Transcript 1. シリカガラスとは？

シリカガラスとは
福井大学工学部
葛生 伸
シリカガラスの特長
・ 高純度
金属不純物 <数10 ppb～数10 ppm
⇒ 半導体製造関係
・ 熱的安定性
高耐熱性
⇒ 半導体製造関係
低熱膨張
⇒ フォトマスク
精密光学部品
・ 優れた光学特性
真空紫外～近赤外まで高透過率
⇒ 光ファイバー
紫外線用光学材料
シリカガラスの名称
英語名
日本語名
Amorphous
Silica
非晶質シリカ
すべての非晶質シリカに対する総称名。非晶
アモルファスシリカ 質シリカ薄膜をさす場合が多い。
Vitreous
Silica
シリカガラス
(ガラス状シリカ)
すべての種類のシリカガラスに対する総称名。
Silica Glass
シリカガラス
すべての種類のシリカガラスに対する総称名で
あるが，シリカ系ガラスの名称と紛らわしい。
Fused Silica
(溶融シリカ)
本来は溶融法で作られるすべてのシリカガラス
を示す。合成シリカガラスのことをさす場合が
多い。不透明なシリカガラスをさす場合もある。
Synthetic
Fused Silica
合成シリカガラス
合成シリカガラス
Fused Quartz 溶融石英ガラス
溶融石英
石英粉を溶融して作ったシリカガラス。
Quartz Glass 石英ガラス
Fused Quartzと同義。
Quartz
石英
シリカの結晶形の一つ。俗にシリカガラスのこ
とを言う場合もある。
シリカガラスの分類
溶融
電気溶融 ( I 型)
火炎溶融 ( II 型)
直接法 ( III 型)
シリカガラス
気相
合成
スート再溶融法
プラズマ法 ( IV 型)
ゾル・ゲル法
液相
LPD 法
MCVD法
OVD法
VAD法
PCVD法
シリカガラスの分類製造方法・特性および主な用
途
分
類
種
別
(型)
原
料
製 多孔質
造 体合成
方
法 ガラス
溶
電気溶融
(I)
石
英
融
合
成
火炎溶融
(II)
直接法(III)
プラズマ法
(IV)
スート法
ゾル・ゲル
法
LPD法
合成粉末溶
融法
石 英
SiCl4
SiCl4
SiCl4
アルキル
シリケート
H2SiF6, シ
リカゲル
合成シリカ
粉末
スート合成
ゾル→ゲル
化→
乾燥
SiO2+H2SiF
6,水溶液から
の析出
・アークプラ
ズマ
電気炉
(真空または
不活性ガス
中)
酸水素火炎
溶融
酸水素火炎
加水分解に
よる直接ガ
ラス化
高周波誘導
プラズマ
(O2, Ar+O2)
電気炉
(He中)
電気炉
不 OH
純 (ppm)
物
金属
(ppm)
~10
100~300
500~1500
<5
< 1~200
<2
10~100
<100
<1
<1
< 0..1
<1
光
学
的
性
質
紫外域
吸収帯
あり
あり
なし
あり
低OH品の
みであり
なし
赤外域
吸収帯
2.7mm
小
やや大
大
なし
なし～やや
大
なし
・半導体製造
用
(炉心管，
治工具)
・ランプ材
・半導体製
造用
(炉心管，
治工具，
洗浄槽)
・シリカガラ
ス繊維
・フォトマスク
・光学材料
(レンズ，
プリズム)
・光ファイ
バー
・光ファイー
・光学材料
(真空紫外～
近赤外)
・TFT基板
・フォトマスク
・シリカガラ
ス繊維
化
用
途
・ガラス，
プラスティッ
ク表面コー
ティング
シリカ結晶のポリモルフィズム （多像）
多数の結晶形態
20 種以上
計算機シミュレーションで予測されているものも含め40 種以上
代表的シリカ結晶の例
O
(常温で安定なもの)
O
= O Si
O
SiO4 正四面体構造
石 英
トリディマイト
クリストバライト
貫井昭彦，セラミックス20, 266 (1986)
シリカ結晶構造の例
石 英
コーサイト
貫井昭彦，耐火物 44, 497, 533, 596, 728 (1992)
トリディマイト
キータイト
クリストバライト
スティショバイト
(SiO6 8面体構造)
シリカガラスと結晶の違い
結 晶
ランダムネットワーク構造
微結晶モデルによる構造
O
O
Si
O
SiO4正四面体構造
O
(作花澄夫「ガラスの事典」作花澄夫編，朝倉書店 (1935) p.5)
シリカガラスの構造
⇒ SiO4 正四面体構造
・短距離構造 ← 中性子線，Ｘ線回折
・中距離構造 ← Ｘ線回折，ラマン散乱 ⇒ Si-O-Si 結合角
リング構造
中性子回折による動径分布関数
M. Misawa, J. Non-Cryst. Solids, 37, 85 (1980)
O
O Si O
O
ラマンスペクトルと平面環状構造
D1 495 cm-1
平面６員環構造
Intensity / arb.units
D1
200
D2 606 cm-1
平面8員環構造
D1
300
400
500
Wave Number / cm -1
600
700
●：
Ｓｉ， ○: Ｏ
点欠陥
・常磁性欠陥 ← 電子スピン共鳴
(ESR, EPR)
・反磁性欠陥 ← 光吸収
ex. ≡Si-Si≡ （163 nm [7.6 eV])
≡Si･･･Si≡ (247 nm [5.02 eV])
Absorption / cm -1
300
Wavelength / nm
250
200
ED-B
Soot Remelted, OH free
2
7.6 eV tail
1
5.02 eV
D. L. Griscom, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res, B1, 481 (1984)
4
5
6
Energy / eV
7
常磁性欠陥の構造
R. Weeks, J. Non-Cryst. Solids, 179, 1 (1994)
NBOHC
パーオキシラジカル
溶融石英ガラスの粒状構造
（グラニュラリティー）
シリカガラスの熱膨張
8
-7
-1
Expansivity / (10 K )
10
6
4
2
T 1 T 2 T3 C
0
200
T 4 T5
400
600
Temperature / K
Q
800
1000
Q: 石英結晶のα→β転移点
C: 石英結晶のα→β転移点
T1, ･･･, T5: トリディマイトの転移点
Weiss,
J. Kuzuu,
Am. Ceram.
Y. Kikuchi, H.W.
Sudo
and N.
J. Appl.Soc.
Phys.67,
82, 213
4121(1984)
(1997)
Strained Mixed Cluster Model
C. H. L. Goodman, Phys. Chem. Glass, 26, 1, (1986)
シリカガラス=数nmの石英，クリストバライト，トリディマイト
が乱れた領域でつながった集合体