DE102006058904A1

DE102006058904A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von synthetischem Kieselglas

Info

Publication number: DE102006058904A1
Application number: DE102006058904A
Authority: DE
Inventors: Daniel W. Hawtof; Michael T. Kelly; John S. Rosettie; Andrew P. Schermerhorn; Kashyap H. Shah; John Stone Iii; Pushkar Tandon
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2007-07-05
Also published as: US20070130995A1; JP2007161573A; US8137469B2; JP5305585B2

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem synthetischen Kieselglasmaterial offenbart. Das Verfahren schließt das Abscheiden von Rußpartikeln auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche und die Modulierung der Bewegung der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche ein, um zu einer geringen lokalen Rußdichtevariation zu führen. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, um das ebene Abscheidungsverfahren zu implementieren. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von synthetischem Kieselglas ohne die Verwendung von möglicherweise verunreinigenden feuerfesten Ziegelsteinen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dotiertem oder reinem synthetischen Kieselglasmaterial. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dotiertem oder reinem Kieselglasmaterial, das eine planare Abscheidung beinhaltet. Die vorliegende Erfindung ist z.B. bei der Herstellung von hochreinem und dotiertem synthetischen Kieselglasmaterial für die Verwendung als optisches Element in unterschiedlichen Anwendungen, wie z.B. UV-Lithographievorrichtungen, geeignet.

Hintergrund der Erfindung

Hochreine und dotierte synthetische Kieselglasmaterialien finden in vielen modernen optischen Systemen Verwendung. Z.B. besitzen Lithographievorrichtungen nach dem neuesten Stand der Technik in der Halbleiterindustrie, insbesondere diejenigen, die bei tiefen UV- und Vakuum-UV-Wellenlängen arbeiten, üblicherweise beugende und reflektierende optische Elemente, die aus hochreinen oder dotierten synthetischen Kieselglasmaterialien hergestellt sind oder darauf basieren. Die hohe Präzision und Auflösung, die bei modernen Lithographievorrichtungen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen in einem sehr großen Maßstab benötigt wird, hat die lithographische Strahlung zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben, d.h. zu höherer Energie. Die optischen Elemente, die in diesen Systemen verwendet werden, müssen eine hohe Leistung in vielen Aspekten zeigen, wie z.B. Transmission, Transmissionsverlust, Doppelbrechung, Brechungsindexhomogenität, laserinduzierter Wellenfrontverzerrung (LIWFD), Gleichförmigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ähnliches.

Dotierte und undotierte synthetische Kieselglasmaterialien wurden auch zur Herstellung von optischen Fasern verwendet.

Zwei Arten der Verfahren zur Herstellung synthetischer Kieselglasmaterialien wurden entwickelt und bis heute kommerzialisiert. Sie sind das direkt-zum-Glas (direct to glass)-Verfahren und das Ruß-zu-Glas (soot to glass)-Verfahren. In ersterem werden Glasrußpartikel bereitgestellt, z.B. durch Flammhydrolyse eines siliziumenthaltenden Vorläufermaterials und wahlweise Dotierungsmittel, auf einer Trägeroberfläche abgeschieden und in situ zu transparentem Glas gesintert. Bei einem Ruß-zu-Glas-Verfahren wird eine Glasrußvorform als erstes aus den Glasrußpartikeln ausgebildet, dann wahlweise getrocknet, gereinigt und/oder dotiert, bevor sie zu dichtem Glas in einem getrennten Schritt gesintert wird. Unterschiedliche Rußabscheidungsverfahren wurden entwickelt, wie z.B. Außenabscheideverfahren aus der Gasphase (outside vapor deposition, OVD), Innenabscheideverfahren (inside vapor deposition, IVD) und axiales Abscheideverfahren (vapor axial deposition, VAD) und ähnliches. Alle diese Verfahren wurden ursprünglich zur Herstellung von Wellenleitervorformen entwickelt. Aufgrund der verwendeten Abscheidungsmethoden besteht die Neigung, dass unerwünschte Eigenschaftsinhomogenitäten in dem gesinterten Glas vorliegen, und das Reformieren des Glases nach dem Sintern wird unweigerlich benötigt, um das Glas herzustellen, das die Erfordernisse moderner UV-Lithographie erfüllt.

Das US-Patent Nr. 6,603,883 offenbart ein Ruß-zu-Glas-Verfahren zur Herstellung von dotiertem und undotiertem Kieselglas, bei dem Rußpartikel auf einer planaren Oberfläche abgeschieden werden. Die Lehre des Verfahrens und der Vorrichtung in diesem Dokument ist jedoch beschränkt, insbesondere bezüglich der Rußdichtevariation der Rußvorform, die darin hergestellt wird. Darüber hinaus beinhalten die Beispiele in diesem Patentdokument die Verwendung von feuerfesten Ziegelsteinen bei der Herstellung des Ofens, die potentielle Verunreinigungsquellen darstellen.

Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem Verfahren und der Vorrichtung, die in dem US-Patent Nr. 6,603,883 beschrieben ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem oder undotiertem Kieselglasmaterial bereitgestellt, mit den folgenden Schritten:

(I) Bereitstellen mindestens eines Stroms aus Glasrußpartikeln, der Siliziumoxid umfasst, über eine rußerzeugende Vorrichtung; und
(II) Richten des mindestens einen Stroms aus Glasrußpartikeln auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche eines Abscheidungssubstrates, das um eine Rotationsachse rotiert, sodass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf die Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden wird, um eine Rußvorform zu bilden, wobei die Schicht eine Fläche A₁ und eine Dicke T₁ besitzt;

wobei in Schritt (II) die rußerzeugende Vorrichtung sich relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche bewegen kann und die Geschwindigkeit der Rußabscheidungsvorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert wird, dass mindestens in der Hälfte der Fläche der Schicht aus Glasruß, die abgeschieden wird, die lokale Rußdichtevariation durch mindestens die Hälfte der Dicke im Zentrum gering ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die Variation bzw. Veränderung der durchschnittlichen lokalen Rußdichte durch die halbe Dicke im Zentrum weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bevorzugter weniger als 3% der durchschnittlichen lokalen Rußdichte in dieser Fläche. Bevorzugt wird in bestimmten Ausführungsformen in Schritt (II) die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert, dass bei mindestens 75% der Fläche der Schicht des abgeschiedenen Glasrußes die lokale Rußdichtevariation über 90% der Dicke vom Boden in der Nähe der Abscheidungsträgeroberfläche gering ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die Variation der durchschnittlichen lokalen Rußdichte über 90% der Dicke vom Boden in der Nähe der Abscheidungsträgeroberfläche weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bevorzugter weniger als 3% der durchschnittlichen lokalen Rußdichte in dieser Fläche. In bestimmten Ausführungsformen wird es bevorzugt, dass die Abscheidungsträgeroberfläche des Abscheidungssubstrates im Wesentlichen horizontal ist und die Rotationsachse des Abscheidungssubstrates im Wesentlichen vertikal ist. In bestimmten Ausführungsformen zeigt die Abscheidungsträgeroberfläche des Abscheidungssubstrates nach oben. In bestimmten anderen Ausführungsformen zeigt die Abscheidungsträgeroberfläche des Abscheidungssubstrates nach unten.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird in Schritt (II) die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert, dass zumindest in der Hälfte der Fläche der Schicht aus abgeschiedenem Glasruß und durch mindestens die halbe Dicke im Zentrum die Rußvorform eine hohe OH-Konzentrationsgleichmäßigkeit (wie unten definiert) zeigt.

In einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die rußerzeugende Vorrichtung ein einzelner Brenner. In bestimmten Ausführungsformen wird dem einzelnen Brenner ermöglicht, relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche quer zur Rotationsachse zu oszillieren. In bestimmten anderen Ausführungsformen ist die rußerzeugende Vorrichtung eine Brenneranordnung, die mindestens zwei Brenner umfasst. In einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Kantenbrenner bereitgestellt.

Bevorzugt wird in Schritt (II) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Abscheidungsträgeroberfläche aktiv auf eine Temperatur von 500 bis 1000°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt auf 700 bis 1000°C erhitzt. Bevorzugt besitzt die Abscheidungsträgeroberfläche eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur, bevorzugt eine Temperaturvariation von weniger als oder gleich ungefähr 50°C, in bestimmten Ausführungsformen weniger als oder gleich ungefähr 25°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 15°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 10°C, ausschließlich Bereiche, die direkt in Kontakt mit dem Rußstrom von der rußerzeugenden Vorrichtung sind.

Ferner umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt die folgenden Schritte:

(III) Wahlweise Trocknen, Reinigen und/oder Dotieren der Rußvorform, die in Schritt (II) gebildet wurde; und
(IV) Sintern mindestens eines Teils der Rußvorform bei einer Temperatur über 1000°C, um ein gesintertes Glas zu erhalten, das im Wesentlichen frei von Blasen ist.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird Schritt (III) durchgeführt, bei dem die Rußvorform in einer Atmosphäre dotiert wird, die Dotierungsmittel umfasst, und die Rußvorform wird bei zwischen ungefähr 700°C und 1400°C beibehalten. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen besitzt die Rußvorform zu jedem gegebenen Zeitpunkt während des Schrittes (III) eine durchschnittliche Temperatur T_a und die Temperatur durch die Rußvorform wird innerhalb T_a ± 50°C beibehalten, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_a ± 25°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_a ± 10°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_a ± 5°C. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird die Rußvorform während des Schrittes (III) auf eine Trägeroberfläche einer im Wesentlichen gleichförmig aktiv beheizten Trägerdotierungsplattform gelegt. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besitzt die Trägeroberfläche der im Wesentlichen gleichmäßig aktiv beheizten Trägerdotierungsplattform eine Temperaturvariation von weniger als oder gleich ungefähr 100°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 50°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 20°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 10°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 5°C. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der Rußvorform in Schritt (IV) ermöglicht, über einem aktiv beheizten Sintersubstrat mit einer Trägersinteroberfläche mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Temperatur, auf die die Rußvorform gelegt wird, zu sintern, wobei das Sinter der Rußvorform von der Oberfläche in Kontakt mit der Trägersinteroberfläche hin zu dem anderen Ende fortschreiten kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen schreiten unterschiedliche Bereiche der Sinterfront in Schritt (IV) zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit voran. In einer bevorzugten Ausführungsform schreitet die Sinterfront während des Schrittes (IV) mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit voran. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen sind das Abscheidungssubstrat und das Sintersubstrat das gleiche Substrat. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist das Abscheidungssubstrat aus hochreinem synthetischen Kieselglas hergestellt. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die Trägersinteroberfläche auf eine Temperatur von 1000 bis 1500°C erhitzt, wodurch das Sintern auftreten kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen besitzt die Trägersinteroberfläche zu jedem gegebenen Zeitpunkt eine Temperaturvariation von weniger als oder gleich ungefähr 100°C, in bestimmten Ausführungsformen von weniger als oder gleich ungefähr 50°C, in bestimmten Ausführungsformen von weniger als oder gleich ungefähr 20°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen weniger als oder gleich ungefähr 10°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 5°C. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen besitzt die Rußvorform zu jedem gegebenen Zeitpunkt während des Schrittes (IV) eine durchschnittliche Temperatur T_b und die Temperatur durch die Rußvorform wird innerhalb T_b ± 50°C beibehalten, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_b ± 25°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_b ± 10°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_b ± 5°C. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird Schritt (IV) an der Luft durchgeführt. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird Schritt (IV) in einer Atmosphäre durchgeführt, in der der Partialdruck von Wasser oder einem anderen OH-vermittelnden Mittel derart gesteuert wird, sodass die OH-Konzentration in dem gesinterten Glas gesteuert wird. In bestimmten anderen bevorzugten Ausführungsformen wird Schritt (IV) in Gegenwart von Dotierungsmitteln durchgeführt. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen werden die Schritte (III) und (IV) beide durchgeführt und werden zumindest zum Teil gleichzeitig durchgeführt.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden die Schritte (1) und (II) in einer Umgebung durchgeführt, die im Wesentlichen frei von verunreinigenden feuerfesten Materialien ist. Bevorzugt werden die Schritte (III) und (IV), wenn sie durchgeführt werden, in einer Umgebung durchgeführt, die ebenfalls im Wesentlichen frei von verunreinigenden feuerfesten Materialien ist.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem oder undotiertem Kieselglasmaterial mit den folgenden Schritten:

(I) Bereitstellen mindestens eines Stromes aus Glasrußpartikeln, der Siliziumoxid umfasst, über eine rußerzeugende Vorrichtung; und
(II) Richten des mindestens einen Stromes aus Glasrußpartikeln auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche eines Abscheidungssubstrates, das um eine Rotationsachse rotierbar ist, sodass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf die Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden wird, um eine Rußvorform zu bilden, wobei die Schicht einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 5 cm und einer Höhe von mindestens 5 mm umfasst;

wobei in Schritt (II) der rußerzeugenden Vorrichtung ermöglicht wird, sich relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche zu bewegen und die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung wird relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert, dass in dem betreffenden Zylinder die lokale Rußdichtevaration, gemessen in einer Ebene parallel zur unteren Oberfläche des Zylinders, gering ist. In bestimmten Ausführungsformen besitzt der betreffende Zylinder mit einer geringen lokalen Rußdichtevariation einen Durchmesser von mindestens 10 cm. In bestimmten Ausführungsformen besitzt der betreffende Zylinder mit einer geringen lokalen Rußdichtevariation einen Durchmesser von mindestens 10 cm und eine Höhe von mindestens 5 cm. In bestimmten Ausführungsformen wird die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche in Schritt (II) derart moduliert, dass in dem betreffenden Zylinder die Rußvorform eine hohe OH-Konzentrationsgleichförmigkeit zeigt.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gerät zur Herstellung von Kieselglasmaterial aus Rußpartikeln mit den folgenden Bestandteilen:

(A) ein Rußabscheidesubstrat mit einer im Wesentlichen ebenen Abscheidungsträgeroberfläche, auf welcher Rußpartikel abgeschieden werden sollen, und die in der Lage ist, um eine Rotationsachse zu rotieren;
(B) eine aktive Heizquelle mit steuerbarer Heizleistung zum Heizen des Rußabscheidesubstrats, sodass die Abscheidungsträgeroberfläche eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur besitzt;
(C) eine glasrußerzeugende Vorrichtung, die (i) geeignet ist, mindestens einen Strom aus Glasrußpartikeln bereitzustellen und den Strom aus Glasrußpartikeln auf die Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates zu richten, und (ii) horizontal und/oder vertikal in Bezug auf die Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates beweglich ist; und
(D) ein System zum Steuern und Antreiben der Bewegung der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist die Heizquelle des Bestandteils (B) im Wesentlichen eben.

In bestimmen bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist die ebene Abscheidungsträgeroberfläche des Bestandteils (A) im Wesentlichen horizontal und die Rotationsachse des Rußabscheidungssubstrates ist im Wesentlichen vertikal angebracht.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist das Gerät im Wesentlichen frei von verunreinigenden feuerfesten Materialien in dem Bereich, der der Atmosphäre ausgesetzt ist, in welcher die Rußabscheidung stattfindet.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (D) geeignet, die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates so zu modulieren, dass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden werden kann, um eine Rußvorform mit einer Schicht aus Rußpartikeln auszubilden, wobei die Schicht aus Rußpartikeln einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 5 cm und einer Höhe von mindestens 5 mm umfasst, wobei in dem betreffenden Zylinder die lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene parallel zur unteren Oberfläche des Zylinders, gering ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Schicht aus Rußpartikeln einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 10 cm und einer Höhe von mindestens 5 mm, wobei in dem betreffenden Zylinder die lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene parallel zur unteren Oberfläche des Zylinders, gering ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Schicht aus Rußpartikeln einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 10 cm und einer Höhe von mindestens 5 cm, wobei in dem betreffenden Zylinder die lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene parallel zur unteren Oberfläche des Zylinders, gering ist.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (D) geeignet, die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates derart zu modulieren, dass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden werden kann, wobei in mindestens der Hälfte der Fläche der mindestens einen Schicht aus abgeschiedenem Glasruß die lokale Rußdichtevariation durch mindestens die halbe Dicke vom Zentrum gering ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die Variation der durchschnittlichen lokalen Rußdichte durch die halbe Dicke des Zentrums weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bevorzugter weniger als 3% der durchschnittlichen lokalen Rußdichte in diesem Bereich. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (D) geeignet, die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates derart zu modulieren, dass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden werden kann, wobei in mindestens 75% der Fläche der mindestens einen Schicht aus abgeschiedenem Glasruß die lokale Rußdichtevariation über 90% der Dicke vom Boden in der Nähe der Abscheidungsträgeroberfläche gering ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist in mindestens 75% der Fläche der mindestens einen Schicht aus abgeschiedenem Glasruß die lokale Rußdichtevariation über 90% der Dicke vom Boden in der Nähe der Abscheidungsträgeroberfläche weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bevorzugter weniger als 3% der durchschnittlichen lokalen Rußdichte in diesem Bereich.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (B) ein ebener Suszeptor eines Induktionsheizsystems. In einer Ausführungsform ist der planare Suszeptor aus Graphit hergestellt.

In bestimmmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung umfasst Bestandteil (A) mindestens einen Brenner. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen umfasst Bestandteil (A) mehrere Brenner. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen stellt mindestens ein Brenner der mehreren Brenner dotierende Rußpartikel bereit, und mindestens ein Brenner stellt Siliziumoxidrußpartikel bereit. In einer Ausführungsform stellt mindestens ein Brenner TiO₂-Rußpartikel bereit. In bestimmten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (C) ein einzelner Brenner, der in der Lage ist, quer zur Rotationsachse der Abscheidungsträgeroberfläche zu oszillieren. In bestimmten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Kantenbrenner bereitgestellt.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (B) geeignet, Bestandteil (A) auf eine Temperatur zu erhitzen, um einer Glasrußvorform, die im Wesentlichen aus Siliziumoxidpartikeln und/oder dotierten Partikeln besteht, die auf die Abscheidungsträgeroberfläche aufgebracht sind, zu ermöglichen, fortschreitend zu sintern.

In einer Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung umfasst es des Weiteren ein Gehäuse, das dahingehend angepasst ist, eine Glasrußvorform zu bedecken, um eine Kammer zu bilden, wobei das Gehäuse wahlweise mit Einlässen ausgestattet ist, durch welche Gas in die Kammer eingeführt werden kann. In bestimmten Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Gehäuse aus synthetischem Kieselglas hergestellt ist.

In einer Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist das Rußabscheidungssubstrat aus hochreinem synthetischen Kieselglas hergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (B) um eine im Wesentlichen vertikale Rotationsachse des Abscheidungssubstrates rotierbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (B) auf der Oberfläche eines rotierbaren Sockels angebracht und der Bestandteil (B) und der rotierbare Sockel sind durch eine Schicht aus feuerfestem Filz getrennt.

In einer Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung umfasst es des Weiteren den folgenden Bestandteil:

(E) eine Steuereinheit in Verbindung mit den Bestandteilen (A), (B), (C) und (D), die für die Aufnahme von Betriebsinformationen der Bestandteile (A), (B), (C) und (D) angepasst ist, und die deren Parameter angemessen anpasst, wenn es benötigt wird, um eine vorherbestimmte Rußabscheidungs-, Dotierungs- und/oder Sinterbedingung zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung besitzt den Vorteil, dass sie geeignet ist, hochreines, gesintertes synthetisches Kieselglas leicht herzustellen. Die Rußvorform, die durch das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann zu transparentem Glas in dem Gerät der vorliegenden Erfindung mit gewünschten physikalischen Eigenschaften ohne der Notwendigkeit des Weiteren thermischen Aufschmelzens (reflow) oder Homogenisierens gesintert werden.

Zusätzliche Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden in der ausführlichen Beschreibung, welche folgt, fortgesetzt werden und werden teilweise einem Fachmann aus der Beschreibung schnell offensichtlich oder durch Ausführen der Erfindung erkannt, wie sie in der schriftlichen Beschreibung und deren Ansprüchen, sowie auch den angefügten Zeichnungen, beschrieben ist.

Es ist selbstverständlich, dass die vorangegangene allgemeine Beschreibung und die folgende ausführliche Beschreibung lediglich exemplarisch für die Erfindung sind, und dass sie dazu gedacht sind, einen Überblick oder Rahmen für das Verständnis der Natur und des Charakters der Erfindung, wie sie beansprucht wird, zu geben.

Die begleitenden Zeichnungen sind angefügt, um ein weiteres Verständnis der Erfindung bereitzustellen und sind in diese Beschreibung integriert und bilden einen Teil davon.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den begleitenden Zeichnungen ist:

1 ein schematisches Diagramm, das eine Rußvorform zeigt, die unter Verwendung des Verfahrens und Gerätes der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

2 ein schematisches Diagramm, das eine Rußvorform zeigt, die unter Verwendung des Verfahrens und Gerätes der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

3 ein schematisches Diagramm, das die Bestandteile des Gerätes einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn es in dem Rußabscheideschritt arbeitet.

4 ein schematisches Diagramm, das die Bestandteile des Gerätes der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in 3 gezeigt ist, zeigt, wenn es in den Reinigungs-, Dotierungs-, Trocknungs- oder Sinterschritten arbeitet.

5 ein schematisches Diagramm, das die Bestandteile des Gerätes einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn es in dem Rußabscheidungsschritt arbeitet.

6 ein schematisches Diagramm, das die relative Bewegung eines Brenners in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

7 ein schematisches Diagramm, das die Bewegung eines Brenners in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

8 ein Blockdiagramm, das die Bestandteile des Gerätes einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

9 ein schematisches Diagramm, das die durchschnittliche lokale Rußdichte einer Rußvorform, die unter Verwendung des Verfahrens und Gerätes der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, als eine Funktion der Entfernung vom Zentrum der Vorform zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff "Brenner" eine Rußerzeugungsvorrichtung, in der Rußpartikel durch ein Flammhydrolyseverfahren aus Vorläuferverbindungen erzeugt werden. Z.B. umfasst ein beispielhafter Brenner bei der Herstellung von Kieselglas über Flammhydrolyse Löcher, durch welche siliziumenthaltende Vorläuferverbindungen, wie z.B. OMCTS (Octamethylcyclotetrasiloxan) in eine Brennerflamme aus H₂, CH₄ oder anderen Brennstoffen eingeführt werden. OMCTS wird in der Flamme oxidiert und hydrolysiert, um feine Siliziumoxidrußpartikel zu erzeugen. Brenner beinhalten üblicherweise chemische Reaktionen aus Vorläuferverbindungen bei einer erhöhten Temperatur. Das US-Patent Nr. 6,606,883 beschreibt Brenner für die Verwendung bei der Herstellung von dotierten und undotierten synthetischen Kieselgläsern, deren relevante Teile hierin in ihrer Vollständigkeit aufgenommen sind. Das US-Patent Nr. 5,922,100 von Cain et al. offenbart Beispiele von vorgemischten Erdgasbrennern, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, deren relevante Teile hierin durch Verweis aufgenommen werden. Die Brenner, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind jedoch nicht auf diejenigen in den US-Patenten Nr. 5,922,100 und 6,606,883 beschriebenen beschränkt. Die Brenner, die in US-Patenten Nr. 6,837,076, 6,743,011 , 6,736,633 erwähnt sind, können auch in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff "geringe lokale Rußdichtevariation", dass die abgeschiedene Rußvorform oder die Schicht abgeschiedener Rußpartikel über eine Strecke von über 0,2 mm, bevorzugt über eine Strecke von über 0,2 cm eine anfängliche lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene senkrecht zur betreffenden optischen Achse des gesinterten Glases, von weniger als 20% der durchschnittlichen Rohlingdichte der Rußvorform besitzt, oder weniger als 0,2 g/cm³, welcher Wert jeweils größer ist. Bevorzugt besitzt die Rußvorform oder die Rußpartikelschicht, die unter Verwendung des Verfahrens oder Gerätes der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde, über eine Strecke von über 0,2 mm, bevorzugter von über 0,2 cm, eine anfängliche lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene senkrecht zur betreffenden optischen Achse des gesinterten Glases, von weniger als 10% der durchschnittlichen Rohlingdichte der Rußvorform, oder weniger als 0,1 g/cm³, welcher Wert jeweils größer ist. In der vorliegenden Erfindung ist die "lokale Rußdichte" an einem gegebenen Ort in einem betreffenden Bereich mit einer bestimmten gegebenen Dicke der Durchschnitt der gemessenen lokalen Rußdichte durch die Dicke an der gegebenen Stelle.

Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff "hohe OH-Konzentrationsgleichförmigkeit", dass die abgeschiedene Rußvorform oder die Schicht aus abgeschiedenen Rußpartikeln über eine Strecke von über 0,2 mm, bevorzugt über eine Strecke von über 0,2 cm, eine durchschnittliche OH-Konzentration C₁ (ausgedrückt in ppm nach Gewicht), gemessen in einer Ebene senkrecht zur betreffenden optischen Achse des gesinterten Glases, besitzt und eine gemessene OH-Konzentrationen innerhalb des Bereichs von C₁ ± 50 ppm, bevorzugt innerhalb des Bereiches von C₁ ± 25 ppm. In der vorliegenden Erfindung ist die "OH-Konzentration" an einer gegebenen Stelle in einem betreffenden Bereich mit einer bestimmten gegebenen Dicke der Durchschnitt der gemessenen lokalen Rußdichte über die Dicke an der gegebenen Stelle.

Der Begriff "im Wesentlichen planar" bedeutet, dass die betreffende Oberfläche Teil einer flachen Fläche oder gekrümmten Fläche ist. Die Oberfläche kann daher flach oder konturiert sein und kann unterschiedliche Formen annehmen, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, kreisförmig, rechteckig, konvex gewölbt oder konkav gewölbt.

Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff "verunreinigende feuerfeste Materialien" feuerfeste Materialien, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, Zircon, ZrO₂, Al₂O₃ und ähnliches, die üblicherweise für die Konstruktion von Hochtemperaturöfen verwendet werden und der Umgebung, in welcher das Glas hergestellt wird, ausgesetzt sind, die Elemente enthalten, die für das Kieselglas, das hergestellt werden soll, schädlich sind und die anfällig dafür sind, in das Kieselglas unter den Verfahrensbedingungen zu migrieren.

Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff "aktive Heizung", dass die Heizung zumindest zum Teil durch Energie bewirkt wird, die aus Heizvorrichtungen neben der rußerzeugenden Vorrichtung bereitgestellt wird. Zusätzliche Heizvorrichtungen, wie z.B. elektrische Widerstandsheizung, Induktionsheizung und Ähnliches, können daher verwendet werden, um die aktive Heizung zu bewirken. "Aktiv beheizt" bedeutet daher, einer aktiven Heizung unterworfen zu sein.

Der Begriff "im Wesentlichen einheitliche Temperatur" bedeutet, dass die Temperatur der betreffenden Oberfläche oder des Objektes eine durchschnittliche Temperatur T_m besitzt, und dass die Temperatur an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche oder des Objektes im Bereich vom T_m ± 50°C liegt. Die durchschnittliche Temperatur T_m kann im Verlauf der Zeit variieren. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die Temperatur an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche oder des Objekts im Bereich von T_m ± 25°C. In bestimmten anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt die Temperatur an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche oder des Objekts im Bereich von T_m ± 10°C.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von synthetischem Kieselglas durch Verwenden eines Ruß-zu-Glas-Verfahrens mit einem ebenen Abscheideschritt, in welchem Siliziumoxidrußpartikel auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden werden. Wie oben erwähnt, ist die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber dem US-Patent Nr. 6,606,883, dessen relevante Teile hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.

Der erste Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung schließt das Bereitstellen mindestens eines Stroms aus Rußpartikeln, die Siliziumoxid umfassen, über eine rußerzeugende Vorrichtung ein. Die Rußpartikel können eine Mischung aus Rußpartikeln mit unterschiedlichen Zusammensetzungen sein, oder Rußpartikel mit im Wesentlichen derselben Zusammensetzung. Die Rußpartikel können daher Siliziumoxidrußpartikel, die mit unterschiedlichen Dotierungsmittel dotiert sind, sein, oder eine Mischung von Siliziumoxidrußpartikeln und Dotierungsrußpartikeln, wie z.B. TiO₂, Al₂O₃ und ähnlichem. Die rußerzeugende Vorrichtung kann einen Brenner, mehrere Brenner, Plasmapistolen oder andere Rußpistolen umfassen. Die Rußpartikel können über Flammhydrolyse, wie z.B. im Falle eines Brenners, gebildet werden, oder vorgeformt sein und in die rußerzeugende Vorrichtung eingeführt werden. Solche vorgeformten Rußpartikel können z.B. durch Flammhydrolyse, Sol-Gel- oder andere Verfahren erzeugt werden. Das US-Patent Nr. 6,606,883 beschreibt die Flammhydrolyse (oder thermische Zersetzung) von siliziumenthaltenden oder Ti-enthaltenden Vorläufern, deren relevante Teile hierin durch Verweis aufgenommen sind. Das Rußerzeugungsverfahren, mit oder ohne Brenner, kann plasmaunterstützt sein.

Im zweiten Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der mindestens eine Strom aus Glasrußpartikeln auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche eines Abscheidungssubstrates gerichtet, das um eine Rotationsachse rotiert werden kann, sodass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden wird, um eine Rußvorform zu bilden, wobei die Schicht eine Fläche A₁ und eine dicke T₁ besitzt; wobei die rußerzeugende Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche bewegt werden kann und die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert ist, dass in zumindest der Hälfte der Fläche der Schicht aus abgeschiedenem Glasruß die lokale Rußdichtevariation durch die halbe Dicke im Zentrum gering ist. Bevorzugt besitzt die Rußvorform oder die Rußpartikelschicht, die unter Verwendung des Verfahrens oder Gerätes der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde, über eine Strecke von über 0,2 mm in der betreffenden Fläche, bevorzugt von über 0,2 cm, eine anfängliche lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene senkrecht zur betreffenden optischen Achse des gesinterten Glases, von weniger als 10% der durchschnittlichen Rohlingdichte der Rußvorform, oder von weniger als 0,1 g/cm³, welcher Wert jeweils größer ist.

1 zeigt schematisch eine Rußvorform 101, die unter Verwendung des Verfahrens und/oder des Gerätes der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Die Rußvorform 101 besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer Höhe T₁ und einem Durchmesser D₁. Beim Sintern wird die Achse des Zylinders die betreffende optische Achse des Glasstücks werden. Die gesamte Rußvorform wird als eine Schicht aus Rußpartikeln zur Vereinfachung der Diskussion der vorliegenden Erfindung angesehen. Natürlich kann die gesamte abgeschiedenen Vorform nach Beendigung des Abscheidens mehrere Schichten aus Rußpartikeln umfassen, und jede Schicht besitzt die erforderliche lokale Rußdichtevariation, wie oben beschrieben. Der Kernbereich 103 innerhalb der Rußvorform 101 mit einer Höhe T₂ und einem Durchmesser D₂ besitzt eine geringe lokale Rußdichtevariation, wie oben beschrieben, wobei mindestens D₂ ² ≤ 0,5D₁ ² und T₂ ≤ 0,5 T₁. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt der Kernbereich 103 innerhalb der Rußvorform 101 eine geringe lokale Rußdichtevariation, wobei zumindest D₂ ² ≤ 0,5 D₁ ² und T₂ ≤ 0,75 T₁. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist D₂ ≥ 5 cm und T₂ ≥ 5 mm. In bestimmten anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist D₂ ≥ 10 cm und T₂ ≥ 5 cm.

2 ist eine schematische Darstellung der Rußvorform aus 1 mit einem unterschiedlichen, angezeigten Kernbereich 201. Der Kernbereich 201 unterscheidet sich von dem Kernbereich 103 in 1 darin, dass der Kernbereich 201 eine Unterseite, die Teil der Unterseite der gesamten Rußvorform 101 ist, und eine Höhe T₃ besitzt. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Kernbereich 201 eine geringe lokale Rußdichtevariation besitzt, wobei mindestens D₂ ² ≤ 0,75D₁ ² und T₃ ≤ 0,90 T₁ ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist D₂ ≥ 5 cm und T₃ ≥ 5 mm. In bestimmten anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist D₂ ≥ 10 cm und T₃ ≥ 5 cm.

Um gesintertes Kieselglas mit einer hohen Homogenität bei der Zusammensetzung und den Eigenschaften zu erhalten, ist es höchst wünschenswert, dass die lokale Rußdichtevariation der abgeschiedenen Rußschicht oder Rußvorform gering ist. Es ist höchst wünschenswert, dass die lokale Rußdichte durch die Ebene des abgeschiedenen Rußes im Wesentlichen senkrecht zu der gedachten optischen Achse des gesinterten Glases im Wesentlichen gleichförmig ist, d.h. die lokale Rußdichtevariation in einer solchen Ebene ist gering. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, dass die Geschwindigkeit der Rußerzeugung aus der rußerzeugenden Vorrichtung im Wesentlichen konstant bleibt. Für einen Brenner bedeutet dies, dass es wünschenswert ist, dass die Gasflussraten (Si-enthaltende Vorläuferverbindungen, O₂, Brennstoff und ähnliches), die dem Brenner bereitgestellt werden, im Wesentlichen während des Rußabscheideschrittes konstant bleiben. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Ausgangsmaterial-(O₂, Brennstoff und Vorläuferverbindungen)-Flussraten während des Abscheideverfahrens verändert werden, um das lokale Rußdichteprofil der Rußvorform zu beeinflussen.

Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt. dass eine entsprechende Modulation der Bewegung, insbesondere der Geschwindigkeit, der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Rußabscheidungsträgeroberfläche zu der gewünschten geringen lokalen Rußdichtevariation in der abgeschiedenen Rußschicht oder -vorform führen kann. Eine derartige Modulation kann durch Anpassen der Geschwindigkeit einer beweglichen Trägeroberfläche, der Geschwindigkeit einer beweglichen rußerzeugenden Vorrichtung oder von beidem erreicht werden.

Die planare Abscheidungsträgeroberfläche des Abscheidungssubstrates in Schritt (II) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann in unterschiedlichen Richtungen angeordnet werden. Z.B. kann dies horizontal (im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Graviationskraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Substrat eine zylindrische Form besitzt und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder vertikal (im Wesentlichen parallel zur Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Substrat eine zylindrische Form besitzt und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder geneigt (zwischen horizontal und vertikal) sein. Die Abscheidungsträgeroberfläche kann nach oben zeigend (im Wesentlichen entgegen der Richtung der Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Abscheidungssubstrat im Wesentlichen zylindrisch ist und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder nach unten (im Wesentlichen parallel zur Richtung der Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Abscheidungssubstrat im Wesentlichen zylindrisch ist und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder geneigt (zwischen nach oben und nach unten) angebracht sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Abscheidungsträgeroberfläche horizontal und nach oben zeigend ausgerichtet.

Die Modulierung der Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung kann die Form einer Oszillation der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Rußabscheidungsträgeroberfläche einnehmen. Wenn die rußerzeugende Vorrichtung ein einzelner Brenner ist, kann sie um die Rotationsaschse des Abscheidungssubstrates oszillieren, um in einem gewünschten Geschwindigkeitsmuster des Brenners zu resultieren, wenn er unterschiedliche Stellen der Rußabscheidungsträgeroberfläche erreicht. Beim Modulieren der Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung sollten die folgenden Faktoren berücksichtigt werden: (i) die Winkelgeschwindigkeit der unterschiedlichen Punkte der Abscheidungsträgeroberfläche, wenn das Abscheidungssubstrat rotiert; (ii) Oszillationsgeschwindigkeit des Brenners; (iii) die Wärmedissipationsrate des Systems an unterschiedlichen Stellen der Rußabscheidungsoberfläche; (iv) das Gasflussmuster an unterschiedlichen Stellen der Rußabscheidungsoberfläche; und (v) die Brennerausgangsmaterialflussrate (O₂, Brennstoff, Vorläuferverbindungen, und ähnliches), sodass die gewünschte lokale Rußdichtevariation in der abgeschiedenen Rußvorform erreicht werden kann. Bei einem System, das im Wesentlichen aus einem einzigen Brenner besteht, der linear um die Rotationsachse des Abscheidungs substrates oszilliert, kann die Quantität der Gesamtgeschwindigkeit des Brenners relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche wie folgt berechnet werden:

wobei |v| die Quantität der Geschwindigkeit des Brenners relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche, r die radiale Entfernung einer gegebenen Stelle auf der Abscheidungsträgeroberfläche von der Rotationsachse, ω (r) die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Abscheidungssubstrates relativ zu einem allgemeinen Referenzobjekt (wie z.B. der Erde), wenn der Brenner eine Position mit einer Entfernung r von der Rotationsachse erreicht, und υ_b(r) die Geschwindigkeit des Brenners relativ zum allgemeinen Referenzobjekt bei einer radialen Entfernung r ist. In einem vereinfachten, idealen Modell dieses Systems, wobei die Wärmedissipationsrate und die Gasflussbedingungen als identisch an den betreffenden Stellen der Rußvorform angesehen werden und die Brennerausgangsmaterialflussrate im Wesentlichen konstant gehalten wird, führt die Modulierung der Geschwindigkeit des Brenners relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche zu einer im Wesentlichen konstanten |v| bei unterschiedlichem r. Wenn die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Abscheidungssubstrates ω(r) konstant bleibt, muss man die Brenneroszillationsgeschwindigkeit υ_b(r) anpassen, um dieses Ziel zu erreichen. Alternativ kann man sowohl die Brenneroszillationsgeschwindigkeit υ_b(r) als auch die Abscheidungssubstratwinkelgeschwindigkeit ω(r) anpassen, um ein im Wesentlichen konstantes |v| zu erhalten.

Es ist höchst wünschenswert, dass in Schritt (II) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung während des Rußabscheideverfahrens die Abscheidungsträgeroberfläche aktiv beheizt ist auf eine Temperatur von ungefähr zwischen 500–1000°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt zwischen ungefähr 700–1000°C. Wenn die Temperatur zu hoch ist, werden die abgeschiedenen Rußpartikel beginnen, zu sintern, um gesintertes Glas auszubilden, was zu einer hohen lokalen Rußdichtevariation führen kann und unerwünscht ist. Wenn die Temperatur zu gering ist, wird es schwierig sein, den Ruß auf der Abscheideoberfläche abzuscheiden, um eine stabil geformte Rußvorform auszubilden.

Es ist ebenfalls höchst wünschenswert, dass in Schritt (II) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung während des Rußabscheideverfahrens die Abscheidungsträgeroberfläche eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur besitzt, außer der Flächen, die in direktem Kontakt mit dem Rußstrom aus der rußerzeugenden Vorrichtung sind, in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen eine Temperaturvariation von weniger als ungefähr 50°C, in bestimmten Ausführungsformen weniger als ungefähr 25°C, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt weniger als ungefähr 15°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als ungefähr 10°C. Solch eine hohe Temperaturgleichförmigkeit der Rußabscheidungsträgeroberfläche ist der hohen lokalen Rußdichte der Vorform zuträglich.

Es ist wünschenswert, dass die durchschnittliche lokale Rußdichte in der Rußvorform zwischen 0,1 bis 1,6 g/cm³, in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt 0,4 bis 0,8 g/cm³ beträgt.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren die folgenden Schritte umfassen:

(III) wahlweise Trocknen, Reinigen und/oder Dotieren der Rußvorform, die in Schritt (II) gebildet wurde; und
(IV) Sintern mindestens eines Teiles der Rußvorform bei einer Temperatur von oberhalb 1000°C, um ein gesintertes Glas zu erhalten, das im Wesentlichen frei von Blasen ist.

Wenn Schritt (III) ausgeführt wird und ein Trocknungsverfahren beinhaltet, kann durch Verwendung einer halogenenthaltenden Verbindung, CO, CO₂ und damit kompatiblen Mischungen getrocknet werden. Solche halogenenthaltenden Verbindungen können F₂, Cl₂, Br₂ oder C_aS_hX_c sein, wobei X Halogen oder eine Kombination von Halogenen, a, b und c nicht negative, ganze Zahlen und 4a + 6b = c ist. Wenn Kieselglas mit geringem OH gewünscht wird und die Rußvorform unter Verwendung von Flammhydrolyse in einer H₂O-reichen Umgebung hergestellt wird, ist es oft erforderlich, dass die Rußvorform vor deren Sintern in Schritt (IV) getrocknet wird. Ein bevorzugtes Trocknungsmittel der Rußvorform ist Cl₂. Nach dem Trocknen kann die Rußvorform ein OH-Niveau von weniger als 0,1 ppm nach Gewicht besitzen.

Wenn Schritt (III) durchgeführt wird und ein Reinigungsverfahren beinhaltet, kann durch Behandeln der Rußvorform bei einer erhöhten Temperatur in einer reinigenden Atmosphäre, die eine Halogen-enthaltende Verbindung oder kompatible Mischungen davon enthält, gereinigt werden. Solche Halogen-enthaltenden Verbindungen können F₂, Cl₂, Br₂ oder C_aS_bX_c sein, wobei X Halogen oder eine Kombination von Halogenen, a, b und c nicht negative, ganze Zahlen und 4a + 6b = c ist. Ein bevorzugtes Reinigungsmittel ist Cl₂. Die Wärmebehandlung in Gegenwart solcher Reinigungsmittel kann die Rußvorform von unerwünschten Metallen, wie z.B. Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Übergangsmetallen und ähnlichen befreien. Die Trocknungs- und Reinigungsverfahren können daher gleichzeitig durchgeführt werden.

Wenn Schritt (III) durchgeführt wird, kann er ebenfalls ein Dotierungsverfahren der Rußvorform beinhalten. Bei dem Dotierungsverfahren kann die Rußvorform mit OH, F und anderen gewünschten Dotierungsmitteln auf ein gewünschtes Niveau durch Wärmebehandeln der Rußvorform in Gegenwart eines Gases, das solche Radikale enthält, dotiert werden. Die Reinigungs- und Dotierungsverfahren können daher gleichzeitig durchgeführt werden.

Es ist üblicherweise wünschenswert, dass Schritt (III), wenn er durchgeführt wird, bei einer Temperatur unter der Sintertemperatur der Rußvorform durchgeführt wird. Daher wird Schritt (III) bevorzugt bei einer Temperatur zwischen ungefähr 700–1400°C durchgeführt. In bestimmten Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Dotierungstemperatur zwischen ungefähr 700–1000°C beträgt. Es ist wünschenswert, dass zu jedem gegebenen Zeitpunkt während des Schrittes (III) die Rußvorform eine durchschnittliche Temperatur T_a besitzt und die Temperatur durch die Rußvorform im Wesentlichen einheitlich ist, bevorzugt innerhalb T_a ± 25°C beibehalten wird, in bestimmen Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_a ± 10°C, in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt innerhalb T_a ± 5°C. Eine hohe Temperaturgleichförmigkeit in der Rußvorform während des Schrittes (III) wird in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen benötigt, sodass ein gleichförmiges Zusammensetzungs- und Eigenschaftsprofil in der Rußvorform unmittelbar nach Schritt (III) erhalten wird.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Rußvorform während Schritt (III) auf eine Trägeroberfläche eines im Wesentlichen gleichförmig beheizten Trägerdotierungssockels gelegt. Bevorzugter besitzt die Trägeroberfläche des im Wesentlichen gleichförmig beheizten Trägerdotierungssockels eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur, in bestimmten Ausführungsformen eine Temperaturvariation von weniger als oder gleich ungefähr 50°C,
in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 20°C,
in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 10°C,
in bestimmten anderen Ausführungsformen bevorzugt weniger als oder gleich ungefähr 5°C.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Rußvorform in Schritt (IV) ermöglicht, über einem erhitzten Sintersubstrat mit einer Trägersinteroberfläche mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Temperatur zu sintern, auf der die Rußvorform aufgebracht wird, wodurch das Sintern der Rußvorform von der Oberfläche, die in Kontakt mit der Trägersinteroberfläche ist, bis zum anderen Ende hin fortschreiten kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen schreiten die unterschiedlichen Bereiche der Sinterfront in Schritt (IV) zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit voran. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen schreitet die Sinterfront während des Schrittes (IV) mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit voran. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind das Abscheidungssubstrat und das Sintersubstrat das gleiche Substrat. In diesen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Abscheidungssubstrat aus hochreinem synthetischem Kieselglas hergestellt ist. Die Trägersinteroberfläche wird üblicherweise während des Schrittes (IV) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf eine Temperatur zwischen 1000–1500°C erwärmt, wodurch ein Sintern auftreten kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass Schritt (IV) an der Luft durchgeführt werden kann. Es war bekannt, dass das Sintern von Siliziumoxidrußvorformen an der Luft im Stand der Technik üblicherweise zu Gasblasen führt, die in dem gesinterten Glas eingeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung löst jedoch das Problem der Blasenbildung im Stand der Technik dadurch, dass es ermöglicht wird, dass ein fortschreitendes Sintern von der Unterseite bis zur Oberseite mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit fortschreiten kann. Es wird ermöglicht, dass Gas, das ursprünglich in der Rußvorform vorliegt, während des Sinterverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung entweichen kann.

In bestimmten Ausführungsformen, insbesondere denjenigen, in welchen das OH-Niveau in dem gesinterten Glas wünschenswerterweise auf ein bestimmtes Niveau gesteuert wird, ist es bevorzugt, dass Schritt (IV) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, in welcher der Partialdruck von Wasser und anderen, OH-verleihenden Verbindungen gesteuert wird. Z.B. kann die Atmosphäre, in welcher das Sintern durchgeführt wird, eine Mischung von He/H₂O, He/O₂/H₂, He/O₂/H₂O und ähnliches sein, in welcher der Partialdruck von H₂O auf das gewünschte Niveau eingeregelt ist, um zu einem gewünschten OH-Niveau in dem gesinterten Glas zu führen.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann Schritt (IV) in Gegenwart von bestimmten Dotierungsmitteln durchgeführt werden, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, F-enthaltenden Verbindungen. Daher können die Schritte (III) und (IV) zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.

Es ist auch vorgesehen, dass die Schritte (I), (II), (III) und (IV) zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden können, d.h. Rußabscheidung, Dotierung und Sintern können in der gleichen Ausrüstung gleichzeitig nebeneinander zur selben Zeit durchgeführt werden. Die Dotierung kann durch Dotierungsmittel bewirkt werden, die den rußerzeugenden Vorrichtungen bereitgestellt werden, wie z.B. Brennern, oder in die Atmosphäre über einen separaten Einlass eingeführt werden, in welcher die Verfahrensschritte durchgeführt werden. In diesem Fall kann die Rußvorform üblicherweise zwei Zonen gleichzeitig während bestimmten Zeiträumen besitzen: eine gesinterte Zone, die sich von der Unterseite der Rußvorform in der Nähe zur Rußabscheidungsträgeroberfläche hin entwickelt und eine Rußzone, benachbart zur gesinterten Zone, die schrittweise in einen Teil der gesinterten Zone umgewandelt wird, während zusätzliche Rußpartikel darauf abgeschieden werden.

Neben anderen ist einer der großen Vorteile der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit der Herstellung einer Siliziumoxidrußvorform unter Verwendung von Flammhydrolyse- oder anderer Verfahren, Dotieren, Reinigen der Rußvorform und Sintern der Rußvorform in einer Umgebung, die im Wesentlichen frei von verunreinigenden feuerfesten Materialien ist, wie z.B. Zirconziegelsteinen, Al₂O₃-Ziegelsteinen, ZrO₂-Ziegelsteinen und ähnlichen. Herkömmliche Verfahren und Geräte zur Herstellung synthetischen Kieselglases, insbesondere direkt-zu-Glas und deren Öfen, beinhalten die Verwendung von feuerfesten Ziegeln und feuerfesten Fangstücken bei der Herstellung des Ofens und des Ablageverfahrens. Diese feuerfesten Materialien, wie z.B. ZrO₂, Zircon, Al₂O₃ und ähnliche, werden typischerweise sorgfältig und vollständig durch Cl₂ und ähnliches vor der Verwendung gereinigt. Nichtsdestotrotz neigen die gereinigten feuerfesten Materialien dazu, ein hohes Niveau an Metallen, wie z.B. Alkali-, Erdalkali-, Übergangsmetalle und ähnliche, zu enthalten. Bei den hohen Temperaturen, unter denen das Glas gebildet wird, werden diese Verunreinigungen in das Glas eingeführt. Die Verunreinigungen sind eine wichtige Quelle für die Probleme des endgültigen, gesinterten Glases, wie z.B. verringerte Transmission, verminderter Widerstand gegenüber Laserbeschädigung und ähnliches, wenn das Glas für Anwendungen, die in Tiefen- und Vakuum-UV-Bereichen arbeiten, verwendet wird. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Bereitstellen der Möglichkeit der Herstellung von Rußvorformen und gesintertem Glas in einer Umgebung, die im Wesentlichen frei von verunreinigenden feuerfesten Materialien ist, und kann daher für die Herstellung von hochreinem synthetischen Kieselglas für die Verwendung in UV-Lithographievorrichtungen mit einer hohen Effizienz verwendet werden.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gerät zur Herstellung von Kieselglasmaterial aus Glasrußpartikeln mit den folgenden Bestandteilen:

(A) ein Rußabscheidungssubstrat mit einer im Wesentlichen ebenen Abscheidungsträgeroberfläche, auf welcher Rußpartikel abgeschieden werden sollen, und das in der Lage ist, um eine Rotationsachse zu rotieren;
(B) eine Heizquelle mit einer steuerbaren Heizleistung zum Heizen des Rußabscheidungssubstrats, sodass die Abscheidungsträgeroberfläche eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur besitzt;
(C) eine glasrußerzeugende Vorrichtung, die (i) geeignet ist, zumindest einen Strom aus Glasrußpartikeln bereitzustellen, die Siliziumoxid umfassen, und Richten des Stromes aus Glasrußpartikeln auf die Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates, und die (ii) horizontal und/oder vertikal relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates beweglich ist; und
(D) ein System zum Steuern und Antreiben der Bewegung der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates.

Wie oben in Verbindung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erwähnt wurde, können die ebene Abscheidungsträgeroberfläche des Abscheidungssubstrates in Schritt (II) des Verfahrens und der Bestandteil (B) des Gerätes der vorliegenden Erfindung in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein. Z.B. kann es horizontal (im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Substrat eine zylindrische Form besitzt und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder vertikal (im Wesentlichen parallel zur Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Substrat eine zylindrische Form besitzt und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder geneigt (zwischen horizontal und vertikal) sein. Die Abscheidungsträgeroberfläche kann nach oben zeigend (im Wesentlichen entgegen der Richtung der Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Abscheidungssubstrat im Wesentlichen zylindrisch und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder nach unten gerichtet (im Wesentlichen parallel zur Richtung der Schwerkraft, die auf das Abscheidungssubstrat wirkt, wenn das Abscheidungssubstrat im Wesentlichen zylindrisch und die Abscheidungsoberfläche eine der unteren Oberflächen ist) oder geneigt (zwischen nach oben gerichtet und nach unten gerichtet) angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Abscheidungsträgeroberfläche horizontal und nach oben zeigend angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Abscheidungsträgeroberfläche nach unten zeigend anzuordnen. In diesem Fall, wie unten erwähnt, wird für gewöhnlich ein Vakuumfutter benötigt, um der Schwerkraft der Rußvorform, die auf der Abscheidungsträgeroberfläche ausgebildet wird, entgegenzuwirken.

Das Rußabscheidungssubstrat ist üblicherweise aus hochreinem Material hergestellt, das die Rußvorformen, die darauf abgeschieden werden sollen, nicht verunreinigt. Z.B. ist es wünschenswert, dass das Rußabscheidungssubstrat aus hochreinemn synthetischen Kieselglas mit einer ähnlichen Zusammensetzung hergestellt ist, insbesondere bezüglich der Niveaus an Verunreinigungen, insbesondere Alkalimetallen, wenn hochreines, undotiertes synthetisches Kieselglas das Glas ist, das in dem Gerät der vorliegenden Erfindung hergestellt werden soll. Es ist auch möglich, dass das Rußabscheidungssubstrat aus einem Material mit einer im Wesentlichen unterschiedlichen Zusammensetzung hergestellt ist, solange es keine Elemente enthält, die in die Rußvorform, die darauf abgeschieden werden soll, wandern würden und eine negative Wirkung auf die Eigenschaften des Glases, das hergestellt werden soll, vermittelt.

Die Heizquelle kann eine Strahlungsheizung sein, wie z.B. eine Infrarotheizung, eine Widerstandsheizung, eine Induktionsheizung, eine Flamme, eine Plasmafackel und ähnliches. Die Anordnung der Wärmequelle sollte vorteilhafterweise das Abscheidungssubstrat gleichmäßig beheizen, sodass eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur der Abscheidungsträgeroberfläche erhalten werden kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann die Wärmeleistung der Heizquelle leicht angepasst werden, um die Heizbedürfnisse der Abscheidungs-, Dotierungs-, Trockungs-, Reinigungs- und Sinterschritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu erfüllen. Eine Heizquelle mit im Wesentlichen derselben Form wie das Rußabscheidungssubstrat ist üblicherweise besser in der Lage, das Abscheidungssubstrat gleichmäßig zu erwärmen, wodurch eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur der Abscheidungsträgeroberfläche erreicht wird. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung ist Bestandteil (B) (die Heizquelle) im Wesentlichen eben. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist Bestandteil (B) auch geeignet, ein Sinterträgersubstrat auf eine Temperatur zu erwärmen, um einer Glasrußvorform, die im Wesentlichen aus Siliziumoxidpartikeln und/oder Dotierungspartikeln besteht, die auf dem Sinterträgersubstrat aufgebracht ist, zu ermöglichen, fortschreitend zu sintern. In diesen Ausführungsformen ist es des Weiteren bevorzugt, dass das Sinterträgersubstrat das Abscheidungssubstrat ist. Die Heizquelle kann stationär oder beweglich relativ zum Rußabscheidungssubstrat sein. In einer insbesondere vorteilhaften Ausführungsform ist die Heizquelle um die Rotationsachse des Abscheidungssubstrats relativ zum Abscheidungssubstrat rotierbar, wodurch eine gleichförmigere Erwärmung des Abscheidungssubstrates ermöglicht wird.

Eine insbesondere vorteilhafte Heizquelle ist eine Induktionsheizung. Der Suszeptor der Induktionsheizung ist das Heizelement, das die Temperatur des Abscheidungssubstrates erhöht. Der Suszeptor kann derart hergestellt sein, dass er eine im Wesentlichen ebene Form besitzt. Ein Vorteil der Induktionsheizung ist die Fähigkeit, die Heizleistung sofort anpassen zu können, und daher die Temperatur des Suszeptors. In einem System, in welchem eine genaue Temperaturkontrolle eines festen Substrates gewünscht ist, wie z.B. beim Gerät der vorliegenden Erfindung, ist eine Induktionsheizung insbesondere vorteilhaft. Der Suszeptor kann aus irgendeinem typischen, elektrisch leitenden Material für Suszeptoren in Induktionsheizungen hergestellt werden: Graphit, Platin, Molybdän und ähnliches. Um die Oxidation des Suszeptormaterials zu vermeiden oder um die Verunreinigung der Rußabscheidungsumgebung, der Reinigungs-, Dotierungs- oder Sinterumgebung zu vermeiden, kann der Suszeptor mit einem sauberen Material, wie Z.B. einem Blatt aus hochreinem synthetischen Kieselglas, bedeckt oder verschlossen sein.

Wie in Zusammenhang mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung oben erwähnt, kann die rußerzeugende Vorrichtung einen Brenner, eine Plasmapistole oder eine andere Rußpistole umfassen. Die rußerzeugende Vorrichtung ist in der Lage bei einer erhöhten Temperatur, Ruß zu erzeugen, der eine Mischung aus Partikeln mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ist, oder Partikel mit im Wesentlichen der gleichen Zusammensetzung. Die Rußpartikel können daher Siliziumoxidrußpartikel sein, die mit unterschiedlichen Dotierungsmitteln dotiert sind, oder eine Mischung aus Siliziumoxidrußpartikeln und Dotierungsrußpartikeln, wie z.B. TiO₂, Al₂O₃ und ähnliche. Die rußerzeugende Vorrichtung kann unterschiedliche Einheiten umfassen, die geeignet sind, Rußpartikel mit im Wesentlichen der gleichen Zusammensetzung zu erzeugen, oder unterschiedliche Einheiten, die geeignet sind, Rußpartikel mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zu erzeugen. Z.B. kann die rußerzeugende Vorrichtung einen einzelnen oder mehrere Brenner umfassen, die Siliziumoxidrußpartikel mit der gleichen oder unterschiedlichen Zusammensetzungen erzeugen. In einem anderen Beispiel kann die rußerzeugende Vorrichtung unterschiedliche Brenner umfassen, die dazu gedacht sind, Siliziumoxidrußpartikel bzw. TiO₂-Rußpartikel zu erzeugen. Es ist auch möglich, dass der gleiche Brenner für die Herstellung von Siliziumoxidrußpartikeln und TiO₂-Partikeln zu unterschiedlichen Zeiten während des Abscheidungsschrittes verwendet wird.

Die Fähigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung, sich vertikal und/oder horizontal relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche zu bewegen, ermöglicht die Modulierung der Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche. Wie oben erwähnt ermöglicht die Modulierung der Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Rußabscheidungsoberfläche eine geringe lokale Rußdichtevariation in der Rußschicht oder Rußvorform, die auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden wird.

Bestandteil (D) des Gerätes der vorliegenden Erfindung vereinfacht die Modulierung der Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Rußabscheidungsträgeroberfläche. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung umfasst Bestandteil (D) einen Computer, der geeignet ist, Informationen von den Vorrichtungen zu erhalten und an die Vorrichtungen abzugeben, die die Bewegung der rußerzeugenden Vorrichtung steuern. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist Bestandteil (D) in der Lage, die Bewegung der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche in einer Art und Weise zu modulieren, dass eine Schicht aus Glasruß auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden werden kann, um eine Rußvorform auszubilden, die eine Schicht aus Rußpartikeln umfasst, wobei in zumindest der Hälfte der Fläche der Schicht aus abgeschiedenem Glasruß die lokale Rußdichtevariation durch die Hälfte der Dicke im Zentrum gering ist. Bevorzugt besitzen die Rußvorform oder die Rußpartikelschicht, die unter Verwendung des Verfahrens oder Gerätes der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurden, über eine Strecke von über 0,2 mm in der betreffenden Fläche, bevorzugt von über 0,2 cm, eine anfängliche lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene senkrecht zu der gewünschten optischen Achse des gesinterten Glases, von weniger als 10% der durchschnittlichen Rohdichte der Rußvorform, oder von weniger als 0,1 g/cm³, welcher Wert jeweils größer ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Rußschicht einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 5 cm und einer Höhe von mindestens 5 mm. In bestimmten anderen Ausführungsformen umfasst die Rußschicht einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 10 cm und einer Höhe von mindestens 5 cm.

Eine Rußvorform, die unter Verwendung des Gerätes der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, dargestellt in den 1 und 2, ist auch oben in Verbindung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In bestimmten Ausführungsformen des Gerätes der vorliegenden Erfindung umfasst es des Weiteren ein Gehäuse, das dahingehend angepasst ist, um eine Glasrußvorform zu bedecken und eine Kammer zu bilden, wobei das Gehäuse wahlweise mit Einlässen ausgestattet ist, durch welche Gas in die Kammer eingeführt werden kann. Vorteilhafterweise ist das Gehäuse aus hochreinem synthetischen Kieselglas hergestellt.

In bestimmten Ausführungsformen ist der Bestandteil (B) auf einem rotierbaren Sockel aufgebracht und Bestandteil (B) und der rotierbare Sockel sind durch eine Schicht aus feuerfestem Filz getrennt. Die Schicht aus feuerfestem Filz verhindert das Überhitzen des Sockels.

Das Gerät der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren durch bestimmte Ausführungsbeispiele illustriert, die in den 3 und 4 dargestellt sind. 3 stellt schematisch die Hauptbestandteile eines Gerätes der vorliegenden Erfindung vor, wobei ein einzelner Brenner 315 betrieben wird, um Rußpartikel abzuscheiden, um eine Rußvorform 303 auf der oberen Oberfläche eines Abscheidungssubstrates 301 zu bilden. Das Abscheidungssubstrat 3O1 wird durch die Heizquelle 305, die oben auf die Oberfläche des Sockels 307 aufgelegt ist, erwärmt. Zwischen dem Sockel 307 und der Heizquelle 305 ist eine Schicht aus feuerfestem Filz 309 zwischengelagert. Das Heizelement 305 wird durch die Induktionsspule 311 erhitzt, die unterhalb des rotierbaren Sockels 307 angebracht ist. Eine Welle 313, die mit dem Sockel 307 verbunden ist. kann angetrieben werden, um den Sockel 307 im Uhrzeigersinn, entgegen dem Uhrzeigersinn, nach oben und nach unten zu bewegen. Der Brenner 315, der an die Halterung 317 angebracht ist, kann zwischen links und rechts vor und zurück oszillieren. Die Halterung 317 kann ebenfalls nach oben und nach unten bewegt werden, um eine im Wesentlichen konstante Entfernung zwischen dem Brenner und der obersten Oberfläche der Rußvorform beizubehalten. Ein optionales Gehäuse 319 mit Gaseinlässen/-auslässen 321 ist auch dargestellt, um das Brennerensemble und die Rußvorform zu bedecken. Unter Verwendung der Heizquelle kann das optionale Gehäuse auf einer sehr geringen Temperatur gehalten werden, wodurch das Bedürfnis nach Ofenwänden, die aus potentiell kontaminierenden, feuerfesten Materialien aufgebaut sind, vermieden werden kann. Die Induktionsspule 311 kann relativ zum Sockel 307 stationär gehalten werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Heizquelle 305 gleichförmig geheizt. 323, wie dargestellt in den 3 und 4, sind optionale Kantenbrenner, die die Temperatur des Kantenbereiches der Rußvorform erhöhen, um die Dichte des Kantenbereichs zu erhöhen, wodurch das Reißen der Rußvorform während der Abscheidung und der nachfolgenden Behandlung vermieden wird.

4 zeigt das Gerät aus 3 in Betrieb während der Reinigungs-, Trocknungs-, Dotierungs- und Sinterschritte. In dieser Figur ist das Gehäuse 319 weggelassen, obwohl es dennoch vorliegen kann. Während dieser Schritte kann die Rußvorform innerhalb eines optionalen Gehäuses 401, das Gasein-/-auslässe 403 besitzt, die aus hochreinen Materialien hergestellt sind, die im Wesentlichen die Rußvorform 303 während des Betriebes nicht verunreinigen, gehalten werden. Wenn hochreines synthetisches Kieselglas für die UV-Lithographie hergestellt werden soll, kann das Gehäuse vorteilhafterweise aus hochreinem synthetischen Kieselglas hergestellt sein. Die Atmosphäre innerhalb des Gehäuses, die Zusammensetzung und die Temperatur davon, können wirksam auf gewünschte Niveaus gesteuert werden, um das gesinterte Glas mit der gewünschten Zusammensetzung und den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Z.B. kann während des Reinigungs-/Trocknungsschrittes Cl₂ in das Gehäuse 401 durch den Einlass/Auslass 403 eingebracht werden und daraus evakuiert werden. Während des Dotierungsschritts können Dotierungsimittel, wie z.B. H₂O, F-enthaltendes Gas und ähnliches, in das Gehäuse 401 eingeführt werden und auf gewünschten Niveaus beibehalten werden. Während des Sinterschrittes kann die Atmosphäre in dem Gehäuse 401 ebenfalls gesteuert werden. Durch Anpassen der Stromversorgung für die Induktionsspulen kann die Temperatur und die Heizrate der Heizquelle 305 und somit die Temperatur des Trägersubstrates 301 genau gesteuert werden. Eine Umgebungsheizung 405 kann auch zusätzlich zur Heizquelle 305 verwendet werden. Das Sintern der Rußvorform kann ebenfalls in einer getrennten Vorrichtung bewirkt werden.

Durch Steuern der Heizleistung der Induktionsspule im Verlauf der Zeit kann die Temperatur und die Temperaturerhöhungsrate des Trägersubstrates 301 genau gesteuert werden. Im Sinterschritt, wenn der Rußvorform erlaubt wird, zu transparentem Glas zu sintern, kann das Temperaturprofil des Trägersubstrates derart gesteuert werden, dass das Sintern schrittweise vom unteren Teil der Rußvorform in Kontakt mit dem Trägersubstrat bis nach oben hin fortschreitet. Es ist höchst wünschenswert und durch Anpassen der Heizleistung des Systems erreichbar, dass das Sintern mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit in unterschiedlichen Bereichen der Rußvorform fortschreitet. Wie oben erwähnt, kann das Sintern selbst in Luft ohne Einschluss von Luftblasen in dem gesinterten Glas bewirkt werden, in dem dem Sintere erlaubt wird, langsam von unten nach oben fortzuschreiten.

5 zeigt den Geräteaufbau einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird das Rußabscheidungsträgersubstrat 301 nach unten zeigend eingebaut und die Brennerflamme des Brenners 315 kann sich nach oben hin ausdehnen. In dieser Ausführungsform wird ein Vakuumanschluss 501 verwendet, um die Rußvorform an Ort und Stelle zu halten, ohne dass sie herabfällt. Eckenbrenner 323 ist ebenfalls dargestellt.

6 zeigt schematisch die obere Ansicht eines Brenners 601, der entlang des Durchmessers AA' der angestrebten Rußvorform 607 (der große Kreis) mit einem Durchmesser R vor und zurück oszilliert. Die Rußvorform 607 rotiert um ihr Zentrum 605. Das Geschwindigkeitsprofil des Brenners 605 in einer Ausführungsform ist im unteren Teil der 6 dargestellt.

7 zeigt schematisch die obere Ansicht eines Brenners 601, der entlang einer geraden Linie BB' der angestrebten Rußvorform 607 mit einem Durchmesser R vor und zurück oszilliert. BB' ist parallel zu einem Durchmesser der angestrebten Rußvorform, geht jedoch nicht durch das Zentrum 605. Es wird angenommen, dass diese Art der Brenneroszillation eine Rußvorform mit einer geringen lokalen Rußdichtevariation aufgrund des Vermeidens des Durchgangs durch das Zentrum erzeugt, in dem die Winkelgeschwindigkeit 0 ist. Das Geschwindigkeitsprofil des Brenners ist ebenfalls im unteren Teil der Figur gezeigt.

Das Gerät der vorliegenden Erfindung kann durch eine zentrale Steuereinheit, wie z.B. einen PC, gesteuert werden. Das Blockdiagramm aus 8 zeigt schematisch die Hauptbestandteile einer Ausführungsform des Gerätes der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform kommuniziert eine zentrale Steuereinheit in einer oder beiden Richtungen mit der Brennerbewegungssteuervorrichtung, der Sockelbewegungssteuervorrichtung, der Brennerausgangsmaterialflussratensteuervorrichtung, der planaren Heizung, dem Kammerthermometer, der Umgebungsheizung und anderen steuerbaren Vorrichtungen. Die zentrale Steuereinheit kann die Bewegung des Brenners relativ zum Trägersubstrat, die Flussrate der Brennerausgangssubstanzen, die Heizrate der planaren Heizung und der Umgebungsheizung, und ähnliches, gemäß einem vorgeladenen Programm und als Antwort auf die Signale, die von diesen Vorrichtungen und Thermometern und anderen Sensoren aufgenommen wurden, modulieren. Währenddessen können die einzelnen Bestandteile, wie z.B. die Sockelbewegungssteuervorrichtung und die Brennerbewegungssteuervorrichtung miteinander kommunizieren, mit oder ohne Beteiligung der zentralen Steuereinheit.

Beispiel

In diesem Beispiel wurde eine Siliziumoxidrußvorform in einem Gerät, das schematisch in 3 dargestellt ist, abgeschieden. Die induktionsbeheizte Heizquelle 305 wurde auf ungefähr 700°C erhitzt, bevor die Rußabscheidung gestartet wurde. Die Heizquelle 305 war ein Graphitsuszeptor. Das Rußabscheidungssubstrat 301 ist eine ungefähr 6 mm (¼'') dicke Platte mit 300 min Durchmesser aus hochreinem synthetischen Kieselglas. Dem einzelnen Brenner 315 wurde erlaubt, linear durch das Zentrum des Abscheidungssubstrates 301 zu oszillieren. Das Ausgangsmaterial des Brenners schloss OMCTS, O₂ und Brennstoff ein. Dem Siliziumoxidruß, der in der Flamme erzeugt wurde, wurde erlaubt, sich auf der oberen Oberfläche des Abscheidungssubstrates 301 abzuscheiden, um eine Rußvorform zu bilden. Während der Abscheidung rotierte der Sockel 307, und damit die Heizquelle 305 und das Abscheidungssubstrat 301, sowie auch die Rußvorform 303, um die Welle 313. Dem Brenner wurde erlaubt, sich hoch und runter zu bewegen, um eine im Wesentlichen konstante Entfernung zwischen dem Brenner und dem Abscheidungssubstrat von ungefähr 7 Zoll (ungefähr 18 cm) beizubehalten. Die abgeschiedene, im Wesentlichen zylindrische Rußvorform 303 wurde von dem Abscheidungssubstrat 301 heruntergenommen und die lokale Rußdichte davon wurde gemessen. Das durchschnittliche lokale Rußdichteprofil durch die Höhe der im Wesentlichen zylindrischen Rußvorform ist als Funktion der radialen Enfernung (der Entfernung vom Zentrum der Rußvorform) in 9 dargestellt.
Für den Fachmann wird offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich und dem Geist der Erfindung abzuweichen. Es ist daher gedacht, dass die vorliegende Erfindung die Veränderungen und Modifikationen dieser Erfindung abdeckt, vorausgesetzt, dass sie innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von dotiertem oder undotiertem Kieselglasmaterial mit den folgenden Schritten: (I) Bereitstellen mindestens eines Stromes aus Glasrußpartikeln, die Siliziumoxid umfassen, über eine rußerzeugende Vorrichtung; und (II) Richten des mindestens einen Stromes aus Glasrußpartikeln auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche eines Abscheidungssubstrates, das um eine Rotationsachse rotierbar ist, sodass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf der Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden wird, um eine Rußvorform zu bilden, wobei die Schicht eine Fläche A₁ und eine Dicke T₁ besitzt; wobei in Schritt (II) der rußerzeugenden Vorrichtung ermöglicht wird, sich relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche zu bewegen und die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert wird, dass in mindestens der halben Fläche der Schicht aus abgeschiedenem Glasruß und durch mindestens die halbe Dicke im Zentrum die lokale Rußdichtevariation gering ist.
Verfahren gemäß Anspruch l, wobei in Schritt (II) die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert wird, dass in mindestens der Hälfte der Fläche der Schicht des abgeschiedenen Glasrußes und durch mindestens die halbe Dicke im Zentrum die Rußvorform eine hohe OH-Konzentrationsgleichförmigkeit zeigt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt (II) die Geschwindigkeit der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert wird, dass in mindestens 75% der Fläche der Schicht aus abgeschiedenem Glasruß eine lokale Rußdichtevariation durch 90% der Dicke von der Unterseite in der Nähe der Abscheidungsträgeroberfläche gering ist.
Verfahren gemäß Anspruch l, wobei in Schritt (II) die Abscheidungsträgeroberfläche aktiv auf eine Temperatur von 500 bis 1000°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Abscheidungsträgeroberfläche eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur besitzt, ausschließlich Bereichen, die in direktem Kontakt mit dem Rußstrom von der rußerzeugenden Vorrichtung sind.
Verfahren gemäß Anspruch l, das des Weiteren die folgenden Schritte umfasst: (III) wahlweise Trocknen, Reinigen und/oder Dotieren der Rußvorform, die in Schritt (II) gebildet wurde; und (IV) Sintern mindestens eines Teils der Rußvorform bei einer Temperatur von über 1000°C, um ein gesintertes Glas zu erhalten, das im Wesentlichen frei von Blasen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei Schritt (III), in dem die Rußvorform dotiert wird, in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die Dotierungsmittel umfasst, und die Rußvorform zwischen ungefähr 700°C und 1400°C beibehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei in Schritt (IV) der Rußvorform ermöglicht wird, über einem beheizten Sintersubstrat mit einer Trägersinteroberfläche mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Temperatur, auf die die Rußvorform gelegt wird, zu sintern, wodurch das Sintern der Rußvorform von der Oberfläche in Kontakt mit der Trägersinteroberfläche bis zu dem anderen Ende hin fortschreiten kann.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei in Schritt (IV) zu jedem gegebenen Zeitpunkt unterschiedliche Flächen der Sinterfront mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit fortschreiten.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Trägersinteroberfläche auf eine Temperatur von 1000–1500°C aktiv erhitzt wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Sintern auftritt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei Schritt (IV) in einer Atmposphäre durchgeführt wird, in der der Partialdruck von Wasser und/oder anderen OH-verleihenden Verbindungen gesteuert wird, sodass die OH-Konzentration in dem gesinterten Glas gesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung von dotiertem oder undotiertem Kieselglasmaterial gemäß Anspruch 1 mit den Schritten: (I) Bereitstellen mindestens eines Stroms aus Glasrußpartikeln, die Siliziumoxid umfassen, über eine rußerzeugende Vorrichtung; und (II) Richten des mindestens einen Stromes aus Glasrußpartikeln auf eine im Wesentlichen ebene Abscheidungsträgeroberfläche eines Abscheidungssubstrates, das um eine Rotationsachse rotierbar ist, sodass mindestens eine Schicht aus Glasruß auf die Abscheidungsträgeroberfläche abgeschieden wird, um eine Rußvorform zu bilden, wobei die Schicht einen Zylinder mit einem Durchmesser von mindestens 5 cm und einer Höhe von mindestens 5 min umfasst; wobei in Schritt (II) der rußerzeugenden Vorrichtung ermöglicht wird, sich relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche zu bewegen und die Geschwindigkeit der rußabscheidenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche derart moduliert wird, dass in dem betreffenden Zylinder die lokale Rußdichtevariation, gemessen in einer Ebene parallel zur Unterseite des Zylinders, gering ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Kieselglasmaterial aus Glasrußpartikeln mit den folgenden Bestandteilen: (A) ein Rußabscheidungssubstrat mit einer im Wesentlichen ebenen Abscheidungsträgeroberfläche, auf welcher Rußpartikel abgeschieden werden sollen, und die in der Lage ist, um eine Rotationsachse zu rotieren; (B) eine aktive Heizquelle mit einer steuerbaren Heizleistung zum Heizen des Rußabscheidungssubstrates, sodass die Abscheidungsträgeroberfläche eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur besitzt; (C) eine Glasrußabscheidungsvorrichtung, die (i) in der Lage ist, mindestens einen Strom aus Glasrußpartikeln bereitzustellen und Richten des Stroms aus Glasrußpartikeln auf die Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates, und die (ii) horizontal und/oder vertikal relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates beweglich ist; und (D) ein System zum Steuern und Antreiben der Bewegung der rußerzeugenden Vorrichtung relativ zur Abscheidungsträgeroberfläche des Rußabscheidungssubstrates.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, die im Wesentlichen frei von verunreinigenden feuerfesten Materialien in Bereichen ist, die einer Atmosphäre ausgesetzt sind, in welcher die Rußabscheidung stattfindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, die des Weiteren ein Gehäuse umfasst, das zum Abdecken der Glasrußvorform angepasst ist, um eine Kammer zu bilden, wobei das Gehäuse wahlweise mit Einlässen ausgestattet ist, durch welche Gas in die Kammer eingeführt werden kann.