DE10158521A1

DE10158521A1 - In Teilbereichen oder vollständig verglaster SiO2-Formkörper, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung

Info

Publication number: DE10158521A1
Application number: DE10158521A
Authority: DE
Inventors: Fritz Schwertfeger; Holger Szillat; Jens Guenster; Sven Engler; Juergen G Heinrich
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: KR100539631B1; TW200300746A; CN1422819A; TW583147B; US20030104920A1; KR100686317B1; FR2832705A1; CN1262498C; JP2003221246A; KR20030044799A; KR20050035213A; DE10158521B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines in einem Teilbereich oder vollständig verglasten SiO¶2¶-Formkörpers, bei dem ein amorpher poröser SiO¶2¶-Grünkörper durch ein kontaktloses Erwärmen mittels einer Strahlung gesintert bzw. verglast wird und dabei eine Kontamination des SiO¶2¶-Formkörpers mit Fremdatomen vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung der Strahl eines Lasers eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen in Teilbereichen oder vollständig verglasten SiO₂-Formkörper, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.

Poröse, amorphe SiO₂-Formkörper werden auf vielen technischen Gebieten benutzt. Als Beispiele seien Filtermaterialien, Wärmedämmmaterialien oder Hitzeschilder genannt.

Ferner können aus amorphen, porösen SiO₂-Formkörpern mittels Sinterung und/oder Schmelzen Quarzgüter aller Art hergestellt werden. Hochreine poröse SiO₂-Formkörper können dabei z. B. als "preform" für Glasfasern oder Lichtleitfasern dienen. Darüber hinaus können auf diesem Wege auch Tiegel für das Ziehen von Einkristallen, insbesondere von Siliziumeinkristallen, hergestellt werden.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden zum Sintern und/oder Schmelzen von Quarzgütern, wie z. B. Ofensintern, Zonensintern, Sintern im Lichtbogen, Kontaktsintern, Sintern mit heißen Gasen oder mittels Plasma werden die zu sinternden und/oder zu schmelzenden Quarzgüter durch Übertragung von thermischer Energie bzw. Wärmestrahlung erhitzt. Sollen die auf diesem Weg herzustellende Quarzgüter eine extrem hohe Reinheit bezüglich jeglicher Art von Fremdatomen aufweisen, so führt der Einsatz von heißen Gasen oder heißen Kontaktflächen zu einer unerwünschten Kontamination mit Fremdatomen des zu sinternden und/oder zu schmelzenden Quarzgutes.

Eine Reduzierung oder Vermeidung der Kontamination mit Fremdatomen ist daher prinzipiell nur durch eine nichtthermische kontaktlose Erwärmung mittels Strahlung möglich.

Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist das Mikrowellensintern. Die Einkoppelung von Mikrowellenstrahlung in hochreine SiO₂ Quarzgüter ist jedoch äußerst gering. Damit ist ein solches Verfahren sehr ineffizient und mit extrem hohen Kosten verbunden. Zudem ist nachteiligerweise mit diesem Verfahren ein teilweises, örtlich begrenztes und genau definiertes Verglasen des Quarzgutes nicht möglich, da die Mikrowellenstrahlung nur sehr unfokussiert zur Verfügung steht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines in Teilbereichen oder vollständig verglasten. SiO₂-Formkörpers bereit zu stellen, bei dem ein amorpher poröser SiO₂-Grünkörper durch ein kontaktloses Erwärmen mittels einer Strahlung gesintert bzw. verglast wird und dabei eine Kontamination des SiO₂-Formkörpers mit Fremdatomen vermieden wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Strahlung der Strahl eines Lasers eingesetzt wird.

Vorzugsweise handelt es sich um einen Laser mit einem Strahl einer Wellenlänge größer als die Absorptionskante des Kieselglases bei 4,2 µm.

Besonders bevorzugt handelt es sich um einen CO₂-Laser mit einem Strahl einer Wellenlänge von 10,6 µm.

Als Laser eignen sich somit insbesondere alle kommerziell erhältlichen CO₂-Laser.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem SiO₂- Grünkörper ein aus amorphen SiO₂ Partikeln (Kieselglas) durch Formgebungsschritte hergestellter poröser amorpher Formkörper zu verstehen.

Als SiO₂-Grünkörper eignen sich grundsätzlich alle aus dem Stand der Technik bekannten. Ihre Herstellung ist z. B. in den Patenten EP 705797, EP 318100, EP 653381, DE-OS 22 18 766, Gb-B-2329893, JP 5294610, US-A-4,929,579 beschrieben. Besonders geeignet sind SiO₂-Grünkörper, deren Herstellung in DE-A1-199 43 103 beschrieben ist. Der SiO₂-Grünkörper hat vorzugsweise eine Tiegelform.

Vorzugsweise wird die Innenseite und die Außenseite des SiO₂- Grünkörpers von einem Laserstrahl mit einem Brennfleckdurchmesser von mindestens 2 cm bestrahlt und dadurch gesintert bzw. verglast.

Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise mit einer Strahlungsleistungsdichte von 50 W bis 500 W pro Quadratzentimeter, besonders bevorzugt von 100 bis 200 und ganz besonders bevorzugt von 130 bis 180 W/cm².

Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise auf der Innen- und der Außenseite des SiO₂-Grünkörpers gleichmäßig und kontinuierlich.

Das gleichmäßige, kontinuierliche Bestrahlen der Innenseite und der Außenseite des SiO₂-Grünkörpers zum Sintern bzw. Verglasen läßt sich prinzipiell durch eine bewegliche Laseroptik und/oder einer entsprechenden Bewegung des Tiegels im Strahl des Lasers durchführen.

Die Bewegung des Laserstrahls läßt sich mit allen dem Fachmann bekannten Methoden durchführen, z. B. mittels eines Strahlführungssystems, das eine Bewegung des Laserfokus in alle Richtungen ermöglicht. Die Bewegung des Grünkörpers im Laserstrahl läßt sich ebenfalls mit allen dem Fachmann bekannten Methoden durchführen, z. B. mittels eines Roboters. Ferner ist eine Kombination beider Bewegungen möglich.

Erfindungsmäßig wird bei der Sinterung bzw. Verglasung des Grünkörpers eine geschlossene, poren-, blasen- und rißfreie amorphe SiO₂-Oberfläche erzeugt. Um dies zu erreichen wird das amorphe SiO₂ durch Absorption der Laserstrahlung zum Sintern bzw. Schmelzen gebracht. Die Dicke der verglasten Innenseite bzw. Außenseite wird dabei an jedem Ort über den Eintrag an Laserleistung gesteuert.

Bevorzugt ist eine möglichst gleichmäßig dicke Verglasung der jeweiligen Seite.

Durch die Geometrie des SiO₂-Grünkörpers bedingt, kann es sein, dass der Strahl des Lasers während der Bestrahlung des Grünkörpers nicht immer unter einem konstanten Winkel auf die Grünkörperoberfläche trifft. Da die Absorption der Laserstrahlung winkelabhängig ist, ergibt sich dadurch eine ungleichmäßig dicke Verglasung. Vorzugsweise werden in solchen Fällen, um eine möglichst gleichmäßige Verglasung zu gewährleisten, eine oder mehrere der Prozeßgrößen Laserleistung, Verfahrweg, Verfahrgeschwindigkeit und Laserfokus während der Laserbestrahlung des Grünkörpers entsprechend angepaßt.

Die Verglasung bzw. Sinterung der Oberfläche des SiO₂- Grünkörpers erfolgt bei Temperaturen zwischen 1000 und 2500°C, bevorzugt zwischen 1300 und 1800°C, besonders bevorzugt zwischen 1400 und 1500°C.

Durch Wärmeleitung von der heißen Körperoberfläche in den Formkörper hinein kann bei Temperaturen über 1000°C eine teilweise bis vollständige Sinterung des SiO₂-Formkörpers über die verglaste Innenschicht bzw. Außenschicht hinaus erreicht werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, welches ein örtlich begrenztes, definiertes Verglasen bzw. Sintern eines SiO₂-Grünkörpers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nur die Innenseite oder nur die Außenseite des porösen amorphen SiO₂-Grünkörpers flächendeckend mit einem Laser bestrahlt und dadurch gesintert bzw. verglast wird.

Parameter und Vorgehen entsprechen dabei vorzugsweise dem bereits beschriebenen Verfahren mit der Einschränkung, dass nur eine Seite des Formkörpers bestrahlt wird. Erfindungsgemäß können auf diese Weise Formkörper einseitig verglast werden.

Aufgrund der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit des Kieselglases kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr scharfe und definierte Grenzfläche zwischen verglasten und unverglasten Bereichen im SiO₂-Formkörper erzeugt werden. Dies führt zu SiO₂-Formkörpern mit einem definierten Sintergradienten.

Die Erfindung betrifft somit auch einen innenseitig vollständig verglasten, außenseitig porigen SiO₂-Formkörper sowie einen außenseitig vollständig verglasten, innenseitig porigen SiO₂-Formkörper.

Bei dem innenseitig vollständig verglasten, außenseitig porigen SiO₂-Formkörper handelt es sich vorzugsweise um einen Kieselglastiegel für das Ziehen von Siliziumeinkristallen nach dem CZ Verfahren.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die definierte Strahlungsrichtung. Aufgrund der ausgeprägten Parallelität der Laserstrahlung kann der Abstand zwischen Strahlquelle und Probe fast beliebig vergrößert werden. Dies ermöglicht eine Bestrahlung des Sintergutes ohne das Risiko einer Kontamination. Weiter kann durch die gute Fokussierbarkeit des Lasers eine sehr hohe lokale Energiedichte erreicht werden.

Darüber hinaus wird durch den extremen Temperaturverlauf im SiO₂-Grünkörper während des Prozesses eine Kristallisation des Kieselglases unterdrückt.

Da sich bei einer innenseitigen Verglasung eines Grünkörpers in Tiegelform kein Schrumpf der Tiegelaußenseite einstellt, können auf diese Weise einfach endkonturnahe Tiegel hergestellt werden.

Ein innenverglaster Kieselglastiegel wird bevorzugt zum Einkristallziehen nach dem CZ-Verfahren verwendet.

Bevorzugt werden die innenverglasten und außen porösen amorphen Kieselglastiegel im äußeren Bereich noch mit Substanzen imprägniert, die eine Kristallisation der äußeren Bereiche während des späteren CZ Verfahrens hervorrufen bzw. beschleunigen. Dazu geeignete Substanzen sowie Methoden zur Imprägnierung sind im Stand der Technik bekannt und z. B. in DE 101 56 137 beschrieben.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben.

Beispiel 1

Herstellung eines porösen amorphen SiO₂- Grünkörpers in Tiegelform

Die Herstellung erfolgte in Anlehnung an das in DE-A1-199 43 103 beschriebene Verfahren. In bidestilliertes H₂O wurden unter Vakuum mit Hilfe eines kunststoffbeschichteten Mischers hochreines Fumed und Fused Silica homogen, blasenfrei und ohne Metallkontamination dispergiert. Die so hergestellte Dispersion wies einen Feststoffgehalt von 83,96 Gew.-% auf (95% Fused und 5% Fumed Silica). Die Dispersion wurde mittels des in der keramischen Industrie weit verbreiteten Rollerverfahrens in einer kunststoffbeschichteten Außenform zu einem 14" Tiegel geformt. Nach einer Antrocknung von 1 Stunde bei einer Temperatur von 80°C konnte der Tiegel entformt und bei etwa 200°C innerhalb von 24 Stunden zu Ende getrocknet werden. Der getrocknete offenporige Tiegel wies eine Dichte von ca. 1,62 g/cm³ und eine Wandstärke von 9 mm auf.

Beispiel 2

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Grünkörper aus Bsp. 1

Der 14' Grüntiegel aus Beispiel 1 wurde mittels eines ABB- Roboters (Typ IRB 2400) im Fokus eines CO₂-Lasers (Typ TLF 3000 Turbo) mit 3 kW Strahlleistung bestrahlt.
Der Laser war mit einem starren Strahlführungssystem ausgestattet und alle Freiheitsgrade der Bewegung wurden vom Roboter bereitgestellt. Neben einem Umlenkspiegel, der die vom Laserresonator horizontal austretende Strahlung in die Vertikale umlenkt, war die Strahlführung mit einer Optik zum Aufweiten des Primärstrahls ausgestattet. Der Primärstrahl hatte einen Durchmesser von 16 mm. Nachdem der parallele Primärstrahl die Aufweiteoptik passiert hatte ergab sich ein divergenter Strahlengang. Der Brennfleck auf dem 14" Tiegel hatte einen Durchmesser von 50 mm bei einem Abstand von ca. 450 mm zwischen Optik und Tiegel (sich Fig. 1). Der Roboter wurde über ein auf die Tiegelgeometrie angepasstes Programm gesteuert. Bedingt durch die rotationssymmetrische Form des Tiegels konnten die Freiheitsgrade der Verfahrbewegung auf eine Ebene plus zwei Rotationsachsen eingeschränkt werden (siehe Fig. 2). Bei rotierendem Tiegel (Winkelgeschwindigkeit 0,15°/s) wurde zunächst der obere Rand des Tiegels vom Laser in einem Winkelbereich von 375° überstrichen. Dann wurde in Form einer Schraube der Rest der Innenfläche des Tiegels abgefahren. Rotationsgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit des Tiegels auf einer Achse vom Tiegelrand zur Mitte hin wurden hierbei so beschleunigt, daß die überstrichene Fläche pro Zeit konstant war. Die Bestrahlung erfolgte mit 150 W/cm².
Im gleichen Verfahrensschritt wurde neben der Verglasung der Grünkörperoberfläche ein Ansintern des SiO₂-Formkörpers durch Wärmeleitung von der heißen inneren Oberfläche in das Innere des Formkörpers erreicht. Nach der Laserbestrahlung ist der SiO₂-Tiegel unter Beibehaltung seiner ursprünglichen, äußeren Geometrie in einer Dicke von 3 mm innenseitig flächendeckend, poren-, blasen- und rißfrei verglast (siehe Fig. 3). BEZUGSZEICHEN-LISTE 1 SiO₂-Formkörper
2 Roboter
3 Laser
4 Umlenkspiegel
5 Strahlaufweitung
6 Primärstrahl
7 divergenter Strahlengang
8 Brennfleck
9 Innenfläche
10 Außenfläche
A verglaste Schicht
B porige Schicht
R Symmetrieachse

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines in einem Teilbereich oder vollständig verglasten SiO₂-Formkörpers, bei dem ein amorpher poröser SiO₂-Grünkörper durch ein kontaktloses Erwärmen mittels einer Strahlung gesintert bzw. verglast wird und dabei eine Kontamination des SiO₂-Formkörpers mit Fremdatomen vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung der Strahl eines Lasers eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Laser mit einem Strahl einer Wellenlänge größer als die Absorptionskante des Kieselglases bei 4,2 µm handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen CO₂-Laser mit einem Strahl einer Wellenlänge von 10,6 µm handelt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse amorphe SiO₂-Grünkörper eine Tiegelform hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite und die Außenseite des SiO₂- Grünkörpers von einem Laserstrahl mit einem Brennfleckdurchmesser von mindestens 2 cm bestrahlt und dadurch gesintert bzw. verglast wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung auf der Innen und der Außenseite des Grünkörpers gleichmäßig und kontinuierlich erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verglasung bzw. Sinterung der Oberfläche des SiO₂-Grünkörpers bei Temperaturen zwischen 1000 und 2500°C, bevorzugt zwischen 1300 und 1800°C, besonders bevorzugt zwischen 1400 und 1500°C erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbestrahlung mit einer Energie von 50 W bis 500 W pro Quadratzentimeter, vorzugsweise 100 bis 200 W/cm^2, erfolgt.

9. Verfahren zum örtlich begrenzten, definierten Verglasen bzw. Sintern eines porösen, amorphen SiO₂-Grünkörpers mit einer Innenseite und einer Außenseite, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Innenseite oder nur die Außenseite des SiO₂-Grünkörpers flächendeckend mit einem Laser bestrahlt und dadurch gesintert bzw. verglast wird.

10. SiO₂-Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er innenseitig vollständig verglast und außenseitig porig ist.

11. SiO₂-Formkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Kieselglastiegel für das Ziehen von Siliziumeinkristallen nach dem CZ Verfahren handelt.

12. SiO₂-Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er außenseitig vollständig verglast und innenseitig porig ist.