DE10041467C1 - Verfahren zum Verglasen von porösen Sootkörpern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verglasen eines porösen Sootkörpers aus Siliziumdioxid, mit einem Sootkörper, der mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt wird, wobei der Sootkörper zumindest ab dem Eintritt in die Erhitzungszone von einer Form umgeben ist. DOLLAR A Die bekannten Verfahren zum Verglasen von Sootkörpern bringen Nachteile mit sich, da die damit erhaltenen Quarzglaskörper beispielsweise durch Überschleifen nachbearbeitet werden müssen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein für das Verglasen großvolumiger, poröser Sootkörper aus Siliziumdioxid geeignetes, kostengünstiges Verfahren anzugeben, bei dem die Nachbearbeitungsschritte zur Optimierung der äußeren Abmessungen des erhaltenen Quarzglaskörpers minimiert werden können. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Sootkörper in der Erhitzungszone auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der er so weit erweicht, dass er die Volumengröße einer Form annimmt, wobei der verglaste Sootkörper zerstörungsfrei von der Form lösbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verglasen eines porösen Sootkörpers aus Siliziumdi­ oxid, mit einem Sootkörper, der mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt wird, wobei der Sootkörper zumindest ab dem Eintritt in die Erhitzungszone von einer Form umgeben ist.

Die Herstellung von Vorformen für optische Fasern und die von Vorformen für Ofenbauteile für die Halbleitertechnik erfolgt häufig über ein Zwischenprodukt, einem porösen Sootkörper aus Siliziumdioxid. Diese sogenannten "Sootkörper" sind mechanisch instabil und daher insbeson­ dere bei großen Volumen und hohem Gewicht nur schwer handhabbar. Für die Einsatzzwecke in der optischen Nachrichtentechnik und in der Halbleitertechnik werden höchste Anforderungen an die Reinheit der Sootkörper gestellt, so dass deren Handhabung bei den weiteren Verarbei­ tungsschritten, beispielsweise einer Temperatur- oder einer Gasbehandlung, besondere Auf­ merksamkeit zu widmen ist.

Bei der Behandlung derartiger Sootkörper in einem Behandlungsraum, wie beispielsweise in einem Sinterofen, ergibt sich unter anderem das Problem der Halterung der mechanisch nur wenig belastbaren Sootkörper. Bei dem aus der US-PS 4,251,251 bekannten Verfahren besteht die Halterung aus einem aus Platindrähten geformten Bügel, an dem der hohlzylindrische Soot­ körper aufgehängt wird. Zur Befestigung der Platindrähte am Sootkörper weist die Hohlzylin­ derwandung in ihrem oberen Bereich zwei waagrecht verlaufende Durchgangsbohrungen auf, durch die hindurch die Platindrähte geführt sind. Zum Sintern wird der Sootkörper kontinuierlich einem vertikal orientierten Sinterofen zugeführt. Dabei erweicht der Sootkörper in einer Erwei­ chungszone. Die Erweichungszone beginnt am unteren Ende des Sootkörpers. Mit dem Absen­ ken des Sootkörpers in den Sinterofen wandert die Erweichungszone im Sootkörper kontinuierlich nach oben. Dabei nimmt das an der Erweichungszone hängende Gewicht des bereits gesinterten Teils des Sootkörpers kontinuierlich zu. Aufgrund der geringen Viskosität in der Er­ weichungszone verlängert sich der Sootkörper daher beim Absenken unter seinem eigenen Gewicht. Das Verfahren ist daher insbesondere zum Sintern großvolumiger und schwerer Soot­ körper nicht geeignet und es führt zu in ihren Abmessungen relativ ungenauen Quarzglaskör­ pern, die beispielsweise durch Überschleifen nachbearbeitet werden müssen.

Ein anderes Verfahren zum Sintern bzw. Verglasen eines hohlzylindrischen SiO₂-Sootkörpers ist aus DE 44 32 806 A1 bekannt, wobei der Hohlzylinder mittels einer Haltevorrichtung in verti­ kaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einem Sinterofen zugeführt wird. Der Sootkörper sintert je nach Sinterabschnitt auf einem Haltefuß stehend oder an einer Tragestange hängend, wobei ein Hüllrohr in die Bohrung des Hohlzylinders eingeführt ist, dessen Außendurchmesser den Innendurchmesser des erhaltenen Quarzglasrohres bestimmt. Das Hüllrohr hat demnach eine gewisse formgebende Funktion für den zu verglasenden Sootkörper. Der Außendurch­ messer des erhaltenen Quarzglaskörpers wird aber von der Volumenkontraktion des Sootkör­ pers aufgrund seiner Sinteraktivität bestimmt, was allerdings nicht zu ausreichend exakten Ab­ messungen bzw. zu Verformungen (sogenannte Bananenform) führt. Es ist deshalb auch bei diesem Verfahren eine nachträgliche Überarbeitung des verglasten Quarzglaskörpers durch Überschleifen notwendig.

Ein Verfahren, bei dem ein stabförmiger Sootkörper aus Siliziumdioxid innerhalb einer Form verglast wird, ist aus DE 35 21 119 A1 bekannt. Hierbei besteht die Form selbst auch aus Quarzglas und bildet das Mantelglas einer Vorform für optische Fasern. Während des Durch­ gangs durch eine Heizzone schrumpft das Mantelglas unlösbar auf den verglasenden Sootkör­ per auf. Dieses Verfahren ist allein auf die Herstellung einer Vorform für optische Fasern ge­ richtet. Die unlösbare Verbindung des Mantelglases mit dem zu verglasenden Sootkörper im Innern ist für diese Anwendung sinnvoll. Eine allgemeine formgebende Verglasung von Soot­ körpern aus Siliziumdioxid mittels Quarzglasformen ist aber nachteilig, da nach dem Verglasen der äußere Bereich des erhaltenen Quarzglaskörpers, der der ursprünglichen Form entspricht, beispielsweise durch aufwendiges Abschleifen wieder entfernt werden müsste. Ferner ist nicht auszuschließen, dass im Querschnitt des erhaltenen Quarzglaskörpers am Übergangsbereich zwischen dem ursprünglichen Sootkörper und der Quarzglasform unerwünschte Sprünge in der Glaseigenschaften zu verzeichnen sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein für das Verglasen großvolumiger, poröser Sootkörper aus Siliziumdioxid geeignetes, kostengünstiges Verfahren anzugeben, bei dem die Nachbearbeitungsschritte zur Optimierung der äußeren Abmessungen des erhaltenen Quarz­ glaskörpers minimiert werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß da­ durch gelöst, dass der Sootkörper in der Erhitzungszone auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der er so weit erweicht, dass er die Volumenmaße einer Form annimmt, wobei der verglaste Sootkörper zerstörungsfrei von der Form lösbar ist.

Bei Raumtemperatur ist der zu sinternde Sootkörper im wesentlichen formstabil. Das heißt, er kann vertikal aufgestellt oder aufgehängt werden, ohne dass er sich unter seinem eigenen Ge­ wicht plastisch verformt. Bei Temperaturerhöhung erweicht der Siliziumdioxid-Soot in der Erhit­ zungszone. Seine Viskosität nimmt ab, so dass sich der Sootkörper unter den auf die Erwei­ chungszone einwirkenden Kräften verformt. Neben der Schwerkraft wirken dabei auch Verfor­ mungskräfte infolge der Volumenkontraktion auf den Sootkörper ein. Der Sootkörper weist eine Dichte von nur ca. 30% des festen Quarzglases auf. Da das Sintern oder Verglasen kontinuier­ lich erfolgt, wandert die Erweichungszone von einem Ende des Sootkörpers zu dem gegen­ überliegenden Ende.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Sootkörper in die Erhitzungszone eines Sinter- oder Verglasungsofens kontinuierlich eingebracht und dabei auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der der Sootkörper soweit erweicht, dass er in eine ihn umgebende Form ausfließt bzw. die Hohlmaße einer ihn umgebenden Form ausfüllt. Die Form selbst kann dabei entweder bereits vor dem Eintauchen des Sootkörpers in die Erhitzungszone mit dem Sootkörper mitgeführt wer­ den oder sie befindet sich innerhalb des Sinterofens und nimmt den Sootkörper erst dort auf. Die Form ist so beschaffen, dass der erweichende Sootkörper oder der verglaste Quarzglas­ körper nicht an ihr haftet und somit zerstörungsfrei von ihr lösbar ist. Die Form kann dafür zweckmäßigerweise aus mehreren zusammensetzbaren Teilen bestehen. Das erfindungsge­ mäße Verfahren ermöglicht ein kontinuierliches Verglasen von Sootkörpern mit relativ präziser Vorbestimmung der Endabmessungen des zu erhaltenden Quarzglaskörpers. Verzug oder Verformungen des verglasenden Sootkörpers, wie sie bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik zu beobachten sind, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 aufgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich besonders bewährt, wenn zumindest am oberen Ende des zu verglasenden Sootkörpers eine Haltevorrichtung angreift, wobei als Haltevorrich­ tung ein zylindrischer Graphitstab vorteilhaft ist, der durch die Längsbohrung des hohlzylindrischen Sootkörpers geführt ist, und der zur Stabilisierung des Sootkörpers beiträgt. Die Haltevor­ richtung kann zusätzlich den Sootkörper auch an der Basis stützen. Zur exakten Steuerung der Verglasung und der Kontrolle der damit einhergehenden Geometrieänderungen des Quarzglas­ körpers, ist die Haltevorrichtung mit einer Bewegungseinheit verbunden. Die vertikale Bewe­ gung der Haltevorrichtung mit dem Sootkörper ist entsprechend der Längenkontraktion des Sootkörpers während der Verglasung steuerbar. Das heißt die Zuführungsgeschwindgkeit in die Erhitzungszone kann variiert werden.

Der poröse Sootkörper wird zweckmäßig nach dem Flammhydrolyseverfahren hergestellt. Die bei der Flammhydrolyse anfallenden SiO₂ Partikel werden auf einem Träger aufgefangen und bilden den porösen Sootkörper. Ist der Träger beispielsweise eine zylindrische Stange, die nach dem Abscheiden wieder entfernt wird, so erhält man einen hohlzylindrischen Sootkörper.

Ein hohlzylindrischer Sootkörper bietet den Vorteil, dass, soweit der Hohlraum beim Verglasen bewußt beibehalten wird, in den Hohlraum bei Bedarf ein Quarzglasstab eingesetzt werden kann, der den Kern für eine Vorform bildet, aus der optische Fasern gezogen werden können. Das SiO₂-Material von einem derartigen Kernstab und vom dem den Kernstab umgebenden Mantel kann sich in Bezug auf Dotierstoffe unterscheiden.

Um aus dem porösen Sootkörper einen dichten, blasen- und schlierenfreien Quarzglaskörper zu erhalten, ist es zweckmäßig die Temperatur für die Verglasung auf einen Wert im Bereich zwischen 1300°C und 1750°C einzustellen. Dabei erfolgt die Verglasung vorzugsweise in zwei Schritten mit einer Vorsinterung bei etwa 1300 bis 1350°C und einer endgültigen Verglasung bei etwa 1700 bis 1750°C.

Hinsichtlich des Formmaterials für das erfindungsgemäße Verfahren ist ein bis 1800°C stabiles Material zweckmäßig. Keramische Werkstoffe sind für derartige Anwendungen geeignet. Gra­ phit oder Siliziumkarbid hat sich besonders bewährt. Das Formmaterial kann gasdurchlässig sein, um eine Gasbeaufschlagung oder auch eine Gasabführung während oder vor der Vergla­ sung zu ermöglichen oder zu verbessern. Es können verschiedene Graphitqualitäten eingesetzt werden, wobei besonders kohlenstofffaserverstärkter Graphit (CFC) geeignet ist. Neben den keramischen Formmaterialien sind auch hochschmelzende Metalle, vorzugsweise Molybdän oder Platin geeignet.

Vor dem Einstellen der Temperatur zum Verglasen des Sootkörpers wird dieser jedoch zum Austreiben von Wasser aus dem Soot mit einem halogenhaltigen Gas beaufschlagt. Als halo­ genhaltiges Gas hat sich Chlorgas bewährt. Dieser Behandlungsschritt wird auch als Chlorierung bezeichnet. Die Chlorierung kann als getrennter Verfahrensschritt vor dem Verglasen des Sootkörpers erfolgen, oder aber wenn sich der Sootkörper (innerhalb oder noch außerhalb der Form) bereits im Verglasungsofen befindet, bevor jedoch die Versinterung des Soots einsetzt, das heißt in einem Temperaturbereich zwischen 800°C und etwa 1200°C.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Verglasung des Sootkörpers unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre erfolgt, da hierdurch sowohl eine Oxidation des Formenmaterials Graphit oder auch Molybdän vermieden oder weitgehend reduziert, als auch eine hohe Qualität hin­ sichtlich Reinheit für den zu verglasenden Sootkörper gewährleistet wird. Als Schutzgase ha­ ben sich Argon, Helium oder Stickstoff bewährt. Besonders bevorzugt wird wegen relativ guter Wärmeübertragung eine Helium-Atmosphäre.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 und 2 in schematischer Darstellung einfache Verglasungsvorrichtungen für das erfindungsgemäße Verfahren.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist einen Ofen 1 mit einem vertikalen, zylindrischen Schutz­ rohr auf, das außen von Heizelementen 2 umfaßt wird. Die Heizelemente 2 erzeugen im Ofen eine Erhitzungszone 2a (in Fig. 1 und 2 schematisch angedeutet durch horizontale, gestrichelte Begrenzungslinien innerhalb des Ofen-Schutzrohres). Der zu verglasende, hohlzylindrische Sootkörper 3 befindet sich - nach einer Chlorierung (Chlorgasstrom 36 l/h) bei 1000°C - nun in der Graphitform 4, wobei zur Stabilisierung des Sootkörpers 3 ein Haltestab 5 in die Längsboh­ rung des Sootkörpers 3 eingeführt ist. Der Haltestab 5 greift mit einem Teller 6 am oberen Ende des Sootkörpers 3 an und stützt sich zusätzlich auf dem Boden der Graphitform 4 ab. Die Gra­ phitform 4 wird mittels einer Bewegungseinheit 7 langsam von oben in den Ofen 1 zugeführt, so dass zuerst der untere Teil des Sootkörpers 3 die Heizzone 2a erreicht und dort verglast. Um eine vollständige Verglasung zu gewährleisten, ist die Temperatur im heißesten Bereich der Heizzone 2a auf etwa 1700°C eingestellt. Im Ofen 1 herrscht ein Vakuum von 0,1 mbar. Bei weiteren Absenken der Graphitform 4 mit dem Sootkörper 3 wandert der verglaste Bereich des Sootkörpers 3 weiter nach oben bis ein vollständig verglaster Quarzglaskörper entstanden ist. Austretende Restgase können nach oben durch den porösen Teil des Sootkörpers 3 abgeführt werden. Durch geeignete Auswahl der Formgeometrie und der Absenkgeschwindigkeit nimmt der langsam verglasende Sootkörper 3 die Hohlmaße der ihn umgebenden Form 4 an. Typi­ sche Abmessungen des Sootkörpers 3 vor dem Verglasen liegen im Bereich von 400 bis 450 mm für den Außendurchmesser und bei einer Länge von 2,5 bis 3,0 Metern. Der Durchmesser der Längsbohrung bzw. des Haltestabes 5 beträgt etwa 50 bis 80 mm. Bei einer mittleren Vorschubgeschwindigkeit der Bewegungseinheit 7 von etwa 3 mm/min (abwärts) kann ein vergla­ ster Quarzglas-Hohlzylinder mit einem Aussendurchmesser von 150 bis 200 mm (Durchmesser der Bohrung etwa 50 bis 80 mm) und einer Länge von 2 Metern erhalten werden. Grundsätzlich ist es auch möglich die Heizelemente 2 anstelle des Sootkörpers 3 zu bewegen, und zwar müs­ sen in diesem Fall die Heizelemente 2 von unten nach oben bewegt werden. Nach dem lang­ samen Abkühlen des Quarzglaskörpers in der Graphitform 4, kann dieser zerstörungsfrei von der Graphitform 4 gelöst werden. Eine Nachbearbeitung auf gewünschte Endabmessungen kann in der Regel entfallen.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, das eine inte­ grierte Chlorierung umfaßt und gegenüber der Geometrie des Sootkörpers 3 stärker abwei­ chende Endabmessungen des verglasten Quarzglaskörpers erlaubt. Der zu verglasende Soot­ körper 3 befindet sich gemäß Fig. 2 in einem oberen Teil einer gasdurchlässigen Graphitform 4a, die zunächst in einen oberen, aber kälteren Bereich eines wie mit Fig. 1 erläuterten Ofens 1 eingelassen und mit Chlorgas beaufschlagt wird. Die Temperatur während der Chlorierung beträgt etwa 950°C bei 10 Vol% Cl₂ in Helium (Cl₂/He). Die Gaszufuhr in den Ofen 1 erfolgt von unten. Das Gas durchströmt den Sootkörper 3 und wird durch die zumindest im oberen Bereich gasdurchlässige Graphitform 4a wieder nach außen geführt. Nach diesem Prozeßschritt wird der Sootkörper 3 zusammen mit der Form 4a langsam weiter in höhere Temperaturbereiche abgesenkt, so dass eine Vorsinterphase bei 1350°C in Helium Atmosphäre erfolgt. Diese Be­ dingungen werden für etwa 12 h konstant gehalten. Während des Sinterns ist bereits eine Vo­ lumenkontraktion des Sootkörpers 3 zu beobachten. Die endgültige Verglasung erfolgt bei 1750°C, wobei die Graphitform 4a mit dem vorgesinterten Sootkörper 3 noch ein Stück in Richtung der höheren Temperatur bewegt wird. Bei einer Verweilzeit von 8 Stunden in dieser Position erweicht der vorgesinterte Sootkörper 3 soweit, dass er durch einen trichterförmigen Übergang 4b der Form 4a vom oberen, weiten Bereich der Graphitform 4a in einen unteren Teil der Form mit wesentlich kleinerem Durchmesser "fließt". Das zähe Fließen kann durch Herun­ terdrücken des Tellers 6 des Haltestabes 5 oder eine andere geeignete Auflage unterstützt werden. Nach dem Erkalten des Quarzglaskörpers wird die Graphitform 4a entfernt. Eine Nach­ bearbeitung des Quarzglaskörpers entfällt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verglasen eines porösen Sootkörpers aus Siliziumdioxid, mit einem Sootkörper, der mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt wird, wobei der Sootkörper zumindest ab dem Eintritt in die Erhitzungszone von einer Form umgeben ist, dadurch gekennzeich­ net, dass der Sootkörper (3) innerhalb der Erhitzungszone (2a) auf eine Temperatur er­ hitzt wird, bei der er soweit erweicht, dass er die Volumenmaße der Form (4; 4a) an­ nimmt, wobei der verglaste Sootkörper (3) zerstörungsfrei von der Form (4; 4a) lösbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (5) mittels einer Bewegungseinheit (7) in ihrer vertikalen Bewegungsrichtung derart steuer­ bar ist, dass der Sootkörper (3) entsprechend seiner Längenkontraktion während der Verglasung in die Erhitzungszone (2a) zugeführt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Sootkör­ per (3) ein nach dem Flammhydrolyseverfahren hergestellter Sootkörper (3) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als poröser Sootkörper (3) ein Hohlzylinder eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Verglasung des Sootkörpers (3) erforderliche Temperatur auf einen Wert im Bereich von 1300°C bis 1750°C eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sootkörper (3) umgebende Form (4; 4a) aus einem bis 1800°C stabilen Material be­ steht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sootkörper (3) um­ gebende Form (4; 4a) aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Graphit oder aus Siliziumkarbid, oder aus einem hochschmelzenden Metall, vorzugsweise aus Mo­ lybdän oder Platin, besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einstellen der Temperatur zum Verglasen der Sootkörper (3) mit einem halogenhaltigen Gas beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Vergla­ sen des Sootkörpers (3) unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verglasen des Sootkör­ pers (3) unter einer Argon- und/oder Helium- und/oder Stickstoff-Schutzgasatmosphäre erfolgt.