DE102006024831A1

DE102006024831A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus synthetischem Quarzglas

Info

Publication number: DE102006024831A1
Application number: DE102006024831A
Authority: DE
Inventors: Sven Schmidt; Udo Peper; Andreas Helm; Juergen Roeper
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: CN101448748B; EP2024289B1; JP5340921B2; US8393179B2; EP2024289A1; US20090183526A1; DE102006024831B4; WO2007135166A1; JP2009537454A; CN101448748A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus synthetischem Quarzglas durch plastische Verformung einer erweichten SiO2-Masse in einer Schmelzform sind bekannt. Um hiervon ausgehend Einschmelzfehler möglichst zu vermeiden und Quarzglas-Halbzeuge mit reproduzierbar guter Qualität zu erhalten, wird ein Verfahren vorgeschlagen, das folgende Verfahrensschritte umfasst: (a) Bereitstellen und Trocknen eines porösen SiO2-Sootkörpers, (b) zonenweises Sintern des SiO2-Sootkörpers in der Schmelzform bei einer Sintertemperatur und während einer Sinterdauer unter Bildung eines gesinterten Quarzglaskörpers und unmittelbar anschließend (c) Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers durch Erweichen in der Schmelzform unter Bildung einer viskosen Quarzglasmasse, welche das Volumen der Schmelzform ganz oder teilweise ausfüllt, und (d) Abkühlen der Quarzglasmasse und Entnahme aus der Schmelzform unter Bildung des Halbzeugs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus synthetischem Quarzglas durch plastische Verformung einer erweichten SiO₂-Masse in einer Schmelzform.
Aus dem Halbzeug aus synthetischem Quarzglas werden beispielsweise Bauteile zum Einsatz in der Halbleiterfertigung, optische Bauteile oder Vorformen für optische Fasern für die Nachrichtentechnik gefertigt.
Die Herstellung von synthetischem Quarzglas erfolgt in der Regel durch Flammenhydrolyse oder Oxidation einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung unter Einsatz von Abscheidebrennern. Eine bewährte Ausgangssubstanz für die Herstellung von synthetischem Quarzglas, ist Siliciumtetrachlorid (SiCl₄). Es sind aber auch eine Vielzahl anderer siliciumorganischer Verbindungen bekannt, aus denen durch Hydrolyse oder durch Oxidation SiO₂ gebildet werden können. Als Beispiel seien chlorhaltige oder chlorfreie Silane, Silazane oder Polysiloxane genannt.
Bekannte Herstellungsverfahren sind das VAD-Verfahren (Vapor Phase Axial Deposition), das OVD Verfahren (Outside Vapor Phase Deposition) oder plasmaunterstütze Abscheideverfahren, wie das POD Verfahren (Plasma Outside Deposition). Bei anderen Verfahren werden Formen verwendet, in denen Quarzglaskörper durch vertikale Abscheidung von SiO₂-Partikeln und direktem Verglasen von unten nach oben aufgebaut werden. Bei allen diesen Verfahrensweisen werden mittels eines oder mehrerer Abscheidebrenner SiO₂-Partikel erzeugt und schichtweise auf einem Träger abgeschieden, der sich relativ zu einer Brennerflamme bewegt. Bei hinreichend hoher Temperatur im Bereich der Trägeroberfläche kommt es zu einem unmittelbaren Verglasen der SiO₂- Partikel („Direktverglasen"). Im Unterschied dazu ist bei dem sogenannten „Sootverfahren" die Temperatur während des Abscheidens der SiO₂-Partikel so niedrig, dass ein poröser SiO₂-Sootkörper erhalten wird, der in einem separaten Verfahrensschritt zu transparentem Quarzglas gesintert wird. Sowohl das Direktverglasen als auch das Sootverfahren führen letztlich zu einem dichten, transparenten, hochreinen, synthetischen Quarzglas. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von synthetischem Quarzglas über das Zwischenstadium des Sootkörpers.
Bei dem Sootkörper handelt es sich um einen Hohlzylinder (oder um einen Vollzylinder aus porösem SiO₂-Ruß, der nach den oben benannten Verfahren erhalten wird. In der Regel enthalten Sootkörper herstellungsbedingt einen hohen Gehalt an Hydroxylgruppen (OH-Gruppen). Diese wirken sich auf die optische Transmission des daraus erhaltenen Quarzglases aus und sie haben Einfluss auf die Viskosität des Quarzglases und seine Beständigkeit gegenüber kurzwelliger UV-Strahlung. Daher wird bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas im Allgemeinen auf die Einhaltung eines vorgegebenen Gehalts an Hydroxylgruppen geachtet, und es sind eine Vielzahl von Methoden vorgeschlagen geworden, den Hydroxylgruppengehalt im Sootkörper zu minimieren oder auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. So wird beispielsweise der poröse Sootkörper einer Dehydratationsbehandlung in einer chlorhaltigen Atmosphäre bei hoher Temperatur um 1000°C unterzogen, wobei es zu einer Substitution von OH-Gruppen durch Chlor kommt.
Aus dem vorbehandelten Sootkörper wird durch Sintern (=Verglasen) ein Körper aus transparentem Quarzglas hergestellt. In der Regel wird hierzu der getrocknete oder anderweitig vorbehandelte Sootkörper in einen evakuierbaren Verglasungsofen eingebracht und darin unter Bildung eines transparenten Quarzglaskörpers gesintert, und dieser anschließend durch mechanische Formgebung oder durch Heißverformung in die vorgegebene Endform des Halbzeugs gebracht.
Die Heißverformung geht häufig mit Homogenisierungsmaßnahmen zur Verminderung von Schlieren und Schichten einher. So wird beispielsweise in der DE 42 04 406 A1 ein mehrstufiger Verformungsprozess vorgeschlagen, bei dem ein Drillstab aus Quarzglas zur Beseitigung einer axialen Schichtstruktur in einer Gießform aus Graphit eingebracht wird, die in Form eines umgedrehten „T" ausgebildet ist, mit vertikal orientiertem Zufuhrstutzen, der an seinem unteren Ende zweiseitig in eine horizontal orientierte, rohrförmige Auslaufform mit quadratischem Querschnitt verzweigt. Der Drillstab wird innerhalb der Zufuhrstutzens erweicht und sinkt dabei unter seinem eigenen Gewicht so in die horizontale Auslaufform ein, dass er zu einem stabförmigen Quarzglaszylinder mit quadratischem Querschnitt umgeformt wird, bei dem die verbleibenden Schichten parallel zur Stab-Längsachse verlaufen und durch Verdrillen um die Längsachse leicht entfernt werden können.
In der DE 100 41 457 C1 wird vorgeschlagen, die Dehydratationsbehandlung und das Verglasen des Sootkörpers in einem gemeinsamen Ofen durchzuführen und beim Verglasen des Sootkörpers gleichzeitig auch die Endform des Halbzeugs durch plastisches Umformen einzustellen. In einem Ausführungsbeispiel wird eine gasdurchlässige Grafitform eingesetzt, die einen oberen Bereich mit einer an den Außendurchmesser des Sootkörpers angepassten Aufnahme mit weitem Querschnitt aufweist, welcher über einen trichterförmigen Übergang in einen unteren Bereich mit engerem Querschnitt übergeht. Der untere Bereich der Grafitform ist dem Außendurchmesser des herzustellenden Quarzglas-Halbzeugs angepasst und bestimmt dessen Endform. Der zu verglasende Sootkörper wird in den Aufnahmebereich der Grafitform eingesetzt und zunächst in einem oberen, kälteren Bereich eines Ofens gehalten und dort mit Chlorgas beaufschlagt. Die Temperatur während der Chlorbehandlung beträgt etwa 950 °C. Nach diesem Prozessschritt wird der Sootkörper zusammen mit der Grafitform in Ofenbereiche mit höherer Temperatur um 1350 °C abgesenkt und während einer Zeitspanne von etwa 12 h in Heliumatmosphäre vorgesintert. Beim Vorsintern wird eine gewisse Volumenkontraktion des Sootkörpers beobachtet. Danach erfolgt das Verglasen des Sootkörpers bei einer Temperatur von etwa 1750 °C, indem die Grafitform inklusive des vorgesinterten Sootkörpers ein weiteres Stück in Richtung des Ofenbereichs mit noch höherer Temperatur abgesenkt wird. Nach einer Verweilzeit von 8 Stunden in dieser Position erweicht der vorgesinterte Sootkörper soweit, dass er unter seinem eigenen Gewicht durch den trichterförmigen Übergang in den unteren Teil der Form abfließt. Das zähe Abfließen kann durch Druck von oben unterstützt werden. Nach dem Erkalten wird die Grafitform geöffnet und ein Quarzglas-Formkörper entnommen, der ohne weitere Nachbearbeitung als blockförmiges Halbzeug für die Herstellung von Quarzglas-Bauteilen für die Optik oder für die Halbleiterfertigung einsetzbar ist.
Beim Abfließen der viskosen SiO₂-Masse in den unteren Bereich der Grafitform kann es jedoch unvorhersehbar zu Blaseneinschlüssen oder Verwerfungen kommen, die sich als Schlieren oder Blasennester zeigen. Derartige Einschmelzfehler wirken sich auf die Qualität des Endprodukts ungünstig aus. So verringern Blasen beispielsweise die Beständigkeit von Quarzglas-Bauteilen gegenüber Ätzprozessen, wie sie in der Halbleiterfertigung üblich sind. Derartige Einschmelzfehler machen das Halbzeug unbrauchbar und sie müssen aufwändig entfernt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass Einschmelzfehler möglichst vermieden und Quarzglas-Halbzeuge mit reproduzierbar guter Qualität erhalten werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das folgende Verfahrensschritte umfasst:

(a) Bereitstellen und Trocknen eines porösen SiO₂-Sootkörpers,
(b) zonenweises Sintern des SiO₂-Sootkörpers in der Schmelzform bei einer Sintertemperatur und während einer Sinterdauer unter Bildung eines gesinterten Quarzglaskörpers, und unmittelbar anschließend
(c) Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers durch Erweichen in der Schmelzform unter Bildung einer viskosen Quarzglasmasse, welche das Volumen der Schmelzform ganz oder teilweise ausfüllt, und
(d) Abkühlen der Quarzglasmasse und Entnahme aus der Schmelzform unter Bildung des Halbzeugs.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird – wie auch beim oben beschriebenen bekannten Verfahren – von einem Sootkörper ausgegangen, der nach dem Trocknen in einem gemeinsamen Arbeitsgang in einer Schmelzform gesintert und ohne wesentliche zwischenzeitliche Abkühlung zu dem Halbzeug umgeformt wird. Dadurch ergibt sich eine Verkürzung der Prozessdauer und eine Einsparung an Energie. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt das Umformen beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht gleichzeitig mit dem Sintern des SiO₂-Sootkörpers, sondern erst nach Abschluss des Sintervorgangs. Sintern und Umformen sind zeitlich streng voneinander getrennte Verfahrensschritte innerhalb desselben Arbeitsgangs. Es hat sich gezeigt, dass ein blasen- und schlierenfreies Umformen nur möglich ist, wenn nach dem Sintern ein glasiger Körper vorliegt. Denn die definierte Trennung und zeitliche Abfolge von Sintervorgang und Umformprozess vermeidet Einschlüsse von Gasen, wie sie beispielsweise entstehen, wenn noch poröses Sootmaterial von zähflüssiger Quarzglasmasse umhüllt und eingeschlossen wird.
Das Umformen des vollständig gesinterten Quarzglaskörpers erfolgt unmittelbar anschließend an das Verglasen und vorzugsweise ohne jede Abkühlung des gesinterten Sootkörpers in der gleichen Schmelzform, jedoch bei einer höheren Temperatur. Die erweichte Masse des gesinterten Sootkörpers verteilt sich in der Schmelzform und füllt deren Innenvolumen ganz oder teilweise aus, so dass nach dem Abkühlen der Quarzglasmasse das Halbzeug aus der Schmelzform entnommen werden kann.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Sootkörper von oben beginnend nach unten gesintert, und der gesinterte Quarzglaskörper von unten beginnend nach oben umgeformt wird.
Der zu sinternde Sootkörper wird zunächst mitsamt der Schmelzform von unten nach oben durch eine Heizzone bewegt, oder die Heizzone wird von oben beginnend nach unten an dem Sootkörper und der Schmelzform entlang geführt. Beim Sintern des Sootkörpers kommt es zu einer gewissen Volumenkontraktion, jedoch ohne dass sich das Verhältnis der Sootkörper-Abmessungen zueinander wesentlich ändert; also ohne wesentliche Änderung der anfänglichen geometrischen Form des Sootkörpers. Das Sintern von oben nach unten hat den Vorteil, dass der unterste Bereich des Sootkörpers zuletzt gesintert wird, und dieser Bereich im noch heißen Zustand unmittelbar anschließend erweicht und umgeformt wird.
In dem Zusammenhang hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn das Umformen in einer Heizzone erfolgt, deren Länge maximal die Hälfte der Länge des umzuformenden Quarzglaskörpers beträgt.
Dadurch ist zu Beginn des Umformprozesses der obere, aus der Heizzone herausragende Bereich des Quarzglaskörper so kalt, dass ein Erweichen und eine Umformung in diesem Bereich nicht stattfindet. Dadurch wird ein von unten beginnendes bereichsweises Erweichen des Quarzglaskörper und ein allmählich nach oben fortschreitender, definierter Umformvorgang gewährleistet. In dem Zusammenhang ist auch zu beachten, dass die zum Erweichen von Quarzglas erforderliche hohe Erweichungstemperatur auch zu einer Keimbildung und zu einem unerwünschten Wachstum von Cristobalit-Kristallen im Quarzglas führen kann. Daher wird angestrebt, das Quarzglas besonders hohen Temperaturen nur so lange wie nötig auszusetzen.
Es hat sich bewährt, wenn der Sootkörper beim zonenweisen Sintern einer Heizzone mit einer Vorschubgeschwindigkeit im Bereich zwischen 2 und 10 mm/min von unten nach oben zugeführt wird, wobei die Sintertemperatur im Bereich zwischen 1400°C und 1600 °C eingestellt wird.
Die Vorschubgeschwindigkeit im Bereich zwischen 2 und 10 mm/min ergibt in Verbindung mit Heizzonen-Längen von mindestens 30 cm eine Verweilzeit des Sootkörpers in der Heizzone, die jedenfalls für typische Abmessungen des Sootkörpers (mit einem Außendurchmesser im Bereich von 300 mm bis 500) ein vollständiges Sintern gewährleistet.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers einen ersten Umformschritt, während dessen ein unterer Bereich des Quarzglaskörpers bei einer im Mittel niedrigeren Erweichungstemperatur umgeformt wird, und einen zweiten Umformschritt, während dessen ein oberer Bereich des Quarzglaskörpers bei einer im Mittel höheren Erweichungstemperatur umgeformt wird.
Bei dieser Verfahrensvariante setzt sich der Umformprozess somit aus mindestens zwei aufeinander folgenden Phasen zusammen, die sich in ihrer mittleren Erweichungstemperatur unterscheiden. Während des ersten Umformschritts wird der untere Bereich des umzuformenden Quarzglaskörpers einer vergleichsweise niedrigeren Erweichungstemperatur ausgesetzt, die zu einer vergleichsweise langsamen, vorsichtigen plastischen Verformung unter dem Gewichtsdruck des gesinterten Quarzglaskörpers führt. Beim Übergang zum zweiten Umformschritt wird die Erweichungstemperatur erhöht, so dass dann die überwiegende plastische Verformung des oberen Bereichs des gesinterten Quarzglaskörpers zum Halbzeug stattfindet. Ziel der sukzessiven Umformschritte ist die Anpassung der Viskosität (Innere Reibung) des Quarzglases an das sich ebenfalls verringernde Gewicht des noch nicht umgeformten Quarzglaskörpers, da sich dessen Gewicht durch das Ausfließen des Quarzglaskörpers in die Schmelzform verringert und sich dabei die ursprüngliche Länge des Quarzglaskörpers verkürzt. Eine definierte Verringerung der Viskosität mit dem abnehmendem Gewicht wirkt der Entstehung von Einschmelzfehlern, wie Verwerfungen und schraubenlinienförmig angeordneten Blasenringen, zusätzlich entgegen.
Vorzugsweise wird der Quarzglaskörper bereits während des Sinterns in die entsprechende Heizzone zum Umformen eingebracht, so dass deren Temperatur lediglich noch auf Erweichungstemperatur zu erhöhen ist.
Im Hinblick hierauf hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn die Erweichungstemperatur beim ersten Umformschritt ausgehend von der nach Abschluss der Sinterschrittes herrschenden Sintertemperatur mit einer Aufheizrate zwischen 0,01 °C/min und 0,08 °C/min erhöht wird, bis sie im Bereich von 20 bis 100 °C höher ist als die Sintertemperatur.
Die niedrige Aufheizrate und die vergleichsweise geringe Temperaturerhöhung gegenüber der Sintertemperatur bewirken eine vorsichtige, langsame und vergleichsweise geringfügige Umformung des unteren Bereichs des Quarzglaskörpers und tragen so dem noch hohen Gewicht des noch nicht umgeformten Teils des Quarzglaskörpers Rechnung. Durch die langsame Verformung werden Gaseinschlüsse und dergleichen Schmelzfehler während des ersten Umformschritts zuverlässig vermieden. Während des ersten Umformschritts verbreitert sich der untere Bereich des Quarzglaskörpers so lange, bis er an die Innenwandung der Schmelzform stößt, die sich daraufhin allmählich mit viskoser Quarzglasmasse auffüllt. Bei einem zu schnellen Aufheizen stellt sich über den radialen Querschnitt des Quarzglaskörpers ein stärkerer Temperaturgradient ein, so dass der Außenbereich des Quarzglaskörpers infolge dieser Überhitzung nicht nur zu einer stärkeren Cristobalitbildung neigt, sondern außerdem schneller erweicht und seine stützende Wirkung verloren geht, was zu einem schnellen Nachrutschen des restlichen Quarzglaskörpers und zu Verwertungen und dergleichen führt. Das langsame Aufheizen erleichtert außerdem die Ausdiffusion gasförmiger Bestandteile, die ansonsten zu Blasenbildung beitragen können.
Aus den oben genannten Gründen ist die bevorzugte Verfahrensvariante bei der das Aufheizen des Quarzglaskörper kontinuierlich erfolgt einer alternativen Verfahrensweise, bei der die Temperaturerhöhung stufenweise erfolgt, überlegen. Dies gilt gleichermaßen auch für den zweiten Umformschritt, der nachfolgend näher betrachtet wird.
Im zweiten Umformschritt wird die Erweichungstemperatur ausgehend von der nach Abschluss des ersten Umformschrittes herrschenden niedrigeren Erweichungstemperatur mit einer Aufheizrate zwischen 0,08 °C/min und 0,5 °C/min erhöht, bis sie im Bereich von 20 bis 150 °C höher ist als die niedrigere Erweichungstemperatur.
Ein großer Anteil der plastischen Umformung des Quarzglaskörpers findet erst im zweiten Umformschritt auf Grundlage der bereits im ersten Umformschritt erfolgten Verformung statt, und dieser Anteil fällt daher geringer aus als er ohne den ersten Umformschritt wäre. Der zweite Umformschritt betrifft im Wesentlichen nur noch den oberen, noch nicht umgeformten Bereich des Quarzglaskörpers. Es hat sich gezeigt, dass dadurch Verwerfungen und unkontrollierbare Verformungen vermieden werden. Die stetig abnehmende Gewichtskraft des noch nicht umgeformten Quarzglaskörperbereichs ermöglicht eine höhere Aufheizrate zwischen 0,08 °C/min und 0,5 °C/min. Durch die schnellere Aufheizrate im zweiten Umformschritt wird die Zeitspanne, während der das Quarzglas auf besonders hohen Temperaturen gehalten wird minimiert und damit einhergehend die Gefahr einer Cristobalitbildung vermindert.
Durch die definierte sukzessive Abfolge der Gesamtumformung werden wiederum Verwerfungen und Gaseinschlüsse vermieden. Insbesondere wird durch diese Verfahrensweise verhindert, dass ursprünglich an der Oberfläche des SiO₂-Sootkörpers liegende Bereiche in das Innere des verformten Quarzglaskörpers gelangen können, wo sie ansonsten Verunreinigungen und Blasennester erzeugen würden.
Vorzugsweise umfasst das Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers einen dritten Umformschritt mit im Wesentlichen konstanter Erweichungstemperatur während einer Zeitspanne von 15 min bis 200 min.
Der dritte Umformschritt schließt sich unmittelbar an den zweiten Umformschritt an und erfolgt bei im Wesentlichen konstanter Temperatur. Diese entspricht der Erweichungstemperatur nach Abschluss des zweiten Umformschrittes; sie kann aber auch deutlich darüber liegen. Vor dem dritten Umformschritt ist die Umformung im Wesentlichen abgeschlossen; es erfolgen lediglich noch Glättungen der Wandungen und der Oberseite des Halbzeugs, für die eine Haltephase im Bereich der höheren Erweichungstemperatur genügt.
Diese Maßnahme ist besonders effektiv, wenn der umgeformte Quarzglaskörper während des dritten Umformschritts über seine gesamte Länge gleichmäßig erhitzt wird.
Das Beheizen des fast vollständig umgeformten Quarzglaskörpers erfolgt dabei in einem möglichst homogenen Temperaturfeld. Der umgeformte Quarzglaskörper und die Schmelzform befinden sich daher in einer Heizzone, die mindestens so lang ist wie die Schmelzform und der darin umgeformte Quarzglaskörper selbst.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn das Trocknen des Sootkörpers in einer chlorfreien Atmosphäre entweder unter Vakuum oder in einem Inertgasstrom erfolgt.
Der Sootkörper wird dabei im Wesentlichen thermisch getrocknet, unterstützt durch einen Unterdruck. Die Beladung des Sootkörpers mit Chlor und damit einhergehende ungünstige Auswirkungen auf das Quarzglas des Halbzeugs werden dadurch vermieden.
Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensvariante, bei der der Sootkörper eine Innenbohrung aufweist, in die sich beim Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) und beim Umformen gemäß Verfahrensschritt (c) ein länglicher Trägerkörper erstreckt.
Der sich durch die Innenbohrung des Sootkörpers erstreckende Trägerkörper kann zur Handhabung des Sootkörpers dienen. Es ist bekannt, derartige Trägerkörper mit einer den Sootkörper untergreifenden Platte zu verbinden. Beim Sintern ist jedoch darauf zu achten, dass der Sootkörper nicht auf den Trägerkörper aufschrumpft, da dadurch das nachfolgende Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers beeinträchtigt werden kann.
Beim Umformen dient der Trägerkörper hingegen als formgebendes Element für die Innenbohrung des Halbzeugs. Er kann jeden beliebigen Querschnitt aufweisen, zum Beispiel rund, oval oder polygonal, insbesondere rechteckig oder sechseckig. Das Gleiche gilt im Übrigen für die Innenwandung der Schmelzform.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt ein Sootkörper eingesetzt, der vor dem Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) eine Dichte im Bereich von 490 kg/m² und 640 kg/m² aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass erst bei einer Dichte von weniger als 640 kg/m² ein ausreichendes Trocknen in angemessenen Zeiträumen möglich ist, insbesondere dann, wenn auf eine chlorunterstützte Trocknung verzichtet wird. Durch eine ausreichende Trocknung wird eine Blasenbildung im nachfolgenden Umformprozess vermieden. Dichten unterhalb der angegebenen Untergrenze erschweren ein blasenfreies Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn der Sootkörper vor dem Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) ein Verhältnis L/m < 20 mm/kg aufweist, wobei „L" der Länge des Sootkörpers und „m" der Masse des Sootkörpers entsprechen.
Durch das Verhältnis L/m von weniger als 20 mm/kg ergibt sich ein günstiges Umformverhalten in Bezug auf die Vermeidung von Einschmelzdefekten, wie etwa Blasennester und Verwerfungen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Sootkörper vor dem Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) so in die Schmelzform eingepasst wird, dass zur Innenwandung der Schmelzform ein umlaufender Spalt mit einer Weite von maximal 50 mm entsteht.
Es hat sich gezeigt, dass ein großer Spalt zwischen der Innenwandung der Schmelzform und der Außenwandung des gesinterten Quarzglaskörpers zu Verwerfungen beim Umformprozess führen kann. Diese werden besonders zuverlässig vermieden, wenn die Spaltweite zwischen Schmelzform-Innenwandung und Sootkörper 50 mm nicht überschreitet.
Vorteilhafterweise wird eine Schmelzform eingesetzt, deren Seitenwandung aus mindestens zwei Segmenten zusammengesetzt ist, welche mittels mindestens einem außen umlaufenden Spannring zusammengehalten werden.
Quarzglas zeichnet sich durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus, der deutlich kleiner ist als derjenige von geeigneten Werkstoffen für die Schmelzform, insbesondere Grafit, Siliziumcarbid, keramischen Werkstoffe oder hoch schmelzenden Metallen wie Molybdän, Wolfram oder Platin. Daher schrumpft die Schmelzform beim Abkühlen auf den umgeformten Quarzglaskörper auf und kann dabei zerbrechen. Die segmentierte Ausbildung der Schmelzform schafft hier Abhilfe. Die Segmente werden mittels eines außen umlaufenden Spannrings zusammengehalten, der vorzugsweise aus CFC besteht (kohlefaserverstärkter Kohlenstoff). Dabei handelt es sich um ein mechanische stabiles Material, das auch bei geringen Wandstärken eine ausreichende Festigkeit aufweist und das daher eine kompakte Bauform der Schmelzform ermöglicht.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn eine Schmelzform aus Grafit eingesetzt wird, deren Innenwandung mindestens im Bereich ihrer Seitenwandung mit blattförmigem Grafit ausgekleidet ist.
Bei dem blattförmigem Grafit handelt es sich um Grafit in Form von Folien, Filz oder vorzugsweise Grafitpapier. Diese Auskleidung der Seitenwandung verhindert oder vermindert eine chemische Reaktion von Silizium aus dem Quarzglas mit Kohlenstoff unter Bildung von SiC, was zu einer Schädigung der Grafitform führt, die sich auch auf den Umformprozess ungünstig auswirken kann.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Halbzeug zeichnet sich durch einen geringen Blasengehalt und eine hohe Ätzbeständigkeit aus und es eignet sich insbesondere für die Herstellung von Bauteilen für die Halbleiterfertigung für den Einsatz in korrosiver und ätzender Umgebung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im Einzelnen
1 einen Sootkörper in einer Schmelzform aus Grafit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Draufsicht,
2 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Prozessschaubildes, und
3 einen typischen Temperaturverlauf bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch eine Schmelzform 1 aus gasdurchlässigem Grafit, die aus einer Bodenplatte und zwei Grafithalbschalen 11, 12 besteht, die die Seitenwandung der Form 1 bilden und die mittels Halteringen auf der Bodenplatte fixiert sind. Die Grafithalbschalen 11 12, werden mittels eines oberen und eines unteren Spannrings 13 aus CFC zusammengehalten. Der Spalt zwischen den Halbschalen 11, 12 wird mittels Grafitfilz verschlossen. Ihre Innenwandung ist vollständig mit Grafitpapier 14 ausgelegt. Die Schmelzform 1 hat einen Innendurchmesser von 450 mm und eine Höhe von 600 mm.
Sie dient zur Aufnahme eines hohlzylinderförmigen SiO₂-Sootkörpers 2, durch dessen Innendurchbohrung sich ein im Querschnitt rundes Trägerrohr 3 aus Grafit erstreckt, das mit einer Bodenplatte 9 verbunden ist, auf der der Sootkörper 2 ruht. Der Spalt 15 zwischen Sootkörper 2 und der Innenwandung der Schmelzform 1 hat eine Weite von 25 mm.
Der SiO₂-Sootkörper 2 wurde mittels eines üblichen OVD-Verfahrens durch Außenabscheidung von SiO₂-Partikeln auf einem um seine Längsachse rotierenden Dorn hergestellt, wobei darauf geachtet wurde, dass sich eine mittlere Dichte des Sootkörpers von etwa 500 kg/m³ einstellt. Der Außendurchmesser des Sootkörpers 2 beträgt 400 mm und das Verhältnis der Sootkörper-Länge zu seiner Masse 15 mm/kg. Zum Entfernen herstellungsbedingt vorhandener Hydroxylgruppen wurde der Sootkörper 2 vorab bei einer Temperatur von 1000 °C in einem Stickstoffstrom von 20l/min während einer Zeitspanne von 33 Stunden getrocknet. Dadurch wird ein mittlerer Hydroxylgruppengehalt von etwa 150 Gew.-ppm eingestellt.
Das Trägerrohr 3 dient für Transport und Halterung des Sootkörpers 2 und gleichzeitig als formgebendes Element für die zu erzeugende Innenbohrung des Halbzeugs. Der Außendurchmesser des Grafitrohres 3 beträgt 50 mm.
Das Prozessschaubild in 2 zeigt Verfahrensschritte (a) bis (e) zur Herstellung eines hohlzylindrischen Halbzeugs 6 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die mit dem Sootkörper 2 bestückte Schmelzform 1 wird in einen Vakuumofen eingebracht, der eine Heizzone 4 aufweist, die durch einen Suszeptor mit einer Länge von 600 mm gebildet wird. Die Schmelzform 1 ist nur schematisch durch ihren Umriss angedeutet. In einem ersten Verfahrensschritt (a) wird der Sootkörper 2 gleichmäßig, homogen und blasenfrei gesintert. Hierzu wird er mitsamt der Schmelzform 1 mit seinem oberen Ende beginnend von unten kontinuierlich und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 5 mm/min in die Heizzone 4 eingebracht und darin zonenweise auf eine Temperatur um 1510° C aufgeheizt. Dabei wird im Vakuumofen ein Unterdruck von 0,1 mbar (absolut) aufrechterhalten.
2(a) zeigt zwei Verfahrensstadien während des Sinterns; einmal zu Beginn des Sinterprozesses (untere Darstellung) und einmal nachdem der Sintervorgang etwa zur Hälfte abgeschlossen ist (obere Darstellung).
Sobald sich die Schmelzform 1 vollständig innerhalb der Heizzone 4 befindet, wird der weitere Vorschub gestoppt, und der Sintervorgang wird abgeschlossen, indem die Sintertemperatur weitere 60 min lang gehalten wird. Für jeden Punkt des Sootkörpers 2 ergibt sich so eine Verweildauer von etwa 120 min innerhalb der Heizzone 4, so dass der Sootkörper 2 zu einem blasenfreien Körper 5 aus transparentem Quarzglas mit einem Außendurchmesser von etwa 200 mm und einer Länge von etwa 3 m gesintert wird. Es wird darauf geachtet, dass der Sootkörper 2 beim Sintern nicht auf das Trägerrohr 3 aufschrumpft, was den nachfolgenden Umschmelzprozess behindern könnte.
Daran schließt sich ein erster Umformschritt für die Verformung des unteren Bereichs des Quarzglaskörpers 5 an, wie er in 2(c) angedeutet ist. Das Vakuum wird während des gesamten Umformprozesses beibehalten. Die Temperatur der Heizzone 4 wird langsam mit einer Aufheizrate von 0,04° C/min von 1510° C auf 1558° C erhöht. Dadurch wird der untere Bereich des Quarzglaskörpers 5 erweicht und fließt in die Schmelzform 1 aus. Diese befindet sich vollständig innerhalb der Heizzone 4, so dass sich ein homogenes Temperaturprofil über die Höhe der Schmelzform 1 einstellt.
Nach Abschluss dieser ersten Aufheiz- und Umformphase (nach ca. 1200 min) hat sich das Gewicht des auf der viskosen Quarzglasmasse 8 lastenden, noch nicht verformten Quarzglaskörpers 5 gegenüber dem Ausgangsgewicht etwa halbiert und es schließt sich ein zweiter Umformschritt an, der im Wesentlichen nur noch den restlichen, oberen Bereich des Quarzglaskörpers 5 betrifft. Dabei wird die Temperatur mit einer höheren Aufheizrate von 0,25° C/min weiter um 62 °C bis auf 1620 °C erhöht. Während dieser etwa 248 min andauernden Aufheizphase sackt auch der restliche obere Bereich des Quarzglaskörpers 5 fast vollständig unter seinem Gewicht in die Schmelzform 1 ein und füllt deren Innenvolumen nahezu vollständig aus, wie dies in 2(d) dargestellt ist.
Ziel dieser beiden Umformschritte ist die Anpassung der Viskosität der Quarzglasmasse 8 innerhalb der Schmelzform 1 an das sich allmählich verringernde Gewicht des noch nicht umgeformten Teils des Quarzglaskörpers 5.
Die definierte, langsame und vorsichtige Verringerung der Viskosität wirkt der Ausbildung von Schmelzfehlern, insbesondere Verwerfungen und schraubenförmigen Blasenringen, entgegen.
Im Anschluss daran wird in einem dritten Umformschritt die vorher erreichte Temperatur von 1620° C für weitere zwei Stunden gehalten. Dabei kommt es zu einer Glättung der Oberseite des umgeformten Quarzglasblocks 6 und damit zu einer Reduzierung von Materialverlusten. Das Resultat zeigt schematisch 2(e)
Nach dem Abkühlen wird die Schmelzform 1 geöffnet und das Halbzeug 6 in Form eines hohlzylindrischen Quarzglasblocks wird entnommen. Dieser weist einen Außendurchmesser von etwa 450 mm, einen Innendurchmesser von 50 mm und eine Länge von 550 mm auf und er zeichnet sich durch Blasenfreiheit und weitgehende Schlierenfreiheit aus. Er ist insbesondere für die Herstellung von Quarzglasbauteilen für die Halbleiterfertigung geeignet – wie etwa Flansche und Waferträger – die in korrosiver oder ätzend wirkender Umgebung eingesetzt werden.
3 zeigt schematisch einen typischen Temperaturverlauf der Heizzone 4 für das erfindungsgemäße Umformverfahren, wie auch beim oben näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Phasen (a) bis (d) des Temperaturverlaufs sind den oben anhand 2 beschriebenen Verfahrensschritten: Sintern (a), 1. Umformschritt (b), 2. Umformschritt (c) und 3. Umformschritt (d) zugeordnet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs (6) aus synthetischem Quarzglas durch plastische Verformung einer erweichten SiO₂-Masse (8) in einer Schmelzform (1), umfassend folgende Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen und Trocknen eines porösen SiO₂-Sootkörpers (2), (b) Zonenweises Sintern des SiO₂-Sootkörpers (2) in der Schmelzform (1) bei einer Sintertemperatur und während einer Sinterdauer unter Bildung eines gesinterten Quarzglaskörpers (5), und unmittelbar anschließend (c) Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers (5) durch Erweichen in der Schmelzform (1) unter Bildung einer viskosen Quarzglasmasse (8), welche das Volumen der Schmelzform (1) ganz oder teilweise ausfüllt, und (d) Abkühlen der Quarzglasmasse (8) und Entnahme aus der Schmelzform (1) unter Bildung des Halbzeugs (6).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper (2) von oben beginnend nach unten gesintert, und der gesinterte Quarzglaskörper (5) von unten beginnend nach oben umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen in einer Heizzone (4) erfolgt, deren Länge maximal die Hälfte der Länge des umzuformenden Quarzglaskörpers (5) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper (2) beim zonenweisen Sintern einer Heizzone (2) mit einer Vorschubgeschwindigkeit im Bereich zwischen 2 und 10 mm/min von unten nach oben zugeführt wird, und dass die Sintertemperatur im Bereich zwischen 1400°C und 1600 °C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers (5) einen ersten Umformschritt, während dessen ein unterer Bereich des Quarzglaskörpers (5) bei einer im Mittel niedrigeren Erweichungstemperatur umgeformt wird, umfasst, und einen zweiten Umformschritt, während dessen ein oberer Bereich des Quarzglaskörpers (5) bei einer im Mittel höheren Erweichungstemperatur umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweichungstemperatur beim ersten Umformschritt ausgehend von der nach Abschluss der Sinterschrittes herrschenden Sintertemperatur mit einer Aufheizrate zwischen 0,01 °C/min und 0,08 °C/min erhöht wird, bis sie im Bereich von 20 bis 100 °C höher ist als die Sintertemperatur.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweichungstemperatur beim zweiten Umformschritt ausgehend von der nach Abschluss des ersten Umformschrittes herrschenden niedrigeren Erweichungstemperatur mit einer Aufheizrate zwischen 0,08 °C/min und 0,5 °C/min erhöht wird, bis sie im Bereich von 20 bis 150 °C höher ist als die niedrigere Erweichungstemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des gesinterten Quarzglaskörpers (5) einen dritten Umformschritt mit im Wesentlichen konstanter Erweichungstemperatur während einer Zeitspanne von 15 min bis 200 min umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der umgeformte Quarzglaskörper (5) während des dritten Umformschritts über seine gesamte Länge gleichmäßig erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen des Sootkörpers (2) in einer chlorfreien Atmosphäre entweder unter Vakuum oder in einem Inertgasstrom erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper (2) eine Innenbohrung aufweist, in die sich beim Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) und beim Verglasen gemäß Verfahrensschritt (c) ein länglicher Trägerkörper (3) erstreckt .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper vor dem Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) eine Dichte im Bereich von 490 kg/m² und 640 kg/m² aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper (2) vor dem Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) ein Verhältnis L/m < 20 mm/kg aufweist, wobei L die Länge des Sootkörpers (2) und m der Masse des Sootkörpers (2) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper (2) vor dem Sintern gemäß Verfahrensschritt (b) so in die Schmelzform (1) eingepasst wird, dass zur Innenwandung der Schmelzform (1) ein umlaufender Spalt (15) mit einer Weite von maximal 50 mm entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelzform (1) eingesetzt wird, deren Seitenwandung aus mindestens zwei Segmenten (11, 12) zusammengesetzt ist, welche mittels mindestens einem außen umlaufenden Spannring (13) zusammengehalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelzform (1) eingesetzt wird, deren Innenwandung mindestens im Bereich ihrer Seitenwandung (11; 12) mit blattförmigem Grafit (14) ausgekleidet ist.