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溶融石英、溶融シリカ、または石英ガラスは、ほぼ純粋なシリカ（二酸化ケイ素、SiO₂ ）を非晶質（非結晶性）の形で含むガラスです。これは、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラスなど、他のすべての市販ガラスとは異なります。これらのガラスには、溶融温度の低下、スペクトル透過範囲の低下、機械的強度の低下など、ガラスの光学的および物理的特性を変化させる他の成分が添加されています。そのため、溶融石英は加工温度と融点が高く、成形が難しく、一般的な用途にはあまり適していませんが、強度が高く、耐薬品性に優れ、熱膨張率が低いため、照明や科学用途など、多くの特殊な用途に適しています。
溶融石英と溶融シリカという用語は互換的に使用されますが、異なる製造技術を指す場合があり、結果として微量の不純物が異なります。しかし、溶融石英はガラス状態であるため、同じ物質でできているにもかかわらず、結晶石英とはかなり異なる物理的特性を持っています。一方、溶融シリカは完全に合成です。[ 2 ]その物理的特性により、半導体製造や実験装置などの特殊な用途があります。
他の一般的なガラスと比較して、純粋なシリカの光透過率は紫外線および赤外線波長域まで広く及ぶため、これらの波長域用のレンズやその他の光学部品の製造に使用されます。製造プロセスによっては、不純物によって光透過率が制限されるため、赤外線または紫外線での使用に最適化された市販グレードの溶融石英が存在します。溶融石英の熱膨張係数が低いため、精密ミラー基板や光学平面の材料として有用です。[ 3 ]
溶融石英は、石英結晶からなる高純度シリカ砂を溶融（融解）することによって製造されます。市販のシリカガラスには、大きく分けて4つの種類があります。
石英はケイ素と酸素のみから構成されていますが、市販の石英ガラスには不純物が含まれていることがよくあります。主な不純物はアルミニウムとチタン[ 5 ]で、これらは紫外線波長での光透過率に影響を与えます。製造工程で水が存在すると、水酸基（OH）が埋め込まれ、赤外線での透過率が低下します。
溶融は、電気加熱炉（電気溶融）またはガス/酸素燃料炉（炎溶融）のいずれかを使用して、約 2200 °C (4000 °F) で行われます。 [ 6 ]溶融シリカは、ほぼすべてのケイ素を豊富に含む化学前駆体 から製造できます。通常は、揮発性ケイ素化合物の炎酸化による二酸化ケイ素の製造と、生成された粉末の熱溶融を含む連続プロセスを使用します（ただし、代替プロセスも使用されます）。これにより、超高純度で深紫外域での光透過率が向上した透明なガラスが得られます。一般的な方法の 1 つは、四塩化ケイ素を水素-酸素炎に加えることです。
溶融石英は通常透明です。ただし、小さな気泡が内部に閉じ込められると、半透明になることがあります。溶融石英の水分含有量（したがって赤外線透過率）は製造プロセスによって決まります。火炎溶融材料は、炉の燃料となる炭化水素と酸素の組み合わせにより、材料内に水酸基[OH]が形成されるため、常に水分含有量が高くなります。IRグレードの材料は通常[OH]含有量が10 ppm未満です。[ 7 ]
溶融石英の多くの光学用途は、紫外線から近赤外線まで広がる広い透明範囲を利用しています。溶融石英は、電気通信に使用される光ファイバーの主要な原料です。
溶融石英は、その強度と高い融点（通常のガラスと比較して）から、ハロゲンランプや高輝度放電ランプの封筒として使用されています。これらのランプは、高輝度と長寿命を両立させるために、封筒を高温で動作させる必要があります。一部の高出力真空管では、赤外線波長での透過率が高いシリカ封筒が使用され、白熱陽極の放射冷却を容易にしていました。
溶融石英は物理的に強度が高いため、バチスフィアやベントスコープなどの深海潜水艇や、スペースシャトルや国際宇宙ステーションなどの有人宇宙船の窓に使用されました。[ 8 ]溶融石英は複合装甲の開発にも使用されました。[ 9 ]
半導体業界において、その強度、熱安定性、および紫外線透過性の組み合わせは、フォトリソグラフィー用の投影マスクの基板として優れた特性を発揮する。
その紫外線透過性は、 EPROM（消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ）の窓としても利用されています。EPROMは、強い紫外線にさらされることで消去される不揮発性メモリチップの一種です。EPROMは、パッケージの上部にある透明な溶融石英（ただし、後期のモデルでは紫外線透過性樹脂を使用）の窓によって識別できます。この窓を通してシリコンチップが見え、消去のために紫外線を透過します。[ 10 ] [ 11 ]
熱安定性と組成により、5D光データストレージ[ 12 ]や半導体製造炉[ 13 ] [ 14 ]に使用されています。
溶融石英は、望遠鏡などに使用される第一面鏡の製造にほぼ理想的な特性を備えています。この材料は予測可能な挙動を示し、光学加工業者は表面に非常に滑らかな研磨を施し、少ない試行回数で目的の形状を実現できます。場合によっては、高純度UVグレードの溶融石英が、ハッセルブラッドカメラ用に製造されていたツァイス105mm f/4.3 UVゾナーや、ニコンUV-ニッコール105mm f /4.5（現在はニコンPF10545MF-UVとして販売）などの特殊用途レンズの個々の無コーティングレンズエレメントの製造に使用されています。これらのレンズはUV撮影に使用されます。これは、石英ガラスが、より一般的なフリントガラスやクラウンガラスを使用したレンズよりもはるかに短い波長で透明であるためです。
溶融石英は、高精度マイクロ波回路の基板として使用できる金属化およびエッチングが可能であり、その熱安定性から狭帯域フィルタや同様の要求の厳しい用途に適しています。アルミナよりも誘電率が低いため、より高いインピーダンスの配線やより薄い基板を実現できますが、熱伝導率が非常に低いため、高出力回路での使用は制限されます。
溶融石英は工業原料として、製鋼、精密鋳造、ガラス製造など、多くの高温熱処理プロセスで使用されるるつぼ、トレイ、シュラウド、ローラーなどの様々な耐火形状の製造に用いられます。溶融石英製の耐火形状は優れた耐熱衝撃性を持ち、濃度に関わらず、ほとんどすべての酸を含むほとんどの元素や化合物に対して化学的に不活性です。ただし、フッ化水素酸は比較的低濃度でも非常に反応性が高いため例外です。半透明の溶融石英管は、室内ヒーター、工業炉、その他同様の用途において、電気部品の被覆材として一般的に使用されています。
常温での機械的減衰が低いため、高Q共振器、特に半球型ジャイロ共振器のワイングラス共振器に使用されます。 [ 15 ] [ 16 ]同じ理由で、溶融石英はグラスハープやヴェロフォンなどの現代のガラス楽器にも使用されており、歴史的なグラスハーモニカの新しい製作にも使用されており、これらの楽器に、歴史的に使用されていた鉛クリスタルよりも広いダイナミックレンジとクリアなサウンドを与えています。
石英ガラス器具は、標準的なホウケイ酸ガラスでは高温に耐えられない場合や、高い紫外線透過率が求められる場合に、化学実験室で時折使用されます。しかし、製造コストがかなり高いため、その使用は限られています。通常は、炉内の管状容器やフラスコなど、熱に直接さらされる単一の基本要素として使用されます。
極めて低い熱膨張係数、約5.5 × 10 −7 /K (20–320 °C) という値は、亀裂を生じることなく大きな急激な温度変化に耐えるという驚くべき能力を表しています (熱衝撃を参照)。
溶融石英は、フラッシュチューブでよく見られるように、強い紫外線照射下では燐光や「ソーラリゼーション」（紫がかった変色）を起こしやすい。「UVグレード」の合成溶融シリカ（「HPFS」、「Spectrosil」、「Suprasil」など様々な商標名で販売されている）は、金属不純物含有量が非常に少ないため、紫外線のより深い領域まで透明である。厚さ1cmの光学素子は、波長170nmで約50%の透過率を持ち、160nmではわずか数パーセントにまで低下する。ただし、赤外線透過率は、2.2μmと2.7μmにおける強い水の吸収によって制限される。
電気的に溶融された「赤外線グレード」溶融石英（商品名「インフラシル」、「ビトレオシルIR」など）は、金属不純物の含有量が多く、紫外線透過波長が約250nmに制限されます が、水分含有量が非常に少ないため、3.6μmまでの赤外線透過性に優れています 。透明溶融石英／溶融シリカは、すべてのグレードで機械的特性がほぼ同じです。
溶融石英の光分散は、次のセルマイヤー方程式で近似できます。[ 17 ]
波長 はマイクロメートル単位で測定されます。この式は 0.21 ～ 3.71 μm の範囲で 20 °Cで有効です。 [ 17 ]その有効性は 6.7 μm までの波長で確認されています 。[ 4 ] 溶融石英の複素屈折率の実部 (屈折率) と虚部 (吸収指数) の実験データは、30 nm から 1000 μmのスペクトル範囲で文献に報告されており、北村ら[ 4 ]によってレビューされ、オンラインで入手可能です。
67.8という非常に高いアッベ数を持つため、可視波長域では分散が最も低いガラスの一つであり、可視光域での屈折率も非常に低い（ nd = 1.4585）。なお、溶融石英は、同じ波長で屈折率がn o = 1.5443、n e = 1.5534の複屈折性を持つ結晶石英とは大きく異なり、屈折率も低い。これらの形態は同じ化学式を持つが、構造が異なるため、光学特性やその他の物理的特性も異なる。
