シリカガラスとはシリカガラスとは

福井大学工学部福井大学工学部葛生　伸葛生　伸

シリカガラスの特長・ 高純

度

・ 熱的安定性

・ 優れた光学特性

金属不純物 < 数 10 ppb ～数 10 ppm

⇒ 半導体製造関係

低熱膨張 ⇒ フォトマスク　　精密光学部品

⇒ 半導体製造関係高耐熱性

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

英語名 日本語名Amorphous 　 　 Silica

非晶質シリカアモルファスシリカ

すべての非晶質シリカに対する総称名。非晶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。

シリカガラスの名称

シリカガラスの分類

液相

LPD 法

ゾル・ゲル法

溶融電気溶融 ( I 型 )

火炎溶融 ( II 型 )

合成

気相

直接法 ( III 型 )

プラズマ法 ( IV 型 )

スート再溶融法

MCVD法OVD 法VAD 法PCVD 法

シリカガラス

シリカガラスの分類製造方法・特性および主な用途

分　　　類

溶　　　　　　　融 合　　　　　成

種　　　別　 ( 型 )

電気溶融　 (I)

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

原　　料 石　　英 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

製造方法

多孔質体合成

・アークプラズマ

スート合成 ゾル→ゲル化→乾燥

SiO2+H2SiF

6, 水溶液からの析出

ガラス化

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

不純物

OH (ppm)

~10 　 100~300 500~1500 < 5 < 1~200 < 2

金属 (ppm)

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

用　　　途 ・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

・ガラス，プラスティック表面コーティング

石　英

トリディマイト

クリストバライト

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

( 常温で安定なもの ) Si

O

OO

O=

SiO4 正四面体構造

貫井昭彦，セラミックス 20, 266 (1986)

石　英

トリディマイト

クリストバライト

コーサイト

キータイト

スティショバイト(SiO6 8 面体構造 )

シリカ結晶構造の例

貫井昭彦，耐火物 44, 497, 533, 596, 728 (1992)

シリカガラスと結晶の違い

SiO4 正四面体構造Si

O

O

O

O

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

( 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 ・短距離構

造⇒ SiO4 正四面体構造

Si

O

OO

O

・中距離構造

⇒ Si-O-Si 結合角　　リング構造

←　 中性子線，Ｘ線回折

中性子回折による動径分布関数

M. Misawa, J. Non-Cryst. Solids, 37, 85 (1980)

←　Ｘ線回折，ラマン散乱

200 300 400 500 600 700

Inte

nsi

ty /

arb.

uni

ts

Wave Number / cm -1

D1 　 495 cm-

1平面６員環構造

D2 　 606 cm-

1平面 8員環構造

ラマンスペクトルと平面環状構造

●： Ｓｉ， ○ : Ｏ

D1

D1

点欠陥・常磁性欠陥

D. L. Griscom, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res, B1, 481 (1984)

・反磁性欠陥

←　 光吸収

ex. ≡Si-Si≡ （ 163 nm [7.6 eV])

≡Si ･･･ Si≡ (247 nm [5.02 eV])

←　 電子スピン共鳴 　　　　 (ESR, EPR)

4 5 6 7

1

2

200250300

Energy / eV

Ab

sorp

tion

/ cm

-1

ED-BSoot Remelted, OH free

Wavelength / nm

5.02 eV

7.6 eV tail

NBOHC

パーオキシラジカル

常磁性欠陥の構造R. Weeks, J. Non-Cryst. Solids, 179, 1 (1994)

溶融石英ガラスの粒状構造 （グラニュラリティー）

200 400 600 800 10000

2

4

6

8

10

Temperature　/　K

Exp

ansivity　/　(10-7 　K

-1)

C QT1 T3 T4 T5T2

シリカガラスの熱膨張

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

Y. Kikuchi, H. Sudo and N. Kuzuu, J. Appl. Phys. 82, 4121 (1997)W. Weiss, J. Am. Ceram. Soc. 67, 213 (1984)

Strained Mixed Cluster ModelC. 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