JPH07267661A - 石英ガラス管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 内層１１は合成石英ガラスからなり、その厚
さが５００μｍ以上であり、外層１２はアルミニウムを
３〜１００ｐｐｍ含有する石英ガラスからなり、その厚
さが全肉厚の５０％以上である石英ガラス管。 【効果】 火炎溶融石英ガラス管と同等以上の優れた耐
熱性を有し、高温下において変形しにくい。また半導体
ウエハなどの熱処理に用いた場合、該半導体ウエハなど
を汚染する虞れがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は石英ガラス管及びその製
造方法に関し、より詳細には半導体工業においてシリコ
ンウエハなどの高純度半導体材料の熱処理に用いられる
石英ガラス管及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの熱処理工程において、半
導体ウエハを支持する治具や半導体ウエハを清浄な雰囲
気に保つための炉芯管として、従来から石英ガラス管が
用いられている。この石英ガラス管は一般のセラミック
ス等に比べて高純度であり、しかも耐熱性にも優れ、１
０００℃程度の高温でも比較的長時間変形しないという
特徴を有する。

【０００３】この石英ガラス管を構成する石英ガラスの
種類は、電気溶融石英ガラス、火炎溶融石英ガラス及び
合成石英ガラスに大別される。そして、それぞれの原料
及び製造方法の相違により、これら石英ガラスの純度や
耐熱性等の特性は異なる。

【０００４】まず、前記電気溶融石英ガラスは、天然の
結晶質石英粉末を真空下に電気抵抗加熱炉により溶融、
緻密化したものであり、天然の結晶質石英中に含まれる
不純物及び加熱炉からの汚染に起因して数ｐｐｍ〜数１
０ｐｐｍの不純物が含まれている。しかし、耐熱性は前
記した石英ガラスの中で最も高い。

【０００５】次に、前記火炎溶融石英ガラスは前記した
天然の結晶質石英粉末を酸素−水素火炎の熱により溶融
し、出発材上に堆積させたもので、加熱炉等からの汚染
が防止できるため、前記電気溶融石英ガラスに比べて不
純物の濃度は低くなっている。しかしながら、ガラス中
にＯＨ基が１００ｐｐｍ程度含まれるため耐熱性は低下
する。

【０００６】一方、前記合成石英ガラスはＳｉＣｌ₄ な
どのＳｉ化合物を酸素−水素火炎中で加水分解すること
により気相合成したものであり、不純物濃度は数１０ｐ
ｐｂ以下と非常に高純度であるが、耐熱性は前記火炎溶
融石英ガラスよりもさらに低い。

【０００７】従って、これらの石英ガラスを純度の高い
順に挙げると、合成石英ガラス、火炎溶融石英ガラス、
電気溶融石英ガラスとなり、耐熱性の高い順に挙げると
電気溶融石英ガラス、火炎溶融石英ガラス、合成石英ガ
ラスとなる。これまで半導体産業で主に用いられていた
のは電気溶融石英ガラス及び火炎溶融石英ガラスであっ
た。

【０００８】しかし、近年の電子回路などの高集積化に
ともなってシリコン半導体ウエハなどに対する汚染防止
の要求は一層高くなっており、電気溶融石英ガラスや火
炎溶融石英ガラスよりも高純度な合成石英ガラスにより
形成され、耐熱性が電気溶融石英ガラスや火炎溶融石英
ガラスと同等以上の炉芯管、治具、工具などが求められ
ている。

【０００９】石英ガラス管の耐熱性を向上させる方法と
して、特開昭４７−４０７８号公報、特開昭６３−２３
６７２２号公報及び特開昭６３−２３６７２３号公報な
どには、石英ガラス製品の表面層にクリストバライト結
晶を誘起する核となる不純物元素を含有させる方法又は
前記クリストバライト結晶層を形成する方法が開示され
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法はいずれも石英ガラス製品の表面層近くに金属不
純物をドーピングしてクリストバライト結晶を析出させ
ることにより高熱下における強度の低下を防止したもの
であり、耐熱性の向上した部分が全体の石英ガラス製品
に占める割合が少ないため、前記方法を合成石英ガラス
管に適用してもその耐熱性は余り改善されず、火炎溶融
石英ガラス管の耐熱性に及ばなかった。

【００１１】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、火炎溶融石英ガラスと同等以上の耐熱性を有
し、かつ熱処理の対象となる半導体ウエハなどの純度に
影響を与える内側の部分は高純度で、半導体ウエハを熱
処理した後にも該半導体ウエハを汚染することのない石
英ガラス管及びその製造方法を提供することを目的とし
ている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る石英ガラス管は、内層は合成石英ガラス
からなり、その厚さが５００μｍ以上であり、外層はア
ルミニウムを３〜１００ｐｐｍ含有する石英ガラスから
なり、その厚さが全肉厚の５０％以上であることを特徴
としている。

【００１３】また本発明に係る石英ガラス管の製造方法
は、石英ガラスからなる多孔質体を形成する多孔質体形
成工程、該多孔質体の内部にアルミニウム化合物を付着
させるアルミニウム化合物付着工程、前記アルミニウム
化合物の付着した多孔質体に熱処理を施して透明体とし
た後、さらに加工を施して管状体を作製する管状透明体
作製工程、及び該管状透明体の内側に合成石英ガラス層
を形成する内層形成工程を含むことを特徴としている。

【００１４】まず本発明に係る石英ガラス管について説
明する。本発明に係る石英ガラス管の内層は高純度の合
成石英ガラスにより形成されている。この合成石英ガラ
スは、Ｓｉを含有する化合物を気相で熱分解、加水分解
などを行うことにより合成したものであり、例えば「従
来の技術」の欄でも説明したように、高純度のＳｉＣｌ
₄ を原料として酸素−水素火炎中で加水分解することに
より気相合成することができる。この場合、原料のＳｉ
Ｃｌ₄ としては各金属不純物の濃度が１０ｐｐｂ以下の
ものを使用し、１２００〜１８００℃程度の温度で気相
合成する。

【００１５】得られる内層の合成石英ガラス層の金属不
純物濃度は、各金属とも数十ｐｐｂ以下と非常に高純度
なものとなる。

【００１６】外層の石英ガラスには、電気溶融石英ガラ
スや火炎溶融石英ガラスを用いることもでき、これらの
石英ガラスにアルミニウムを含有させることにより、さ
らに耐熱性が向上する。しかし、種々の不純物の含有量
が多いと、内層が薄い場合にはこれらの不純物が内層を
通過して半導体ウエハなどを汚染する虞れもあり、内層
の合成石英ガラスと同様の方法により気相合成したもの
を使用するのが好ましい。またこの場合には、含有させ
るアルミニウムの量により耐熱性をコントロールするこ
とができる。

【００１７】アルミニウムを３〜１００ｐｐｍ含有させ
る方法は特に限定されないが、後述するように、一旦石
英ガラスの多孔質体を形成しておき、その内部にアルミ
ニウム化合物を付着させ、加熱処理して透明体を形成す
る方法が好ましい。

【００１８】本発明に係る石英ガラス管の製造方法に関
しては、外層であるアルミニウム含有石英ガラス管を先
に形成しておき、その後に内層である合成石英ガラス層
を形成する方法と、逆に内層である合成石英ガラス管を
先に製造しておき、その後に外層のアルミニウムを含有
した層を形成する方法との二つの方法が考えられる。し
かし、本発明に係る石英ガラス管の製造方法、すなわち
外層を先に製造する方法の方が工程が簡単である点から
好ましい。以下、本発明に係る石英ガラス管の製造方法
を説明する。

【００１９】本発明に係る石英ガラス管の製造方法で
は、まず多孔質体形成工程として、石英ガラスからなる
多孔質体を形成する。

【００２０】石英ガラスからなる多孔質体として、天然
の結晶質石英粉末を電気抵抗加熱炉や酸素−水素火炎に
より加熱したものを用いることができるが、前記したよ
うに純度や、耐熱性のコントロールの容易さから合成石
英ガラスにより形成するのが好ましい。

【００２１】前記多孔質体は、気相合成などを行った粉
末を加熱することにより形成する。通常は、柱状の多孔
質体を形成した後、後述する方法によりアルミニウムを
含有する石英ガラスロッドを作製し、その後穿孔などに
よって管状体を形成するが、初めに管状の多孔質体を形
成できるのであれば、そのような管状多孔質体を形成す
る方が最終的な加工が少なくて済むので好ましい。ま
た、前記多孔質体の気孔は開気孔である必要があり、そ
の気孔率は５０〜８０体積％程度が好ましい。

【００２２】次にアルミニウム化合物付着工程として、
前記多孔質体の内部にアルミニウム化合物を付着させ
る。

【００２３】この場合の方法としては、アルミニウム化
合物を含有する溶液中に前記多孔質体を浸漬して前記ア
ルミニウム化合物を付着させる方法と、アルミニウム化
合物を含有するガスを前記多孔質体中に拡散、析出させ
ることにより前記アルミニウム化合物を付着させる方法
とがある。溶液を用いる場合には、例えば硝酸アルミニ
ウムのようなアルミニウム塩、又はアルミニウムのアル
コキシドなどを溶解させた溶液を用いることができ、ア
ルミニウム化合物含有ガスを用いる場合には、トリアル
キルアルミニウムのようなガス状化合物を含有するガス
を用いることができる。次に管状透明体作製工程とし
て、前記多孔質体に熱処理を施し、得られた透明体に加
工を施して管状透明体を作製する。

【００２４】この場合の加熱条件としては、減圧下に１
４００〜１６００℃で３〜２０時間程度加熱する。これ
により石英ガラスが焼結して、透明体が得られる。そし
て、この透明体に穿孔などの加工を施して所定形状の管
状透明体を作製する。この場合、前述したように、予め
多孔質体を形成する際に管状の多孔質体を形成しておけ
ば、加工時の負担が軽減される。

【００２５】そして最後に前記管状透明体の内側に合成
石英ガラスを気相合成により堆積させ、加熱処理するこ
とにより透明化して石英ガラス管の製造を完了する。

【００２６】この場合、前記管状透明体の内部にＳｉＣ
ｌ₄ を原料として酸素−水素火炎を用いた加水分解によ
りＳｉＯ₂ を気相合成して堆積させ、これを加熱処理す
ることにより透明体とし、必要によっては加工を施して
高純度合成石英ガラスの層を形成することができる。

【００２７】前記したように、内層となる高純度の合成
石英ガラス層を初めに形成しておき、この外側に種々の
方法により多孔質体を形成し、この多孔質体の内部にア
ルミニウム化合物を付着させた後、溶融する方法をとっ
てもよい。この場合には、内層の高純度合成石英ガラス
層にアルミニウムが含有されないようにする必要があ
り、アルミニウムを含有するガスや液体が内層の合成石
英ガラス層に接触しないようにシールする必要がある。
また内層に不純物が付着した場合には、洗浄などにより
除去する必要がある。

【００２８】

【作用】本発明に係る石英ガラス管によれば、外層がア
ルミニウムを３〜１００ｐｐｍ含有する石英ガラスから
なるので、前記石英ガラス管の耐熱性が向上する。

【００２９】図１は石英ガラス管の耐熱温度（歪点）と
アルミニウム含有量との関係を示したグラフであるが、
図１に示すように、前記石英ガラス管はアルミニウムを
３ｐｐｍ以上含有することにより耐熱温度（歪点）が上
昇し、約２０〜３０ｐｐｍ付近で最高の歪点を示し、そ
れ以上の含有量では次第に歪点が低下する。そしてアル
ミニウムを３〜１００ｐｐｍ含有する場合には、歪点が
火炎溶融石英ガラスと同等以上になり、高温の加熱によ
っても変形しにくくなる。ここで、歪点とは粘性係数が
１０^14.5ｐｏｉｓｅとなる温度であり、この場合前記歪
点はJ.M.Jewellet al,J.Am.Ceram.Soc.,72(7),1265(198
9)に記載されている市販のthermomechanical analyzer
を使用したビームベンディング法により測定している。

【００３０】アルミニウムの含有量が３ｐｐｍ未満であ
ると歪点が１１００℃を超えず、他方アルミニウムの含
有量が１００ｐｐｍを超えると歪点が低下し、１１００
℃未満となる。また、外層の石英ガラスの厚さが全肉厚
の５０％以上であるので、前記石英ガラス管の熱処理時
の変形が抑制され、火炎溶融石英ガラス管と同等以下の
変形率となる。

【００３１】外層に含有されたアルミニウムは結晶核と
なり、石英ガラス中においてクリストバライトなどの結
晶相を析出させ易くするので、１１００℃程度の温度で
も表面から失透がはじまり、長時間の使用では結晶の剥
離によりダストが発生し易くなる。このダストが半導体
ウエハに付着すると汚染の原因となり、その性能に悪影
響を与える。

【００３２】しかし、本発明に係る石英ガラスによれ
ば、内層が合成石英ガラスからなり、その厚さが５００
μｍ以上であるので、高温での使用においてもアルミニ
ウムが内表面まで拡散されることはなく、従って内表面
にクリストバライトなどの結晶相が析出して内面の失透
や結晶層の剥離によるダストを発生させる虞れがない。

【００３３】また本発明に係る石英ガラスの製造方法に
よれば、石英ガラスからなる多孔質体を形成する多孔質
体形成工程、該多孔質体の内部にアルミニウム化合物を
付着させるアルミニウム化合物付着工程、前記アルミニ
ウム化合物の付着した多孔質体に熱処理を施した後、さ
らに加工を施して管状の透明体を作製する管状透明体作
製工程、及び該管状透明体の内側に合成石英ガラス層を
形成する内層形成工程を含むので、前記製造方法により
外層にアルミニウムを均一に含有する石英ガラス層、内
層に高純度の合成石英ガラス層を有する石英ガラス管が
比較的容易に製造される。また得られた石英ガラス管
は、耐熱性に優れ、しかも石英ガラス管内部で半導体ウ
エハを処理した後にも半導体ウエハを汚染する虞れがな
い。

【００３４】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る石英ガラス管
及びその製造方法の実施例及び比較例を説明する。

【００３５】図２は実施例に係る石英ガラスを模式的に
示した断面図であり、図中、１１は高純度の合成石英ガ
ラスからなる内層、１２はアルミニウムを含有する石英
ガラスからなる外層である。

【００３６】このような構成の実施例に係る石英ガラス
管の製造方法を説明する。

【００３７】アルミニウムを含有させるための多孔質体
は、ＶＡＤ（Vapor-phase Axial Deposition）法とよば
れる方法により製造した。この方法は、原料として高純
度のＳｉＣｌ₄ を用い、酸素−水素火炎を用いて１２０
０〜１８００℃でＳｉＣｌ₄ の気相加水分解を行い、種
棒の周囲にＳｉＯ₂ 粉末を付着させることにより多孔質
体を形成する方法である。この多孔質体は気孔率が約８
０体積％であり、その純度は９９．９９９９９ｗｔ％以
上であった。

【００３８】この合成石英ガラス多孔質体を、アルミニ
ウムイソプロポキシドをイソプロパノールに溶解したア
ルミニウム濃度が０．１〜５ｗｔ％の溶液に浸漬し、付
着したアルミニウムイソプロポキシドを加水分解させた
後減圧乾燥してアルミニウムイオンを前記多孔質体に付
着させた。この後、前記アルミニウムが添加された多孔
質体に真空下、１５００℃で加熱処理を施し、透明な合
成石英ガラスロッドを得た。次に、このアルミニウム含
有石英ガラスロッドを２０００℃に加熱して、カーボン
プラグをガラスロッドの中心に押し当てることにより穿
孔し、管状に加工して、外径１００ｍｍ、厚さ４ｍｍ、
長さ５００ｍｍの合成石英ガラスからなる管状透明体を
作製した。

【００３９】次に、前記方法により作製された管状透明
体を基材とし、前記多孔質体の製造方法と同様に原料と
してＳｉＣｌ₄ を用い、酸素−水素火炎により１２００
〜１５００℃でＳｉＣｌ₄ の気相加水分解を行い、前記
管状透明体の内面にＳｉＯ₂粉末を堆積させた。次に、
内部にＳｉＯ₂ 粉末が堆積した管状透明体を縦型の加熱
炉に入れ、真空下に１４５０℃で６時間熱処理すること
により透明化した。そして、得られた２層の石英ガラス
層からなる透明なパイプを、さらにガラス旋盤で拡菅成
形することにより、図２に示したような平均外径が２２
４ｍｍ、厚さが４ｍｍ、長さが２０００ｍｍで、内層１
１が高純度の合成石英ガラスからなり、外層１２がアル
ミニウムを含有する石英ガラスからなる石英ガラス管の
製造を完了した。

【００４０】加熱による変形率の測定は、得られた石英
ガラス管から幅２０ｍｍのリングを切り出し、このリン
グを加熱炉内に管の厚さ方向が垂直になるように立て置
きし、１２００℃で所定時間保持した後、鉛直方向（石
英ガラス管の外径に相当）の長さを測定した。そして、
初めの長さより加熱後の長さを差し引いた値（長さの減
少値）を保持時間で割ることにより変形率とした。ま
た、目視で内層部分の失透状態も観察した。なお、変形
率が１ｍｍ未満のものは保持時間１００時間、変形率が
１ｍｍ以上１０ｍｍ未満のものは１０時間、半径率が１
０ｍｍ以上のものは２時間後のデータである。

【００４１】下記の表１には、実施例に係る石英ガラス
管の外層のアルミニウム含有量、外層の全肉厚に対する
厚さ（％）、変形率及び内層の失透の有無を示してい
る。この石英ガラス管のＯＨ基の含有量は内層、外層と
も１００ｐｐｍであった。

【００４２】なお、比較例１に係る石英ガラス管は市販
の火炎溶融石英ガラス管であり、商品名はＨＥＲＡＬＵ
Ｘ（ヘラウス製）である。また比較例２に係る石英ガラ
ス管は内層と同じ材質の単一層からなる石英ガラス管で
あり、実施例と同様の条件で気相合成及び加工を行って
作製した。さらに比較例３〜７に係る石英ガラス管は内
層として高純度の合成石英ガラス層を形成していないア
ルミニウムを含有する石英ガラス層の単一層からなる石
英ガラス管であり、この場合、実施例における外層と同
様の条件で作製した。比較例８に係る石英ガラス管も実
施例と同様の条件により作製した。

【００４３】

【表１】

【００４４】上記の表１から明らかなように、実施例に
係る石英ガラス管にあっては、外層１２にアルミニウム
を３〜１００ｐｐｍ含んでいるので、火炎溶融石英ガラ
スよりも小さな変形率を示し、耐熱性が向上し、また１
２００℃で長時間加熱しても内層は透明状態を保ってい
るため、加熱によりダストが発生して加熱処理を行う半
導体ウエハを汚染する虞れもない。

【００４５】一方、比較例１に係る火炎溶融石英ガラス
管では、石英ガラス管自体の失透はないが、変形率は実
施例に係る石英ガラス管と比較して劣ることがわかる。
また比較例２〜７に係る石英ガラス管の特性をみると、
石英ガラス中に含有させるアルミニウムの濃度を増加さ
せることにより変形率が著しく小さくなっており、耐熱
性が顕著に向上している。しかし、比較例２〜３におい
ては、アルミニウム含有量が少ないため変形率が大き
く、一方比較例４〜７においては変形率が小さいが、失
透が生じており、この石英ガラス管を高温に加熱した場
合には、この失透によりダストが発生して熱処理を行う
半導体ウエハを汚染する虞れが大きい。さらに比較例８
においては、外層の全肉厚に対する厚さの割合が小さい
ので、変形が大きくなっている。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る石英ガ
ラスにあっては、内層は合成石英ガラスからなり、その
厚さが５００μｍ以上であり、外層はアルミニウムを３
〜１００ｐｐｍ含有する石英ガラスからなり、その厚さ
が全肉厚の５０％以上であるので、火炎溶融石英ガラス
管と同等以上の優れた耐熱性を有し、高温下において変
形しにくい。また半導体ウエハなどの熱処理に用いた場
合、該半導体ウエハなどを汚染する虞れがない。

【００４７】本発明に係る石英ガラス管の製造方法にあ
っては、石英ガラスからなる多孔質体を形成する多孔質
体形成工程、該多孔質体の内部にアルミニウム化合物を
付着させるアルミニウム化合物付着工程、前記アルミニ
ウム化合物の付着した多孔質体に熱処理を施して透明体
とした後、さらに加工を施して管状体を作製する管状透
明体作製工程、及び該管状透明体の内側に合成石英ガラ
ス層を形成する内層形成工程を含むので、外層にアルミ
ニウムを均一に含有する石英ガラス層、内層に高純度の
合成石英ガラス層を有する石英ガラス管を比較的容易に
製造することができる。また得られた石英ガラス管は、
火炎溶融石英ガラス管と同等以上の優れた耐熱性を有す
るために高温下においても変形しにくく、また前記石英
ガラス管を用いて半導体ウエハなどを処理した場合、該
半導体ウエハなどを汚染する虞れがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】石英ガラス管の耐熱温度（歪点）とアルミニウ
ム含有量との関係を示したグラフである。

【図２】実施例に係る石英ガラスを模式的に示した断面
図である。

【符号の説明】

１１ 内層 １２ 外層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内層は合成石英ガラスからなり、その厚
   さが５００μｍ以上であり、外層はアルミニウムを３〜
   １００ｐｐｍ含有する石英ガラスからなり、その厚さが
   全肉厚の５０％以上であることを特徴とする石英ガラス
   管。
2. 【請求項２】 石英ガラスからなる多孔質体を形成する
   多孔質体形成工程、該多孔質体の内部にアルミニウム化
   合物を付着させるアルミニウム化合物付着工程、前記ア
   ルミニウム化合物の付着した多孔質体に熱処理を施して
   透明体とした後、さらに加工を施して管状体を作製する
   管状透明体作製工程、及び該管状透明体の内側に合成石
   英ガラス層を形成する内層形成工程を含むことを特徴と
   する石英ガラス管の製造方法。