JPH01215728A - 石英ガラスの製造方法 - Google Patents

石英ガラスの製造方法

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JPH01215728A
JPH01215728A JP3904488A JP3904488A JPH01215728A JP H01215728 A JPH01215728 A JP H01215728A JP 3904488 A JP3904488 A JP 3904488A JP 3904488 A JP3904488 A JP 3904488A JP H01215728 A JPH01215728 A JP H01215728A
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Toshiyuki Kato
俊幸 加藤
Akira Fujinoki
朗 藤ノ木
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Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C1/00—Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels
    • C03C1/006—Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels to produce glass through wet route
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00—Other methods of shaping glass
    • C03B19/12—Other methods of shaping glass by liquid-phase reaction processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2201/00—Type of glass produced
    • C03B2201/06—Doped silica-based glasses
    • C03B2201/30—Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi
    • C03B2201/50—Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi doped with alkali metals

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は石英ガラスの製造方法、特には実質的に泡およ
びOH基を含まないことからレンズ、プリズマなどの光
学器機用、半導体工業用のルツボ、炉芯管などに有用と
される石英ガラスをゾルゲル法で製造する方法に関する
ものである。
(従来の技術とその解決すべき問題点)石英ガラスの製
造方法については、アルキルシリケートをエタノールな
どの有機溶剤に溶解し。
塩酸などの酸性触媒またはアンモニアなどの塩基性触媒
の存在下で加水分解してシリカゾルを作り。
これを脱水、縮合してシリカゲルとし、ついで乾燥焼成
して石英ガラスとする方法がいわゆるゾル−ゲル法とし
て知られている。
しかし、この方法で得られる石英ガラスは微細な泡を含
んだものになり易く、かつはOH基を500〜1,0O
OPP■含むものであるために泡の存在を嫌う光学用途
、耐熱性の要求される半導体工業用には適さないという
品質上の問題があるため、これについては特別に脱泡処
理、脱OH処理を行なう必要がある。
しかして、この脱泡処理についてはゾルゲル法で得られ
た乾燥ゲルをヘリウムガス雰囲気中で熱処理する方法が
知られており、脱OH処理についてはこの乾燥ゲルを塩
素ガス雰囲気中で800℃以上に熱処理する方法が行わ
れているが、この脱泡処理と脱OH処理を同時に行なお
うとすると複雑かつ精密な工程管理が必要とされるし、
この脱OH処理には有毒ガスである塩素を高温で取扱う
ものであることから作業的、装置的に厳しい安全管理が
要求されるし、廃ガス処理設備などの付帯設備が必要と
されるという不利がある。
他方、実質的に気泡およびOH基を有しない石英ガラス
の製造については四塩化けい素などのハロゲン化けい素
を酸化して得た二酸化けい素粉をアルカリ金属塩などの
結晶化促進剤の存在下に熱処理してクリストバライトの
焼結体を作り、ついでこれを減圧下に高温処理して脱ア
ルカリと共にこの焼結体をガラス化して石英ガラスとす
る方法が知られており(特開昭61−58823号、同
61−58824号、同61−58832号、同61−
63537号、同62−30633号、同62−306
34号各公報参照)、これによれば比較的容易に気泡お
よびOH基を含まない石英ガラスを得ることができるけ
れども、この方法では出発原料が二酸化けい素粉末とさ
れており、この二酸化けい素粉末に対する結晶化促進剤
の添加が結晶化促進剤溶液の含浸によって行なわれるた
めに、この結晶化促進剤の二酸化けい素粉末に対する濃
度が二酸化けい素粉末の粒径によって異なり、必然的に
そのクリストバライト化にむらが生じるし、このクリス
トバライト化が粒子単位で進むために得られるクリスト
バライトが粒径の大きいものとなり、この焼結体を冷却
するときに220〜275℃におけるβ相→α相への相
転移時における体積変化に伴なう歪によってクラックが
入るという不利があるので、これには焼結で得たクリス
トバライトをその相移転温度以上に保ったまへでつぎの
工程に移す必要があるという工業的な欠点がある。
(発明の構成) 本発明はこのような不利を解決した石英ガラスの製造方
法に関するものであり、これはアルキルシリケートを加
水分解して得たゾルに、このゾルに均一に溶解する結晶
化促進剤を添加してからゲル化し、このゲルを乾燥後熱
処理してクリストバライトの緻密な焼結体とし、ついで
この焼結体を真空中あるいは不活性ガス雰囲気下で加熱
して透明ガラス化することを特徴とするものである。
すなわち、本発明者らは実質的に気泡およびOH基を含
有しない石英ガラスをゾルゲル法で製造する方法につい
て種々検討した結果、結晶化促進剤を溶液とし、これを
石英ガラスの前駆体であるアルキルシリケートの加水分
解で得られるゾルに添加すると結晶化促進剤を極めて容
易にかつ完全にゾル中に均一に添加することができるの
で、これをゲル化させたものを乾燥後熱処理すると結晶
化促進剤が分子レベルで均一に分散された、均一で緻密
なりリストパライト焼結体が得られること、このクリス
トバライトが非常に細かい緻密な焼結体として得られる
のでこのものはβ相→α相への相転移時にもクラック発
生で割れることがなくなり、室温まで冷却しても安定で
あること、またこのクリストバライト焼結体を真空中ま
たは不活性ガス雰囲気下で加熱すると石英ガラスにとっ
ては不純物である結晶化促進剤はこの熱処理で完全に除
去することができるほか、気泡も発生せず、OH基もな
くすることができるということを見出した。
以下に本発明の各工程をさらに詳細に説明する。
本発明の方法はまずアルキルシリケートを加水分解して
ゾルを作るのであるが、これは公知の方法で行えばよく
、シたがってこれはアルキルシリケート、例えばテトラ
メトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプ
ロポキシシラン、テトラブトキシシランなどのけい酸エ
ステル1モルに水4〜20モルと有機溶剤、例えばメタ
ノール。
エタノールなどのアルコール類を添加し、これに酸性触
媒としての塩酸、硝酸などまたは塩基性触媒としてのア
ンモニア水、ホルムアミドなどを1/100〜1モル加
え、室温で加水分解させればよい。
本発明の方法ではこのようにしてアルキルシリケートの
加水分解で得られたゾルに結晶化促進剤を添加するので
あるが、この結晶化促進剤の添加はこれを溶液状にして
ゾルに添加すればよい。この結晶化促進剤としてはアル
カリ金属のように蒸気圧の高い金属の化合物1例えばそ
の塩化物、水酸化物、酸化物、アルコキシドなどで上記
したアルキルシリケート、水、アルコールなどの有機溶
剤に可溶なものから選択すればよく、したがってこれに
は塩化ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸水素ナトリ
ウムなどが例示されるが、これらは1〜10%程度の水
溶液として使用すればよい。
また、この結晶化促進剤の添加量は例えば前記した特開
昭61−58823号公報に開示されている発明ではN
a成分として100〜2.OOOppmの添加が必要と
されているけれども1本発明の方法ではこれがアルキル
シリケートのゾルに溶液で均一に添加されるのでこれよ
り少量の5〜90ppm、例えば20ppmでよく、こ
れによってアルキルシリケートの加水分解で得られたゾ
ルは必要にして充分な量な結晶化促進剤を含んだものと
される。
本発明の方法はこのようにして得られた結晶化促進剤を
含んだゾルをゲル化し、ついで焼結してクリストバライ
トとするのであるが、このゲルは公知の方法にしたがっ
てこのゾルに塩酸、硝酸などの酸性触媒またはアンモニ
ア水、ホルムアミドなどの塩基性触媒を添加すればよく
、これら触媒の添加量はゾルに対し1〜100%添加す
ればよく、ゲル化はこの触媒添加後、室温放置すること
によって容易に行なわせることができる。このようにし
て得たゲルは50〜80℃に加熱することによって乾燥
ゲルとしたのち、焼結することによってクリストバライ
トとされるのであるが、この焼結は乾燥ゲルを電気炉中
においてi、ooo〜1.400℃に5〜20時間加熱
すればよく、この焼結によって乾燥ゲルは緻密なりリス
トパライト焼結体とされる。なお、この焼結体は非常に
細かい緻密なものであるので、冷却時にβ相→α相への
相転移点とされる220〜275℃を経るときでも体積
変化に伴なう歪が小さく、したがってクラックを発生す
ることもないのでこのものは冷却によって常温まで冷却
することができる。
本発明の方法はこのクリストバライト焼結体を溶融して
石英ガラスとするのであるが、この石英ガラスはクラス
トパライト焼結体を電気炉中に1゜800℃以上に加熱
して溶融してガラス化させればよい。この工程では前記
した工程で添加された結晶化促進剤およびその他の不純
物を揮散除去させる必要があるが、これは真空中あるい
はヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中において行なえば
よい。このように処理するとクリストバライト焼結体は
溶融され、ガラス化されて透明な石英ガラスとされるが
、この石英ガラスはすでに焼結体から結晶化促進剤その
他の不純物が除去されているので純度の高いものになる
し、これはまたその溶融によって気泡もなく、さらには
OH基も除去されたものとなるので、実質的に気泡とO
H基を含まない透明な高純度の石英ガラスとされる。
本発明の方法は上記したようにゾルゲル法においてゾル
に結晶化促進剤を添加したものであるので、ゲルのクリ
ストバライト化が容易となり、結果において実質的に気
泡、OH基を含有しない合成石英を容易に得ることがで
きるという有利性が与えられる。
つぎに本発明の実施例をあげる。
実施例1 けい酸エチル0.5モルに水5モルと塩酸0.005モ
ルを添加し加水分解して得たシリカゾルに、2.5%の
一塩化ナトリウム水溶液0.1gを添加してから0.2
Nのアンモニア水を添加しpHを3゜5に調整してシリ
カゲルを作った。
ついでこのシリカゲルを60℃で10日間乾燥したとこ
ろ、Na濃度が30PpHである乾燥ゲルが得られたの
で、これを大気中において1,350”Cまで段階的に
昇温し、1,350℃で10時間焼結したのち、200
℃/分の速度で室温まで冷却したところ、クラックの発
生することもなくり、リストパライトの緻密な焼結体が
得られた。
つぎにこの焼結体を真空加熱炉に挿入し10−4トルの
真空下で1,800℃に30分間加熱したところ、60
φX5tm+mの透明な石英ガラス体が得られ、このも
のには偏光歪計による歪点がなく、そのOH基濃度を赤
外分析法でしらべたところOI(濃度はOppmであり
、原子吸光法で測定した残留Na濃度は0 、5 pp
+s以下であった。
比較例1 上記した実施例における結晶化促進剤としての塩化ナト
リウムを添加しないほかは上記と同様に処理して乾燥ゲ
ルを作り、この乾燥ゲルを大気中において1,350℃
まで段階的に昇温し、1,350℃で10時間加熱して
から200℃/分の速度で室温まで冷却したところ透明
な石英ガラス体が得られたが、このものは0 、1 a
m程度の微細な泡を多数含んでいて、この泡はその約1
0%が偏光歪計で見て歪を有したものであったし、赤外
分光法によるOH濃度も570pp■であった。
比較例2 けL1酸エチル0.5モル、水5モルに0.005モル
の塩酸を添加し室温で加水分解させてシリカゾルを作り
、これをpH3,5に調整してシリカゲルとし、60℃
で20日間乾燥して乾燥ゲルを作ったのち、これをボー
ルミルで粉砕して粒径20〜100μ腸の微細な石英粉
30gを作った。
ついで、この石英粉に5%塩化ナトリウム溶液を含浸さ
せ、乾燥したところ、原子吸光法によるNa濃度が1,
200ppmである乾燥石英粉が得られたので、これを
型内にタブレット状に押しかため、1,350℃まで段
階的に昇温し、1,350℃で10時間加熱してから2
00℃/分の速度で室温まで冷却したところ、得られた
クリストバライト焼結体は割れてしまった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、アルキルシリケートを加水分解して得たゾルを、こ
    のゾルに均一に溶解する結晶化促進剤の存在下にゲル化
    し、このゲルを乾燥後熱処理してクリストバライトの緻
    密な焼結体とし、ついでこの焼結体を真空中あるいは不
    活性ガス雰囲気下で加熱して透明ガラス化することを特
    徴とする石英ガラスの製造方法。 2、結晶化促進剤がアルカリ金属の化合物から選択され
    たものである特許請求の範囲第1項記載の石英ガラスの
    製造方法。
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