方法を実施するための装置の他の態様の装置の斜視説明図である。図４において、２本の多重管バーナ２、２'を配設する以外は図１の装置と同様である。２本の多重管バーナ２、２'を用いることにより、主ローラ１の回転速度及びバーナ２の往復移動速度を上げて、製造効率を向上することができる。また、本発明の石英ガラス製板材の製造装置は、多重管バーナの配設本数は１〜２本に限定することなく、主ローラ１の回転速度等に合わせて適宜本数を選択することができる。
【００１８】
本発明の石英ガラス製板材の製造は上記のように構成され、基本的に酸水素炎により原料珪素化合物を加水分解して生成するシリカ微粉のスートを堆積させ石英ガラス材を製造するものであり、スート層形成の第１工程、スート層剥離の第２工程及びスート層を焼結・透明化する第３工程の３つの工程により構成され、従来法のスートを先ずインゴットに製造し、その後、インゴットの溶融、成形、切断等の独立した各種工程を経由する方法とは異なり、石英ガラス製板材を連続して直接的に製造することができる。従って、高温下での成形工程も省略できることから、使用エネルギー量が削減できると共に、使用治具や炉等からの金属元素等の不純物汚染のおそれもなく、高純度な石英ガラス製板材を簡便に得ることができる。
【００１９】
【実施例】
本発明について実施例に基づき、更に詳細に説明する。なお、本実施例では、図１及び２に示した石英ガラス製板材の製造装置と同様な装置を用い、下記するように各種操作条件を変化させて石英ガラス板材を製造した。
実施例１
原料ガスとして四塩化珪素を５０ｇ／分、燃料ガスとして水素ガス１００リットル／分及び酸素ガス５０リットル／分、セパレートガスとしてアルゴンガス１０リットル／分を４重円環状バーナ２から流出すると共に、バーナ２の左右往復移動速度を４００ｍｍ／分、ヒータ５の温度を９５０℃として、主ローラ１の回転速度を５ｍｍ／分（周速）として、主ローラ１表面に幅３００ｍｍ、厚さ約１０ｍｍのスート層を生成した。主ローラ１の表面に形成したスート層は、主ローラ１に保持され下部まで回転されてヒータ９で１２００℃に加熱され主ローラ１から剥離され、その後、ゾーンシンター炉１０に導入、通過させて幅１５０ｍｍ、厚さ約５ｍｍの石英ガラス製平板が約２．５ｍｍ／分で耐熱ローラ１３に送出された。ゾーンシンター炉１０は、１４５０℃に維持し、ガス導入口１２からヘリウムガスを５リットル／分で供給して内部はヘリウム雰囲気とした。得られた石英ガラス板は、平滑なガラス表面を有する良好なものであった。
【００２０】
実施例２
主ローラ１の回転速度を８ｍｍ／分（周速）、ヒータ５の温度を９５０℃とした以外は実施例１と同様に幅３００ｍｍ、厚さ約６ｍｍのスート層を形成した。また、ヒータ９の温度を１１００℃、ゾーンシンター炉１０の温度を１４００℃とした以外は実施例１と同様に幅１５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの石英ガラス平板を得た。得られた石英ガラス板は平滑なガラス表面を有する良好なものであった。
【００２１】
比較例１〜３
ヒータ５の温度を８００℃とした以外は実施例２と同様にして、幅３００ｍｍ、厚さ６ｍｍのスート層を形成したが、剥離後にスート層が反り、平板が得られなかった（比較例１）。
ヒータ５の温度を１２００℃とした以外は実施例２と同様にして、幅３００ｍｍ、厚さ６ｍｍのスート層を形成しようとしたが、スート層生成中に主ローラ１からスート層が剥離してしまった（比較例２）。
主ローラ１の表面をファイヤポリッシュにより平滑化し、ヒータ５の温度を９００℃とした以外は実施例２と同様にして、幅３００ｍｍ、厚さ６ｍｍのスート層を形成したが、ヒータ９の剥離部でスート層の剥離に偏りができ安定して石英ガラス板を得られなかった（比較例３）。
【００２２】
上記実施例及び比較例より明らかなように、所定に中間スート層が高密度化され、また、中密度の外側スート層が所定に加熱されて熱収縮されることによりスート層形成のローラ表面から円滑に平板状に剥離されて、焼結・透明化され石英ガラス平板が得られることが分かる。一方、比較例１のようにヒータ５の温度が８００℃と低いため十分に加熱できず、中間スート層が充分に高密度化されず、一方、ヒータ９の剥離部では１１００℃で加熱したため、外側層が高密度層となり熱収縮してしまい、外側層とその内側の中間層が共に高密度層とならないことにより、両層のバランスが崩れて剥離したスート層に反りが発生することが分かる。また、比較例２のようにヒータ５の温度が１２００℃と高い場合には、中間スート層が極度に高密度化されるため熱収縮が激しすぎ、スート形成の主ローラ１の表面から剥離することが分かる。従って、均一な石英ガラス板状体を作成するためには、中間スート層の高密度化のための加熱が重要であることが分かる。更に、ローラ表面が平滑過ぎるとスートの付着がばらつき均一なスート層が得られないことも分かった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る石英ガラス製板材の製造方法は、ＶＡＤ法を改良することによって、半導体ウエーハの製造工程で用いられるフォトマスク等の石英ガラス製板材を、直接的に連続して簡便に製造することができる。また、従来の高温下での成形工程を省略することができるため、使用するエネルギー量を削減することができ、工業的製造コストを低減できると共に、使用治具や炉等による金属元素等不純物の拡散による石英ガラスへの汚染もなく、高純度の石英ガラス板材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英ガラス製板材の製造方法を実施するための装置の一例の斜視説明図
【図２】図１の石英ガラス製板材の製造装置の断面説明図
【図３】加熱焼結炉の概略断面説明図
【図４】本発明の石英ガラス製板材の製造方法を実施するための装置の他の態様の斜視説明図
【図５】光ファイバー製造用ＶＡＤ法の概略説明図
【符号の説明】
１主ローラ
２多重管バーナ
３火炎
４中密度スート層
５高密度化用ヒータ
６吸入口
７排気装置
８中密度表面スート層
９剥離用ヒータ
１０加熱焼結炉
１１ヒータ
１２ガス導入口
１３耐熱ローラ
２０、２０’ 酸水素バーナ
２１出発棒
２２先端部ターゲット
２３多孔質シリカ材
２４電気炉

Claims

酸水素炎により原料珪素化合物を加水分解して生成するシリカ微粉のスートを堆積させ石英ガラス材を製造する方法であって、（１）回転ローラ表面上にスートを層上に堆積させるスート層形成工程、（２）前記スート層形成工程で所定厚さに形成されたスート層を平板状にローラ表面から剥離するスート層剥離工程、及び（３）前記スート層剥離工程からの平板状スート層を焼結・透明化して石英ガラス板状体とする焼結・透明化工程を有することを特徴とする石英ガラス製板材の製造方法。
前記スート層形成工程において初期形成スート層が加熱され高密度化されると共に、前記スート層剥離工程においてスート層表面が加熱され高密度化されると同時にスート層が剥離されてなる請求項１記載の石英ガラス製板材の製造方法。