CN101389573B - 用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯 - Google Patents

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Abstract

用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯(40)包括使用来自外部石英管(53)的氮气屏蔽气体来提供主动环境隔离。此外，本发明电感等离子喷灯(40)包括环盘(66、70)来实现更紧凑但是更完整的环境保护(360度覆盖)。它还包括偏离并交换化学物质喷嘴(68)的位置，以便在水平模式中工作时能够实现两个方向上的改进的沉积。而且，本发明电感等离子喷灯(40)保持喷射的化学物质的层流，中间石英管(154)设有凹形部分(157)，以用于增加等离子喷流的平均热含量，从而提高等离子喷灯的效率。此外，它还可以利用更多的等离子气体进口(76)。它还包括具有向下角度倾斜的化学物质喷嘴(68)。

Description

用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年12月29日提交的美国临时申请号60/754,281的权益。
技术领域
本发明涉及用于制作纯合成二氧化硅管、掺杂合成二氧化硅管、光纤应用的棒和用于紫外线发射光学元件的坯件。更具体来说，它涉及通过等离子工艺沉积内含低羟基物的二氧化硅来制作这种管和光学元件的过程。
背景技术
现有技术讲述用于制造二氧化硅玻璃启动器管和用于制作光纤预制品的多种方法。启动器管可以通过加热二氧化硅并通过孔径压制它而成。启动器管和光纤预制品可以通过使用多种技术的其中之一在对象上沉积掺杂或未掺杂的二氧化硅来制成，这些技术诸如修改的化学气相沉积(MCVD)、气相轴向沉积(VAD)、外部气相沉积(OVD)。这些方法的每一种均从提供旋转对象开始，通常以管或实心棒的形式构形，并由玻璃、陶瓷或多种其他材料之一制成。在某些情况中，棒或管构成预制品的完整部分，而在另一些情况中，棒将被移除。例如气体燃烧器或等离子源的热源设在旋转对象下方。热源将提供玻璃形成反应以形成玻璃颗粒所需的能量。取决于工艺的特性，这些沉积的玻璃颗粒为下一个处理(干燥和烧结)作好了准备，例如VAD或OVD工艺中的情况。如果是MCVD工艺，则将利用相同的热源将这些颗粒熔成玻璃石英。一般，在0.05至0.2毫米之间的颗粒大小对于OVD和VAD工艺中常见的火焰水解化学反应来说是理想的。这些工艺包括两个步骤，即通过火焰水解形成灰颗粒，然后在单独的熔炉中将这些灰颗粒固结。稍大直径的灰颗粒更适合于这些工艺，因为这提高了沉积速率。
当水平装设对象时，热源沿着对象的长度传递以确保均匀沉积。如果对象是管，则可以将玻璃形成颗粒和材料沉积在管的内表面上，在此情况中外径保持不变，或沉积在管的外部，在此情况中外径增加。当对象垂直装设时，它沿着垂直轴旋转，并同时沿径向和轴向增加。这产生基本圆柱形产品，其直径和长度随着沉积继续而增加。
Drouart等人的美国专利号5,522,007描述利用等离子沉积来构建具有高羟基离子浓度的光纤预制品。在此参考文献中，通过使气体通过水箱，有意地在等离子发生气体中混入羟基离子，然后将其引入具有电感线圈的等离子喷灯的一端中。这样将一定量的水引入工艺气体流中。等离子喷灯将混合以羟基离子的熔融的二氧化硅颗粒注射到旋转衬底预制品上。这样产生具有沉积在对象预制品上的范围在50-100ppm的均等的羟基离子浓度的预制品。此外，Drouart方法中首选的原材料是二氧化硅颗粒。
Heitmann的美国专利号5,609,666描述使用由多孔氧化物陶瓷制成的管状衬底来形成石英玻璃管。将利用甲烷、四氯化硅(SiCl4)和氧气的混合物来工作的燃烧器沿着管状衬底前后移动以将玻璃灰沉积于其上。同时，使包含氯气或氯化亚硫酰以及其他气体的干燥气体混合物沿着后者的轴通过管状衬底内部。净化气体从沉积的玻璃灰中移除羟基离子。从管状衬底移除沉积且净化的玻璃灰体，然后经过进一步干燥和烧结，以形成具有低羟基浓度的管或棒。
Audsley和Bayliss在《Journal of Applied Chemistry VoL 19pp33-38(1969)》中报告使用四种不同的等离子喷灯设计来引发四氯化硅的氧化反应。他们发现他们可以达到67g/min的流速的完全氧化。尽管如此，Audsley和Bayliss既未检查玻璃的含水量，也未包括外部管以提供屏蔽气体(screen gas)来隔离环境影响。而且，化学物质是从喷灯底部喷出而没有喷嘴。
在JP4,231,336中，Seto等人对一种等离子喷灯要求权利，该等离子喷灯可以在制作二氧化硅时引发火焰水解。公知等离子火焰是干火焰。Seto等人未描述将氢或含氢化合物引入等离子火焰。而且，并不确信火焰水解能够在他们提出的过程发生。
在美国专利号4,162,908中，Rau等人公开一种使用电感耦合等离子燃烧器来制作合成石英玻璃(确切来说含氟无合成羟基的玻璃)的方法。等离子喷灯具有3个同心石英玻璃管，中心管用于提供反应化学物质，氧气馈送到中环和外环以形成氧等离子。Rau等人未使用任何屏蔽气体来隔离来自环境的影响，并且他们未公开化学物质馈送管或喷嘴的任何细节。此外，对于优化化学物质馈送位置的操作以提高化学物质的沉积速率，没有有关的论述。
在美国专利号4,402/20中，Edahiro等人公开使用等离子喷灯来制作掺杂氮的二氧化硅玻璃。Edahiro等人在设计他们的喷嘴方面做了大量工作以便在进入反应区时将反应的化学物质分开。他们未使用任何措施来隔离来自环境的影响。
在美国专利号6,253,580和6,536,240中，Gouskov等人公开等离子喷灯的使用，该等离子喷灯具有从等离子喷灯的中心轴向外伸出的两个相对的等离子稳定器条。这两个稳定器条是U形槽，用于在与它们的朝向对应的直线方向上提供环境隔离，但是在360°方向上不提供环境隔离。
因此，需要一种等离子喷灯，该等离子喷灯形成管、预制品或二者兼有以用于在连续工艺中以低杂质水平(例如羟基离子)制造光纤。此外，包括需要后续干燥和烧结的灰沉积的工艺是成本昂贵的且耗时，因此需要一种更快速且成本较低的灰沉积和固结方法。
发明内容
通过本发明改进的等离子喷灯解决了上述问题并实现技术进步，本发明改进的等离子喷灯用于制作合成二氧化硅，其中以环盘替代稳定器条以使等离子喷灯更紧凑且坚固。此外，它使用屏蔽气体(例如氮气)作为主动屏障，以用于在360°范围提供比仅在常规稳定器条的直线方向上的被动保护更完整的环境隔离。一个或多个环盘可以用于实现改进的沉积结果。
本发明等离子喷灯还包括化学物质喷射嘴的偏离中心位置设置。这种布置提供两个方向上的沉积，而不会降低沉积的玻璃的质量。
本发明等离子喷灯还通过精心制造、验收和选择适合的喷嘴保持喷射的化学物质的层流。此外，等离子喷灯的中间石英管具有形成的凹形横断面。这种设计增加了等离子喷流的热含量，而无需使用更大的RF发生器。因此，进一步提高沉积速率和效率。
而且，本发明的等离子喷灯还包括附加的等离子气体进口，用于提供对等离子气体的组成和流的更佳控制。而且，本发明等离子喷灯还包括可以角度向下的化学物质喷嘴。本发明等离子喷灯在一步式工艺中产生良好质量的熔融二氧化硅产品，同时达到非常低的气泡计数，实现好于70％沉积效率以及9g/min的平均沉积速率。而且，本发明等离子喷灯将沉积的玻璃的含水量保持在小于1ppm。总之利用所有这些修改，在未使用较大RF发生器的情况下显著地增加沉积速率、效率和产品质量。本发明等离子喷灯使用来自外部石英管的氮气屏蔽气体提供以环盘替代现有技术的稳定器条的主动环境隔离，以实现更紧凑但完整的保护(360度覆盖)。此外，本发明的等离子喷灯包括错位交换式化学物质喷嘴位置，以允许向两个方向均能沉积。而且，本发明的等离子喷灯保持喷射的化学物质的层流。它在中间石英管上还具有形成的凹形部分。它使用更多等离子气体进口，并具有向下设置角度的化学物质喷嘴。
附图说明
图1图示本发明等离子喷灯结合根据本发明实施例的沉积设备使用的实施例；
图2图示本发明等离子喷灯的实施例的横截面侧视图，其中图示了根据本发明实施例的两个环盘；
图3图示本发明等离子喷灯的另一个实施例的俯视平面图，其中图示根据本发明实施例的向前设置的喷嘴；
图4图示本发明等离子喷嘴的另一个实施例的俯视平面图，其中图示根据本发明实施例的向后设置的喷嘴；
图5图示本发明等离子喷灯的另一个实施例的横截面侧视图，其中图示根据本发明实施例的中间石英管的凹形区域；
图6图示本发明等离子喷灯的另一个实施例的俯视平面图，其中图示根据本发明实施例的附加气体进口的布置；以及
图7图示现有技术的等离子喷灯与根据本发明实施例的本发明等离子喷灯的实施例之间的流型的横截面比较。
具体实施方式
图1示出用于利用根据本发明的示范设备20制作合成玻璃的本发明改进的等离子喷灯的实施例。该设备包括机罩22，机罩22提供适合的排气以移除来自化学反应的气体副产品，并且还提供对等离子喷灯的RF隔离保护，使得密封件防止杂质被引入最终产品。在机罩22内的是车床24，例如可从Litton Engineering Lab获得的车床。车床24具有头座25和尾座26。头座25和尾座26设有一对相对旋转的转轴卡盘(spindle chuck)28，此对相对旋转的转轴卡盘28固定具有基本圆柱形外壁的延伸对象30。转轴卡盘28使对象30按箭头A1所示的旋转。可移动支撑架32以可移动方式安装到车床24，设置成沿对象的任一方向运动，如图双箭头A2所示。
支撑架32支撑一般如图中40所示的本发明电感等离子喷灯。支撑架32因此沿对象30的长度(length)移动电感等离子喷灯40。这使得材料沉积在对象30的上方而形成管状构件34，它可以是启动器管或光纤预制品。转轴卡盘28使对象30旋转以确保电感等离子喷灯(induction plasma torch)40将材料均匀地绕对象沉积，从而形成具有几乎完美的圆柱形外壁的管状构件34。
在优选实施例中，设在支撑架32上的电感等离子喷灯40沿对象30的长度的实质部位朝两个方向移动。这样使电感等离子喷灯40能够沿对象30的此部位运动并沉积材料。
不使电感等离子喷灯40沿对象的长度移动的话，可以使电感等离子喷灯40保持稳定而移动对象30。这可以通过使车床的头座25和尾座26以往返的方式移动对象，以使对象的所有相关部位直接位于电感等离子喷灯40上来实现。
作为另一个备选，可以沿对象的长度间隔设置多个等离子源。这样能够减少车床24的头座25或尾座26或等离子源所附着的支撑架32的移动，具体取决于将二者中的哪个配置成移动。在极端的情况中，大量等离子源全部沿对象的长度设置，无需支撑架32或车床24的头座25和尾座26移动。在优选实施例中，等离子喷灯40是将干等离子气体通过第一气体线路42引入其中以及将源气体通过第二气体线路44引入其中的电感等离子喷灯。
等离子气体实质上由按适合预定比例的氮气和氧气组成。空气可以用作等离子气体。在此情况中，空气首先通过第一干燥器46以移除水汽，然后进入第一气体线路42。这确保等离子气体的羟基浓度低，约为1ppm或更低。
源气体至少包括主要源化学物质(例如SiCl4)，附加或不附加掺杂物以及至少一个载体气体(例如氧气或氮气)。载体气体进入第二干燥器48以移除水汽。这确保源气体的羟基浓度也非常低，约为0.5ppm。在将载体气体干燥之后，它们进入起泡器50，或作为备选，可以使用一组起泡器代替起泡器50来拾取源化学物质。包含载有源化学物质的载体气体(carrier gas)的气体流则进入第二气体线路44。可选地，可以通过开口阀51，将掺杂物气体引入到气体流中，然后进入电感等离子喷灯。
在优选实施例中，源化学物质是SiCl4。此化学物质(chemical)是为在等离子中获得其反应特性而选择的。确切地来说，SiCl4用作Si的来源以形成沉积在对象30上的SiO2。用于降低折射指数的掺杂物通常是采用SiF4、CF4或SF6的形式的氟掺杂物气体。氟掺杂物改变石英的折射指数以及增加光纤预制品设计的自由度。用于增加折射指数的掺杂物通常采取GeCl4、POCl3、AlCl3和TiCl4的蒸汽形式。
图2图示本发明的电感等离子喷灯40的实施例，它包括两个环盘和三个石英管。电感等离子喷灯40设在旋转对象30下方。电感等离子喷灯40包括由石英形成的基本上为管状的喷灯外壳41。优选地，外壳41具有约100mm的总直径和310mm的高度。但是，也可以使用范围在80-120mm之间的直径和180-400之间的高度。
在此实施例中，中间石英玻璃管54稍微高于外部石英玻璃管52且具有彼此相对的两个切口或窗口57。窗口57的下边缘位于V＝0(图7)处，以实现与美国专利号6,253,580和6,536,240中所讲述的相同的化学物质喷射位置。在一方面，窗口57具有高16mm以及宽18mm的尺寸。本发明的电感等离子喷灯40还包括内部石英玻璃管58。
当与内部石英玻璃管58和外部石英玻璃管52比较时，中间石英玻璃管54优选为最高。外部石英玻璃管52优选地高于内部石英玻璃管58。这些石英玻璃管的典型尺寸为：内部石英玻璃管58具有约60mm的外径和约150mm的长度；中间石英玻璃管54具有约70mm的外径和约270mm的长度；以及外部石英玻璃管52具有约85mm的外径和约200mm的长度。
此外，本发明的电感等离子喷灯40还包括底部石英玻璃环盘66和顶部石英玻璃环盘70。底部石英玻璃环盘66基本垂直地焊接在外部石英玻璃管52的位于线圈64上方的顶部上，该线圈64位于外部石英玻璃管52的外表面处与外部石英玻璃管52基本垂直。顶部石英玻璃环盘70基本垂直地焊接在中间石英玻璃管54的顶部。这些石英玻璃环的尺寸可以为如下：底部石英玻璃环盘66具有约为150mm的外径和约为85mm的内径。此外，顶部石英玻璃环盘70具有约为110mm的外径和约为70mm的内径。
底部石英玻璃环盘66和顶部石英玻璃环盘70定义屏蔽气体的流型(下文对此进行描述)。它们使得屏蔽气体在本发明的电感等离子喷灯40的顶部上具有水平径向外流。该气流产生等离子气体的较低压力区域，这将使得其从中间石英玻璃管54向外流动。这将增加等离子火焰74的宽度。较宽的火焰将增加旋转对象30的侧表面上的沉积区域的宽度。这导致工艺的更高沉积速率和效率。而且，可以通过调节屏蔽气体的流速来保持等离子火焰74的稳定性。
此外，底部石英玻璃环盘66和顶部石英玻璃环盘70具有来自中间石英玻璃管54和外部石英玻璃管52的强固支撑，相比之下，现有技术中常见的稳定器条仅有一端连接到石英管。这种新设计增加了坚固性，并降低本发明的电感等离子喷灯40的维修和更换成本。
用于喷射化学物质72的一对化学物质喷射口68垂直地位于(located vertically)底部石英玻璃环盘66与顶部石英玻璃环盘70之间，它们在水平方向上设在外部石英玻璃管52与中间石英玻璃管54之间且对准中间石英玻璃管54的切口窗口57。通过这些化学物质喷射口68，将化学物质72(例如SiCl4)引入等离子火焰74中以产生沉积并固结在旋转对象30上的二氧化硅灰颗粒。
将这对化学物质喷射口68连接到第二气体线路44，以用于将源化学物质72传送到电感等离子喷灯40。化学物质喷射口68通常包括具有5mm的直径的石英管，当然也可以将约3-10mm的管直径来结合本发明的电感等离子喷灯40使用。在本实施例中，这对化学物质喷射口68相对于外壳41设在相同高度处，并且这对化学物质喷射口68的每个化学物质喷射口设为在直径方向上的彼此对面。但是，不采用仅两个这种化学物质喷射口68的话，可以设置对称布置的三个或甚至更多化学物质喷射口68。
一对等离子气体进口76连接将等离子气体传送到电感等离子喷灯40的第一气体线路42。等离子气体进口76在大致与外壳41的基座基本相同高度处进入外壳41。这些等离子气体进口76通常包括具有5mm直径的不锈钢管，当然一定范围的直径也可以满足此目的。电感等离子喷灯40还优选地包括冷却液进口78和出口80。在使用期间，冷却液(例如水)通过进口78，在外壳41的外壁内循环，并通过出口80离开。冷却液进口和出口由不锈钢制成并具有5mm的直径。与等离子气体进口和喷射口的情况一样，冷却液进口78和出口80的直径也可以改变以适应电感等离子喷灯40的期望的热动力学特性。
等离子气体进口76、冷却液进口78和冷却液出口80优选地全部在不锈钢舱体(chamber)82中形成。舱体82在侧面上为不锈钢正方块100mm，具有约40mm的高度。舱体82安装到支撑座56上，然后支撑座56再安装在支撑架32上，以便沿旋转对象30移动。优选地，等离子气体通过等离子气体进口76沿切线方向被引入到内部石英玻璃管58与中间石英玻璃管54之间。
通过屏蔽气体口84将羟基含量小于1ppm的屏蔽气体(例如氮气)引入到中间石英玻璃管54与外部石英玻璃管52之间。干燥的屏蔽气体在中间石英玻璃管54与外部石英玻璃管52之间流过，产生氮气屏障，这阻止从周围环境的水汽扩散，从而降低沉积的石英玻璃层中的羟基含量。使用主动流动氮气屏障，本发明的电感等离子喷灯40在隔离环境影响和降低羟基含量方面比利用现有技术中常见的被动稳定器条更有效。
电感等离子喷灯40还包括围绕其外壳41的上方部位设置的铜电感线圈64。线圈64包括多个绕组62，绕组62具有约95mm的直径且彼此间隔约6mm。外壳41与线圈之间的间隙可以在2-10mm之间。线圈64的最上部位(如图中最上绕组62’所示)与底部石英玻璃环盘66相隔约2mm的固定距离。电感线圈64设在外部石英玻璃管52的外侧。
高频发生器(未示出)电连接到线圈64，按5.28+/-0.13MHz的频率以最高60kW的可变功率输出对线圈64供电。在优选实施例中，该发生器是可从德国的Fritz Huettinger Electronic GmbH获得的型号IG 60/5000。利用50Hz三相480V电源驱动此发生器，以对电感等离子喷灯40赋能。
如上文描述，本发明的等离子喷灯40安装在可移动支撑架32上，而可移动支撑架32设在玻璃工作的车床24上。可移动支撑架32在沉积过程期间沿旋转对象30前后移动。由于电感等离子喷灯40的支撑装置的重量，所以优选的操作是保持可移动支撑架32固定而移动旋转对象30。对象棒或管将从右到左移动，然后返回其原位或按前后向运动所指示的移动。
图3图示本发明的电感等离子喷灯的另一个实施例120，该电感等离子喷灯具有一个或多个偏离中心的化学物质喷嘴，前侧化学物质喷嘴122和后侧化学物质喷嘴124。通常，现有技术的等离子喷灯包括彼此正对地设置的化学物质喷射口。在此实施例中，后侧化学物质喷嘴124与电感等离子喷灯120的中心线对齐，而前侧化学物质喷嘴122与旋转对象30相同的方向向前移动，在后侧化学物质喷灯124前面约8mm。利用图3所示的此布置和沿“向前方向”的操作，实现沉积速率的提高以及更好地控制对象直径。这提供更均匀的旋转对象30的直径。
优选地，两个喷嘴之间的8mm的偏离提供了改进的沉积结果。此外，此偏离距离可以根据如下多个因素而定，这些因素包括：旋转对象30的大小、电感等离子喷灯120的直径、正在使用的发电机、等离子气体的流速以及所用的原始化学物质及其送料速率。优选地，偏离可以在范围6至12mm之间。
在此实施例中，化学物质喷嘴122和124的相对位置可以交换，以使它们相对于沉积方向而言完全相同。例如，在图4中，相对于旋转对象30的反向移动示出前侧化学物质喷嘴122和后侧化学物质喷嘴的交换布置。正如可从图3和图4看到的，喷嘴的位置1和2根据旋转对象30或电感等离子喷灯120的运动而进行交换。参考图4，前侧化学物质喷嘴122与电感等离子喷灯120的中心线对齐，而后侧化学物质喷嘴124在前侧化学物质喷嘴122前面约8mm。
如图3所示，在从站在电感等离子喷灯120的前面的观察者的角度来看的向前方向上，沉积是从右端到左端。前方化学物质喷嘴122在电感等离子喷嘴120的中心线前面，而后侧化学物质喷嘴124与电感等离子喷灯120的中心线对齐。如图4所示，在从站在电感等离子喷灯120的后面的观察者的角度来看的反方向上，沉积将是从右边移动到左边。在此实施例中，在单程移动(pass)开始之前，后侧化学物质喷嘴124和前侧化学物质喷嘴122彼此非常快速地交换。位置1对应于向前运动，位置2对应于反向运动。
为了交换化学物质喷嘴122和124的位置，开口窗口57的宽度更改为约20mm，窗口57的位置不再直接彼此相对。而是彼此有一定偏移。将窗口放大得太多可能导致等离子气体过度外泄。
此外，化学物质喷嘴122和124的交换位置还可以利用预设且固定位置处的两个附加喷嘴来实现。此外，用于向期望的喷嘴提供化学物质的不同阀门和电子控件也可以实现相同的功能。
时常，在沉积过程期间在化学物质喷嘴68、122和124的端头处发生堆积。这些堆积可能大大降低沉积速率和玻璃的质量。在检验时，这些堆积看上去像是在化学物质喷嘴68、122和124的气流路径中形成的倒刺。
已发现当反应化学物质的流速增加时，操作期间最初发生沉积速率的相应增加，但是随后趋于平稳，然后开始下降。这说明层流对于有效率地沉积喷射的化学物质的重要性。在对化学物质喷嘴68、122、124的一系列实验测试之后，已发现为了保持化学物质喷嘴68、122、124的层流，化学物质喷嘴68、122、124的开口或“横截面积”(CSA)、喷嘴配置和化学物质流速的最优条件。这些最优条件将化学物质喷嘴68、122、124的端头处堆积的灰颗粒减少到最小，并且还能够减小颗粒尺寸，使得在玻璃中积存气泡的机会更小。
优选地，对于本发明工艺，理想的颗粒尺寸是在0.02到0.05mm之间。当沉积的灰颗粒的直径变得非常大时，它们会变得难以固结。很多时候，因灰颗粒更大，也在玻璃中积存气泡。当将层流保持在化学物质喷嘴68、122、124的固定水平时，均匀地减少颗粒的尺寸，这提高了玻璃的质量。而且，还将灰颗粒在化学物质喷嘴68、122、124端头处的可能堆积减少到最小，并减少维护的需求和频度。
图5图示本发明的电感等离子喷灯的另一个实施例150。电感等离子喷灯150包括具有凹形部分(concave section)152的中间石英玻璃管154。不使用从中间石英玻璃管154的底部到顶部的均匀直径，而是在内部石英玻璃管58的顶部正上方制造凹形部分152。此凹形部分152逐渐使直径缩小到其完整直径的约30％，然后弯曲向外恢复到正常直径。例如，凹形部分152在内部石英玻璃管58的顶部上方约3mm处开始。凹形部分的总垂直长度约为30mm，而凹形的最小直径约为50mm。在一个实施例中，内部石英玻璃管58具有约60mm的外径和约150mm的长度；中间石英玻璃管154具有约70mm的外径和约255mm的长度；以及外部石英玻璃管52具有约85mm的外径和约200mm的长度。本发明电感等离子喷灯150的优点是，增加了电感等离子喷灯150的效率和提高了平均等离子喷流的热含量。
据公知的，耦合到电感等离子喷灯150的总能量W将分散到辐射损耗Wr，石英管的吸收Wt和传输到等离子喷流的Wj。此总能量的数学公式为：
W＝Wr+Wt+Wj    (1)
根据Reed所做的工作(Journal Applied Physics Vol.32，Page 821(1961))以及Gutsol等人也报告的工作(Plasma Chemistry and PlasmaProcessing Vol.22，Page 351(2002))，本发明电感等离子喷灯150中使用的旋流型具有非常独特的特征。密集的流旋转导致再循环区的形成。该区的轴上的反向流导致形成等离子的“尾部”，这扩大了电感器区域的上游(在本发明实施例中位于线圈下)。此区在冷气体区域中的长度可以比管直径大许多倍，因此可以到达等离子气体进口76的附近。
参考图6，图示本发明等离子喷灯的另一个实施例200的俯视平面图，其中图示根据本发明实施例的附加气体进口的布置。在此实施例中，四个单独的等离子气体进口76与舱体82大致相切地朝向。正如上文论述的，这些等离子气体进口76连接将等离子气体传送到电感等离子喷灯40的第一气体线路。这些等离子气体进口76可以是与上文描述的尺寸相同的尺寸的并且由相同材料制成。这些等离子气体进口76的数量和朝向产生等离子气体的循环流或旋流型以及改进的等离子火焰74。可以使用任何数量的等离子气体进口76来实现等离子气体的期望流型(floW pattern)。
转到图7，将现有技术的电感等离子喷灯的流型(在左边)与本发明的电感等离子喷灯150的流型(在右边)进行比较。其中示出由RF线圈感生的表层(SL)；等离子再循环区(RZ)；以及等离子气体流的流线(SM)。从图7中，注意到现有技术的等离子喷灯的等离子尾部向等离子气体进口76延伸。对于本发明的电感等离子喷灯150，注意到等离子再循环区结束于凹形部分152的正上方，而不延伸到等离子气体进口76。这是因为凹形部分152的直径迫使流线向管的中央移动并限制等离子尾部进一步向上游(upstream)移动。因此，等离子再循环区在电感等离子喷灯150上变得较短(较小)。因为等离子再循环区变得较小，所以也降低V＝0的位置。
当等离子再循环区变得较小时，明显的是至辐射的能耗将更小，至石英管的损耗也一样将更小。根据公式(1)，看出当总耦合的能量W不变，但是辐射损耗Wr和石英管吸收的能量Wt变小时，将有更多能量可用于等离子喷流Wj。换言之，Wj将增加且变得更大。因此，公式＝Wj/W表示的效率也将提高。相似地，在相同总流速的情况下，还将增加平均等离子喷流的热含量Hj＝Wj/Q；其中Q是等离子气体的总质量流。
参考图6和图7，凹形部分152可以结合附加的等离子气体进口76来使用。例如，当使用四个等离子气体进口76时，可以对每个单独等离子气体进口76降低流速，而保持设计的总流速。这改进等离子火焰或喷流74的旋转对称性126(如图3和4所示)。这还将提高等离子火焰或喷流(jet)74的稳定。
在此实施例中，使用四个等离子气体进口76。在此实施例的情况中，相对两个等离子气体进口76可以提供主要的等离子气体，而其他两个等离子气体进口76可以用作辅助。一个将提供氧气而另一个将提供氮气。这可以增加总气体流速而不会产生湍流。它还允许更改氧气对氮气的比率，但是在工艺过程中保持相同的总流量。
这四个等离子气体进口76无需位于相同的平面上，因此控制四个等离子气体进口76的位置和平面可以产生不同类型的流型。此外，调整至每个等离子气体进口76的单独气体流也可以产生不同类型的流型。可以使用附加的等离子气体进口76来提供例如含氟气体(例如，SiF4、CF4或SF6)的气相原材料。还可以在不期望进入反应区之前发生预先混合时使用它们来提供原材料的蒸汽相成分。
参考图5，化学物质喷射口68示出为设在底部石英玻璃环盘66的顶部，但是不与外部石英玻璃管52的顶部垂直，而是它们相对于该平面向下约15度对准电感等离子喷灯150的中心(其中V＝0)。化学物质喷射口68的角度倾斜是向下对准的，具体取决于电感等离子喷灯150的直径、凹形部分152的尺寸、等离子气体的流速、耦合的等离子能量和化学反应的原材料。
正如上文指示的以及在图7中，本发明的电感等离子喷灯150降低V＝0的位置，从而V＝0处的温度更高。这是另一个有益之处，因为缩小了再循环区。这种布置还可以利用本发明等离子喷灯150的独特温度分布，并得到改进的化学物质转换速率和使得颗粒尺寸更均匀。
参考图5的电感等离子喷灯150，可以取消图2所示的中间石英玻璃管54高于外部石英玻璃管52的加长部分。通过缩短中间石英玻璃管54，还可以取消用于化学物质喷射的窗口57。在此实施例中，在缩短中间石英玻璃管54之后，顶部和底部环变得更接近。还可以取消顶部石英玻璃环盘70，因为底部石英玻璃环盘66足够形成期望的空气屏障。
在图5的电感等离子喷灯150中，底部石英玻璃环盘66将能够形成具有水平径向外流方向的屏蔽气体。这是因为底部石英玻璃环盘66本身可以提供必要的环境屏蔽。对于此实施例，取消顶部石英玻璃环盘70将节省设备制造成本，简化设计，并使得电感等离子喷灯150更紧凑。
通过这些修改，等离子火焰74的热含量被增加而无需增加来自发电机的功率。这样无需使用更大的电源而提供提升的生产率。而且，还将工艺效率提高约10％，该工艺还大大地减少沉积的玻璃中气泡的形成。
本发明的电感等离子喷灯40、120、150和200可以采用水平模式来工作，以便沉积用于制作预制品、管、棒或所有三者的二氧化硅。此外，本发明的电感等离子喷灯40、120、150和200可以用于按垂直模式方式沉积二氧化硅玻璃沉积，这将允许我们制作玻璃坯件或坯料。
通过使用电感等离子喷灯40、120和150中讲述的所有特征，已发现可以实现沉积速率和效率(材料利用率)中的显著提高。下表1示出现有技术电感等离子喷灯与电感等离子喷灯150的比较。
表1
制造示例将示出这些改善的真正优点。要将玻璃沉积在初始外径20mm的一米长度的玻璃目标上以使其最终外径增长到70mm，利用现有技术的电感等离子喷灯设计将花费稍多于27个小时。但是作为本文讲述的电感等离子喷灯的结果，该工艺将花费小于17小时，因此节省了10小时的工艺时间。换言之，对于相同的制造时间周期，可以将生产能力提升约40％。这还促使劳动成本显著下降。当考虑到这种新的电感等离子喷灯将能够以仅百分之六十60％设备制造出与现有技术相同数量的产品时，这些显著的节省就会被关注。这解释为资本投资上节省40％。从原材料利用的考虑上显示出本发明设计的其他优点。本发明的电感等离子喷灯促成材料成本的40％节省。
已经描述用于制作合成二氧化硅的创新等离子喷灯。应该理解，本文描述的特定实施例是出于举例的目的，而不应视为限制本发明。而且，显然本领域技术人员可以在不背离本发明概念的前提下大量使用和修改所描述的特定实施例。例如，可以采用不同材料制作所描述的线圈和设计线圈的功率要求，并在不同的功率设置下工作。还显见到所引述的石英管的尺寸可以针对期望的应用更大些或更小些。

Claims (40)

1.一种用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，包括：
外部石英玻璃管，具有第一长度和第一横截面直径以及连接到基座的第一端和朝向衬底的第二端，所述外部石英玻璃管被电感线圈环绕；
内部石英玻璃管，具有第二长度和第二横截面直径以及连接到所述基座的第一端和朝向所述衬底的第二端，所述第二横截面直径小于所述第一横截面直径，使得所述内部石英玻璃管被设置成基本上与所述外部石英玻璃管平行且位于所述外部石英玻璃管内；
中间石英玻璃管，具有第三长度和第三横截面直径以及连接到所述基座的第一端和朝向所述衬底的第二端，所述第三横截面直径小于所述第一横截面直径并大于所述第二横截面直径，使得所述中间石英玻璃管被设置成基本上与所述外部石英玻璃管和所述内部石英玻璃管平行且位于所述外部石英玻璃管与所述内部石英玻璃管之间，用于提供在所述中间石英玻璃管与所述外部石英玻璃管之间的用于屏蔽气体的通道，并用于提供在所述内部石英玻璃管与所述中间石英玻璃管之间的用于等离子气体的通道，以在所述电感线圈被赋能时产生等离子火焰；
第一石英玻璃环盘，同心地连接到所述外部石英玻璃管的所述第二端的外侧；
第二石英玻璃环盘，同心地连接到所述中间石英玻璃管的所述第二端的外侧，其中所述屏蔽气体的流型由所述第一石英玻璃环盘和所述第二石英玻璃环盘来确定；以及其中所述中间石英玻璃管的所述第二端延伸超出所述外部石英玻璃管的所述第二端；以及
至少一个化学物质喷嘴，位于所述第一石英玻璃环盘与所述第二石英玻璃环盘之间，用于将化学物质源气体喷射到所述等离子火焰中。
2.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述外部石英玻璃管的所述第二端延伸超出所述内部石英玻璃管的所述第二端。
3.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一和第二石英玻璃环盘基本上与所述中间石英玻璃管垂直。
4.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述中间石英玻璃管还包括：
至少一个开口，位于大致靠近所述中间石英玻璃管的所述第二端附近，用于为所述喷射的化学物质源气体进入所述等离子火焰提供通道。
5.如权利要求4所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述至少一个开口垂直地位于所述第一和第二石英玻璃环盘之间。
6.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一、第二和第三横截面直径彼此为同心的。
7.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述线圈垂直地位于所述第一石英玻璃环盘与所述基座之间。
8.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一长度在100-300mm之间。
9.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一直径在40-120mm之间。
10.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第二长度在75-225mm之间。
11.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第二直径在30-90mm之间。
12.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第三长度在135-400mm之间。
13.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第三直径在35-105mm之间。
14.如权利要求4所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述至少一个开口具有在8-24mm之间的高度。
15.如权利要求4所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述至少一个开口具有在9-27mm之间的宽度。
16.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一石英玻璃环盘具有在40-130mm之间的内径。
17.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一石英玻璃环盘具有在75-225mm之间的外径。
18.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第二石英玻璃环盘具有在35-105mm之间的内径。
19.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第二石英玻璃环盘具有在55-165mm之间的外径。
20.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述第一和第二石英玻璃环盘被设置成降低用于所述等离子气体的压力区域以使所述屏蔽气体具有接近所述等离子火焰的水平径向流型。
21.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，还包括：
冷却液入口和冷却液出口，位于所述基座中，用于使冷却液循环通过所述基座。
22.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述屏蔽气体具有小于1ppm的羟基含量。
23.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述线圈与所述外部石英玻璃管之间的距离在2-10mm之间。
24.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述线圈由高频发生器供电。
25.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述至少一个化学物质喷嘴包括：
第一化学物质喷嘴，位于所述等离子喷灯的中心线处；以及
第二化学物质喷嘴，位于所述等离子喷灯的所述中心线的前面。
26.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述中间石英玻璃管具有围绕其周界、在所述内部石英玻璃管上方形成的凹形收缩部分。
27.如权利要求1所述的用于制作合成二氧化硅的等离子喷灯，其中所述至少一个化学物质喷嘴相对于水平面向下形成角度。
28.一种用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，包括：
等离子喷灯，所述等离子喷灯包括：
外部石英玻璃管，具有基本上垂直于衬底的一端，所述外部石英玻璃管被电感线圈环绕；
内部石英玻璃管，具有基本上垂直于所述衬底的一端；
中间石英玻璃管，具有基本上垂直于所述衬底的一端，所述中间石英玻璃管位于所述外部石英玻璃管与所述内部石英玻璃管之间，其中所述管是同心的，以提供位于所述内部石英玻璃管与所述中间石英玻璃管之间的用于等离子气体的第一通道，以在所述电感线圈被赋能时产生等离子火焰，以及提供位于所述外部石英玻璃管与所述中间石英玻璃管之间的用于屏蔽气体的第二通道；
第一石英玻璃环盘，同心地连接到所述外部石英玻璃管的所述一端的外侧；
第二石英玻璃环盘，同心地连接到所述中间石英玻璃管的所述一端的外侧，其中所述屏蔽气体的流型由所述第一石英玻璃环盘和所述第二石英玻璃环盘来确定；
至少一个化学物质喷嘴，位于所述第一石英玻璃环盘与所述第二石英玻璃环盘之间，用于将化学物质源气体喷射到所述等离子火焰中；以及
用于支撑所述衬底的部件，其中所述衬底和所述用于支撑的部件相对于彼此移动。
29.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述中间石英玻璃管的所述一端延伸超出所述外部石英玻璃管的所述一端。
30.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述外部石英玻璃管的所述一端延伸超出所述内部石英玻璃管的所述一端。
31.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述第一和第二石英玻璃环盘基本上与所述中间石英玻璃管相垂直。
32.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述中间石英玻璃管还包括：
至少一个开口，位于大致靠近所述中间石英玻璃管的所述一端附近，用于为所述喷射的化学物质源气体进入所述等离子火焰提供通道。
33.如权利要求32所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述至少一个开口垂直地位于所述第一和第二石英玻璃环盘之间。
34.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述线圈垂直地位于所述第一石英玻璃环盘与所述基座之间。
35.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述第一和第二石英玻璃环盘被设置成降低用于所述等离子气体的压力区域以使所述屏蔽气体具有接近所述等离子火焰的水平径向流型。
36.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述线圈由高频发生器供电。
37.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述至少一个化学物质喷嘴包括：
第一化学物质喷嘴，位于所述等离子喷灯的中心线处；以及
第二化学物质喷嘴，位于所述等离子喷灯的所述中心线的前面。
38.如权利要求37所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中在所述衬底向所述等离子喷灯的所述移动期间，所述等离子喷灯相对于所述衬底轴向地旋转，用于使所述第二化学物质喷嘴呈现为向前的化学物质喷嘴。
39.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述中间石英玻璃管具有围绕其周界、在所述内部石英玻璃管上方形成的凹形部分。
40.如权利要求28所述的用于制作合成二氧化硅的等离子沉积设备，其中所述至少一个化学物质喷嘴相对于水平面向下形成角度。
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