JP4676985B2 - 石英ガラス構成部品の接合方法、その方法により得られる構成部品アセンブリ、及び石英ガラス構成部品を接合するための非晶質ＳｉＯ２含有粉末状体、ペースト状体又は液状体の使用 - Google Patents
石英ガラス構成部品の接合方法、その方法により得られる構成部品アセンブリ、及び石英ガラス構成部品を接合するための非晶質ＳｉＯ２含有粉末状体、ペースト状体又は液状体の使用 Download PDFInfo
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Description
本発明は、高ケイ酸含量を有する材料で作製された構成部品の接合表面の間に形成され且つ高ケイ酸含量を有する材料の一般的な化学組成を有するＳｉＯ2含有接合体を用いた物質対物質接合によって該構成部品を接合する方法に関する。
さらに、本発明は、高ケイ酸含量を有する材料で作製され、ＳｉＯ2含有接合体によって互いに接合される少なくとも２つの構成部品を備える構成部品アセンブリであって、ＳｉＯ2含有接合体が非晶質であり、且つ高ケイ酸含量を有する材料の一般的な化学組成を有する構成部品アセンブリに関する。
さらに、本発明は、物質対物質接合による構成部品の接合のためのＳｉＯ2含有接合剤に関する。
本明細書において、用語「高ケイ酸含量を有する材料」は、少なくとも８５％のＳｉＯ2割合を有するドープ又は非ドープ石英ガラスを示すよう定義されるものとする。この材料は、本明細書において以下、略して「石英ガラス」と称するものともする。石英ガラスは、低い熱膨張係数と、広範囲の波長にわたる光学的透明性と、高い化学的及び熱的不活性さとを特徴とする。
石英ガラスで作製される構成部品は、多くの用途、例えば、ランプの製造におけるスペクトルの紫外、赤外及び可視領域のランプ及び放射器の被覆管、電球、かぶせ板又は反射鏡担体として、化学装置の設計又は半導体の製造における半導体構成部品、キャリアトレイ、ジャー、るつぼ、保護シールド又は管、ロッド、プレート、フランジ、リング若しくはブロックのような単純な石英ガラス構成部品の処理のための石英ガラス製の反応器及び装置の形態で使用されている。特定の性質をもたらすため、チタン、アルミニウム、ホウ素、ゲルマニウムのような他の物質が石英ガラスにドープされる。
高頻度で、例えば、より単純な予備形成部品から複雑な形状の構成部品を製造するために、ガラス要素を互いに接合する必要性がある。一般に、この接合は、構成部品を互いに融着することにより提供される。例えば、欧州公開特許第１，０４２，２４１号（Ａ１）には、石英ガラス管の突き合わせ融着の方法が記載されている。融着は、接合させる表面を溶融すること、及び軟化した表面を互いに対して押し付けることを含み、これは、融着ゾーンにおいて望ましくない塑性変形を容易にもたらすことがある。この種の変形は、さらなる後処理によって取り除くことは可能であるが、通常、或る程度の寸法不完全性が残る。
したがって、いくつかの石英ガラス構成部品から構成される精密部品の製造に関し、有機系接着体を用いた接着手段を含む接合技術（しかし、低温に対してのみ耐久性である）、又は活性化中間層を用いる拡散融着手段を含む接合技術が提案されている。
後者のタイプの方法は、例えば、ドイツ公開特許第２９，２３，０１１号（Ａ１）に記載されている。石英ガラス要素の真空気密接合を達成するため、この参考文献では、予め平らになるように研磨した後、７Ｎｍｍ−２の圧力で互いに押し付けた接合表面上に０．００１ｍｍの厚さを有するアルミニウム層を蒸着させ、次いで、この複合体を真空内で約６３０℃の温度に加熱することが提案されている。
この接合技術は、非常に高価な表面処理を必要とする。複合体は、アルミニウムの溶融温度より著しく高い温度には耐えることができない。
また、それぞれの熱膨張係数に適合させた融着材料を用いる溶融接合が一般的に知られている。例えば、Schott Glaswerkeの製品カタログ番号９０１６「Technische Glaser（印刷記号：９０１６ ｄ ＸＩＩ／８１）」には、４×１０-6／℃〜１１×１０-6／℃（石英ガラスの膨張係数はおよそ０．５×１０-6／℃である）の間の範囲の中程度の膨張係数を有する異なる接合材料のためのいくつかのガラスはんだが挙げられている。
このタイプの融着材料を用いる接合方法は、旧東ドイツ予備審査済特許明細書（ＤＤ）第２８９，５１３号（Ａ５）で知られている。石英ガラスで作製された精密部品の寸法的に安定した真空気密性の接合を提供するために、この参考文献では、ホウ酸鉛−亜鉛を主成分とするガラスはんだを用いることが提案されている。このガラスはんだは、７６％のＰｂＯ、１１％のＺｎＯ、９％のＢ2Ｏ3及び２％のＳｉＯ2の重量分率で、酸化鉛、酸化ホウ素及び酸化シリカから成る。１μｍ〜７０μｍの粒径を有する粒子を含有するガラスはんだを用いてアセトン可溶性ペーストを調製し、次いで、これを、接合表面の一方に塗布している。接合させる部品（管及びプレート）を、互いに所定の位置に固定し、接合表面を互いにしっかり押し付ける。次いで、この複合体をはんだ炉内に配置し、３．５時間の間、最大温度４５０℃の温度処理に供する。このプロセスにおいて、ガラスはんだは溶融され、より高い溶融温度を有する結晶相に変換される。
このようにして提供される物質対物質接合は、低い真空漏れ率（５００℃の温度まで）を特徴とする。しかしながら、この接合部は、熱テクノロジーにおける石英ガラスの多くの用途の耐温度性及び熱疲労耐久性に関する特に厳しい要件を満たしていない。また、既知の接合部は、例えば半導体製造、光学部品の用途だけでなく、化学、医薬、研究及び分析技術の分野において存在する、純度、及び不純物混入の非存在に関する要件をも満たすことができない。
この欠点は、上記のタイプの接合方法、すなわち日本公開特許第６３−０６９７３４号（Ａ）に記載された方法で回避される。光ファイバーを石英ガラス基材に接合するための接合剤として、この文献では、ファイバー及び基材のものと類似した組成を有する金属アルコキシドで構成された重合性ゾルが提案されている。重合反応後、このようにして得られたゲルを、レーザー又は加熱器によって加熱又はガラス化してさらに接合を強固にし、その結果、高ケイ酸含量を有する材料の一般的な化学組成であるＳｉＯ2含有接合体が、構成部品の接合表面間に作製される。
同様の方法が、公開された明細書ドイツ特許第２３，４２，８５２（Ｂ２）に記載されている。シリケートガラスで作製された光学精密部品を接合するために、この文献では、水蒸気により気化したＳｉＣｌ４蒸気の加水分解によって作製されたＳｉＯ2接合層が提案されている。ＳｉＯ2接合層の厚さは、１００〜２００ｎｍの間の範囲である。その固化は、１５０℃〜２５０℃の間の温度の炉内で加熱することにより行なわれる。
後者の２つの方法は、この方法を行なうために高価な出発物質及びいくつかの困難で費用のかかる手順工程を必要とし、その結果、これらの方法は、コスト及び生産性の理由のため、実際の用途では確立されなかった。
したがって、本発明の目的は、高ケイ酸含量を有する材料で作製された機械的及び熱的に安定な構成部品アセンブリのコスト効率のよい製造を容易にする方法を提供すること、及びこの方法に適したＳｉＯ2含有接合剤を提供することである。
本発明の別の目的は、高ケイ酸含量を有する材料で作製された少なくとも２つの接合される構成部品で構成される構成部品アセンブリであって、高度の信頼性、耐温度性及び熱疲労耐久性を特徴とし、また、不純物混入に影響を受けやすい用途において使用され得る構成部品アセンブリを提供することである。
上記方法に関し、その目的は、本発明によって、ＳｉＯ2含有接合体を提供することが、以下の手順工程：
（ａ）非晶質ＳｉＯ 2 出発粒状物を湿式粉砕することを含む、非晶質ＳｉＯ2粒子を含有する水性スラリーを提供することであって、非晶質ＳｉＯ 2 粒子のＳｉＯ 2 含量が少なくとも９９．９質量％であり、非晶質ＳｉＯ 2 粒子の粒径が５００μｍまでの範囲であり、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有する非晶質ＳｉＯ 2 粒子が容積の大部分を占める、
（ｂ）互いに所定の位置に固定された接合表面の間にスラリー体を形成すること、
（ｃ）スラリー体を乾燥すること、及び
（ｄ）加熱によってスラリー体を固化させて、接合させる石英ガラス構成部品のＳｉＯ 2 含量と最大で３質量％異なるＳｉＯ2含有接合体を形成させること
を含むという点で、上記の方法に基づいて達成される。
（ａ）非晶質ＳｉＯ 2 出発粒状物を湿式粉砕することを含む、非晶質ＳｉＯ2粒子を含有する水性スラリーを提供することであって、非晶質ＳｉＯ 2 粒子のＳｉＯ 2 含量が少なくとも９９．９質量％であり、非晶質ＳｉＯ 2 粒子の粒径が５００μｍまでの範囲であり、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有する非晶質ＳｉＯ 2 粒子が容積の大部分を占める、
（ｂ）互いに所定の位置に固定された接合表面の間にスラリー体を形成すること、
（ｃ）スラリー体を乾燥すること、及び
（ｄ）加熱によってスラリー体を固化させて、接合させる石英ガラス構成部品のＳｉＯ 2 含量と最大で３質量％異なるＳｉＯ2含有接合体を形成させること
を含むという点で、上記の方法に基づいて達成される。
本発明による方法では、構成部品の接合は接合表面間のＳｉＯ2含有接合体に基づき、この接合体は、非晶質ＳｉＯ2粒子を含有する水性スラリーを用いて作製される。スラリー体の形態であるキャスタブル又はペーストのスラリーを、互いに固定された接合表面の間に配置し、続いて、乾燥及び加熱によって固化させる。
このプロセスでは、或る程度のスラリー体の収縮が必ず起こる。したがって、本発明による方法の具体的な難題は、乾燥及び固化時のスラリー体の断裂を回避することである。これは、非晶質ＳｉＯ2粒子を含有するスラリーを用いて開始することにより達成される。これらは、ペースト状及び乾燥状態であってもスラリー体を安定化させ、焼結活性が促進される相互作用に左右され、これにより、比較的低い温度での乾燥スラリー体の固化が助長され、高密度で亀裂のないＳｉＯ2含有接合体が形成される。別の寄与は、水性スラリー媒体の極性の性質及び固有の高い焼結活性を有するＳｉＯ2粒子の非晶質構造によって為される。
均質化したスラリーを、次いで、「スラリー体」の形態で一方の接合表面又は両方の接合表面に塗布し、それにより続いてこの接合表面が、互いに所定の位置に、又は互いの上に固定される。また、予め互いに所定の位置に固定された接合表面の間にスラリー体を提供することも可能である。
スラリー体は、別個の手順工程においてスラリー体の固化前に、例えば室温で、加熱若しくは凍結乾燥によって乾燥させるか、又は手順工程（ｃ）による乾燥及び手順工程（ｄ）による固化が共通の温度処理プロセスを構成する。
乾燥スラリー体を固化及び濃縮させるため、このスラリー体を、非晶質ＳｉＯ2粒子の焼結又は溶融、及び高ケイ酸含量を有する一部不透明で一部透明であるか、若しくは完全に透明であるガラスから成る亀裂のないＳｉＯ2含有接合体の形成がもたらされる温度まで加熱する。
上記方法では、ＳｉＯ2含有接合体中での結晶化が接合を弱めるため、これを回避するか、又は少なくとも最小限に抑えることが重要である。これに関連し、スラリーを形成するのに用いるＳｉＯ2粒子が非晶質であることもまた重要である。この粒子は、合成により製造されたＳｉＯ2粒子から成るか、又は天然に存在する精製した原料を主成分として製造されたものである。
別の技術的課題は、温度変化があっても構成部品間に安定で確実な接合を提供する安定なＳｉＯ2含有接合体の製造である。これに関連し、接合させる構成部品の熱膨張係数（単数又は複数）と比べたときのＳｉＯ2含有接合体の熱膨張係数及びその温度依存性に特に注目する。
これに関連し、高ケイ酸含量を有する材料に関してＳｉＯ2含有接合体の「一般的性質」が、重要な役割を果たす。本明細書において、これは、この接合体のＳｉＯ2含量が、接合させる高ケイ酸含有構成部品のものと最大で１０質量％、好ましくは最大で３質量％異なることを意味するものとする。
上記接合体の形成に「一般的な材料」を使用することは、以下の効果を有する：
・一方において、構成部品及び接合体の石英ガラスの熱膨張係数の概算を可能な程度まで容易にし、これと関連して、接合表面への固化ＳｉＯ2含有接合体の特に良好な接着及び、特に、このアセンブリの高い熱疲労耐久性を助長する。
・並びに、他方において、接合される構成部品の石英ガラス又はその作業環境の、一般的な材料中に存在する異物による不純物混入が、このようにして回避又は低減される。
・一方において、構成部品及び接合体の石英ガラスの熱膨張係数の概算を可能な程度まで容易にし、これと関連して、接合表面への固化ＳｉＯ2含有接合体の特に良好な接着及び、特に、このアセンブリの高い熱疲労耐久性を助長する。
・並びに、他方において、接合される構成部品の石英ガラス又はその作業環境の、一般的な材料中に存在する異物による不純物混入が、このようにして回避又は低減される。
接合表面の粗さ及び不均一性は、本発明による方法において、必ずしも不都合な効果を有するとは限らない。むしろ、或る程度の表面の粗さにより、スラリー体とＳｉＯ2含有接合体との接着が改善される。また、スラリー体を接合表面間に、早期の工程でのこれらの表面の費用のかかる加工処理が回避され得るのに十分厚く塗布することが容易になる。
この方法の好ましい第１の変形形態において、非晶質ＳｉＯ2粒子の粒径は５００μｍまで、好ましくは１００μｍまでの範囲であって、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有する非晶質ＳｉＯ2粒子が容積の大部分を占める。
このサイズ範囲で、このサイズ分布の非晶質ＳｉＯ2粒子は、好都合な焼結挙動及び乾燥時に比較的少ない収縮を示す。粒子が粗いほど、高いスラリー固形分に寄与し、これによりスラリー体の相対収縮が低くなる。上記の相互作用の結果（これは、ＳｉＯ2分子結合の形成をもたらすことさえあり得る）、微細な粒子ほど、焼結及びガラス化挙動を促進する接合剤と同様の機能を果たす。経験により、この型のスラリーでは、高い素地密度を有するスラリー体が、亀裂の形成なく、作製、乾燥及び固化され得ることが示されている。
好ましくは、非晶質ＳｉＯ2粒子のＳｉＯ2含量は少なくとも９９．９質量％である。
かかる粒子を用いて作製されたスラリーの固形分は、ＳｉＯ2の少なくとも９９．９質量％を構成する。接合剤又は類似の添加剤は考慮しない。したがって、これは非ドープ石英ガラスで構成される構成部品アセンブリのための一般的な出発材料である。この出発物質は、不純物混入又は結晶化のリスクをなんら伴わない。
非晶質ＳｉＯ2粒子を、非晶質ＳｉＯ2出発粒状物の湿式粉砕によって作製すると、高い焼結活性を発揮する相互作用への寄与がもたらされる。
この方法では、所望の粒径分布が水性スラリーの均質化プロセスによって設定され、ここで、非晶質ＳｉＯ2粒子のサイズは、均質化中に、固化の程度に応じて例えば２００μｍ〜５，０００μｍの間の範囲の直径を有する比較的粗い粒状物から縮小される。湿式粉砕中、任意のサイズの非晶質ＳｉＯ2粒子（例えば、スラリー中で互いに既に上記の接合を形成しているもの）がスラリー中に生成される。ここでは水の極性の性質が重要な役割を果たす。これにより、スラリー体の安定性が改善される。
好都合には、接合表面間にスラリー体を作製中のスラリーの固形分は、少なくとも６５質量％、好ましくは少なくとも８０質量％、特に好ましくは少なくとも８３質量％である。
スラリー体の塗布又は導入中の高い固形分により、乾燥及び固化中の収縮が低減され、それにより、ＳｉＯ2含有接合体における歪みの形成、また、上記アセンブリの寸法安定性、及び寸法精度が低減される。スラリーにおいて高い固形分を設定することは、水性媒体の極性の性質に有利である。しかしながら、どのスラリー塗布手段が選択されるかに応じて、低粘性のスラリーを支持する根拠が存在し得る。
スラリーの塗布には、既知の手順、例えば、噴霧、静電気補助型噴霧、フラッディング、遠心分離、塗装、こて塗りなどが基本的には好適である。特に、浸漬又は噴霧により大きな面積を均一に被覆するためによく適した塗布手段では、比較的低いスラリー粘度が有利である。
非晶質で緻密なＳｉＯ2粒子の他、スラリーは、他の非晶質ＳｉＯ2出発材料をも含有し得る。
例えば、少なくとも一部の非晶質ＳｉＯ2粒子では、１００ｎｍ未満の平均一次粒径を有するナノスケールで非晶質の合成されたＳｉＯ2一次粒子の凝集体で構成された多孔質顆粒状粒子の形態で提供されるのが有利であることが示された。
多孔質顆粒体は、１００ｎｍ未満の平均一次粒径を有するナノスケールで非晶質の合成されたＳｉＯ2一次粒子の凝集体から成る。このタイプの一次粒子は、ケイ素化合物の火炎加水分解又は酸化によって得られる。造粒すると、微細顆粒状ＳｉＯ2一次粒子の凝集体は、より粗い顆粒状粒子の形成をもたらす。その結果、或る程度の緻密化及び固化が、スラリー体において早期に開始され、これは、後の焼結及びガラス化に有利である。緻密化及び固化は、スラリー中の個々の一次粒子の或る一定の程度の溶解度及び可動性に基づき、スラリー体中の隣接する非晶質ＳｉＯ2粒子間でのいわゆる「焼結ネック」の形成に寄与する。このような「ネック」領域内のＳｉＯ2高含有液相を乾燥すると、これらのネックは固化し、個々の非晶質ＳｉＯ2粒子間の安定した接合と、スラリー体の緻密化及び固化とをもたらし、これにより、後続の焼結が簡素化される。顆粒体の多孔性及び関連する大きな比表面積により、高い焼結活性が発揮される。
スラリーのｐＨ値を３〜５．５の間の範囲の値に設定することが特に有利である。
酸性ｐＨ値により、非晶質ＳｉＯ2粒子同士の架橋反応が改善され、スラリー体の熱的固化が簡素化される。
湿式粉砕中、スラリーの非晶質ＳｉＯ2粒子の段階的な溶解（溶解限度まで）により、ｐＨ値が自動的に低下する。しかしながら、特にこのプロセスの加速のためには、スラリーのｐＨ値を酸又は塩基を添加することにより設定する手段が好ましい。
互いに所定の位置に固定された接合表面の間へのスラリー体の形成と、スラリー体の乾燥との間に曝露時間を設けるのが有利であることが示された。
これにより、接合表面上へのスラリー体の接着が改善され、非晶質ＳｉＯ2粒子間の結合が強化される。おそらく、この効果は進行する架橋反応によるものであり、これは、さらに湿気のあるスラリー体の非晶質ＳｉＯ2粒子と、この構成部品の接合表面のＳｉＯ2との間で、曝露時間中に、存在する湿気によって補助される。曝露時間の継続時間はスラリー体の量に依存し、数分から数時間程度である。
この方法の好ましい変形形態では、スラリー体の固化は、焼結して少なくとも部分的に不透明な接合体を形成させることを含む。
完全に透明になる程度までガラス化することに比べ、焼結することは、比較的低い焼結温度及び／又は短い焼結時間を要する。これは、作製する構成部品アセンブリの寸法精度の維持に有利であり、エネルギー要求を低下させ、接合させる構成部品に対する不利益な熱的効果及び接合体の領域内での結晶化を回避する。
経験により、単に焼結するだけであっても（完全なガラス化だけではない）、ほとんどの用途に対してＳｉＯ2含有接合体の十分な機械的耐久性を達成するのに十分であることが示されている。
緻密化の程度は、焼結温度及び焼結時間に依存する。この温度が高いほど、焼結時間は短くすることができ、逆もまた同様である。スラリー体を焼結するための一般的で好ましい温度処理は、８００℃〜１，４５０℃の間の範囲の温度、好ましくは１，３００℃未満の温度で加熱することを含む。
最も単純な場合では、焼結は焼結炉内で行なわれ、その内部に、接合させる構成部品を配置する。焼結炉内での構成部品アセンブリ全体の均一な加熱により、歪みの形成が低減され、アセンブリの変形が回避される。
この方法の好ましい変形形態では、スラリー体の固化は、ガラス化して少なくとも部分的に透明な固化ＳｉＯ2含有接合体を形成させることを含む。
ＳｉＯ2含有接合体の完全なガラス化（焼結とは対照的）は、気密性、機械的強度、粒子の非存在及び化学的不活性に関して特に厳しい要求を上記アセンブリが満たされなければならない場合、技術的理由のため、又は単に美観上の理由から光学的透明性がこの領域に必要とされる場合に好ましい。この場合、ＳｉＯ2含有接合体は、細孔を全く、又はほとんど含まず、ケイ酸含有構成部品のものと同様のレベルの高密度を有する。
しかしながら、通常は、ＳｉＯ2含有接合体の表面に近い領域をガラス化することで十分である。このようなガラス化された領域が接合表面を互いに接合させるとすると、他の場合ではＳｉＯ2含有接合体が細孔含有で不透明であっても、機械的強度の増大に寄与し、アセンブリの気密性にも寄与する。
ヘリウム漏出試験により、１０-9バールまでの真空気密性レベルが、中空体などの形状であって、本発明による方法の後者の変形形態によって製造される構成部品アセンブリにおいて、困難を伴わずに確立され得ることが示されている。
ガラス化は、好ましくは、その最大加熱効果がスラリー体に局所的に限定され得る熱源の使用によって行なわれる。
これにより、ガラス化に必要とされる高温の効果を、ガラス化すべきスラリー体に局所的に限定することができ、したがって、塑性変形が回避又は低減され得る。この目的には、バーナー又は赤外線レーザー（例えば、ＣＯ2レーザー）を用いることが好ましい。
先の焼結工程を用いる場合、残留熱を利用すること、及び構成部品アセンブリを熱いうちにガラス化することが好都合である。これは、エネルギーの節約に寄与し、歪みの形成を低減させる。
ＳｉＯ2含有接合体の熱膨張係数に関する上記の目的を解決する方法の別の好ましい変形形態では、以下のドープ剤：Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、ＢＮ、ＨｆＯ2、Ｓｉ、Ｙｂ2Ｏ3及び／又はＳｉＣを１種以上含有するスラリーを用いる。
上記のドープ剤の１種以上の添加により、ＳｉＯ2含有接合体の熱膨張係数を、接合させる構成部品のものに適合させることが可能になる。好ましくは、ドープ剤のドープは、ＳｉＯ2含有接合体内での結晶質相の形成が回避されるように行なう。これは、例えば、ドープ剤を接合体のＳｉＯ2の一部分とともに溶融してガラスを形成し、続いてガラスを粉砕してドープされた非晶質粒子を得ることにより達成される。
上記の理由のため、接合させる高ケイ酸含量の構成部品の少なくとも１つがこの種のドープ剤を含有する場合、水性スラリーにも、この材料の粒子をドープ剤として含有させる手段を用いることが好ましい。
石英ガラスで作製される構成部品の接合に関して、この材料に関して一般的であるＳｉＯ2含有接合体を使用することができ、このとき、この接合体のＳｉＯ2含量は、構成部品のものと最大で１０質量％、好ましくは最大で３質量％異なる。
構成部品アセンブリに関して、上記の目的は、ＳｉＯ2含有接合体が、５００μｍまでの範囲の粒径であって、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有するＳｉＯ2粒子が接合体の最大容積分率を占める、非晶質の焼結ＳｉＯ2粒子又はガラス化ＳｉＯ2粒子から製造されるものであるという点で、上記アセンブリから開始することで達成される。
ＳｉＯ2含有接合体は、非晶質であり且つ接合させる構成部品の高ケイ酸含量を有する材料の一般的な化学組成を有する。用語「一般的」の定義に関する上記の記載を参照されたい。
この接合体は、好ましくは、非晶質ＳｉＯ2粒子を含有するスラリーを利用する上記の本発明による方法によって作製される。その結果、序論に示したタイプのアセンブリとは対照的に、ＳｉＯ2含有接合体は、５００μｍまでの範囲の粒径であって、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有する非晶質ＳｉＯ2粒子が最大容積分率を占める焼結ＳｉＯ2粒子又はガラス化ＳｉＯ2粒子から成る。
ＳｉＯ2含有接合体中のクリストバライトの割合は最大で１質量％である。それ以外の場合では、結晶の形成が接合部を弱めるからである。
このタイプの一般的材料の粒子から成る接合体は、特に良好な接着性及び高い熱疲労耐久特性を、本発明による構成部品アセンブリに付与し、これは、不純物混入に対して敏感な用途にも適し、且つ厳しい寸法精度の要求をも満たす。本発明による構成部品アセンブリは、１箇所以上の接合部位を有する。用途の選択肢は、多種多様である。例としては、ウエハキャリア（これは、寸法精度、熱安定性及び不純物混入の非存在に関する厳しい要求を満たさなければならない）又は石英ガラスで作製され、単純な要素で構成された構造要素（例えば望遠鏡のフレーム、反射鏡など）が挙げられ、これらは、軽量及び低熱膨張係数であることを特徴とする。化学的及び物理的プロセスを行なうための反応器シェルなどの容器、又は液体、気体及び固体を受容するためのタンクは、本発明による構成部品アセンブリから成ることが好都合である。ランプの製造、半導体製造又は実験室の設備におけるこれらの利用選択肢及び上記の利用選択肢の他、本発明による構成部品アセンブリの使用は、例えば、光ファイバーのための予備形成体である部品を互いに接合するか、又は石英ガラスで作製された要素をかかる予備形成体に接合により取り付けて導光板構成部品、例えば、プラグ、カプラー、分岐(branch-off)、コネクタを製造するための光ファイバーの分野にも供される。
ＳｉＯ2含有接合体の比密度は、少なくとも２．０ｇ／ｃｍ3、好ましくは少なくとも２．１ｇ／ｃｍ3であるのが有利であることが示された。
このタイプの構成部品アセンブリの接合部位は、特に高い機械的強度、化学的不活性、ガス気密性及び粒子の非存在を特徴とする。
本発明による構成部品アセンブリの特に好ましい実施形態では、ＳｉＯ2含有接合体は、少なくとも９９．９質量％のＳｉＯ2割合を含む。
この点は、非ドープ石英ガラスで作製される構成部品アセンブリのための一般的な材料で作製された接合体に関与し、熱膨張係数及びその温度依存性における顕著な差と、不純物混入及び結晶化の問題とが回避される。
本発明による構成部品アセンブリの第１の好ましい改良点において、ＳｉＯ2含有接合体は、部分的又は完全に透明である。
このタイプの構成部品は、アセンブリの気密性、強度、粒子の非存在及び化学的不活性に関して特に厳しい要求が存在する場合、又は光学的透明性がこの領域に、技術的理由により必要とされるか、若しくは美観上の理由により所望される場合に好ましい。この場合、ＳｉＯ2含有接合体は、細孔を全く、又はほとんど含まず、高ケイ酸含量を有する構成部品のものと同様のレベルの高密度を有する。
通常は、ＳｉＯ2含有接合体の表面に近い領域のみを完全にガラス化して透明にすることで十分である。これらは、構成部品の接合表面を互いに接合させ、したがって、このアセンブリの機械的強度、気密性及び粒子の非存在に寄与する。
その熱膨張係数を構成部品アセンブリの構成部品に適合させるためには、ＳｉＯ2含有接合体が、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、ＢＮ、ＨｆＯ2、Ｓｉ、Ｙｂ2Ｏ3及び／又はＳｉＣの形態で、好ましくは、非晶質粒子としてドープ剤を含有するのが有用であることが示された。
ＳｉＯ2含有接合体の熱膨張係数は、上記のドープ剤の１種以上の添加により、接合させる構成部品のものに適合させる。
好ましくは、ドープは、この接合体内での結晶質相の形成が回避されるように行なう。これは、例えば、ドープ剤を接合体のＳｉＯ2の一部分とともに溶融してガラスを形成し、続いてガラスを粉砕してドープされた非晶質ＳｉＯ2粒子を得ることにより達成される。
接合させる構成部品の少なくとも１つが、ドープ剤Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、Ｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2又はＹｂ2Ｏ3の１種以上を含有する高ケイ酸含量を有する材料から成る場合、ＳｉＯ2含有接合体は、好ましくは、１種以上の同じドープ剤を含む。
接合体にドープ剤を添加することは、構成部品にドープすることに相当し、これにより、膨張係数を、接合させる構成部品のものに特に容易に適合させることが可能になる。
本発明による構成部品アセンブリの特に好ましい実施形態は、互いに同軸となるように配列された２つの石英ガラス管の間隙に配置される不透明なＳｉＯ2含有接合体を提供する。
本明細書中で、不透明なＳｉＯ2含有接合体は、石英ガラス管を互いに所定の位置に固定するための機能を果たす一方で、石英ガラス管の一方又は両方の石英ガラス管が透明な場合であっても、管のアセンブリに対して半透明性及び熱放射の遮蔽性に関しては不透明な円筒体の特性を付与する。これは、標準的なサイズの管の熱形成によってのみ得られ、このプロセス中に全部又は大部分の半透明性が失われ得る大きな容積を有する石英ガラス管の場合、特に好都合である。
本発明は、特に、高ケイ酸含量を有する材料で作製される構成部品を物質対物質接合によって接合するためのＳｉＯ2含有接合手段の使用において明らかになる。これは、本発明によれば、５００μｍまでの範囲の粒径であって、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有するＳｉＯ2粒子が最大容積分率を占める非晶質ＳｉＯ2粒子を含むことを特徴とする。
本発明によるＳｉＯ2含有接合手段は、意図される使用前に、粉末状体、ペースト状体又は液状体として提供される。粉末状体、ペースト状体又は液状体を用い、上記の方法に従って乾燥及び固化させることにより非晶質ＳｉＯ2粒子を作製し、それにより、非晶質ＳｉＯ2粒子は、相互作用によって相互安定化の機能を果たし、比較的低温でのこの接合体の固化を容易にし、緻密で亀裂のないＳｉＯ2含有接合体が形成される。
ＳｉＯ2粒子の非晶質構造は高い焼結活性を発揮し、これは、非晶質ＳｉＯ2粒子が１００μｍまでの範囲の粒径を有する場合、さらに増強される。
高頻度で直面する課題は、異なる材料（例えば、ガラス及びセラミック）で作製された構成部品を接合することである。通常、膨張係数がかなり異なるため、熱疲労耐久性は低い。しかしながら、安定な接合部は、接合させる構成部品が異なる材料で作製された場合であっても、構成部品アセンブリの使用温度が低い（例えば、３００℃未満である）ことが確保される限り、本発明による接合手段の使用によって達成され得ることがわかった。ＳｉＯ2接合体の熱膨張係数をドープによって適合させることは、有益な寄与である。
コンポジット構成部品が、例えば、ランプの製造において、セラミックと石英ガラスとから製造される。既知の一実施形態は、石英ガラスで作製されるランプ管であって、その両端が酸化アルミニウム製の末端キャップによって密閉されているものである。このタイプの末端キャップはこれまで、ランプ管の両端に有機系接着剤によって接着されている（接着剤成分の蒸発によりランプ管上に堆積物が形成されることになる）。かかる堆積物は、本発明による接合手段を用いて上記アセンブリを製造することにより回避される。不純物の混入及び粒子の非存在並びに十分な気密性は、十分な密度を有するＳｉＯ2含有接合体によって達成され、この場合、周囲の領域への熱応力の影響を回避するため、レーザーによって表面に近い領域を緻密化するのが好ましい（例えば、酸化アルミニウム末端キャップの領域に配列された熱に敏感な電気部品など）。
コンポジット構成部品は、一般に知られている。本明細書において、石英ガラス製ウエハホルダの形態を有する、半導体の製造における使用のためのセラミックと石英ガラスとで作製された構成部品アセンブリであって、その表面が、セラミック層形成要素によって完全又は部分的にコートされたものの実施形態が提供されている。
半導体産業では、化学的応力に特に曝露される機器及び装置は、セラミック材料、例えば、酸化アルミニウム又は炭化ケイ素（これらはともに、半導体の製造に用いられる大部分のプロセス媒体に関する高いエッチング耐性を特徴とする）で作製される。したがって、本発明によれば、石英ガラスで作製される比較的廉価な基本構成部品がウエハホルダ用に製造され、その表面をセラミック層形成要素に、本発明による接合手段を適用し、上記のＳｉＯ2含有接合体を作製することにより接合させる。石英ガラスで作製される比較的廉価な基本構成部品には、薄くて緻密なセラミック層が設けられ、これは、大きなセラミック体と同じエッチング耐性を示す。３００℃の作業温度を超えなければ、基本構成部品とセラミック層形成部材との間に十分に安定な接合が得られ、それにより、単一のウエハ用途のためのホルダの使用におけるこの前提条件を満たすことが可能になる。
この目的に適したセラミック層形成要素は、セラミック箔の形態で市販されている。
以下に、例示的実施形態及び一式の図面によって本発明をより詳細に説明する。
１．スラリーの調製
均質で安定化されたベーススラリーを調製する。１０ｋｇのベーススラリーのバッチを調製するため、１．８ｋｇの脱イオン水（その導電率は３μＳ未満である）及び８．２ｋｇの非晶質石英ガラス粒状物（天然原料で構成され、２５０μｍ〜６５０μｍの間の範囲の粒径及び９９．９９％のＳｉＯ2含量を有する）を、石英ガラスの内張りをした回転式ドラム粉砕機（約２０リットルの容積を有する）内で混合する。
均質で安定化されたベーススラリーを調製する。１０ｋｇのベーススラリーのバッチを調製するため、１．８ｋｇの脱イオン水（その導電率は３μＳ未満である）及び８．２ｋｇの非晶質石英ガラス粒状物（天然原料で構成され、２５０μｍ〜６５０μｍの間の範囲の粒径及び９９．９９％のＳｉＯ2含量を有する）を、石英ガラスの内張りをした回転式ドラム粉砕機（約２０リットルの容積を有する）内で混合する。
次いで、この混合物を石英ガラス製粉砕用ビーズによって、ローラーブラケットで２３ｒｐｍにて３日間、７８質量％の固形分を有する均質で安定化されたベーススラリーが得られるまで粉砕する。粉砕プロセス中、ＳｉＯ2の溶解によりｐＨが約４の値まで低下する。
石英ガラス粒状物の湿式粉砕後に得られたベーススラリー中の非晶質ＳｉＯ2粒子は、約５μｍのＤ50値及び約２３μｍのＤ90値を特徴とする粒径分布を有する。
次いで、このようにして得られたベーススラリーに、約５μｍの平均粒径を有するさらなる非晶質ＳｉＯ2粒状物を、固形分が８７質量％になるまで添加する。次いで、この混合物を回転式ドラム粉砕機内で１２時間２５ｒｐｍにて均質化する。このようにして得られたスラリーは、８７質量％の固形分及びほぼ２．０ｇ／ｃｍ3の密度を有する。
このベーススラリーを、この状態で接着接合の製造に使用する。以下に、これをより詳細に記載するものとする。
２．スラリーを用いた接着接合の作製
図１は、概略説明において、石英ガラスで作製されたいわゆる「ツイン管」を示す。このツイン管は、クラッド管から成り、その断面は８の字形状であり、中央フィン２によって２つの小区画３，４に分けられている。小区画３，４は各々、１つの加熱スパイラルを受容する機能を果たし、それにより、クラッド管１からその両端のクリンプを介して電気的接続が誘導される（図１には図示せず）。ツイン管９の光放射の主方向は、図示した実施形態において矢印５の方向によって記号により示された下向きである。光放射５の主方向から逸れるツイン管９の上側６には、石英ガラス製冷却管８（その縦軸は、ツイン管９の縦軸と平行に延在する）と接合されることが意図される。
図１は、概略説明において、石英ガラスで作製されたいわゆる「ツイン管」を示す。このツイン管は、クラッド管から成り、その断面は８の字形状であり、中央フィン２によって２つの小区画３，４に分けられている。小区画３，４は各々、１つの加熱スパイラルを受容する機能を果たし、それにより、クラッド管１からその両端のクリンプを介して電気的接続が誘導される（図１には図示せず）。ツイン管９の光放射の主方向は、図示した実施形態において矢印５の方向によって記号により示された下向きである。光放射５の主方向から逸れるツイン管９の上側６には、石英ガラス製冷却管８（その縦軸は、ツイン管９の縦軸と平行に延在する）と接合されることが意図される。
この目的のため、冷却管８及びツイン管９の表面をアルコールで清浄し、次いで、他の表面汚染物質（特に、アルカリ化合物及びアルカリ土類化合物によるもの）を除去するために３０％フッ化水素酸で清浄する。
続いて、上記のスラリー体をツイン管９の２つの半管の間の溝内に導入し、次いで、冷却管８がトラフ内に導入されるように、冷却管８をこれに圧接させ、それにより少量のスラリー体が上方向に押し出される。したがって、接触表面に沿ってスラリー堆積物１０が形成される。接触表面間の接合体７は数十分の１ミリメートルの厚さである。
この準備により、約６時間、空気雰囲気中に静置(rest)することが可能になり、この間、スラリー層７がゆっくり乾燥される。完全な乾燥は、空気雰囲気中でのＩＲ放射の使用によって達成される。乾燥後、接合体７は、接触表面の領域において亀裂がなく、約０．４ｍｍの厚さであり、トラフ及びスラリー堆積物１０の領域よりもいくぶん厚い。
次いで、乾燥された接合体７を空気雰囲気の焼結炉内でガラス化する。ガラス化のための加熱プロフィールは加熱ランプを含み、この間、接合体７は室温から１，３００℃の温度まで２時間にわたって加熱される。次いで、接合体７をこの加熱温度に２時間維持する。この処理後、接合体７は完全に焼結され、光学的に不透明であり、約２．１２ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
次いで、このようにして作製されたアセンブリを、まだ熱い状態で焼結炉内から取り出し、焼結されたスラリー堆積物１０周辺の領域を、酸水素ガスバーナーによってガラス化する。この目的のため、酸水素ガスバーナーを、焼結されたスラリー堆積物１０の自由表面に沿って移動させ、この堆積物が完全に透明になるまで加熱する。焼結された接合体７の残りの領域（冷却管８とツイン管９との間）は不透明のままであり、その結果、平均比密度は有意に変化しない。
続いて、冷却管８及びツイン管９のまだ熱いアセンブリを焼結炉内に配置し、その内部で、これをさらに１，１００℃の温度まで加熱し、ゆっくりと放冷する。第１の冷却ランプは、５℃／分の冷却速度を有し、１，０５０℃の炉温度で終了させ、第２の冷却ランプは、１０℃／分の冷却速度を有し、９５０℃の炉温度で終了させる。さらなる冷却を、密閉炉の内部で制御なしで進行させる。比較的低速の冷却により、構成部品アセンブリが焼きなましされ、その結果、既存の機械的歪みが低減又は除去され、冷却による歪みの形成が回避される。
ツイン管９及び石英ガラス製冷却管８から成る構成部品アセンブリは、１，０００℃より上の作業温度であっても機械的に安定であり、高い熱疲労耐久性を特徴とする。
図２ｂは、概略説明において、１ｍｍの厚さを有するＳｉＯ2含有不透明中間層２３によって互いに接合される下部石英ガラスプレート２２及び上部石英ガラスプレート２１を備えるコンポジット体を示す。プレートは各々、２ｍｍの厚さであり、１辺の長さ２００ｍｍの正方形の形状である。
不透明中間層２３は、例えば、熱放射の伝導バリアとしての機能を果たす。高温用途における石英ガラス製構成部品（例えば、フランジなど）は、多くの場合、熱放射を遮断するために完全又は部分的に不透明な石英ガラスで作製される。清浄の目的のため、構成部品は、通常、フッ化水素酸含有化学薬品を用いてエッチングされる。しかしながら、不透明な石英ガラスはエッチング耐性が低く、その結果、かかる不透明な石英ガラス構成部品の耐用年数は比較的少ない清浄サイクル後に終了する。この理由のため、透明な石英ガラスを構成部品の不透明な表面領域上に溶融させる。これは構成部品の変形を引き起こす傾向にある高温プロセスであり、その結果、費用のかかる後処理が必要とされる。
図２ｂに概略的に図示した本発明によるコンポジット体２０は、両面が透明な石英ガラスで被覆されたこのタイプのかかる不透明な構成部品を示す。これは、今まで作製するのに費用の掛かるこのタイプの構成部品に取って代わるように適合されており、それによって、透明層２１，２２は、厚い層にも容易に適用され得る。
コンポジット体２０を作製するため、まずプレート２１，２２を実施例１に記載されるように脱脂及び清浄する。続いて、上記のスラリーを、下部石英ガラスプレート２２の上側及び上部石英ガラスプレート２１の下側に、各々、約０．８ｍｍ厚さの１層のスラリー層２４，２５の形態で噴霧することによって塗布し、それにより、低粘度のスラリーを噴霧ノズルを用いて噴霧する。噴霧プロセスは、図２ａに概略的に図示するように、ほぼ均一な被覆が達成されたらすぐに終結させる。
その直後、上部プレート２１を下部プレート２２上に置き、それにより、２つのプレート２１，２２の互いに対する固定が達成される。この準備により、約６時間、空気雰囲気中に静置することが可能になり、この間、スラリー層２４，２５がゆっくり乾燥される。完全な乾燥は、空気雰囲気中でのＩＲ放射の使用によって達成される。乾燥後、スラリー層２４，２５は、亀裂がなく、最大で約１．４ｍｍの厚さである。
スラリー層の乾燥後、コンポジット体２０を空気雰囲気下の焼結炉内で焼結させる。焼結のための加熱プロフィールは加熱ランプを含み、この間、スラリー層は室温から１，２５０℃の温度まで１時間にわたって加熱される。次いで、コンポジット体２０をこの加熱温度に２時間維持する。このようにして、スラリー層は、焼結されているが、なお不透明な中間層２３を生成し、この層は２つの石英ガラスプレート２１，２２を堅固に接合し、石英ガラスプレート２１，２２に関して一般的な材料から成り、約２．１０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
次いで、このようにして作製されたコンポジット体２０を、実施例１に上記されるように焼結路内でゆっくりと冷却させる。
このようにして作製されたプレート形状のコンポジット体２０は不透明であり、５ｍｍ厚である。これは３つの層２１，２２，２３から成り、中間層２３は約１ｍｍ厚であり、不透明性を担い、その両側は、各々の厚さが２ｍｍである緻密で気密性の透明な石英ガラスで作製された層２１，２２で被覆されており、高いエッチング耐性を特徴とする。また、コンポジット体２０は、熱的に安定性であり、１，０００℃より上の作業温度であっても高い熱疲労耐久性を特徴とし、粒子に関して全く何の問題ももたらさない。
上記の方法は、完全に透明な石英ガラスから成るコンポジット体の製造にも十分適する。この目的のため、必要なのは、中間層２３を焼結させるのではなく完全にガラス化することだけである。この目的のため、コンポジット体を、スラリー層の乾燥後、空気雰囲気下にてガラス化炉内でガラス化させる。ガラス化のための加熱プロフィールは加熱ランプを含み、この間、スラリー層は室温から１，４００℃の温度まで４時間にわたって加熱される。次いで、コンポジット体をこの加熱温度に２時間維持する。このように、スラリー層は、一般的な材料の焼結された透明な中間層を生成し、この層は２つの石英ガラスプレートを堅固に接合し、約２．２ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。このようにして、石英ガラスプレートの厚さを増大させることだけでなく、石英ガラスブロックを構築することが可能になる。
本発明によるコンポジット構成部品のさらなる実施形態を図３〜図１０に概略的に示す。ここで、それぞれの場合において、構成部品を互いに接合させるため、図１及び図２に詳細に示したＳｉＯ2スラリーを用いる接合手法を用いる。
図３は、半導体の製造においてエッチング又はＣＶＤプロセスを行なうために用いられるドーム形状の反応器シェル３０を示す。反応器シェル３０は、透明な石英ガラスから作製された管形状の側面部３１から構成され、その上側はガス気密的様式で、ドーム形状の被覆部材３２（これもまた、透明石英ガラスで作製されている）によって密閉されており、その下側には、不透明な石英ガラスで作製されたフランジ３３が設けられている。被覆部材３２及びフランジ３３は、上記のスラリーを用いた接合部によって側面部３１に固定されており、その後、バーナーによってガラス化させる。側面部３１と被覆部材３２との間の接合部は、突き合わせシーム融着３４の形態で提供される。フランジ３３と側面部３１との間の接合部は、フランジ３３と側面部３１との間の環状の間隙を密閉するための領域３６を含み、この領域３６は、前面の深さ約１００μｍの領域で完全にガラス化されており、その他の部分は不透明で、機械的安定性のための隅肉融着部３５である。シーム接合部は各々、純粋なＳｉＯ2、つまり反応器シェル構成部品に関して一般的である材料から成り、約２．２０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
任意の形状及びサイズの石英ガラス容器を、同様にして、単純なプレート形状、リング形状及び円形状の個々の構成部品で組み立てることができる。適切な例としては、石英ガラスで作製されるキュベット又はエッチング剤の受容のためのタンクが挙げられる。
図４は、模式的に、いくつかの個々の構成部品から本発明による方法によってウエハキャリアを組み立てるための手順工程を示す。ウエハキャリアは、透明な石英ガラスで作製され、且つ互いに対向して配列されるサイドフランジ４２（サイドフランジの１つを図４に示す）から構成され、これらはフィン４１によって接合されている。フィン４１はウエハを支持する機能を果たし、この目的のため、横向きのスリット４３が設けられており、サイドフランジ４２に対して、ＳｉＯ2含有接合体を用いる本発明の方法によって接合されている。この目的のため、サイドフランジには円形の口径の孔４４が設けられており、その内部には、フィン４１を挿入する前に、上記のスラリーの形態の接合体４５が充填される。次いで、このようにして作製された接合部位を乾燥させ、続いて透明になるまでバーナー火炎によってガラス化し、その結果、このようにして得られる接合部位は、ウエハキャリアに関して一般的である材料から成り、約２．２０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
図５ａは、３０ｍｍの厚さを有し、且つ個々の部品５１，５２で組み立てられた透明な石英ガラスプレート５０の断面を示す。個々の部品５１，５２は、透明な石英ガラスで作製された突き合わせシーム部５３によって互いに接合されている。突き合わせシーム部５３は、石英ガラスプレート５１，５２を互いに約１．５ｍｍの間隙が残るように突き合わせ方式で固定し、次いで、間隙内にＳｉＯ2スラリーを充填することにより作製される。スラリーを５時間空気雰囲気中で乾燥させ（図１に記載されるように）、次いで、酸水素バーナー火炎によってガラス化する。続いて、このようにして得られたアセンブリの上側を磨砕及び研磨して平らにし、その結果、光学的に均質な石英ガラスプレート５０が得られる。シーム接合は各々、純粋なＳｉＯ2、つまり個々の部品５１，５２に関して一般的である材料から成り、約２．２０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
このようにして、加熱成形プロセスに頼ることなく、大きな表面積を有する石英ガラスプレートを作製することが可能である。
図５ｂは、突き合わせ方式で互いに配置し、より小さいプレート部材５４，５５を固定することによる、大きな表面積を有する石英ガラスプレートの製造のための別の接合技術を示す。このプロセスでは、プレート部材５４，５５に各々、斜面端５６が設けられている。両斜面を、図５ｂに示すように互いに所定の位置に固定し、間隙内にＳｉＯ2スラリーを充填する。図５ａの手段によって上記のようにしてスラリーを乾燥及びガラス化した後、この接合部位のサイズ及び配列のために曲げ応力に対して特に耐久性である透明な石英ガラスプレートが得られる。
図６は、模式的に、プレート形状及び管形状の個々の構成部品から構成される軽量の反射鏡キャリア６０の形態の構成部品アセンブリを示す。このタイプの反射鏡キャリアは、例えば、望遠鏡に用いられる。その軽量設計の他、温度変化の際の寸法安定性が、特に注目されている。その低い熱膨張係数のため、石英ガラスは、反射鏡キャリアを提供するのによく適している。軽量は、石英ガラスで作製された単純で軽量の機械加工部品で反射鏡キャリアを組み立てることにより達成される。しかしながら、石英ガラスで作製された機械加工部品を互いに融着すると、反射鏡キャリアの変形が引き起こされる。石英ガラスで作製された機械加工部品を最新技術の手法により接着剤で互いに貼り合わせる場合、接着剤と石英ガラスの熱膨張係数の差が適合しないことにより、作業中に変形がもたらされる。
本発明による方法は、石英ガラスで作製された機械加工部品で作製された軽量の反射鏡キャリアの製造のための接着剤による貼り付け手法を初めて提供し、それにより、このキャリアは、接着剤が機械加工部品である石英ガラスに関して一般的なものであるため、温度の変動時に変形のリスクを伴わない。
図６は、模式的に、フィン６５及びリング部材６６によって互いに接合されたプレート部材６１〜６４で作製された反射鏡キャリア６０を示す。接合は、それぞれの機械加工部品間の隅肉融着６７（そのうちの少数のみを模式的に示す）によってもたらされる。上記の本発明による方法は、隅肉融着部を作製するために使用される。隅肉融着部６７は、変形を回避するため、できるだけ低い温度で焼結される。これらは不透明であり、各々、純粋なＳｉＯ2、つまりプレート部材６１〜６４に関して一般的である材料から成り、約２．１０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
実験室用デバイス７０の形態で提供される本発明による構成部品アセンブリの図７による実施形態では、円錐状すり合わせ部を有するすり合わせ部品７１をまず作製し、次いで、軸受筒形状のシャフト７２に、円環状隅肉融着部７３の形態で提供されるＳｉＯ2含有接合体を用いる接合によって接合する。
円環状隅肉融着部７３は、純粋なＳｉＯ2、つまりすり合わせ部品７１及びシャフト７２に関して一般的である材料から成り、約２．２０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
同一又は同様の様式で、石英ガラスで作製される他の実験室用デバイスを、単純な個々の構成部品から組み立てることができる。
図８は、互いに同軸配列であり、石英ガラスリング８３上に固定された石英ガラス管８１，８２の形態の本発明による構成部品アセンブリ８０の一部の側面図を示す。
石英ガラス管８１，８２は互いに、本発明によるＳｉＯ2含有接合体８４によって接合されていると同時に、石英ガラスリング８３の環状溝内に固定されている。
この固定体は不透明であり、ＳｉＯ2から成る。したがって、これは、石英ガラス管８１及び８２に関して一般的であり、約２．１０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
同一又は同様の様式で、例えば、石英ガラスで作製された化学装置の製造又は火炎加水分解バーナーの製造のための石英ガラス管の同軸状の構成が製造され、ここで、石英ガラスリング８３を省くことも可能である。
図９は、模式的に、光ファイバーの製造のための予備形成体９０を示し、その複数のゾーンは炉９１内で軟化され、それによりストランド９２に延在する。予備形成体のブラケットとして、石英ガラスで作製された保持シリンダー９３が提供され、これは、突き合わせ方式で予備形成体９０の上面端に接合されている。本発明による接合手段を用いてこの接合部を作製し、ここで、全周隅肉融着が保持シリンダー９３の内部上、及び外側ジャケット上に提供され、一部不透明で一部透明な石英ガラスで作製された全周外側堆積物９５が提供され、これは隣接部位を覆う。隅肉融着部９４及び外側堆積物９５は、バーナー火炎によってＳｉＯ2スラリー層を焼結及びガラス化することにより作製され、ここで、スラリー層の外側領域のみが完全にガラス化される。したがって、このアセンブリは、溶融による保持シリンダーの接着と比べて比較的小さい温度歪みに曝露され、予備形成体９０に対する影響がほとんどない。隅肉融着９４及び外側堆積物９５は各々、純粋なＳｉＯ2、つまり予備形成体９０に関して一般的である材料から成り、約２．１５ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
これに関し、本発明による構成部品アセンブリの別の例は、半カップ、例えば長さ方向に切断して作製した半管などの形状の本体の接合である。
図１０は、ともに透明な石英ガラスから成る内側管１０１及び外側管１０２を備える不透明な石英ガラス管１００の放射断面を示す。内側管１０１は５０ｍｍの内径及び５４ｍｍの外径を有する。外側管１０２は、６０ｍｍの内径及び６５ｍｍの外径を有する。石英ガラス管１０１，１０２間にできる３ｍｍの間隙幅を有する間隙に本発明による不透明なＳｉＯ2含有接合体１０３を充填し、これは、一方において、石英ガラス管１０１，１０２を互いに接合する目的に役立ち、他方において、管アセンブリ１００に不透明さを付与する目的に役立ち、熱放射を遮断する機能を果たす。
ＳｉＯ2含有接合体１０３は、純粋なＳｉＯ2、つまり石英ガラス管１０１，１０２に関して一般的である材料から成り、約２．１０ｇ／ｃｍ3の平均比密度を有する。
上記の本発明による構成部品アセンブリの実施形態において、個々の構成部品は非ドープ石英ガラスから成る。したがって、対応する接合部をもたらすために用いるＳｉＯ2含有接合体も、このような場合において、理想的には非ドープ石英ガラスから成るものである。石英ガラスの熱膨張係数に対して効果を有する構成部品の石英ガラス中に１種類又は多種類のドープ剤が存在する場合、ＳｉＯ2含有接合体は、その熱膨張係数及びその温度依存性が構成部品のものと同じとなるように選択され、構成部品のドープが異なる場合では、好ましくは対応する膨張係数の間である。
構成部品の接合表面間又はその上面へのスラリーの塗布は、スラリーの流動性の影響を受ける。大きな表面積への均一な層の塗布は、いわゆるダイラタンシー効果（ケルビン効果）により容易になるが、それ以外の場合は、いわゆる固有粘度又はチクソトロピーがむしろ所望される。固有粘度又はチクソトロピーと呼ばれるスラリー特性は、スラリーの粘度が剪断速度（例えば、攪拌中）に依存して低下することで明白である。これは、剪断力の作用による非晶質ＳｉＯ2粒子間の相互作用の減衰と関連する。剪断力の排除後（構成部品の接合表面と接触しているスラリー体の静止時）、これらの相互作用は、再度強化され、スラリー体の非晶質ＳｉＯ2粒子間に物理的又は化学的結合の形成がもたらされる。スラリーの固有粘度は、より粗いＳｉＯ2粒子を添加することにより増加し得る。
図１１は、日焼け用装置の分野に用いられるか、又は表面若しくは液状物の消毒のためのＵＶ放電ランプ１１１の模式図を示す。放電ランプ１１１は、本質的に、石英ガラスで作製された管形状の透明な放電管１１２から成り、その前面端は酸化アルミニウム製のキャップ１１６によって密閉されている。電極への電気的接続部１１３は、放電管１１２内部に配列されており、キャップ１１６の一方を介して誘導されている。
酸化アルミニウムのキャップ１１６は、本発明による接合手段を用いて接着剤で貼り付けられる。この目的のため、互いに接着剤で貼り付けられる放電管１１２及びキャップ１１６の表面をアルコールで清浄する。続いて、上記のスラリー体を放電管１１２の前面端に塗布し、次いで、キャップ１１６を押し込み、それにより、少量のスラリー体が放電管１１２のジャケット表面とキャップ１１６との間の隙間から押し出され、したがって、円環状スラリーリム１１５が形成される。
このようにして作製されたアセンブリを約６時間空気に曝し、それにより、スラリー層もゆっくり乾燥される。アセンブリは、空気に曝した状態で完全に乾燥される。乾燥後、接合体には亀裂がない。続いて、乾燥された接合体を、空気に曝した状態でガラス化する。この方法では、キャップ１１６及び放電管１１２内部の熱に敏感な電気部品が２００℃を超える温度まで加熱されないことを確保する。これは、局所にのみ作用するＣＯ２レーザーをスラリーリム１１５上に短時間、レーザーをスラリーリム１１５の自由表面に沿って移動させ、大部分が透明になり、約２．１５ｇ／ｃｍ3の平均比密度が達成されるまで加熱することによる使用によって達成される。キャップ１１６と放電管１１２との間に残留する接合体は不透明のままであり、その結果、平均比密度は、乾燥された接合体のものと比べて有意に変化しない。
放電管１１２及び酸化アルミニウムキャップ１１６のアセンブリは、機械的に安定でガス気密性であり、粒子の非存在を特徴とする。しかしながら、作業温度は２００℃未満の温度に制限される。
図１２は、８インチウエハを加工処理するための石英ガラスで作製された単一のウエハホルダ１２０の模式図を示す。ホルダ１２０は、２５６ｍｍの外径及び１９６ｍｍの内径を有し、ウエハを収容するための円環状凹部が設けられたリングを本質的に形成する。
これは、石英ガラスプレート１２２から作製されたコンポジット体及び一般に市販されているＡｌ2Ｏ3製で深絞りによって製造されるセラミック箔１２４から成る。石英ガラスプレートは、１２ｍｍの厚さであり、Ａｌ2Ｏ3箔１２４は約１ｍｍの厚さである。これらの構成部品１２２，１２４は、０．４ｍｍの厚さの不透明なＳｉＯ2含有中間層によって互いに接合され、本発明による接合手段に基づいて以下のようにして製造される。
石英ガラスプレート１２２をまず脱脂し、次いでＨＦ含有エッチング溶液中で清浄する。続いて、上記のスラリーの形態で提供される本発明による接合手段を石英ガラスプレート１２２の上面側に、０．８ｍｍの厚さを有するスラリー層１２３の形態で噴霧によって塗布し、ここで、易流動性のスラリーがスプレーノズルによって噴霧される。ほぼ均一なコーティングがいったん得られたら、この噴霧プロセスを終了する。
その直後、次いで、Ａｌ2Ｏ3箔１２４を上面に配置し、これは、構成部品１２２，１２４を互いに固定する効果を有する。この構成を空気に約６時間曝し、それにより、スラリー層１２３もゆっくり乾燥される。完全な乾燥は、焼結炉中で空気に曝した状態で約２００℃の温度で達成される。乾燥されたスラリー層１２３には亀裂がない。
Ａｌ2Ｏ3箔によって被覆されているため、このようにして製造されるウエハホルダは、非常に高いエッチング耐性（例えば、フッ素含有処理媒体に対して）を特徴とし、粒子に関する問題を生じない。その使用温度が２００℃未満であれば、その温度疲労耐久性は十分であり、これは、単一のウエハ加工処理のためのホルダ１２０の用途において容易に提供される。
以下は、図の概略的な説明である。
縦側で互いに接合された石英ガラス管の形態の本発明による構成部品アセンブリの一実施形態を示す図である。
本発明による方法に従う２つの石英ガラスプレートのアセンブリを示す図である。
図２ａに示す手順工程によって得られ、平坦面で互いの上面に配置された２つの石英ガラスプレートの形態である構成部品アセンブリを示す図である。
個々の部品から組み立てられたドーム形状の反応器シェルの形態の本発明による構成部品アセンブリの別の実施形態を示す図である。
本発明による方法によって、いくつかの個々の部品を組み立ててウエハキャリアを形成するための手順工程を示す図である。
突き合わせ方式で互いに接合された石英ガラスプレートの形態の本発明による構成部品アセンブリの一実施形態を示す図である。
突き合わせ方式で互いに接合された石英ガラスプレートの別の実施形態を示す図である。
プレート形状及び管形状の個々の部材で構成され、軽量の反射鏡キャリアの形態の構成部品の上面図を示す図である。
円錐状すり合わせ部を有し、個々の部材で組み立てられた実験室用装置の側面図を示す図である。
相互に同軸配列であり、石英ガラスリング上の所定の位置に固定された石英ガラス管の形態である本発明による構成部品アセンブリの一部の側面図を示す図である。
石英ガラスで作製されたホルダが光ファイバー用の予備形成体に接合された本発明による構成部品アセンブリの別の実施形態を示す図である。
不透明な管の形態の本発明による構成部品アセンブリの別の実施形態の放射状断面を示す図である。
ＵＶ放電ランプの形態の構成部品アセンブリの一実施形態を示す図である。
単一のウエハホルダの形態の構成部品アセンブリの一実施形態を示す図である。
Claims (18)
- 石英ガラスで作製された構成部品の接合表面の間に形成され且つ石英ガラスの一般的な化学組成を有するＳｉＯ2含有接合体を用いた物質対物質接合によって該構成部品を接合する方法であって、該ＳｉＯ2含有接合体の形成が、以下の手順工程を含むことを特徴とする石英ガラスで作製された構成部品の接合方法。
（ａ）非晶質ＳｉＯ2出発粒状物を湿式粉砕することを含む、非晶質ＳｉＯ2粒子を含有する水性スラリーを提供することであって、該非晶質ＳｉＯ 2 粒子のＳｉＯ 2 含量が少なくとも９９．９質量％であり、該非晶質ＳｉＯ 2 粒子の粒径が５００μｍまでの範囲であり、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有する非晶質ＳｉＯ 2 粒子が容積の大部分を占める、
（ｂ）互いに所定の位置に固定された該接合表面の間にスラリー体を形成すること、
（ｃ）該スラリー体を乾燥させること、及び
（ｄ）加熱によって該スラリー体を固化させて、該ＳｉＯ2含有接合体を形成することであって、該接合体のＳｉＯ2含量は、接合させる該石英ガラス構成部品のＳｉＯ2含量と最大で３質量％異なる - 前記非晶質ＳｉＯ2粒子の粒径が１００μｍまでの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記接合表面間の前記スラリー体の形成中の前記スラリーの固形分が少なくとも６５質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
- 前記スラリーが３〜５．５の間の範囲のｐＨ値に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 互いに所定の位置に固定された前記接合表面の間での前記スラリー体の形成と、前記スラリー体の乾燥との間の曝露時間を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記固化が、前記スラリー体を焼結させて、少なくとも部分的に不透明な固化接合体を形成させることを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼結が、８００℃〜１，４５０℃の間の範囲の温度でのスラリー体の温度処理を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 前記固化が、前記スラリー体をガラス化して、少なくとも部分的に透明な固化ＳｉＯ2含有接合体を形成させることを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ガラス化が、最大加熱効果を前記スラリー体に局所的に限定することができる熱源の使用により行なわれることを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 前記スラリーが、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、ＢＮ、ＨｆＯ2、Ｓｉ、Ｙｂ2Ｏ3及び／又はＳｉＣの形態の１種以上のドープ剤を含有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
- 接合させる前記構成部品の少なくとも１つがドープ剤を含有し、且つ前記水性スラリーが、該材料で作製された粒子をドープ剤として含有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
- 石英ガラスで作製され、非晶質であり且つ石英ガラスの一般的な化学組成を有するＳｉＯ2含有接合体によって互いに接合される少なくとも２つの構成部品を備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法を行うことにより得られる構成部品アセンブリであって、該ＳｉＯ2含有接合体のＳｉＯ2含量が少なくとも９９．９質量％であり、該ＳｉＯ2含有接合体のＳｉＯ2含量が、接合させる前記石英ガラス構成部品の各々のＳｉＯ2含量と最大で３質量％異なり、該ＳｉＯ2含有接合体が、少なくとも部分的に不透明であり、且つ５００μｍまでの範囲の粒径であって、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有するＳｉＯ2粒子が該接合体の容積の大部分を占める非晶質な焼結又はガラス化ＳｉＯ2粒子から製造されることを特徴とする構成部品アセンブリ。
- 前記ＳｉＯ2含有接合体の比密度が、少なくとも２．０ｇ／ｃｍ 3 であることを特徴とする請求項１２に記載の構成部品アセンブリ。
- 前記ＳｉＯ2含有接合体が、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、ＢＮ、ＨｆＯ2、Ｓｉ、Ｙｂ2Ｏ3及び／又はＳｉＣの形態のドープ剤を含有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の構成部品アセンブリ。
- 前記構成部品の１つが、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、ＢＮ、ＨｆＯ2、Ｓｉ、Ｙｂ2Ｏ3及び／又はＳｉＣの１種以上のドープ剤を含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の構成部品アセンブリ。
- 不透明なＳｉＯ2含有接合体が、互いに同軸配列である２つの石英ガラス管の隙間に作製されていることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の構成部品アセンブリ。
- ５００μｍまでの範囲の粒径であり、１μｍ〜５０μｍの間の範囲の粒径を有する非晶質ＳｉＯ2粒子が容積の大部分を占める非晶質ＳｉＯ2粒子を含む粉末状体、ペースト状体又は液状体の使用であって、物質対物質接合によって石英ガラス構成部品を接合するのに、ＳｉＯ2含量が少なくとも９９．９質量％であり且つ接合させる該石英ガラス構成部品のＳｉＯ 2 含量と最大で３質量％異なるＳｉＯ2含有接合体を提供するための使用。
- 前記非晶質ＳｉＯ2粒子が１００μｍまでの範囲の粒径を含むことを特徴とする請求項１７に記載の使用。
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