合成石英粉の評価方法
【課題】合成石英粉について、半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として適切に評価する方法を提供する。
【解決手段】合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法であって、好ましくは。合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にし、このガラス塊から薄板を作成する合成石英粉の評価方法。
【解決手段】合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法であって、好ましくは。合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にし、このガラス塊から薄板を作成する合成石英粉の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成石英粉について、半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として適切に評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成石英粉はアルコキシシランや四塩化珪素の加水分解によって製造することができ、高純度であるので半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として使用することができる。この合成石英粉の品質の良否は、最終的には実際に石英ルツボを製造して評価されるが、石英ルツボを製造せずに合成石英粉の品質を評価する方法として、合成石英粉を真空溶解炉で１７００℃〜１８００℃に加熱して溶融し、あるいは溶融後、１５００℃〜１６３０℃で５時間加熱処理した後に徐令して石英ガラス塊にし、光学的に評価する方法などが知られている（特許文献１〜４）。
【０００３】
しかし、従来の上記評価方法で用いる真空加熱炉は１７００℃〜１８００℃まで昇温するのに数時間を要するが、石英ガラスルツボの製造では、原料の合成石英粉を数分間のアーク溶融によって溶融ガラス化する。このため、従来の真空加熱炉を用いた評価方法は実際に石英ガラスルツボの製造における熱履歴を忠実に反映しているとは言い難い。
【０００４】
例えば、石英ガラスルツボの製造工程のように、合成石英粉を数分間で溶融ガラス化すると、石英粉の間に存在する空気が閉じ込められて気泡の多いガラスになりやすい。一方、合成石英粉を数時間かけて溶融ガラス化すると、合成石英粉の間に存在する空気はガラス化する途中で外部に抜け、気泡の少ないガラスになりやすい。このため、合成石英粉を数時間かけてガラス化する方法では石英ルツボの製造に適した評価を行うことが難しい。
【特許文献１】特開平１０−１５２３３０号公報
【特許文献２】特開平１０−１８２１３９号公報
【特許文献３】特開平１０−２３１１１７号公報
【特許文献４】特開２００２−１４０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の評価方法における上記問題を解決したものであり、合成石英粉について、半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として適切に評価する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決する手段として以下の構成を有する合成石英粉の評価方法に関する。
〔１〕合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法。
〔２〕合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にする上記[１]に記載する合成石英粉の評価方法。
〔３〕赤外線透過性のサンプルホルダーに合成石英粉を充填し、該サンプルホルダーを赤外線高速加熱炉に入れて合成石英粉を溶融ガラス化する上記[１]または上記[２]に記載する合成石英粉の評価方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の評価方法は、合成石英粉を３０分以内に溶融ガラス化し、好ましくは、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にするので、半導体シリコン単結晶の製造用石英ガラスルツボの製造工程に即して合成石英粉を適切に評価することができる。
【０００８】
具体的には、合成石英粉を溶融ガラス化する際に生じるガラス内部の微細気泡（マイクロバブル）の密度を石英ガラスルツボの製造方法に即して適切に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の方法は、合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法である。
【００１０】
〔ガラス化工程〕
本発明の評価方法は、合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊にする。好ましくは、合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にする。
【００１１】
合成石英粉の溶融ガラス化する時間が加熱開始から３０分を超えると、上記石英ガラスルツボの製造工程における加熱溶融時間に対して大幅に異なるようになるので好ましくない。一方、合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱すれば、概ね３分以内に合成石英粉を溶融ガラス化することができ、１７００℃〜１８００℃で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にすれば、上記石英ガラスルツボの製造工程における溶融ガラス化の加熱処理に近い熱履歴を与えることができる。
【００１２】
なお、石英ガラスルツボの製造工程において、合成石英粉を１０torr以下の減圧下で真空引きを行いながら加熱溶融してガラス化することによって、内部気泡を除去することが知られている。本発明の評価方法においても、合成石英粉を１０torr以下の減圧下で加熱溶融してガラス化することによって上記製造方法の加熱処理に応じた評価方法を実現することができる。
【００１３】
また、合成石英粉を溶融してガラス化した後に、この溶融ガラス化温度（１７００℃〜１８００℃）に２〜７分保持することによって、サンプルホルダー全体を一様な温度に保持しサンプルホルダー内に充填した合成石英粉全体のガラス化を促進させることが可能となる。
【００１４】
合成石英粉を上記昇温速度で溶融してガラス化する手段として、赤外線透過性のカーボン製サンプルホルダーを用い、このサンプルホルダーに合成石英粉を充填し、赤外線高速加熱炉に入れて加熱溶融するとよい。
【００１５】
〔気泡密度の測定〕
合成石英粉を加熱開始から１時間以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測する。
【００１６】
具体的には、例えば、ホルダーから取り出した石英ガラス塊を切断して厚さ２mm程度の板材を切り出し、この板材の両面を研磨して最終的に厚さ０.３mm〜０.４mm程度の鏡面研磨面の薄板サンプルを形成する。この薄板サンプルを光学顕微鏡観察し、観察される気泡の個数を計測して単位体積当たりの気泡密度を測定する。
【実施例】
【００１７】
本発明の実施例を比較例と共に以下に示す。
〔高速加熱装置〕合成石英粉の高速加熱装置として、アルバック理工株式会社製赤外線加熱装置（ＭＲ３９Ｈ/Ｄ）を用いた。
〔気泡密度〕気泡密度は顕微鏡下２０倍率の画像において、丸いコントラストとして観察される直径１mm以上の点を計測し、１ｃｍ3当たりの個数によって示した。
【００１８】
〔実施例１〕
評価対象である合成石英粉０.４〜０.５ｇを所定のセル容器（カーボン製ホルダー；８mmφ×１０mmＨ）に深さ８〜９分目まで充填し、高速加熱装置の加熱チャンバー内に挿入した。加熱を開始し、２０℃/secの速度で昇温して、約９０秒でセル容器の温度を１８００℃まで到達させ、そのままの状態で７分間保持した後にパワーオフした。セル容器の温度は、底部に接触した熱電対によって測定し、モニタリングした。セル容器が室温まで冷却されたのを確認した後、セル容器をチャンバー内から取り出し、石英粉が溶解して形成された石英ガラス塊をセル容器の中から取り出した。
円筒状の石英ガラス塊を、直径に対し垂直な方向にマイクロカッターで切断して厚さ２mm程度の板材を切り出し、この板材の面積最大面を両面共に研磨して、最終的に厚さ０.３〜０.４mmまで薄板化した。研磨は、研磨布を張った小型卓上研磨機で市販の研磨紙および研磨剤を使用して実施し、鏡面仕上げになるまで研磨を実施した。
得られた板状の石英ガラスサンプルを光学顕微鏡で観察し、サンプル内に発生した気泡（丸いコントラストとして観察される）の個数を計測し、その単位体積当たりの密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００１９】
〔実施例２〜３〕
昇温速度を１０℃/secまたは３０℃/secにした以外は実施例１と同様にして合成石英粉を加熱溶融してガラス化し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２０】
〔実施例４〕
加熱到達温度を１７００℃にした以外は実施例１と同様にして合成石英粉を加熱溶融してガラス化し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２１】
〔比較例１〕
評価対象である合成石英粉１５〜２０ｇをカーボン製の椀状の溶融容器に充填し、真空溶解炉に入れて加熱溶融し、石英ガラス塊にした。炉内の真空度は約１０-2torr、１８００℃までの昇温時間は２時間１０分、１８００℃での保持時間は１０分であった。熱処理後に、石英ガラス塊が室温まで冷却するまで約１２時間程度放置した後、溶融容器を炉内から取り出した。溶融容器内の石英ガラス塊について実施例１と同様にして板状の石英ガラスサンプルを作成し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２２】
〔比較例２、３〕
１８００℃までの昇温時間を３時間または４時間に変えた以外は実施例１と同様にして合成石英粉を加熱溶融してガラス化し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２３】
表１に示すように、実施例１〜４では、サンプル内に発生した気泡の密度を測定することができるが、従来の真空加熱炉をもちいた比較例１〜３では、加熱条件を変えても石英ガラス薄板のサンプルは完全に透明化しており、気泡の発生は殆ど観察されず、合成石英粉の評価方法としては不適切であることが分かる。
【００２４】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成石英粉について、半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として適切に評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成石英粉はアルコキシシランや四塩化珪素の加水分解によって製造することができ、高純度であるので半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として使用することができる。この合成石英粉の品質の良否は、最終的には実際に石英ルツボを製造して評価されるが、石英ルツボを製造せずに合成石英粉の品質を評価する方法として、合成石英粉を真空溶解炉で１７００℃〜１８００℃に加熱して溶融し、あるいは溶融後、１５００℃〜１６３０℃で５時間加熱処理した後に徐令して石英ガラス塊にし、光学的に評価する方法などが知られている（特許文献１〜４）。
【０００３】
しかし、従来の上記評価方法で用いる真空加熱炉は１７００℃〜１８００℃まで昇温するのに数時間を要するが、石英ガラスルツボの製造では、原料の合成石英粉を数分間のアーク溶融によって溶融ガラス化する。このため、従来の真空加熱炉を用いた評価方法は実際に石英ガラスルツボの製造における熱履歴を忠実に反映しているとは言い難い。
【０００４】
例えば、石英ガラスルツボの製造工程のように、合成石英粉を数分間で溶融ガラス化すると、石英粉の間に存在する空気が閉じ込められて気泡の多いガラスになりやすい。一方、合成石英粉を数時間かけて溶融ガラス化すると、合成石英粉の間に存在する空気はガラス化する途中で外部に抜け、気泡の少ないガラスになりやすい。このため、合成石英粉を数時間かけてガラス化する方法では石英ルツボの製造に適した評価を行うことが難しい。
【特許文献１】特開平１０−１５２３３０号公報
【特許文献２】特開平１０−１８２１３９号公報
【特許文献３】特開平１０−２３１１１７号公報
【特許文献４】特開２００２−１４０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の評価方法における上記問題を解決したものであり、合成石英粉について、半導体シリコン単結晶の製造用石英ルツボの原料として適切に評価する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決する手段として以下の構成を有する合成石英粉の評価方法に関する。
〔１〕合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法。
〔２〕合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にする上記[１]に記載する合成石英粉の評価方法。
〔３〕赤外線透過性のサンプルホルダーに合成石英粉を充填し、該サンプルホルダーを赤外線高速加熱炉に入れて合成石英粉を溶融ガラス化する上記[１]または上記[２]に記載する合成石英粉の評価方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の評価方法は、合成石英粉を３０分以内に溶融ガラス化し、好ましくは、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にするので、半導体シリコン単結晶の製造用石英ガラスルツボの製造工程に即して合成石英粉を適切に評価することができる。
【０００８】
具体的には、合成石英粉を溶融ガラス化する際に生じるガラス内部の微細気泡（マイクロバブル）の密度を石英ガラスルツボの製造方法に即して適切に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の方法は、合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法である。
【００１０】
〔ガラス化工程〕
本発明の評価方法は、合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊にする。好ましくは、合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にする。
【００１１】
合成石英粉の溶融ガラス化する時間が加熱開始から３０分を超えると、上記石英ガラスルツボの製造工程における加熱溶融時間に対して大幅に異なるようになるので好ましくない。一方、合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱すれば、概ね３分以内に合成石英粉を溶融ガラス化することができ、１７００℃〜１８００℃で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にすれば、上記石英ガラスルツボの製造工程における溶融ガラス化の加熱処理に近い熱履歴を与えることができる。
【００１２】
なお、石英ガラスルツボの製造工程において、合成石英粉を１０torr以下の減圧下で真空引きを行いながら加熱溶融してガラス化することによって、内部気泡を除去することが知られている。本発明の評価方法においても、合成石英粉を１０torr以下の減圧下で加熱溶融してガラス化することによって上記製造方法の加熱処理に応じた評価方法を実現することができる。
【００１３】
また、合成石英粉を溶融してガラス化した後に、この溶融ガラス化温度（１７００℃〜１８００℃）に２〜７分保持することによって、サンプルホルダー全体を一様な温度に保持しサンプルホルダー内に充填した合成石英粉全体のガラス化を促進させることが可能となる。
【００１４】
合成石英粉を上記昇温速度で溶融してガラス化する手段として、赤外線透過性のカーボン製サンプルホルダーを用い、このサンプルホルダーに合成石英粉を充填し、赤外線高速加熱炉に入れて加熱溶融するとよい。
【００１５】
〔気泡密度の測定〕
合成石英粉を加熱開始から１時間以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測する。
【００１６】
具体的には、例えば、ホルダーから取り出した石英ガラス塊を切断して厚さ２mm程度の板材を切り出し、この板材の両面を研磨して最終的に厚さ０.３mm〜０.４mm程度の鏡面研磨面の薄板サンプルを形成する。この薄板サンプルを光学顕微鏡観察し、観察される気泡の個数を計測して単位体積当たりの気泡密度を測定する。
【実施例】
【００１７】
本発明の実施例を比較例と共に以下に示す。
〔高速加熱装置〕合成石英粉の高速加熱装置として、アルバック理工株式会社製赤外線加熱装置（ＭＲ３９Ｈ/Ｄ）を用いた。
〔気泡密度〕気泡密度は顕微鏡下２０倍率の画像において、丸いコントラストとして観察される直径１mm以上の点を計測し、１ｃｍ3当たりの個数によって示した。
【００１８】
〔実施例１〕
評価対象である合成石英粉０.４〜０.５ｇを所定のセル容器（カーボン製ホルダー；８mmφ×１０mmＨ）に深さ８〜９分目まで充填し、高速加熱装置の加熱チャンバー内に挿入した。加熱を開始し、２０℃/secの速度で昇温して、約９０秒でセル容器の温度を１８００℃まで到達させ、そのままの状態で７分間保持した後にパワーオフした。セル容器の温度は、底部に接触した熱電対によって測定し、モニタリングした。セル容器が室温まで冷却されたのを確認した後、セル容器をチャンバー内から取り出し、石英粉が溶解して形成された石英ガラス塊をセル容器の中から取り出した。
円筒状の石英ガラス塊を、直径に対し垂直な方向にマイクロカッターで切断して厚さ２mm程度の板材を切り出し、この板材の面積最大面を両面共に研磨して、最終的に厚さ０.３〜０.４mmまで薄板化した。研磨は、研磨布を張った小型卓上研磨機で市販の研磨紙および研磨剤を使用して実施し、鏡面仕上げになるまで研磨を実施した。
得られた板状の石英ガラスサンプルを光学顕微鏡で観察し、サンプル内に発生した気泡（丸いコントラストとして観察される）の個数を計測し、その単位体積当たりの密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００１９】
〔実施例２〜３〕
昇温速度を１０℃/secまたは３０℃/secにした以外は実施例１と同様にして合成石英粉を加熱溶融してガラス化し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２０】
〔実施例４〕
加熱到達温度を１７００℃にした以外は実施例１と同様にして合成石英粉を加熱溶融してガラス化し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２１】
〔比較例１〕
評価対象である合成石英粉１５〜２０ｇをカーボン製の椀状の溶融容器に充填し、真空溶解炉に入れて加熱溶融し、石英ガラス塊にした。炉内の真空度は約１０-2torr、１８００℃までの昇温時間は２時間１０分、１８００℃での保持時間は１０分であった。熱処理後に、石英ガラス塊が室温まで冷却するまで約１２時間程度放置した後、溶融容器を炉内から取り出した。溶融容器内の石英ガラス塊について実施例１と同様にして板状の石英ガラスサンプルを作成し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２２】
〔比較例２、３〕
１８００℃までの昇温時間を３時間または４時間に変えた以外は実施例１と同様にして合成石英粉を加熱溶融してガラス化し、サンプル内に発生した気泡の密度を求めた。この結果を表１に示した。
【００２３】
表１に示すように、実施例１〜４では、サンプル内に発生した気泡の密度を測定することができるが、従来の真空加熱炉をもちいた比較例１〜３では、加熱条件を変えても石英ガラス薄板のサンプルは完全に透明化しており、気泡の発生は殆ど観察されず、合成石英粉の評価方法としては不適切であることが分かる。
【００２４】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法。
【請求項２】
合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にする請求項１に記載する合成石英粉の評価方法。
【請求項３】
赤外線透過性のサンプルホルダーに合成石英粉を充填し、該サンプルホルダーを赤外線高速加熱炉に入れて合成石英粉を溶融ガラス化する請求項１または請求項２に記載する合成石英粉の評価方法。
【請求項１】
合成石英粉を加熱開始から３０分以内に溶融ガラス化した後に、徐冷してガラス塊とし、このガラス塊から薄板を作成し、この薄板の表面を研磨した後に顕微鏡観察して気泡の密度を計測し、単位面積当たりの気泡密度を測定することを特徴とする合成石英粉の評価方法。
【請求項２】
合成石英粉を、大気下または減圧下、１０〜３０℃/secの昇温速度で１７００℃〜１８００℃まで加熱して溶融ガラス化し、上記温度範囲で２〜７分保持した後に室温まで徐冷してガラス塊にする請求項１に記載する合成石英粉の評価方法。
【請求項３】
赤外線透過性のサンプルホルダーに合成石英粉を充填し、該サンプルホルダーを赤外線高速加熱炉に入れて合成石英粉を溶融ガラス化する請求項１または請求項２に記載する合成石英粉の評価方法。
【公開番号】特開２０１０−１０１８１４（Ｐ２０１０−１０１８１４Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７４９８６（Ｐ２００８−２７４９８６）
【出願日】平成２０年１０月２５日（２００８．１０．２５）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２５日（２００８．１０．２５）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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