JP6329879B2

JP6329879B2 - 石英ガラスの成型方法

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Publication number: JP6329879B2
Application number: JP2014221362A
Authority: JP
Inventors: 英昭岡田; 堀越　秀春; 秀春堀越
Original assignee: 東ソ−・エスジ−エム株式会社
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: JP2016088765A

Description

本発明は、石英ガラスの成型方法に関する。特に本発明は、半導体用途に使用する石英ガラスの成型方法に関する。

石英ガラス製品には多様な製品形状があるため、石英ガラス塊の一次素材を製造し、ガラス塊から製品加工することが一般的である。近年、半導体装置の大口径化に伴い石英ガラス塊は大きくなる方向にある。しかし、従来の小口径の製品も混在している環境において、大型、小型の石英ガラス塊の両方を併産することは生産性、ロット数（在庫増加）など非効率である。このような背景から大型石英ガラス塊を生産する比率が高まっている状況にある。

例えば、大型ガラス塊の直方体□750×高さ300mmから工作機械のコアドリルを用いて小口径のリング状の製品を加工する場合、例えば、□750×300ＨをＯＤ360mm、ＩＤ320×H300mmのリング状の製品4個を加工する。この場合、大型ガラス塊の質量は371ｋｇであるのに対して、リング状の製品の質量は56.4ｋｇ(＝14.1ｋｇ×4個)であり、歩留15％と低い。コアドリルで抜いた端材（中芯）を処分しており、端材(Φ310×300H×4個)を質量に換算すると199.2ｋｇ(＝49.8ｋｇ×4個)にもなる。

そこで、本発明者は、一次素材の大型石英ガラス塊の制約がある中で素材を有効利用し、歩留（生産性）を改善する方法として、コアドリル工程で副生する中芯を、加熱伸展成型によりリング状の成型体とすることができないか検討した。

加熱伸展成型とは、一般に鋳型の中に石英ガラスインゴットを仕込み、軟化温度以上に加熱し、石英ガラスの形を変える方法をいう。前記中芯を石英ガラスインゴットとし、この中芯の円柱からリング形状に変形させて、製品に近いリング形状を製作することを試みた。

特に、最近、製品形状が薄肉・長尺化リングの需要にシフトしてきている。このような背景から、本発明では、薄肉・長尺化したリング形状の石英ガラス製品の製造方法を提供すべく検討した。

加熱伸展成型を利用してリング形状の石英ガラス製品を製造する方法しては特許文献1、2に記載の方法が知られている。特許文献１に記載の方法は、鋳型の外筒が一体構造であるため、鋳型から長尺の成型体を取り出すのが困難であり、この構造は長尺の成型体の製造には不適であった。

特許文献2に記載の方法は、外筒を分割構造としているため、成型体を取り出すのは容易である。

特開2009-23485号公報特開2011-236101号公報

しかし、特許文献2に記載の方法は、外筒が分割構造であることに起因して、成型（リング）の肉厚(=（内径/外径）/2)が51mm以下、長尺（リング）が300mm以上になると、偏芯が顕著になることを追試により確認した。このように、成型（リング）を薄肉・長尺化した場合、特許文献2に記載の方法では、偏芯が顕著になるという課題があることが明らかになった。

そこで本発明の目的は、加熱伸展成型を利用してリング形状の石英ガラス製品を製造する方法であって、薄肉・長尺化したリング形状の石英ガラス製品であっても、加熱伸展成型ときの偏芯を抑制して、肉厚に偏りのないリング形状の石英ガラス製品を製造できる方法を提供することにある。

本発明は以下の通りである。
[１]
加熱伸展成型を利用してリング形状の石英ガラス製品を製造する方法であって、
前記加熱伸展成型に用いる鋳型は、
・重石、
・重石の上下の移動量を制御するためのガイド、
・石英ガラス製品のリングの内径を形成するためのパンチ、
・ガイドの周囲を囲み、ガイドの上下動の方向を制御するための上外筒、
・縦方向に分割可能な少なくとも２つの湾曲形状の側板から構成される、石英ガラスを収容するための下外筒、
・上外筒と下外筒との間に設ける上部緩衝材、
・下外筒の下端を支持するための環状溝部と環状溝部に囲まれた、石英ガラスを置くための底面からなる底板、及び
・下外筒の下端部と底板の環状溝部との間に設ける下部緩衝材
を含み、
但し、
・上外筒は、内径の異なる上外筒上部と上外筒下部とからなる一体構造を有し、
・上外筒上部の内径は、ガイドの外径と略同一であり、
・上外筒下部の内径は、下外筒の外径より大きく、
・上外筒下部の下端内周面は、脱着可能なリング状突起部を有し、リング状突起部の内径は、下外筒の外径より大きく、
・上外筒上部の内径は、下外筒の内径と略同一であり、
・上外筒上部の下端面は、下外筒の上端面と当接し、
・下外筒の側板上端は、上外筒下部のリング状突起部より上部の内周面に沿って設けられた上部緩衝材を介して、支持され、
・下外筒の側板下端は、側板の下端が底板の環状溝部と係合し、かつ側板の下端の外周と底板の環状溝部の内周の間に設けられた下部緩衝材を介して支持される、
・前記鋳型の底板と下外筒とで形成される空間に被成形用石英ガラス塊を供給し、被成形用石英ガラス塊が変形可能な温度において、前記被成形用石英ガラス塊を前記重石の作用により前記パンチで押圧して変形させてリング状の石英ガラス製品を得る、ことを含む、前記方法。

[２]
前記上部緩衝材及び下部緩衝材はカーボン製フェルトである［１]に記載の製造方法。
[３]
前記下外筒は、縦方向に３分割された湾曲形状の側板からなる［１]に記載の製造方法。
[４]
上外筒上部の下端面の平面形状は、環リボン状であり、その一部の面に下外筒の上端面が当接する、［１]〜［３］のいずれかに記載の製造方法。
[５]
下外筒の内周面上部は、上部開口に向かって、内径が増大するテーパー形状である、［１]〜［４］のいずれかに記載の製造方法。
[６]
リング状突起部は、上外筒下部の下端内面に、螺子構造により脱着可能とされる、［１]〜［５］のいずれかに記載の製造方法。

本発明によれば、薄肉・長尺化したリング形状の石英ガラス製品であっても、加熱伸展成型ときの偏芯を抑制して、肉厚に偏りのないリング形状の石英ガラス製品を歩留り良く製造することができる。

本発明で用いる鋳型（組立時）の縦断面図である。本発明の方法で押圧した際の鋳型及び石英ガラスの状態を示す縦断面図である。

本発明は、加熱伸展成型を利用してリング形状の石英ガラス製品を製造する方法に関する。加熱伸展成型に用いる鋳型について説明する。

［加熱伸展成型に用いる鋳型］
本発明の加熱伸展成型に用いる鋳型の組み立てた状態の縦断面図を図１に示す。
鋳型は、上側から、重石（図示せず）、重石の上下の移動量を制御するためのガイド１、石英ガラス製品のリングの内径を形成するためのパンチ２、ガイド１の周囲を囲み、ガイド１の上下動の方向を制御するための上外筒３、縦方向に分割可能な少なくとも２つの側板から構成される、石英ガラスＱＧを収容するための下外筒６、上外筒３と下外筒６との間に設ける上部緩衝材４ａ、下外筒６の下端を支持するための環状溝部８と環状溝部８に囲まれた、石英ガラスＱＧを置くための底面からなる底板７、及び下外筒６の下端部と底板７の環状溝部８との間に設ける下部緩衝材４ｂを含む。

重石（図示せず）は、ガイド１を介してパンチ２を、軟化した石英ガラスＱＧにプレスして、リング形状の石英ガラス製品を形成するための加重を掛けるに十分な質量の部材である。

ガイド１は、円筒状の部材であり、その外周面が、上外筒３の上部３ａの内周面に沿って上下に移動でき、上面で重石の加重を受け、重石の上下の移動量を制御し、下面でパンチ２の上面を押圧する。

上外筒３は、内径の異なる上外筒上部３ａと上外筒下部３ｂとからなる一体構造を有する。図１に示す態様は、上外筒上部３ａの内径が、上外筒下部３ｂの内径より小さく、上外筒上部３ａの外径も、上外筒下部３ｂの内径より小さい。但し、上外筒上部３ａの外径と、上外筒下部３ｂの内径との関係は、上記に限定されない。上外筒上部３ａの内径は、ガイド１の外径と略同一であり、上外筒上部３ａにおいて、ガイド１の周囲を囲み、ガイド１の外周面が、上外筒上部３ａの内周面に沿って上下に移動する。ガイド１の外周面と上外筒上部３ａの内周面のクリアランス（隙間）は、押圧時の偏芯を抑制するという観点から、１ｍｍ以下であることが適当である。

上外筒下部３ｂの内径は、下外筒６の外径より大きい。上外筒上部３ａの下端面の平面形状は、環リボン（帯）状であり、その一部の面に下外筒６の上端面が当接する。上外筒上部３ａの内径は、下外筒６の内径と略同一であり、上外筒上部３ａの下端面３ａｓは、下外筒６の上端面６ａｓと当接する。

上外筒下部３ｂの下端内周面は、脱着可能なリング状突起部５を有し、リング状突起部５の内径は、下外筒６の外径より大きい。リング状突起部５は、上外筒下部３ｂの下端内周面に対して、例えば、螺子構造により脱着可能とされる。即ち、上外筒下部３ｂの下端内周面とリング状突起部５の外周面に螺子が切られ互いに螺子留めすることで装着及び脱離することができ、上部緩衝材４ａの装着及び取り外しを容易にすることができる。リング状突起部５は、後述する下外筒６を構成する側板の広がり制約と上部緩衝材４ａの脱落を防止する。リング状突起部５の内周面と下外筒６の上端の外周面のクリアランス（隙間）は、押圧時の偏芯を抑制するという観点から、１ｍｍ以下であることが適当である。

下外筒６は、縦方向に分割された少なくとも２つの湾曲形状の側板から構成される。分割可能な湾曲形状の側板から構成することで、石英ガラスＱＧの収容及び成型後の石英ガラス製品の取り出しを容易にする。湾曲形状の側板は、例えば、２、３、４分割されることができる。下外筒６は、好ましくは縦方向に３分割された側板からなる。分割された側板は、互いに同一形状を有することができ、所定枚数の湾曲形状の側板を組み立てることで円筒形の下外筒６を形成する。下外筒６の組み立てられた側板上端の位置は、上外筒下部３ｂの、リング状突起部５の上側の内周面に沿って設けられた上部緩衝材４ａを介して支持される。上部緩衝材４ａは、上外筒下部３ｂの前記内周面の少なくとも一部又は全部に沿って設けられる。

下外筒６の組み立てられた側板下端の位置は、側板の下端が底板７の環状溝部８と係合し、かつ側板の下端の外周と底板７の環状溝部８の内周の間に設けられた下部緩衝材４ｂを介して支持される。下部緩衝材４ｂは、環状溝部８の溝間の隙間において、石英ガラスと黒鉛（側板）の熱膨張を吸収することができる。下部緩衝材４ｂは、底板７と環状溝部８の内周の間の少なくとも一部又は全部に沿って設けられる。

下外筒６の内周面上部は、上部開口に向かって、内径が増大するテーパー形状であることができる。これにより、パンチ２の下外筒６内への挿入がスムーズに行われる。テーパー傾きは、例えば、2/100(mm)、テーパー長さ/2＜ガイド長の制約を設けることができ、これにより、テーパーを通過する際のガイド１（パンチ２）の偏芯を抑制することができる。

上部緩衝材４ａ及び下部緩衝材４ｂは、例えば、カーボン製フェルトであることができ、各所の隙間に充填するに適当な厚みのベルト状またはリング状の物であることができる。

［リング形状の石英ガラス製品の製造方法］
本発明のリング形状の石英ガラス製品の製造方法では、前記鋳型の底板７と下外筒６とで形成される空間に被成形用石英ガラス塊ＱＧを供給する。被成形用石英ガラス塊ＱＧは、一次素材の大型石英ガラス塊からコアドリル工程で副生する中芯である石英ガラス塊であることができる。但し、これに限定される意図ではない。

被成形用石英ガラス塊ＱＧの供給は、例えば、上外筒３、下外筒６、上部緩衝材４ａ、下部緩衝材４ｂ、重石、ガイド１及びパンチ２は鋳型から取り外された状態で、鋳型の底板７に被成形用石英ガラス塊ＱＧを載せ、次いで下外筒６を構成する側板を底板の環状溝部８に下部緩衝材４ｂを介して支持しながら組み立てて下外筒６を形成し、次いで下外筒６の上側に上外筒３を載せて上部緩衝材４ａを介して下外筒６の上端部付近を上外筒下部３ｂで支持する。下外筒６を構成する側板の下端部は、下外筒６を構成する側板の下端部の外周と、底板７の環状溝部８に下部緩衝材４ｂを介して支持する。その後、パンチ２、ガイド１及び重石（図示せず）を順次、被成形用石英ガラス塊ＱＧの上に載せる。

上記のように被成形用石英ガラス塊ＱＧを供給し、組み立てた鋳型を、被成形用石英ガラス塊が変形可能な温度において、前記被成形用石英ガラス塊ＱＧを前記重石の加重により前記パンチ２で押圧する。パンチ２での押圧により被成形用石英ガラス塊ＱＧの上部は、パンチ２の下部形状が転写されるとともに、被成形用石英ガラス塊は外周方向に変形する。この状態を図２に示す。

外周方向に変形した被成形用石英ガラス塊は、下外筒６を構成する側板を外側に押圧する。下外筒６を構成する側板は、下端部では、底板の環状溝部８に下部緩衝材４ｂを介して支持されており、側板の下端部は、環状溝部８の側面に下部緩衝材４ｂを押し付けるように円周方向に移動し得る。下外筒６を構成する側板は、上端部では、上外筒下部３ｂに上部緩衝材４ａを介して支持されており、側板の上端部は、上外筒下部３ｂの内周面に上部緩衝材４ａを押し付けるように円周方向に移動する。このように下外筒６を構成する側板は、溶融したガラスが側板と接触を始めると、円周（横）方向に広がる。その際、側板の上端及び下端は、上部緩衝材４ａ及び下部緩衝材４ｂを押圧するように広がり、常にパンチが石英ガラスのセンター位置なるように維持される。

円柱形状の石英ガラスＱＧを鋳型に仕込む際に、同石英ガラスは底板７のセンター（±1mm以内）に配置する。石英ガラスが溶融状態になると同心円状に変形を起こし、下外筒６を構成する側板に接触する。このとき、側板が石英ガラスＱＧの液圧により広がる現象が起こり始める。側板が広がると、下外筒６の上側と上外筒下部３ｂの下端内周面の間の上部緩衝材４ａがつぶれ、リング状突起部５に接触する。石英ガラスが同心円状（対称）に溶融して広がれば、上外筒上部３ａには同心円状に力が働き、石英ガラスＱＧの中心とパンチ２の中心がずれることは無い。

しかし、石英ガラスＱＧの広がりに偏りが生じた場合、パンチ２を介して上外筒上部３ａに働く力に偏りが生じ、石英ガラスＱＧの中心とパンチ２の中心とにズレが生じる。このズレは、リング状突起部５の内周面が下外筒６の側板の上端部に当接するにより防止できる。リング状突起部５に下外筒６の側板の外力が働くと、上外筒３（全体）が水平方向に平行移動する。これにより、溶融した石英ガラスＱＧの中心と、パンチの中心とが常に一定となる。下外筒６の側板の広がりを制約するリング状突起部５の内径と下外筒６の側板の外径との差は5mm以内であることが望ましい。

パンチ２による押圧で被成形用石英ガラス塊ＱＧが所定のリング形状の石英ガラス製品に成形された後、鋳型全体の温度を降下させる。鋳型全体の温度が所定の温度まで降下した後、鋳型を分解して、リング形状の石英ガラス製品を取り出す。パンチ２は、鋳型全体の温度が所定温度に降下するまで押圧完了時の位置に維持することが、石英ガラス製品の形状が所望のリング形状を維持しつつ冷却されるという観点から好ましい。あるいは、取り出しに適した温度に到達する前にパンチ２を石英ガラス製品から離脱させることもできる。このようなにしてリング形状の石英ガラス製品を得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。

実施例１
図１に示す鋳型を用いて、被成形用石英ガラス塊（Φ310×305L 51kg）を鋳型の中に仕込み(表１の仕込みインゴット)、1,800℃×3.5ｈの条件で伸展成型した。但し、鋳型におけるリング状突起部５の内周面と下外筒６の上端の外周面のクリアランス（隙間）は、１ｍｍとした。比較として、リング状突起部５及び上部緩衝材４ａを設けない鋳型による伸展成型も実施した（比較例１）。結果を表１に示す。リング状突起部５及び上部緩衝材４ａを設けることで、偏芯が抑制されることが分かる。

実施例２
実施例１と同様に、図１に示す鋳型を用いて、表２に示す仕込みインゴットとして示す、被成形用石英ガラス塊（Φ310）を鋳型の中に仕込み、1,800℃×3.5ｈの条件で伸展成型した。但し、鋳型におけるガイド１の外周面と上外筒上部３ａの内周面のクリアランスは、0.5mm、0.9mm、または1.6mmとした。また、ガイド１のガイド長は200mmとした。伸展成型の結果を表２にまとめて示す。

表２に示す結果から、偏芯を抑制するにはガイド１の外周面と上外筒上部３ａの内周面のクリアランス（隙間）を1mm以内にすることが望ましいことが分かる。

本発明は、石英ガラスの伸展成型に関する分野に有用である。

１ガイド
２パンチ
３上外筒
４ａ上部緩衝材
４ｂ下部緩衝材
５リング状突起部
６下外筒
７底板
８環状溝部
ＱＧ石英ガラス

Claims

加熱伸展成型を利用してリング形状の石英ガラス製品を製造する方法であって、
前記加熱伸展成型に用いる鋳型は、
・重石、
・重石の上下の移動量を制御するためのガイド、
・石英ガラス製品のリングの内径を形成するためのパンチ、
・ガイドの周囲を囲み、ガイドの上下動の方向を制御するための上外筒、
・縦方向に分割可能な少なくとも２つの湾曲形状の側板から構成される、石英ガラスを収容するための下外筒、
・上外筒と下外筒との間に設ける上部緩衝材、
・下外筒の下端を支持するための環状溝部と環状溝部に囲まれた、石英ガラスを置くための底面からなる底板、及び
・下外筒の下端部と底板の環状溝部との間に設ける下部緩衝材
を含み、
但し、
・上外筒は、内径の異なる上外筒上部と上外筒下部とからなる一体構造を有し、
・上外筒上部の内径は、ガイドの外径と略同一であり、
・上外筒下部の内径は、下外筒の外径より大きく、
・上外筒下部の下端内周面は、脱着可能なリング状突起部を有し、リング状突起部の内径は、下外筒の外径より大きく、
・上外筒上部の内径は、下外筒の内径と略同一であり、
・上外筒上部の下端面は、下外筒の上端面と当接し、
・下外筒の側板上端は、上外筒下部のリング状突起部より上部の内周面に沿って設けられた上部緩衝材を介して、支持され、
・下外筒の側板下端は、側板の下端が底板の環状溝部と係合し、かつ側板の下端の外周と底板の環状溝部の内周の間に設けられた下部緩衝材を介して支持される、
・前記鋳型の底板と下外筒とで形成される空間に被成形用石英ガラス塊を供給し、被成形用石英ガラス塊が変形可能な温度において、前記被成形用石英ガラス塊を前記重石の作用により前記パンチで押圧して変形させてリング状の石英ガラス製品を得る、ことを含む、前記方法。
前記上部緩衝材及び下部緩衝材はカーボン製フェルトである請求項１に記載の製造方法。
前記下外筒は、縦方向に３分割された湾曲形状の側板からなる請求項１に記載の製造方法。
上外筒上部の下端面の平面形状は、環リボン状であり、その一部の面に下外筒の上端面が当接する、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
下外筒の内周面上部は、上部開口に向かって、内径が増大するテーパー形状である、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
リング状突起部は、上外筒下部の下端内面に、螺子構造により脱着可能とされる、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。