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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Quarzglaskörpers, umfassend
ein Abscheiden von SiO2-Partikeln auf der
Zylindermantelfläche
eines um seine Längsachse
rotierenden, zylinderförmigen
Dorns unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen,
porösen
Rohlings, der mit einem, im Bereich eines der Enden des Rohlings
angreifenden Halteelement aus Quarzglas verbunden wird, und Sintern
des Rohlings.
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Ein
Verfahren dieser Gattung ist aus der DE-A1 196 49 935 bekannt. Bei
dem darin beschriebenen Verfahren wird ein hohlzylindrischer Rohling aus
porösem
Quarzglas nach dem sogenannten „OVD-Verfahren" (Outside Vapour
Depostion) hergestellt, indem feine SiO2-Partikel
schichtweise auf einem ums seine Längsachse rotierenden Trägerrohr abgeschieden
werden. Im Verlauf des Abscheideprozesses wird ein rohrförmiger Halter
aus Quarzglas in eines der Enden des sich bildenden Rohlings stabil eingebettet.
Nach Entfernen des Trägerrohres
aus dem Rohling kann dieser für
weitere Bearbeitungsschritte – etwa
einer Dehydratationsbehandlung in chlorhaltiger Atmosphäre – an dem
eingebetteten Halter in vertikaler Ausrichtung hängend gehalten werden. Aus
dem porösen
Rohling wird durch Sintern eine transparente Quarzglasvorform gebildet.
Beim Verglasen verbleibt der Halter zunächst in der Vorform und wird
anschließend
mit dem betreffenden Teil der Vorform entfernt.
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Da
Vorform und Halter aus Quarzglas bestehen, werden Ausdehnungsunterschiede
und die damit einhergehenden Probleme beim Verglasen vermieden.
Es hat sich aber gezeigt, daß aus
den unter Einsatz des bekannten Halters hergestellten Vorformen
Lichtleitfasern mit teilweise schwankenden optischen Eigenschaften
erhalten werden.
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In
der
DE 199 18 001
A1 ist ein hitzebeständiges,
synthetisches Quarzglas beschrieben, das sich unter anderem durch
eine Hydroxylgruppenkonzentration im Bereich zwischen 10 Gew.-ppm
und 300 Gew.-ppm auszeichnet. Im Rahmen der Ausführungsbeispiele werden Hydroxylgruppenkonzentrationen
von 80 Gew.-ppm und 90 Gew.-ppm angegeben; im Rahmen der Vergleichsbeispiele
werden dafür
auch 20 Gew.-ppm und <1
Gew.-ppm genannt, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, dass ein OH-Gehalt
von weniger als 10 Gew.-ppm nachteilig im Hinblick auf eine nachlassende
Bindungswirkung für
metallische Verunreinigungen sein kann.
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Das
bekannte Quarzglas ist für
einen Einsatz als Halter für
Halbleiter bei Wärmebehandlungsprozessen
geeignet. Aus dieser Druckschrift ergibt sich kein Hinweis darauf,
das Quarzglas in Form eines Halteelements bei einem Verfahren der
eingangs genannten Gattung zur Herstellung eines porösen SiO2-Rohlings einzusetzen.
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Ein
weiteres hitzebeständiges
Quarzglas mit einer geringen Hydroxylgruppenkonzentration (von 0 bis
3 ppm) ist aus der
DE
198 55 915 A1 bekannt. Auch dieses Quarzglas ist für einen
Einsatz bei der Halbleiterherstellung für die Herstellung von Aufspannvorrichtungen,
die zur Herstellung von Halbleitern verwendet werden. Ein Einsatz
dieses Quarzglases als Halteelement Im Rahmen der Herstellung eines
Quarzglaskörpers
ergibt sich daraus nicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren im
Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der aus dem
Quarzglaskörper
hergestellten Produkte zu verbessern. Diese Aufgabe wird ausgehend
von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß ein
Halteelement mit einem metastabilen OH-Gehalt von weniger als 30 Gew.-ppm eingesetzt wird,
mit der Maßgabe,
dass der metastabile OH-Gehalt ein Gehalt an Hydroxylgruppen ist,
der durch Erhitzen des Halteelements auf eine Temperatur von 1040 °C über einen
Zeitraum von 48 Stunden bei einem Diffusionsweg von 5 mm entfernt
wird, und daß das
Halteelement einer thermischen Vor behandlung, die ein Erhitzen bei
einer Temperatur von mindestens 900 °C umfaßt, unterworfen wird.
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Es
hat sich gezeigt, daß die
erwähnten Schwankungen
der optischen Eigenschaften darauf zurückzuführen sind, daß der Rohling
einen axialen Gradienten im Hydroxylgruppen-Gehalt (im folgenden auch als OH-Gehalt
bezeichnet) aufweist. Der OH-Gehalt ist bei dem bekannten Verfahren
in demjenigen Bereich des Rohlings – und dem daraus hergestellten
Quarzglaskörper – am größten, mit
dem das Halteelement verbunden war.
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Dies
kann darauf zurückgeführt werden,
daß während des
Herstellungsverfahrens, und insbesondere während Prozeßschritten bei hoher Temperatur, OH-Gruppen
aus dem Halteelement ausdiffundieren und an den Rohling und an den
Quarzglaskörper
abgegeben werden. Überraschenderweise
ist eine derartige Abgabe von OH-Gruppen jedoch nicht eindeutig
mit dem Hydroxylgruppen-Gehalt des Quarzglases korrelierbar. Der
Hydroxylgruppen-Gehalt des Quarzglases setzt sich vielmehr aus einem
chemisch fest gebundenen OH-Gehalt und einem metastabilen OH-Gehalt
zusammen, wobei nur letzterer hinsichtlich der Abgabe von OH-Gruppen
problematisch ist.
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Dadurch,
daß ein
Halteelement mit einem möglichst
geringen metastabilen OH-Gehalt von weniger als 30 Gew.-ppm eingesetzt
wird, wird eine derartige Abgabe von OH-Gruppen weitgehend vermieden,
so daß eine
im wesentlichen axial homogene Verteilung von Hydroxylgruppen im
Rohling und im daraus hergestellten transparenten Quarzglaskörper gewährleistet
ist.
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Unter
einem „metastabilen
OH-Gehalt" wird im
allgemeinen derjenige Hydroxylgruppen-Gehalt verstanden, der sich durch eine
Temperaturbehandlung des Quarzglases entfernen läßt. Die Lösung metastabiler OH-Gruppen
aus Quarzglas benötigt
eine gewisse Aktivierungsenergie. Unabhängig davon wird die Ausdiffusion
metastabiler OH-Gruppen aus einem Quarzglas-Bauteil durch die Höhe der Temperatur,
die Dauer der Temperaturbehandlung und die Länge der Diffusionswege bestimmt.
Bei einem größeren Bauteil
ist der Diffusionsweg (= maximaler Abstand eines Punktes innerhalb
des Bauteils zur freien Bauteiloberfläche) länger. Im Sinne dieser Erfindung wird
als „metastabiler
OH-Gehalt" ein Hydroxylgruppen-Gehalt
definiert, der durch Erhitzen eines Halteelements auf eine Temperatur
von 1040 °C über einen
Zeitraum von 48 Stunden bei einem Diffusionsweg von 5 mm entfernt
wird.
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Ein
geringer metastabiler OH-Gehalt kann durch Einsatz eines Halteelements
aus hydroxylarmem Quarzglases erreicht werden. Erfindungsgemäß wird jedoch
eine Verfahrensweise eingesetzt, bei der das Halteelement einer
thermischen Vorbehandlung unterworfen wird. Dabei wird von einem Halteelement
aus Quarzglas mit höherem
metastabilen OH-Gehalt ausgegangen, dessen Herstellung zum Beispiel
aus Kostengründen
vorteilhaft sein kann. Der höhere
metastabile OH-Gehalt des Quarzglases wird in dem Fall vor dem Einsatz
des Halteelements beim erfindungsgemäßen Verfahren durch eine thermische
Vorbehandlung verringert.
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Die
thermische Vorbehandlung umfasst ein Erhitzen des Halteelementes
bei einer Temperatur von mindestens 900 °C.
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Bevorzugt
wird ein Halteelement mit einem metastabilen OH-Gehalt von weniger
als 1 Gew.-ppm eingesetzt. Unter Berücksichtigung der obigen Definition
wird durch Erhitzen eines derartigen Halteelements auf eine Temperatur
von 1040 °C über einen Zeitraum
von 48 Stunden der ursprüngliche
OH-Gehalt des Quarzglases um höchstens
1 Gew.-ppm verringert. Dementsprechend wird eine Abgabe von metastabilen
OH-Gruppen weitgehend vermieden und eine im wesentlichen axial homogene
Verteilung von Hydrolxylgruppen im Rohling und im daraus hergestellten
transparenten Quarzglaskörper
erreicht.
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Je
höher die
Temperatur und je länger
die Behandlungsdauer bei der thermischen Vorbehandlung ist, umso
geringer ist der metastabile OH-Gehalt des vorbehandelten Halteelements.
Bewährt
hat sich eine thermische Vorbehandlung, die ein Erhitzen des Halteelementes
bei einer Temperatur von mindestens 1000 °C umfaßt. Die Erhitzungsdauer im
Rahmen der thermischen Vorbehandlung liegt vorteilhafterweise bei
5 Stunden, vorzugsweise bei 20 Stunden und mehr.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat sich bei Einsatz eines zylinderförmigen Halteelements, das in
den Bereich eines der Enden des sich bildenden Rohlings teilweise
eingebettet wird, als besonders günstig erwiesen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer
Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen in schematische Darstellung im einzelnen:
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1 den Verfahrensschritt
des Abscheidens von SiO2-Partikeln unter
Bildung eines Rohlings aus porösem
Quarzglas mit stirnseitig eingebettetem Halter gemäß der Erfindung,
und
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2 den gleichen Verfahrensschritt
wie in 1, jedoch unter
Einsatz eines Halters gemäß dem Stand
der Technik, wobei Bereiche des Rohlings gekennzeichnet sind, die
in der Vorform zu einem erhöhten
OH-Gehalt beitragen.
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Beispiel 1:
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In 1 ist ausschnittsweise die
Herstellung eines Rohlings 1 aus porösem Quarzglas unter Einbettung
eines Halters in Form eines rohrförmigen Halters 2 im
Bereich einer der Stirnseiten 3 des Rohlings 1 dargestellt.
Der Rohling 1, der jeweils einen Außendurchmesser von ca. 80 mm
und eine Läge von
ca. 700 mm aufweist, wird nach dem bekannten OVD-Verfahren durch
Flammenhydrolyse von SiCl4 und GeCl4 unter schichtweisem Abscheiden von SiO2-Partikeln auf einem um seine Längsachse
rotierenden Dorn 4 hergestellt. Der innere Bereich des Rohlings 1 wird
mit Germaniumdioxid dotiert. Es ist ein Abscheidebrenner 5 vorgesehen,
der unter schichtweisem Abscheiden von SiO2-Partikeln
(und GeO2-Partikeln) entlang der Oberfläche des
Rohlings 1 hin- und herbewegt wird. Im Verlauf des Abscheideprozesses
wird der Halter 2 über
einen Teil seiner Länge
im Bereich der Stirnseite 3 des Rohlings 1 stabil
eingebettet. Der Halter 2 hat einen Außendurchmesser von 25 mm und
eine Wandstärke
von 9 mm. Der Diffusionsweg für
die Ausdiffusion metastabiler OH-Gruppen beträgt beim Halter 2 somit
4,5 mm. Eine besonders stabile Einbettung des Halters 2 wird dadurch
erreicht, daß mittels
eines Zusatzbrenners 7 im Bereich der Stirnseite 3 eine
höhere
Temperatur und damit eine höhere
Dichte eingestellt wird, so daß der
Halter 2 oberflächlich
mit dem Rohling 1 verschmilzt.
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Der
so hergestellte Rohling 1 kann mehr als 2 kg wiegen. Nach
dem Entfernen des Dorns 2 kann er für seine weitere Bearbeitung
mittels des aus dem Rohling 1 herausragenden Teils des
Halters 2 gehandhabt werden.
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Zur
Herstellung des Halters 2 wird elektrisch erschmolzenes
Quarzglas eingesetzt. Der OH-Gehalt dieses Quarzglases beträgt etwa
80 Gew.-ppm. Durch Tempern bei einer Temperatur von 1040 °C während einer
Dauer von 48 Stunden wird der OH-Gehalt bis auf 4,8 Gew.-ppm gesenkt.
Das bedeutet, daß der
metastabile OH-Gehalt des Haltes 2 vor dem Tempern bei.
ca. 75 Gew.-ppm lag. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Halters enthält der Halter 2 gemäß obiger
Definition (Temperatur = 1040°C,
Behandlungsdauer = 48 h, Diffusionsweg < 5 mm) somit keinen meßbaren metastabilen
OH-Gehalt mehr.
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Nach
dem Abscheideprozeß wird
der Rohling bei 900 °C
in chlorhaltiger Atmosphäre
gereinigt und getrocknet und anschließend bei einer Temperatur von
ca. 1350 C gesintert. Aus dem so erhaltenen Kernstab wird eine Vorform
für sogenannte
Monomode-Fasern hergestellt, indem der Kernstab mit einem "Jacketrohr" überfangen wird. Die aus dieser
Vorform gezogenen Faser zeigt über
die gesamte Faserlänge homogene
optische Eigenschaften. Insbesondere beträgt die optische Dämpfung bei
einer Wellenlänge von
1385 nm (im Bereich einer OH-Absorptionsbande) weniger als 0,7 dB/km.
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Vergleichsbeispiel 1:
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In
einem vergleichenden Ausführungsbeispiel
wurde bei der Herstellung des Rohlings 1 verfahren, wie
anhand Beispiel 1 beschrieben, mit der einzigen Ausnahme, daß ein Halter 12 (siehe 2) eingesetzt wurde, der
vor seinem Einsatz nicht getempert wurde. Der OH-Gehalt des Halters 12 lag
bei ca. 55 Gew.-ppm. Aus der unter Einsatz des Halters 12 hergestellten
Vorform wurde ebenfalls eine Monomode-Lichtleitfaser gezogen. Deren
optische Dämpfung
war inhomogen. Sie lag bei der Wellenlänge von 1385 nm im Bereich
zwischen 0,6 dB/km und 7 dB/km, wobei die maximalen Dämpfungswerte
in den Vorformbereichen auftraten, die ursprünglich in der Nähe des Halters 12 lagen.
Eine Messung des OH-Gehaltes des Halters 12 nach dem Einsatz
ergab einen OH-Gehalt von nur noch 5,6 ppm. Daraus ergibt sich,
daß ca.
50 ppm OH als „metastabile OH-Gruppen" während des
Herstellungsprozesses aus dem Halter 12 freigesetzt wurden
und sich im Rohling 1 und in der Vorform gelöst und somit
zu den oben genannten hohen Dämpfungswerten
bei 1385 nm beigetragen haben.
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In 2 zeigt der schraffierte
Bereiches 8 schematisch den Bereich erhöhter OH-Konzentration, wie er typischerweise
nach dem Sintern des Rohlings bei einem Verfahren nach dem Stand
der Technik gefunden wird. Die erhöhte OH-Konzentration spiegelt
die Verteilung von OH-Gruppen im Rohling 1 wider, die im
Verlauf des Abscheideverfahrens aus dem Halter 12 freigesetzt
werden. Diese freiwerdenden OH-Gruppen diffundieren in das den Halter 12 umgebende,
poröse
Quarzglas und erzeugen so einen axialen OH-Gradienten in der späteren Vorform und der daraus
gezogenen Lichtleitfaser. Besonders kritisch erweisen sich dabei
diejenigen Behandlungsschritte, die bei höherer Temperatur erfolgen,
wie die Chlorierung bei ca. 900° C
und das Sintern bei ca. 1350 °C.
Insbesondere während
des Sinterns, während
dem in der Regel kein oder nur sehr wenig Chlor zur Abreaktion zur
Verfügung
steht, werden aufgrund der hohen Sintertemperatur metastabile OH-Gruppen
freigesetzt.