DE102005059291A1

DE102005059291A1 - Verfahren für die Herstellung eines Quarzglas-Bauteils sowie nach dem Verfahren erhaltenes Quarzglas-Bauteil

Info

Publication number: DE102005059291A1
Application number: DE102005059291A
Authority: DE
Inventors: Jörg BECKER; Gero Fischer; Stephan Moritz
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-12-10
Also published as: DE102005059291B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Bauteils anzugeben, das es ermöglicht, das gesamte Volumen des Bauteils oder zumindest eine ausreichend dicke Oberflächenschicht einfach und reproduzierbar zu modifizieren und dadurch an den spezifischen Einsatzzweck anzupassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Imprägnieren einer Vorform mit mindestens teilweise offenporigem SiO¶2¶-Gefüge mit einem kieselsäurehaltigen Sol, Trocknen der imprägnierten Vorform und Sintern zu dem Quarzglas-Bauteil. Ein nach dem Verfahren erhaltenes Bauteil, das aus einem Basiskörper aus opakem Quarzglas der in einem Oberflächenbereich mit einer Transparentschicht aus transparentem Quarzglas versehen ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Transparentschicht eine Dicke von mehr als 1 mm aufweist und durch Sintern aus dem Quarzglas des Basiskörpers und darin verteilter Kieselsäure erzeugt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Quarzglas-Bauteils.
Weiterhin geht es in der Erfindung um ein Quarzglas-Bauteil, bestehend aus einem Basiskörper aus opakem Quarzglas mit einer spezifischen Dichte von wenigstens 2,15 g/cm³, der in mindestens einem Oberflächenbereich mit einer Transparentschicht aus transparentem Quarzglas versehen ist.

Bauteile aus Quarzglas werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise im chemischen Apparatebau, in der Lampenfertigung als Hüllrohre, Kolben, Abdeckplatten oder Reflektorträger, oder in der Halbleiterfertigung für Reaktoren und Apparaturen aus Quarzglas zur Behandlung von Halbleiterbauteilen, wie etwa als Trägerhorden, Glocken, Tiegeln, Schutzschilden, Flansche, Rohre, Stäbe, Platten, Ringe, Blöcke und dergleichen. Teilweise oder vollständig aus opakem Quarzglas bestehende Bauteile werden in jüngster Zeit auch zur Erzeugung diffuser Reflexion in der Optik eingesetzt.

Zur Einstellung oder Verbesserung spezifischer mechanischer, optischer oder chemischer Eigenschaften ist es bekannt, Quarzglas mit anderen Substanzen zu dotieren oder die Oberfläche des Bauteils zu modifizieren. Als Beispiele für bekannte Oberflächenmodifikationen seien eine Beschichtung mit einem Werkstoff mit höherer Erweichungstemperatur zur Verbesserung der Temperaturstabilität oder der chemischen Beständigkeit oder die Beschichtung mit hochreinem Material zur Verringerung der vom Bauteil ausgehenden Kontaminationsgefahr genannt.

Besonders bei Anwendungen in der Halbleiterfertigung werden die Quarzglas-Bauteile hohen thermischen Belastungen und chemisch aggressiven Umgebungen ausgesetzt. Bei diesen Anwendungen spielen eine guten Wärmeisolierung, eine hohe Temperaturstabilität oder Temperaturwechselbeständigkeit sowie eine hohe chemische Beständigkeit und Kontaminationsfreiheit eine wichtige Rolle. Zunehmend höhere Anforderungen werden auch an die Standzeit gestellt.

In Bezug auf die Standzeit von Quarzglas-Bauteilen sind die Ätzresistenz und die Blasenfreiheit oberflächennaher Bereiche zu beachten. Beispielsweise führen zunächst geschlossene Blasen in Quarzglasreaktoren von Halbleiter-Ätzanlagen, die im Verlaufe des Einsatzes durch Materialabtrag geöffnet werden, zu Verunreinigungen der im Reaktor zu behandelnden Halbleiter und beenden damit die Lebensdauer des Quarzglasreaktors. Auch mit Quarzglas reagierende, fluorhaltige Prozessgase, wie etwa CHF₃ oder CF₄, können durch Ätzabtrag die Lebensdauer verkürzen.

Außerdem tritt bei Halbleitertertigungsprozessen, wie etwa bei Sputter- oder Aufdampfprozessen, häufig das Problem auf, dass sich Materialschichten auf den Quarzglasoberflächen, niederschlagen. Die Materialschichten können sich mit der Zeit ablösen und führen dann zu Partikelproblemen. Um dies zu vermeiden, werden die Quarzglasoberflächen von Zeit zu Zeit gereinigt, was üblicherweise durch ein Ätzen mit einem fluorhaltigen Medium, insbesondere mittels Flusssäure, erfolgt. Der Reinigungsprozess ist nicht nur zeit- und kostenaufwändig, sondern führt auch zu einem Abtrag von Quarzglas und einer allmählichen Verringerung der Wandstärke. Auch dadurch wird die Lebensdauer des betreffenden Quarzglas-Bauteils begrenzt.

Es ist bekannt, dass dichte, blasenarme Oberflächenschichten die Ätzbeständigkeit verbessern. Ein Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Oberflächenschicht auf einem porösen, durch ein Schlickergießverfahren hergestellten Grünkörper ist in der DE 44 40 104 C2 beschrieben, aus der auch ein Quarzglas-Bauteil der eingangs genannten Gattung bekannt ist. Dabei wird eine wässrige Suspension von SiO₂-Teilchen mit einer chemischen Reinheit von 99,9 % SiO₂ erzeugt und in eine Gipsform gegossen. Nach dem Sintern wird die Oberfläche des resultierenden, porösen Quarzglaskörper mittels einer Knallgasflamme lokal auf hohe Temperaturen im Bereich von 1650 °C bis 2200 °C erhitzt, so dass sich das opake, poröse Grundmaterial in einem oberflächennahen Bereich mit einer Stärke von ca. 0,5 mm in transparentes Quarzglas umwandelt (= Feuerpolieren).

Es hat sich jedoch gezeigt, dass mittels des bekannten Verfahrens ausreichend dicke transparente, dichte Quarzglasschichten nicht zu erreichen sind. Offensichtlich wirkt ein verglaster, transparenter Oberflächenbereich als Wärmeisolator, der ein ausreichendes Erhitzen der darunter liegenden opaken Bereiche erschwert. Dieses Problem ist durch höhere Flammentemperaturen nicht zu lösen, da diese zu einer plastischen Verformung des Bauteils und zum Abdampfen von gasförmigem Siliciummonoxid (SiO) führen.

Zudem ergeben sich beim Schlickergießverfahren Probleme infolge der Schwindung des Grünkörpers beim Trocknen und beim Sintern. Es können Schwindungsrisse entstehen und zur Einhaltung einer hohen Maßhaltigkeit der Bauteile ist in der Regel eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich, die gerade bei dicht gesinterten Quarzglas-Bauteilen besonders zeit- und kostenaufwändig ist.

Da das Schlickergießverfahren an und für sich eine kostengünstige Herstellung von Bauteilen – auch mit komplexer Geometrie – ermöglichen würde, ist es wünschenswert, die genannten Nachteile bei der Herstellung von Quarzglas zu minimieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Bauteils anzugeben, das es ermöglicht, das gesamte Volumen des Bauteils oder zumindest eine ausreichend dicke Oberflächenschicht einfach und reproduzierbar zu modifizieren und dadurch an den spezifischen Einsatzzweck anzupassen.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil aus opakem Quarzglas bereitzustellen, das eine transparente Oberflächenschicht mit großer Schichtdicke aufweist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch Imprägnieren einer Vorform mit mindestens teilweise offenporigem SiO₂-Gefüge mit einem kieselsäurehaltigen Sol, Trocknen der imprägnierten Vorform und Sintern zu dem Quarzglas-Bauteil.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren setzt die Modifizierung der Quarzglas-Oberfläche bereits an einer Vorstufe des Quarzglas-Bauteils an, und nicht erst an dem im Wesentlichen fertiggestellten Quarzglas, wie bei den oben erläuterten, bekannten Verfahrensweisen. Hierzu wird eine poröse, saugfähige Vorform bereitgestellt, welche die Endkontur des Quarzglas-Bauteils umfasst. Diese Vorform wird unter Einsatz eines flüssigen Sols, das Kieselsäure in gelöster und/oder in fein verteilter Form enthält, imprägniert. Im Folgenden werden beide Formen des SiO₂ unter Kieselsäure verstanden, sofern nicht ausdrücklich nur auf die flüssige Phase Bezug genommen wird.

Diese Imprägnierung umfasst je nach Eindringtiefe des Sols das gesamte Vorform-Volumen, oder sie ist auf einen Oberflächenbereich der Vorform beschränkt. Die Eindringtiefe hängt von einer Vielzahl von Parametern ab, wie der Viskosität des Sols und der SiO₂-Teilchengröße, der Benetzbarkeit und der Porosität der Vorform und den Prozessparametern, wie Temperatur, Zeit und Druck. Wesentlich beim erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass in das offene Porenvolumen der Vorform feinteilige (= SiO₂-Teilchen) oder gelöste Kieselsäure eingelagert wird, denn diese entfaltet die folgende Wirkungen:

1. Beim Imprägnieren gelangt die im Sol gelöste Kieselsäure in Folge von Kapillarkräften auch in feinste Porenkanäle. Beim Trocknen des Sols fallen aus der Kieselsäue feinteilige SiO₂-Teilchen aus. Diese Teilchen hätten in fester Form kaum in die Porenkanäle eingebracht werden können. Ähnlich wirken im flüssigen Sol vorliegende SiO₂-Nanoteilchen, die in den Poren der Vorform eingeschwemmt und dort abgelagert werden. Anders als gelöster Kieselsäure, können die festen SiO₂-Teilchen die feinen Porenkanäle jedoch rasch verstopfen. In jedem Fall zeichnen sich die so in die Porenstruktur der Vorform eingebrachten oder ausgefällten Kieselsäure-Teilchen durch eine hohe Sinteraktivität aus und tragen zur Netzwerkbildung des Quarzglases bei, was insgesamt das nachfolgende Sintern der imprägnierten Vorform erleichtert. Das Sintern kann dadurch bei niedrigerer Temperatur erfolgen oder kürzere Sinterdauern umfassen, was plastische Verformungen vermindert und zu einer besseren Maßhaltigkeit der gesinterten Quarzglas-Bauteile führt und sich darüber hinaus auf die Produktivität und den Energiebedarf günstig auswirkt.
2. Außerdem wird das offene Porenvolumen der Vorform-Struktur verringert. Auch diese Verdichtung fördert das nachfolgende Sintern und vermindert die Sinter-Schrumpfung, so dass die Ausbildung von Sinterspannungen minimiert und die Einstellung vorgegebener Bauteilabmessungen erleichtert werden.

Vor dem Imprägnieren kann die Vorform wegen ihrer vergleichsweise geringen Dichte relativ einfach mechanisch bearbeitet und nahe an die vorgegebene Endkontur des Quarzglas-Bauteils gebracht werden. Dabei können Sicherheitsaufschläge bei den Abmessungen wegen der geringen Sinterschwindung der imprägnierten Vorform klein gehalten werden, mit der Folge, dass die aufwändigere mechanische Endbearbeitung nach dem Dichtsintern ganz entfallen oder auf ein Minimum beschränkt werden kann.

Der durch Imprägnieren verdichtete Bereich der Vorform ist nach dem Sintern – je nach Sintertemperatur und Sinterdauer – transparent oder weiterhin opak. Infolge der hohen Sinteraktivität der eingeschwemmten Kieselsäure und der Vorab-Verdichtung der Struktur ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Erzeugung porenarmer, porenfreier und transparenter Bereiche nicht nur unmittelbar an der Oberfläche, sondern auch in tieferen Volumenbereichen, so dass die Transparenz des Quarzglas-Bauteil in weitem Rahmen variiert und an spezifische Anforderungen angepasst werden kann.

Insgesamt liefert das erfindungsgemäße Verfahren somit eine einfache und kostengünstige Methode zur Modifizierung des gesamten Bauteil-Volumens oder zumindest einer Oberflächenschicht und ermöglicht dadurch die kostengünstige und reproduzierbare Herstellung von an den spezifischen Einsatzzweck angepasster Quarzglas-Bauteile. Als Beispiele seien Quarzglas-Bauteile für die Halbleiterfertigung mit dichter, transparenter Oberflächenschicht und hoher Ätzbeständigkeit genannt, oder Quarzglas-Bauteile mit definierter Opazität der Oberflächenschicht für einen Einsatz als diffus wirkender Reflektor.

Zwecks einer hohen Eindringtiefe des Sols weist dieses vorzugsweise eine geringe Viskosität und damit einhergehend einen geringen Gehalt an festen SiO₂-Teilchen von maximal 5 Gew.-% auf. Der Rest des Sols besteht aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit und Kieselsäure.

Um dennoch eine große Menge an SiO₂ in die Porenstruktur einzubringen und damit die oben unter 1. und 2 erläuterten Wirkungen der eingelagerten SiO₂-Teilchen und der Kieselsäure zu verstärken, wird der Vorgang des Imprägnierens vorzugsweise mehrmals wiederholt, wobei vor dem erneuten Imprägnieren jeweils das vorab in das offenporige SiO₂-Gefüge eingebrachte Sol getrocknet wird, um den SiO₂-Teilchen und der Kieselsäure freien Porenraum zur Verfügung zu stellen.

Je effektiver die Trocknung vor dem erneuten Imprägnieren erfolgt, um so größer ist das freie Porenvolumen und damit die einbringbare Kieselsäure-Masse. Für die Trocknung sind die bekannten Maßnahmen geeignet, insbesondere ein Erwärmen oder eine Mikrowellenbehandlung. Mit dem Trocknen kann auch eine thermische Verfestigung der Vorform und ein Vorsintern der eingebrachten Kieselsäure einhergehen.

Das offenporige SiO₂-Gefüge der Vorform ist derart, dass es einerseits das Eindringen des Sols und der Kieselsäure ermöglicht, andererseits aber auch eine möglichst geringe Sinterschrumpfung hervorruft. Eine feine, offene Porenstruktur ist in dieser Hinsicht optimal. Es hat sich gezeigt, dass eine geeignete Porenstruktur erhalten wird, wenn die Vorform aus einem SiO₂-haltigen Schlicker durch Formgießen erzeugt wird.

Derartige Herstellungsverfahren sind allgemein bekannt. Ein Beispiel hierfür ist in der oben genannten DE 44 40 104 C2 beschrieben. Dort wird ausgegangen von einem wässrigen Schlicker, der SiO₂-Teilchen enthält und der in eine Form abgegossen wird. Nach dem Trocknen des Wassers wird ein Grünkörper erhalten, der eine gewisse mechanische Stabilität aufweist und der so wie er ist oder nach einer thermischen Verfestigung als Vorform im Sinne der Erfindung zum Imprägnieren geeignet ist.

In einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante wird die Vorform mit offenporigem SiO₂-Gefüge durch Pressformen von SiO₂-Teilchen erzeugt.

Hierbei wird mittels der bekannten Pressverfahren, die auch ein Vorsintern in der Pressform beinhalten können, ein offenporiger Presskörper mit hinreichender mechanischer Stabilität erzeugt, der als Vorform im Sinne der Erfindung dienen kann.

In einer weiteren, ebenfalls bewährten Verfahrensvariante wird die Vorform durch Bildung von SiO₂-Teilchenn infolge von Oxidation oder Flammenhydrolyse einer Si-haltigen Ausgangssubstanz und schichtweisem Abscheiden der SiO₂-Teilchen auf einem rotierenden Träger erzeugt.

Die auf diese Weise erhaltenen porösen Vorformen bestehen aus synthetisch erzeugtem SiO₂ und werden auch als „Sootkörper" bezeichnet. Geeignete Abscheideverfahren sind unter den Bezeichnungen VAD-Verfahren (Vapor Phase Axial Deposition), OVD Verfahren (Outside Vapor Phase Deposition), und PCVD Verfahren (oder auch PECVD-Verfahren; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) allgemein bekannt. Bei allen diesen Verfahrensweisen werden in der Regel mittels eines Brenners SiO₂-Teilchen erzeugt und schichtweise auf einem Träger, der sich-relativ zu einer Reaktionszone bewegt, abgelagert Bei hinreichend niedriger Temperatur im Bereich der Ablagerungsfläche wird ein „Sootkörper" mit offener Porenstruktur erhalten, der als Vorform im Sinne der Erfindung geeignet ist.

Je geringer der Wassergehalt der Vorform vor dem Imprägnieren ist, um so rascher und effektiver kann das Sol in die Porenstruktur eindringen. Vorzugsweise weist die Vorform vor dem Imprägnieren daher einen Wassergehalt von weniger als 5 Gew.-% auf.

Im Hinblick auf ein beschleunigtes Eindringen des SiO₂-Sols, eine hohe Eindringtiefe und eine möglichst weitgehendes Auffüllen der Porenstruktur der Vorform hat es sich außerdem als günstig erwiesen, wenn zwischen der Oberfläche und dem Inneren des offenporigen SiO₂-Gefüges eine Druckdifferenz erzeugt wird, unter deren Wirkung das kieselsäurehaltige Sol in das offenporige SiO₂-Gefüge eindringt.

Eine wirksame Druckdifferenz kann erzeugt werden, indem das offenporige SiO₂-Gefüge vor dem Imprägnieren evakuiert wird, oder indem beim Imprägnieren von außen ein Überdruck erzeugt und aufrecht erhalten wird.

Sofern das kieselsäurehaltige Sol Feststoffteilchen enthält, besteht die Gefahr, dass diese die Porenstruktur der Vorform verstopfen und dadurch das weitere Einschwemmen von Kieselsäure behindern. Die Feststoffteilchen sollten daher möglichst klein sein. Es hat sich daher bewährt, wenn die das Sol SiO₂-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 100 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm, enthält.

Dabei handelt es sich um Nanopartikel mit hoher Sinteraktivität, welche die oben genannten Wirkungen der aus dem Sol ausgefällten Kieselsäure ergänzen und unterstützen.

Im Hinblick hierauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens ein Teil des kieselsäurehaltigen Sols durch Nassmahlen von SiO₂-Körnung erzeugt wird.

Hierbei wird die SiO₂-Körnung ausgehend von vergleichsweise groben Körnern mit Durchmessern zum Beispiel im Bereich zwischen 150 μm und 5000 μm in wässrigem Medium zerkleinert. Im Verlauf des Vermahlens kommt es infolge der in Lösung gehenden Kieselsäure zu einer Absenkung des pH-Werts auf unter 7, was die Löslichkeit der Kieselsäure weiter erhöht und somit zu einer Anreicherung im wässrigen Medium führt, die beim Trocknen des Mediums ausfällt. Außerdem bilden sich sehr feinteilige SiO₂-Teilchen, die durch Wechselwirkungen untereinander bereits innerhalb des wässrigen Mediums Bindungen ausbilden und die zu einer hohen Sinteraktivität beitragen.

Aus Gründen eines guten Eindringverhaltens weist das kieselsäurehaltige Sol vorzugsweise einen SiO₂-Gehalt von maximal 15 Gew.-% auf, wobei hier der SiO₂-Gehalt aus der als Feststoff vorliegenden Kieselsäure und aus der gelösten Kieselsäure zu verstehen ist.

Aus Gründen einer einfacheren Handhabbarkeit und zur Verringerung eines großen Porenvolumens wird die Vorform vor dem Imprägnieren vorteilhafterweise thermisch verfestigt.

Das Quarzglas-Bauteil weist eine vorgegebene Endkontur auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahren erhält die Vorform vor dem Imprägnieren – und bevorzugt nach einer etwaigen vorherigen thermischen Verfestigung – durch mechanische Bearbeitung eine Vorkontur, deren Abmessungen von denen der Endkontur um maximal 10 % abweichen.

Die mechanische Bearbeitung der noch nicht durch Sintern verdichteten Vorform erfordert einen vergleichsweise geringen Zeit- und Energieaufwand (wie bereits weiter oben erläutert), so dass die Abmessungen der Vorform vor dem Imprägnieren kostengünstig nahe an die Endkontur des Quarzglas-Bauteils gebracht werden können. Hinzukommt, dass Sicherheitsaufschläge bei den Abmessungen wegen der geringen Sinterschwindung der imprägnierten Vorform klein gehalten werden können. Vorzugsweise weichen die Abmessungen der so erhaltenen Vorkontur von denjenigen der Endkontur des Quarzglas-Bauteils um maximal 10 % ab.

Hinsichtlich des Bauteils aus Quarzglas wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Transparentschicht eine Dicke von mehr als 1 mm aufweist und durch Sintern aus dem Quarzglas des Basiskörpers und darin verteilter Kieselsäure erzeugt ist.

Das erfindungsgemäße Quarzglas-Bauteil wird unter Einsatz des oben erläuterten Verfahrens erhalten, indem eine SiO₂-Vorform mit mindestens teilweise offenporigem SiO₂-Gefüge mit einem kieselsäurehaltigen Sol beladen wird, und die imprägnierte Vorform anschließend gesintert wird. Infolge der Beladung mit Kieselsäure, die sich durch eine hohe Sinteraktivität auszeichnet und die außerdem zu einer Verminderung des Porenvolumens der Vorform und damit zu einer Verdichtung bereits vor dem Sintern führt, wird das vollständige Verdichten und Verglasen erleichtert, so dass sich bereits bei niedriger Sintertemperatur die Transparentschicht mit einer Dicke von mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, ausbildet.

Die Transparentschicht bedeckt die Oberfläche des Basiskörpers vollständig oder teilweise. Aufgrund seiner vergleichsweise dicken Transparentschicht zeichnet sich das erfindungsgemäße Quarzglas-Bauteil durch hohe Beständigkeit in korrosiver und ätzender Umgebung aus und ist daher insbesondere für einen Einsatz in der Halbleiterherstellung geeignet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 ein Fließdiagramm zur Erläuterung einer Verfahrensweise zur Herstellung eines Quarzglas-Flansches anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

2 einen Quarzglas-Flansch für aus opakem Quarzglas, dessen Oberfläche von einer SiO₂-Transparentschicht gebildet wird.

1. Herstellen einer Vorform mit offenem Porengefüge

Es wird ein homogener Grundschlicker 4 hergestellt. Für einen Ansatz von 10 kg Grundschlicker (SiO₂-Wasser-Schlicker) werden in einer mit Quarzglas ausgekleideten Trommelmühle mit ca. 20 Liter Volumeninhalt, 8,2 kg einer amorphen Quarzglaskörnung 1 aus natürlichem Rohstoff mit Korngrößen im Bereich zwischen 250 μm und 650 μm mit 1,8 kg deionisiertem Wasser 2 mit einer Leitfähigkeit von weniger als 3 μS vermischt. Die Quarzglaskörnung 1 wurde vorab in einem Heißchlorierverfahren gereinigt; es wird darauf geachtet, dass der Cristobalitgehalt unter 1 Gew.-% liegt.

Diese Mischung 3 wird mittels Mahlkugeln aus Quarzglas auf einem Rollenbock bei 23 U/min während einer Dauer von drei Tagen soweit vermahlen, dass sich ein homogener Grundschlicker 4 mit einem Feststoffgehalt von 79 % bildet. Im Verlauf des Vermahlens kommt es infolge des in Lösung gehenden SiO₂ zu einer Absenkung des pH-Werts auf 4,3. Die nach dem Vermahlen der Quarzglaskör nung 1 erhaltenen SiO₂-Teilchen im Schlicker zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen D₅₀- Wert von etwa 8 μm und durch einen D₉₀-Wert von etwa 40 μm gekennzeichnet ist.

Dem so erhaltenen homogenen Grundschlicker 4 werden sphärische, amorphe SiO₂-Teilchen 5 mit einer mittleren Korngröße um 5 μm zugemischt (D₅₀-Wert), bis ein Feststoffgehalt von 84 Gew.-% erreicht ist. Alternativ können auch Körnungen mit D₅₀-Werten von 15 μm, 30 μm oder 40 μm oder Mischungen dieser Körnungen eingesetzt werden.

Der so gefüllte Schlicker 6 wird weitere 12 Stunden lang in einer Trommelmühle bei einer Drehzahl von 25 U/min homogenisiert und hat dann einen Feststoffgehalt von 84 % und eine Dichte von 2,0 g/cm³.

Der gefüllte Schlicker 6 wird in eine Druckgussform einer kommerziellen Druckgussmaschine gegossen und über eine poröse Kunststoffmembran unter Bildung eines porösen Grünkörpers 7 entwässert. Zum Entfernen von gebundenem Wasser wird der Grünkörper 7 bei etwa 200 °C in einem belüfteten Ofen getrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 950 °C zu einer Vorform 8 aus opaken Quarzglas mit offener Porenstruktur geschrüht. Die so erhaltene Vorform 8 liegt in Form eines Flansches für einen Quarzglasreaktor für die Behandlung von Halbleiterscheiben vor, und er zeichnet sich durch eine offene Porosität mit feinen Porenkanälen aus. Der Porositätsgrad liegt bei etwa 11 %.

2. Herstellen eines kieselsäurehaltigen Sols

Der oben anhand Beispiel 1 hergestellte Schlicker 6 ist auch zur Herstellung eines kieselsäurehaltigen Sols 9 geeignet. Zu diesem Zweck wird der Schlicker durch Zusatz von deionisiertem Wasser auf einen Feststoffgehalt von 70 Gew.-% verdünnt. Nach dem Beruhigen des verdünnten Schlickers haben sich die schwereren Feststoffteilchen abgesetzt, so dass in der Schwebe befindlichen feineren Teilchen durch Dekantieren abgetrennt werden. Der abdekantierten, feine SiO₂-Teilchen enthaltenden Flüssigkeit wird Tetraethylorthosilikat (TEOS) in einer Menge von 1 Vol.-% (bezogen auf das Volumen der Flüssigkeit) zugesetzt. Das so erhaltene kieselsäurehaltige Sol 9 hat danach einen SiO₂-Anteil um 4 Gew.-%

3. Imprägnieren der Vorform

Die poröse Vorform 8 wird mechanisch nahezu auf das Endmaß des herzustellenden Quarzglas-Bauteils 11 bearbeitet. Die maximale Abweichung vom Endmaß – bezogen auf das jeweilige Endmaß – beträgt etwa 5 %.

Anschließend wird die mechanisch bearbeitete poröse Vorform 8 etwa 2 Minuten lang vollständig in das Sol 10 eingetaucht und die mit dem SiO₂-Sol beschichtete Vorform 8 in einer Druckkammer unter einem Druck von 10 bar behandelt. Die so allseitig mit Kieselsäure imprägnierte Vorform 10 wird bei einer Temperatur von 200 °C so lange getrocknet, bis die Restfeuchtigkeit weniger als 1 Gew.-% beträgt. Dieser Vorgang wird viermal wiederholt. Die Eindringtiefe des Sols 9 in die Vorformoberfläche beträgt um 5 mm.

4. Sintern der getrockneten und imprägnierten Vorform in einem Sinterofen

Zum Sintern der imprägnierten Vorform 10 wird diese in einem Sinterofen unter Luft innerhalb von einer Stunde auf eine Heiztemperatur im Bereich zwischen 1150 und 1500 °C – je nach der Heizdauer und dem einzustellenden Transparenzgrad der Oberflächenschicht – aufgeheizt und bei dieser Temperatur gehalten. Das Abkühlen erfolgt mit einer Abkühlrampe von 15 °C/min auf eine Ofentemperatur von 500 °C und danach ungeregelt bei geschlossenem Ofen.

Durch eine Sinterbehandlung um 1200 °C wird die imprägnierte Oberflächenschicht vollständig gesintert und verfestigt und zeigt eine Dichte von etwa 2,18 g/cm³, ist jedoch noch opak. Die Opazität zeigt sich dadurch, dass die direkte spektrale Transmission im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 2500 nm unterhalb von 2 % liegt. Dementsprechend ergibt sich ein hoher Reflexionsgrad von mehr als 95 % im infraroten Wellenlängenbereich.

Zur Herstellung einer Oberflächenschicht aus transparentem Quarzglas erfolgt das Sintern bei höherer Temperatur (etwa 1450 °C), längerer Haltedauer und/oder unter wasserstoff- oder heliumhaltiger Atmosphäre.

Durch eine Temperaturbehandlung um 1400 °C wird die imprägnierte Oberflächenschicht bis zu einer Tiefe von etwa 3 mm vollständig gesintert, verfestigt und vollständig transparent.

Das so erhaltene, vollständig gesinterte Quarzglas-Bauteil 11 weist Abmessungen nahe der herzustellenden Endkontur auf. Im Bedarfsfall wird die Oberfläche mechanisch bearbeitet, wobei sie sich bei der Bearbeitung wie Quarzglas verhält.

2 zeigt schematisch und anhand einer Schnittdarstellung den so erhaltenen Quarzglas-Flansch. Dieser besteht aus einem ringförmigen Basiskörper 20 aus opakem Quarzglas, der allseitig von einer rissfreien und transparenten SiO₂-Schicht 21 umgeben ist. Die Mittelachse des Flansches ist mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet.

Über die Dicke der SiO₂-Schicht 21 nimmt der Transparenzgrad von Außen nach Innen allmählich ab. Sie wird durch Sintern des imprägnierten Bereichs der Vorform 10 hergestellt, wie oben erläutert und hat eine mittlere Schichtdicke um 3 mm. Sie zeichnet sich durch hohe Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe Dichte und eine hohe Ätzbeständigkeit aus, die derjenigen von ideal dichtem Quarzglas entspricht. Die Schicht 21 besteht somit aus Quarzglas, welches durch Sintern aus dem Quarzglas des porösen Basiskörpers 20 und der darin eingelagerten, aus dem Sol 9 stammenden Kieselsäure erzeugt ist.

Claims

Verfahren für die Herstellung eines Quarzglas-Bauteils durch Imprägnieren einer Vorform mit mindestens teilweise offenporigem SiO₂-Gefüge mit einem kieselsäurehaltigen Sol, Trocknen der imprägnierten Vorform und Sintern zu dem Quarzglas-Bauteil.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol einen Gehalt an SiO₂-Teilchen von maximal 5 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Imprägnierens mehrmals wiederholt wird, wobei vor dem erneuten Imprägnieren jeweils das vorab in das offenporige SiO₂-Gefüge eingebrachte Sol getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform mit offenporigem SiO₂-Gefüge aus einem SiO₂-haltigen Schlicker durch Formgießen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform mit offenporigem SiO₂-Gefüge durch Pressformen von SiO₂-Teilchen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform mit offenporigem SiO₂-Gefüge durch Bildung von SiO₂-Teilchenn infolge von Oxidation oder Flammenhydrolyse einer Si-haltigen Ausgangssubstanz und schichtweisem Abscheiden der SiO₂-Teilchen auf einem rotierenden Träger erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform vor dem Imprägnieren einen Wassergehalt von weniger als 5 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche und dem Inneren des offenporigen SiO₂-Gefüges eine Druckdifferenz erzeugt und aufrechterhalten wird, unter deren Wirkung das kieselsäurehaltige Sol in das offenporige SiO₂-Gefüge eindringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol SiO₂-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 100 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm, enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des kieselsäurehaltigen Sols durch Nassmahlen von SiO₂-Körnung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kieselsäurehaltige Sol einen SiO₂-Gehalt von maximal 15 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform vor dem Imprägnieren thermisch verfestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas-Bauteil eine Endkontur aufweist, und dass die Vorform vor dem Imprägnieren durch mechanische Bearbeitung eine Vorkontur erhält, deren Abmessungen von denjenigen der Endkontur um maximal 10 % abweichen.
Quarzglas-Bauteil, bestehend aus einem Basiskörper aus opakem Quarzglas mit einer spezifischen Dichte von wenigstens 2,15 g/cm³, der in mindestens einem Oberflächenbereich mit einer Transparentschicht (21) aus transparentem Quarzglas versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transparentschicht (21) eine Dicke von mehr als 1 mm aufweist und durch Sintern aus dem Quarzglas des Basiskörpers (20) und darin verteilter Kieselsäure erzeugt ist.