DE102008063299B4

DE102008063299B4 - Verfahren zur Herstellung eines kompakten synthetischen Quarzglases, ein Muffelofen zur Durchführung des Verfahrens, sowie das damit erhaltene Quarzglas

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Publication number: DE102008063299B4
Application number: DE102008063299A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Ortmann Lars; Dipl.-Math. Martin Rolf; Dipl.-Chem. Strobel Ulrich; Dipl.-Ing. Marzinkowski Jens; Hans-Jürgen Schmidt; Hans Jürgen Müller
Original assignee: J Fiber GmbH
Current assignee: J Fiber GmbH
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2028-12-30
Also published as: DE102008063299A1; US20100167906A1; JP5660657B2; JP2010159206A; CN101863613A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas im Brennraum eines Muffelofens durch – Bilden eines Gasstromes, der einen Brennstoff, ein chemisches Oxidationsmittel, sowie eine verdampfbare, gasförmige Siliziumverbindung enthält, die durch Flammhydrolyse und/oder durch das chemische Oxidationsmittel zu SiO2-Partikeln umgesetzt wird, – Abscheiden der SiO2-Partikel auf eine Abscheidefläche eines Targets unter Ausbildung eines walzenförmigen Quarzkörpers, – wobei der Brennraum durch Wände definiert wird und an seinem vorderen und an seinem hinteren Ende vordere Gaseintritts- und hintere Gasaustrittsöffnungen aufweist, wobei die Wände und die Öffnungen um eine Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sind und sich der Brennraum von der Gaseintrittsöffnung nach hinten aufweitet und – wobei der Gasstrom durch mindestens 3 Düsen erzeugt wird, umfassend eine am vorderen Ende der Längsachse angeordnete zentrale Düse zum Einspeisen der Siliziumverbindung sowie – eine hiervon beabstandete und konzentrisch angeordnete erste Ringdüse zum Einspeisen des Oxidationsmittels und – eine ebenfalls konzentrisch angeordnete zweite...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten Körpers aus synthetischem Quarzglas im Brennraum eines Muffelofens mittels eines Brennstoffes, einem chemischen Oxidationsmittel, sowie einer verdampfbaren, gasförmigen Siliziumverbindung durch Flammhydrolyse, einen Muffelofen hierzu, sowie das damit erhaltene Quarzglas selbst.
Quarzglas ist ein transparentes Glas, welches ausschließlich aus SiO₂ besteht. Quarzglas ist seit langem bekannt und wird aufgrund seiner guten Durchlässigkeit für infrarote bis ultraviolette Strahlung, d. h. für Licht einer Wellenlänge von ca. 3500 bis 160 nm, wegen seiner hohen Temperaturwechselbeständigkeit, sowie wegen seiner hohen Beständigkeit gegenüber chemischen Angriffen vielseitig verwendet. Eine besondere Rolle spielt Quarzglas als Fenster- und Linsenmaterial für optische Elemente, die im ultravioletten Bereich durchlässig sind, wie beispielsweise für Excimer-Laser und in der Photolithographie. Ein weiterer wichtiger Einsatz von Quarzglas ist seine Verwendung als Material für Lichtleitkabel, mit der beispielsweise Laserstrahlen oder auch Nachrichten und Informationen übermittelt werden können. Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch Quarzglas von besonderer Reinheit häufig eine Absorptionsbande von 2500 bis 3000 nm aufweist, sowie durch eine sog. intrinsische Defekte (ODC) verursachte, laserinduzierte Fluoreszenz, die sich durch eine Absorption, insbesondere im Wellenbereich von 651 nm auszeichnet. Es sind daher bereits vielfältige Versuche unternommen worden, die Qualität von Quarzglas weiter zu verbessern.
Zur Verbesserung dieser Probleme wird beispielsweise für besonders hochqualitative Anforderungen ausschließlich synthetisches Quarzglas hergestellt. Dabei wird üblicherweise ein gasförmiges Siliziumhalogenid in einem Brennraum mit Knallgas verbrannt und so flammhydrolytisch zu SiO₂ umgesetzt, welches dann zu feinen Tröpfchen kondensiert, die mittels Thermophorese an einem Target abgeschieden werden. Auf diese Weise entsteht nach und nach ein meist stab- oder walzenförmiger synthetischer Quarzglaskörper.
Das flammhydrolytische Gemisch wird üblicherweise durch das Zusammenströmen der Gase aus verschiedenen Düsen durchgeführt, wobei das gasförmige Siliziumhalogenid zusammen mit einem Trägergas über eine zentrale Düse in den Brennraum eines Muffelofens eingeleitet wird. Um diese zentrale Rohstoffdüse sind konzentrisch ringförmige Brenn- und Oxidationsdüsen angeordnet, welche alternierend die Zentrale umschließen. Auf diese Weise wird zumindest bis zum Target bzw. der Targetfläche an der die gebildeten SiO₂-Tröpfchen abgeschieden werden, ein mehr oder weniger laminarer Gasstrom erzeugt. Die Abscheidung der SiO₂-Tröpfchen auf der Targetoberfläche erfolgt üblicherweise mittels Thermophorese. Es sind bereits vielfältige Versuche unternommen worden, dieses Verfahren zu verbessern.
So beschreibt beispielsweise die WO 98/40319 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform aus synthetischem Quarzglas, bei der ein Muffelofen mit einer horizontal angeordneten Brennkammer zwei einander gegenüberliegende, unterschiedlich große Öffnungen aufweist, von denen die Größere zur Entnahme der Vorform und die Kleinere zur Einführung einer Brenndüse dient. Dabei vergrößert sich der Muffelinnenraum bzw. Brennraum von der kleineren zur größeren Öffnung. Die Gesamtlänge des Muffelofens beträgt dabei das Zweifache des Durchmessers der Vorform aus synthetischem Quarzglas.
Die EP 1 112 973 A2 beschreibt ein allgemein in der Flammhydrolyse bekanntes Verfahren unter Verwendung von Siliziumverbindungen bei Sauerstoffüberschuss. Dabei verwendet das Verfahren eine konzentrische Anordnung von Brennerdüsen mit einem 1,1–3,5 fachen stöchiometrischen Überschuss an Sauerstoff.
Die JP 53131053 A betrifft ein sogenanntes Glassoot, d. h. einen aus feinen Teilchen zusammengesetzten Glasruß. Die Herstellung eines Glasrußes ist jedoch streng von der Herstellung eines vollkommen glasig transparenten, d. h. einen homogenen Glaskörper bildendes Quarzglas, zu unterscheiden.
In der DE-A 42 03 287 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von synthetischem Quarzglas beschrieben, bei dem die SiO₂-Abscheidefläche an dem wachsenden Quarzglaskörper mit Hilfe optoelektronischer Mittel in einem konstanten Abstand zu den Brennerdüsen gehalten wird. Dabei wird ein gepulstes Lichtstrahlbündel so ausgestrahlt, dass sein Achsstrahl die Ablagerungsfläche tangiert. Wird das Lichtstrahlbündel durch das aufgewachsene und abgeschiedene Quarzglas unterbrochen, dann wird mittels einer Vorrichtung der gebildete Quarzglaskörper so weit von der Brenndüse weggezogen, bis das gepulste Lichtstrahlenbündel wieder die Ablagerungsfläche passieren kann.
Die WO 2004/065314 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, bei dem als Rohstoff oder Siliziumprecursor ein Gemisch aus einer ein singuläres Siliziumatom enthaltenden monomeren Siliziumverbindung und einer mehrere Siliziumatome enthaltenden oligomeren Siliziumverbindung eingesetzt wird, wobei jedoch die oligomere Siliziumverbindung in der Mischung maximal 70% des Gesamtsiliziumgehaltes betragen darf.
Die JP 2006-016292 A beschreibt einen Brenner zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, bei dem um die zentrale Rohstoffdüse und um die konzentrisch hierum angeordneten ringförmigen Brennerdüsen eine außen liegende Ringdüse angeordnet ist, durch welche ein Gas mit geringer Reaktivität eingeleitet wird, das die Rohstoff- und Brennergase mantelförmig umgibt und diese gegenüber äußeren Einflüssen abschirmt.
Alle diese Verfahren benötigen eine hohe Brennerleistung um den teuren Siliziumvorläufer ausreichend zu hydrolysieren und abzuscheiden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei diesen Verfahren ein relativ hoher Anteil an sog. „Falschluft” mit eingetragen wird, welche die Brennerflamme abkühlt, wodurch nicht nur ein Energieverlust entsteht, sondern auch die Flammhydrolyse der Siliziumverbindung zum SiO₂ nur unzureichend erfolgt. Mit den Verfahren des Stands der Technik werden typischerweise 60 bis 75% der eingesetzten Siliziumverbindung an dem jeweiligen Target abgeschieden. Die Erfindung hat daher zum Ziel, den Energieverbrauch zu senken und die Abscheidung und damit die Ausbeute an Siliziumdioxid zu erhöhen.
Darüber hinaus soll ein Quarzglas mit einer verbesserten, homogeneren radialen Brechzahlverteilung, einer hohen Transmission, sowie einer geringeren laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) insbesondere im Wellenbereich von 651 nm bereitgestellt werden.
Dieses Ziel wird durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale erreicht. Es wurde nämlich gefunden, dass die Ausbeute und die Qualität des synthetischen Quarzglases dadurch gesteigert werden kann, indem die Düsenöffnung die zentrale Rohstoffdüse ringförmig umgebenden Brenn- und Oxidationsdüsen derart eingestellt werden, dass sie ein Spaltverhältnis zwischen der zweiten und dritten Düse von mindestens 3,8, insbesondere mindestens 4 aufweisen, wobei mindestens 4,2, insbesondere mindestens 4,4 bevorzugt sind. Die maximalen Verhältnisse betragen 5,6, insbesondere 5,4, wobei maximal 5,2 bevorzugt ist. Ganz besonders bevorzugt sind Verhältnisse von maximal 5,0. Die Spaltverhältnisse zwischen der ersten und der zweiten Düse betragen mindestens 6,0, vorzugsweise mindestens 6,2, wobei mindestens 6,4 besonders bevorzugt ist. Die Maximalwerte betragen vorzugsweise 8,2 und insbesondere 7,5, wobei maximal 7,0 besonders bevorzugt ist.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Einstellung der Spaltverhältnisse bzw. Düsenquerschnitte und insbesondere durch das Verhältnis der Volumenströme von Dosierstrom SiCl₂ und dem trockenen Dosiersauerstoff sowie den Brennergasen, insbesondere H₂ und O₂, die Ausbildung der ungewünschten roten Fluoreszenz vollständig beseitigt bzw. extrem verringert werden kann.
Die Querschnittsflächen für die erste die Dosierdüse umgebende Sauerstoffdüse beträgt vorzugsweise mindestens 6, insbesondere 6,8 bzw. 7 mm², wobei mindestens 7, 1 bzw. 7,2 besonders bevorzugt sind. Maximale Querschnittsflächen betragen 9, insbesondere 8,8, wobei Maximalwerte von 8,5 bzw. 8,3 bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind Maximalwerte von 8 bzw. 7,8 mm². Die bevorzugten Querschnittsflächen für die zweite Wasserstoff einspeisende Ringdüse (zweite Brennerdüse) beträgt mindestens 115 mm², wobei 120 mm² bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind Werte von mindestens 122 mm². Bevorzugte Maximalwerte betragen maximal 135, insbesondere maximal 130, wobei Maximalwerte von 128 besonders bevorzugt sind. Bevorzugte Werte für die Querschnittsfläche der dritten Ringdüse (Sauerstoffdüse betragen mindestens 35 mm², wobei mindestens 38 bzw. mindestens 40 mm² bevorzugt sind). Bevorzugte Maximalquerschnittsflächen betragen 50, insbesondere maximal 45 mm², wobei maximal 43 bevorzugt sind. Bevorzugte Querschnittsflächen für die vierte Ringdüse (Wasserstoffbrenndüse betragen mindestens 150, insbesondere mindestens 160 mm², wobei mindestens 162 mm² bevorzugt sind). Typische Maximalquerschnittsflächen betragen 180 mm² bzw. 170 mm², wobei 168 mm² besonders bevorzugt sind. Erfindungsgemäß hatte sich gezeigt, dass die Spaltverhältnisse der dritten Sauerstoffringdüse zur vierten Wasserstoffringdüse vorzugsweise mindestens 4,6, insbesondere mindestens 4,7 betragen, wobei mindestens 4,8 bevorzugt ist. Bevorzugte Maximalverhältnisse betragen 5,6, insbesondere 5,2, wobei maximal 5,1 bevorzugt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Volumenströme der beiden Düsen über die Mischungsverhältnisse MV innen: H₂-2/(O₂tr + O₂-1 + 0,5·O₂-3) MV prakt: (0,5·H₂-2 + 0,5·H₂-4)/O₂-3 beschrieben werden, wobei O₂tr der trockene Sauerstoff der Zentraldüse ist.
Dabei bedeutet:
H₂-2 der H₂-Volumenstrom an der zweiten Ringdüse,
O₂-3 der O₂-Volumenstrom an der dritten Ringdüse und
H₂-4 der H₂-Volumenstrom an der vierten Ringdüse.
Die Mischungsverhältnisse können in einem weiten Bereich je nach gefordertem OH-Gehalt variiert werden. Der Bereich liegt zwischen 1,7–2,5, bevorzugt ist der Bereich zwischen 1,9–2,3.
Die Volumenströme des Wasserstoffes bestimmen aber auch die Gesamtleistung des Brenners und können nicht beliebig gesenkt werden. So werden für den H₂-2 Volumenströme verwendet, die im Bereich von 130–90 slm (Standard Liter pro Minute), bevorzugt 120–105 slm und für den O₂-3 Volumenströme von 70–35 slm, bevorzugt 65–40 slm liegen.
Vorzugsweise wird sowohl das Oxidationsmittel als auch das Brenngas mit einer unterschiedlichen Austrittsgeschwindigkeit in den Brennraum als die zentrale Rohstoffdosierung eingeleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden inneren Brenngas- und Oxidationsmitteldüsen von weiteren alternierenden Brenn- und Oxidationsgasdüsen umschlossen. Dabei wird üblicherweise zwischen innen und außen liegenden Ringdüsen unterschieden, wobei die vier innen liegenden Brenngas- und Oxidationsgasdüsen als Innendüsenbereich und die weiter außen liegenden als Außendüsenbereich bezeichnet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Außenbereich mindestens zwei, insbesondere mindestens vier oder fünf Düsen. Prinzipiell ist die maximale Anzahl der Düsen nicht begrenzt, jedoch haben sich Maximalwerte von höchstens sieben, insbesondere höchstens sechs Außendüsen als völlig ausreichend erwiesen. Vorzugsweise beträgt die maximale Anzahl an Außendüsen fünf, insbesondere vier.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Außendüsen von einer noch weiter außen liegenden Ringdüse umgeben, die ein inertes bzw. wenig reaktionsfreudiges Hüllgas um die Reaktionsgase herum, einleitet.
Da sich die Falschluft nicht völlig vermeiden lässt, wird in einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die eingebrachte Falschluft zuvor im System erwärmt. Dabei haben sich Temperaturen von mindestens 90°C, insbesondere mindestens 100°C als zweckmäßig erwiesen, wobei mindestens 120°C bzw. 140°C bevorzugt ist. Besonders bevorzugt sind Temperaturen von mindestens 150°C. Zweckmäßige Maximaltemperaturen betragen 300°C bzw. 280°C, wobei maximal 260°C bzw. 250°C bevorzugt sind. Vorzugsweise werden auch die ganze außen liegende Falschluft bzw. das Hüllgas ebenso erwärmt.
Es wurde auch gefunden, dass sich unabhängig von den zuvor definierten Maßnahmen, die der Erfindung zugrunde liegenden Ziele auch dadurch erreichen lassen, dass die Brennkammer bzw. dessen Muffelumhausung verlängert wird, und zwar derart, dass diese die Abscheidungsfläche auf dem Target bzw. dem bereits gebildeten Quarzglaskörper bzw. die Spitze davon um mindestens 200, insbesondere mindestens 220 und vorzugsweise mindestens 240 mm einhaust bzw. überragt. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Muffeleinhausung um mindestens 250, insbesondere mindestens 260 mm über die Abscheidungsfläche.
In einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform ist der untere Teil der Muffel über den oberen Teil hinaus verlängert und zwar um mindestens das 1,1-, vorzugsweise mindestens das 1,5-fache, wobei mindestens das 1,2-fache besonders bevorzugt ist. Dadurch wird ein sog. „halboffenes Brennkammersystem” gebildet.
Darüber hinaus hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Ende bzw. den Rand des unteren Teils der Muffeleinhausung mittels einer nach innen gerichteten halb kranzförmigen Barriere bzw. Wand abzusperren. Die Absperrung sollte ein Verhältnis zum Durchmesser der Quarzglaswalze von mindestens 1:1,1, vorzugsweise von 1:1,2 ± 0,5 und höchstens von 1:1,8 aufweisen.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die verbrannten Abgase zusammen mit den nicht abgeschiedenen SiO₂-Partikeln bzw. -Tröpfchen, sowie der Falschluft durch Absaugen zu entfernen. Vorzugsweise findet das Absaugen an einer Stelle statt, nachdem die gezielte Abscheidung der SiO₂-Tröpfchen an dem wachsenden Quarzglaskörper bereits erfolgt ist. Typischerweise beginnt das Absaugen an einer Stelle, an der die Muffeleinhausung endet, d. h. mindestens 200 mm nach der Abscheidungsfront bzw. -fläche am Target des Quarzglaskörpers angeordnet. Das bedeutet, dass das Absaugen typischerweise dann durchgeführt wird, wenn der verbrauchte Gasstrom die Muffeleinhausung verlässt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mindestens 90% des Weges den der Gasstrom vom Verlassen der Brennerdüse bis zum Absaugen zurücklegt, eingehaust. Besonders bevorzugt ist eine Einhausung von mindestens 95, insbesondere mindestens 98% des Weges.
Das Absaugen selbst erfolgt hauptsächlich durch thermische Konvektion. In einer zweckmäßigen Ausführungsform erfolgt jedoch das Absaugen durch Erzeugen eines leichten Unterdruckes von mindestens 2, insbesondere mindestens 3 mbar, wobei ein Unterdruck von mindestens 4 bzw. 5 mbar bevorzugt ist. Maximale Unterdrücke betragen zweckmäßigerweise 250 mbar, wobei sich ein maximaler Unterdruck von 200, insbesondere 150 mbar als zweckmäßig erwiesen hat. In vielen Fällen reichen Unterdrücke von max. 100 bzw. max. 80, max. 70, insbesondere max. 50 mbar vollkommen aus.
Es hat sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen, den Innendurchmesser der Muffeleinhausung derart zu wählen, dass dieser in seinem maximal aufgeweiteten Bereich mindestens bezüglich des zum Durchmesser des erzeugten Quarzrohlings mindestens 1:1,2, insbesondere mindestens 1: 1,3 beträgt, wobei ein Mindestverhältnis von 1:1,5 bzw. 1:1,7 bevorzugt ist. Zweckmäßige Maximalwerte betragen 1:2,8, insbesondere 1:2,5, wobei Maximalwerte von 1:2,4 bzw. 1:2,3 besonders bevorzugt sind. Im erfindungsgemäßen Verfahren liegt ein Optimum des Durchmessers des Quarzrohlings zum Innendurchmesser des Muffelofens bzw. des Brennraumes bei 1:2 ± 0,1. Zur Erzeugung eines möglichst laminaren Stromes hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Querschnitt des Muffelofens derart zu wählen, dass dieser sich gegen hinten bogenförmig aufweitet. Die bogenförmige Aufweitung kann kreisförmig, oval oder auch parabelförmig erfolgen.
Erfindungsgemäß ist es möglich, sämtliche bekannte Siliziumverbindungen zu verwenden. Bevorzugte Siliziumverbindungen sind jedoch insbesondere Siliziumhalogenide, wobei Siliziumchloride besonders bevorzugt sind. Ganz besonders bevorzugt sind Si_nCl_2n+2, wobei „n” üblicherweise 1 bis 5, vorzugsweise 1 bis 3 bedeutet. Ganz besonders bevorzugt ist SiCl₄. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Sauerstoff, wobei auch Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet werden kann. Als Brennstoff sind sämtliche bekannten Brennstoffe verwendbar. Es hat sich jedoch erwiesen, dass Wasserstoff ganz besonders geeignet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Muffelofen bzw. das erfindungsgemäße Verfahren eine optoelektronische Einrichtung auf, die das durch Abscheiden von SiO₂-Partikeln an der Abscheidefläche des Targets gebildete Aufwachsen erfasst und entsprechend der abgeschiedenen Dicke ein Steuersignal an einen Stellmotor sendet, der den walzenförmigen Quarzglaskörper um die aufgewachsene Dicke aus dem Brennraum heraus bewegt. Eine typische optoelektronische Einrichtung ist beispielsweise eine Lichtschranke, die in einer besonders bevorzugten Einrichtung gepulst ist.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schmelzleistungen drastisch erhöhen, d. h. dass mit weniger Brennstoff eine höhere Abscheiderate erzeugt wird. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist es möglich, den Energieverbrauch pro kg Gutglas von bisher 80 m³ Wasserstoff pro kg Quarzglas auf Werte von unterhalb 60 m³, insbesondere von unterhalb 50 m³ zu senken.
Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird vorzugsweise die reaktive Siliziumverbindung mit einem Trägergas, üblicherweise Sauerstoff, in die zentrale Rohstoffdüse eingeleitet. Dabei beträgt das Verhältnis des Volumenstroms von Siliziumhalogenid zu dem trockenen Trägersauerstoff üblicherweise mindestens 1:12, insbesondere mindestens 1:14, wobei ein Verhältnis von mindestens 1:15, insbesondere mindestens 1:16 besonders bevorzugt ist. Es hat sich erwiesen, dass dabei Maximalverhältnisse von höchstens 1:30, insbesondere höchstens 1:28 zweckmäßig sind, wobei Höchstwerte von maximal 1:26, insbesondere 1:25 besonders bevorzugt sind. Dabei ist der Volumenstrom als Standardliter pro Minute definiert, gemessen mit einem MFC (Massflow controll) bei konstantem Verdampfungsdruck des SiCl₄. Die Messung des Volumenstroms erfolgt beim MFC unabhängig von Druckschwankungen der Verdampfereinheit.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl horizontal als auch vertikal ausführen, d. h. dass die Achse des Quarzglaszylinders bzw. die Längsachse des Brennraumes horizontal bzw. vertikal verläuft. Dabei kann das Vertikalverfahren sowohl in Richtung zur als auch entgegen der Erdanziehungskraft durchgeführt werden. Typische Walzen- bzw. Zylindergrößen für das Horizontalverfahren betragen 90 bis 200 mm und für das Vertikalverfahren 130 bis 250 mm.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Eine derartige Vorrichtung weist das zuvor definierte Spalt- bzw. Austrittsflächenverhältnis und/oder die zuvor definierte Verlängerung der Brennraummuffel bzw. -einhausung auf.
Erfindungsgemäß wurde auch gefunden, dass sich mittels dem Verfahren ein besonders gutes Quarzglas mit einer radialen Brechzahlverteilung PV von < 5·10^–6, einer guten Transmission von > 99,4%, bezogen auf einen Zentimeter, herstellen lässt. Darüber hinaus zeigt es insbesondere bei Anregung mit Licht einer Wellenlänge zwischen 300 bzw. 350 und 700 nm eine sehr geringe induzierte Fluoreszenz im Wellenbereich 550 bis 810 nm, insbesondere bei 651 nm. Vorzugsweise erfolgt die Anregung mittels eines Lasers. Das erfindungsgemäße Glas zeichnet sich vor allem durch ein äußerst günstiges Verhältnis der laserinduzierten Fluoreszenzpeaks von 430 und 650 auf. Dieses beträgt vorzugsweise 1:1,3, vorzugsweise maximal 1:1,25, wobei Maximalwerte von 1:1,2 besonders bevorzugt sind. Typische Werte betragen weniger als 1:1,18, insbesondere 1:1,17.
Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen und zwar sowohl durch den veränderten Aufbau des Muffelofens und/oder insbesondere durch die Einstellung der Spalt- bzw. Volumenverhältnisse der zentralen Ringdüsen die Ausbildung der roten Fluoreszenz besonders verringert werden kann.
Die Erfindung soll an den folgenden Figuren und Beispielen näher erläutert werden. Es zeigen
1 den Aufbau der ringförmigen Brennerdüsen.
2 zeigt die Abbildung des erfindungsgemäß verlängerten Muffelofens.
3 zeigt die Erhöhung der Schmelzleistung durch Einstellen des erfindungsgemäßen Spalt- bzw. Flächenverhältnis der zwei beiden inneren Ringdüsen.
4 zeigt einen Vergleich der lichtinduzierten Fluoreszenz von herkömmlichen sowie von erfindungsgemäßem Quarzglas und
5 zeigt die Verringerung der Fluoreszenz durch Absenken des Anteils an Sauerstoffträgergas in der zentralen Rohstoffdüse.
Beispiel
Mit einem 8 Düsenbrenner und der Standardmuffel wurden bei einer SiCl₄-Dosierung von 2,75 slm (Standardliter pro Minute), was einem Verhältnis von Halogenidvolumenstrom zu Trägersauerstoffstrom von 2,03 entspricht, mit einem Gesamt H₂ Volumenstrom von 355 slm in 198 Stunden eine Quarzglaswalze mit einem Durchmesser von 147 mm und einem Gewicht von 46 kg geschmolzen. Die Schmelzleistung liegt bei 256 g/h. Das Spaltverhältnis des Brenners betrug 5,32. Die dabei benötigte Menge H₂ pro Kilogramm geschmolzenem Gutglas betrug 83,5 m³/kg.
Durch die erfindungsgemäße Umstellung im Muffelaufbau konnte eine Erhöhung der Schmelzleistung auf 287 g/h bei sonst identischen Schmelzparametern erreicht werden. Die Energieeffizienz wurde besser, was sich in einer verringerten H₂ Menge pro Kilogramm Gutglas von 79,4 m³/kg ausdrückt.
Die Anpassung der Spaltflächen der zweiten und dritten Ringdüse zu einem Spaltverhältnis von 4,9, führte zu einer geschmolzenen Walze mit ähnlichem Walzendurchmessers, wobei die Schmelzleistung bei 302 g/h lag.
Die Erhöhung des Verhältnisses von Dosierstrom zu trockenem Sauerstoffstrom von 2 auf 12 und dann auf 22 führte zu einer Senkung der Schmelzzeit von 198 h auf 140 h und dann auf 127 h und damit zu einer Senkung des H₂-Verbrauchs pro kg Gutglas von 83,5 m³/kg zu 62,3 m³/kg und dann 48,8 m³/kg. Die Schmelzleistungen stiegen auf 380 g/h und dann auf 510 g/h.
Die Vergrößerung der Volumenstromverhältnisse SiCl₄/trockener Sauerstoff verbunden mit der Anpassung des Spaltverhältnisses an die verwendeten Gasströme des Oxidators und des Brennstoffes führen im Ergebnis zu einer deutlichen Senkung der laserinduzierten Fluoreszenz, insbesondere im Bereich von 651 nm.

Die in diesen Beispielen dargestellten Abhängigkeiten sind nochmals für die Schmelzleitung und Energieeffizienz des Verfahrens in Tabelle 1 und für den Einfluss auf die laserinduzierte Fluoreszenz in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 1:

lfd. Nr.	Spaltverhältnis	VSiCl₄/VO₂tr.	Schmelzleistung	H₂-Verbrauch pro kg GG	Walzendurchmesser
		[slm/slm]	g/h	m³/kg	[mm]

1	5,3	2,03	256	83,5	147
2	4,9	2,03	302	79,4	151
3	4,9	12	380	62,3	148
4	4,9	22	510	48,8	152

Tabelle 2:

lfd. Nr.	Spaltverhältnis	VSiCl₄/VO₂tr.	Peakhöhe laserind. Floureszenz bei 651 nm	Walzendurchmesser
		[slm/slm]	a. u.	[mm]

1	5,3	2,03	22,4	147
2	4,9	2,03	21,6	151
3	4,9	12	15,8	148
4	4,9	22	9,2	152

Claims

Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas im Brennraum eines Muffelofens durch – Bilden eines Gasstromes, der einen Brennstoff, ein chemisches Oxidationsmittel, sowie eine verdampfbare, gasförmige Siliziumverbindung enthält, die durch Flammhydrolyse und/oder durch das chemische Oxidationsmittel zu SiO₂-Partikeln umgesetzt wird, – Abscheiden der SiO₂-Partikel auf eine Abscheidefläche eines Targets unter Ausbildung eines walzenförmigen Quarzkörpers, – wobei der Brennraum durch Wände definiert wird und an seinem vorderen und an seinem hinteren Ende vordere Gaseintritts- und hintere Gasaustrittsöffnungen aufweist, wobei die Wände und die Öffnungen um eine Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sind und sich der Brennraum von der Gaseintrittsöffnung nach hinten aufweitet und – wobei der Gasstrom durch mindestens 3 Düsen erzeugt wird, umfassend eine am vorderen Ende der Längsachse angeordnete zentrale Düse zum Einspeisen der Siliziumverbindung sowie – eine hiervon beabstandete und konzentrisch angeordnete erste Ringdüse zum Einspeisen des Oxidationsmittels und – eine ebenfalls konzentrisch angeordnete zweite Ringdüse, die einen größeren Durchmesser als die erste Ringdüse aufweist zum Einspeisen des Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Düse einen ersten Ringspalt und die zweite Düse einen zweiten Ringspalt aufweist und das Verhältnis der Fläche des zweiten Ringspalts zur Fläche des ersten Ringspaltes 1:4 bis 1:6,1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zentraldüse SiCl₄ zusammen mit trockenem Sauerstoff als Trägergas eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verbrauchte Gase entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verbrauchte Gase durch Absaugen mittels eines Unterdrucks von 3 bis 250 mbar abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 99% des Abstands von Düse und Absaugung mittels der Muffelwände eingehaust sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Abscheidungsfläche des Targets mindestens 1600°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxidationsmittel durch mindestens vier konzentrisch um die Zentraldüse angeordnete Ringdüsen alternierend in die Brennkammer eingespeist werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung des Brennraums mindestens 200 mm über die Abscheidefläche hinaus verlängert ist.
Muffelofen zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, umfassend einen durch Muffelwände eingehausten Brennraum, der eine Längsachse, sowie eine vordere Gaseinlassöffnung und eine hintere Gasauslassöffnung aufweist, – wobei die Wände und die Öffnungen rotationssymmetrisch um die Längsachse angeordnet sind und sich der Brennraum von der vorderen Öffnung nach hinten aufweitet, umfassend – eine im Bereich der vorderen Öffnung auf der Längsachse angeordnete Zentraldüse zum Einspeisen einer gasförmigen Siliziumverbindung, sowie – eine hiervon beabstandete und konzentrisch angeordnete erste Ringdüse zum Einspeisen eines Oxidationsmittels und – eine ebenfalls konzentrisch angeordnete zweite Ringdüse, die einen größeren Durchmesser als die erste Ringdüse aufweist zum Einspeisen eines Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Düse einen ersten Ringspalt und die zweite Düse einen zweiten Ringspalt aufweist und das Verhältnis der Fläche des zweiten Ringspalts zur Fläche des ersten Ringspaltes 1:4 bis 1:6,1 beträgt.
Muffelofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine optoelektronische Einrichtung aufweist, die das durch Abscheiden der SiO₂-Partikel auf der Abscheidefläche entstehende Wachstum des walzenförmigen Quarzkörpers erfasst und einen Stellmotor steuert, der den walzenförmigen Quarzkörper um die aufgewachsene Länge aus dem Brennraum hinaus bewegt.
Muffelofen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximaldurchmesser des Brennofens bezogen auf den Durchmesser der Quarzglaswalze 1,3:1 bis 2,5:1 beträgt.
Muffelofen nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung des Brennraums mindestens 200 mm über die optoelektronische Einrichtung hinaus verlängert ist.
Muffelofen nach Anspruch 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil der Brennkammer um mindestens das 1,1-fache der Länge des Brennraumes hinaus verlängert ist.
Muffelofen nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des unteren Teils der Muffeleinhausung eine nach innen gerichtete halbkranzförmige Absperrung aufweist.
Synthetisches Quarzglas erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine radiale Brechzahlverteilung PV von < 5·10^–6, eine Transmission von größer 99,4%/cm sowie ein Verhältnis der laserinduzierten Fluoreszenzpeaks von 430 zu 650 von maximal 1:1,3 aufweist.