JP2009522199A - 合成シリカを作製するための、改善されたプラズマトーチ - Google Patents
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Abstract
合成シリカを作製するための改善されたプラズマトーチであって、アクティブな環境隔離を与えるために、外側の石英チュービングからの窒素スクリーンガスを使用することを伴う。加えて、本誘導プラズマトーチは、よりコンパクトで、しかしながらより完全な環境的保護(360度をカバー)のためにリングディスクを備える。それはまた、水平モードでの動作時において両方向への蒸着を改善するために、化学物質注入ノズルの位置を補正し、切り替えることも伴う。更には、本誘導プラズマトーチは注入された化学物質に対する層流を保持するのであり、中間の石英チューブには、プラズマジェットの平均エンタルピーを増加させるためにへこんだ区域が備えられ、こうしてプラズマトーチの効率が改善される。加えて、より多くのプラズマガス吸入口を利用してよい。また、下方への角度勾配を持った化学物質注入ノズルも備えられる。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
関連出願への相互参照
本出願は、2005年12月29日に提出された、米国仮特許出願第60/754,281号の利益を主張する。
本出願は、2005年12月29日に提出された、米国仮特許出願第60/754,281号の利益を主張する。
発明の分野
本発明は、純粋な合成シリカチューブ、ドープされた合成シリカチューブ、光ファイバー応用のためのロッド、そして紫外線透過光学構成要素を作製するための方法に関する。より詳細には、プラズマプロセスを介した、低いヒドロキシル含有のシリカを蒸着させることによってそのようなチューブや光学構成要素を作製するためのプロセスに関係する。
本発明は、純粋な合成シリカチューブ、ドープされた合成シリカチューブ、光ファイバー応用のためのロッド、そして紫外線透過光学構成要素を作製するための方法に関する。より詳細には、プラズマプロセスを介した、低いヒドロキシル含有のシリカを蒸着させることによってそのようなチューブや光学構成要素を作製するためのプロセスに関係する。
課題
先行技術は、シリカガラススターターチューブを加工するための、そして光ファイバープレフォームを作製するための、様々なアプローチを教示する。スターターチューブは、シリカを加熱し開口部を介して押し出すことにより形成することができる。スターターチューブと光ファイバープレフォームの両方は、例えば改良された化学気相蒸着法(MCVD:modified chemical vapor deposition)、気相軸付け法(VAD:vapor axial deposition )、外部蒸着法(OVD:outside vapor deposition)のような幾つかの技法のうちの1つを用いて、ドープされた、またはドープされていないシリカを目標物の上に蒸着させることで作製することができる。これらの方法の各々は、典型的にはチューブ又は固体のロッドの形に成形されていて、ガラス、セラミック、又は他の幾つかの材料のうちの1つから形成される、回転する目標物を用意することから始まる。ある場合において、そのロッド又はチューブはプレフォームにとって切り離せない部分となるのであるが、別の場合において、そのロッドは除去されるであろう。例えばガスバーナー又はプラズマ源のような熱源は、回転する目標物の真下に置かれる。その熱源は、ガラス形成反応がガラス粒子を形成するために要求されるエネルギーを与えるであろう。そのプロセスの性質にもよるが、これら蒸着されたガラス粒子においては、VAD又はOVDプロセスのように、次の処理、乾燥、そして焼結ステップのための用意が整っている。MCVDプロセスにおいては、これら粒子は、同一の熱源によって、ガラス質の石英の中へと融合されるであろう。一般的に、OVDとVADプロセスにおいて見られる火炎加水分解化学反応にとっては、0.05mmと0.2mmとの間の粒子サイズが理想的である。これらのプロセスは、2つのステップ、すなわち、火炎加水分解によるすす粒子の形成と、それからの、分離した加熱炉におけるすす粒子の硬化処理とを伴う。これらのプロセスにとっては、すす粒子の直径が僅かにより大きいことが好ましい。何故なら、それにより蒸着速度が改善されるからである。
先行技術は、シリカガラススターターチューブを加工するための、そして光ファイバープレフォームを作製するための、様々なアプローチを教示する。スターターチューブは、シリカを加熱し開口部を介して押し出すことにより形成することができる。スターターチューブと光ファイバープレフォームの両方は、例えば改良された化学気相蒸着法(MCVD:modified chemical vapor deposition)、気相軸付け法(VAD:vapor axial deposition )、外部蒸着法(OVD:outside vapor deposition)のような幾つかの技法のうちの1つを用いて、ドープされた、またはドープされていないシリカを目標物の上に蒸着させることで作製することができる。これらの方法の各々は、典型的にはチューブ又は固体のロッドの形に成形されていて、ガラス、セラミック、又は他の幾つかの材料のうちの1つから形成される、回転する目標物を用意することから始まる。ある場合において、そのロッド又はチューブはプレフォームにとって切り離せない部分となるのであるが、別の場合において、そのロッドは除去されるであろう。例えばガスバーナー又はプラズマ源のような熱源は、回転する目標物の真下に置かれる。その熱源は、ガラス形成反応がガラス粒子を形成するために要求されるエネルギーを与えるであろう。そのプロセスの性質にもよるが、これら蒸着されたガラス粒子においては、VAD又はOVDプロセスのように、次の処理、乾燥、そして焼結ステップのための用意が整っている。MCVDプロセスにおいては、これら粒子は、同一の熱源によって、ガラス質の石英の中へと融合されるであろう。一般的に、OVDとVADプロセスにおいて見られる火炎加水分解化学反応にとっては、0.05mmと0.2mmとの間の粒子サイズが理想的である。これらのプロセスは、2つのステップ、すなわち、火炎加水分解によるすす粒子の形成と、それからの、分離した加熱炉におけるすす粒子の硬化処理とを伴う。これらのプロセスにとっては、すす粒子の直径が僅かにより大きいことが好ましい。何故なら、それにより蒸着速度が改善されるからである。
目標物が水平に搭載されるときは、均一な蒸着を保証するために、熱源は目標物の長さ方向に沿って進む。目標物がチューブの場合、ガラス形成粒子と材料を、チューブの内側表面上に蒸着するか(その場合において、外径は一定のままである)、又はチューブの外側に蒸着(その場合において、外径は大きくなる)してよい。目標物が垂直に搭載されるときは、目標物はその垂直軸の周りを回転するのであり、そして半径方向と軸方向の両方に成長する。これにより、蒸着が続くにつれてその直径と長さが増加するような、実質的にシリンダー状の生産物がもたらされる。
Drouart等に対する米国特許第5,522,007号(非特許文献1)は、高いヒドロキシルイオン濃度を有する光ファイバープレフォームを作り上げるために、プラズマ蒸着を用いることを教示する。この参照文献においては、誘導コイルを有するプラズマトーチの一方の端へと取り入れる前に、プラズマ発生ガスを水のタンクを介して通すことによって、意図的にヒドロキシルイオンをプラズマ発生ガス中に取り込む。これによって、プロセスガス流の中にある量の水が取り入れられる。プラズマトーチは、ヒドロキシルイオンと混合された溶融シリカ粒子を、回転する基板プレフォームへと発射する。これにより、平均ヒドロキシルイオン濃度が50−100ppmの範囲内にあるような、目標物プレフォームの上に蒸着されたプレフォームがもたらされる。加えるならば、Drouartの場合における好ましい原料物質とは、シリカ粒子である。
Heitmannに対する米国特許第5,609,666号(非特許文献2)は、石英ガラスチューブを形成するために、多孔性酸化物セラミックから形成されたチューブ状の基板を用いることを教示する。メタン、四塩化ケイ素(SiCl4)、そして酸素の混合物を用いて動作するバーナーは、ガラスすすを基板上に蒸着させるため、チューブ状の基板に沿って前後へと動かされる。同時に、塩素又は塩化チオニルを含む乾燥ガス混合物が、他のガスと一緒に、チューブ状の基板の内部を、後者の軸に沿って通される。パージガスは、蒸着されたガラスすすからヒドロキシルイオンを除去する。蒸着され、パージされたガラスすす体は、チューブ状の基板から取り除かれ、それから、低いヒドロキシル濃度を有するチューブ又はロッドを形成するために、更に乾燥され、焼結される。
AudsleyとBaylissは、非特許文献3において、四塩化ケイ素の酸化反応を誘導するために、4つの異なるプラズマトーチデザインを用いることを報告している。67 g/minの流速において完全な酸化へと到達できたということを、彼らは発見している。とは言うものの、AudsleyとBaylissは、ガラスの水分含量を調査してはいないし、また環境的影響から隔離するためのスクリーンガスを供給するために、外部のチューブを備えたわけでもない。更には、化学物質は、注入ノズルを有しないトーチの底から注入された。
特開平4−231336(特許文献1)において、瀬戸等は、シリカ作製時において、プラズマトーチが火炎加水分解を誘導できるということを主張している。プラズマフレーム(plasma flame)が乾燥した火炎であることは周知である。瀬戸等は、プラズマフレーム中に水素又は水素含有化合物を取り入れることを記載してはいない。更には、彼らの提案するプロセスにおいて火炎加水分解が起こるというのは疑わしいと、信じられている。
米国特許第4,162,908号(非特許文献4)において、Rau等は、合成石英ガラス、特に、フッ素を含みヒドロキシルイオンを含まない合成石英ガラスを作製するために、誘導結合プラズマバーナーを用いる方法を開示している。プラズマトーチは、3つの同軸石英ガラスチューブを有し、中心のチューブは反応化学物質を供給するために用いられ、そして酸素ガスが、中間の及び外側のリングへと、酸素プラズマを形成するために供給される。Rau等は、環境からの影響を隔離するための如何なるスクリーンガスをも用いていないのであり、そして彼らは化学物質供給チューブ又はノズルの如何なる詳細をも開示していない。更に加えると、化学物質の蒸着速度を改善するために、化学物質供給場所の操作を最適化することについての如何なる検討もされていない。
米国特許第4,402,720号(非特許文献5)において、枝広等は、窒素をドープしたシリカガラスを作製するためにプラズマトーチを用いることを開示している。枝広等は、反応ゾーンに入る前の反応化学物質を分離するよう、彼らのノズルを設計することに、多大な努力を費やしている。彼らは、環境からの影響を隔離するための如何なる方策をも用いていない。
米国特許第6,253,580号(非特許文献6)、及び6,536,240号(非特許文献7)において、Gouskov等は、そのプラズマトーチの中心軸から外側に突き出ている、2つの対立したプラズマスタビライザーバーを有するプラズマトーチを用いることを、開示している。これらスタビライザーバーはU字型のトラフであって、それらの向きに対応する直線方向においての環境隔離を与えるためのものであるが、しかしながら360°方向ではない。
従って、低い不純物レベル(例えばヒドロキシルイオン)での連続プロセスにおける光ファイバーの製造のための、チューブ、プレフォーム、又はその両方を形成するプラズマトーチが必要である。加えて言えば、十分な乾燥と焼結とを必要とする、すす蒸着を伴うプロセスは、高い費用がかかり時間も浪費するのであって、それ故に、より迅速でより安価な、すすの蒸着及び硬化方法が必要とされている。
解決手段
合成シリカを作製するための、改善された本プラズマトーチは、プラズマトーチをよりコンパクトでより固定したものとするためにリングディスクによってスタビライザーバーを代替することを伴うのであり、改善された本プラズマトーチによって上述の問題は解決され、かつ技術的進歩が達成される。加えてそれは、一般のスタイライザーバーの直線方向に限った受動的な保護よりもより完全な、360°での環境隔離を与えるためのアクティブなカーテンとして、例えば窒素のようなスクリーンガスを用いる。蒸着結果の改善のために、1以上のリングディスクを用いてもよい。
合成シリカを作製するための、改善された本プラズマトーチは、プラズマトーチをよりコンパクトでより固定したものとするためにリングディスクによってスタビライザーバーを代替することを伴うのであり、改善された本プラズマトーチによって上述の問題は解決され、かつ技術的進歩が達成される。加えてそれは、一般のスタイライザーバーの直線方向に限った受動的な保護よりもより完全な、360°での環境隔離を与えるためのアクティブなカーテンとして、例えば窒素のようなスクリーンガスを用いる。蒸着結果の改善のために、1以上のリングディスクを用いてもよい。
本プラズマトーチは更に、化学物質注入ノズルを中心から外れて配置することを伴う。この配列によって、蒸着されたガラスの質の低下を伴わない、両方向における蒸着が提供される。
本プラズマトーチは更に、適切な注入ノズルを入念に加工、検査、そして選択することによって、注入された化学物質に対する層流を保持する。加えて、プラズマトーチにおける中間の石英チューブは、へこんで形成された区域を有している。この設計は、より大きなRF発生器を用いることを必要とせずに、プラズマジェットのエンタルピーを増加させる。こうして、蒸着速度と効率とが更に改善される。
併せて、プラズマガスをメークアップとその流動とに渡ってよりよく制御するために、本プラズマトーチは追加的プラズマガス吸入口を備える。更には、本プラズマトーチはまた、下向きに傾斜させることが可能な化学物質注入ノズルを備える。
概要
本プラズマトーチは、1ステッププロセスにおいて良質の溶融シリカ生産物を生産するのであり、その一方で、非常に低い気泡カウント、70%よりも優れた蒸着効率、そして平均9g/minの蒸着速度を同時に達成する。更には、本プラズマトーチは、蒸着されたガラスに対して1ppm未満の水分含量を保持する。これら全ての修正をもって要約すれば、蒸着速度、効率、そして生産物の質が、より大きなRF発生器を用いずに著しく向上する。本プラズマトーチは、アクティブな環境隔離を与えるために、外側の石英チュービングからの窒素スクリーンガスを用いるのであり、それは、よりコンパクトでありながらも完全な保護(360度をカバー)を与えるためにリングディスクを用いて、先行技術のスタビライザーバーに取って代わる。加えて、本プラズマトーチは、両方向においての蒸着を可能とするための、補正され、そして切り替えられる、化学物質注入ノズル位置を備える。更には、本プラズマトーチは、注入された化学物質に対する層流を保持する。それはまた、中間の石英チューブ上に、へこんで形成された区域を有している。それはより多くのプラズマガス吸入口を用い、かつ下向きに傾斜した化学物質注入ノズルを有する。
本プラズマトーチは、1ステッププロセスにおいて良質の溶融シリカ生産物を生産するのであり、その一方で、非常に低い気泡カウント、70%よりも優れた蒸着効率、そして平均9g/minの蒸着速度を同時に達成する。更には、本プラズマトーチは、蒸着されたガラスに対して1ppm未満の水分含量を保持する。これら全ての修正をもって要約すれば、蒸着速度、効率、そして生産物の質が、より大きなRF発生器を用いずに著しく向上する。本プラズマトーチは、アクティブな環境隔離を与えるために、外側の石英チュービングからの窒素スクリーンガスを用いるのであり、それは、よりコンパクトでありながらも完全な保護(360度をカバー)を与えるためにリングディスクを用いて、先行技術のスタビライザーバーに取って代わる。加えて、本プラズマトーチは、両方向においての蒸着を可能とするための、補正され、そして切り替えられる、化学物質注入ノズル位置を備える。更には、本プラズマトーチは、注入された化学物質に対する層流を保持する。それはまた、中間の石英チューブ上に、へこんで形成された区域を有している。それはより多くのプラズマガス吸入口を用い、かつ下向きに傾斜した化学物質注入ノズルを有する。
図面の詳細な説明
図1は、本発明に従う典型的な装置20を用いて合成ガラスを作製するための、改善された本プラズマトーチの実施形態を示す。その装置は、フード22を含むのであり、化学反応からのガス副産物を除去するために適当な排出を行うのであり、そしてまた、シーリングによって最終生成物に不純物が取り入れられることを防ぐような、プラズマトーチからのRF隔離保護を与える。フード22の内部には、例えばLitton Engineering Labから入手できるような旋盤24がある。旋盤24は、ヘッドストック25とテールストック26とを備える。ヘッドストック25とテールストック26とには、対立して回転するスピンドルチャック28のペアが備えられているのであり、それらは、実質的にシリンダー状の外壁を有する、引き伸ばされた目標物30の端を支える。スピンドルチャック28は、矢印A1が指示する通りに目標物30を回転させる。旋盤24に、移動できるように搭載された、移動可能な台車32は、頭が2つある矢印A2が指示する通り、目標物に沿ったどちらの方向にでも進むようにと配置されている。
図1は、本発明に従う典型的な装置20を用いて合成ガラスを作製するための、改善された本プラズマトーチの実施形態を示す。その装置は、フード22を含むのであり、化学反応からのガス副産物を除去するために適当な排出を行うのであり、そしてまた、シーリングによって最終生成物に不純物が取り入れられることを防ぐような、プラズマトーチからのRF隔離保護を与える。フード22の内部には、例えばLitton Engineering Labから入手できるような旋盤24がある。旋盤24は、ヘッドストック25とテールストック26とを備える。ヘッドストック25とテールストック26とには、対立して回転するスピンドルチャック28のペアが備えられているのであり、それらは、実質的にシリンダー状の外壁を有する、引き伸ばされた目標物30の端を支える。スピンドルチャック28は、矢印A1が指示する通りに目標物30を回転させる。旋盤24に、移動できるように搭載された、移動可能な台車32は、頭が2つある矢印A2が指示する通り、目標物に沿ったどちらの方向にでも進むようにと配置されている。
40として一般的に示される、本誘導プラズマトーチは、台車32によって支持されている。台車32は従って、目標物30の長さ方向に沿って誘導プラズマトーチ40を動かす。この結果として、チューブ状部材34(スターターチューブかもしれないし、又は光ファイバープレフォームかもしれない)を形成するように、目標物30上へ材料が蒸着される。スピンドルチャック28は目標物30を回転させ、その材料が、目標物の周りの誘導プラズマトーチ40によって、ほとんど完全なシリンダー状の外壁を有するチューブ状部材34を形成するようにと、均一に蒸着されることを保証する。
好ましい実施形態においては、台車32の上に配置された誘導プラズマトーチ40は、目標物30の長さの相当部分に沿って、両方向に動く。これにより、誘導プラズマトーチ40が目標物30のこの部分に沿って進み、材料を蒸着させることが可能となる。
誘導プラズマトーチ40を目標物の長さ方向に沿って動かす代わりに、誘導プラズマトーチ40を静止させたままで目標物30を動かしてもよい。これは、旋盤におけるヘッドストック25とテールストック26とを用いて、目標物における全ての関連部分が誘導プラズマトーチ40の真上に来るようにと、目標物を往復させるやり方で動かすことにより、実現可能である。
別の代案として、複数のプラズマ源を目標物の長さ方向に沿って間隔を離して置いてよい。これにより、旋盤24のヘッドストック25又はテールストック26の一方、又はプラズマ源が取り付けられる台車32の移動を減らすことが(2つのうちどちらが動くように構成されているかに依存して)可能である。非常に大きな数のプラズマ源が全て目標物の長さ方向に沿って与えられるような、極端な場合においては、台車32又は旋盤24のヘッドストック25とテールストック26のいずれにおいても、全く移動する必要がない。好ましい実施形態において、プラズマトーチ40は、第1のガス線42を通じてトーチに取り入れられる、乾燥したプラズマガスと、第2のガス線44を通じてトーチに取り入れられる、ソースガスと、を有する誘導プラズマトーチである。
プラズマガスは実質的に、ある適切な所定の割合で、窒素と酸素とを含む。空気はプラズマガスとして役に立つ。そのような場合において空気は、第1のガス線42に入る前に、まず第1の乾燥機46を通過して水分を取り除かれる。これにより、プラズマガスにおけるヒドロキシル濃度が約1ppmかそれ未満の低さであることが保証される。
ソースガスは少なくとも、SiCl4のような主ソース化学物質(追加的ドーパントを有しているか、または有していない)と、例えば酸素や窒素のような、少なくとも1つのキャリアガスとを含む。キャリアガスは、水分を除去するために第2の乾燥器48へと入る。これにより、ソースガスにおけるヒドロキシル濃度もまた、約0.5ppmと非常に低いことを保証される。キャリアガスが乾燥された後、それらはバブラー50へと向かうのであるが、又はそれに代わって、バブラー50ではなくバブラーのグループを、ソース化学物質を取り出すために用いることもできる。ソース化学物質で満ちたキャリアガスを含むガス流は、それから第2のガス線44に向かう。選択的に、ガス流が誘導プラズマトーチへと到着する前に、開放バルブ51によって、ガス流の中へドーパントガスを取り入れてよい。
好ましい実施形態において、ソース化学物質はSiCl4である。この化学物質は、プラズマ中でのその反応性で選ばれる。特に、SiCl4は、目標物30に蒸着されるSiO2を形成するためのSiソースとして役に立つ。屈折率を低くするためのドーパントは、典型的には、SiF4、CF4、又はSF6の形でのフッ素ドーパントガスである。フッ素ドーパントによって石英の屈折率が修正され、そして光ファイバープレフォームの設計に対してある程度の自由度が加わる。屈折率を大きくするためのドーパントとしては、蒸気の形でのGeCl4、POCl3、AlCl3、そしてTiCl4が典型的である。
図2は、2つのリングディスクと3つの石英チューブとを備える、本誘導プラズマトーチ40の1つの実施形態を説明する。誘導プラズマトーチ40は、回転する目標物30の下方に配置される。誘導プラズマトーチ40は、石英から形成された、実質的にチューブ状のトーチハウジング41を含む。好ましくは、ハウジング41は全径100mm、そして高さ310mmを有する。しかしながら、80−120mmの直径範囲と、180−400mmの間の高さであっても、使用可能である。
この実施形態において、中間の石英ガラスチューブ54は、外側の石英ガラスチューブ52よりも僅かに丈が高いのであり、かつ、お互いに向かい合った2つの切抜き開口部又はウインドウ57を有する。非特許文献6、及び非特許文献7において教示されるのと同じ化学物質注入位置を得るために、ウインドウ57の下端は、V=0に定められる(図7)。1つの形態において、ウインドウ57は、高さ16mm、そして幅18mmの寸法を有する。本誘導プラズマトーチ40はまた、内側の石英ガラスチューブ58を備える。
中間の石英ガラスチューブ54は、好ましくは、内側の石英ガラスチューブ58と外側の石英ガラスチューブ52の両方と比較した場合に最も丈が高い。外側の石英ガラスチューブ52は、好ましくは内側の石英ガラスチューブ58よりも丈が高い。内側の石英ガラスチューブ58は外径がおよそ60mm、そして長さがおよそ150mmであり、中間の石英ガラスチューブ54は外径がおよそ70mm、そして長さがおよそ270mmであり、外側の石英ガラスチューブ52は外径がおよそ85mm、そして長さがおよそ200mmであるというのが、石英ガラスチューブの典型的な寸法である。
加えて、本誘導プラズマトーチ40はまた、底部石英ガラスリングディスク66と、上部石英ガラスリングディスク70とを備える。底部石英ガラスリングディスク66は、外側表面において外側の石英ガラスチューブ52に実質的に垂直なコイル64の上方にある、外側の石英ガラスチューブ52の頂上部に実質的に垂直に溶接されている。上部石英ガラスリングディスク70は、中間の石英ガラスチューブ54の頂上部に実質的に垂直に溶接されている。石英ガラスリングの寸法は、以下の通りであってよい。すなわち、底部石英ガラスリングディスク66は、外径およそ150mmであり、内径がおよそ85mmであってよく、加えて、上部石英ガラスリングディスク70は、外径およそ110mmであり、内径がおよそ70mmであってよい。
底部石英ガラスリングディスク66と上部石英ガラスリングディスク70とは、スクリーンガスの流れパターンを定める(以下で説明される)。それらによって、スクリーンガスは、本誘導プラズマトーチ40の頂上部で水平な放射状の外側への流れを有することを強制される。これにより、プラズマガスに対する圧力のより低い領域が生み出されるのであり、それは、中間の石英ガラスチューブ54から外側への、プラズマの流れを引き起こす。この流れにより、プラズマフレーム74の幅は増大するであろう。より広い火炎によって、回転する目標物30の外側面上の、蒸着ゾーンの幅は増大するであろう。結果として、そのプロセスにおいての蒸着速度と効率とが向上する。更には、スクリーンガスの流速を調節することにより、プラズマフレーム74の安定性を維持できる。
加えて、底部石英ガラスリングディスク66と上部石英ガラスリングディスク70とは、中間の石英ガラスチューブ54と外側の石英ガラスチューブ52からしっかりと(先行技術において見られるような、一端のみを石英チュービングに取り付けたスタビライザーバーと比較して)支持されている。この新規な設計により本誘導プラズマトーチ40の剛性が向上し、修理、交換コストが減少する。
化学物質72を注入するための、一対の化学物質注入ポート68が、底部石英ガラスリングディスク66と上部石英ガラスリングディスク70との間に垂直に配置されているのであり、そしてそれらは外側の石英ガラスチューブ52と中間の石英ガラスチューブ54との間に水平に配置されていて、中間の石英ガラスチューブ54の切り抜きウインドウ57へと向けられている。これら化学物質注入ポート68を通じて、化学物質72(例えばSiCl4)は、回転する目標物30上で蒸着され硬化処理されるシリカすす粒子を生成するために、プラズマフレーム74へと取り入れられる。
ソース化学物質72を誘導プラズマトーチ40へと運ぶために、一対の化学物質注入ポート68は第2のガス線44に接続されている。化学物質注入ポート68は典型的に、5mmの直径を有する石英チュービングを含む(約3−10mmのチュービング直径を、本誘導プラズマトーチ40と共に用いることができるのではあるが)。この実施形態において、一対の化学物質注入ポート68は、ハウジング41に対して同一の高さで配置されており、そして、一対の化学物質注入ポート68の各々は、お互いから正反対に交差するように置かれている。しかしながら、ちょうど2つのそのような化学物質注入ポート68ではなく、3か、更にはそれ以上の、対称的に配列された化学物質注入ポート68を与えてもよい。
プラズマガス吸入口76は、プラズマガスを運ぶ第1のガス線42を、誘導プラズマトーチ40へと接続する。プラズマガス吸入口76は、実質的に同一の高さでハウジング41に入り、ハウジング41のベースに隣接している。これらプラズマガス吸入口76は典型的に、5mmの直径を有するステンレス鋼チュービングを含む(ある範囲内の直径であれば今回の目的のためには十分なのではあるが)。好ましくは、誘導プラズマトーチ40はまた、冷却材吸入口78と排出口80とを備える。使用中、例えば水のような冷却材が、吸入口78を通過し、ハウジング41の外壁内側を循環し、そして排出口80を通って出る。冷却材吸入口と排出口とは、ステンレス鋼から形成され、そして5mmの直径を有する。プラズマガス吸入口と注入ポートと同様に、冷却材吸入口78と排出口80の直径もまた、誘導プラズマトーチ40についての所望の熱力学的性質に適合するようにと変えることができる。
好ましくは、プラズマガス吸入口76、冷却材吸入口78、そして冷却材排出口80は全て、ステンレス鋼チャンバー82内で形成される。チャンバー82は、一辺100mm、そして高さがおよそ40mmの、ステンレス鋼四角ブロックである。チャンバー82は支持スタンド56の上に搭載され、支持スタンド56は順繰りに、回転する目標物30に沿って動かすために、台車32の上に搭載される。好ましくは、プラズマガス吸入口76を接線方向に通って、プラズマガスが内側の石英ガラスチューブ58と中間の石英ガラスチューブ54との間に取り入れられる。
1ppm未満のヒドロキシル含有である、例えば窒素のようなスクリーンガスは、スクリーンガスポート84を通じて、中間の石英ガラスチューブ54と外側の石英ガラスチューブ52との間に取り入れられる。乾燥したスクリーンガスは中間の石英ガラスチューブ54と外側の石英ガラスチューブ52との間を流れるのであり、窒素カーテンを発生させる。窒素カーテンは周辺環境からの水分拡散を防ぎ、それによって蒸着される石英ガラス層中のヒドロキシル含有を減少させる。アクティブな流れの窒素カーテンを用いることで、本誘導プラズマトーチ40は、環境的影響を隔離し、ヒドロキシル含有を減少させることにおいて、先行技術において見られる受動的なスタビライザーバーを用いるよりも更に効果的なものとなる。
誘導プラズマトーチ40は更に、そのハウジング41の上部の周りに備えられている、銅誘導コイル64を有する。コイル64は、およそ95mmの直径を有し、各々がおよそ6mmの間隔で離されている複数の巻き線62を含む。ハウジング41とコイルとの間の隔たりは2−10mmの間であってよい。最上部の巻き線62’で指示されている通りのコイル64における最上部は、底部石英ガラスリングディスク66からおよそ2mmの固定距離で離されている。誘導コイル64は、外側の石英ガラスチューブ52の外側に配置される。
コイル64には高周波発生器(示されていない)が電気的に接続されており、5.28+/−0.13 MHzの周波数での、最高60kWまでの可変出力で、コイル64に電力を供給する。好ましい実施形態において、その発生器は、ドイツのFritz Huettinger Electronic GmbHから入手可能なモデル番号IG 60/5000である。この発生器は、50Hz、三相、480Vの電力供給で駆動され、誘導プラズマトーチ40を活動させる。
上述の通り、本プラズマトーチ40はガラス工芸旋盤24上に配置された、移動可能な台車32の上に搭載される。蒸着プロセスの間、移動可能な台車32は、回転する目標物30に沿って前後に動く。誘導プラズマトーチ40のサポート装備の重量によっては、移動可能な台車32を静止させたままにしておき、回転する目標物30を動かすという操作が好ましい。目標物のロッド又はチューブは、右から左へと、そしてそれからその元の位置へと戻るようにと、又は前後動作が指示されるのに従って、動かされるであろう。
図3は、中心から外れた1以上の化学物質注入ノズル、正面化学物質注入ノズル122と背面化学物質注入ノズル124を有する本誘導プラズマトーチの別の実施形態120を説明する。先行技術のプラズマトーチは典型的に、お互いに真っ向から対立して配置された化学物質注入ポートを備える。本実施形態においては、背面化学物質ノズル124は、誘導プラズマトーチ120の中心線と一列に並んでおり、そして正面化学物質ノズル122は、回転する目標物30と同じ方向に、背面化学物質トーチ124より大体8mm前に、前方へ動かされる。図3において示されるように、この配列を用いて、そして「前方方向」に操作されることで、蒸着速度の上昇と目標物の直径のより良い制御とが達成される。これにより、回転する目標物30において、より均一な直径が与えられる。
好ましくは、2つのノズル間での8mmの補正により、蒸着結果が改善される。加えて、この補正距離は、回転する目標物30のサイズ、誘導プラズマトーチ120の直径、使われている発電機、プラズマガスの流速、そして用いられる原料物質と、それらの供給速度も含む、幾つかの要因に依存してよい。好ましくは、その補正は6mmから12mmの間の範囲内にすることが可能である。
この実施形態において、化学物質注入ノズル122と124の相対的な位置は、それらが蒸着方向に対して同一であるように切り替え可能である。例えば図4においては、回転する目標物30の逆への動きに対して、正面化学物質注入ノズル122と背面化学物質注入ノズルとの切り替えられた配列が示されている。図3と4を見れば分かるように、ノズルの位置1と2は、回転する目標物30又は誘導プラズマトーチ120のどちらかが進むのに依存して切り替えられる。図4を参照すれば、背面化学物質注入ノズル124が正面化学物質注入ノズル122よりもおよそ8mm前方にある一方で、正面化学物質注入ノズル122は、誘導プラズマトーチ120の中心線とぴったり合う。
誘導プラズマトーチ120の前に立っている人から見た通りの前方方向においては、図3において示されるように、蒸着は右端から左端へとなされる。正面化学物質注入ノズル122は、誘導プラズマトーチ120中心線の前方にあり、そして背面化学物質注入ノズル124は、誘導プラズマトーチ120中心線とぴったり合っている。
誘導プラズマトーチ120の後ろに立っている人から見た通りの逆方向においては、図4において示されるように、蒸着は右側であり、左側へと移動するであろう。
この実施形態において、背面化学物質注入ノズル124と正面化学物質注入ノズル122とは、一方からもう一方へと、通過の始まる間際に非常に迅速に切り替えられる。
位置1は、前方への動きに対するものであり、位置2は逆の動きに対するものである。
誘導プラズマトーチ120の後ろに立っている人から見た通りの逆方向においては、図4において示されるように、蒸着は右側であり、左側へと移動するであろう。
この実施形態において、背面化学物質注入ノズル124と正面化学物質注入ノズル122とは、一方からもう一方へと、通過の始まる間際に非常に迅速に切り替えられる。
位置1は、前方への動きに対するものであり、位置2は逆の動きに対するものである。
化学物質注入ノズル122と124の位置を切り替えるために、開口ウインドウ57の幅はおよそ20mmへと変更されるのであり、そしてウインドウ57は、もはやお互いに真っ向から対立した位置にはない。代わって、お互いからは補正値が存在する。ウインドウを過剰に拡大し過ぎれば、プラズマガスの過度の流出を引き起こすかもしれない。
加えて、化学物質注入ノズル122と124の位置の切り替えはまた、あらかじめ決められて固定された位置にある2つの追加的ノズルを用いることで達成可能である。更には、所望のノズルに化学物質を供給するための異なったバルブや電子制御でもまた、同様の機能を果たすことが可能である。
蒸着プロセスの間は、多くの場合、化学物質注入ノズル68、122、そして124の先端において作り上げるということが行われている。このように作り上げれば、蒸着速度とガラスの質を大幅に低減させる可能性がある。検査をすると、このように作り上げたものは、化学物質注入ノズル68、122、そして124の流路において形成された髭(barbs)としてとらえられる。
反応化学物質の流速が増したとき、対応して初めは蒸着速度の増大が起こるものの、しかしながら動作中にそれは横ばいになって、それから下がり始める、ということが観察されている。このことは、注入された化学物質の効率的な蒸着に対する層流の重要性を示している。化学物質注入ノズル68、122、124についての一連の試験実験の後、化学物質注入ノズル68、122、124の開口部又は断面積(CSA:cross section area)と、ノズルの形状と、そして化学物質注入ノズル68、122、124に対する層流を保持するための化学物質の流速と、に対する最適な条件が見出された。これらの最適な条件は、化学物質注入ノズル68、122、124の先端においてできるすす粒子を最小化するのであり、そしてまた、ガラスに気泡が捕らえられる可能性がより低くなるような、粒子サイズの低下をもたらす。
好ましくは、理想的な粒子サイズは、現在のプロセスに対しては0.02mmから0.05mmの間である。蒸着されるすす粒子の直径が非常に大きくなれば、それらを硬化させることは非常に難しくなる。すす粒子が大きければまた、ガラス中には大変頻繁に、気泡が捕らえられる。化学物質注入ノズル68、122、124に対して層流が固定レベルで保持される場合には、粒子サイズは均一に低下し、ガラスの質は改善された。更には、化学物質注入ノズル68、122、124の先端におけるすす粒子の生成可能性も最小化されたのであり、メンテナンスの必要性と頻度が下がった。
図5は、本発明における本誘導プラズマトーチについての別の実施形態150を説明する。誘導プラズマトーチ150は、へこんだ区域152を有する中間の石英ガラスチューブ154を備える。中間の石英ガラスチューブ154について底面部から頂上部まで均一な直径を用いる代わりに、へこんだ区域152が、内側の石英ガラスチューブ58の頂上部のすぐ上に製作される。このへこんだ区域152は、その直径全部のうちの約30%まで、直径を徐々に減らすのであり、それから通常の直径までカーブして戻る。一例としては、内側の石英ガラスチューブ58の頂上部のおよそ3mm上において、そのへこんだ区域152が始まる。へこんだ区域における垂直方向での全体の長さは、およそ30mmであって、そしてそのへこみにおける最小の直径はおよそ50mmである。1つの実施形態において、内側の石英ガラスチューブ58は外径がおよそ60mm、そして長さがおよそ150mmであり、中間の石英ガラスチューブ154は外径がおよそ70mm、そして長さがおよそ255mmであり、外側の石英ガラスチューブ52は外径がおよそ85mm、そして長さがおよそ200mmである。誘導プラズマトーチ150の効率が向上し、そしてプラズマジェットの平均エンタルピーが改善されるというのが、本誘導プラズマトーチ150における利点である。
誘導プラズマトーチ150に連結する全体エネルギーWは、放射損失Wr、石英チューブによる吸収Wt、そしてプラズマジェットへ移転されるWjへと分散されることが知られている。この全体エネルギーに対する数式は次の通りである。
W = Wr + Wt + Wj (1)
W = Wr + Wt + Wj (1)
Reedによる研究からわかるように(非特許文献8)、そしてまたGutsol等によって報告されているように(非特許文献9)、本誘導プラズマトーチ150において用いられる旋回流パターンは非常にユニークな特徴を有する。強力な流れの回転の結果として、再循環ゾーンが形成される。そのゾーンの軸上での逆流の結果として、プラズマの「テール」が形成されるのであり、それは誘導領域(本実施形態においては、コイルの下方である)の上流を拡張する。冷却ガス領域中でのこのゾーンの長さは、チューブ直径より何倍も大きい可能性があり、それ故に、プラズマガス吸入口76の付近まで届く可能性がある。
図6を参照すれば、本発明の1つの実施例に従って追加的ガス吸入口の配列を描く、本プラズマトーチの別の実施形態200の平面図が説明されている。この実施形態において、4つの分離したプラズマガス吸入口76が、チャンバー82について接線方向に向けられている。上述の通り、これらプラズマガス吸入口76は、プラズマガスを運ぶ第1のガス線を誘導プラズマトーチ40に接続する。これらプラズマガス吸入口76は同じ寸法であってよく、そして上述の通り、同じ材料から作られていてよい。これらプラズマガス吸入口76の数と向きとによって、プラズマガスの循環又は旋回パターンが生み出されるのであり、プラズマフレーム74が改善される。プラズマガスについて所望の流れパターンを達成するために、如何なる数のプラズマガス吸入口76を用いてもよい。
図7へと向き直れば、左側にある先行技術の誘導プラズマトーチからの流れパターンが、右側にある本誘導プラズマトーチ150と比較されている。RFコイルによって誘導された表面薄層(SL:Skin Layer)、プラズマ再循環ゾーン(RZ:Recirculation Zone)、そしてプラズマガスの流れに対する流線(SM:StreamLines)が示されている。図7から、先行技術のプラズマトーチに対するプラズマテールはプラズマガス吸入口76に向かって伸びたことが分かる。本誘導プラズマトーチ150に関しては、プラズマ再循環ゾーンはへこんだ区域152のすぐ上で終わっており、プラズマガス吸入口76へは伸びなかったことが分かる。これは、へこんだ区域152における直径によって、流線がチューブの中心に向かって動くことを強制され、そしてプラズマテールが更に上流へと動くことを制限されたことによるものである。こうして、誘導プラズマトーチ150上でプラズマ再循環ゾーンは短く(小さく)なった。プラズマ再循環ゾーンが小さくなったので、V=0に対する位置もまた低くなった。
プラズマ再循環ゾーンがより小さくなるとき、石英チューブに向かう損失と同様に、放射に向かうエネルギー損失が小さくなるであろうことは明らかである。式(1)から、全体の連結されるエネルギーWが同一であって、しかしながら放射損失Wrと石英チューブによって吸収されるエネルギーWtとが小さくなるときには、プラズマジェットはより多くのエネルギーWjを利用できるであろうことが分かる。言い換えれば、Wjが増加してより大きくなるであろう。従って、公式 □=Wj/W で表される効率もまた向上するであろう。同様に、全体の流速が同じであれば、プラズマジェットの平均エンタルピー Hj=Wj/Q もまた増加する(Qはプラズマガスの全体質量流(total mass flow)である)。
図6と図7とを参照すれば、追加的プラズマガス吸入口76と共にへこんだ区域152を用いてよい。例えば、4つのプラズマガス吸入口76を用いる場合、計画された全体の流速を保持しつつ、各々個別のプラズマガス吸入口76に対しての流速を低下させることが可能である。これにより、プラズマフレーム又はジェット74の回転対称性126(図3と図4で示されている通り)が改善される。またこれにより、プラズマフレーム又はジェット74の安定化も改善されるであろう。
この実施形態においては、4つのプラズマガス吸入口76が用いられている。この実施形態において、対立する2つのプラズマガス吸入口76は主プラズマガスを供給してよく、そして他の2つのプラズマガス吸入口76は補助として用いられるかもしれない。1つは酸素を供給し、もう1つは窒素を供給するであろう。これにより、乱流を生成することなく、全体のガス流速を上昇させることが可能である。そのプロセス中に酸素と窒素との割合を変更し、しかしながら全体の流れを同一に保持するということもまた可能となる。
これら4つのプラズマガス吸入口76が同一平面上にある必要はなく、そして結果として、その4つのプラズマガス吸入口76についての位置と平面とを制御することにより、異なった種類の流れパターンを発生することが可能である。加えて、各々のプラズマガス吸入口76に対しての個々のガス流を調節することにより、異なった種類の流れパターンを発生することが可能である。追加的プラズマガス吸入口76を、フッ素含有ガス(例えば、SiF4、CF4、又はSF6)のような気相原料物質を供給するために用いてよい。反応ゾーンに入る前に事前の混合が起こることを望まないならば、それらを、原料物質の蒸気相成分を供給するために用いることもまた可能である。
図5を参照すれば、底部石英ガラスリングディスク66の上に配置された化学物質注入ポート68が示されている。しかしながら、それらは外側の石英ガラスチューブ52の上部に垂直になってはおらず、その代わりに、誘導プラズマトーチ150の中心に向かう平面からおよそ15度下方に向けられている(そこはV=0である)。化学物質注入ポート68を下方に向ける、その角度勾配は、誘導プラズマトーチ150の直径、へこんだ区域152の寸法、プラズマガスの流速、連結されたプラズマエネルギー、そして化学反応原料物質に依存する。
上記、そして図7において指示されている通り、V=0の位置は本誘導プラズマトーチ150において低くなったので、V=0においての温度はより高い。これは、再循環ゾーンの縮小に起因するもう1つの恩恵である。この種の配列によって本プラズマトーチ150のユニークな温度プロファイルを更に生かすことが可能であり、そして結果として化学変換速度の改善と粒子サイズの更なる均一化がもたらされる。
図5の誘導プラズマトーチ150に関しては、図2において示されているような、外側の石英ガラスチューブ52上方への中間の石英ガラスチューブ54の拡張は、しなくてもよい。中間の石英ガラスチューブ54の短縮によって、化学物質注入のためのウインドウ57をなくすこともできる。この実施形態においては、中間の石英チューブガラス54を短縮した後は、上部と底部のリングが非常に接近する。所望の空気カーテンを形成するには底部石英ガラスリングディスク66で十分であるので、上部石英ガラスリングディスク70を取り除くことも可能である。
図5の誘導プラズマトーチ150中で、底部石英ガラスリングディスク66は、水平放射状外向きの流れ方向をもつスクリーンガスを形成できるであろう。これは、底部石英ガラスリングディスク66単独で、必要とされる環境シールドを与えることができるからである。この実施形態に対しては、上部石英ガラスリングディスク70を取り除くことで、装備品製造コストが削減され、デザインが単純化され、かつ誘導プラズマトーチ150はよりコンパクトなものとなるであろう。
これら修正をすれば、発電機からの電力を上げる必要なしに、プラズマフレーム74のエンタルピーが増加する。これにより、より大きな電力供給装置を用いることなしに生産性が向上する。更にはプロセスの効率もまた、およそ10%上昇したのであり、その上そのプロセスによって、蒸着されたガラス中での気泡形成も大幅に低減された。
本誘導プラズマトーチ40、120、150、そして200を水平モードで動作させて、プレフォーム、チューブ、ロッド、又は3つ全てを作製するためにシリカの蒸着を行ってよい。加えて、本誘導プラズマトーチ40、120、150、そして200を、シリカガラスを蒸着させるために垂直モードのやり方で用いてよく、それによりガラスにブランクやインゴットを作製することが可能となるであろう。
誘導プラズマトーチ40、120、そして150において教示される特徴の全てを用いることで、蒸着速度と効率(物質の活用)とが著しく改善可能であるということがわかった。以下の表1は、先行技術の誘導プラズマトーチと誘導プラズマトーチ150との比較を示す。
表1
表1
製品例によって、これらの改良の、真の利点が示されるであろう。最初の外径が20mmである、1メートルの長さのガラス目標物上へ、その最終的な外径を70mmへと成長させるためにとガラスを蒸着させるのに、先行技術の誘導プラズマトーチデザインを用いれば27時間と少々かかる。しかしながらここにおいて教示される誘導プラズマトーチの結果としては、そのプロセスにかかるのは17時間未満であろう。すなわち処理時間が10時間削減される。言い換えれば、同じ製造時間ピリオドに対して、約40%の処理量増加が可能である。この結果、労働コストもまた著しく削減される。この新しい誘導プラズマトーチは、たった60%の装備をもって、先行技術と同じ量の製品の製造を可能とするであろう、ということを考えれば、これら著しい節約が大局的に把握される。言い換えれば、これは資本投資における40%の節約となる。原料物質の使用量ということから考えれば、本設計における他の利点が示される。本発明の誘導プラズマトーチは、材料コストの40%の削減をもたらす。
合成シリカを作製するための、新規なプラズマトーチが説明されてきた。当然ながら、本明細書内で説明された特定の実施形態は例示の目的のためのものであって、本発明を制限するために構成されるべきではない。更に当業者ならば、この発明概念から逸脱することなく、説明された個別の実施形態の、極めて多くの活用、修正を直ちに成すことができるということが明白である。例えば、説明されているコイルやそのコイルの所要電力であるが、別の材料で作製して異なった電力設定において動作させることは可能である。列挙されている石英チューブの寸法も、所望の応用のためにと大きく又は小さくできることが明らかである。
Claims (41)
- 第1の長さと、第1の断面直径と、ベースに接続された第1の端と、基板に指向された第2の端と、を有する、誘導コイルに囲まれた外側の石英ガラスチューブと、
第2の長さと、第2の断面直径と、前記ベースに接続された第1の端と、前記基板に指向された第2の端と、を有する、内側の石英ガラスチューブであって、該内側の石英ガラスチューブが、前記外側の石英ガラスチューブと実質的に並行に、かつその内側に配置されるように、該第2の断面直径は前記第1の断面直径よりも小さい、内側の石英ガラスチューブと、
第3の長さと、第3の断面直径と、前記ベースに接続された第1の端と、前記基板に指向された第2の端と、を有する、中間の石英ガラスチューブであって、スクリーンガスに対して前記中間の石英ガラスチューブと前記外側の石英ガラスチューブとの間の経路を提供するために、かつ前記誘導コイルが励磁されたときにプラズマフレームを発生するためのプラズマガスに対して、前記内側の石英ガラスチューブと前記中間の石英ガラスチューブとの間の経路を提供するために、該中間の石英ガラスチューブが、前記外側の石英ガラスチューブと前記内側の石英ガラスチューブとに実質的に並行に、かつそれらの間に配置されるように、該第3の断面直径は前記第1の断面直径よりも小さく前記第2の断面直径よりも大きい、中間の石英ガラスチューブと、
前記外側の石英ガラスチューブの前記第2の端に同軸に接続された、第1の石英ガラスリングディスクと、
前記中間の石英ガラスチューブの前記第2の端に同軸に接続された、第2の石英ガラスリングディスクと、
を含み、前記スクリーンガスの流れパターンは前記第1の石英ガラスリングディスクと前記第2の石英ガラスリングディスクとにより決定され、
前記第1の石英ガラスリングディスクと前記第2の石英ガラスリングディスクとの間に配置された、前記プラズマフレームの中へ化学物質ソースガスを注入するための、少なくとも1つの化学物質注入ノズルと、
を含む、合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。 - 前記中間の石英ガラスチューブの前記第2の端は、前記外側の石英ガラスチューブの前記第2の端を越えて伸びる、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記外側の石英ガラスチューブの前記第2の端は、前記内側の石英ガラスチューブの前記第2の端を越えて伸びる、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1、第2の石英ガラスリングディスクは前記中間の石英ガラスチューブに対して実質的に垂直である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記中間の石英ガラスチューブは、前記注入された化学物質ソースガスに対して前記プラズマフレームの中への通路を提供するための、前記中間の石英ガラスチューブの前記第2の端に実質的に近接して配置された、少なくとも1つの開口部、を更に含む、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記少なくとも1つの開口部は、前記第1、第2の石英ガラスリングディスクの間に垂直に配置される、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1、第2、そして第3の断面直径はお互いに同軸である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記コイルは、前記第1の石英ガラスリングディスクと前記ベースとの間に垂直に配置される、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1の長さは約100mmから約300mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1の直径は約40mmから約120mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第2の長さは約75mmから約225mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第2の直径は約30mmから約90mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第3の長さは約135mmから約400mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第3の直径は約35mmから約105mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記少なくとも1つの開口部は、約8mmから約24mmまでの間の高さを有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記少なくとも1つの開口部は、約9mmから約27mmまでの間の幅を有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1の石英ガラスリングディスクは、約40mmから約130mmまでの間の内径を有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1の石英ガラスリングディスクは、約75mmから約225mmまでの間の外径を有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第2の石英ガラスリングディスクは、約35mmから約105mmまでの間の内径を有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第2の石英ガラスリングディスクは、約55mmから約165mmまでの間の外径を有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記第1、第2の石英ガラスリングディスクは、前記プラズマガスに対する圧力範囲を低くするように、前記スクリーンガスに前記プラズマフレームの近くで水平な放射状の流れパターンを持たせるように、配置される、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 冷却材を前記ベース中で循環させるために、前記ベース内に配置された冷却材吸入口と冷却材排出口とを更に含む、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記スクリーンガスは1ppm未満のヒドロキシル含有である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記コイルと前記外側の石英ガラスチューブとの間の距離は、約2mmから約10mmまでの間である、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記コイルは高周波発生器によって動力を与えられる、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記少なくとも1つの化学物質注入ノズルは、
前記プラズマトーチの中心線に配置される第1の化学物質注入ノズルと、
前記プラズマトーチの前記中心線の前方に配置される第2の化学物質注入ノズルと、
を含む、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。 - 前記中間の石英ガラスチューブは、その周囲を囲んで形成されたへこみ制限を前記内側の石英ガラスチューブの上方に有する、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 前記少なくとも1つの化学物質注入ノズルは、水平面から下方に傾斜させられた、請求項1に記載の合成シリカを作製するためのプラズマトーチ。
- 一端が実質的に基板に対して垂直である、誘導コイルに囲まれた外側の石英ガラスチューブと、
一端が実質的に前記基板に対して垂直である、内側の石英ガラスチューブと、
一端が実質的に前記基板に対して垂直であり、前記外側の石英ガラスチューブと前記内側の石英ガラスチューブとの間に配置された中間の石英ガラスチューブと、
を含み、それらチューブは、前記誘導コイルが励磁されたときにプラズマフレームを発生するためのプラズマガスに対する、前記内側の石英ガラスチューブと前記中間の石英ガラスチューブとの間に位置する第1の経路と、スクリーンガスに対する、前記外側の石英ガラスチューブと前記中間の石英ガラスチューブとの間に位置する第2の経路と、を提供するよう同軸であって、
前記外側の石英ガラスチューブの前記一端に同軸に接続された第1の石英ガラスリングディスクと、
前記中間の石英ガラスチューブの前記一端に同軸に接続された第2の石英ガラスリングディスクと、
を含み、前記スクリーンガスの流れパターンは前記第1の石英ガラスリングディスクと前記第2の石英ガラスリングディスクとにより決定され、
前記第1の石英ガラスリングディスクと前記第2の石英ガラスリングディスクとの間に配置された、前記プラズマフレームの中へ化学物質ソースガスを注入するための、少なくとも1つの化学物質注入ノズルと、
を含む、プラズマトーチと、
前記基板を支持するための手段であって、前記基板と該支持するための手段はお互いに相対的に移動する手段と、
を含む、合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。 - 前記中間の石英ガラスチューブの前記一端は、前記外側の石英ガラスチューブの前記一端を越えて伸びる、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記外側の石英ガラスチューブの前記一端は、前記内側の石英ガラスチューブの前記一端を越えて伸びる、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記第1、第2の石英ガラスリングディスクは前記中間の石英ガラスチューブに対して実質的に垂直である、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記中間の石英ガラスチューブは、前記注入された化学物質ソースガスに対して前記プラズマフレームの中への通路を提供するための、前記中間の石英ガラスチューブの前記一端に実質的に近接して配置された、少なくとも1つの開口部、を更に含む、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記少なくとも1つの開口部は、前記第1、第2の石英ガラスリングディスクの間に垂直に配置される、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記コイルは、前記第1の石英ガラスリングディスクとベースとの間に垂直に配置される、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記第1、第2の石英ガラスリングディスクは、前記プラズマガスに対する圧力範囲を低くするように、前記スクリーンガスに前記プラズマフレームの近くで水平な放射状の流れパターンを持たせるように、配置される、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記コイルは高周波発生器によって動力を与えられる、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記少なくとも1つの化学物質注入ノズルは、
前記プラズマトーチの中心線に配置される第1の化学物質注入ノズルと、
前記プラズマトーチの前記中心線の前方に配置される第2の化学物質注入ノズルと、
を含む、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。 - 前記プラズマトーチに対しての前記基板の移動の間、前記第2の化学物質注入ノズルを前方の化学物質注入ノズルとして与えるために、前記プラズマトーチは前記基板に対して軸方向に回転する、請求項38に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記中間の石英ガラスチューブは、その周囲を囲んで形成されたへこみ区域を前記内側の石英ガラスチューブの上方に有する、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
- 前記少なくとも1つの化学物質注入ノズルは、水平面から下方に傾斜させられた、請求項29に記載の合成シリカを作製するためのプラズマ蒸着装置。
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