DE10111733B4 - Verfahren zur Herstellung eines SiO2-Rohlings - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings, indem aus einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung durch Flammhydrolyse SiO₂-Partikel in einer Reaktionskammer (1) gebildet werden, von denen ein Anteil auf einem rotierenden Träger (5) unter Bildung des SiO₂-Rohlings (6) schichtweise abgeschieden und ein Verlustanteil mittels eines Prozess-Gasstroms (7) aus der Reaktionskammer (1) ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Ablagerungen von SiO₂-Partikeln an einer Innenwandung (9) innerhalb der Reaktionskammer (1) ein gerichteter Hilfs-Gasstrom (10; 20) mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung erzeugt wird, wobei die Strömungsrichtung mit der Innenwandung (9) einen Winkel im Bereich von Null Grad und 90 Grad einschließt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings, indem aus einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung durch Flammhydrolyse SiO₂-Partikel in einer Reaktionskammer gebildet werden, von denen ein Teil auf einem rotierenden Träger unter Bildung des SiO₂-Rohlings schichtweise abgeschieden und ein Verlustanteil mittels eines Prozess-Gasstroms aus der Reaktionskammer ausgetragen wird
• Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-A1 476 218 bekannt. Darin wird die Herstellung einer länglichen, porösen Vorform aus SiO₂-Partikeln beschrieben, wobei mittels Flammhydrolyse-Brennern auf einem vertikal orientierten, um seine Längsachse rotierenden Substratstab SiO₂-Partikel schichtweise abgeschieden werden. Die Brenner sind mit äquidistanten Abstand von 10 cm zueinander auf einem parallel zur Längsachse des Substratstabes verlaufenden Brennerblock montiert. Der Brennerblock wird entlang der sich bildenden porösen, zylinderförmigen Vorform zwischen einem oberen und einem unteren Wendepunkt mittels einer regelbaren Verschiebeeinrichtung hin- und herbewegt.
• Der Abscheideprozess findet in einer geschlossenen Kammer statt. Während des Abscheideprozesses wird die Kammer von einem Strom gefilterter Luft laminar durchströmt. Diese Strömung wird erzeugt, indem mittels eines wabenförmigen Strömungsbauteils, das sich hinter dem Brennerblock über die gesamte Länge der Vorform erstreckt, ein laminarer Luftstrom in Richtung auf die Vorform erzeugt wird, wobei dieser die Abscheidebrenner und die Vorform umströmt und hinter der Vorform über ein weiteres Strömungsbauteil, das als Diffusor wirkt, abgezogen wird.
• Ein Teil der mittels der Abscheidebrenner erzeugten SiO₂-Partikel, die nicht auf dem Träger niedergeschlagen werden, können zwar mittels des laminaren Luftstroms aus der Abscheidekammer entfernt werden; jedoch gelingt dies nicht vollständig. SiO₂-Partikel schlagen sich auf der Kammerwandung oder auf Einbauten innerhalb der Kammer nieder und bilden mit der Zeit Ablagerungen. Diese können sich im Verlauf des Abscheideprozesses lösen und auf die Oberfläche der sich bildenden Vorform gelangen. Sie rufen dabei Störungen im radialen Schichtaufbau hervor, die zu Inhomogenitäten im Quarzglas, wie Blasen, Schlieren oder Cristobalitbildung, führen können. Rohlinge, die derartige Inhomogenitäten enthalten, sind für einen Einsatz zur Herstellung von Vorformen für optische Fasern ungeeignet.
• In der US-A 4,713,107 ist ein sogenanntes VAD-Verfahren zur Herstellung eines „SiO₂-Sootkörpers" in einem Reaktor beschrieben. Die Reaktor-Außenwandung lädt sich während des Prozesses durch herumvagabundierende oder abgelagerte SiO₂-Partikel elektrostatisch auf. Um die Anziehung der abgelagerten SiO₂-Partikel in Richtung auf den Sootkörper durch das elektrische Feld zu verhindern, ist zwischen der Reaktor-Außenwandung und dem Sootkörper ein Metallgitter vorgesehen. Das Metallgitter dient dazu, die sich bildenden Ablagerungen so abzusichern, dass sie den Sootkörper nicht gefährden. In der US-A 4,713,107 wird somit nicht vorgeschlagen, ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, sondern die Ausbildung eines elektrischen Feldes wird in Kauf genommen und es wird versucht, die damit einhergehenden Nachteile durch das Metallgitter zu vermeiden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe ein weiteres Verfahren anzugeben, mittels dem eine Beeinträchtigung des SiO₂-Rohlings durch Ablagerungen auf Innenwandungen in der Reaktionskammer weitgehend vermieden wird.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß einerseits dadurch gelöst, dass zur Vermeidung von Ablagerungen von SiO₂-Partikeln an einer Innenwandung innerhalb der Reaktionskammer ein gerichteter Hilfs-Gasstrom mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung erzeugt wird, derart, dass die Strömungsrichtung mit der Innenwandung einen Winkel zwischen Null Grad und 90 Grad einschließt.
• Der Hilfs-Gasstrom wirkt auf die Innenwandung innerhalb der Reaktionskammer derart ein, dass Ablagerungen von SiO₂-Partikeln vermieden oder vermindert werden.
• Diese Maßnahme ist bei allen „ablagerungsgefährdeten" Innenwandungen wirksam, bei denen ansonsten eine Ablagerung von SiO₂-Partikeln beobachtet wird. Dabei kann es sich um eine oder mehrere innere Begrenzungswandungen der Reaktionskammer selbst handeln, oder um eine oder mehrere Oberflächen von Einbauten innerhalb der Reaktionskammer.
• Wesentlich ist, dass ein gerichteter Hilfs-Gasstrom erzeugt wird, mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung, die mit der Oberfläche der betreffenden, ablagerungsgefährdeten Innenwandung einen Winkel im Bereich von Null Grad und 90 Grad einschließt. Dessen Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrate und Strömungsrichtung werden allein im Hinblick auf die Vermeidung von Ablagerungen vorgegeben und optimiert; der Hilfs-Gasstrom ist insoweit unabhängig vom Prozess-Gasstrom.
• In Abhängigkeit von dem vorgegebenen Winkel der Strömungsrichtung in Bezug auf die Oberfläche der betreffenden Innenwandung wirkt der Hilfs-Gasstrom entweder eher als „Sperrstrom", mit dem Ziel, einen Kontakt von SiO₂-Partikeln und der Oberfläche der ablagerungsgefährdeten Innenwandung zu verhindern, oder eher als „Spülstrom", der kontinuierlich oder stoßweise die betreffende Oberfläche reinigt. Diese beiden Verfahrensvarianten werden nachfolgend näher erläutert.
• In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird ein Hilfs-Gasstrom mit einer parallel zur Innenwandung verlaufenden Strömungsrichtung erzeugt. Bei dieser Verfahrensweise wird der Kontakt von SiO₂-Partikeln mit der Innenwandung durch eine im wesentlichen laminare Strömung entlang der betreffenden Oberfläche wirksam verhindert; der Hilfs-Gasstrom wirkt somit als „Sperrstrom".
• Ein derartiger laminarer „Sperrstrom" entlang der Oberfläche der betreffenden Innenwandung wird vorteilhaft durch eine oder mehrere Düsen innerhalb der Reaktionskammer erzeugt.
• In einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante wird ein Hilfs-Gasstrom mit einer Strömungsrichtung erzeugt, die mit der Innenwandung einen Winkel von 90 Grad einschließt.
• Bei dieser Verfahrensweise wird die betreffende Innenwandung kontinuierlich oder stoßweise von anhaftenden SiO₂-Partikeln befreit; der Hilfs-Gasstrom wirkt somit als „Spülstrom".
• Ein derartiger „Spülstrom" senkrecht zur Oberfläche der betreffenden Innenwandung wird zweckmäßigerweise dadurch erzeugt, dass die Innenwandung eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch die der Hilfs-Gasstrom in die Reaktionskammer einströmt. In demjenigen Bereich (oder in den Bereichen), in dem die betreffende Innenwandung Öffnungen aufweist, kann der „Spülstrom" die genannte Wirkung entfalten.
• Die oben genannte Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren weiterhin erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Vermeidung von Ablagerungen von SiO₂-Partikeln an einer Innenwandung innerhalb der Reaktionskammer eine elektrische Aufladung im Bereich der Innenwandung erzeugt wird.
• Im Gegensatz zu der oben erwähnten US-A 4,713,107, bei der die Ausbildung eines solchen elektrischen Feldes lediglich in Kauf genommen und versucht wird, die damit einhergehenden Nachteile durch ein Metallgitter zu vermeiden, macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die Wirkung einer absichtlich erzeugten elektrischen Aufladung im Bereich der Reaktor-Innenwandung zu Nutze, um Ablagerungen an ablagerungsgefährdeten Stellen der Reaktor-Innenwandung unter Einsatz des elektrischen Feldes zu vermeiden. Hierzu ist das elektrische Feld so gerichtet, dass sich keine Ablagerungen im Bereich der Reaktor-Innenwandung bilden. Dadurch kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auf die in US-A 4,713,107 vorgeschlagenen Sicherungs-Maßnahmen in Form eines Metallgitters verzichtet werden.
• Die elektrische Aufladung der ablagerungsgefährdeten Innenwandung ist derart, dass eine Abscheidung von SiO₂-Partikeln auf dieser Innenwandung und damit die Bildung von Ablagerungen behindert wird.
• Diese Maßnahme ist bei allen „ablagerungsgefährdeten" Innenwandungen wirksam, bei denen ansonsten eine Ablagerung von SiO₂-Partikeln beobachtet wird. Dabei kann es sich um eine oder mehrere innere Begrenzungswandungen der Reaktionskammer selbst handeln, oder um eine oder mehrere Oberflächen von Einbauten innerhalb der Reaktionskammer.
• Die SiO₂-Partikel sind üblicherweise aufgrund von Reibungseffekten im Gasstrom elektrostatisch aufgeladen. Durch Erzeugen einer Ladung mit gleichem Vorzeichen im Bereich der „ablagerungsgefährdeten" Innenwandung kommt es zu den Abstoßungseffekten, die einen Niederschlag von SiO₂-Partikeln auf der entsprechenden Innenwandung behindern. Es hat sich aber gezeigt, dass auch das Anlegen eines Wechselfeldes mit wechselnden elektrischen Aufladungen im Bereich der Innenwandung eine die Ablagerung von SiO₂-Partikeln vermindernde Wirkung entfaltet.
• Die negative, positive oder in ihrem Vorzeichen wechselnde Aufladung kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes im Bereich der Innenwandung erzeugt werden. In einer besonders einfachen und daher bevorzugten Verfahrensweise wird die elektrische Ladung durch Anlegen eines elektrischen Feldes mittels Elektroden erzeugt wird, wobei die Innenwandung als eine der Elektroden dient.
• Als besonders wirksam hinsichtlich einer Verminderung von Ablagerungen hat es sich erweisen, an der Innenwandung eine negative elektrische Aufladung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
• Dabei ergibt sich eine weitere Verbesserung dadurch, wenn innerhalb der Reaktionskammer eine Ablagerungszone mit positiver elektrischer Aufladung erzeugt und aufrecht erhalten wird. Durch die positive Aufladung wird eine Ablagerung „vagabundierender" SiO₂-Partikel in der Ablagerungszone gefördert, so dass diese dem Innenraum der Reaktionskammer entzogen werden. Als Ablagerungszone kommen vorzugsweise „ablagerungsgefährdete" Innenwandungen innerhalb der Reaktionskammer in Frage, von denen aus ein Rückströmen von Gas in den Bereich des sich bildenden Rohlings weitgehend ausgeschlossen ist, so dass Beeinträchtigungen des Rohlings vermieden werden. Die Ablagerungen im Bereich der Ablagerungszone werden von Zeit zu Zeit entfernt.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen
• 1 die Herstellung eines SiO₂-Rohlings gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz einer „Sperrströmung",
• 2 die Herstellung eines SiO₂-Rohlings gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz einer „Spülströmung", und
• 3 die Herstellung eines SiO₂-Rohlings gemäß einer vierten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz einer „elektrischen Feldes".
• Bei den nachfolgend näher beschriebenen Verfahrensweisen gemäß den 1 bis 3 ist jeweils die Bezugsziffer 1 einer Abscheidekammer zugeordnet. Innerhalb der Abscheidekammer 1 sind auf einem Brennerbalken 2 eine Vielzahl äquidistanter Flammhydrolysebrenner 3 angeordnet. Den Flammhydrolysebrennern 3 werden Prozessgase in Form von SiCl₄, Sauerstoff und Brenngasen zugeführt, so dass sich in einer Reaktionszone, die in den Figuren in Form einer Brennerflamme 4 dargestellt ist, SiO₂-Partikel bilden und diese schichtweise auf einem um seine Längsachse rotierenden Dorn 5 abgeschieden werden. Hierzu werden die Flammhydrolysebrenner 3 entlang des Dorns 5 hin- und herbewegt, so dass sich ein länglicher, poröser Rohling 6 ausbildet.
• Die Prozessgase werden aus der Abscheidekammer 1 abgesaugt, so dass innerhalb der Abscheidekammer 1 eine Prozessgas-Strömung erzeugt wird, die schematisch durch die Richtungspfeile 7 angedeutet ist. Dabei kann es im oberen Bereich 8 der Abscheidekammer 1, insbesondere bei Verwirbelungen innerhalb der Prozessgas-Strömung 7 zu Ablagerungen von SiO₂-Partikeln an der Innenwandung 9 der Abscheidekammer 1 kommen. Im folgenden werden anhand der 1 bis 3 Maßnahmen näher beschrieben, die derartige Ablagerungen verhindern.
• Gemäß 1 wird im oberen Bereich 8 der Abscheidekammer 1 eine Hilfsgas-Strömung 10 erzeugt. Hierzu sind über die Länge des sich bildenden Rohlings 6 an der Kammer-Innenwandung 9 Stickstoffdüsen 11 vorgesehen, die eine nach oben gerichtete und im oberen Bereich 8 möglichst parallel zur Kammer-Innenwandung 9 verlaufende Hilfsgas-Strömung 10 erzeugen. Im Idealfall strömt die Hilfsgas-Strömung 10 laminar an der Innenwandung 9 entlang und wird anschließend zusammen mit der Prozessgas-Strömung 7 aus der Abscheidekammer 1 abgezogen. Die Hilfsgas-Strömung 10 erschwert das Eindringen von SiO₂-Partikeln in die Strömungsgrenzschicht der Kammer-Innenwandung 9 und verhindert so die Ausbildung von Ablagerungen.
• Gemäß 2 wird im oberen Bereich 8 der Abscheidekammer 1 eine Spülgas-Strömung 20 erzeugt. Hierzu ist die Kammer-Innenwandung 9 im oberen Bereich der Abscheidekammer 1 mit einem Lochblech 22 abgedeckt, derart, dass zwischen der Innenwandung 9 und dem Lochblech 22 ein Spülgasspalt 23 mit einer Spaltweite von ca. 1 cm verbleibt. Die Öffnungen des Lochblechs haben einen Durchmesser von 1 mm und sie sind 1 mm voneinander entfernt. Die eigentlich ablagerungsgefährdete Innenwandung innerhalb der Abscheidekammer 1 wird hierbei durch die der Prozessgas-Strömung 7 zugewandte Innenseite 29 des Lochblechs 22 gebildet. In den Spülgasspalt 23 wird mittels mehrerer Stickstoffdüsen 24, die an den Stirnseiten des Lochbleches 22 angeordnet sind, Stickstoff eingedüst, so dass sich innerhalb des Spülgasspalts 23 ein Überdruck von mindestens 2 bar einstellt. Der Stickstoff tritt über die Öffnungen des Lochblechs 22 in die Abscheidekammer 1 als Spülgas-Strömung 20 aus. Im Idealfall strömt die Spülgas-Strömung 20 in einem Winkel von 90 Grad zur Oberfläche des Lochblechs 22 aus, und beseitigt dabei an der Innenseite 29 des Lochblechs 22 anhaftende SiO₂-Partikel und verhindert so die Ausbildung von Ablagerungen.
• Bei der in 3 schematisch dargestellten Verfahrensvariante wird im oberen, ablagerungsgefährdeten Bereich 8 der Abscheidekammer 1 mittels eines Hochspannungsgenerators 41 ein elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt. Hierzu wird das gesamte Gehäuse der Abscheidekammer 1 als Anode 43 und der Brennerblock 2 als Kathode geschaltet, so dass die Abscheidekammer 1 gegenüber dem Brennerblock 2 negativ aufgeladen ist.
• Unmittelbar an der Innenwandung 9 stellt sich eine negative Ladung (in 3 durch Minuszeichen 42 symbolisiert) mit einem elektrischen Potential von ca. 20 kV ein. Die in der Prozessgas-Strömung 7 mitgeführten, ebenfalls negativ geladenen SiO₂-Partikel werden durch die negative Ladung 42 an der Innenwandung 9 der Abscheidekammer 1 abgestoßen, so dass die Ausbildung von Ablagerungen verhindert wird.
• Näheres zu den im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung relevanten Verfahren und Vorrichtungen für die Herstellung von synthetischem Quarzglas für optische Fasern durch CVD-Abscheidung sind aus folgenden Druckschriften zu entnehmen: In der US-A 5,788,730 wird ein Verfahren und ein Abscheidebrenner aus Quarzglas mit einer Mitteldüse und mindestens drei Ringspaltdüsen für die Herstellung eines Sootkörpers mit homogener radialer Dichteverteilung beschrieben; in der DE-A1 197 25 955 wird der Einsatz eines Brenners für eine Einspeisung von flüssigem Glasausgangsmaterial gelehrt; und in der DE-A1 195 01 733 wird eine Vorrichtung für die gleichzeitige und gleichmäßige Gasversorgung einer Vielzahl von Abscheidebrennern unter Einsatz eines Druckausgleichsgefäßes offenbart. Zur Steigerung der Effizienz der Soot-Abscheidung wird in der DE-A1 196 29 170 vorgeschlagen, ein elektrostatisches Feld zwischen Abscheidebrenner und Sootkörper anzulegen; in der DE-A1 196 28 958 und in der DE-A1 198 27 945 werden Maßnahmen für die Homogenisierung der Soot-Abscheidung bei Einsatz eines oszillierend bewegten Brenner-Arrays angegeben. Aus der DE-A1 197 51 919 und der DE-A1 196 49 935 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Handhabung des Sootkörpers während und nach dem Abscheideprozess bekannt; und aus US-A 5,665,132, US-A 5,738,702 und DE-A1 197 36 949 ergeben sich Maßnahmen für die Halterung des Sootkörpers beim Verglasen. Die Dotierung von Quarzglas mit Fluor und Bor wird in der EP-A 582 070 beschrieben; in der US-A 5,790,736 wird eine Lehre zur Anpassung der Viskosität von Kern- und Mantelmaterial einer Faser gegeben; und in der DE 198 52 704 geht es um ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser unter Einsatz dotierter Substratrohre nach dem MCVD-Verfahren. Die Nachbearbeitung eines verglasten Quarzglas-Hohlzylinders unter Einsatz eines speziellen Bohrers ist in der US-A 5,643,069 beschrieben. Die US-A 5,785,729 gibt eine Lehre zur Herstellung großvolumiger Vorformen unter Einsatz der Stab-in-Rohr-Technik; und die DE-A1 199 15 509 beschreibt einen zur Durchführung dieser Technik geeigneten Abzug. Gegenstand von EP-A1 767 149 und DE-A1 196 29 169 ist die Herstellung maßgenauer Quarzglas-Rohre durch ein Vertikalziehverfahren.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings, indem aus einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung durch Flammhydrolyse SiO₂-Partikel in einer Reaktionskammer (1) gebildet werden, von denen ein Anteil auf einem rotierenden Träger (5) unter Bildung des SiO₂-Rohlings (6) schichtweise abgeschieden und ein Verlustanteil mittels eines Prozess-Gasstroms (7) aus der Reaktionskammer (1) ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Ablagerungen von SiO₂-Partikeln an einer Innenwandung (9) innerhalb der Reaktionskammer (1) ein gerichteter Hilfs-Gasstrom (10; 20) mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung erzeugt wird, wobei die Strömungsrichtung mit der Innenwandung (9) einen Winkel im Bereich von Null Grad und 90 Grad einschließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfs-Gasstrom (10) mit einer parallel zur Innenwandung (9) verlaufenden Strömungsrichtung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Gasstrom (10) durch eine oder mehrere Düsen (11) innerhalb der Reaktionskammer (1) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfs-Gasstrom (20) mit einer Strömungsrichtung erzeugt wird, die mit der Innenwandung (29) einen Winkel von 90 Grad einschließt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (29) eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch die der Hilfs-Gasstrom (20) in die Reaktionskammer (1) einströmt.
6. Verfahren zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings, indem aus einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung durch Flammhydrolyse SiO₂-Partikel in einer Reaktionskammer (1) gebildet werden, wovon ein Anteil auf einem rotierenden Träger (5) unter Bildung des SiO₂-Rohlings (6) schichtweise abgeschieden und ein Verlustanteil mittels eines Prozess-Gasstroms (7) aus der Reaktionskammer (1) ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Ablagerungen von SiO₂-Partikeln an einer Innenwandung (9) innerhalb der Reaktionskammer (1) eine elektrische Aufladung (42) im Bereich der Innenwandung (9) erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Aufladung (42) durch Anlegen eines elektrischen Feldes mittels Elektroden erzeugt wird, wobei die Innenwandung (9) als eine der Elektroden (43) dient.
8. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenwandung (9) eine negative elektrische Aufladung (42) erzeugt und aufrechterhalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Reaktionskammer (1) eine Ablagerungszone mit positiver elektrischer Aufladung erzeugt und aufrechterhalten wird.