DE4214563C1 - Verfahren zur Herstellung von opaken Hohlkörpern aus Quarzglas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dickwandigen, opaken Hohlkörpern aus Quarzglas oder aus hochkieselsäurehaltigem Glas durch Auf­ schütten von SiO₂-Partikeln zu einem, einen offenen Hohlraum aufweisenden Schüttkörper und Erhitzen des Schüttkörpers mittels eines Graphit-Heizelemen­ tes unter Ausbildung einer sich von dem Heizelement wegbewegenden, im wesent­ lichen eine Zylindermantelfläche bildenden Schmelzfront.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US-PS 778,286 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Quarzglas wird ein Graphit-Heizelement in Form eines Stabes oder eines Rohres in waage­ rechter Orientierung innerhalb einer Quarz oder einer Quarzglas-Körnung eingebettet, wobei die Enden des Heizelementes aus der Körnung herausragen und an einer Stromquelle angeschlossen sind. Beim Stromdurchgang heizt sich das Heizelement auf eine Temperatur auf, bei der die in der Nachbarschaft des Heizelementes vorhandene Körnung unter Ausbildung einer sich von dem strom­ durchflossenen Heizelement wegbewegenden Schmelzfront sukzessive aufschmilzt und nach dem Abkühlen und dem Entfernen des Heizelementes einen rohrförmigen Quarzglas-Körper ergibt. Durch das Erschmelzen der SiO₂-Körnung unter Aus­ bildung einer einzigen im wesentlichen Zylinderform aufweisenden Schmelzfront, wird ein allmähliches, schrittweise fortschreitendes Schließen der Zwischen­ räume und Poren der SiO₂-Körnung erreicht, so daß im Schüttkörper vorhandene oder sich bildende Gase vor der Schmelzfront hergetrieben werden und über noch offene Poren nach außen entweichen können, bevor sich ein dichter Glas- oder Schmelzkörper bildet. Beim vollstandigen Aufschmelzen der SiO₂-Körnung bil­ den sich daher relativ wenig Blaseneinschlusse. Man erhält bei diesem Ver­ fahren allerdings nur rohe Schmelzlinge mit besonders rauher Oberfläche, die erst durch nachfolgende Arbeitsvorgänge in die gewünschte Form und auf der Außenfläche auf die gewünschte Glätte gebracht werden müssen. Die so herge­ stellten Hohlkörper sind außerdem über ihre Wandstärke nicht homogen durchge­ schmolzen oder -gesintert, sondern sie weisen eine ausgehend von dem stromdurchflossenen Heizelement zunehmende Opazität auf.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurde in der DE-PS 5 43 957 ein Ver­ fahren zur Herstellung von Rohren aus Quarz vorgeschlagen, bei dem in eine rotierende, waagerecht angeordnete, rohrförmige Form die zu schmelzende oder zu sinternde Körnung eingebracht und mittels einer im Innenraum der Form ange­ ordneten, elektrischen Heizquelle derart erhitzt wird, daß sich beim Rotieren an der Innenwandung der Form aus dem Pulver ein gesintertes oder geschmolzenes Rohr ausbildet, das dann unter fortdauernder Rotation zum Erstarren gebracht wird. Durch Verändern der Ausbildung der Innenwandung der rotierenden Form sind mit diesem Verfahren auch Hohlkörper aus Quarzglas mit anderen als zylin­ derförmigen Außenformen herstellbar. Aus der DE-AS 22 63 589 ist ein Verfahren zum Herstellen von Hohlzylindern, insbesondere von Rohren, aus Quarzglas sowie eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens bekannt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren, bei dem als Ausgangsmaterial körniger oder pulverförmiger Quarz in eine sich um ihre Achse drehende Hohlform eingebracht wird, wird während des Aufschmelzens durch die Rotation der Hohlform eine Wanderung von Gaseinschlüssen in Richtung der Ro­ tationsachse bewirkt, wobei die Rotation auch nach Abschalten der Heizquelle fortdauert. Eine weitere Vorrichtung zur Herstellung eines hochreinen Quarz­ glasrohres ist in JP 1-141828 (A) beschrieben. Hier wird ein senkrecht stehen­ der Quarzglaszylinder gezeigt, der auf einem Teil seiner Länge von einem Hei­ zer koaxial umgeben ist. Der Heizer ist entlang der gemeinsamen Achse beweg­ lich, so daß das Quarzglasrohr im Verlaufe seiner Behandlung in einer entlang seiner Achse sich bewegenden Zone aufgeheizt und dadurch entgast wird.

Bei großen Wandstärken weisen die mit den bekannten Verfahren hergestellten Hohlkörper jedoch deutlich sichtbare Inhomogenitäten auf. Insbesondere beim Sintern derartiger Hohlkörper bei Temperaturen unterhalb derjenigen, bei denen dichte, durchsichtige Gläser entstehen, bilden sich aufgrund einer über ihre Wandstärke variierenden Dichte, marmorierte Strukturen und Blasen mit breiter Größenverteilung aus. Aufgrund dieser Inhomogenitäten weisen derartige dick­ wandige Hohlkörper eine relativ geringe Temperaturwechselbeständigkeit auf und sind für Anwendungen bei hohen Temperaturen und bei häufigen Temperatur­ wechseln, wie beispielsweise in der Halbleiterindustrie als Flansche für Epitaxierohre oder Vertikalreaktoren nur beschränkt einsetzbar. Für derartige Zwecke werden feinblasige, hochreine, opake Hohlkörper benötigt, die gleich­ mäßig gesintert bzw. erschmolzen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzuge­ ben, das eine einfache und kostengünstige Herstellung dickwandiger, homogener, feinporiger, hochreiner und opaker Hohlkörper aus Quarzglas oder aus hochkieselsäurehaltigem Glas bei weitgehender Freiheit in der Formgebung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schüttkörper in Form eines Hohlzylinders zwischen einer, dem Hohlraum zugeordneten inneren Wandung und einer äußeren, als Heizelement dienenden Wandung aufgeschüttet und so erhitzt wird, daß unter Aufrechterhaltung eines Temperaturgradienten zwischen der äußeren Wandung und der inneren Wandung die Schmelzfront in Richtung auf die innere Wandung bis auf den im wesentlichen zentrisch innerhalb des Schütt­ körpers angeordneten Hohlraum fortschreitet.

Beim Erhitzen des Schüttkörpers aus SiO₂-Körnung von einer äußeren, als Heizelement dienenden Wandung aus, bildet sich eine Schmelzfront, die in Rich­ tung auf die innere, dem Hohlraum des Hohlkörpers zugeordnete Wandung fort­ schreitet. Je höher dabei die Temperatur und je länger die Dauer des Erhitzens gewählt wird, um so dichter sintert die Körnung, bzw. um so mehr schmilzt die Körnung unter Ausbildung eines vollkommen dichten, klaren Glases auf. Zur Herstellung eines opak durchscheinenden Hohlkörpers wird die Temperatur so gewählt, daß die SiO₂-Körnung nicht vollkommen aufschmilzt, sondern daß durch Einschmelzen feiner Bläschen ein opaker Körper entsteht. Dadurch, daß ein Temperaturgradient zwischen der äußeren Wandung und der inneren Wandung aufrechterhalten wird, bildet sich nur eine einzige, im wesentlichen eine Zylindermantelfläche aufweisende Schmelzfront aus. Dies gewährleistet, daß Gase innerhalb des Schüttkörpers nicht eingeschlossen werden, sondern vor der Schmelzfront aus der porösen, noch nicht dicht gesinterten Körnung entweichen können. Dadurch, daß die Schmelzfront von der äußeren Wandung ausgeht und sich von dort ins Innere des Hohlkörpers in Richtung auf den Hohlraum bewegt, wird über die Wandstärke des Hohlkörpers eine homogenere Beheizung pro Zeit- und Flächeneinheit erreicht als dies mit den bekannten Verfahren der Fall sein kann. Während des Erhitzens auf einer vorgegebenen, konstanten Temperatur ist der Wärmefluß der vom Heizelement abgegebenen Wärmemenge ebenfalls konstant und nach innen, in Richtung auf den Hohlraum gerichtet. Dabei sind zwar die äußeren Bereiche des Schüttkörpers gegenüber den weiter innen liegenden Be­ reichen einer längeren Erhitzung bei der eingestellten Temperatur ausgesetzt; jedoch wird durch die Umfangsverringerung des Schüttkörpers nach innen hin, eine erhöhte Wärmebelastung pro Flächeneinheit und damit einhergehend eine Vergleichmäßigung der von jeder Flächeneinheit des Schüttkörpers im Mittel während des Erhitzens aufgenommenen Wärmemenge erreicht. Eine Voraussetzung für ein gleichmäßiges Erhitzen des Schüttkörpers über seine gesamte Wandstärke ist eine im wesentlichen zentrische Anordnung des Hohlraumes innerhalb des Schüttkörpers. Sie gewährleistet, daß die vom Heizelement ausgehende, sich in Richtung auf den offenen Hohlraum bewegende und im wesentlichen eine Zylindermantel­ fläche bildende Schmelzfront, die nicht offenen Seiten des Hohlraumes etwa gleichzeitig erreicht. Unter dem Ausdruck Schmelzfront wird dabei jener flächenhafte Bereich verstanden, der sich beim Erhitzen zwischen der SiO₂-Schüttung und dem Bereich der bereits angeschmolzenen oder gesinterten Körnung ausbildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Herstellung von dickwandigen Hohlkörpern geeignet.

Hinsichtlich der Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten innerhalb des Schüttkörpers hat sich ein Verfahren als vorteilhaft erwiesen, bei dem der Hohlraum mittels einer Wärmeisolierung abgeschirmt wird. Eine derartige Ab­ schirmung verringert die Aufheizung des Hohlraumes durch Übertragung der vom Heizelement ausgehenden Wärme aufgrund Strahlung oder Konvektion über die offenen Seiten oder die offene Seite des Hohlraumes und verhindert dadurch die Entstehung einer weiteren, von der dem Hohlraum zugeordneten Wandung ausgehen­ den, Schmelzfront.

Für die Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten hat sich auch eine Zwangskühlung des Hohlraumes, insbesondere durch einen, sich in den Hohlraum er­ streckenden Kühlkörper bewährt. Der Kühlkörper dient dabei als Wärmesenke für die im Hohlraum entstehende Wärme, die über den Kühlkörper aus dem Hohlraum abgeführt wird. Der Kühlkörper besteht vorzugsweise aus Graphit.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verfahren erwiesen, bei dem das Er­ hitzen unter Inertgas, insbesondere unter Argon oder Stickstoff erfolgt. Da­ durch wird eine Reaktion des heißen Graphit-Heizelements oder der erhitzten SiO₂-Körnung mit Wasser, Sauerstoff oder anderen reaktiven Gasen und eine daraus resultierende, unkontrollierbare Blasenbildung verhindert. Dabei ist es besonders günstig, den Schüttkörper vor dem Erhitzen zu evakuieren. Durch diesen Verfahrensschritt, der beispielsweise unmittelbar vor dem Erhitzen durchgeführt werden kann, wird an der SiO₂-Körnung absorbierte Feuchtigkeit entfernt. Eine Erwärmung des Schüttkörpers während des Evakuierens verstärkt diese Wirkung noch. Das Austreiben der Feuchtigkeit verringert die Menge der beim Erhitzen freigesetzten Gase und trägt dadurch zur Bildung eines homoge­ nen, feinblasigen Hohlkörpers bei. Durch das anschließende Spülen und Erhitzen unter Inertgas werden die vorhandenen Hohlräume mit dem Inertgas gefüllt und eine definierte Blasigkeit durch das Einschmelzen feiner Bläschen erzeugt.

Besonders einfach und kostengünstig gestaltet sich ein Verfahren, bei dem das Heizelement induktiv beheizt wird. Durch die induktive Einkopplung der erfor­ derlichen Heizenergie sind keine elektrischen Anschlüsse im unmittelbaren Heizbereich erforderlich, wie dies beispielsweise bei einem widerstandsbeheiz­ ten Heizelement der Fall wäre. Aufgrund des Erhitzens des Schüttkörpers von außen nach innen ist die Ankopplung der Heizenergie mittels einer um das Heiz­ element angeordneten Hochfrequenzspule besonders einfach.

Es wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Schüttkörper in Form eines im wesentlichen senkrecht ausgerichteten Rohres aufgeschüttet und erhitzt wird. Durch diese Aufschüttung wird in jeder Ebene senkrecht zur Längsachse eine in etwa gleiche Schüttdichte bewirkt und dadurch auch die Ausbildung einer im wesentlichen gleichen Dichte über die Wandstärke des rohrförmigen Hohlkörpers nach dem Erhitzen ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wer­ den nachfolgend näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt und

Fig. 2 eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens in einer Draufsicht.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein rohrförmiger Graphit-Suszeptor mit einem Außendurchmesser von ca. 35 cm bezeichnet, der sich innerhalb einer Mittelfrequenzspule 2 befindet und induktiv aufgeheizt wird. Koaxial innerhalb des Suszeptors 1 ist ein weiteres, beidseitig offenes Graphitrohr 3 angeord­ net, über dessen Länge von ca. 80 cm gleichmäßig Entgasungslöcher 4 verteilt sind. Der Abstand zwischen der Innenwand des Suszeptors 1 und der Außenwand des Graphitrohres 3 beträgt 4 cm. Die Öffnungen des Graphitrohres 3 sind mit Lagen aus Isoliermaterial, wie Graphitfilz 5 und Graphitscheiben 6 abgedeckt. Der Suszeptor 1 befindet sich innerhalb einer evakuierbaren Kammer 7 aus Quarzgut, die mit einem abnehmbaren Flansch 8 nach oben abgeschlossen ist. Der Flansch 8 weist einen Anschluß 9 für eine Vakuum- und Gasleitung auf. Durch den Flansch 8 und die obere Lage 5 ragt ein Kühlkörper 10 aus Graphit, der als Wärmesenke für die im Hohlraum entstehende Wärme dient und über den Wärme aus dem Hohlraum und der Kammer 7 abgeführt wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zwischenraum zwi­ schen dem Suszeptor 1 und dem Graphitrohr 3 mit Quarzkörnung 11 aufgefüllt und unter Erwärmung ca. 1 h evakuiert. Anschließend wird die Quarzkörnung 11 mit Stickstoff und Argon gespült und dabei auf eine Temperatur um 1900°C aufge­ heizt. Dabei schmilzt die an der Suszeptor-Innenwandung anliegende Quarzkör­ nung 11 auf. Die sich dabei bildende Schmelzfront 12 bewegt sich im Verlauf der weiteren Aufheizung auf das Graphitrohr 3, im wesentlichen in Form einer Zylindermantelfläche, zu. Die bei den erforderlichen, hohen Temperaturen ent­ stehenden Reaktionsprodukte von Graphit- und Quarzkörnung werden dabei vor der Schmelzfront 12 in Richtung auf das Graphitrohr 3 getrieben. Gasförmige Reak­ tionsprodukte, wie CO₂, SiO sowie Restfeuchte der Körnung oder der heißen Teile der Vorrichtung können durch die Poren des Graphitrohres 3 bzw. durch die hierfür vorgesehenen Entgasungslöcher 4 austreten. Durch die Lagen 5;6 an Isoliermaterial wird das Innere des Graphitrohres 3 vor Aufheizung durch Wär­ mekonvektion oder durch die von dem Suszeptor 1 ausgehende Strahlung abge­ schirmt und dadurch während des Fortschreitens der Schmelzfront 12 ein Tempe­ raturgradient über die Wandstärke der Aufschüttung der Quarzkörnung 11 auf­ recht erhalten. Die Aufrechterhaltung des erforderlichen Temperaturgradienten wird auch durch die Wärmeabfuhr aus dem Inneren des Graphitrohres 3 über den Kühlkörper 10 unterstützt. Dadurch wird verhindert, daß sich von der Außenwand des Graphitrohres 3 ausgehend eine zweite Schmelzfront bildet, die den weite­ ren Gasaustritt in Richtung des Graphitrohr-Inneren verhindern und zu einer Ausbildung eines Quarzglaskörpers mit einem stark blasigen Bereich führen würde. Die Temperatur der Innenwandung des Graphitrohres 3 wird während des Erhitzens der Quarzkörnung 11 gemessen. Dadurch ist sowohl die Aufrechterhal­ tung des Temperaturgradienten als auch das Fortschreiten der Schmelzfront 12 kontrollierbar.

In Fig. 2, in der in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Draufsicht auf einen Querschnitt etwa in Suszeptormitte dargestellt ist, wer­ den für gleiche oder zu den in der Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung äquiva­ lente Bauteile, gleiche Bezugsziffern verwendet.

Der Schüttkörper 13 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Quarzglaskör­ nung, die zwischen der Innenwand eines in Form eines Rechteckrohres ausgebil­ deten Graphitsuszeptors 14 und eines Rechteck-Innenrohres 15 aufgeschüttet wird. Die Wandstärke des Schüttkörpers 13 beträgt dabei ca. 3,5 cm. Über einen Kühlkörper 10, der in das Innere des Innenrohres 15 hineinragt wird die Wärme von der Innenseite des Schüttkörpers 13 abgeleitet und dadurch ein ausreichen­ der Temperaturgradient über die Wandstärke des Schüttkörpers 13 gewährleistet. Es bildet sich daher nur eine einzige von der Innenwand des Suszeptors 14 ausgehende Schmelzfront 16 aus, die sich in Richtung auf das Innenrohr 15 bewegt.

Die anhand der in Fig. 1 und 2 erläuterten Verfahren ermöglichen die Her­ stellung vollkommen durchgeschmolzener, opaker Hohlkörper, deren Opazität durch eine Vielzahl von feinen Blasen mit enger Größenverteilung erzeugt wird, und die über die Wandstärke des Hohlkörpers homogen ist. Aus den so herge­ stellten rohrförmigen Hohlkörpern können in Richtung quer zur Längsachse Scheiben gesägt werden, die nach nur geringfügiger Nachbearbeitung beispielsweise als Flansche für Epitaxierohre einsetzbar sind.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von opaken Hohlkörpern aus Quarzglas oder aus hochkieselsäurehaltigem Glas durch Aufschütten von SiO₂-Partikeln zu einem einen offenen Hohlraum aufweisenden Schüttkörper und Erhitzen des Schüttkörpers mittels eines Graphit-Heizelementes unter Ausbildung einer sich von dem Heizelement wegbewegenden, im wesentlichen eine Zylindermantel­ fläche bildenden Schmelzfront, dadurch gekennzeichnet, daß der Schüttkör­ per (11; 13) in Form eines Hohlzylinders zwischen einer dem Hohlraum zuge­ ordneten inneren Wandung (3; 15) und einer äußeren, als Heizelement dienen­ den Wandung (1; 14) aufgeschüttet und so erhitzt wird, daß unter Aufrecht­ erhaltung eines Temperaturgradienten zwischen der äußeren Wandung (1; 14) und der inneren Wandung (3; 15) die Schmelzfront in Richtung auf die innere Wandung bis auf den im wesentlichen zentrisch innerhalb des Schüttkörpers (11; 13) angeordneten Hohlraum fortschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur­ gradient mittels einer den Hohlraum abschirmenden Wärmeisolierung (5; 6) aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tempera­ turgradient durch eine Zwangskühlung des Hohlraumes aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgra­ dient mittels eines sich in den Hohlraum erstreckenden, als Wärmesenke dienenden Kühlkörpers (10) aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Erhitzen unter Inertgas, insbesondere unter Argon oder Stickstoff, erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schüttkörper (11; 13) vor dem Erhitzen evakuiert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Heizelement (1; 14) induktiv beheizt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schüttkörper (11; 13) in Form eines im wesentlichen senk­ recht ausgerichteten Rohres aufgeschüttet und erhitzt wird.