シリカガラス管の熱処理に伴う
断面構造変化
分子科学講座
00380462 湊 茂治
シリカガラス= SiO2からなる非晶質物質
シリカ = SiO2
シリカガラスの特長
• 広範囲の波長で光を通す
• 耐熱性に優れている
• 高純度・化学的耐久性
紫外線用光学材料・
光ファイバー
半導体製造装置
ランプ用管球
半導体製造装置
製造方法による石英ガラスの分類
OH含有量[ppm]
• Ⅰ型:電気溶融
・・・・・ 少ない (≲10)
• Ⅱ型:火炎溶融
・・・・・ 多い (100~300)
• Ⅲ型:直接法
・・・・・非常に多い(500~1500)
• Ⅳ型:プラズマ法
・・・・・ 少ない (≲ 5)
研究の背景
• シリカガラスを熱処理すると、表面から構造
が変化していく。
• これまで酸水素火炎・大気中熱処理実験
• 空気中の水分で構造にOH基が入る
• シリカガラス管を窒素(N2)雰囲気中で熱処理
測定項目
OH基濃度(OH Content)
≡Si-OHの形て存在
仮想温度(Fictive Temperature)
ガラス構造が凍結されたと考えられる温度
薄片を充分長時間熱処理して急冷して決める
本研究では代用特性を使用
測定装置(顕微FT-IR)
OH濃度の測定方法
( 3700cm1吸収ピーク強度 )
OH 濃度 
100
( ppm)
(サンプル厚さ /mm)
Absorbance
2
1
0
2000
3000
Wavenumber (cm -1)
4000
仮想温度の測定方法
TF 
4380921cm
1
ν 222864cm
1
(K)
A. Agarwal, K. M. Davis, and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1985)
1
Absorbance
0.8
0.6
0.4
0.2
0
2000
3000
Wavenumber (cm
4000
-1
)
試料の形状
外径: 25 mm
内径: 19 mm
30 mm]
熱処理について(窒素パージ)
1423 K (1150℃),5 h
電気炉
装置(試料の研磨(スライス))
FT-IR
(
顕
微
鏡
)
で
測
定
今回測定したサンプル
熱処理なし
熱処理
(N2雰囲気中)
Ⅰ
型
○
●
Ⅱ
型
△
▲
Ⅲ
型
□
■
1500
OH Content (ppm)
Ⅲ型
1423[K],5 h
キャプションが図の中に
あったので見にくいのでこ
こにうつした
1000
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
500
Ⅱ型
Ⅰ型
0
0
OH含有量の分布
1000
2000
3000
Distance from Outside ( m)
1500
OH Content (ppm)
Ⅲ型
1423[K],5 h
OH濃度分布
•Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型とも,外周付近のOH濃度
が高くなっている。
1000
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
500
Ⅱ型
Ⅰ型
0
0
1000
2000
3000
Distance from Outside ( m)
•窒素(N2)雰囲気中で熱処理し
たとき,III型は表面付近で低下。
その他はほとんど不変。
仮想温度分布
1423[K],5 h
1500
Fictive Temperature (K)
1423
1000
500
0
0
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
1000
2000
3000
Distance from Outside (m)
仮想温度分布
1423[K],5 h
1500
Fictive Temperature (K)
1423
1000
500
0
0
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
1000
2000
3000
Distance from Outside (m)
仮想温度分布
1423[K],5 h
1500
Fictive Temperature (K)
1423
1000
500
0
0
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
1000
2000
3000
Distance from Outside (m)
仮想温度分布
1423[K],5 h
1500
Fictive Temperature (K)
1423
1000
500
0
0
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
1000
2000
3000
Distance from Outside (m)
仮想温度分布
1423[K],5 h
1500
熱処理後はOH濃度が少ないほど
Fictive Temperature (K)
1423
(Ⅰ型<Ⅱ型<Ⅲ型)
実際の熱処理温度 (1423 K)に近い値
1000
500
0
0
Ⅰ型→熱処理なし
Ⅰ型→N2雰囲気
Ⅱ型→熱処理なし
Ⅱ型→N2雰囲気
Ⅲ型→熱処理なし
Ⅲ型→N2雰囲気
1000
2000
3000
Distance from Outside (m)
OH濃度が少ない方が構造の緩和時間
が長い。そのため、より高温で構造が凍
結される。
まとめ
• 石英ガラスを窒素中で熱処理すると、OH含
有量は大きくは変化しない。
• OH含有量については、Ⅲ型のみ外周部付
近でOH含有量の低下がみられた。
• 石英ガラスはOH含有量が少ない方が、実際
の熱処理温度まで到達する時間(緩和時間)
が長い。
今後の予定
熱処理
熱処理
熱処理
熱処理
熱処理
なし
N2雰囲気
大気中
O2雰囲気
He雰囲気
Ⅰ型
済
済
未
未
未
Ⅱ型
済
済
未
未
未
Ⅲ型
済
済
未
未
未
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