DE102006062166B4

DE102006062166B4 - Quarzglas-Bauteil mit Reflektorschicht sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102006062166B4
Application number: DE102006062166A
Authority: DE
Inventors: Waltraud Werdecker; Rolf Gerhardt; Jürgen Weber
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: CN101568497B; KR20090100372A; CN101568497A; JP2010513198A; KR101111659B1; JP5432721B2; IL198953A0; US7947335B2; IL198953A; DE102006062166A1; WO2008077807A1; EP2102125A1; US20090316268A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Bauteils mit Reflektorschicht, indem auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Substratkörpers aus Quarzglas eine als diffuser Reflektor wirkende Reflektorschicht aus Quarzglas erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht durch thermisches Spritzen erzeugt wird, indem amorphe SiO₂-Teilchen, von denen mindestens ein Drittel sphärisch ausgebildet ist, einem Energieträger zugeführt, mittels diesem an- oder aufgeschmolzen und auf dem Substratkörper abgelagert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Bauteils mit Reflektorschicht, indem auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Substratkörpers aus Quarzglas eine als diffuser Reflektor wirkende Reflektorschicht aus Quarzglas erzeugt wird.
Außerdem geht es in der Erfindung um ein Quarzglas-Bauteil mit einer Reflektorschicht, umfassend einen Substratkörper aus Quarzglas, dessen Oberfläche mindestens teilweise mit einer als diffuser Reflektor wirkenden SiO₂-Reflektorschicht belegt ist.
Bauteile aus Quarzglas werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise in der Lampenfertigung als Hüllrohre, Kolben, Abdeckplatten oder Reflektorträger für Lampen und Strahler im ultravioletten, infraroten und sichtbaren Spektralbereich, im chemischen Apparatebau oder in der Halbleiterfertigung in Form von Reaktoren und Apparaturen aus Quarzglas für die Behandlung von Halbleiterbauteilen, Trägerhorden, Glocken, Tiegeln, Schutzschilden oder einfachen Quarzglas-Bauteilen, wie Rohre, Stäbe, Platten, Flansche, Ringe oder Blöcke.
Bei Lampen spielen die zeitliche Konstanz und der Wirkungsgrad der abgegebenen Arbeitsstrahlung eine wichtige Rolle. Auch bei Heizvorrichtungen kommt es in der Regel auf geringe Wärmeverluste an. Um Strahlungsverluste zu minimieren, werden optische Strahler und Heizstrahler daher mit einem Reflektor versehen. Der Reflektor ist mit dem jeweiligen Strahler fest verbunden oder es handelt es sich um ein separat vom Strahler angeordnetes Reflektorbauteil.
Zur Verringerung der Transmission oder zur Veränderung des transmittierten Lichtwellenspektrums ist es bekannt, Lampenkolben zu mattieren, etwa durch Ätzen mit Säure oder durch Überziehen des Lampenkolbens im Inneren mit einem teilchenförmigen, lichtstreuenden Pulver, wie etwa einer Mischung aus Ton und Siliziumdioxid. Bisher bestanden die Oberflächen besonders hochwertiger Reflektoren, die in chemisch aggressiver Umgebung eingesetzt werden können, ohne dass das Reflektormaterial Schaden nimmt und der Reflexionsgrad merkbar nachlässt, aus Gold. Reflektorschichten aus Gold sind jedoch teuer und nur eingeschränkt temperatur- und temperaturwechselbeständig. Außerdem ist die Reflexion merklich wellenlängenabhängig und nimmt die im UV-Bereich deutlich ab.
Diese Nachteile vermeidet das Verfahren zur Beschichtung von Quarzglas-Oberflächen zum Zweck der Veränderung von deren Reflektivität gemäß der DE 10 2004 051 846 A1 , aus der auch ein Reflektor sowie ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Gattung bekannt sind.
Darin wird vorgeschlagen, eine diffus reflektierende Reflektorschicht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas auszubilden. Die Herstellung der Reflektorschicht erfolgt mittels eines Schlickerverfahrens, bei dem ein hoch gefüllter, gießfähiger, wässriger SiO₂-Schlicker erzeugt wird, der amorphe SiO₂-Teilchen enthält. Die amorphen SiO₂-Teilchen werden durch Nassmahlen von SiO₂-Körnung hergestellt und weisen eine Teilchengröße im Bereich bis maximal 500 μm auf, wobei SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich zwischen 1 μm und 50 μm den größten Volumenanteil ausmachen.
Der SiO₂-Schlicker wird in Form einer Schlickerschicht auf dem Quarzglas-Substratkörper aufgetragen, und anschließend wird die Schlickerschicht getrocknet und unter Ausbildung einer mehr oder weniger opaken Quarzglasschicht verglast. Zum Auftragen der Schlickerschicht auf dem Basiskörper werden Sprühen, elektrostatisch unterstütztes Sprühen, Fluten, Schleudern, Tauchen und Aufstreichen vorgeschlagen.
Die so erzeugte Quarzglasschicht ist als diffuser Reflektor für Strahlung über einen weiten Wellenlängenbereich einsetzbar. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Fließverhalten des bekannten hoch gefüllten Schlickers für einige der genannten Beschichtungstechniken nicht optimal geeignet ist, und deshalb die reproduzierbare Herstellung einer gleichmäßigen Beschichtung im Einzelfall schwierig ist. Außerdem handelt es sich um einen mehrstufigen Prozess, der das Auf bringen der Schlickerschicht, das Trocknen und das Verglasen umfasst. In allen Prozessstufen kann es zu Defekten und damit zu Materialverlusten kommen insbesondere sind hier Schwindungsrisse sowie mechanische Beschädigungen der noch nicht vollständig verfestigten Schicht zu nennen.
Die DE 101 22 718 A1 beschreibt die Herstellung einer opaken Streulichtschicht auf einem Glas-Substrat durch thermisches Spritzen. Die die Streulichtschicht bildenden Partikel können aus gemahlenem Glas bestehen, und die Partikelgrößen liegen bei weniger als 100 μm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 30 μm.
Die US 3,457,102 A beschreibt die Herstellung einer Beschichtung aus Glas auf einem Substrat mittels Flammspritzen von Glaspulver, das Partikelgrößen zwischen 230 μm und 800 μm (20–65 mesh) aufweist. Im Ausführungsbeispiel wird ein Körper aus SiC mit einer Schicht aus Bleiglas versehen.
Die JP 60027676 A beschreibt die Beschichtung eines Waferhalters aus Quarzglas durch Plasmasprühen unter Einsatz von synthetischem Silica-Sand.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, das eine kostengünstige und reproduzierbare Herstellung gleichmäßiger SiO₂-Reflektorschichten auf Quarzglas-Bauteilen ermöglicht.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Verfahren erhaltenes Quarzglas-Bauteil bereitzustellen, das sich durch eine rissfreie und gleichmäßige SiO₂-Reflektorschicht auszeichnet.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reflektorschicht durch thermisches Spritzen erzeugt wird, indem amorphe SiO₂-Teilchen, von denen mindestens ein Drittel sphärisch ausgebildet ist, einem Energieträger zugeführt, mittels diesem an- oder aufgeschmolzen und auf dem Substratkörper abgelagert werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Reflektorschicht durch thermisches Spritzen erzeugt. Dabei werden amorphe SiO₂-Teilchen in Form einer fluiden Masse, wie etwa als Pulver, Sol oder Suspension (Dispersion), einem Energieträ ger zugeführt, darin mindestens teilweise aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die vorbereitete, zu beschichtende Oberfläche des Substratkörpers geschleudert. Der Energieträger ist in der Regel eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme oder ein Plasmastrahl, kann aber auch als Lichtbogen, Laserstrahl oder dergleichen ausgebildet sein.
Die SiO₂-Teilchen sind amorph. Durch den Einsatz von vornherein amorpher SiO₂-Teilchen wird die Gefahr einer Kristallbildung bei der Herstellung der Reflektorschicht vermindert, was zum Ausschuss des so beschichteten Bauteils führen kann.
Wichtig ist, dass die SiO₂-Teilchen auf- oder angeschmolzen und auf dem Substratkörper abgelagert werden, ohne dass eine vollständig transparente Oberflächenschicht ohne ausreichenden Reflexionsgrad gebildet wird, die dann als Reflektorschicht für diffuse Reflexion unbrauchbar wäre. Eine auf Teilbereiche der Reflektorschicht begrenzte Transparenz ist aber akzeptabel und kann sogar erwünscht sein, wie etwa zur Versiegelung von Oberflächenbereichen. Eine durch Transparenz verringerte Opazität der Schicht kann auch durch eine größere Schichtdicke ausgeglichen werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Beschichtung der Substratkörper-Oberfläche und das Verfestigen der Schicht in einem einzigen Arbeitsgang. Die mit dem bekannten Verfahren einhergehenden Probleme wegen dessen Mehrstufigkeit und etwaiger Beschädigungen einer noch nicht verfestigten Schicht, werden so vermieden. Insbesondere treten keine Schwindungsrisse auf. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Drittel der SiO₂-Teilchen sphärisch ausgebildet. Denn es hat sich gezeigt, dass sphärische Teilchen nach dem Opaksintern zu einer hohen Reflexion beitragen – vorallem im infraroten Wellenlängenbereich.
Es hat sich gezeigt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine opak wirkende, fest haftende, gleichmäßig dichte und insbesondere rissfreie SiO₂-Oberflächenschicht erzeugt werden kann, die sich darüber hinaus durch Haftfestigkeit auszeichnet, und die als diffuser Reflektor für Strahlung über einen großen Wellenlängenbereich geeignet ist.
Ein hinreichendes Erweichen der SiO₂-Teilchen erfolgt bei einer Temperatur, die sowohl mittels einer niederenergetischen Flammspritz- und Lichtbogenspritzverfahrens erreichbar ist, als auch mittels eines hochenergetischen Plasmaspritzverfahrens.
Bei einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante ist daher vorgesehen, dass die Reflektorschicht durch Plasmaspritzen erzeugt wird, wobei als Energieträger ein Plasmastrahl oder Laserstrahl eingesetzt wird.
Das Plasmaspritzen ermöglicht einen vergleichsweise hohen Energieeintrag sowie hohe Geschwindigkeiten beim Aufschleudern der auf- oder angeschmolzenen SiO₂-Teilchen auf die Substratkörper-Oberfläche. Dadurch lassen sich in kurzer Zeit verhältnismäßig dicke und fest haftende Reflektorschichten erzeugen.
Die SiO₂-Teilchen werden der Plasmaflamme dabei in aller Regel in Pulverform oder in Form einer Suspension zugeführt (Suspension Plasma Spraying; SSP). Daneben kommt auch das sogenannte SPPS-Verfahren in Betracht (Solution Precursor Plasma Spraying), bei dem der Plasmaflamme Precursor-Verbindungen für die SiO₂-Synthese zugeführt werden und die Oxidation zu SiO₂ in der Plasmaflamme oder während des Ablagerns auf der Substratkörper-Oberfläche er folgt. Beim SSP-Verfahren können besonders feine Partikel eingesetzt werden, was die Herstellung dünner Schichten, beispielsweise einer abschließenden dichten Schicht zur Versiegelung, erleichtert.
Alternativ dazu und gleichermaßen vorteilhaft wird die Reflektorschicht durch Flammspritzen erzeugt, wobei als Energieträger ein Lichtbogen oder eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme eingesetzt werden.
Bei Flammspritzverfahren ist die Temperaturführung im Vergleich zu Plasmaspritzverfahren einfacher einstellbar, so dass eine vorgegebene Opazität der Reflektorschicht genauer und reproduzierbarer einzuhalten ist. Außerdem zeichnen sich dieses Verfahren durch einen geringen Energieeintrag in den Substratkörper aus.
Es hat sich bewährt, wenn die SiO₂-Teilchen Teilchengrößen im Bereich bis maximal 200 μm, vorzugsweise maximal 100 μm, aufweisen, wobei SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich zwischen 1 μm und 60 μm den größten Volumenanteil ausmachen.
Reflektorschichten bestehen im Allgemeinen aus mehreren thermisch gespritzten Lagen von SiO₂-Teilchen. Bei Einsatz von SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen oberhalb von 200 μm sind zum einen dünne Reflektorschichten kaum herstellbar und zum anderen besteht die Gefahr, dass die Teilchen in der kurzen zur Verfügung stehenden Aufheizdauer nicht genügend Energie vom Energieträger aufnehmen können und daher das Sintern der Schicht erschwert wird. Kleinere Teilchen als 1 μm sind hingegen schwierig zu handhaben und führen leicht zum Verstopfen von Injektions-, Brenner- oder anderer Zufuhrdüsen.
Besonders bevorzugt weisen die SiO₂-Teilchen eine Teilchengrößenverteilung auf, die durch einen D₅₀-Wert von weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 40 μm, besonders bevorzugt weniger als 30 μm, gekennzeichnet ist.
Im Hinblick auf die einzuhaltende Opazität der Reflektorschicht ist ein Sintern der SiO₂-Teilchen ohne vollständiges transparentes Zusammenschmelzen und möglichst ohne Verformung des Substratkörpers zu ermöglichen. Teilchen im oben genannten Größenbereich zeigen diesbezüglich ein vorteilhaftes Sinterverhalten. Sie weisen eine hohe Sinteraktivität auf und sintern daher bereits bei vergleichsweise niedriger Temperatur, bei der einerseits durch plastische Verformung unterstütze Stofftransportvorgänge, die ein besonders schnelles Verglasen zu transparentem Quarzglas bewirken könnten, noch nicht in nennenswertem Umfang stattfinden, und bei denen auch der Substratkörper nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
In dem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die SiO₂-Teilchen eine mehrmodale Teilchengrößenverteilung aufweisen, mit einem ersten Maximum der Größenverteilung im Bereich von 2 bis 6 μm und einem zweiten Maximum im Bereich von 20 bis 60 μm.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante werden die SiO₂-Teilchen dem Energieträger in Form von Granulat zugeführt, in dem die SiO₂-Teilchen zu Granulatteilchen mit Größen im Bereich von 2 bis 300 μm, jedoch bevorzugt kleiner 100 μm, agglomeriert sind.
Bei in Granulatform fixierten SiO₂-Teichen ist die Handhabung, insbesondere die Zufuhr zum Energieträger, erleichtert. Dies trifft insbesondere für sehr feinteilige SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen von weniger als 30 μm zu, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut geeignet sind.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn der SiO₂-Gehalt der SiO₂-Teilchen mindestens 99,9 Gew.-% beträgt.
Eine Kontaminations- oder Kristallisationsgefahr geht von diesem Ausgangsmaterial nicht aus. Der Gehalt an Verunreinigungen beträgt vorzugsweise weniger als 1 Gew.-ppm.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Reflektorschicht mit einer Schichtstärke im Bereich zwischen 50 μm und 3000 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 μm und 800 μm, erzeugt.
Je dicker die SiO₂-Reflektorschicht ausgebildet ist, um so vollständiger erfolgt die Reflexion von Strahlung. Außerdem kann bei Anwendungen, die eine hohe Dichte der Reflektorschicht voraussetzen – zum Beispiel um Versiegeln oder um eine Generierung von Partikeln aus der Schicht zu vermeiden – die damit einhergehende verringerte Opazität der Schicht durch eine größere Dicke ausgeglichen werden. Reflektorschichten mit einer Schichtdicke von mehr als 3000 μm sind je doch nur mit hohem Aufwand herstellbar und in der Regel (bei im Wesentlichen opaken Schichten) macht sich der zusätzliche Effekt der größeren Schichtdicke kaum noch bemerkbar. Bei SiO₂-Reflektorschichten mit Dicken unterhalb von 50 μm ist es hingegen schwierig, eine vorgegebene diffuse Reflexion reproduzierbar einzuhalten, da sich bereits kleine Unterschiede in der Opazität der Schicht auf den Reflexionsgrad merklich auswirken.
Gerade für die Herstellung großer Schichtdicken wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der zum Erzeugen der Reflektorschicht mehrere aufeinanderfolgende Schichtlagen aufgebracht werden.
Für die Herstellung von Reflektorschichten mit spezifischen Eigenschaften sind entweder die SiO₂-Teilchen mit einem Dotierstoff versehen, oder dem Energieträger wird außer den SiO₂-Teilchen ein Dotierstoff zugeführt.
Die so erzeugte Reflektorschicht enthält einen oder mehrere Dotierstoffe, die dem Reflektor-Bauteil eine an den spezifischen Einsatzzweck angepasste additive Funktionalität verleihen oder seine Herstellung vereinfachen können. Als Beispiele hierfür seien eine Anpassung der Reflexion und Wärmedämmung durch einen in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv absorbierenden Dotierstoff, eine Erhöhung der Standzeit durch einen die Viskosität von Quarzglas erhöhenden Dotierstoff, eine Verbesserung der chemischen Beständigkeit oder eine Verringerung der von dem Bauteil ausgehenden Kontaminationsgefahr genannt, sowie speziell bei einem Plasmaverfahren die Verbesserung der Einkopplung des Plas mas durch einen Dotierstoff, der Strahlung im Bereich der Haupt-Emissionswellenlänge des Plasmas absorbiert.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung ergibt sich, wenn ein bei hoher Temperatur volatiler Dotierstoff eingesetzt wird.
Bei einer Temperatur im Bereich der Sintertemperatur der Reflektorschicht oder im Bereich der Arbeitstemperatur des Energieträgers verdampft, sublimiert oder dissoziiert der volatile Dotierstoff unter Bildung oder Freisetzung eines Gases. Das Gas gelangt in die Reflektorschicht und erleichtert die Erzeugung und Beibehaltung einer hohen Opazität.
Als bevorzugte Dotierstoffe werden eine oder mehrere der Verbindungen aus der Gruppe: ZrO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, Oxid-, Carbid- oder Nitrid-Verbindungen der Seitenerdmetalle, SiC und Si₃N₄, eingesetzt.
Die Dotierstoffe können in der Schicht gleichmäßig verteilt sein, oder sie können in separaten Schichtlagen konzentriert enthalten sein, zum Beispiel in Zwischenschichten. Auch Schichten mit einem Konzentrationsgradienten an Dotierstoff sind geeignet. Ein Zusatz von Aluminium im Quarzglas bildet in der Reflektorschicht Al₂O₃ _, welches die Ätzresistenz und die Temperaturstabilität von Quarzglas erhöht und damit zu einer Verlängerung der Lebensdauer des beschichteten Quarzglas-Bauteils führt. Ähnlich wirken Zusätze von Stickstoff oder Kohlenstoff, welche in Form von Nitriden oder Carbiden in die Quarzglasstruktur eingebaut werden, und die eine Versteifung der Glasstruktur und damit zum Beispiel eine bessere Ätzresistenz bewirken. Si₃N₄ kann sich bei hohen Temperaturen leicht zersetzen und erleichtert so durch Bildung von Gasen die Einstellung einer hohen Opazität in der Reflektorschicht.
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die SiO₂-Teilchen aus siliziumhaltigen Precursor-Verbindungen erzeugt werden, vorzugsweise aus Precursor-Verbindungen, die zusätzlich Stickstoff enthalten.
Geeignete Ausgangssubstanzen für SiO₂-haltige Precursor-Verbindungen sind beispielsweise TEOS oder Siloxane. Silazane enthalten außerdem Stickstoff. Durch den Einbau von Stickstoff in das Quarzglas der Reflektorschicht wird deren thermische Stabilität erhöht und die Ätzbeständigkeit verbessert.
Im Hinblick hierauf wird eine Verfahrensweise besonders bevorzugt, bei der das thermische Spritzen in Gegenwart eines Stickstoff enthaltenden Gases, insbesondere in Gegenwart von NH₃ oder N₂O, erfolgt.
Das thermische Spritzen kann beispielsweise mittels Plasmaflamme als Energieträger und bei Zufuhr des Stickstoff enthaltenden Gases zur Plasmaflamme erfolgen. Diese Behandlung ist insbesondere auch als Schlussbehandlung zum Erzeugen einer Stickstoff enthaltenen Oberflächenschicht geeignet.
Hinsichtlich des Quarzglas-Bauteils mit Reflektorschicht wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einem Bauteil der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die SiO₂-Reflektorschicht als durch thermisches Spritzen erzeugte und opak wirkende Schicht ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Quarzglas-Bauteil weist eine durch thermisches Spritzen erzeugte vollständig oder teilweise opake Reflektorschicht aus dotiertem oder aus undotiertem Quarzglas auf. Das opake Quarzglas wirkt als diffuser optischer Reflektor.
Das Bauteil wird vorzugsweise in der Prozessreaktor-, Lampen- und Reflektorfertigung eingesetzt, wobei es in Form eines Rohres, Kolbens, einer Kammer, Halbschale, Kugel- oder Ellipsoid-Segments, Platte, eines Hitzeschildes oder dergleichen vorliegt. Das Quarzglas-Bauteil ist entweder Bestandteil eines optischen Strahlers oder eines Heizreaktors mit integriertem Reflektor, wobei dieser von der SiO₂-Deckschicht gebildet wird, oder das Bauteil bildet einen separaten Reflektor und wird in Verbindung mit einem optischen Strahler oder Heizreaktor eingesetzt.
Das Quarzglas-Bauteil wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten, wobei sich die Reflektorschicht außer durch ihre Opazität, auch durch hohe Haftfestigkeit, eine hohe Homogenität ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere der Wirkung als diffuser Reflektor, die durch eine gleichmäßige Porenverteilung maßgeblich bestimmt wird, durch eine gleichmäßig hohe Dichte sowie durch eine hervorragende chemische und thermische Beständigkeit, mechanische Festigkeit und hohe Temperaturwechselbeständigkeit auszeichnet. Besonders hervorzuheben ist ihre Rissfreiheit und die gleichmäßige Verteilung der Dichte.
Sie ist als diffuser Reflektor für Strahlung über einen großen Wellenlängenbereich geeignet. Die Opazität der Reflektorschicht zeigt sich dadurch, dass die direkte spektrale Transmission im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 2500 nm unterhalb von 2% liegt. Die SiO₂-Reflektorschicht weist im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2000 nm einen Reflexionskoeffizienten von mindestens 0,6 auf.
Unter dem Reflexionskoeffizienten wird das Intensitätsverhältnis der senkrecht auf die Reflektor einfallenden zu der reflektierten Strahlung verstanden. Zur Messung der diffus reflektierten Strahlung ist eine Ulbrichtkugel geeignet.
Die SiO₂-Reflektorschicht besteht in Bezug auf den Werkstoff des Substratkörpers vorzugsweise aus arteigenem Material. Unter „Arteigenheit" wird hier verstanden, dass sich der SiO₂-Gehalt der Glasmasse von demjenigen des Substratkörpers um maximal 1 Gew.-%, vorzugsweise um maximal 0,1 Gew.-%, unterscheidet. Durch die Verwendung von „arteigenem Material" wird eine möglichst weitgehende Annäherung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Quarzglas des Bauteils und des Reflektorschicht ermöglicht, und damit einhergehend eine besonders gute Haftung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Quarzglas-Bauteils ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen des Bauteils den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen. Die in den übrigen Unteransprüchen genannten Ausgestal tungen des erfindungsgemäßen Quarzglas-Bauteils werden nachfolgend näher erläutert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglas-Bauteils ist der Substratkörper als Quarzglas-Hüllkörper für die Aufnahme eines Strahlungsemitters ausgebildet.
Der Quarzglas-Hüllkörper umhüllt hierbei einen Strahlungsemitter, wie beispielsweise eine Heizwendel, ein Carbonband oder eine Strahlung emittierende Gasfüllung, und gleichzeitig ist ein Teil des Hüllkörpers mit der diffus reflektierenden SiO₂-Reflektorschicht versehen. Die SiO₂-Deckschicht ist dabei auf der dem Strahlungsemitter abgewandten Außenseite des Hüllkörpers vorgesehen, so dass Beeinträchtigungen des Strahlungsemitters oder der Atmosphäre innerhalb des Hüllkörpers vermieden werden.
Die SiO₂-Reflektorschicht weist im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2000 nm einen Reflexionskoeffizienten von vorzugsweise mindestens 0,8, auf.
Bei Einsatz von hochreinem, synthetischem SiO₂-Ausgangsmaterial ergibt sich auch eine hoher Reflexionsgrad im UV-Wellenlängenbereich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
1 einen Reaktor für die Behandlung von Wafern, dessen Außenwandung von einer Schicht aus opakem Quarzglas gebildet wird, in einer Ansicht auf die Stirnseite,
2 ein Hüllrohr aus Quarzglas für einen optischen Strahler, dessen Zylindermantelfläche mit einer Reflektorschicht aus opakem Quarzglas belegt ist, und
3 eine Reflexionskurve für die in den 1 und 2 dargestellten Reflektorschichten.
1 zeigt schematisch und als Längsschnitt einen koppelförmigen Reaktor 1, wie er für Ätz- oder CVD-Prozesse bei der Halbleiterherstellung eingesetzt wird.
Der Reaktor 1 besteht aus einem kuppelförmigem Basiskörper 2 aus transparentem Quarzglas, der mit einer Außenschicht 3 aus opakem Quarzglas versehen ist und an dessen Unterseite ein Flansch 5 aus opakem Quarzglas vorgesehen ist.
Der Quarzglas-Reaktor hat einen Außendurchmesser von 420 mm, eine Höhe von 800 mm und eine Wandstärke von 4 mm. Die Außenschicht 3 ist mittels thermischem Spritzen hergestellt, wie dies weiter unten im Einzelnen erläutert wird. Die Dicke der Außenschicht 3 beträgt etwa 350 μm. Sie weist über einen großen Wellenlängenbereich eine hohe diffuse Reflexion auf und sie kann – im Gegensatz zu Gold-Reflektorschichten – auch auf einem Reaktor 1 eingesetzt werden, wenn dieser induktiv beheizt wird. Eine Gold-Reflektorschicht würde hierbei durch eingekoppelte Energie sofort zerstört.
Bei diesem Einsatz kommt es besonders auf die IR-Reflexionseigenschaften an, denn die Wärme soll nicht nach Außen abstrahlen, sondern innerhalb des Reaktors 1 bleiben, um den Energiebedarf und die Temperaturbelastung der umliegenden Anlagenteile zu verringern und um eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Inneren des Reaktors 1 zu erreichen.
Nachfolgend wird die Herstellung der Außenschicht 3 anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft näher beschrieben.
Der Schichtuntergrund des Basiskörpers 2 wird sandgestrahlt und anschließend zur Beseitigung anderer Oberflächenverunreinigungen, insbesondere von Alkali- und Erdalkakali-Verbindungen, in 30%-iger Flusssäure gereinigt.
Es wird ein Pulver aus synthetischem SiO₂ bereitgestellt, das aus sphärischen, amorphen SiO₂-Primärpartikeln mit einer mittleren Korngröße um 50 μm besteht. Die SiO₂-Primärpartikel werden zusammen mit 2 Gew.-% Siliciumnitridpulver (α-Si₃N₄) gemischt und in VE-Wasser dispergiert. Nach Einstellung eines Litergewichtes von 1310 g und einer Viskosität von 150 mPas wird die Suspension mittels eines konventionellen Sprühtrockners zentrifugalzerstäubt. Dabei wird ein sphärisches SiO₂-Sprühgranulat erhalten mit einer Größenverteilung, die durch einen D₅₀-Wert von 32 μm und durch ein Porenvolumen von 0,6 g/l sowie einen mittleren Porenradius von etwa 20 nm gekennzeichnet ist. Nach einem Trocknen bei 400°C werden die Granulate durch Aufheizen auf 800°C thermisch verfestigt.
Das Granulat wird in einer Vakuumplasmaspritzanlage mit einem Ar-H₂-Plasma und einer Plasmaleistung von 45 kW auf dem Basiskörper 2 als opake Außenschicht 3 verarbeitet. Das beigemischte Si₃N₄ zersetzt sich dabei in SiO₂ und stickstoffhaltige Gase, die in den Granulatkörnern teilweise eingeschlossen sind und die Dichtsintern und Transparenz der Granulatkörner verhindern. Die so erhaltene Porosität trägt maßgeblich zur diffusen Reflexion der erzeugten Außenschicht 3 bei.
2 zeigt schematisch einen radialen Querschnitt eines Hüllrohres 20 für einen Excimer-Strahler für den Einsatz im UV-Wellenlängenbereich. Die Hauptabstrahlrichtung des Hüllrohres 20 zeigt im Ausführungsbeispiel nach unten und ist durch den Richtungspfeil 21 symbolisiert. Auf der der Hauptabstrahlrichtung 21 abgewandten Oberseite 22 des Hüllrohres 20 ist ein Reflektor in Form einer Opakbeschichtung 23 mit einer Dicke von etwa 1 mm ausgebildet, deren Herstellung im Folgenden näher erläutert wird.
Der Schichtuntergrund des Hüllrohres 20 wird sandgestrahlt und anschließend zur Beseitigung von Oberflächenverunreinigungen, insbesondere von Alkali- und Erdalkakali-Verbindungen, in 30%-iger Flusssäure gereinigt.
Es wird ein Pulvergemisch aus synthetischem SiO₂ bereitgestellt, das sich aus sphärischen, amorphen SiO₂-Partikeln mit bimodaler Korngrößenverteilung zusammensetzt. 50 Gew.-% des Pulvers bestehen aus SiO₂-Partikeln mit einer mittleren Korngröße um 15 μm und 50 Gew.-% bestehen aus SiO₂-Partikeln mit einer mittleren Korngröße um 40 μm. Das Pulvergemisch wird durch Verbrennungsflammspritzen unter Einsatz eines Acetylen-Sauerstoff-Verbrennungsmischung auf der Oberseite 22 des Hüllrohres 20 als Opakbeschichtung 23 aufgebracht. Dabei ist die Oberfläche des Hüllrohres etwa 150 mm von der Spritzdüse entfernt.
3 zeigt das Reflexionsverhalten des gemäß Beispiel 2 (2) hergestellten diffusen Reflektors in Form einer opaken SiO₂-Opakschicht im Wellenlängen bereich von 200 bis 2800 nm. Auf der y-Achse des Diagramms ist der Reflexionsgrad „R" in %, bezogen auf die diffuse Reflexion von „Spektralon", aufgetragen und auf der x-Achse die Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung in nm. Die Reflexionsmessung wird mittels einer Ulbrichtkugel durchgeführt.
Die Kurve 31 zeigt den Reflexionsverlauf bei einer 350 μm dicken opaken SiO₂-Opakschicht im Vergleich zu einer 1 mm dicken Goldschicht auf einem Quarzglas-Substratkörper (Kurve 32). Daraus ist erkennbar, dass die SiO₂-Opakschicht aus undotiertem SiO₂ im Wellenlängenbereich zwischen etwa 200 und 2100 nm einen in etwa gleichmäßigen Reflexionsgrad R oberhalb von 80% aufweist. Die diffuse Reflexion ist in diesem Wellenlängenbereich durchgängig höher als die diffuse Reflexion der Goldbeschichtung, wie sie derzeit eingesetzt wird (dabei ist jedoch zu beachten, dass die Goldbeschichtung auch einen Anteil spiegelnder Reflexion erzeugt). Bei 200 nm liegt die diffuse Reflexion der SiO₂-Opakschicht oberhalb des eingesetzten Vergleichsstandards (Spektralon) und es ist zu erwarten, dass dies für den noch kurzwelligeren VUV-Bereich ebenfalls zutrifft. Allerdings gibt es für den VUV-Bereich noch keine etablierte Methode zur Messung der diffusen Reflexion.
Diese hohe Reflexion im tiefen UV-Bereich eröffnet die Möglichkeit der Anwendung des Bauteils gemäß 2 für UV-Lampen, zum Beispiel im Bereich der UV-Entkeimumg.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Bauteils mit Reflektorschicht, indem auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Substratkörpers aus Quarzglas eine als diffuser Reflektor wirkende Reflektorschicht aus Quarzglas erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht durch thermisches Spritzen erzeugt wird, indem amorphe SiO₂-Teilchen, von denen mindestens ein Drittel sphärisch ausgebildet ist, einem Energieträger zugeführt, mittels diesem an- oder aufgeschmolzen und auf dem Substratkörper abgelagert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht durch Plasmaspritzen erzeugt wird, wobei als Energieträger ein Plasmastrahl oder ein Laserstrahl eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht durch Flammspritzen erzeugt wird, wobei als Energieträger ein Lichtbogen oder eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Teilchen Teilchengrößen im Bereich bis maximal 200 μm, vorzugsweise maximal 100 μm, aufweisen, wobei SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich zwischen 1 μm und 60 μm den größten Volumenanteil ausmachen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Teilchen eine Teilchengrößenverteilung aufweisen, die durch einen D₅₀-Wert von weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 40 μm, besonders bevorzugt weniger als 30 μm, gekennzeichnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Teilchen dem Energieträger in Form von Granulat, in dem die SiO₂-Teilchen zu Granulatteilchen mit Größen im Bereich von 2 bis 300 μm, jedoch bevorzugt kleiner 100 μm, agglomeriert sind, zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SiO₂-Gehalt der SiO₂-Teilchen mindestens 99,9 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflektorschicht mit einer Schichtstärke im Bereich zwischen 50 μm und 3000 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 μm und 800 μm, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Reflektorschicht mehrere aufeinanderfolgende Schichtlagen aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Teilchen mit einem Dotierstoff versehen sind, oder dass dem Energieträger außer den amorphen SiO₂-Teilchen ein Dotierstoff zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei hoher Temperatur volatiler Dotierstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Dotierstoff eine oder mehrere der Verbindungen aus der Gruppe: ZrO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, Oxid- Carbid- oder Nitrid-Verbindungen der Seltenerdmetalle, SiC und Si₃N₄, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Teilchen aus siliziumhaltigen Precursor-Verbindungen erzeugt werden, vorzugsweise aus Precursor-Verbindungen, die zusätzlich Stickstoff enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen in Gegenwart eines Stickstoff enthaltenden Gases, insbesondere in Gegenwart von NH₃ oder N₂O, erfolgt.
Quarzglas-Bauteil mit einer Reflektorschicht, umfassend einen Substratkörper aus Quarzglas, dessen Oberfläche mindestens teilweise mit einer als diffuser Reflektor wirkenden SiO₂-Reflektorschicht belegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht als durch thermisches Spritzen erzeugte und opak wirkende Schicht ausgebildet ist, die im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2000 nm einen Reflexionskoeffizienten von mindestens 0,6 aufweist.
Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der SiO₂-Gehalt der SiO₂-Reflektorschicht mindestens 99,9 Gew.-% beträgt.
Bauteil nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht eine Schichtstärke im Bereich zwischen 50 μm und 3000 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 μm und 800 μm, aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht aus mehreren aufeinanderfolgenden Schichtlagen ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht mindestens einen Dotierstoff enthält, der in Quarzglas im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich eine optische Absorption erzeugt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht mindestens einen Dotierstoff enthält, der ausgewählt wird aus der Gruppe: ZTO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, Oxid-, Carbid- oder Nitrid-Verbindungen der Seltenerdmetalle, SiC und Si₃N₄.
Bauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffe in separaten Schichtlagen oder in Schichten mit einem Konzentrationsgradienten des Dotierstoffs enthalten sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper als Quarzglas-Hüllkörper für die Aufnahme eines Strahlungsemitters ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2000 nm einen Reflexionskoeffizienten von mindestens 0,8 aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht aus synthetischem SiO₂ besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht mindestens in einem oberflächennahen Bereich Stickstoff enthält.