DE112018007251T5

DE112018007251T5 - Opakes Quarzglas und Verfahren für seine Herstellung

Info

Publication number: DE112018007251T5
Application number: DE112018007251.7T
Authority: DE
Inventors: Minoru Kuniyoshi; Yukihiro Sugano; Chiemi Ito; Takaya Suzuki
Original assignee: Tosoh Quartz Corp
Current assignee: TOSOH QUARTZ CORPORATION, YAMAGATA-SHI, JP
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2020-11-19
Also published as: WO2019171577A1; US20210039978A1; CN111836787A; TWI780292B; JPWO2019171577A1; TW201938504A; JP6666464B2

Abstract

Zu lösende Probleme: Ein opakes Quarzglas mit ausgezeichneter Wärmeisolationseigenschaft, mechanischer Festigkeit und Oberflächenglattheit zu schaffen. Lösung: Eine Siliziumdioxidpulver-Wasser-Aufschlämmung mit einer Konzentration von 45 bis 75 Gew.-% wird Nasspulverisierung mit Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 mm bis 3 mm unterzogen. Das Siliziumdioxidpulver und die Siliziumnitridkügelchen werden Abrieb unterzogen und das Siliziumnitridpulver arbeitet als Schäummittel und unabhängige kugelförmige Blasen werden zur Herstellung von opakem Quarzglas gebildet, das Luftzellen mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 30 µm aufweist, und die unabhängig kugelförmig sind, mit einer Dichte von 1,90 bis 2,20 g/cm3, einer Weißheit von 80 oder mehr, einem Reflexionsvermögen von 80 % oder mehr für Licht einer Wellenlänge von 0,2 bis 3 µm bei einer Dicke von 3 mm, einer Biegefestigkeit von 70 MPa oder mehr, einer Oberflächenrauheit Ra der gebrannten Oberfläche von 0,7 µm oder weniger, und das eine ausgezeichnete Wärmestrahlungsisolationseigenschaft, mechanische Festigkeit und Oberflächenglattheit aufweist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein opakes Quarzglas mit ausgezeichneter Eigenschaft von Wärmestrahlungsabschirmung, mechanischer Festigkeit und Oberflächenglattheit und ein Verfahren für seine Herstellung.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein opakes Quarzglas, das auf ein Element für eine Halbleiterherstellungseinrichtung, eine Komponente einer optischen Vorrichtung und dergleichen geeignet anwendbar sein kann, und ein Herstellungsverfahren hierfür.
Hintergrundtechnologie
Quarzglas ist in der Lichtdurchlässigkeit, Wärmebeständigkeit und chemischen Beständigkeit ausgezeichnet und wird daher in verschiedenen Anwendungen wie z. B. einer Beleuchtungsausrüstung, optischen Ausrüstungsteilen, Halbleiterindustrieelementen und einer Physik- und Chemieausrüstung verwendet. Unter ihnen wurde opakes Quarzglas, das Blasen im Quarzglas enthält, aufgrund seiner ausgezeichneten Wärmestrahlungsabschirmungseigenschaft für einen Flansch einer Halbleiterwärmebehandlungseinrichtung und ein Kernrohr verwendet. Aufgrund seiner ausgezeichneten Lichtabschirmungseigenschaft wird es ferner auch als optische Vorrichtungskomponente wie z. B. als Reflektorbasismaterial einer Lichtquellenlampe für einen Projektor verwendet.
Herkömmlich ist als Verfahren zum Erzeugen von opakem Quarzglas ein Verfahren, in dem ein Schäummittel wie z. B. Siliziumnitrid zu kristallinem Siliziumdioxid oder amorphem Siliziumdioxid durch Trockenmischen zugegeben und durch eine Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen wird (beispielsweise Patentdokument 1 und Patentdokument 2), bekannt. Dieses Herstellungsverfahren und das hergestellte opake Quarzglas weisen jedoch die folgenden Probleme auf.

(1) Da das Schäummittel während der Schmelzprozedur abgeführt wird, ist es erforderlich, eine große Menge an Schäummittel zuzugeben, um eine korrekte Opazität zu erhalten.
(2) Da das Schäummittel, das nicht gleichmäßig vermischt und agglomeriert wird, unter Bildung von Blasen verdampft, werden die Blasen ziemlich groß und die mechanische Festigkeit und das Lichtreflexionsvermögen des opaken Quarzglases nehmen ab.
(3) Da die Luftblasen vergleichsweise groß sind, wird die gebrannte Oberfläche des opaken Quarzglases rau, und wenn das opake Quarzglas als Flanschelement verwendet wird, verschlechtert sich die Haftung an der Vorrichtung, was ein Leck verursacht. Wenn es als Reflektorbasismaterial verwendet wird, kann ferner das Licht der Lampe austreten, was sich auf elektronische Komponenten innerhalb des Projektors nachteilig auswirken kann.

Andererseits wurde ein Verfahren zum Erhitzen eines geformten Körpers aus amorphem Siliziumdioxidpulver auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur ohne Zugeben eines Schäummittels, Unterbrechen der Wärmebehandlung vor der vollständigen Verdichtung und teilweisen Sintern (beispielsweise Patentdokument 2) auch vorgeschlagen. Das durch dieses Produktionsverfahren produzierte opake Quarzglas kann den mittleren Durchmesser von Blasen verringern, wenn jedoch die Blasen gesintert werden, bis sie geschlossene Blasen werden, wird die Dichte der Blasen verringert und das Infrarotreflexionsvermögen nimmt ab. Und es besteht auch ein Problem, dass die mechanische Festigkeit gesenkt wird, da die Spannung an der Kante der Blase konzentriert wird, da die Blase nicht vollständig kugelförmig ist.
[Dokument des Standes der Technik]
[Patentdokument]

[Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 3043032
[Patentdokument 2] Japanisches Patent Nr. 3394323

Offenbarung der Erfindung
[Von der Erfindung zu lösende Probleme]
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und ein opakes Quarzglas mit ausgezeichneter Wärmestrahlungsabschirmungseigenschaft, mechanischer Festigkeit und Oberflächenglattheit zu schaffen.
[Mittel zum Lösen der Probleme]
Unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen als Schleifmedium wird beim Nassschleifen einer Aufschlämmung, in der Siliziumdioxidpulver in Wasser dispergiert ist, Siliziumnitrid, das durch Abrieb der Siliziumnitridkügelchen erzeugt wird, als Schäummittel zugegeben, und die Aufschlämmung wird sprühgetrocknet und granuliert. Durch Schmelzen des geschmolzenen Rohmaterials ist es möglich, ein opakes Quarzglas zu erhalten, in dem die Form der Blasen unabhängig kugelförmig ist und der mittlere Durchmesser 2 bis 30 µm ist, das ausgezeichnete Wärmestrahlungsabschirmungseigenschaften und eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist, und dessen gebrannte Oberfläche eine gute Glattheit aufweist.
Das opake Quarzglas der vorliegenden Erfindung enthält kugelförmige Blasen mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 30 µm, vorzugsweise 5 bis 25 µm, bevorzugter 8 bis 10 µm. Wenn der mittlere Blasendurchmesser geringer ist als 2 µm, wird die Lichtstreuung schwach, und wenn der mittlere Blasendurchmesser mehr als 30 µm ist, wird die Lichtstreuung schwach und die Ebenheit der Quarzglasoberfläche und die Dichtungseigenschaft werden schlechter.
Das opake Quarzglas der vorliegenden Erfindung enthält geschlossene kugelförmige Blasen innerhalb des Körpers. Wenn die Form der Blase nicht kugelförmig ist, konzentriert sich die Spannung an der Kante der Blase, was zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit führt.
Die Weißheit des opaken Quarzglases der vorliegenden Erfindung ist 80 oder mehr. Für die Weißheit wurde die Weißheit als Helligkeit definiert, die gemäß JIS Z 8722 unter Verwendung eines Farbdifferenzmessers gemessen wird. Wenn die Weißheit geringer ist als 80, wird die Wärmestrahlungsabschirmungseigenschaft verschlechtert und die Wärmeisolationseigenschaft nimmt ab.
Das opake Quarzglas der vorliegenden Erfindung weist ein Reflexionsvermögen von 80 % oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge von 0,2 bis 3 µm auf, wenn die Glasdicke 3 mm ist. Wenn das Reflexionsvermögen geringer ist als 80 %, wie die Helligkeit, wird die Wärmestrahlungssperreigenschaft verringert und die Wärmeisolationseigenschaft wird verringert.
Die Dichte des opaken Quarzglases der vorliegenden Erfindung ist 1,90 bis 2,20 g/cm³. Wenn die Dichte geringer ist als 1,90 g/cm³, nimmt die mechanische Festigkeit ab. Andererseits überschreitet die Dichte 2,20 g/cm³, ein Volumen der Blasen wird verringert und folglich wird die Lichtstreufähigkeit geschwächt und die Wärmestrahlungsisolationsfähigkeit wird verringert.
Die Biegefestigkeit des opaken Quarzglases der vorliegenden Erfindung ist 70 MPa oder mehr. Wenn die Biegefestigkeit geringer ist als 70 MPa, besteht ein hohes Risiko einer Beschädigung, wenn es beispielsweise auf einen Flansch einer Halbleiterherstellungseinrichtung oder ein Kernrohr angewendet wird.
Die Oberflächenrauheit Ra der gebrannten Oberfläche des opaken Quarzglases der vorliegenden Erfindung ist 0,7 µm oder weniger und bevorzugter 0,6 µm oder weniger. Wenn die Oberflächenrauheit Ra der gebrannten Oberfläche 0,7 µm überschreitet, verschlechtert sich die Haftung der Haftoberfläche an der Vorrichtung, was ein Leck verursachen kann, wenn es beispielsweise als Flansch verwendet wird. Wenn es als Reflektorbasismaterial einer Lichtquellenlampe eines Projektors verwendet wird, tritt ferner das Licht der Lampe aus und wirkt sich nachteilig auf elektronische Vorrichtungen aus, die innerhalb des Projektors installiert sind.
Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Aufschlämmung, in der Siliziumdioxidpulver in Wasser dispergiert ist, nass pulverisiert wird, Siliziumnitridkügelchen als Pulverisierungsmedium arbeiten und auch das Siliziumnitridpulver, das durch Abreiben der Siliziumnitridkügelchen erzeugt wird, als Schäummittel verwendet wird. Ferner wird ein granuliertes Pulver, das durch Sprühtrocknen und Granulieren der Aufschlämmung erhalten wird, als Rohmaterial verwendet, das Schmelzen zur Herstellung von opakem Quarz unterzogen wird.
Nachstehend wird jeder Schritt des Prozesses im Einzelnen beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass, wie in allen Schritten gesagt werden kann, es wichtig ist, Verunreinigungen der zu verwendenden Ausrüstung zu vermeiden, daher sollte die Ausrüstung mit Sorgfalt ausgewählt werden.
Auswahl von Rohmaterialpulver
Das Produktionsverfahren des Siliziumdioxidpulvers ist nicht begrenzt und beispielsweise ist amorphes Siliziumdioxidpulver, das durch Hydrolyse von Siliziumalkoxid erzeugt wird, ein Siliziumdioxidpulver, das durch Hydrolysieren von Siliziumtetrachlorid mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme erzeugt wird, oder dergleichen annehmbar. Ferner kann ein Pulver, das durch Zerkleinern von Naturquarz oder pyrogenem Siliziumdioxid erhalten wird, auch verwendet werden.
Die mittlere Partikelgröße des Siliziumdioxidpulvers ist vorzugsweise 300 µm oder weniger. Wenn die mittlere Partikelgröße 300 µm überschreitet und zu groß ist, dauert es eine lange Zeit, um das Siliziumdioxidpulver nass zu vermahlen, was zu einer Verringerung der Produktivität und einer Erhöhung der Produktionskosten führt, was nicht bevorzugt ist.
Aufschlämmungsvorbereitung
Die Konzentration der Aufschlämmung, in der Siliziumdioxidpulver in Wasser dispergiert ist, ist 45 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 70 Gew.-%. Wenn sie 75 Gew.-% überschreitet, wird die Viskosität der Aufschlämmung hoch und es wird unmöglich, Nassschleifen durchzuführen. Wenn die Konzentration geringer ist als 45 Gew.-%, ist die Menge an Wasser groß und die Menge an Wärme, die zum Trocknen erforderlich ist, wird groß, was zu einer Verringerung der Produktivität und einer Erhöhung der Produktionskosten führt, was nicht erwünscht ist.
Zugabe des Schäummittels
Als Schäummittel dieser Erfindung wird Siliziumnitrid, das durch Abrieb von Siliziumnitridkügelchen erhalten wird, verwendet. Der mittlere Durchmesser der Siliziumnitridkügelchen ist vorzugsweise 0,1 bis 3 mm. Wenn der mittlere Durchmesser der Siliziumnitridkügelchen größer ist als 3 mm, wird die Kontaktfläche der Kügelchen verringert und das Volumen des Verschleißes der Kügelchen wird verringert, so dass es lange Zeit dauert, um das Schäummittel zuzugeben. Wenn andererseits der mittlere Durchmesser der Kügelchen kleiner ist als 0,1 mm, nimmt die Kontaktfläche der Kügelchen zu, so dass die Menge an Verschleiß der Kügelchen zunimmt und es schwierig wird, die Menge des zugegebenen Schäummittels zu steuern.
Als Vorrichtung zum Abreiben von Siliziumnitridkügelchen kann eine Perlmühle, eine Kugelmühle, eine Vibrationsmühle oder ein Attritor verwendet werden. Insbesondere ist eine Perlmühle bevorzugt.
Die Menge an Siliziumnitrid als Schäummittel, das zum Siliziumdioxidpulver zugegeben wird, ist 0,1 bis 100 ppm, vorzugsweise 1 bis 50 ppm. Wenn die Menge an Siliziumnitrid, das als Schäummittel zugegeben wird, geringer ist als 0,1 ppm, reicht die Menge an Siliziumnitrid nicht aus und das Weißen und die Opazität des opaken Siliziumprodukts sind unzureichend, und wenn sie 100 ppm überschreitet, werden erzeugte Blasen miteinander zusammengesetzt und der endgültige kombinierte Blasendurchmesser wird zu groß und folglich nimmt die Weißheit des opaken Quarzglases ab.
Die Menge des Schäummittels, das zum Siliziumdioxidpulver zugegeben wird, kann auf 0,1 bis 100 ppm durch Ändern der Schleifdauerzeit des Siliziumdioxidpulvers unter Verwendung der Siliziumnitridkügelchen eingestellt werden. Nach dem Vorbereiten der Aufschlämmung mit einer Schäummittelkonzentration von 200 bis 10000 ppm kann sie ferner mit einer Aufschlämmung, die kein Schäummittel enthält, zur Einstellung verdünnt werden. Eine zusätzliche Menge des Schäummittels liegt im Bereich von 0,1 bis 500 ppm.
Nassschleifen des zur Aufschlämmung zugegebenen Schäummittels
Als nächstes wird die Aufschlämmung, in der die Konzentration des Schäummittels eingestellt ist, mit einem oder mehreren Kügelchen verwendet, die aus Quarzglaskügelchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 mm bis 3 mm, Zirkondioxidkügelchen, Siliziumcarbidkügelchen und Aluminiumoxidkügelchen neben Siliziumnitridkügelchen ausgewählt sind. Dann wird die Nasspulverisierung weiter durchgeführt, bis die spezifische BET-Oberfläche des Feststoffs, der in der Aufschlämmung enthalten ist, 2 m²/g oder mehr wird. Es ist bevorzugt, die Nasspulverisierung auszuführen, bis sie 4 m²/g oder mehr, bevorzugter 6 m²/g oder mehr wird. Wenn die spezifische BET-Oberfläche kleiner ist als 2 m²/g, wird die Festigkeit des granulierten Pulvers verringert, die Granulierung wird zerbrochen und die Ausbeute zur Zeit der Wasserstoff-Sauerstoff-Flammenschmelzung wird verringert.
Das Nasspulverisierungsverfahren der Aufschlämmung ist nicht besonders begrenzt und Beispiele des Nasspulverisierungsverfahrens umfassen Perlmühlenpulverisierung, Kugelmühlenpulverisierung, Vibrationsmühlenpulverisierung und Attritorpulverisierung. Perlmahlen ist besonders erwünscht.
Sprühtrocknungsgranulierung
Als nächstes wird die durch den obigen Prozess erzeugte Aufschlämmung sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist eine im Wesentlichen kugelförmige Form, einen mittleren Partikeldurchmesser von 30 bis 200 µm und einen Wassergehalt von 3 Gew.-% oder weniger auf. Wenn die mittlere Partikelgröße geringer ist als 30 µm, wird das granulierte Pulver während der Wasserstoff-Sauerstoff-Flammenschmelzung dispergiert und die Ausbeute verschlechtert sich. Wenn die mittlere Partikelgröße 200 µm überschreitet, wird die Granulierung zerbrochen und die Partikel werden während der Wasserstoff-Sauerstoff-Flammenschmelzung abgeführt und die Ausbeute wird verschlechtert. Wenn der Wassergehalt 3 Gew.-% überschreitet, verschlechtert sich die Fluidität des granulierten Pulvers und die Menge des granulierten Pulvers, das pro Einheitszeit während der Wasserstoff-Sauerstoff-Flammenschmelzung zugeführt wird, nimmt ab, was zu einer schlechten Produktivität führt.
Schmelzen von granuliertem Pulver
Als nächstes wird das erhaltene granulierte Pulver mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme oder in einer Vakuumatmosphäre geschmolzen, um das opake Quarzglas der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Beim Schmelzen unter Verwendung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme wird Wasser während der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt, so dass die OH-Gruppen-Konzentration des opaken Quarzglases gewöhnlich 100 bis 1000 ppm ist, was höher ist als jene des Schmelzprozesses in einer Vakuumatmosphäre. Da Wasser beim Schmelzen in einer Vakuumatmosphäre nicht erzeugt wird, ist die OH-Gruppen-Konzentration 10 ppm oder weniger, was niedriger ist als jene des Schmelzens in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme.
Durch den obigen Prozess wird der erhaltene opake Quarzglasbarren durch eine Verarbeitungsmaschine verarbeitet, wie z. B. eine Bandsäge, eine Drahtsäge und einen Kernbohrer, die alle gewöhnlich verwendet werden, wenn opakes Quarzglas hergestellt wird.
Reinheit des opaken Quarzglases
Die Reinheit des erhaltenen opaken Quarzglases hängt von der Reinheit der Rohmaterialien ab. Folglich kann die Reinheit des opaken Quarzglases dieser Erfindung durch Auswählen des Siliziumdioxidpulvers, das als Rohmaterial verwendet wird, abgesehen von den Bestandteilselementen der Kügelchen, die für die Schleifmedien verwendet werden, gesteuert werden.
Vorteile der Erfindung
Das opake Quarzglas der vorliegenden Erfindung ist in der Wärmeisolationseigenschaft, mechanischen Festigkeit, Oberflächenglattheit und Dichtungseigenschaft ausgezeichnet, so dass es insbesondere auf verschiedene Kernrohre, Spannvorrichtungen und Behälter wie z. B. Glasglocken anwendbar sein kann, die insbesondere im Halbleiterherstellungsprozess verwendet werden. Insbesondere kann es geeignet als Bestandteilsmaterial eines Siliziumwaferbearbeitungskernrohrs, eines Flanschabschnitts davon, einer Wärmeisolationsrippe, eines Siliziumschmelztiegels oder dergleichen verwendet werden. Es kann auch als Reflektorbasismaterial für Lichtquellenlampen von Projektoren als optischer Vorrichtungsteil verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird speziell mit Bezug auf die nachstehend beschriebenen Beispiele beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Beispiele begrenzt.
Beispiel 1
Pyrogenes Siliziumdioxid (D₁₀: 2,5 µm, D₅₀: 10,1 µm, D₉₀: 28,1 µm) wird als Siliziumdioxidrohmaterialpulver verwendet. Pyrogenes Siliziumdioxid wird in Wasser dispergiert, um eine Aufschlämmung zu bilden, und die Konzentration wird auf 67 Gew.-% eingestellt. Als nächstes wird die vorbereitete Aufschlämmung aus pyrogenem Siliziumdioxid in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,0 mm nass vermahlen, bis die Siliziumnitridkonzentration in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver in der Aufschlämmung 250 ppm wird, und die Aufschlämmung (A) wird erhalten. Andererseits wird eine Aufschlämmung (B) ohne Schäummittel mit einem Siliziumdioxidfeststoffgehalt von 67 Gew.-% unter Verwendung eines Siliziumdioxidrohmaterialpulvers vorbereitet. Als Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung wird dann die Aufschlämmung (A) mit Zugabe der Aufschlämmung (B) verdünnt, so dass die Konzentration von Siliziumnitrid in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver in der Aufschlämmung 1 ppm wird. Die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittlerem Partikeldurchmesser von 2,0 mm nass pulverisiert, bis die spezifische BET-Oberfläche 6,0 m²/g wird.
Als nächstes wird die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung, die durch den obigen Prozess erzeugt wird, sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Durchmesser von 80 µm und Wassergehalt von 1 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen säulenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Beispiel 2
Ein säulenförmiger opaker Quarzglasbarren wird gemäß dem Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Menge an zugegebenem Siliziumnitrid 5 ppm ist.
Die Luftblasen des erhaltenen opaken Quarzglases werden als gleichmäßig verteilt beobachtet und das erhaltene opake Glas sieht gut aus.
Beispiel 3
Ein säulenförmiger opaker Quarzglasbarren wird gemäß dem Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Menge an zugegebenem Siliziumnitrid 0,3 ppm ist.
Blasen des erhaltenen säulenförmigen opaken Quarzglasbarrens werden durch visuelle Beobachtung als gleichmäßig verteilt beobachtet und das erhaltene opake Glas sieht gut aus.
Beispiel 4
Gleich wie in Beispiel 1 wird pyrogenes Siliziumdioxid als Siliziumdioxidrohmaterialpulver in Wasser dispergiert und seine Konzentration wird auf 50 % eingestellt. Dann wird die vorbereitete Aufschlämmung in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittlerem Partikeldurchmesser von 0,3 mm nass vermahlen, bis die Konzentration von Siliziumnitrid in der Aufschlämmung 1 ppm wird. Dann werden die Siliziumnitridkügelchen entfernt und die Aufschlämmung, zu der das Schäummittel zugegeben wird, wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,3 mm nass vermahlen, bis die spezifische BET-Oberfläche 3,0 m²/g wird. Als nächstes wird die durch die vorstehend beschriebene Prozedur vorbereitete Aufschlämmung getrocknet und gesprüht, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Durchmesser von 40 µm und einen Wassergehalt von 1 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen säulenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Blasen innerhalb des erhaltenen säulenförmigen opaken Quarzglasbarrens werden als gleichmäßig verteilt beobachtet und das Aussehen des Produkts sieht gut aus.
Beispiel 5
Pyrogenes Siliziumdioxid als Siliziumdioxidrohmaterialpulver, das in Beispiel 1 verwendet wird, wird in Wasser dispergiert und die Konzentration davon wurde auf 70 % eingestellt. Als nächstes wird die vorbereitete Aufschlämmung in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,0 mm nass vermahlen, bis die Konzentration an Siliziumnitrid in der Aufschlämmung 1 ppm wird. Dann werden die Siliziumnitridkügelchen entfernt und die Aufschlämmung, zu der das Schäummittel zugegeben wird, wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,0 mm nass vermahlen, bis die spezifische BET-Oberfläche 8,0 m²/g wird.
Als nächstes wird die durch die obige Prozedur vorbereitete Aufschlämmung getrocknet und gesprüht, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Gehalt von 150 µm und einen Wassergehalt von 1 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen säulenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Blasen des erhaltenen säulenförmigen opaken Quarzglasbarrens werden als gleichmäßig verteilt beobachtet und das Aussehen des erhaltenen opaken Glases sieht gut aus.
Beispiel 6
Pyrogenes Siliziumdioxid (D₁₀: 2,5 µm, D₅₀: 10,1 µm, D₉₀: 28,1 µm) wird als Siliziumdioxidrohmaterialpulver verwendet. Pyrogenes Siliziumdioxid wird in Wasser dispergiert, um eine Aufschlämmung zu bilden, und die Konzentration wird auf 67 Gew.-% eingestellt. Als nächstes wird die eingestellte Aufschlämmung in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,0 mm nass vermahlen, bis die Siliziumnitridkonzentration in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver in der Aufschlämmung 250 ppm wird, und die Aufschlämmung (A) ist vorbereitet. Andererseits wird eine Aufschlämmung (B) mit einem Feststoffgehalt von 67 Gew.-% unter Verwendung von Siliziumdioxidrohmaterialpulver, das kein Schäummittel enthält, vorbereitet. Als Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung wird dann die Aufschlämmung (A) mit der Aufschlämmung (B) verdünnt, so dass die Konzentration von Siliziumnitrid in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver in der Aufschlämmung 1 ppm ist. Die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,0 mm nass pulverisiert, bis die spezifische BET-Oberfläche 6,0 m²/g wird. Als nächstes wird die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung, die durch die obige Prozedur erzeugt wird, sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Durchmesser von 80 µm und einen Wassergehalt von 1 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen plattenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Die Luftblasen des erhaltenen plattenartigen opaken Quarzglasbarrens werden als gleichmäßig dispergiert beobachtet, der im Aussehen ausgezeichnet ist.
Beispiel 7
Ein plattenförmiger opaker Quarzglasbarren wird gemäß Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Menge an zugegebenem Siliziumnitrid 5 ppm ist.
Die Luftblasen des erhaltenen plattenartigen opaken Quarzglasbarrens werden als gleichmäßig dispergiert beobachtet, der im Aussehen als opakes Siliziumglas ausgezeichnet ist.
Beispiel 8
Ein plattenförmiger opaker Quarzglasbarren wird gemäß Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Menge an zugegebenem Siliziumnitrid 0,3 ppm ist.
Die Luftblasen des erhaltenen plattenförmigen opaken Quarzglases werden als gleichmäßig verteilt beobachtet, das im Aussehen als opakes Siliziumglas ausgezeichnet ist.
Beispiel 9
Wie in Beispiel 1 wird pyrogenes Siliziumdioxid als Siliziumdioxidrohmaterialpulver in Wasser dispergiert und seine Konzentration wird auf 50 % eingestellt. Dann wird die vorbereitete Aufschlämmung in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,3 mm nass vermahlen, bis die Konzentration an Siliziumnitrid in der Aufschlämmung 1 ppm ist. Dann werden die Siliziumnitridkügelchen entfernt und die Aufschlämmung, zu der das Schäummittel zugegeben wird, wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,3 mm nass vermahlen, bis die spezifische BET-Oberfläche 3,0 m²/g wird. Als nächstes wird die durch die obige Prozedur vorbereitete Aufschlämmung getrocknet und gesprüht, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Durchmesser von 40 µm und einen Wassergehalt von 1 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen plattenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Die Luftblasen des erhaltenen opaken Quarzglases werden als gleichmäßig verteilt beobachtet, und der im Aussehen als opakes Quarzglas ausgezeichnet ist.
Beispiel 10
Pyrogenes Siliziumdioxid als Siliziumdioxidrohmaterialpulver, das dasselbe wie Beispiel 1 ist, wird in Wasser dispergiert und die Konzentration davon wird auf 70 % eingestellt. Als nächstes wird die vorbereitete Aufschlämmung in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,0 mm nass vermahlen, bis die Konzentration von Siliziumnitrid der Aufschlämmung 1 ppm wird. Dann werden die Siliziumnitridkügelchen entfernt und die Aufschlämmung, zu der das Schäummittel zugegeben wird, wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikel-Durchmesser von 1,0 mm nass vermahlen, bis die spezifische BET-Oberfläche 8,0 m²/g wird. Als nächstes wird die durch die obige Prozedur vorbereitete Aufschlämmung getrocknet und gesprüht, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Gehalt von 150 µm und einen Wassergehalt von 1 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen plattenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Die Luftblasen des erhaltenen plattenartigen opaken Quarzglasbarrens werden als gleichmäßig dispergiert beobachtet und das Aussehen des opaken Glases sieht gut aus.
Vergleichsbeispiel 1
Quarzpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 150 µm wird als Siliziumdioxidrohmaterialpulver verwendet. Ferner wird Siliziumnitrid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2 µm als Schäummittel verwendet. Die Mischkonzentration von Siliziumnitrid in Bezug auf das Kristallpulver ist 0,2 Gew.-% und das gemischte Pulver wird gut vermischt und dann durch eine Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen säulenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erhalten.
Vergleichsbeispiel 2
Dasselbe pyrogene Siliziumdioxid von Beispiel 1 wird als Siliziumdioxidrohmaterialpulver verwendet. Pyrogenes Siliziumdioxid wird in Wasser dispergiert, um eine Aufschlämmung zu bilden, und seine Konzentration wird auf 40 Gew.-% eingestellt. Als nächstes wird die vorbereitete Aufschlämmung aus pyrogenem Siliziumdioxid in eine Perlmühle gegeben und unter Verwendung von Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3,5 mm nass vermahlen, bis die Siliziumnitridkonzentration in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver in der Aufschlämmung 20000 ppm wird, und die Aufschlämmung (A) wird erhalten. Andererseits wird eine Aufschlämmung (B) mit einer Feststoffkonzentration von 40 Gew.-% unter Verwendung eines Siliziumdioxidrohmaterialpulvers, das kein Schäummittel enthält, vorbereitet.
Dann wird die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung, Aufschlämmung (A), durch Zugeben von Aufschlämmung (B) verdünnt, so dass die Konzentration an Siliziumnitrid in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver in der Aufschlämmung 0,5 ppm ist. Die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung wird unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3,5 mm nass pulverisiert, bis die spezifische BET-Oberfläche 1,8 m²/g wird.
Als nächstes wird die Aufschlämmung für die Pulverisierung und Granulierung, die durch den vorstehend beschriebenen Prozess erzeugt wird, sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist einen mittleren Durchmesser von 25 µm und Wassergehalt von 4 Gew.-% auf. Dieses granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen säulenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Die spezifische BET-Oberfläche der Aufschlämmung ist 1,8 m²/g, was ziemlich klein ist, die Festigkeit des granulierten Pulvers ist gering, das granulierte Pulver wird zerlegbar und folglich ist die Ausbeute von opakem Quarzglas mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Flammenschmelzung gering.
Vergleichsbeispiel 3
Dasselbe pyrogene Siliziumdioxid wie in Beispiel 1 wird als Siliziumdioxidrohmaterialpulver verwendet. Pyrogenes Siliziumdioxid wird in Wasser dispergiert und seine Konzentration wird auf 40 % eingestellt. Als nächstes wird die in der Konzentration eingestellte Siliziumdioxidrauchaufschlämmung in eine Perlmühle gegeben und mit Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3,5 mm nass vermahlen, bis die Konzentration an Siliziumnitrid in der Aufschlämmung 150 ppm erreicht, und dann werden die Siliziumnitridkügelchen entfernt. Dann wird die Aufschlämmung, zu der das Schäummittel zugegeben wird, unter Verwendung von Zirkondioxidkügelchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3,5 mm nass pulverisiert, bis die spezifische BET-Oberfläche 1,8 m²/g wird.
Als nächstes wird die erhaltene Aufschlämmung sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver zu erhalten. Das erhaltene granulierte Pulver weist eine mittlere Partikelgröße von 250 µm und einen Wassergehalt von 4 Gew.-% auf. Das erhaltene granulierte Pulver wird mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen, um einen säulenförmigen opaken Quarzglasbarren zu erzeugen.
Die spezifische BET-Oberfläche der Aufschlämmung ist 1,8 m²/g, was ein ziemlich kleiner Wert ist, und die Festigkeit des granulierten Pulvers ist gewöhnlich niedrig und das granulierte Pulver fällt wahrscheinlich zusammen.
Und die Ausbeute des opaken Quarzglases durch die Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme ist niedrig.
Die Herstellungsbedingungen der vorstehend beschriebenen Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in Tabelle 1 gezeigt, und die Charakteristiken (mittlerer Durchmesser des Schaums, Dichte, Reflexionsvermögen, Weißheit, Biegefestigkeit und Oberflächenrauheit Ra der gebrannten Oberfläche) des erhaltenen opaken Quarzglasbarrens sind in Tabelle 2 gezeigt.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Das opake Quarzglas der vorliegenden Erfindung weist eine ausgezeichnete Wärmeisolationseigenschaft, mechanische Festigkeit und Oberflächenglattheit auf und ist auf Elemente einer Halbleiterherstellungsausrüstung, Teile einer optischen Ausrüstung und dergleichen anwendbar.

Ferner wird es gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines opaken Quarzglases der vorliegenden Erfindung möglich, opakes Quarzglas mit einer ausgezeichneten Wärmeisolationseigenschaft, mechanischen Festigkeit und Oberflächenglattheit herzustellen. Tabelle 1

	Konzentration der Aufschlämmung (Gew.-%)	Mittlerer Durchmesser von Siliziumnitridkügelchen (mm)	Konzentration von Siliziumnitrid (ppm)	Mittlerer Durchmesser von Zirkondi - oxidkügelchen (mm)	Spezifi - sche BET-Oberfläche (m²/g)	Mittlerer Durchmesser von granuliertem Pulver (µm)	Wassergehalt (Gew.-%)	Form des Barrens
Beispiel 1	67	2,0	1	2,0	6	80	1	Säule
Beispiel 2	67	2,0	5	2,0	6	80	1	Säule
Beispiel 3	67	2,0	0,3	2,0	6	80	1	Säule
Beispiel 4	50	0,3	1	0,3	3	40	1	Säule
Beispiel 5	70	1,0	1	1,0	θ	150	1	Säule
Beispiel 6	67	2,0	1	2,0	6	80	1	Platte
Beispiel 7	67	2,0	5	2,0	6	80	1	Platte
Beispiel 8	67	2,0	0,3	2,0	6	80	1	Platte
Beispiel 9	50	0,3	1	0,3	3	40	1	Platte
Beispiel 10	70	1,0	1	1,0	θ	150	1	Platte
Vergleichsbeispiel 1	-	-	0,2 (Gew.-%)	-	-	-	-	Säule
Vergleichsbeispiel 2	40	3,5	0,5	3,5	1,8	25	4	Säule
Vergleichsbeispiel 3	40	3,5	150	3,5	1,8	250	4	Säule

Tabelle 2

	Mittlerer Durchmesser des Luftschaums (Um)	Form des Luftschaums	Dichte von opakem Quarzglas (g/cm³)	Reflexionsvermögen (%)	Weißheit	Biegefestigkeit (MPa)	Polierte Oberflächenrauheit Ra (Um)
Beispiel 1	10	Unabhängige Kugel	2,19	86	95	75	0,5
Beispiel 2	18	Unabhängige Kugel	2,15	81	90	71	0,6
Beispiel 3	2	Unabhängige Kugel	2,20	88	98	76	0,4
Beispiel 4	10	Unabhängige Kugel	2,19	86	95	75	0,5
Beispiel 5	10	Unabhängige Kugel	2,19	86	95	75	0,5
Beispiel 6	25	Unabhängige Kugel	2,19	82	84	72	0,7
Beispiel 7	28	Unabhängige Kugel	2,15	80	80	70	0,7
Beispiel 8	15	Unabhängige Kugel	2,20	83	92	73	0,6
Beispiel 9	25	Unabhängige Kugel	2,19	82	84	72	0,7
Beispiel 10	25	Unabhängige Kugel	2,19	82	84	72	0,7
Vergleichsbeispiel 1	80	Unabhängig kugelförmig	2,10	40	50	67	3,0
Vergleichsbeispiel 2	1	Unabhängige Kugel	2,21	70	70	77	0,4
Vergleichsbeispiel 3	100	Kombinierte Kugel	1,17	70	70	30	50

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3043032 [0005]
JP 3394323 [0005]

Claims

Opakes Quarzglas mit unabhängigen kugelförmigen Blasen mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 30 µm und einer Dichte von 1,90 bis 2,20 g/cm³, einer Weißheit von 80 oder mehr und einem Reflexionsvermögen von 80 % oder mehr für Licht mit einer Wellenlänge von 0,2 bis 3 µm und bei einer Dicke von 3 mm, wobei die Weißheit als Helligkeit definiert ist, die gemäß JIS Z 8722 unter Verwendung eines Kolorimeters gemessen wird.
Opakes Quarzglas nach Anspruch 1, wobei die Biegefestigkeit größer als 70 MPa oder mehr ist.
Opakes Quarzglas nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenrauheit Ra der gebrannten Oberfläche 0,7 µm oder weniger ist.
Verfahren zur Herstellung irgendeines opaken Quarzglases der Ansprüche 1 bis 3 mit den Schritten des Mischens von Siliziumdioxidpulver mit einem Schäummittel, des Schmelzens des Gemisches, wobei Siliziumnitridkügelchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 mm bis 3 mm mit der Siliziumdioxidpulveraufschlämmung vermischt werden, in der das Siliziumdioxidpulver in Wasser mit 45 bis 75 Gew.-% dispergiert ist, des Pulverisierens der Siliziumnitridkügelchen und des Erzeugens von Siliziumnitridpulver, das als Schäummittel wirkt, wobei das Gemisch geschmolzen wird, um das opake Quarzglas herzustellen.
Verfahren zur Herstellung des opaken Quarzglases nach Anspruch 4, wobei die Pulverisierungszeit von Siliziumnitridkügelchen mit Siliziumdioxidpulver gesteuert wird, um die Menge an Schäummittel, das durch Abrieb der Siliziumnitridkügelchen erzeugt wird, auf 0,1 bis 100 ppm einzustellen, das Gemisch unter Zugabe von einem oder mehreren Kügelchen, die aus den Quarzglaskügelchen, Zirkondioxidkügelchen, Siliziumcarbidkügelchen oder Aluminiumoxidkügelchen mit Ausnahme der Siliziumnitridkügelchen ausgewählt sind, mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 3 mm pulverisiert wird, die Siliziumdioxidpulveraufschlämmung abgerieben wird, bis die spezifische BET-Oberfläche der Feststoffe in der Aufschlämmung 2 m²/g oder mehr wird, die Aufschlämmung sprühgetrocknet wird, um granuliertes Siliziumdioxidpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 30 bis 200 µm und einem Wassergehalt von 3 Gew.-% oder weniger zu erhalten, und das granulierte Siliziumdioxidpulver geschmolzen wird, um das opake Quarzglas herzustellen.
Verfahren zur Herstellung eines opaken Quarzglases nach Anspruch 4, wobei die Siliziumdioxidpulveraufschlämmung mit einer Siliziumnitridkonzentration von 200 bis 10000 ppm in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver verdünnt wird, wodurch das Schäummittelverhältnis in Bezug auf das Siliziumdioxidpulver auf 0,1 bis 500 ppm eingestellt wird, eine Nasspulverisierung durch Zugabe der Pulverisierungskügelchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 mm bis 3 mm neben Siliziumnitridkügelchen ausgeführt wird, bis die spezifische BET-Oberfläche von Feststoffen, die in der Aufschlämmung enthalten sind, auf 2 m²/g oder mehr eingestellt ist, und die Aufschlämmung sprühgetrocknet wird, um im Wesentlichen kugelförmige Formen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 30 bis 200 µm und einem Wassergehalt von 3 Gew.-% oder weniger zu granulieren.
Verfahren zur Herstellung des opaken Quarzglases nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei einer oder eine Kombination von zwei oder mehr Typen eines Perlmühlenpulverisierungsverfahrens aus einer Kugelmühlenpulverisierung, einer Vibrationsmühlenpulverisierung oder einer Attritorpulverisierung ausgewählt wird.
Verfahren zur Herstellung des opaken Quarzglases nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, wobei das geschmolzene Rohmaterial mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme geschmolzen wird.
Opakes Quarzglas, das durch das Verfahren nach Anspruch 8 hergestellt wird, das eine OH-Gruppen-Konzentration von 100 bis 1000 ppm aufweist.
Verfahren zur Herstellung von opakem Quarzglas nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, wobei das geschmolzene Rohmaterial in einer Vakuumatmosphäre erhitzt und geschmolzen wird.
Opakes Quarzglas, das nach Anspruch 10 hergestellt wird, das eine OH-Gruppen-Konzentration von 10 ppm oder weniger aufweist.