專利名稱：由合成石英玻璃制備半成品的方法
由合成石英玻璃制備半成品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過軟化的Si02料塊(Si02 mass)在熔體才莫具(melt mold )中的塑性變形由合成石英玻璃制備半成品的方法。
用于半導(dǎo)體制備的部件、光學(xué)部件或者用于通訊用光纖的預(yù)制體 是由由合成石英玻璃組成的半成品制備。
合成石英玻璃通常通過采用沉積燃燒器(deposition burner)對含 娃原料化合物進(jìn)行火焰水解或氧化(flame hydrolysis or oxidation )來制 備的。已經(jīng)確立的用于制備合成石英玻璃的原料物質(zhì)是四氯化硅 (SiCl4)。但是，許多可以由其通過水解或氧化制備Si02的其它硅有 機(jī)化合物是公知的。例如，在此應(yīng)該提到的有含氯的或者不含氯的硅 烷、硅氮烷或者聚硅氧烷。
已知的制備方法是VAD方法(氣相軸向沉積)、OVD方法(外側(cè) 氣相沉積)或者等離子體輔助沉積方法，比如POD方法(等離子體外 側(cè)沉積)。其它方法采用模具，于其中通過Si02顆粒的垂直沉積和直接 玻璃化來從下到上構(gòu)建石英玻璃體。在所有這些程序中，Sl02顆粒通 過一個或多個沉積燃燒器制備，并成層沉積在相對于燃燒器火焰移動
的載體上。在載體表面的面積中在適當(dāng)?shù)母邷叵?，Sl02顆粒直接玻璃
化("直接玻璃化")。比較而言，在所謂的"煙灰方法(soot method)"
中，在Sl02顆粒的沉積過程中溫度如此之低使得獲得的是多孔Sl02煙
灰體，所述多孔Si02煙灰體在另外的方法步驟中燒結(jié)成透明石英玻璃。 最后，直接玻璃化和煙灰方法都得到致密的、透明的高純度合成石英 玻璃。本發(fā)明涉及經(jīng)由煙灰體(soot body)的中間階段來制備合成玻璃。
煙灰體是根據(jù)上述方法獲得的中空柱體(或者多孔Sl02煙灰的實(shí)
心柱體)。原則上，煙灰體具有源自制備過程的高含量鞋基(OH基團(tuán))。 這些對最終石英玻璃的透光性、石英玻璃的粘度以及對短波UV輻射 的抗性具有影響。因此，在合成石英玻璃的制備中通常關(guān)注對預(yù)定含 量羥基的觀察，已經(jīng)提出了多種方法來最小化煙灰體中的羥基含量或 者將其設(shè)為預(yù)定值。例如，多孔煙灰體在含氯氣氛中在大約IOO(TC的 高溫進(jìn)行脫水處理，這導(dǎo)致OH基團(tuán)由氯取代。
4由透明石英玻璃組成的物體是通過由預(yù)處理過的煙灰體燒結(jié)(= 玻璃化)制備的。原則上，已經(jīng)以另一方式干燥或預(yù)處理過的煙灰體 為此目的引入到容易抽空的玻璃化爐子中并在其中燒結(jié)，形成透明的 石英玻璃體，所述玻璃體隨后通過機(jī)械成形或熱變形制成預(yù)定的最終 形狀的半成 品。
熱變形通常伴隨著用于減少條紋(striae)和層的均化措施。例如， DE4204406A1公開了多步驟變形方法，其中將扭曲的石英玻璃棒引入 到石墨鑄型中用于消除軸向?qū)咏Y(jié)構(gòu)，所述鑄型的形狀為倒"T"形，具 有垂直趨向的供料噴嘴，所述噴嘴在其底端在兩側(cè)分支成為水平取向 的、方形橫截面的管狀流出模。扭曲棒在供料噴嘴中軟化，由此在其 自身重量下坍塌到所述水平的流出模中，以使其形成為方形橫截面的
通過圍繞所述縱軸扭轉(zhuǎn)而容易地去除。
DE10041467C1才是出，煙灰體的脫水處理和玻璃化應(yīng)該在分型爐 (joint furnace)中進(jìn)行，而且在煙灰體的玻璃化過程中半成品的最終 形式應(yīng)該同時通過塑性成形來固定。在一個實(shí)施方案中，采用可透氣 體的石墨模具，其包括上部分，所述上部分具有和煙灰體外徑相適應(yīng) 的寬橫截面的容納機(jī)構(gòu)，該上部分經(jīng)由隧道狀過渡通入到更窄橫截面 的下部分中。石墨模具的下部分和待制備的半成品石英玻璃制品的外 徑相適應(yīng)并限定其最終形狀。待玻璃化的煙灰體被插入石墨模具的容 納部分，首先保持在爐子的上面較冷部分中，并在該處和氯氣相互作 用。在氯處理過程中盛行的溫度是大約950°C。在該過程步驟之后，煙 灰體和石墨模具一起下降到具有升高的溫度(大約1350°C)的爐子區(qū) 域中，在氦氣氣氛中預(yù)燒結(jié)大約12小時。在預(yù)燒結(jié)過程中，觀察到煙 灰體發(fā)生一定體積的收縮。煙灰體隨后在大約175(TC的溫度玻璃化， 原因在于石墨模具(包括預(yù)燒結(jié)的煙灰體)進(jìn)一步朝向具有更高溫度 的爐子部分中下降。在該位置停留8小時后，預(yù)燒結(jié)的煙灰體軟化至 一定的程度，以使其在其自身重量下流動通過隧道形狀的過渡階段進(jìn) 入模具的下部分中。這種緩慢的流出可以通過從上面施加壓力來促進(jìn)。 在冷卻之后，石墨模具打開，取出石英玻璃模制品，所述制品無需進(jìn) 一步精加工就可以用作塊狀半成品，用于制備光學(xué)元件或半導(dǎo)體用的 石英玻璃部件。但是，當(dāng)粘性Sl02料塊流到石墨模具的下部分中時，可能出現(xiàn)無 法預(yù)見的氣泡夾雜物或位錯，所述氣泡夾雜物或位錯以條紋或者氣泡
窩(bubble nest)的形式被觀察到。這類熔融缺陷損害了最終產(chǎn)品的質(zhì) 量。例如，氣泡降低了石英玻璃部件對蝕刻過程的抵抗力，而蝕刻過 程是半導(dǎo)體生產(chǎn)中常見的。這類熔融缺陷使得半成品不能使用，并且 必須以4艮麻煩的方式去除。
所以，本發(fā)明的目標(biāo)是改善已知方法以使熔融缺陷(fusion defect) 被盡可能地避免并且以高的、可再現(xiàn)的質(zhì)量獲得半成品石莢玻璃制品。
從上述類型的方法開始，這一目標(biāo)通過包括下列步驟的方法根據(jù) 本發(fā)明得以實(shí)現(xiàn)
(a) 提供多孔Si02煙灰體(2),
(b) 在熔體模具(1)中于燒結(jié)溫度在燒結(jié)期間分區(qū)燒結(jié)Sl02煙
灰體(2),形成完全燒結(jié)的透明石英玻璃體(5),并隨后直接
(c) 通過在熔體模具(1 )中軟化而使所述燒結(jié)的石英玻璃體(5) 成形，形成完全或部分填充熔體模具(1)的體積的粘性石英玻璃料塊
(8),和
(d) 冷卻所述石英玻璃料塊(8)和從所述熔體模具(1)中取出 所述料塊，形成半成品(6)。
和上述已知方法類似，本發(fā)明的方法起始于煙灰體，所述煙灰體 在干燥后在熔體才莫具中在一個結(jié)合操作(joint operation)中燒結(jié)，并 無需任何基本性中間冷卻成形為半成品。這縮短了過程時間，節(jié)省了 能量。但是，和現(xiàn)有技術(shù)不同，在本發(fā)明方法中成形過程不和Sl02煙 灰體的燒結(jié)同時發(fā)生，而是僅僅在燒結(jié)過程完成后發(fā)生。燒結(jié)和成形 是在同一加工步驟中在時間上嚴(yán)格分開的過程步驟。
成形僅僅在完全完成了燒結(jié)成透明石英玻璃體之后進(jìn)行。"成形" 在本文中并不意味著煙灰體通過燒結(jié)(和可能的坍塌)所經(jīng)受的收縮， 而是意味著通過玻璃化體的粘性流動實(shí)現(xiàn)的形狀變化。在本文中發(fā)現(xiàn)， 沒有氣泡和條紋的成形過程只能在燒結(jié)后存在玻璃體的情況下才是可 行的，這是因?yàn)闊Y(jié)過程和成形過程的限定分離和時序避免了氣體的 夾雜，而所述氣體夾雜例如當(dāng)仍然為多孔煙灰材料的粘性石英玻璃料 塊被包封和封閉時^f皮觀察到。
完全燒結(jié)的石英玻璃體的成形在玻璃化之后在同一熔體模具中立
6刻進(jìn)行，優(yōu)選不發(fā)生燒結(jié)的煙灰體的任何冷卻，但是在增加的溫度下 進(jìn)行。燒結(jié)的煙灰體的軟化料塊分布在熔體模具中，完全或部分填充 其內(nèi)部體積，以使在石英玻璃料塊冷卻之后，半成品可以從熔體才莫具
(melt mold)中取出。
已經(jīng)證實(shí)如下情況是特別有利的煙灰體在燒結(jié)時，從上向下燒 結(jié)；燒結(jié)的石英玻璃體在成形時，從下往上成形。
待燒結(jié)的煙灰體和熔體才莫具 一起首先從下往上移動通過加熱區(qū)， 或者加熱區(qū)被引導(dǎo)沿著煙灰體和熔體模具移動，從上向下。當(dāng)煙灰體 在燒結(jié)時，體積收縮到某一程度，但是燒結(jié)體維度互相之間的比值沒 有任何明顯變化，也即，煙灰體的初始幾何形狀沒有任何明顯變化。 從上往下燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于煙灰體的最下面部分最后燒結(jié)，而且該部分 在仍舊處于熱狀態(tài)時被隨后直接軟化和成形。
就此而言，已經(jīng)證明當(dāng)在長度不大于待成形的石英玻璃體長度的 一半的加熱區(qū)中進(jìn)行成形時特別有利。
結(jié)果，從加熱區(qū)出來的石英玻璃體的上部分在成形過程的開始時 如此冷卻，以至于在該部分中沒有軟化或成形。這樣確保石英玻璃體 從底部開始分部分軟化，并且確保了是逐漸向上發(fā)展的限定的成形過 程。就此而言，也必須關(guān)注的是，軟化石英玻璃所需的高軟化溫度也 可能導(dǎo)致在石英玻璃中出現(xiàn)方英石晶體的形核和不希望的生長。所以， 需要石英玻璃在特別高的溫度下僅僅暴露所需的時間。
已經(jīng)證實(shí)如下做法是有用的在分區(qū)燒結(jié)過程中，煙灰體以 2mm/mm - 10mm/min范圍內(nèi)的進(jìn)料速度從下往上提供到加熱區(qū)，燒結(jié) 溫度設(shè)在140CTC - 1600。C之間的范圍內(nèi)。
2mm/min- 10mm/min范圍內(nèi)的進(jìn)術(shù)+速度和至少30cm的加熱區(qū)長 度的組合，使得煙灰體在加熱區(qū)中的停留時間確保至少對于典型尺寸 的煙灰體(外部直徑是300mm- 500mm)而言是完全燒結(jié)。
在本方法的特別優(yōu)選變體中，燒結(jié)的石英玻璃體的成形包括第一 成形步驟和第二成形步驟，在第一成形步驟期間，石英玻璃體的下部 分在平均更低的軟化溫度成形，在第二成形步驟期間，石英玻璃體的 上部分在平均更高的軟化溫度成形。
在該方法的這種變體中，成形方法由此由至少兩個連續(xù)的、互相 之間平均軟化溫度不同的階段形成。在第一成形步驟之中，待成形的石英玻璃體的下部分被暴露于相對較低的軟化溫度，導(dǎo)致在燒結(jié)的石 英玻璃體的重量壓力下出現(xiàn)相對緩慢的、小心的塑性變形。在過渡到 第二成形步驟的過程中，軟化溫度增加，從而發(fā)生燒結(jié)的石英玻璃體 的上部分成為半成品的占主導(dǎo)地位的塑性變形。這種連續(xù)成形步驟的 目的在于使石英玻璃的粘度(內(nèi)摩擦)適應(yīng)于還未成形的石英玻璃體 的同樣不斷減少的重量，這是因?yàn)橛捎谑⒉Ａw流出進(jìn)入到熔體模 具中而使其重量下降，伴隨著石英玻璃體的初始長度在該過程中減少。 伴隨著重量不斷下降的粘度的限定減少，另外阻礙著熔融缺陷比如位 錯或者螺旋排列的氣泡環(huán)的形成。
優(yōu)選地，石英玻璃體已經(jīng)在燒結(jié)過程中引入到供成形過程的相應(yīng) 加熱區(qū)中，以使其溫度僅僅必須升高到軟化溫度。
在這方面，也已經(jīng)證實(shí)當(dāng)?shù)?一成形步驟中的軟化溫度從燒結(jié)步驟
完成后盛行的燒結(jié)溫度開始，以O(shè).OrC/min-0.08。C/min之間的加熱速 度增加，直至它比所述燒結(jié)溫度高20。C-10(TC時，是有利的。
這種低加熱速度和與燒結(jié)溫度相比相對輕微的溫度增加，導(dǎo)致石 英玻璃體的下部分發(fā)生小心的、緩慢的、相對不明顯的成形，由此考 慮到了石英玻璃體的仍未成形部分的仍舊大的重量。由于這種緩慢變 形，在第一成形步驟中可靠地避免了氣體夾雜或類似的熔融缺陷。在 第一成形步驟中，石英玻璃體的下部分變寬，直到其碰到熔體模具的 內(nèi)壁為止，所述熔體模具隨后逐漸被粘性的石英玻璃料塊填充。當(dāng)采 用過快的加熱時，橫跨石英玻璃體的徑向橫截面觀察到很強(qiáng)的溫度梯 度，使得石英玻璃的外部分不僅僅顯示出由于該過熱而有更強(qiáng)的方英 石形成趨勢，而且也以更快的速度軟化，其支持作用損失，導(dǎo)致剩余 的石英玻璃體發(fā)生快速的后續(xù)滑動以及位錯或其它情況。緩慢加熱另 外有利于氣體組分的向外擴(kuò)散，所述組分否則可能導(dǎo)致形成氣泡。
出于上述原因，本方法的其中石英玻璃體連續(xù)加熱的優(yōu)選變體優(yōu) 于其中溫度逐步增加的替換程序。這同樣適用于第二成形步驟，該步 驟現(xiàn)在將^皮更詳細(xì)研究。
在第二成形步驟中，軟化溫度以0.08°C/min-0.5°C/min的加熱速 度從第一成形步驟完成之后盛行的較低軟化溫度開始增加，直到比所 述較低軟化溫度高20°C-150°C。
石英玻璃體的大部分塑性變形僅僅發(fā)生在第二成形步驟中，是在第一成形步驟中已經(jīng)進(jìn)行的變形基礎(chǔ)之上，所以，這部分小于沒有第 一成形步驟時會出現(xiàn)的情況。第二成形步驟基本上僅僅關(guān)系到石英玻 璃體的上面的、仍未成形的部分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由此避免了位錯和不能 控制的變形。所述仍未成形的石英玻璃體部分的連續(xù)減少的重量允許
0.08°C/min-0.5°C/min之間的更高加熱速度。由于在第二成形步驟中 的所述更快的加熱速度，于其中石英玻璃保持在特定高溫的間隔被最 小化，由此減少了形成方英石的風(fēng)險。
考慮到總成形過程的所述限定的連續(xù)順序，位錯和氣體夾雜再次 得以避免。這個程序最重要是防止了如下情況其中，初始位于Si02 煙灰體表面之上的部分可以傳遞到已經(jīng)變形的石英玻璃體的內(nèi)部，在 該處它們否則會產(chǎn)生雜質(zhì)和氣泡窩。
優(yōu)選地，燒結(jié)的石英玻璃體的成形包括在基本恒定軟化溫度15mm -200mm的第三成形步驟。
第三成形步驟直接跟隨著第二成形步驟，并且以基本恒定的溫度 進(jìn)行。該溫度對應(yīng)于第二成形步驟完成后的軟化溫度。但是，它也可 以明顯高于所述溫度。在第三成形步驟之前，成形過程基本完成了。 僅僅是半成品的壁和上側(cè)發(fā)生光滑化(smoothing),對此而言，在該較 高軟化溫度范圍內(nèi)的保持階段就足夠了 。
如果成形的石英玻璃體在第三成形步驟中在其整個長度上均勻加 熱，那么這種措施將特別有效。
對此幾乎完全成形的石英玻璃體的加熱在本文中在盡可能均勻的
溫度場中進(jìn)行。成形的石英玻璃體和熔體模具因此位于長度至少為熔 體模具和在其中成形的石英玻璃體自身長度的一半的加熱區(qū)中。
已經(jīng)證實(shí)，當(dāng)煙灰體在無氯氣氛中(或者在真空中，或者在惰性 氣流中)干燥時特別有利。
煙灰體在此處基本進(jìn)行熱干燥，受到負(fù)壓的支持。由此，防止了 煙灰體中加載氯以及由此伴隨的對半成品的石英玻璃的不利影響。
本方法的如下變體已經(jīng)證明特別有用其中，煙灰體具有內(nèi)膛， 在根據(jù)方法步驟(b)的燒結(jié)過程中和在根據(jù)方法步驟(c)的成形過 程中，細(xì)長型載體(carrier body )延伸到所述內(nèi)膛中。
延伸通過煙灰體內(nèi)膛的載體可以有助于搬運(yùn)所述煙灰體。已知， 所述載體連接到從下面夾持煙灰體的板上。但是，在燒結(jié)過程中，必須注意煙灰體不能收縮到載體上，因?yàn)檫@可能損害燒結(jié)的石英玻璃體 的隨后成形。
比較而言，在成形過程中，載體用作半成品的內(nèi)膛的成形元件。 它可以具有任何所需的一黃截面，例如，它可以是圓形的、卵形的或者 多角形的，特別是矩形或六角形。順便提一下，對于熔體模具的內(nèi)壁 而言，這同才羊適用。
本發(fā)明的方法優(yōu)選使用如下煙灰體它在根據(jù)方法步驟(b)燒結(jié) 之前，密度為490kg/m3 - 640kg/m3。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅僅在低于640kg/mS的密度，才能夠在合適間隔內(nèi)進(jìn) 行適當(dāng)干燥，特別是在省略了氯支持的干燥步驟的情況下。適當(dāng)?shù)母?燥防止在后續(xù)成形過程中形成氣泡。低于所示下限的密度使得更難以 沒有任何氣泡的成形燒結(jié)的石英玻璃體。
進(jìn)而，已經(jīng)證明如下情況是有用的在根據(jù)方法步驟(b)的燒結(jié) 之前，煙灰體的L/m比值小于20mm/kg,其中"L，，是煙灰體長度，"m" 是煙灰體質(zhì)量。
小于20mm/kg的比值L/m使得在防止熔融缺陷比如氣泡窩和位錯 方面，具有有利的成形性質(zhì)。
進(jìn)而，已經(jīng)證明如下情況是有利地在根據(jù)方法步驟(b)的燒結(jié) 之前，煙灰體適配到熔體模具中，使得形成相對于熔體模具的內(nèi)壁寬 度不大于50mm的周圍間隙。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熔體模具內(nèi)壁和燒結(jié)的石英玻璃體的外壁之間的大間 隙可能導(dǎo)致成形過程中出現(xiàn)位錯。如果熔體內(nèi)壁和煙灰體之間的間隙 寬度不超過50mm,那么這些可以以特別可靠的方式避免。
有利地，使用側(cè)壁由通過至少 一個外部環(huán)繞的夾持環(huán)夾持在一起 的至少兩個段形成的熔體模具。
石英玻璃通過如下熱膨脹系數(shù)區(qū)別所述熱膨脹系數(shù)明顯小于熔 體模具適用材料，特別是石墨、碳化硅、陶瓷材料或者高熔點(diǎn)金屬例 如鉬、鴒或柏的熱膨脹系數(shù)。所以，在冷卻過程中，熔體模具將收縮 到成形的石英玻璃體上，可能在該過程中破裂。熔體模具的分段構(gòu)造 有助于避免這種情況。所述段通過外部圍繞的夾持環(huán)夾持在一起，所 述夾持環(huán)優(yōu)選由CFC (碳纖維強(qiáng)化碳)組成。這是一種機(jī)械穩(wěn)定的材 料，在壁厚度小的情況下也顯示足夠的強(qiáng)度并因此允許熔體模具具有緊湊的形狀。
如果使用具有至少在其側(cè)壁面積中用片狀石墨內(nèi)襯的內(nèi)壁的石墨 熔體模具，則獲得進(jìn)一步的改進(jìn)。
片狀石墨是箔狀、氈狀或者優(yōu)選石墨紙張形式的石墨。這種側(cè)壁 內(nèi)襯防止或減少碳和來自石英玻璃的硅形成SiC的化學(xué)反應(yīng)，這損壞 石墨模具并可能對成形過程具有不利影響。
根據(jù)本發(fā)明方法獲得的半成品特點(diǎn)在于氣泡含量小和抗蝕刻能力 高，特別適于制備用于制備用于腐蝕性或蝕刻性環(huán)境的半導(dǎo)體的部件。
現(xiàn)在，將參考實(shí)施方案和附圖更詳細(xì)解釋本發(fā)明。在附圖中以示
意性示例方式^羊細(xì)示出了


圖1示出了位于用于執(zhí)行本發(fā)明方法的石墨熔體模具中的煙灰體， 是頂視圖2參考過程圖示出了根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施方案；和 圖3是執(zhí)行本發(fā)明方法的典型溫度分布。
圖1示意性示出了由可透氣石墨制成的熔體模具1,其由底板和兩 個石墨殼ll、 12組成，所述兩個石墨殼形成模具1的側(cè)壁并且通過夾 持環(huán)固定在底板上。石墨殼11、 12通過由CFC制成的上、下夾持環(huán) 13夾持在一起。殼ll、 12之間的間隙通過石墨氈密封。其內(nèi)壁完全用 石墨紙14內(nèi)襯。熔體才莫具1的內(nèi)徑為450mm,高度為600mm。
它用于容納中空柱狀Si02煙灰體2，石墨載體管3延伸通過煙灰 體的內(nèi)部通孔，所述石墨載體管具有圓形橫截面并連接到煙灰體2位 于其上的底板9上。煙灰體2和熔體模具1內(nèi)壁之間的間隙15的寬度 為25mm。
Si02煙灰體2通過標(biāo)準(zhǔn)OVD方法通過在圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)的心軸上 外側(cè)沉積Si02顆粒來制備，在此處注意得到了大約500kg/m3的煙灰體 平均密度。煙灰體2的外徑是400mm,煙灰體的長度和其重量比值是 15mm/kg。為了去除由于制備過程產(chǎn)生的羥基，煙灰體2首先在1000 。C在20 1/min的氮?dú)饬髦懈稍?3小時。這設(shè)置了大約150wt.ppm的平 均羥基含量。
載體管3用于輸送和安裝煙灰體2，同時用作待形成的半成品的內(nèi) 膛的成形元件。石墨管3的外徑是50mm。
圖2所示的過程圖顯示了通過本發(fā)明方法制備中空柱形半成品6的方法步驟(a) - (e)。
配有煙灰體2的模具1被送入具有加熱區(qū)4的真空爐中，其由長 度600mm的感受器(susceptor )形成。熔體模具1僅僅通過其輪廓示 意性示出。在第一方法步驟(a)中，煙灰體2均勻地、均一地?zé)Y(jié)， 沒有任何氣泡。為此，它和熔體模具1 一起引入(其上端從下面開始 連續(xù)進(jìn)行，進(jìn)沖牛速度為5mm/mm)到加熱區(qū)4中，并在其中分區(qū)加熱 到大約151(TC的溫度。在真空爐中在此處保持O.lmbar(絕對)的負(fù)壓。
圖2 (a)示出了在燒結(jié)過程中的兩個過程階段， 一次在燒結(jié)過程 的開始處(下圖)， 一次在燒結(jié)過程已經(jīng)完成大約一半后(上圖)。
一旦熔體模具1完全置于加熱區(qū)4中，停止所述進(jìn)一步的前進(jìn)移 動，燒結(jié)過程通過保持所述燒結(jié)溫度大約另外的60min來完成。這使 得燒結(jié)體2的每一點(diǎn)在燒結(jié)區(qū)4中有大約120mm的停留時間，以使燒 結(jié)體2燒結(jié)成外徑大約200mm、長度大約3m的無氣泡透明石英玻璃 體5。在此處關(guān)注煙灰體2在燒結(jié)過程中不收縮到載體管3上，這可能 損害后續(xù)的重熔過程。
隨后是用于使石英玻璃體5的下部分變形的第一成形步驟，如圖2 (c)所示。在該整個成形過程中保持真空。加熱區(qū)4的溫度以0.04°C /mm的加熱速度緩慢從151(TC上升到1558°C。石英玻璃體5的下部分 由此軟化并流出進(jìn)入熔體模具1中。該模具完全位于加熱區(qū)4中，導(dǎo) 致在熔體模具1的整個高度上具有均一的溫度分布。
在完成該第一加熱和成形階段之后(在大約1200mm),?？吭谡?性石英玻璃料塊8上并且還沒有變形的石英玻璃體5的重量和起始重 量相比大約是一半，現(xiàn)在執(zhí)行第二成形步驟，所述第二成形步驟基本 上僅僅關(guān)于石英玻璃體5的剩余的上部分。在此處溫度進(jìn)一步以增加 的加熱速度(0.25°C/min)增加62。C到1620°C。在此持續(xù)大約240mm 的加熱階段中，石英玻璃體5的剩余上部分在其自身重量下也下沉或 幾乎完全坍塌到熔體模具1中，由此幾乎完全填充其內(nèi)部體積，如圖 (e)所示。
這兩個成形步驟的目標(biāo)是使熔體模具1內(nèi)部的石英玻璃料塊8的 粘度適應(yīng)于石英玻璃體5的還未成形部分的逐漸減少的重量。所述粘 度的限定的、緩慢的、小心的減少阻礙了熔融缺陷，特別是位錯和螺 旋氣泡環(huán)，的形成。這之后是在第三成形步驟中，所述前面獲得的162(TC保持另外2 小時。成形的石英玻璃塊6的上側(cè)在該過程中變光滑，由此減少了材 料損失。結(jié)果示意性顯示在圖2 (e)中。
在冷卻之后，打開熔體模具l,取出中空柱形石英玻璃塊形式的半 成品6。所述塊的外徑是大約450mm,內(nèi)徑是50mm,長度為550mm, 特點(diǎn)在于沒有氣泡并且基本沒有條紋。它特別適于制備半導(dǎo)體制備用 石英玻璃部件，例如法蘭和晶片載體，其在顯示出腐蝕性或蝕刻性作 用的環(huán)境中使用。
圖3示意性示出了用于本發(fā)明成形方法的加熱區(qū)4的典型溫度分 布，如同在上面更詳細(xì)解釋的實(shí)施方案中一樣。溫度分布的階段(a) - (d)被分配給上面參考圖2描述的方法步驟，也即，燒結(jié)(a)、第 一成形步驟(b)、第二成形步驟(c)和第三成形步驟(d)。
權(quán)利要求
1. 通過軟化的SiO2料塊(8)在熔體模具(1)中的塑性變形而制備合成石英玻璃半成品(6)的方法，包括下列方法步驟(a)提供多孔的SiO2煙灰體(2)，(b)在所述熔體模具(1)中在燒結(jié)溫度和燒結(jié)期間分區(qū)燒結(jié)所述SiO2煙灰體(2)，形成完全燒結(jié)的透明石英玻璃體(5)，之后直接(c)通過在熔體模具(1)中軟化而成形所述燒結(jié)的石英玻璃體(5)，形成完全或部分填充所述熔體模具(1)的體積的粘性石英玻璃料塊(8)，和(d)冷卻所述石英玻璃料塊(8)并從所述熔體模具(1)中取出所述料塊，形成半成品(6)。
2. 權(quán)利要求l的方法，特征在于所述煙灰體(2)從上向下燒結(jié)， 燒結(jié)的石英玻璃體(5)從下往上成形。
3. 權(quán)利要求2的方法，特征在于成形在長度不大于待成形的石英 玻璃體(5)的長度的一半的加熱區(qū)(4)中進(jìn)行。
4. 權(quán)利要求2或3的方法，特征在于在分區(qū)燒結(jié)過程中，煙灰體 (2 )以2mm/min - 10mm/mm的范圍內(nèi)的進(jìn)料速度從下往上提供到加熱區(qū)(2)，并且燒結(jié)溫度設(shè)置在1400°C - 1600。C之間的范圍內(nèi)。
5. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于燒結(jié)的石英玻璃體(5) 的成形包括第 一成形步驟和第二成形步驟，在第 一成形步驟中石英玻 璃體(5)的下部分在平均更低的軟化溫度成形，在第二成形步驟中， 石英玻璃體(5)的上部分在平均更高的軟化溫度成形。
6. 權(quán)利要求5的方法，特征在于第一成形步驟中的軟化溫度以 0.0rC/min - 0.08°C/min之間的加熱速度從燒結(jié)步驟完成后盛行的燒結(jié) 溫度開始增加，直到它比所述燒結(jié)溫度高20°C - 100。C。
7. 權(quán)利要求5或6的方法，特征在于在第二成形步驟中的軟化溫 度以0.08°C/mm-0.5°C/min之間的加熱速度從第 一成形步驟完成后盛 行的所述更低軟化溫度開始增加，直到它比所述更低軟化溫度高20°C -150°C。
8. 權(quán)利要求5-7任一的方法，特征在于燒結(jié)的石英玻璃體(5) 的成形包括在基本恒定的軟化溫度進(jìn)行15mm- 200mm的第三成形步驟。
9. 權(quán)利要求8的方法，特征在于所述成形的石英玻璃體(5)在 第三成形步驟中在其整個長度上均勻加熱。
10. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于所述煙灰體(2)或者在 真空中或者在惰性氣流中在無氯氣氛中干燥。
11. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于所述煙灰體(2)具有內(nèi) 膛，細(xì)長型載體(3)在根據(jù)方法步驟(b)的燒結(jié)過程和在根據(jù)方法 步驟(c)的玻璃化過程中延伸進(jìn)所述內(nèi)膛中。
12. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于在根據(jù)方法步驟(b)的 燒結(jié)之前，煙灰體的密度為490kg/m3 - 640kg/m3。
13. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于在根據(jù)方法步驟(b)的 燒結(jié)之前，煙灰體(2)的L/m比值小于20mm/kg，其中L是煙灰體(2) 的長度，m是煙灰體(2)的質(zhì)量。
14. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于在根據(jù)方法步驟(b)燒 結(jié)之前，煙灰體(2)適配到所述熔體模具(1)中以使形成相對于所 述熔體模具(l )的內(nèi)壁寬度不大于50mm的周圍間隙(15)。
15. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于使用具有側(cè)壁的熔體模具 (1),所述側(cè)壁由通過至少一個外部圍繞的夾持環(huán)(13)夾持在一起的至少兩個段(11、 12)形成。
16. 前述任一權(quán)利要求的方法，特征在于使用具有內(nèi)壁的熔體模具 (1),所述內(nèi)壁至少在其側(cè)壁(11; 12)的區(qū)域內(nèi)用片狀石墨(14)內(nèi)襯。
全文摘要
用于由合成石英玻璃制備半成品的方法。已知在熔體模具中通過軟化的SiO₂料塊的塑性變形由合成石英玻璃制備半成品的方法。由此開始，為了盡可能避免熔融缺陷和以可再現(xiàn)的高質(zhì)量獲得石英玻璃的半成品，提出包括下列步驟的方法(a)提供多孔的SiO₂煙灰體，(b)在熔體模具中在燒結(jié)溫度和燒結(jié)期間分區(qū)燒結(jié)所述SiO₂煙灰體，形成完全燒結(jié)的透明石英玻璃體，之后直接(c)通過在熔體模具中軟化而成形所述燒結(jié)的石英玻璃體，形成完全或部分填充所述熔體模具的體積的粘性石英玻璃料塊，和(d)冷卻所述石英玻璃料塊并從所述熔體模具中取出所述料塊，形成半成品。
文檔編號C03B19/14GK101448748SQ200780018447
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月24日
發(fā)明者A·赫爾姆, J·羅帕, S·施米特, U·佩帕 申請人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司