石英ボートの製作ならUSTRON（アストロン）へ
USTRONでは石英ボートの製作に経験とノウハウがあります。
半導体製造工程のCVD工程や酸化・拡散工程に欠かせないチューブ、ボート、ﾃﾞﾊﾞｲｽなど、日々高品質化しています。 当社は、関係会社の安定した石英素材の供給ルート、最新悦の加工設備と高度な加工技術で様々な要望に応えています。
半導体製造プロセス反応炉内でウエハー保持に使用される石英ボート。（横型、縦型）
石英ボートは半導体製造などの先進的な用途で活躍するコンポーネント
石英ボートは、半導体製造や化学実験において重要な役割を果たすコンポーネントです。耐熱性と化学的安定性に優れ、先進的かつ高品質な製品の製造に役立っています。この記事では、石英ボートの基礎知識や材料となる石英ガラスの種類と特性を説明し、石英ボートの用途や市場動向についても解説します。
石英ボートとは
石英ボートは、その名のとおり石英ガラスで作られたボート型の容器です。石英ボートは高温環境に強く、また、化学的にも安定しているため、さまざまな産業分野で広く活用されています。耐久性にも優れ、安定した性能を維持できるため、重要な製造プロセスまたは実験プロセスの正確性・信頼性をサポートします。
石英ボートの形状は、半円筒形のものが一般的です。また、半導体の製造プロセスに必要なウエハーを保持する石英ボートの場合は、縦型や横型といった形状を選択できます。特殊な用途においては、カスタマイズされたサイズ・形状の石英ボートも存在します。機械装置の内部部品として、比較的高精度な加工が要求されるコンポーネントです。
石英ボートの材料となる石英ガラス
石英ボートの素材である石英ガラスは、二酸化ケイ素（SiO2）を主成分とする無機化合物です。製造方法によって「溶融石英ガラス」と「合成石英ガラス」の2種類があり、石英ボートの性能を支える優れた特性を有しています。ここでは、石英ガラスの種類と特性について解説します。
石英ガラスの種類
まず、溶融石英ガラスと合成石英ガラスの特徴をそれぞれ説明します。
溶融石英ガラス
溶融石英ガラスは、天然の水晶または高純度の石英砂を高温で溶融した後、冷却することによって生成されます。この過程で金属不純物を取り除き、二酸化ケイ素の純度を高めることで、高温耐性や薬品耐性、透明性を向上させます。溶融石英ガラスは製造方法が簡易なため、一般的には合成石英ガラスよりも低価格です。
合成石英ガラス
合成石英ガラスの原料は超高純度の四塩化珪素（SiCl4）で、化学的な合成プロセスを経て製造されます。いくつかの製造手法があり、水素と酸素を活用する直接法や、シラン化合物を利用するCVD法などが代表例です。溶融石英ガラスよりもさらに高い純度を実現できる反面、一定の設備投資が必要なため生産コストは高くなります。特に広範囲な波長域で優れた透過性を持つことから、光学部品や精密測定機器に適しています。
石英ガラスの特性
石英ガラスには多くの特性が認められますが、石英ボートの機能性に深く関わるのは「高温耐性」「薬品耐性」「透明性」の3つです。ここでは、各特性について簡潔に解説します。
高温耐性
石英ガラスは、高温環境でも安定した性能を発揮します。樹脂やガラスと比較すると圧倒的な耐熱性を持ち、1000℃近くまで問題なく使用可能です。軟化点が約1700℃と非常に高いため、広い温度範囲で十分な機械的強度を維持します。また、熱膨張係数が小さいために熱による変形が起こりにくいのも特長です。このような高い耐熱性能を有する石英ボートは、高温環境下での化学反応や材料処理で頻繁に活用されています。
薬品耐性
石英ガラスは化学的にも安定しており、多くの薬品や溶剤に対して強い耐性があります。アルカリ溶液やフッ酸、300℃以上のリン酸を除き、化学反応を起こすリスクはほとんどなく、薬品処理や洗浄工程などに幅広く利用できます。化学実験や化学工業プロセスにおいて石英ボートが持つ耐薬品性は、作業の信頼性と安全性を確保するために重要です。
透明性
石英ガラスは高い透明性を持ち、赤外領域や紫外領域での透過率にも優れています。光学機器への活用はもちろん、紫外線を利用する実験・研究でも重視される特性です。石英ボートの透明性は容器内を視認しやすくし、試料の状態や反応プロセスに異常がないか確認するのに役立っています。
石英ボートの主な用途
石英ボートの主な用途は以下のとおりです。
・半導体製造
・化学実験
・材料科学
・分析化学
それぞれを詳しく解説します。
半導体製造
石英ボートの用途の中でも特に重要なのは、半導体製造への活用です。半導体の製造プロセスにおいて、蒸着プロセスやエッチングプロセスに石英ボートが使用されています。高純度の石英ガラスで作られているため、製造過程で発生する熱、あるいは薬品の影響を受けません。
蒸着プロセス
精細な回路パターンを形成するために、化学蒸着（CVD）や物理蒸着（PVD）などの手法が用いられます。これらのプロセスでは、耐熱性に優れる石英ボートが基板を支えることで、正確な蒸着が可能になります。
エッチングプロセス
エッチング工程で薬液や反応ガスにさらされても腐食が起こらない石英ボートは、基板の正確な処理に不可欠です。近年はウエハーのサイズやエッチャー装置が多様化しており、石英ボートに高い加工精度が要求されています。
半導体デバイスの小型化と高性能化が進むにつれ、石英ボートの寸法精度や耐久性はますます重要になってきています。半導体製造における品質と効率の向上を図るなら、高品質な石英ボートを調達することが望ましいです。
化学実験
石英ボートはその耐熱性と耐薬品性により、理化学実験用器具として広く使用されています。高温での反応や蒸発、焼成などの実験において、試料を安定的かつ安全に処理するためには石英ボートが最適です。素材に用いられている石英ガラスが化学的に反応しにくいことから、実験結果の正確性を保証します。
材料科学
新しい材料の開発や既存材料の特性評価でも石英ボートが用いられます。石英ガラスは1000℃に近い温度環境でも溶けることがなく、高温合成や加熱試験において試料の性質を変える可能性がほとんどないためです。また、耐摩耗性や化学的安定性にも優れ、研究の信頼性を損なうリスクが非常に小さいことも、材料科学の分野で役立つ特性といえます。
分析化学
耐熱性と化学的安定性を持つ石英ボートは、分析化学における各種の試験・分析にも使われています。例えば、蒸発や乾燥プロセスにおいて、石英ボートは試料を安定して保持し、正確な分析結果を得るのに役立ちます。魚に含まれる水銀の微量分析において、魚肉サンプルの燃焼分解操作のために石英管を使用した事例などが参考になるでしょう。
石英ボートの市場動向と展望
株式会社データリソースのレポート「半導体産業向け石英製品の世界市場成長率 2023-2029（Global Quartz Products for The Semiconductor Industrial Market Growth 2023-2029）」によれば、石英ボートを含む高純度石英製品の市場は急激な成長を見せています。2022年の市場規模は約2億4974万米ドルで、2029年までには約5億9013万米ドルへと成長することが予測されています。年平均成長率に直すと13.1%もの高水準です。
市場の成長は、特に半導体分野での消耗品需要の増加によって促進されています。石英ガラスがウエハー製造を含む半導体製造プロセスに幅広く使用されているほか、シリコン単結晶の製造るつぼや拡散炉の炉心管など、多くの石英部品が半導体産業に不可欠です。石英ボートは拡散工程での主要コンポーネントとして位置づけられており、新規購入と交換によって今後も継続的な需要が期待されます。
