JP4419701B2 - 石英ガラスの成形装置 - Google Patents

Description

この発明は、石英ガラスより膨張係数の大きい材料からなるモールド内に石英ガラスを収容して加熱加圧成形することにより、石英ガラスを所定形状に成形する装置および成形方法に関する。

i線より短波長の光源を用いた投影露光装置の照明光学系あるいは投影光学系のレンズ、ミラー、レチクル等の光学部材では、材料として石英ガラスが多用されている。この石英ガラスは、例えば、火炎加水分解により透明石英ガラスを製造する直接法などの方法で合成されている。

直接法では、石英ガラス製バーナにて支燃性ガス（酸素含有ガス、例えば、酸素ガス）及び可燃性ガス（水素含有ガス、例えば、水素ガスあるいは天然ガス）を混合・燃焼させ、前記バーナの中心部から原料ガスとして高純度のケイ素化合物（例えば、四塩化ケイ素ガス）をキャリアガス（通常酸素ガス）で希釈して噴出させ、前記原料ガスを周囲の前記酸素ガス及び水素ガスの燃焼により反応（加水分解反応）させて石英ガラス微粒子を発生させ、その前記石英ガラス微粒子を、前記バーナ下方に配置され、回転および揺動および引き下げ運動を行う不透明石英ガラス板からなるターゲット上に堆積させ、同時に前記酸素ガス及び水素ガスの燃焼熱により溶融・ガラス化して石英ガラスインゴットを得ている。

この方法によると、比較的大きな径の石英ガラスインゴットを得易いため、インゴットからブロックを切り出して所望の形状，大きさの光学部材を製造することができる。

また、近年、大型のレンズやレチクル、或いは大型の液晶ディスプレイ等、広い面を有する光学部材を得るため、予め形成されたインゴット等の石英ガラス塊を加熱加圧成形することにより扁平形状にして面積を拡大する成形方法が利用されている。

この成形方法では、石英ガラス塊をモールド内に収容して加熱した状態で、加圧部により加圧することにより成形を行い、その後モールド内で徐冷したり、更にアニール処理を行い、１対向面の面積が拡大された所定形状の成形体を得ている。

このような加熱加圧成形を行うものとしては、例えば、グラファイト製のモールド内で、絶対圧が０．１Ｔｏｒｒ以上大気圧以下のヘリウムガス雰囲気下に、１７００℃以上の温度に加熱加圧成形し、ついで１１００〜１３００℃まで急冷する方法が知られている。また、石英ガラスとモールドの型材との熱膨張率差に起因する応力を緩和する構造を有するグラファイト製のモールドを用いて１６００℃〜１７００℃で加圧成形する方法（下記、特許文献１参照。）や、そのグラファイト製のモールドが２分割以上の縦型構造である成型装置が提案されている（下記、特許文献２及び３参照。）。更には、黒鉛製のモールド内面に石英粉末からなる被覆層を設けて、１５５０℃〜１７００℃で加圧成形する方法（下記、特許文献４参照。）も知られている。このような加熱加圧成形においては、不純物の混入を防止して成形時の耐熱強度を確保するため、グラファイトから肉厚に形成されたモールドが用いられている。

このグラファイトの膨張係数は石英ガラスの膨張係数より著しく大きく、グラファイトが８×１０^−６／℃であるのに対し、石英ガラスが５．５×１０^−７／℃である。そのため、成形後、モールド内に石英ガラスが収容された状態で冷却されると、石英ガラスの収縮量よりモールドの収縮量が大きくなるため、冷却時に石英ガラスがモールドにより圧迫され、その結果、石英ガラスに歪みや割れが生じ易い。そのため、特許文献１乃至３などでは、予め歪を回避する構造が採用されている。
特公平４−５４６２６号公報。 特開昭５６−１２９６２１号公報。 特開昭５７−６７０３１号公報。 特開２００２−２２０２０号公報。

しかしながら、このような加熱加圧成形により多種類の形状の石英ガラスを歩留良く成形するには、成形する石英ガラスの大きさの種類の分だけモールドを準備する必要がある。そのため、石英ガラスの収縮量とモールドの収縮量の差により石英ガラスに生じる歪や割れを回避する構造を、それぞれのモールドに設けなければならず、モールドの製造に手間を要するという問題点があった。

そこで、この発明では、石英ガラスの加熱加圧成形において、成形時の石英ガラスの歪や割れを生じにくく、しかも、部品の共通化が図れてモールドの製造が容易な石英ガラスの成形装置および成形方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決する請求項１に記載の発明は、石英ガラスを収容可能な中空部を有し、該石英ガラスより膨張係数の大きい材料からなるモールドと、前記中空部の内部に移動可能に配置された加圧部と、前記中空部に収容された前記石英ガラスを加熱する加熱手段とを備え、前記中空部内の石英ガラスを前記加熱手段で加熱しつつ前記加圧部により加圧して所定形状に成形する成型装置であって、前記モールドは、互いに当接した状態で組合されて側面周囲を形成する複数の側板と、該組合された複数の側板の前記側面周囲に嵌合される嵌合手段と、前記複数の側板の少なくとも一つの内面に隣接して配置されるスペーサとを有し、前記中空部は、組合された前記複数の側板及び前記スペーサの内側に形成され、前記成形時には前記嵌合手段により嵌合状態が維持されるとともに、該成形後の冷却時には、前記モールドと前記石英ガラスとの膨張係数の相違に基づいて前記複数の側板に負荷される外方向の力により前記嵌合手段の嵌合状態が解除されて、前記側板が前記スペーサを介して移動することにより、前記複数の側板同士が離間するように、前記複数の側板と嵌合手段との嵌合面がテーパ形状に形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記全ての側板毎に独立した前記スペーサが配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記嵌合手段は、前記複数の側板の外側に嵌合された枠形状の支持リングを有し、前記外方向の力により前記嵌合面同士が摺動して前記支持リングが抜け方向に移動することにより、前記複数の側板同士が互いに離間する方向に移動するように構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の構成に加え、前記嵌合手段は、前記複数の側板の下端部が嵌合される凹部を備えた底部を有し、前記外方向の力により前記複数の側板が前記底部の凹部から抜け方向に移動することにより、前記複数の側板同士が互いに離間する方向に移動するように構成されたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一つに記載の構成に加え、前記中空部の横断面形状が略多角形状を呈し、該形状のコーナー部が前記スペーサの端部によりＲ形状に形成されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一つに記載の発明は、前記中空部の横断面形状が略多角形状を呈し、該形状のコーナー部が前記スペーサの端部により鈍角となるように複数の傾斜面が形成されたことを特徴とする。

請求項１又は２に記載の発明によれば、モールドが、互いに当接した状態で組合されて側面周囲を形成する複数の側板と、その複数の側板の少なくとも一つの内面に隣接して配置されるスペーサと、これらを組合わせて内側に中空部が形成された状態で嵌合される嵌合手段を有するので、異なる成形工程において、厚み等の異なるスペーサと交換すれば、容易に中空部の大きさを変更することができる。そのため、複数の側壁及び嵌合手段を共通に用いて、異なる大きさの石英ガラスを形成することができるため、モールドの製造が容易である。

しかも、成形時には嵌合状態が維持されるとともに、成形後の冷却時には、モールドと石英ガラスとの膨張係数の相違に基づいて複数の側板に負荷される外方向の力により嵌合状態が解除されて、側板がスペーサを介して移動することにより複数の側板同士が離間するように、嵌合面にテーパ形状が形成されているので、成形後の冷却時に、膨張係数の差に基づいて石英ガラスとモールドとの収縮量に差が生じると、嵌合手段の嵌合状態が解除されて、スペーサ及び側板が分割し、応力を解放することができ、石英ガラスの割れや歪みを抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、嵌合手段が複数の側板の外側に嵌合された枠形状の支持リングを有し、外方向の力により嵌合面同士が摺動して支持リングが抜け方向に移動することにより、複数の側板同士が互いに離間する方向に移動するように構成されているので、モールドの組立及び分解の際に複数の側板及び嵌合手段の着脱が容易であり、また、共通の側壁及び嵌合手段を用いるため、中空部の面積等の平面形状を変更しても同じ動作が得られ、冷却時の歪みや割れの発生を確実に防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、嵌合手段が複数の側板の下端部が嵌合される凹部を備えた底部を有し、外方向の力により複数の側板が底部の凹部から抜け方向に移動することにより、複数の側板同士が互いに離間する方向に移動するように構成されているので、モールドの組立及び分解の際に複数の側板及び嵌合手段の着脱が容易であり、また、共通の側壁及び嵌合手段を用いるため、中空部の面積等の平面形状を変更しても同じ動作が得られ、冷却時の歪みや割れの発生を確実に防止することができる。

請求項５に記載の発明によれば、中空部の横断面形状が略多角形状を呈し、該形状のコーナー部がスペーサの端部によりＲ形状に形成されているので、成形された石英ガラスのコーナー部に応力が集中されるのを防止することができ、コーナー部の歪みや割れを防止して石英ガラスを成形し易く、歩留まりを大幅に向上し易い。

請求項６に記載の発明によれば、中空部の横断面形状が略多角形状を呈し、該形状のコーナー部がスペーサの端部により鈍角となるように複数の傾斜面が形成されているので、成形された石英ガラスのコーナー部に応力が集中されるのを防止することができ、コーナー部の歪みや割れを防止して石英ガラスを成形し易く、歩留まりを大幅に向上し易い。

［実施の形態１］
以下、この発明の実施の形態１について説明する。

図１乃至図３はこの実施の形態の成形装置を示す。

この成形装置１０は、四塩化ケイ素、シラン、有機ケイ素等のケイ素化合物を原料して製造される合成石英ガラスのインゴットやその一部、または、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｂ、Ｆ、Ａｌ等の屈折率を変化させる成分を添加した合成石英ガラスのインゴットやその一部等の石英ガラスから、例えば、大型の液晶用マスク、半導体用マスク等のレチクル（フォトマスク）用基板、結像光学系の大型のレンズ材料などのように広い面を有する板状体やその他の大型ガラスブロックを成形するための装置である。

この成形装置１０では、金属製の真空チャンバー１１の内壁に、全面にわたって設けられた断熱材１２と、断熱材１２の縦壁内に設けられた加熱手段としてのカーボンヒータ１３とが設けられ、更に、真空チャンバー１１内部の略中央部に中空部２１を有するモールド１５が収容されている。

このモールド１５は、底板１６及び受板１７を備えた底部１８と、この底部１８の上部に配置された側壁部２０とを備えて、側壁部２０の内側に中空部２１が形成されている。

側壁部２０は、複数の側板１９と、この複数の側板１９の内面１９ａ側に隣接して配置された複数のスペーサ３０とが組合わされ、複数の側板１９の外周側面１９ｂ周囲に嵌合手段としての支持リング２４が嵌合して構成されている。

スペーサ３０は、一方の面が中空部２１の壁面を構成する内面３０ａとなり、他方の面が側板の内面１９ａと隣接した状態で配置される外面３０ｂとなる四角形状の板材である。この実施の形態では、スペーサ３０の外面３０ｂは側板１９の内面１９ａの略全面に接しており、全ての複数の側板１９毎にぞれぞれ独立したスペーサ３０が接触した状態で配置されている。また、スペーサ３０の両側縁には、内面３０ａ側に配向する傾斜側面３０ｃを有しており、互いに当接した状態で配置されている。

側板１９は、一方の面がスペーサ３０と接触する内面１９ａとなり、他方の面が側壁部２０の側面周囲を構成する外面１９ｂとなる四角形状の板材である。この側板１９の両側には、内面１９ａ側に配向する傾斜側面１９ｃを有し、互いに当接して配置されている。上端部１９ｄ及び下端部１９ｅには、それぞれ外面１９ｂ側に配向するテーパ形状の嵌合面１９ｆ、１９ｇを有している。

同様に、支持リング２４は、中空に形成された４角形状の枠であり、側板１９の嵌合面１９ｆと一致するテーパ形状の嵌合面２４ａを内側に有している。

そして、この側壁部２０は、傾斜側面１９ｃ同士を面接触させて当接させて４枚の側板１９を四角筒状に組み合わせ、更に、この内側にスペーサ３０を隣接させた状態で組み合わせ、この状態で４枚の側板１９の周囲に支持リング２４を装着して、側板１９の嵌合面１９ｆに支持リング２４の嵌合面２４ａを嵌合させることにより形成されている。

また、底部１８の底板１６には、側壁部２０の下端部１９ｇを挿入可能な嵌合手段としての凹部１６ａが形成されている。この凹部１６ａには、４枚の側板１９の嵌合面１９ｇと一致するテーパ形状の嵌合面１６ｂが形成されている。

そして、前記のように組立てられて、スペーサ３０を側板１９a面に配置した状態の側板１９の下端部１９ｅ側を、この凹部１６ａに挿入することにより、嵌合面１９ｇの周囲に凹部１６の嵌合面１６ｂを嵌合させ、更に、中空部２１内の下端部、即ち、スペーサ３０の内側の下部に受板１７を配置することにより、モールド１５が形成されている。

このモールド１５の中空部２１は、図３に示すように、横断面形状が四角形状を呈し、全てのコーナー部２７がＲ形状に形成されている。このＲ形状は、スペーサ３０の両側縁に形成された曲面形状を連続させることにより形成されている。

さらに、中空部２１には、塊状の石英ガラス２５が配置された状態で、中空部２１の形状に対応する形状の加圧部としての天板２３が移動可能に配置されている。

天板２３は、押圧面２３ｂ（上面）を、真空チャンバー１１の外部に配設された成形手段としての油圧シリンダのシリンダロッド２６で押圧することにより、天板２３の加圧面２３ａで塊状の石英ガラス２５を加圧可能に構成されている。

なお、シリンダロッド２６を備えた油圧シリンダは、外部から供給する油圧を調整することにより加圧されて移動するように構成されているが、詳細な図示は省略されている。

これらの底板１６、受板１７、側板１９、スペーサ３０、支持リング２４、及び天板２３は、何れも石英ガラス２５の成形時の温度及び圧力に対する耐熱性及び強度を有し、且つ、成形時に石英ガラス２５と接触しても不純物を混入しにくい材料から形成されており、ここでは全て、石英ガラスの膨張係数より大きい膨張係数を有するグラファイトにより形成されている。

このうち、側板１９及びスペーサ３０には成形時に大きな曲げ方向の力が負荷される。そのため、側板１９の板厚を成形時に負荷する圧力に応じて選択するのがよく、例えば、成形時の成形圧力が天板２３の加圧面２３ａの単位面積当たりに換算した圧力の０．３〜５．０Ｋｇ／ｃｍ^２の場合、好ましくは２０〜７０ｍｍ、特に、３０〜５０ｍｍの範囲とするのが好適である。板厚が薄いと、側板１９が撓んで、冷却時に石英ガラス２５を圧縮する応力が増加し易くなる。

また、スペーサ３０の板厚は、好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍがよく、特に、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲とするのが好適である。これらの板厚が薄いと、取り扱いが難しく破損しやすくなり、一方、板厚が厚いと、電熱に余分な時間を要することとなる。

この成形装置１０では、モールド１５の側板１９の嵌合面１９ｆと支持リング２４の嵌合面２４ａとのテーパ形状、並びに、側板１９の嵌合面１９ｇと凹部１６ａの嵌合面１６ｂとのテーパ形状は、何れも成形時に嵌合状態を維持できるとともに、成形後の冷却時には嵌合状態を解除できるように設定されている。

即ち、側板１９の嵌合面１９ｆと支持リング２４の嵌合面２４ａ、並びに側板１９の嵌合面１９ｆと凹部１６ａの嵌合面１６ｂには、それぞれ嵌合状態とすることにより、互いに相対移動を抑制する摩擦力が作用している。この状態で、各スペーサ３０を介して各側壁１９に外方向の力が負荷されると、嵌合面１９ｆ、２４ａ間、並びに嵌合面１９ｇ、１６ｂ間には、テーパ形状に応じたぬけ方向の力が作用する。ここでは、抜け方向の力が、嵌合状態の摩擦力より小さい範囲では、各嵌合面１９ｆ、２４ａ間、並びに嵌合面１９ｇ、１６ｂ間は摺動することなく、嵌合状態を維持することができる。一方、抜け方向の力が嵌合状態の摩擦力より大きくなると、各嵌合面１９ｆ、２４ａ間、並びに嵌合面１９ｇ、１６ｂ間が摺動して嵌合状態が解除される。

従って、この成形装置１０では、成形時に石英ガラス２５が天板２３により加圧されて変形することにより生じる側板１９の外方向の力では、嵌合面１９ｆ、２４ａ間、並びに嵌合面１９ｇ、１６ｂ間の嵌合状態が維持されるテーパ形状となっている。

同時に、成形後の冷却時に、モールド１５と石英ガラス２５との膨張係数の相違による収縮量の差から各側板１９に支持リング２４及び凹部１６ａに対して外方向となる力が作用した場合には、各嵌合面１９ｆ、２４ａ間、並びに嵌合面１９ｇ、１６ｂ間が摺動して、嵌合状態が解除されるテーパ形状となっている。

このようなテーパ形状は、各嵌合面の性状等により適宜選択することができるが、例えば、成形時の天板２３による圧力が０．３〜５．０Ｋｇ／ｃｍ^２の範囲の場合、各嵌合面のテーパ形状を６０°〜７５°の仰角となるように設定するのが好ましい。

次に、以上のような構成の成形装置１０により、塊状の石英ガラス２５を加熱加圧成形する場合について説明する。まず、真空チャンバー１１内に底板１６、受板１７、側板１９、スペーサ３０及び支持リング２４を組合わせてモールド１５を形成する。そして、モールド１５の中空部２１内に塊状の石英ガラス２５を配置し、その上部に天板２３を配置し、更に、天板２３の押圧面２３ｂに油圧シリンダのシリンダロッド２６の押圧部位２６ａを当接させてセットする。この実施の形態では、塊状の石英ガラス２５として合成石英ガラスインゴットを用いている。

そして、真空チャンバー１１内を不活性ガスで置換し、カーボンヒータ１３により中空部２１内の塊状の石英ガラス２５を加熱して、結晶化温度以上軟化点以下、具体的には１５７０℃〜１６７０℃に昇温して成形を行う。

成形時には、各油圧シリンダのシリンダロッド２６を油圧で下方へ移動させて、シリンダロッド２６の押圧部位２６ａで天板２３の押圧面２３ｂを押圧する。これにより、天板２３が底部側の加圧方向に移動し、天板２３の加圧面２３ａにより塊状の石英ガラス２５が加圧される。

ここでは、成形初期の段階で天板２３の圧力を小さくし、最終段階で最大加圧力となるようにしている。例えば、初期の段階では天板２３の加圧面２３ａの単位面積当りに換算した圧力を０．３〜１．５Ｋｇ／ｃｍ^２とし、成形の最終段階では１．０〜５．０Ｋｇ／ｃｍ^２とすることができる。また、天板２３の下降速度を、例えば５〜２０ｃｍ／ｍｉｎとすることができる。このような圧力や下降速度の範囲にすることにより、石英ガラス２５を徐々に変形させ易く、モールド１５に局部的に大きな力が負荷されにくくすることができる。

天板２３により石英ガラス２５を加圧する間、複数のスペーサ３０及び複数の側板１９には、石英ガラス２５を介して天板２３の押圧力が外方向の力として負荷される。成形の最終段階では、天板２３より下側の中空部２１の体積が石英ガラス２５の体積となり、内部に空隙が無くなるように予め設定された所定量分シリンダーロッド２６及び天板２３が移動することにより、最終的に天板２３の圧力が複数のスペーサ３０及び複数の側板１９に負荷される。

そのとき、複数の側板１９の上端部１９ｄが支持リング２４の貫通孔２４ａに嵌合した状態で維持されるため、複数の側板１９の上端部１９ｄは外方向に移動することはない。また、同時に複数のスペーサ３０も外方向に移動することはない。更に、複数の側板１９の下端部１９ｅが底板１６の凹部１６ａに嵌合した状態で維持されるため、複数の側板１９の下端部１９ｅが外方向に移動することはない。また、同時に複数のスペーサ３０も外方向に移動することはない。従って、成形時には、モールド１５の中空部２１の形状が確実に維持される。

そして、塊状の石英ガラス２５が所定形状の板状体に成形された段階で、天板２３による加圧を終了する。

加圧終了後、板状の石英ガラス２５を、モールド１５内に配置した状態のまま適宜冷却速度を設定して冷却を行う。

このとき、成形直後の石英ガラス２５はモールド１５の中空部２１の内壁に密着した状態で配置されており、この状態から温度が低下すると、温度変化に応じた石英ガラス２５及びモールド１５とが熱収縮を起こす。このときの収縮量はそれぞれの膨張係数に応じたものとなるため、モールド１５の収縮量が石英ガラス２５より大きくなる。

そのため、枠状の支持リング２４が収縮すると、その内周の嵌合面２４ａに当接する側板１９の上端部１９ｄの嵌合面１９ｆを内側に圧迫する。しかし、石英ガラス２５の収縮が少ないため、スペーサ３０及び側板１９の上端部は内側に移動できず、その結果、支持リング２４に側板１９から外方向の力が負荷される。これにより、側板１９の嵌合面１９ｆと支持リング２４の嵌合面２４ａとの嵌合状態が解除されて、支持リング２４が側板１９から上側の抜け方向に移動する。

また、底板１６の収縮により凹部１６ａが収縮すると、その内周面に当接する側板１９の下端部１９ｅの嵌合面１９ｇが内側に圧迫される。しかし、石英ガラス２５の収縮が少ないため、スペーサ３０及び側板１９の下端部は内側に移動できず、側板１９から凹部１６ａに外方向の力が負荷される。これにより、側板１９の嵌合面１９ｇと凹部１６ａの嵌合面１６ｂとの嵌合状態が解除されて、側板１９が凹部１６ａから上側の抜け方向に移動すると同時にスペーサ３０も側板１９に連動して上側の抜け方向に移動する。

このようにして嵌合面の嵌合状態が解除されることにより、複数のスペーサ３０同士及び複数の側板１９同士が離間する方向に移動し、成形された石英ガラス２５がモールド１５により圧縮されることを防止することができる。そして、十分に冷却することにより、成形が完了する。

以上のような石英ガラス２５の成形装置１０によれば、互いに当接した状態で組合されて側面周囲を形成する複数の側板１９と、この複数の側板１９の内面に隣接して配置されるスペーサ３０とを組合わせて中空部２１が形成されており、この状態で複数の側板１９の側面１９ｂ周囲に底板１６の凹部１６ａまたは支持リング２４とが嵌合されているので、異なる成形工程において、同一の複数の側板１９を用いるとともに、同一の底部１６及び支持リング２４を用いても、厚さの異なるスペーサ３０に交換すれば、容易に中空部２１の大きさを変更することが可能である。そのため、側壁１９、底部１６、支持リング２４等を共通に用いて、異なる大きさの石英ガラスを成形することができる。

しかも、複数の側板１９の側面周囲に底板１６の凹部１６ａまたは支持リング２４とが成形時に嵌合状態を維持するとともに、成形後の冷却時に嵌合状態を解除できるように構成されているので、成形後の冷却時には、嵌合状態が解除されることにより複数のスペーサ３０とともに連動して複数の側板１９が離間されて応力を解放することができる。そのため、成形された石英ガラス２５の割れや歪みを抑制することができる。

また、枠形状の支持リング２４がスペーサ３０を内側に配置した状態で組合わせた複数の側板１９の外側に嵌合するものであるため、モールド１５の組立又は分解の際に複数の側板１９を組合わせて支持リング２４内に挿入又は脱離すれば、容易に着脱することができる。同時に、この支持リング２４が側板１９の側面１９ｂ周囲に嵌合するものであって、外方向の力により抜け方向に移動可能となっているので、冷却時の石英ガラス２５の歪みや割れの発生も防止することができる。

更に、底板１６の凹部１６ａが、スペーサ３０を内側に配置した状態で組合わせた複数の側板１９の下端部１９ｅの外表面に嵌合するものであるため、モールド１５の組立又は分解の際に複数の側板１９を組合わせて底板１６の凹部１６ａ内に挿入又は脱離すれば、容易に着脱することができる。同時に、この凹部１６ａが側板１９の側面１９ｂ周囲に嵌合するものであって、外方向の力により抜け方向に移動可能となっているので、冷却時の石英ガラス２５の歪みや割れの発生も防止することができる。

そのため、この複数の側板１９と支持リング２４や底板１６とを用いて、異なるスペーサ３０を配置することにより異なる形状の石英ガラスを成形するとしても、全く同一に石英ガラス２５の歪みや割れの発生を防止することができる。

また、中空部２１の横断面形状が略四角形形状を呈し、コーナー部２７がＲ形状に形成されているので、成形された四角形形状の石英ガラス２５において、コーナー部２７に応力が集中されることを防止でき、コーナー部２７の歪みや割れを防止して成形することができ、歩留まりを大幅に向上し易い。

なお、上記の実施の形態１では、板状の石英ガラス２５を成形する例について説明したが、板状体以外の成形体であっても、この発明は適宜適用可能である。

また、上記実施の形態では、全ての側板１９のそれぞれにスペーサ３０を配置して、スペーサ３０の内面３０ａだけで中空部２１の内表面を形成したが、少ない数のスペーサ３０を用いて、中空部２１の内表面の一部を側壁１９の内面１９ａで構成することも可能であり、また、成形可能であれば、異なる形状のスペーサ３０を用いることも可能である。

更に、上記では、複数の側板１９とスペーサ３０とが共にグラファイトからなり、両者が直接接触して配置された例について説明したが、各側板１０とスペーサ３０との間に、例えば、フエルトカーボン等のように熱膨張係数が異なる部材を配置して、加熱加圧後に側板１９とスペーサ３０が接合されること防止してもよい。

また、上記では、天板２３を１本の油圧シリンダのシリンダロッド２６で押圧する例について説明したが、複数のシリンダロッド２６を用いて天板２３を押圧してもよく、更に、油圧シリンダでなく、他の機械的な成形手段を用いることも可能である。

更に、上記では、結晶化温度以上軟化点温度以下の温度で成形する例について説明したが、石英ガラス２５の結晶化温度以上で成形すればよく、例えば軟化点より高い温度であってもよい。
［発明の実施の形態２］

次に、実施の形態２について説明する。図４はこの実施の形態２の成形装置を示す。

この実施の形態２の成形装置１０では、横断面形状が略四角形形状の中空部２１において、コーナー部２７を形成するスペーサ３０の側縁に、鈍角となるように複数の傾斜辺２９を設けた他は、実施の形態１の成形装置１０と同一の構成を有している。

このような成形装置１０であっても、成形された略四角形形状の石英ガラス２５において、コーナー部２７に応力が集中されるのを防止することができるため、コーナー部２７の歪みや割れを防止し易く、実施の形態１と同様に歩留まりを大幅に向上し易い。

以下、実施例について説明する。
比較例１

直径４００ｍｍ、長さ５００ｍｍ、重さ１３８Ｋｇの四塩化ケイ素を原料として、直接法により製造された合成石英インゴットを、１辺が５６０ｍｍの四方形状を有する四つ割のグラファイト製モールド１５に入れ、熱間成形機にセットした。このインゴットの上面に厚さ３０ｍｍの天板２３を置き、このインゴットの下面に厚さ３０ｍｍの受板１７を置いた。更に、天板２３にシリンダロッド２６を配置した。

この後、真空ポンプにて、真空チャンバー１１内の圧力を５０Ｐａまで減圧した後、純粋な窒素ガスを圧力３×１０^４Ｐａまで充填させた。

そして、昇温を開始し、３時間で１６２０℃まで昇温させ、１６２０℃で０．５時間保持した。

その後、シリンダロッド２６により、初期荷重を３．５ｔｏｎ、プレス速度を５ｍｍ／ｓｅｃにて天板２３を押圧し、インゴットの成形を行った。シリンダロッド２６の変位ストロークが天板２３より下側の中空部２１に空隙が無くなる計算上の位置に達したところで加圧を終了し、カーボンヒータ１３の温度を下げて３００℃まで急冷した。

この後、モールド１５を取り出して、成形品を取り出した。成形品は一辺が５６０ｍｍで、高さが２００ｍｍであった。

成形品を観察したところ、全面が透明であったが、四隅の角部に若干の割れが生じていた。また、四隅に残留歪みが若干残っていた。そして、この成形品からは有効角材として１辺が４６０ｍｍ、厚さ１８０ｍｍ、重さ８４ｋｇの板状体が採取できた。
実施例１

モールド１５として、一辺が５６０ｍｍの四方形状で、スペーサ３０の板厚が３０ｍｍでコーナー部がＲ４０のものを使用した。他は、比較例１と同一にして成形品を成形した。成形品は一辺が５００ｍｍで、高さが２５２ｍｍであった。

成形品を観察したところ、全面が透明であったが、四隅のＲ形状には割れを確認できず、成形品の周辺１５ｍｍを除いて歪みを確認できなかった。そして、この成形品からは有効角材として１辺が４６０ｍｍ、厚さ２３５ｍｍ、重さ１０９ｋｇの板状体が採取できた。
実施例２

モールド１５として、一辺が５６０ｍｍの四方形状で、スペーサ３０の板厚が３０ｍｍで、コーナー部に傾斜面が３４ｍｍで２つの分割線を有する１２角形状のものを使用した他は、比較例１と同一にして成形品を成形した。成形品は一辺が５００ｍｍで、高さが２５３ｍｍであった。

成形品を観察したところ、全面が透明であったが、四隅には割れ及び残留歪みを確認できなかった。そして、この成形品からは有効角材として１辺が４７０ｍｍ、厚さ２３５ｍｍ、重さ１１４ｋｇの板状体が採取できた。
実施例３

モールド１５として、一辺が５６０ｍｍの四方形状で、スペーサ３０の板厚が２０ｍｍで、コーナー部に傾斜面が３４ｍｍで２つの分割線を有する１２角形状のものを使用した他は、比較例１と同一にして成形品を成形した。成形品は一辺が５２０ｍｍで、高さが２３３ｍｍであった。

成形品を観察したところ、全面が透明であったが、四隅には割れ及び残留歪みを確認できなかった。そして、この成形品からは有効角材として１辺が４８０ｍｍ、厚さ２１３ｍｍ、重さ１０８ｋｇの板状体が採取できた。

この発明の実施の形態１の成形装置を示す概略縦断面図である。 同実施の形態の成形装置のモールドを示す概略縦断面図である。 同実施の形態の成形装置の側壁部の横端面図である。 この発明の実施の形態２の成形装置の側壁部の横端面図である。

符号の説明

１０ 成形装置
１１ 真空チャンバー
１３ カーボンヒータ
１５ モールド
１６ 底板
１６ａ 凹部（嵌合手段）
１８ 底部
１９ 側板
２０ 側壁部
２０ａ、２０ｂ テーパ部
２１ 中空部
２３ 天板（加圧部）
２４ 支持リング（嵌合手段）
２５ 石英ガラス
２６ シリンダロッド（成形手段）
３０ スペーサ

Claims (6)

1. 石英ガラスを収容可能な中空部を有し、該石英ガラスより膨張係数の大きい材料からなるモールドと、前記中空部の内部に移動可能に配置された加圧部と、前記中空部に収容された前記石英ガラスを加熱する加熱手段とを備え、前記中空部内の石英ガラスを前記加熱手段で加熱しつつ前記加圧部により加圧して所定形状に成形する成型装置であって、
   前記モールドは、互いに当接した状態で組合されて側面周囲を形成する複数の側板と、該組合された複数の側板の前記側面周囲に嵌合される嵌合手段と、前記複数の側板の少なくとも一つの内面に隣接して配置されるスペーサとを有し、
   前記中空部は、組合された前記複数の側板及び前記スペーサの内側に形成され、
   前記成形時には前記嵌合手段により嵌合状態が維持されるとともに、該成形後の冷却時には、前記モールドと前記石英ガラスとの膨張係数の相違に基づいて前記複数の側板に負荷される外方向の力により前記嵌合手段の嵌合状態が解除されて、前記側板が前記スペーサを介して移動することにより、前記複数の側板同士が離間するように、前記複数の側板と嵌合手段との嵌合面がテーパ形状に形成されていることを特徴とする石英ガラスの成形装置。
2. 前記全ての複数の側板毎に独立した前記スペーサが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスの成形装置。
3. 前記嵌合手段は、前記複数の側板の外側に嵌合された枠形状の支持リングを有し、前記外方向の力により前記嵌合面同士が摺動して前記支持リングが抜け方向に移動することにより、前記複数の側板同士が互いに離間する方向に移動するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の石英ガラスの成形装置。
4. 前記嵌合手段は、前記複数の側板の下端部が嵌合される凹部を備えた底部を有し、前記外方向の力により前記複数の側板が前記底部の凹部から抜け方向に移動することにより、前記複数の側板同士が互いに離間する方向に移動するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の石英ガラスの成形装置。
5. 前記中空部の横断面形状が略多角形状を呈し、該形状のコーナー部が前記スペーサの側縁によりＲ形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の石英ガラスの成形装置。
6. 前記中空部の横断面形状が略多角形状を呈し、該形状のコーナー部が前記スペーサの側縁により鈍角となるように複数の傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の石英ガラスの成形装置。

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