石英の性質
Hydroxyl Content
Momentive Technologies’ quartz products have a very low hydroxyl level, which results from the unique electric fusion process. The term Beta Factor is often used to characterize the hydroxyl (–OH) content of fused quartz. This term is defined by the calculation of hydroxyl content from IR transmission.
反応性
モメンティブ・テクノロジーズの石英製品は、独自の電気溶融処理により、非常に低い水酸基含有レベルを実現しています。 βファクターとは、溶融石英の水酸基（-OH）含有量を特徴づけるためによく使われる用語です。 この用語は、赤外線透過率から水酸基含有量を計算することで定義されます。
グラフは、溶融石英の室温でのフッ酸への溶解速度を示しています。
真空中で、様々な元素や化合物が高温の溶融石英に与える影響を観察しました。 反応性を示した表にある各サンプルは、最も低い温度で1時間、次に高い温度で1時間、その次に高い温度、というように保持されています。 反応の度合いは、当然ながら時間にも依存します。
透過率
溶融石英は基本的にほとんどのガスを透過しませんが、ヘリウム、水素、重水素、ネオンはガラスを介して拡散することがあります。 拡散の速度は、温度や差圧が高いほど増加します。
700℃における溶融シリカの透過率定数推定値
グラフは、溶融石英の室温でのフッ酸への溶解速度を示しています。
石英を介した拡散
半導体用途では、石英を介した様々なイオンの拡散が非常に重要です。 下記の表は、様々なイオンが異なる厚さの石英を介して拡散するまでの時間を示したものです。 これらの計算値は、拡散係数と1000℃の温度に基づいています。
機械的特性
溶融石英の機械的特性は、他のガラスとほぼ同じです。 この材料は圧縮強度が非常に高く、設計圧縮強度は1.1×109Pa（160,000psi）を超えています。
表面の傷は、ガラス本来の強度を大幅に低下させるため、引張特性に大きく影響します。 表面品質が良好な溶融石英の設計引張強度は、4.8×107Pa（7,000psi）を超えています。 実際には、0.68×107Pa（1,000psi）の設計応力が一般的に推奨されています。
Typical Physical Properties of Fused Quartz
| Property | Typical Values |
|---|---|
|
Density |
2.2 x 103 kg/m3 |
|
Hardness |
5.5 - 6.5 Mohs' Scale
570 KHN 100 |
|
Design Tensile Strength |
4.8 x 107 Pa (N/m2) (7,000 psi) |
|
Design CompressIve Strength |
Greater than 1.1 x 109 Pa (160,000 psi) |
|
Bulk Modulus |
3.7 x 1010 Pa (5.3 x 106 psi) |
|
Rigidity Modulus |
3.1 x 1010 Pa (4.5 x 106 psi) |
|
Young's Modulus |
7.2 x 1010 Pa (10.5 x 106 psi) |
|
Poisson's Ratio |
0.17 |
|
Coefficient of Thermal Expansion (20°C - 320°C) |
5.5 X 10-7 cm/cm • °C |
|
Thermal Conductivity at 20°C |
1.4 W/m • °C |
|
Specific Heat at 20°C |
670 J/kg • °C |
|
Index of Refraction |
1.4585 |
|
Constringency (Nu value) |
67.56 |
|
Velocity of Sound-Shear Wave |
3.75 x 103 m/s |
|
Velocity of Sound/Compression Wave |
5.90 x 103 m/s |
|
Sonic Attenuation |
Less than 11 db/m MHz |
Note: Typical values are for reference only.
モメンティブ・テクノロジーズの溶融石英と合成溶融シリカの比較表
電気特性
溶融石英の導電性はイオン性であり、アルカリイオンが微量成分としてしか存在しないため、電気絶縁性や低損失の誘電体特性を持つガラスとして好まれています。 非常に高い温度と広い周波数範囲で、電気絶縁性とマイクロ波透過性の両方を保持しています。
溶融石英の代表的な電気特性
溶融石英の代表的な電気特性
| Property | Typical Values |
|---|---|
|
Electrical Resistance |
7 X 109 Ω-cm at 350°C |
|
Dielectric Loss Factor |
Less than 0.0004 at 20°C and 1 MHz |
|
Dielectric Constant |
3.75 at 20°C and 1 MHz |
|
Dielectric Strength |
5 X 107 V/m at 20°C and 1 MHz |
|
Dissipation Factor |
Less than 0.0001 at 20°C and 1 MHz |
光学特性
光学透過特性は、透明度が材料の純度と製造方法を反映しているため、様々な種類のガラス質シリカを区別する手段となります。
具体的な指標としては、紫外線カットオフ波長であり、245nmと2.73μmの帯域の有無が挙げられます。 紫外線カットオフの範囲は、厚さ10mmの試料で約155～175nmであり、純粋な溶融石英の材料の純度を反映しています。
遷移金属不純物があると、紫外線カットオフが長い波長側にシフトします。必要に応じて、意図的な添加を行います。 例えば、モメンティブ・テクノロジーズの219™溶融石英の場合は、紫外線での吸収を増加させるために、Tiの添加を行います。 245nmの吸収帯は、還元されたガラスの特徴であり、電気溶融で作られた材料を代表するものです。 例えば、火炎融合や合成材料などの「湿式」処理によってガラス質シリカが形成された場合、組み込まれた構造的な水酸基イオンの基本振動帯、2.73μmで強く吸収されます。
紫外線カット
この透過率曲線が示すように、モメンティブ・テクノロジーの214™溶融石英は<160nm未満でUVカットオフ（1mm厚）、245nmの小さな吸収があり、水酸基イオンによる顕著な吸収はありません。 約100ppmのTiを含む219は、1mm厚のサンプルで約230nmのUVカットオフがあります。
高い赤外線透過率
厚さ1mmのサンプルでは、赤外線エッジは4.5～5.0μmの範囲に入ります。 モメンティブ・テクノロジーズの214/124™電気溶融石英は、赤外線の透過に非常に有効な材料です。 赤外線の透過率は約4μmまでで、2.73μmの「水の帯域」ではほとんど吸収がありません。 これにより、モメンティブ・テクノロジーズの電気溶融石英は、火炎溶融石英（しばしば「湿式」石英と呼ばれる）とは異なることがわかります。 この違いは、赤外線範囲の透過率にも現れています。
他の厚さへの変換
他の厚さへの変換は、次の式で行うことができます。
T = (1−R)2e –at
T = 10進数で表した透過パーセント。
R = 1面の表面反射損失。
e = 自然対数の基数
a = 吸収係数、cm–1
t = 厚さ、cm
熱特性
溶融石英の最も重要な特性の一つは、次の通りに熱膨張率が極めて低いことです。5.5 x 10–7 /°C (20–320°C)。 その係数は、銅の1/34、ホウケイ酸ガラスの1/7に過ぎません。 この材料は、光学フラット、ミラー、炉の窓など、熱変化に対する最小の感度を必要とする重要な光学的用途に特に適しています。
関連する特性として、熱衝撃性が非常に高いことが挙げられます。 例えば、薄板を1500℃以上に急速に加熱した後、水の中に入れても割れません。
温度の影響
溶融石英は常温では固体ですが、高温になるとすべてのガラスと同様の挙動を示します。 結晶材料のような明確な融点はなく、かなり広い温度範囲で軟化するのが特徴です。 この固体からプラスチックのような挙動への移行は、変態域と呼ばれ、粘度が温度によって連続的に変化することが特徴です。
粘度
Typical Viscosity Values of Momentive Fused Quartz
| Property | Typical Values |
|---|---|
|
Softening Point |
1683°C |
|
Annealing Point |
1215°C |
|
Strain Point |
1120°c |
脱硝
溶融石英の高温性能を左右するのは脱硝とパーティクルの発生です。脱窒は、核生成と成長の2段階で行われます。 脱窒は、核生成と成長の2段階で行われます。 一般に、溶融石英の脱硝速度が遅いのは、クリストバライト相の核生成が自由表面でしかできないことと、結晶相の成長速度が低いことの2つの理由によります。
溶融石英材料の核生成は、一般的にアルカリ元素や他の金属による表面汚染によって始まります。 この不均一な核形成は、モメンティブ・テクノロジーズのような非化学量論的な溶融石英では、化学量論的な石英材料よりも遅くなります。
クリストバライトの成長
耐サグ性
溶融石英のたわみ抵抗に影響を与える最も大きな化学的要因は、水酸基（-OH）の含有量です。 モメンティブ・テクノロジーズでは、顧客の特定のニーズを満たすために、石英中の（-OH）含有量を制御しています。 高温の半導体処理で使用するチューブの性能を最大限に引き出すには、直径や壁厚の変化による影響を把握することが重要です。 214LDの溶融石英チューブを使ったある研究では、チューブの壁の厚さが増すにつれて、サグ率（たわみ率）が減少することがわかりました。 一般に、壁厚さが2倍になると、サグ率は約3分の1に減少します。 また、壁厚を一定にすると、チューブ直径が小さくなるにつれてサグ率が減少することが示されました。
破断の計算
溶融石英は常温では固体ですが、高温になるとすべてのガラスと同様の挙動を示します。 結晶材料のような明確な融点はなく、かなり広い温度範囲で軟化するのが特徴です。 この固体からプラスチックのような挙動への移行は、変態域と呼ばれ、粘度が温度によって連続的に変化することが特徴です。
チューブの破断の計算式
他の厚さへの変換は、次の式で行うことができます。
S = pr/t
S = フープ応力 (Pa)
p = 使用圧力 (Pa)
r = チューブの内半径 (mm)
t = 壁厚 (mm)
内圧が7×105Pa（100psi）を超える場合、この式は適用できません。
円板と板材の破断計算式
溶融石英の円板、板材、サイトグラスの多くの用途では、圧力差の計算が必要です。 下記の計算式は、円形の部品で、端部がクランプあり、なしのどちらにも、常温で使用することができます。
p = 圧力差 (Pa)
r0 = 支持されていない円板の半径（mm）。 板材の場合はr0を幅に置き換え
SMAX = 最大応力（約7対1の安全率） 7.0 x 106 Pa
t = 円板厚 (mm)
ただし、これらの部品の強度に影響を与える以下の要素を、式を使用する際には考慮する必要があります。
- 表面が高度に研磨され、傷がないこと
- 試料を圧力装置にクランプする手段
- 圧力装置に使用するクランプ材
- 表面上および表面間で予想される熱勾配
- 適用される圧力上昇率
- 試料の温度
石英の計算式は、ここをクリックしてください。
ご利用ガイド
今日の溶融石英のユーザーにとって重要なのは、製品のテクニカルサポートが受けられるかどうかです。 モメンティブ・テクノロジーズの製品は、設備の整った分析・開発ラボと、材料・融合の専門家スタッフによって支えられながら、お客様のご要望にお応えしています。 最先端の分析装置が最適な製造品質を保証し、モメンティブ・テクノロジーズの石英製品が厳格な業界基準に適合していることの証しとなっています。
このサイトに掲載されている物理的特性やその他の情報は、モメンティブ・テクノロジーズの技術研究所、教科書、技術出版物など、さまざまな情報源から得たものです。 モメンティブ・テクノロジーズは、この情報が正確であると考えますが、対象となるテーマを網羅的に検討したものではなく、したがって、モメンティブ・テクノロジーズは情報の正確性または完全性を保証するものではありません。
お客様には、製品がお客様の特定の使用条件に適していることを確認するために、参考資料を確認されることをお勧めします。
溶融石英の洗浄
- 製品は、脱脂剤を加えた脱イオン水または蒸留水で洗浄してください。
- その後、溶融石英を7%（最大）の二フッ化アンモニウム溶液に最長10分、または10vol%（最大）のフッ化水素酸溶液に最長5分浸す必要があります
- 表面をエッチングすることで、少量の溶融石英材料と表面の汚染物質を除去することができます。
- 汚れが付着したり、その後の加熱で脱硝が起こる可能性があるため、溶融石英は脱イオン水または蒸留水で数回洗浄し、速やかに乾燥させる必要があります。
- 汚染の可能性を減らすため、常に清潔な綿製の手袋を使用することが重要です。
溶融石英のアニール
溶融石英は、他のガラス質材料と同様に、熱処理後に応力が発生することがあります。 この応力を避けるためには、ガラスを適切に冷却する必要があります。 アニーリングの原理は以下の通りです。
-
応力が緩和する地点までガラスの温度を上げる
-
ガラスの本体全体が温度平衡に達するまで、この温度で保持する。
-
ガラスが硬くなる温度までゆっくりと冷やす。
残留応力または設計は、用途にもよりますが、1.7×105～20.4×105Pa（25～300psi）の範囲になります。 原則として、厚さ25mm以下の部分は100℃/時までの冷却が可能です。
溶融石英の取り扱い
溶融石英は、高温での設計寿命を期待される他の材料と同様、製品の性能を最大限に引き出すには取り扱いや使用方法に注意が必要です。
保管
- 応力が緩和する地点までガラスの温度を上げる
- ガラスの本体全体が温度平衡に達するまで、この温度で保持する。
- ガラスが硬くなる温度までゆっくりと冷やす。
表面の清潔さ
- あらゆる形態の汚染は有害です
- アルカリ性の溶液、塩、蒸気は特に有害です
- 素手で扱うと汗のアルカリが付着し、脱硝時にはっきりとした指紋が残ります
- 水滴を表面に放置すると、空気中の汚染物質が集まり、脱窒斑や水跡が発生しやすくなります。
- 表面の汚染がクリストバライトの核生成を促進します
溶融石英炉チューブの回転手順
耐脱窒性を高めるために、拡散管にクリストバライトの層を均等に作るには、次のような方法があります。
- チューブを1200℃の炉に入れ、最初の30時間は2時間ごとに90°回転させます。
- 作業スケジュールの都合上、この手順に従うことができない場合は、チューブを1200℃の炉に入れ、最初の8時間は2時間ごとに90°回転させ、その後、炉を動作温度に戻します
- この方法は、炉に十分な機械的サポートが設計されていることを前提に、高温でのサグを最小限に抑え、拡散管の寿命を延ばすのに役立ちます。
ソラリゼーション
- 天然材料を使用した溶融石英は、高エネルギーの放射線（短紫外線、X線、ガンマ線、中性子線など）を長時間照射すると、太陽光線が発生したり、変色したりします。
- 溶融石英の純度が高いほど、この種のソラリゼーションへの耐性も高くなります。
- 合成溶融シリカは耐ソラリゼーション性に優れています。溶融石英のソラリゼーションは、高温に熱することで熱漂白することができます。
解離
- 溶融石英を高温（約2000℃）にすると、SiO2が解離または昇華します。
- これは一般的に次のように考えられます：SiO2 → SiO + ½O2.
- 溶融石英の炎を使った作業では、高温になっている部分のすぐ外側に、もやや煙の帯ができます。 ヘイズが発生するのは、SiOが空気（およびおそらく水）中の酸素と再結合し、非常に小さな粒子のアモルファスSiO2として凝縮するためと考えられます。
- もやは、酸素-水素の炎で穏やかに加熱することで、表面から取り除くことができます。
- この解離は、溶融石英の加熱を還元条件で行うと大きく促進されます。
例えば、加熱時にグラファイトに近づいたり接触すると、SiO2が急速に解離します。
