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 Expansivity / (10 -7 K-1) 10 8 6 4 2 T1 T2 T3 C 0 200 T4 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
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