專利名稱：用于生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的方法以及用于實(shí)施該方法的支撐物的制作方法
用于生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的方法以及用于實(shí)施該方法的支
撐物本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的方法，其中通過在一個(gè)支撐物的圓柱形罩面上沉積SiA顆粒來生產(chǎn)一個(gè)多孔的灰料管(Sootrohr)并且將該灰料管燒結(jié)成該石英玻璃圓柱體，該支撐物圍繞該圓柱形罩面的縱軸旋轉(zhuǎn)并且具有一個(gè)由碳化硅制成的層 (SiC 層)。此外，本發(fā)明涉及一種適合用于實(shí)施該方法的支撐物，該支撐物具有一個(gè)由碳化硅制成的層(SiC層)。
背景技術(shù)：
在“0VD過程”(外部氣相沉積)之后制造管狀S^2灰料體時(shí)，通過火焰水解或者熱解將含硅的起始化合物轉(zhuǎn)化為細(xì)的S^2顆粒，使這些顆粒沉積在一個(gè)支撐物的圓柱形罩面上，該支撐物圍繞該圓柱形罩面的縱軸旋轉(zhuǎn)。如此獲得的管狀灰料體(以下也稱為“灰料管”)一般含有大量的羥基、并且在燒結(jié)之前經(jīng)受一種脫水處理。通過燒結(jié)該灰料管，獲得了一種石英玻璃空心管，或者在燒結(jié)時(shí)灰料管的內(nèi)孔坍塌的情況下獲得了一種石英玻璃的實(shí)心圓柱體。由合成石英玻璃制成的空心和實(shí)心的圓柱體被用作多種光學(xué)部件和化工部件的中間產(chǎn)品，尤其是用于在微縮平板印刷技術(shù)中生產(chǎn)投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的透鏡以及用于光纖的預(yù)成型件。以上所述類別的用于生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的OVD方法和支撐物是從DE 23 13 249 B2中獲知的。其中為了生產(chǎn)缺乏羥基的石英玻璃管，提出了通過將SiO2顆粒沉積在由 Al2O3、莫來石、氮化硼、SiC、玻璃或玻璃陶瓷制成的一個(gè)支撐物上來生產(chǎn)SW2灰料管，并且接著使其在該支撐物上、在惰性氣體氛圍下通過局部燒結(jié)而玻璃化。特別困難的是，在燒結(jié)該灰料管之前或之后，將該支撐物從內(nèi)孔中移出。移出一個(gè)固定的支撐物可能導(dǎo)致灰料管內(nèi)壁受損，或者該支撐物必須通過鉆孔(Ausbohren)而移出。 無論哪種情況都需要進(jìn)行昂貴的內(nèi)孔加工。已知有不同的手段來簡化支撐物的移出。例如提出了使用圓錐形的支撐物、采用由石墨制成的支撐物、以石墨粉末進(jìn)行Al2O3支撐物的預(yù)涂覆(US 4，233，052 Α)、或者以BN 粉末進(jìn)行玻璃或SiC支撐物的預(yù)涂覆(JP 61168544A (1985))。但是，這些手段伴隨有其他的缺點(diǎn)。使用石墨導(dǎo)致了反應(yīng)室中的氧化還原條件的改變、并且在氧化性條件下導(dǎo)致了燃渣(Abbrand)。像采用其他支撐物材料(如石英玻璃)一樣，支撐物上的BN涂層可以類似地在石英玻璃坯中留下由于S^2灰料層中的擴(kuò)散、摩擦或腐蝕而產(chǎn)生的雜質(zhì)。由Al2O3制成的支撐管具有相對(duì)較小的斷裂強(qiáng)度。采用通過使用玻璃而制成的支撐物可能避免了灰料體的污染；然而這些石英玻璃支撐物也(與由Al2O3制成的支撐物類似)不具有尤其對(duì)于生產(chǎn)具有相對(duì)小內(nèi)徑的大灰料體而言必需的斷裂強(qiáng)度。此外，在石英玻璃支撐物的情況下存在以上所討論的困難，即由于在灰料體材料與支撐物材料之間缺少膨脹率差異，相對(duì)較難將石英玻璃支撐物移出。
技術(shù)目的
本發(fā)明的基本目的在于，提出一種用于在OVD過程之后、在采用一種具有高斷裂強(qiáng)度的支撐物的情況下生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的方法，一方面該支撐物能夠容易地移出而另一方面對(duì)該灰料體形成了低污染危險(xiǎn)。本發(fā)明的基本目的還在于，提供一種用于實(shí)施該方法的支撐物，該支撐物的突出之處為高的機(jī)械穩(wěn)定性并且還使得能夠以小內(nèi)孔來生產(chǎn)體積大且壁厚的灰料體。在該方法的方面，這個(gè)目的是從上述類別的一種方法出發(fā)根據(jù)本發(fā)明按以下方式實(shí)現(xiàn)的在沉積SiO2顆粒之前，將SiC層在高溫下于含氧的氣氛中進(jìn)行如下的處理，即通過氧化來形成一個(gè)具有至少0. 1 Mffl厚度的Sih保護(hù)層。在所述類別方法的根據(jù)本發(fā)明的修改中，在一個(gè)支撐物上形成該灰體管，該支撐物完全或至少在其朝向該灰體管的表面的區(qū)域中由SiC組成。在開始沉積工藝之前，這個(gè) SiC層的表面通過氧化而轉(zhuǎn)化為SiO2,這樣獲得了具有至少0. 1 Mffl厚度的、由S^2制成的薄保護(hù)層。在理想狀況下，這個(gè)SiO2保護(hù)層是封閉的，并且完全覆蓋了 SiC表面。就此而言根據(jù)本發(fā)明的方法是多步驟的，首先在高溫下在含氧氣的氛圍中將SiC 層的表面轉(zhuǎn)化為SiO2保護(hù)層，并且之后發(fā)生與所沉積的SiA顆粒的接觸。因此，在本發(fā)明的方法中，SiO2灰料沉積是在一個(gè)SiA保護(hù)層上進(jìn)行，該保護(hù)層由與SW2灰料同類的材料組成并且在沉積過程中阻止或避免了雜質(zhì)進(jìn)入該灰料體中。此外SiO2保護(hù)層形成了一種在由爐內(nèi)氣氛造成的、對(duì)SiC支撐物材料的摩擦和腐蝕意義上的保護(hù)作用，其中特別有利的是，通過摩擦或腐蝕而脫落的材料是與SiO2灰料體同類的并且由此減小了污染的危險(xiǎn)。SiC層上的一種純凈的、僅若干個(gè)原子層厚的SiO2保護(hù)層既不能滿足對(duì)一種有效擴(kuò)散屏障(以防止來自支撐物SiC的雜質(zhì))的要求，也不能滿足在針對(duì)SiC支撐物材料的摩擦和腐蝕進(jìn)行保護(hù)的意義上的要求。在此SiO2保護(hù)層的最小厚度為0.1 Mm。除了 SiO2保護(hù)層以外，該支撐物完全或至少部分由SiC組成。這種材料是熱穩(wěn)定且機(jī)械穩(wěn)定的，并且即使在較小的壁厚度下也適合于支持重的、大體積的灰料體。在該灰料體冷卻之后將該支撐物移出。此時(shí)，薄的SiA保護(hù)層一般完全保留在支撐物上，并且與具有純SiC層的支撐物相比，不會(huì)使支撐物的移出變得困難。通過燒結(jié)該灰料體，獲得了一種處于管狀或棒狀形式的石英玻璃圓柱體。在燒結(jié)灰料體之前，任選地在一種含商素、尤其是一種含氟或含氯的氣氛中進(jìn)行脫水處理。對(duì)于SiC的工藝生產(chǎn)而言，已知了許多方法，這些方法產(chǎn)生了 SiC的各種各樣的改性物和純凈物。對(duì)于在OVD過程中采用的支撐物而言，根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)證明特別有利的是， SiC層是由以硅滲透的碳化硅(SiSiC)組成。在此，這是一種所謂的“反應(yīng)燒結(jié)的、硅滲透的SiC”。這種材料實(shí)際上是無孔的， 這使得支撐物的移出更容易，并且該材料包含金屬型的硅，與SiC相比并且至少在表面上相對(duì)容易被氧化為Si02。由此在同樣短的氧化時(shí)間下簡化了一種盡可能均勻且封閉的SiA 保護(hù)層的生產(chǎn)。SiO2保護(hù)層優(yōu)選以如下方式制造對(duì)該支撐物的處理包括在含氧的氣氛下在烘箱中進(jìn)行焙燒，或者借助一種含氧或含水的燃燒火焰在至少1000°c的溫度下、優(yōu)選在至少 1200°C的溫度下加熱該支撐物。
在一個(gè)低于1000°C的溫度下，SiC向至少0. 1 Mm厚的SW2保護(hù)層的轉(zhuǎn)化要求一個(gè)長得不經(jīng)濟(jì)的時(shí)間。另一方面，尤其是在由SiSiC制成的SiC層的情況下，高于約1440°C 的處理溫度不是優(yōu)選的，因?yàn)樵谶@種情況下金屬型的硅熔化了。已經(jīng)證明有效的是制造出具有在1至10 Mffl之間范圍內(nèi)的厚度的SiO2保護(hù)層。相對(duì)較薄的保護(hù)層滿足了對(duì)污染和摩擦進(jìn)行防護(hù)的要求，并且由于SiC層較小的腐蝕磨損，這種保護(hù)層使得該支撐物能夠多次使用，而不會(huì)產(chǎn)生表面品質(zhì)的實(shí)質(zhì)性劣化。制造大于10 Mffl的保護(hù)層要求非常長的處理時(shí)間，因?yàn)樗纬傻腟W2還作為保護(hù)層對(duì)于進(jìn)一步的氧化起反作用。在SW2保護(hù)層的有效性方面的顯著增加并不能證明這種長的處理時(shí)間是合理的。此外，由于較厚的SiA保護(hù)層，支撐物的移出也變得更困難。優(yōu)選的是如下一種方式，其中制造了含有方石英的S^2保護(hù)層。完全或主要由方石英組成的保護(hù)層顯示出了高的機(jī)械和熱耐受性。此外，它們對(duì)于同該灰料體形成熔融連接起反作用、并且于是有助于更簡單地移出支撐物。由于制造 SiO2保護(hù)層所要求的高處理溫度和/或長處理時(shí)間、并且因?yàn)镾iC層表面上的常規(guī)的堿金屬或堿土金屬雜質(zhì)，這些全部或主要由方石英組成的保護(hù)層一般是在沒有用于純化支撐物的特殊預(yù)防的情況下形成。即使在更厚的、主要由方石英組成的保護(hù)層的情況下，與SiC表面相鄰的層區(qū)域一般是晶體性的并且在自由表面的方向上分布有逐漸增多的非晶SiO2&(Nestern)，這樣使得對(duì)應(yīng)的S^2相進(jìn)行反向滲透。當(dāng)SW2保護(hù)層具有非晶SiA層區(qū)域時(shí)，該保護(hù)層表現(xiàn)得特別穩(wěn)定。在理想情況下，非晶S^2的層區(qū)域形成了一個(gè)封閉的層，該層的突出之處在于其針對(duì)氣體的密封性并且該層阻止了支撐物上過度的腐蝕過程，這種腐蝕過程尤其能夠通過反應(yīng)活性的氣體如H2O和HCl來進(jìn)行；同時(shí)該層降低了支撐物內(nèi)部的雜質(zhì)向灰料體內(nèi)的擴(kuò)散，并且該層使得雜質(zhì)通過摩擦而進(jìn)入的危險(xiǎn)最小化。在支撐物方面，上面提出的目的是從以上所述類別的一種支撐物出發(fā)根據(jù)本發(fā)明以如下方式實(shí)現(xiàn)的該SiC層配置有一個(gè)厚度為至少0. 1 Mffl的、通過氧化而制造的SiO2保護(hù)層。該支撐物完全地或至少在外圓柱罩面的區(qū)域中由SiC組成。在根據(jù)本發(fā)明對(duì)所述類別的SiC支撐物的修改中，以具有至少0. 1 Mffl厚度的SiA保護(hù)層來覆蓋SiC表面，在理想情況下該保護(hù)層是封閉的并且完全覆蓋了 SiC表面。該支撐物因此具有一個(gè)圓柱形罩面，該罩面是與將要沉積在其上的SW2灰料管同類的，并且該罩面阻止或避免了雜質(zhì)進(jìn)入灰料管中。此外，SiO2保護(hù)層形成了針對(duì)于烘箱氣氛和沉積的灰料層所造成的SiC支撐物材料的摩擦和腐蝕的一種保護(hù)作用。在此特別有利的是，由于摩擦或腐蝕導(dǎo)致的脫落物 (Abrieb)也是由與SiO2灰料體同類的材料組成的，由此減小了其污染危險(xiǎn)。SiC是熱穩(wěn)定且機(jī)械穩(wěn)定的，并且即使在較小的壁厚度下也適合于支持重的、大體積的灰料體。此外，高斷裂強(qiáng)度和良好的溫度變化耐受性有利于工作安全性。這種SiC層的構(gòu)成為棒、管、或者棒或管的涂層。棒或管由一個(gè)部分組成，或者它們由多個(gè)區(qū)段或部件組合而成。SiO2保護(hù)層優(yōu)選通過將支撐物在含氧氣氛中進(jìn)行處理而制造，對(duì)該支撐物的處理包括在含氧的氣氛下在烘箱中進(jìn)行焙燒、或者借助一種含氧或含水的燃燒火焰在至少 1，000°C的溫度下、優(yōu)選在至少l，200°c的溫度下加熱該支撐物，如以上借助根據(jù)本發(fā)明的方法詳細(xì)說明的。根據(jù)本發(fā)明的支撐物的有利實(shí)施方案由各從屬權(quán)利要求給出。只要在這些從屬權(quán)利要求中給出的支撐物實(shí)施方案中仿照了在針對(duì)于本發(fā)明的方法的各從屬權(quán)利要求中所描述的方式，則為了補(bǔ)充說明，參照以上針對(duì)于相應(yīng)方法權(quán)利要求的實(shí)施方式。
實(shí)施例以下借助一個(gè)實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明。在唯一的一頁附圖中示意性地展示了
圖ι 一種用于在實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的背景下生產(chǎn)SiA灰料體的設(shè)備，并且圖2根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)支撐物的徑向截面圖。在

圖1中顯示的設(shè)備被用于生產(chǎn)SiO2灰料體3。該設(shè)備顯示了一個(gè)由反應(yīng)燒結(jié)的、硅滲透的碳化硅(SiSiC)制成的支撐物管1，該管圍繞其縱軸2旋轉(zhuǎn)。借助OVD沉積過程，在支撐物管1的圓柱形罩面上接連沉積了多個(gè)彼此相繼的SW2灰料層并且于是形成了多孔的灰料體3。為了制造灰料層，配備了多個(gè)由石英玻璃制成的沉積燃燒器4，它們以各自150 mm的間距安裝在一個(gè)公共的滑軌5上，該滑軌沿著該支撐物管1在所形成的灰料體 3的兩端之間能夠往返移動(dòng)(如方向箭頭6所示)并且在與之垂直的方向上該滑軌能夠被推動(dòng)。一旦灰料體3具有了約350 mm的外徑，灰料體沉積過程即結(jié)束。SiC支撐物管1具有43 mm的外徑和沈mm的內(nèi)徑。在開始沉積過程之前，使它經(jīng)受處理以便制造一個(gè)SiA保護(hù)層7。為此，將該SiC支撐物管1引入一個(gè)烘箱中并在空氣中在1200°C的溫度下處理12小時(shí)。在此，在SiC支撐物管1的所有表面上形成了一個(gè)封閉的SiO2層，該層在SiC表面的區(qū)域中主要以晶體形式作為方石英存在。于是，如此處理過的SiC支撐物管1由一個(gè)SiC制成的基體8組成，該基體在所有面上都覆蓋有約2 Mm厚的 SiO2保護(hù)層。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的方法而言，在此尤其重要的是圖1中所示的、在外圓柱形罩面上的SiO2保護(hù)層7。從根據(jù)圖2的支撐物管1的截面圖可以看出，SiO2保護(hù)層7包圍了基體8?；w8 由SiSiC組成。SiA保護(hù)層7防止了來自基體8的雜質(zhì)進(jìn)入，并且該保護(hù)層同時(shí)針對(duì)周圍氣氛和摩擦沖擊進(jìn)行防護(hù)。圖1和圖2中的圖示不是按比例的；尤其是為了清晰起見，過厚地示出了 SiO2保護(hù)層7的厚度。以下借助圖1所示的安排來示例性地說明根據(jù)本發(fā)明的方法
為了根據(jù)本發(fā)明所述的方法來生產(chǎn)SiA灰料體3，向這些沉積燃燒器4分別供給作為燃料氣體的氧氣和氫氣、以及作為形成S^2顆粒的投料的含SiCI4氣體流。這些成分在各個(gè)燃燒器火焰中轉(zhuǎn)化為SiO2顆粒，并且這些顆粒在形成多孔S^2灰料體3的情況下逐層沉積在支撐物管1上。在此，帶有這些沉積燃燒器4的滑軌5以800 mm/min的平移速度沿所形成的灰料體3在其兩端之間來回移動(dòng)。在沉積過程結(jié)束之后，移出支撐物管1。顯示出，這樣獲得的由多孔5102灰體制成的管(灰體管)的內(nèi)表面是平坦且干凈的，這樣就不需要進(jìn)行機(jī)械的后續(xù)加工。在支撐物管1的表面上也沒有視覺上可辨別出的腐蝕。對(duì)在灰料管與支撐物管1之間的接觸面的純度進(jìn)行的檢測表明，其雜質(zhì)含量顯著小于這個(gè)與沒有S^2保護(hù)層的Sic支撐物管接觸的面。該灰料管隨后以公知的方式通過熱氯化進(jìn)行干燥，方式為將其引入一個(gè)脫水烘箱，并在其中在約900°C的溫度下在含氯氣氛中處理8小時(shí)。干燥的灰料管隨后以豎直定向的縱軸引入一個(gè)真空玻璃化爐中，并且從其下端開始以10 mm/min的送入速度連續(xù)地從上方送入一個(gè)環(huán)形加熱元件中并且逐區(qū)域地加熱。加熱元件的溫度預(yù)先設(shè)置在1400°C。在燒結(jié)時(shí)，灰料管內(nèi)部的熔融前沿(Schmelzfront)從外向內(nèi)且同時(shí)從上向下行進(jìn)。在燒結(jié)時(shí)，玻璃化爐中的內(nèi)壓通過持續(xù)排氣而保持在0. 1 mbar0 以這種方式，獲得了具有43 mm小內(nèi)徑的大體積石英玻璃管(外徑150 mm)，該石英玻璃管的突出之處在于其純度使得能夠?qū)⑵溆迷诠饫w預(yù)成型件的接近內(nèi)芯的區(qū)域中，例如作為基底管用于借助MCVD過程的內(nèi)部沉積。該石英玻璃管例如還適合用于在拉延纖維時(shí)包覆芯棒或者用于生產(chǎn)預(yù)成型件。
權(quán)利要求
1.用于生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的方法，其中通過在支撐物(1)的圓柱形罩面上沉積SiA 顆粒來生產(chǎn)多孔的灰料管(3)并且將該灰料管(3)燒結(jié)成該石英玻璃圓柱體，其中該支撐物圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)并且具有一個(gè)由碳化硅制成的層(8) (SiC層)，其特征在于，在沉積SW2 顆粒之前將該SiC層(8)在高溫下在含氧氣氛中進(jìn)行處理，處理方式為通過氧化來制造一個(gè)具有至少0.1 Mm厚度的SiO2保護(hù)層(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該SiC層(8)由以硅滲透的碳化硅 (SiSiC)組成。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述在含氧氣氛中的處理包括在烘箱中對(duì)該支撐物(1)進(jìn)行焙燒，或者借助含氧或含水的燃燒器焰在至少1000°c 的溫度下、優(yōu)選在至少1200°c的溫度下加熱該支撐物。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，制造具有在從1到10μ 范圍內(nèi)厚度的SiO2保護(hù)層(7)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，制造含方石英的SiO2保護(hù)層⑴。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，制造S^2保護(hù)層(7)，該保護(hù)層具有由非晶S^2形成的多個(gè)層區(qū)域。
7.用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述方法的支撐物，該支撐物具有由碳化硅制成的層(8) (SiC層)，其特征在于，該SiC層(8)設(shè)置有具有至少0.1 Mm厚度、通過氧化而制造的SiO2保護(hù)層(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的支撐物，其特征在于，該SiC層(8)由以硅滲透的碳化硅 (SiSiC)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該S^2保護(hù)層(7)具有在從1到10 Mm范圍內(nèi)的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或9中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該SiO2保護(hù)層(7)包含方石英。
全文摘要
在一種已知用于生產(chǎn)石英玻璃圓柱體的方法中，通過在一個(gè)支撐物的一個(gè)圓柱形罩面上沉積SiO2顆粒來生產(chǎn)一個(gè)多孔的灰料管，該支撐物圍繞該圓柱形罩面的縱軸旋轉(zhuǎn)并且具有一個(gè)由碳化硅制造的層(SiC層)，該灰料管被燒結(jié)成該石英玻璃圓柱體。為了由此出發(fā)而提出一種具有高斷裂強(qiáng)度的支撐物，其中該支撐物一方面能夠容易地移出而另一方面對(duì)灰料體造成了較小的污染危險(xiǎn)，根據(jù)本發(fā)明提出在沉積SiO2顆粒之前，將SiC層在高溫下含氧的氣氛中進(jìn)行如下的處理，即通過氧化來形成一個(gè)具有至少0.1μm厚度的SiO2保護(hù)層。
文檔編號(hào)C03B19/14GK102596829SQ201080050475
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者A.舒斯特, M.特羅默, R.佐瓦, U.佩珀 申請(qǐng)人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司