DE102010008162B4

DE102010008162B4 - Method for the production of quartz glass for a quartz glass crucible

Info

Publication number: DE102010008162B4
Application number: DE102010008162.0A
Authority: DE
Inventors: Walter Lehmann; Thomas Kayser; Michael Hünermann; Christian Nasarow
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: CN102753493A; JP2013519624A; WO2011101327A1; DE102010008162A1

Abstract

Verfahren für die Herstellung von Quarzglas für einen Quarzglastiegel umfassend die folgenden Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen von pyrogen erzeugtem Kieselsäurepulver, (b) mechanisches Verdichten des Kieselsäurepulvers mittels eines Walzenpressverfahrens unter Bildung von SiO2-Granulat, (c) thermisches Verdichten des SiO2-Granulats zu Kieselglasgranulat, und (d) Sintern oder Schmelzens des Kieselglasgranulats zu dem Quarzglas, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Verdichten der Kieselsäureteilchen ein Walzenbrikettierverfahren unter Bildung von Formpresslingen mit einheitlicher, sphäroidischer Morphologie umfasst, wobei die Formpresslinge vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (c) zerkleinert werden, und wobei das Sintern oder Erschmelzen gemäß Verfahrensschritt (d) durch Erhitzen einer tiegelförmigen Körnungsschicht aus dem Kieselglasgranulat an der Innenwandung einer Schmelzform und unter Einsatz eines Lichtbogens erfolgt.Process for the production of quartz glass for a quartz glass crucible comprising the following process steps: (a) providing pyrogenically produced silica powder, (b) mechanically compacting the silica powder by means of a roll pressing process to form SiO 2 granules, (c) thermally compacting the SiO 2 granules Fused silica granules, and (d) sintering or melting the fused silica granules into the fused silica, characterized in that the mechanical densification of the fused silica particles comprises a roll briquetting process to form moldings having a uniform, spheroidal morphology, wherein the formed compacts are comminuted prior to the thermal densification according to process step (c) and wherein the sintering or melting according to process step (d) is carried out by heating a crucible-shaped granular layer of the silica glass granules on the inner wall of a melt mold and using an electric arc.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung von Quarzglas für einen Quarzglastiegel umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

(a) Bereitstellen von pyrogen erzeugtem Kieselsäurepulver,
(b) mechanisches Verdichten des Kieselsäurepulvers mittels eines Walzenpressverfahrens unter Bildung von SiO₂-Granulat,
(c) thermisches Verdichten des SiO₂-Granulats zu Kieselglasgranulat, und
(d) Sintern oder Schmelzens des Kieselglasgranulats zu dem Quarzglas.

The invention relates to a method for the production of quartz glass for a quartz glass crucible comprising the following method steps:

(a) providing fumed silica powder,
(b) mechanically compacting the silica powder by means of a roll pressing process to form SiO ₂ granules,
(c) thermally compacting the SiO ₂ granules into silica glass granules, and
(d) sintering or melting the silica glass granules into the quartz glass.

Bauteile aus Quarzglas werden in Form von Rohren, Stäben, Platten oder Blöcken als Halbzeug oder als Fertigteile im Bereich wärmetechnischer Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf gute Wärmeisolierung bei gleichzeitig hoher Temperaturstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit ankommt. Als Beispiel seien Reaktoren, Diffusionsrohre, Hitzeschilde, Glocken, Tiegel, Düsen, Schutzrohre, Gießrinnen oder Flansche genannt. Components made of quartz glass are used in the form of tubes, rods, plates or blocks as semi-finished or as finished parts in the field of thermal engineering applications, where it depends on good thermal insulation combined with high temperature stability and thermal shock resistance. Examples include reactors, diffusion tubes, heat shields, bells, crucibles, nozzles, protective tubes, runners or flanges.

An Bauteile aus Quarzglas für den Einsatz in partikel- und verunreinigungssensitiven Anwendungen, wie etwa für Anwendungen in der Halbleiterindustrie, werden besonders hohe Anforderungen an die Reinheit gestellt. Diese sind daher häufig mit einer dichten, transparenten Quarzglasschicht versehen, die einen Austritt von Verunreinigungen aus dem Inneren des Quarzglasbauteils verhindern soll. Für diese Funktion spielt die Blasenfreiheit der transparenten Quarzglasschicht eine wichtige Rolle. Denn auch anfänglich geschlossene Blasen können sich beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglasbauteils öffnen, beispielsweise durch Abtragen der die Blasen abdeckenden Materialschicht oder durch Aufblähen und Aufplatzen der Blasen beim Erhitzen des Bauteils, was zum Austritt von Verunreinigungen oder Partikeln führt und in der Regel die Standzeit des Quarzglasbauteils beendet. Quartz glass components for use in particle and contamination-sensitive applications, such as for applications in the semiconductor industry, place particularly high demands on the purity. These are therefore often provided with a dense, transparent quartz glass layer, which is intended to prevent leakage of impurities from the interior of the quartz glass component. For this function, the freedom from bubbles of the transparent quartz glass layer plays an important role. Even initially closed bubbles can open when the quartz glass component is used as intended, for example by removing the material layer covering the bubbles or by swelling and bursting of the bubbles during heating of the component, which leads to the escape of impurities or particles and, as a rule, the service life of the quartz glass component completed.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Quarzglastiegel, wie sie zur Aufnahme der Metallschmelze beim Ziehen von Einkristallen nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren eingesetzt werden. Deren Herstellung erfolgt üblicherweise dadurch, dass an der Innenwandung einer Schmelzform eine Schicht aus SiO₂-Körnung erzeugt und diese unter Einsatz eines Lichtbogens (Plasma) erhitzt und dabei zu dem Quarzglastiegel gesintert wird. Die Wandung eines derartigen Quarzglastiegels wird in der Regel von einer wärmeisolierenden Außenschicht aus opakem Quarzglas gebildet, die mit einer Innenschicht aus transparentem, möglichst blasenfreien Quarzglas versehen ist. The present invention relates in particular to quartz glass crucibles, as used for receiving the molten metal when pulling single crystals by the so-called Czochralski method. Their preparation is usually carried out by the fact that on the inner wall of a melt mold, a layer of SiO ₂ grain produced and this heated using an arc (plasma) and thereby sintered to the quartz glass crucible. The wall of such a quartz glass crucible is usually formed by a heat-insulating outer layer of opaque quartz glass, which is provided with an inner layer of transparent, bubble-free as possible quartz glass.

Die transparente Innenschicht steht beim Ziehprozess im Kontakt mit der Siliziumschmelze und unterliegt hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen. In der Innenschicht verbliebene Blasen wachsen unter dem Einfluss von Temperatur und Druck und können schließlich zerplatzen, wodurch Bruchstücke und Verunreinigungen in die Siliziumschmelze gelangen, wodurch eine geringere Ausbeute an versetzungsfreiem Silizium-Einkristall erzielt wird.The transparent inner layer is in contact with the silicon melt during the drawing process and is subject to high mechanical, chemical and thermal loads. Bubbles remaining in the inner layer grow under the influence of temperature and pressure and eventually burst, causing debris and impurities to enter the silicon melt, thereby providing a lower yield of dislocation-free silicon single crystal.

Um den korrosiven Angriff der Siliziumschmelze zu verringern und damit einhergehend die Freisetzung von Verunreinigungen aus der Tiegelwandung zu minimieren, ist die Innenschicht daher möglichst homogen und blasenarm. In order to reduce the corrosive attack of the silicon melt and thus to minimize the release of impurities from the crucible wall, the inner layer is therefore as homogeneous as possible and low in bubbles.

Stand der TechnikState of the art

Aus der DE 10 2008 030 310 B3 ist ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt. Hierbei wird zur Herstellung einer Quarzglastiegels eine Vakuum-Schmelzform eingesetzt. In dieser wird unter Einsatz einer Formschablone eine rotationssymmetrische, tiegelförmige Körnungsschicht aus mechanisch verfestigtem Quarzsand mit einer Schichtdicke von etwa 12 mm geformt, auf die anschließend eine Innenkörnungsschicht aus synthetisch hergestelltem Quarzglaspulver ebenfalls unter Einsatz einer Formschablone ausgeformt wird. From the DE 10 2008 030 310 B3 a method of the type mentioned is known. Here, a vacuum melting mold is used to produce a quartz glass crucible. In this, a rotationally symmetrical, crucible-shaped graining layer of mechanically solidified quartz sand having a layer thickness of about 12 mm is formed using a forming template, onto which an inner granulation layer of synthetically produced quartz glass powder is then likewise formed using a shaping template.

Das synthetische Quarzglaspulver hat Teilchengrößen im Bereich von 50 bis 120 µm, wobei die mittlere Teilchengröße bei etwa 85 µm liegt. Die mittlere Schichtdicke der Innenkörnungsschicht beträgt etwa 12 mm. Das Sintern der Körnungsschichten erfolgt von Innen nach Außen durch Erzeugen eines Lichtbogens im Innenraum der Schmelzform, so dass das feinteilige Quarzglaspulver zuerst sintert und eine dichte Glasschicht ausbildet. The synthetic silica glass powder has particle sizes in the range of 50 to 120 microns, wherein the average particle size is about 85 microns. The average layer thickness of the inner graining layer is about 12 mm. The sintering of the graining layers takes place from inside to outside by generating an arc in the interior of the melt mold, so that the finely divided quartz glass powder first sinters and forms a dense glass layer.

Für die Herstellung eines derartigen synthetischen Quarzglaspulvers sind Sol-Gel-Verfahren und Granulationsverfahren bekannt. So wird beispielsweise in der DE 102 43 953 A1 vorgeschlagen, synthetisches Quarzglaspulver durch Granulation ausgehend von einer Suspension aus pyrogen hergestelltem SiO₂-Pulver herzustellen, wie es als Filterstaub bei der Quarzglasherstellung anfällt. Dabei wird aus dem lockeren SiO₂-Sootstaub durch Einmischen in Wasser und Homogenisieren zunächst eine Suspension erzeugt, diese wird mittels eines Nassgranulierverfahrens zu SiO₂-Granulatkörnern verarbeitet, und diese werden nach dem Trocknen und Reinigen durch Erhitzen in chlorhaltiger Atmosphäre zu einer dichten Quarzglaskörnung mit einem mittleren Durchmesser von 140 µm gesintert. For the preparation of such a synthetic quartz glass powder, sol-gel methods and granulation methods are known. For example, in the DE 102 43 953 A1 proposed to produce synthetic quartz glass powder by granulation, starting from a suspension of pyrogenically produced SiO ₂ powder, as obtained as a filter dust in the manufacture of quartz glass. In this case, a suspension is first prepared from the loose SiO ₂ soot dust by mixing in water and homogenizing, this is processed by means of a wet granulation to SiO ₂ granules, and these are after drying and cleaning by heating in a chlorine-containing atmosphere to a dense Quarzglaskörnung a mean diameter of 140 microns sintered.

Das bekannte Aufbaugranulationsverfahren erfordert eine Vielzahl von Verfahrensschritten, die zum Teil langwierig sind und mit einem hohen Energiebedarf einhergehen, wie beispielsweise das Trocknen der porösen SiO₂-Granulatkörner. The known build-up granulation method requires a plurality of process steps, the are sometimes tedious and associated with a high energy demand, such as the drying of the porous SiO ₂ granules.

Diesen Nachteil vermeiden Granulationsverfahren, bei denen feinteilige Ausgangspulver mechanisch – auch unter Zusatz von Gleit- oder Bindemitteln – durch Walzenkompaktierung zu gröberen Teilchen agglomeriert und verdichtet werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 2007/085511 A1 und der DE 10 2007 031 633 A1 beschrieben. Dabei wird feinteiliges Kieselsäurepulver zwischen gegenläufig rotierenden Walzen, die glatt oder profiliert sein können, hindurchgeführt und dabei zu SiO₂-Granulat verdichtet, das in Form sogenannter „Schülpen“ anfällt. Diese bilden mehr oder weniger bandförmige Gebilde, die normalerweise gebrochen und nach Größe klassifiziert werden. Daraus hergestelltes Granulat hat typischerweise Stampfdichten im Bereich von 185 bis 700 g/l. This disadvantage is avoided by granulation processes in which finely divided starting powders are mechanically agglomerated and compacted by roll compaction into coarser particles, also with the addition of lubricants or binders. Such a method is for example in the WO 2007/085511 A1 and the DE 10 2007 031 633 A1 described. In this case, finely divided silica powder between counter-rotating rollers, which may be smooth or profiled, passed through and thereby compressed to SiO ₂ granules, which is obtained in the form of so-called "scabs". These form more or less band-shaped structures, which are usually broken and classified by size. Granulated material produced therefrom typically has tamped densities in the range of 185 to 700 g / l.

Die Schülpen-Bruchstücke können bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 1100° in einer halogenhaltigen Atmosphäre getrocknet und im Bereich von 1200 °C bis 1700 °C zu einem „Kieselglasgranulat“ dicht gesintert werden.The slug fragments can be dried at a temperature in the range of 400 to 1100 ° in a halogen-containing atmosphere and densely sintered in the range of 1200 ° C to 1700 ° C to a "silica glass granules".

Die EP 20 14 622 A1 beschreibt ein auf diese Weise durch Brechen und Sintern von Schülpen erzeugtes dicht gesintertes Kieselglasgranulat, das weitgehend frei von Blasen ist. Die einzelnen Granulatkörner haben Durchmesser im Bereich von 10 bis 140 µm und die spezifische Oberfläche beträgt weniger als 1 m²/g.The EP 20 14 622 A1 describes a densely sintered silica glass granulate produced in this way by breaking and sintering slugs, which is substantially free of bubbles. The individual granules have diameters in the range of 10 to 140 microns and the specific surface area is less than 1 m ² / g.

Die DE 10 2007 049 158 A1 nennt Einsatzmöglichkeiten derartiger „Kieselglasgra-nulate“ mit Durchmessern zwischen 1 µm und 5 mm und einem Verunreinigungs-gehalt von weniger als 50 Gew.-ppm zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Bauteile aus hochreinem Quarzglas, unter anderem zur Herstellung von Mantelrohren, Tiegeln, Halbleiterapparaturen und Glasstäben.The DE 10 2007 049 158 A1 names applications of such "silica glass granules" with diameters between 1 .mu.m and 5 mm and an impurity content of less than 50 ppm by weight for the production of a variety of components from high-purity quartz glass, including for the production of casings, crucibles, semiconductor equipment and glass rods.

Die Kieselglas-„Schülpen“ oder deren Bruchstücke ergeben ein staubarmes, gut fließfähiges „Kieselglasgranulat“ mit erhöhtem Schüttgewicht, das für eine kostengünstige Herstellung hochreiner Quarzglasprodukte grundsätzlich geeignet ist. Es zeigt sich jedoch, dass das Ausgangsmaterial für Anwendungen mit besonders hohen Anforderungen an die Homogenität und Blasenfreiheit des Quarzglases verbessert werden kann.The silica glass "slugs" or their fragments result in a low-dust, readily flowable "silica glass granules" with increased bulk density, which is fundamentally suitable for cost-effective production of high-purity quartz glass products. It turns out, however, that the starting material can be improved for applications with particularly high demands on the homogeneity and freedom from bubbles of the quartz glass.

Aus der US 2,578,110 A ist ein Verfahren zum Erschmelzen von optischem, schlierenfreiem Kalk-Natronglas bekannt. Es wird vorgeschlagen, SiO₂ in feinteiliger Form bereitzustellen, mit anderen Komponenten in der gewünschten Zusammensetzung zu mischen und dieses Gemisch zu brikettieren. Das Mischen erfolgt in flüssiger Phase mit Wasser, wobei Bindemittel nicht erforderlich sind. Die plastische Masse wird durch Walzenbrikettierung zu Briketts mit sphärischer, eiförmiger Morphologie geformt, wobei die längste Abmessung weniger als 12,7 mm beträgt (< 0,5 inch). Durch einheitliche Größe, Form und Gewicht der Presslinge wird ein schnelles und gleichmäßiges Erhitzen und Einschmelzen in der Schmelzwanne erreicht. Zum Entgasen werden die Briketts auf eine Temperatur von 427–950 °C (800–1750 °F) erhitzt. Das Glas ist zu Herstellung von Glasprodukten geeignet, insbesondere von Glasfasern und optisches Glas.From the US 2,578,110 A is a method for melting optical, schlierenfreien soda-lime glass known. It is proposed to provide SiO ₂ in finely divided form, to mix with other components in the desired composition and to briquet this mixture. The mixing takes place in liquid phase with water, whereby binders are not required. The plastic mass is formed into briquettes of spherical, egg-shaped morphology by roll briquetting, the longest dimension being less than 12.7 mm (<0.5 inch). Uniform size, shape and weight of the compacts ensure rapid and uniform heating and melting in the melting tank. For degassing, the briquettes are heated to a temperature of 427-950 ° C (800-1750 ° F). The glass is suitable for the production of glass products, in particular glass fibers and optical glass.

Technische AufgabenstellungTechnical task

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine kostengünstige und gleichzeitig reproduzierbarere Herstellung von homogenem, blasenarmem Quarzglas aus dem synthetisch erzeugten SiO₂-Granulat ermöglicht.The invention has for its object to provide a method which allows a cost-effective and more reproducible production of homogeneous, low-bubble silica glass from the synthetically produced SiO ₂ granules.

Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das mechanische Verdichten der Kieselsäureteilchen ein Walzenbrikettierverfahren unter Bildung von Formpresslingen mit einheitlicher, sphäroidischer Morphologie umfasst, wobei die Formpresslinge vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (c) zerkleinert werden, und wobei das Sintern oder Erschmelzen gemäß Verfahrensschritt (d) durch Erhitzen einer tiegelförmigen Körnungsschicht aus dem Kieselglasgranulat an der Innenwandung einer Schmelzform und unter Einsatz eines Lichtbogens erfolgt.This object is achieved on the basis of the generic method in that the mechanical densification of the silica particles comprises a Walzenbrikettierverfahren to form moldings with uniform, spherical morphology, wherein the moldings are comminuted prior to the thermal densification according to step (c), and wherein the sintering or Melting according to process step (d) by heating a crucible-shaped granular layer of the silica glass granules on the inner wall of a melt mold and using an arc.

Das gemäß Verfahrensschritt (a) bereitgestellte Kieselsäurepulver liegt als so genannter „Sootstaub“ aus diskreten SiO₂-Nanaopartiklen vor, die zur Verbesserung der Handhabung auch teilweise agglomeriert sein können, beispielsweise mittels Sprühgranulation. The silica powder provided according to process step (a) is present as so-called "soot dust" from discrete SiO ₂ nanoparticles, which may also be partially agglomerated to improve handling, for example by spray granulation.

Beim Brikettierverfahren haben die Presswalzen gegeneinander laufende, korrespondierende Formmulden, die sich beim Rotieren der Presswalzen gegenseitig nach außen abschließen und dabei aus dem Kieselsäurepulver, das beim Rotieren zwischen den aneinanderliegenden Formmulden eingeschlossen wird, tablettenförmige Formpresslinge erzeugen. Diese sind in Abhängigkeit von der Innengeometrie der Formmulden im Regelfall spiegelsymmetrisch und liegen in sphäroidischer, einheitlicher Geometrie vor, insbesondere in Kugelform oder in Form abgeplatteter (oblater) Ellipsoide oder bis hin zur Zylinderform gestreckter (prolater) Ellipsoide.In the briquetting process, the press rolls have mutually running, corresponding mold cavities, which mutually terminate outwardly upon rotation of the press rolls, thereby producing tablet shaped moldings from the silica powder which is enclosed between the adjacent mold cavities during rotation. These are usually mirror-symmetrical depending on the internal geometry of the mold cavities and are in spheroidal, uniform geometry, in particular in spherical shape or in the form of flattened (oblate) ellipsoids or up to the cylindrical shape elongated (prolater) ellipsoids.

Auf diese Weise werden Formpresslinge kostengünstig und mit hoher Reinheit erhalten, und zwar in reproduzierbarer Größe und Form. Diese Formpresslinge – oder Fragmente davon – werden beim erfindungsgemäßen als Rohmaterial zur Herstellung von Quarzglas eingesetzt. In this way moldings are obtained inexpensively and with high purity, in a reproducible size and shape. These molded compacts - or fragments thereof - are used in the invention as a raw material for the production of quartz glass.

Es hat sich gezeigt, dass ein Dichtsintern der Formpresslinge zu Kieselglasgranulat reproduzierbar und bereits bei relativ niedrigen Sintertemperaturen gelingt. Dies wird darauf zurückgeführt, dass der Pressvorgang beim Walzenbrikettierverfahren eine hohe innere Dichte der Formpresslinge bewirkt, die beim Sintern eine schnellere Ausbildung eines Quarzglas-Netzwerks begünstigt. Dazu trägt bei, dass – im Gegensatz zur Walzenkompaktierung im Schülpenverfahren, bei der die Presswalzen einen unidirektionalen Pressdruck auf das pyrogene Kieselsäurepulver ausüben – bei der Walzenbrikettierung das in den Formmulden eingeschlossene Kieselsäurepulver einen allseitig einwirkenden Pressdruck erfährt, die zu einer räumlich gleichmäßigen Verdichtung und einer vergleichsweise hohen Schüttdichte des SiO₂-Granulats führt. It has been shown that dense sintering of the molded articles into silica glass granules is reproducible and succeeds even at relatively low sintering temperatures. This is attributed to the fact that the pressing process in the roll briquetting process brings about a high internal density of the molded compacts, which favors the faster formation of a quartz glass network during sintering. Contributes to that - in contrast to the Walzenkompaktierung in the Schülpenverfahren, in which the press rollers exert a unidirectional pressing pressure on the fumed silica powder - in the roller briquetting the trapped in the mold cavities silica powder experiences an all-sided acting pressing pressure, which leads to a spatially uniform compression and a comparatively high bulk density of the SiO ₂ granules leads.

Auf die einheitliche und wohl definierte Morphologie und Teilchengröße ist auch die gute Reproduzierbarkeit beim thermischen Verdichten des porösen SiO₂-Granulats zurückzuführen.The uniform and well-defined morphology and particle size is also due to the good reproducibility in the thermal densification of the porous SiO ₂ granules.

Die nach dem thermischen Verdichten der Formpresslinge erhaltenen Kieselglasgranulat-Teilchen aus synthetischem Quarzglas zeigen ein vergleichsweise großes Volumen, was die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Quarzglasherstellung weiter verbessert. Dieses vergleichsweise große „vorverglaste Volumen“ trägt dazu bei, dass sich das Kieselglasgranulat verhältnismäßig einfach zu transparentem Quarzglas sintern oder einschmelzen lässt. The silica glass granules of synthetic silica glass obtained after thermally compacting the molded compacts have a comparatively large volume, which further improves the productivity and economy of quartz glass production. This comparatively large "pre-glazed volume" contributes to the silica glass granules being sintered or melted relatively easily into transparent quartz glass.

Das Kieselglasgranulat zeichnet sich durch hohe Reinheit aus, so dass beim Sintern oder Erschmelzen eine Kristallisation des Quarzglases und eine Blasenbildung verhindert werden kann. The silica glass granules are characterized by high purity, so that crystallization of the quartz glass and blistering can be prevented during sintering or melting.

Bei der Herstellung der Formpresslinge mittels Walzenbrikettierung kann sich aus wirtschaftlichen oder technologischen Erwägungen ein Optimum für das Volumen der einzelnen Formpresslinge ergeben, das oberhalb eines Optimums für die Größe oder das Volumen der Kieselglasgranulat-Teilchen liegt. Erfindungsgemäß werden daher die Formpresslinge vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (c) zerkleinert.For the production of molded compacts by means of roll briquetting, for economic or technological considerations, an optimum can be found for the volume of the individual molded compacts which is above an optimum for the size or volume of the silica glass granulate particles. According to the invention, therefore, the molded compacts are comminuted prior to the thermal densification according to process step (c).

Vorzugsweise weisen die Formpresslinge einen mittleren Äquivalentdurchmesser im Bereich von 1 mm bis 5 mm auf. Preferably, the molded compacts have a mean equivalent diameter in the range of 1 mm to 5 mm.

Durchmesser von weniger als 1 mm liegen in der Größenordnung der Durchmesser von typischer synthetischer Quarzglaskörnung. Bei größeren Durchmessern der Formpresslinge und der daraus erzeugten Kieselglasgranulate macht sich der Produktivitätsgewinn aufgrund des größeren, vorverglasten Volumens stärker bemerkbar. Formpresslinge mit Äquivalentdurchmessern von mehr als 5 mm ergeben Schüttungen mit großen Zwischenräumen, die sich beim Sintern als ungünstig erweisen können. Bruchstücke derartig großer Formpresslinge sind ohne weiteres einsetzbar, weisen aber keine einheitliche Morphologie auf. Diameters of less than 1 mm are on the order of the diameter of typical synthetic silica grain. With larger diameters of the molded articles and the silica glass granules produced therefrom, the productivity gain becomes more noticeable due to the larger, pre-glazed volume. Molded compacts with equivalent diameters greater than 5 mm produce bulk fillings which can be unfavorable to sintering. Fragments of such large molded compacts are readily usable, but have no uniform morphology.

Der Äquivalentdurchmesser bezieht sich hier lediglich auf die Größe der Teilchen (Siebmaschenweite).The equivalent diameter refers here only to the size of the particles (mesh size).

Es hat sich bewährt, wenn die Formpresslinge ein mittleres Volumen im Bereich von 1 bis 100 mm³ aufweisen.It has proven useful if the molded compacts have an average volume in the range of 1 to 100 mm ³ .

Bei einem mittleren Volumen von weniger als 1 mm³ ergibt sich kein nennenswerter Vorteil in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und auf eine Vergleichmäßigung der räumlichen Dichte. Großvolumige Formpresslinge können einen merklichen Dichtegradienten von Außen nach Innen zeigen, was sich auf die Blasenfreiheit des herzustellenden Quarzglases auswirken kann. Daher werden Formpresslinge mit einem mittleren Volumen von mehr als 100 mm³ nicht bevorzugt.With an average volume of less than 1 mm ³ , there is no significant advantage in terms of the economy of the process and on a homogenization of the spatial density. Large-volume moldings can show a noticeable density gradient from outside to inside, which can affect the freedom from bubbles of the quartz glass to be produced. Therefore, molded compacts having an average volume of more than 100 mm ^{3 are} not preferred.

Insbesondere im Hinblick auf die Blasenfreiheit des Quarzglases hat es sich auch als vorteilhaft erweisen, wenn die Formpresslinge eine mittlere spezifische Dichte im Bereich von 0,6 bis 1,3 g/cm³ aufweisen.In particular with regard to the freedom from bubbles of the quartz glass, it has also proved to be advantageous if the molded articles have an average specific density in the range from 0.6 to 1.3 g / cm ³ .

Die hohe spezifische Dichte der Formpresslinge erleichtert die reproduzierbare, blasenfreie thermische Verdichtung des porösen SiO₂-Granulats zu dem Kieselglasgranulat.The high specific gravity of the molded compacts facilitates the reproducible, bubble-free thermal densification of the porous SiO ₂ granules to the silica glass granules.

Durch Zerkleinern der Formpresslinge kann eine besonders hohe Schüttdichte des Granulats erzielt werden. Vorzugsweise bilden die zerkleinerten Formpresslinge ein SiO₂-Granulat mit einer Schüttdichte im Bereich von mehr als 0,45 g/cm², vorzugsweise von 0,8 bis 1,1 g/cm³. By crushing the molded compacts, a particularly high bulk density of the granules can be achieved. Preferably, the crushed shaped compacts form a SiO ₂ granulate having a bulk density in the range of more than 0.45 g / cm ² , preferably from 0.8 to 1.1 g / cm ³ .

Zu der hohen Schüttdichte, die nach DIN ISO 697(1984) ermittelt wird, trägt dabei neben der dichten Schüttung auch die hohe spezifische Dichte der einzelnen Granulat-Teilchen beziehungsweise von Bruchstücken derselben bei. Eine hohe Schüttdichte erleichtert das Einschmelzen und Sintern zu Quarzglas.The high bulk density, which is determined according to DIN ISO 697 (1984), not only contributes to the dense packing, but also the high specific gravity of the individual granulate particles or of fragments thereof. A high bulk density facilitates melting and sintering into quartz glass.

Im Sinne einer hohen Reinheit und Blasenfreiheit des Quarzglases wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der die Formpresslinge oder Fragmente derselben vor dem thermischen Verdichten gemäß Verfahrensschritt (c) in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt werden. In the sense of a high purity and freedom from bubbles of the quartz glass, a procedure is preferred in which the molded compacts or fragments thereof are treated prior to the thermal densification according to process step (c) in a chlorine-containing atmosphere.

Bei der Behandlung bei erhöhter Temperatur im Bereich von 800 °C und 1200 °C werden Verunreinigungen beseitigt und Hydroxylgruppen weitgehend entfernt. In the treatment at elevated temperature in the range of 800 ° C and 1200 ° C impurities are eliminated and hydroxyl groups are largely removed.

Im Hinblick auf eine hohe Blasenfreiheit des herzustellenden Quarzglases hat es sich bewährt, wenn das thermische Verdichten der Formpresslinge oder von Fragmenten derselben zu Kieselglasgranulat gemäß Verfahrensschritt (c) unter Helium oder unter Vakuum erfolgt. In view of a high freedom from bubbles of the quartz glass to be produced, it has proven useful if the thermal compression of the molded compacts or of fragments thereof into silica glass granules according to process step (c) is carried out under helium or under vacuum.

Es hat sich außerdem als günstig erwiesen, wenn im Verfahrensschritt (d) Kieselglasgranulat-Teilchen eingesetzt werden, die aus mit Wasserstoff dotiertem Quarzglas bestehen.It has also proven to be advantageous if in the process step (d) silica glass granules particles are used which consist of hydrogen-doped quartz glass.

Bei Wasserstoff handelt es sich um ein in Quarzglas relativ leicht diffundierendes Gas, das beim Erhitzen freigesetzt wird. Beim Sintern oder Erschmelzen des Kieselglasgranulats reagiert der austretende Wasserstoff mit vorhandenem gasförmigem Sauerstoff unter Bildung von H₂O, das in Form von Hydroxylgruppen im Quarzglas löslich ist. Dies erleichtert ein blasenfreies Sintern oder Erschmelzen. Hydrogen is a gas that diffuses relatively easily in quartz glass and is released when heated. During sintering or melting of the silica glass granules, the escaping hydrogen reacts with existing gaseous oxygen to form H ₂ O, which is soluble in the form of hydroxyl groups in the quartz glass. This facilitates bubble-free sintering or melting.

Die Wasserstoffbeladung kann bei der thermischen Verdichtung der Formpresslinge erfolgen, indem diese unter einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird.The hydrogen loading can be carried out during the thermal compression of the molded compacts by carrying out these under a hydrogen-containing atmosphere.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Herstellung von transparentem Quarzglas geeignet. Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn das gemäß Verfahrensschritt (c) thermisch verdichtete Kieselglasgranulat als Körnungsschicht auf einer Innenwandung eines tiegelförmigen Basiskörpers aufgebracht und durch Sintern gemäß Verfahrensschritt (d) zu einer Innenschicht aus transparentem Quarzglas auf dem Basiskörper erschmolzen wird. The inventive method is particularly suitable for the production of transparent quartz glass. In view of this, it has proved useful if the silica glass granules thermally compacted according to process step (c) are applied as a graining layer on an inner wall of a crucible-shaped base body and melted by sintering according to process step (d) to form an inner layer of transparent quartz glass on the base body.

Dabei wird ein Quarzglastiegel erzeugt, wie er beispielsweise zum Ziehen von Silizium-Einkristall eingesetzt wird. Hierfür wird ein tiegelförmiger Basiskörper aus Quarzglas oder aus Quarzglaskörnung mit einer transparenten Quarzglasschicht versehen, die als Diffusionssperre gegenüber etwaigen Verunreinigungen dient, die im Quarzglas des Basiskörpers enthalten sind. Außerdem verbessert die Innenschicht die Oberflächenbeschaffenheit des Basiskörpers. In this case, a quartz glass crucible is produced, as it is used, for example, for pulling silicon monocrystal. For this purpose, a crucible-shaped base body made of quartz glass or quartz glass grain is provided with a transparent quartz glass layer, which serves as a diffusion barrier against any impurities contained in the quartz glass of the base body. In addition, the inner layer improves the surface finish of the base body.

Vorzugsweise wird dabei ein tiegelförmiger, poröser Basiskörper aus Quarzglaskörnung eingesetzt, wobei die Körnungsschicht unter Anlegen eines Unterdrucks zu der Innenschicht gesintert wird.Preferably, a crucible-shaped, porous base body of quartz glass grains is used, wherein the granulation layer is sintered while applying a negative pressure to the inner layer.

Dabei wird zur Herstellung der Innenschicht zunächst eine poröse SiO₂-Körnungsschicht an der Innenwandung einer evakuierbaren Schmelzform erzeugt und auf dieser eine weitere Körnungsschicht aus Kieselglasgranulat-Teilchen aufgebracht. Beim Sintern der Körnungsschichten von innen nach außen wird von der Außenseite her ein Vakuum angelegt. Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Innenschicht auf dem Basiskörper zeichnet sich durch hohe Reinheit und geringe Blasenhaltigkeit aus und sie ist reproduzierbar und wirtschaftlich auch in großen Schichtdicken herstellbar. For the production of the inner layer, a porous SiO ₂ grain layer is firstly produced on the inner wall of an evacuatable melt mold and a further granulation layer of silica glass granulate particles is applied thereon. When sintering the granulation layers from inside to outside, a vacuum is applied from the outside. The inner layer on the base body produced on the basis of the method according to the invention is distinguished by high purity and low bubble content, and it can be reproduced and produced economically even in large layer thicknesses.

Bevorzugt werden im Verfahrensschritt (d) Kieselglasgranulat-Teilchen eingesetzt, deren Durchmesser von einem Nominaldurchmesser um maximal 10% abweicht.In process step (d), preference is given to using silica glass granulate particles whose diameter deviates from a nominal diameter by a maximum of 10%.

Kieselglasgranulat-Teilchen mit einheitlichem Durchmesser zeigen ein ähnliches Sinter- und Einschmelzverhalten. Außerdem zeigen Schüttungen derartiger Teilchen eine vergleichsweise geringe Schüttdichte, so dass sie sich einfacher mit reaktiven Gasen behandeln oder entgasen lassen.Silica glass granulate particles of uniform diameter exhibit a similar sintering and melting behavior. In addition, beds of such particles have a relatively low bulk density so that they are easier to treat or degasify with reactive gases.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and a drawing. It shows

1 in schematischer Darstellung eine Schmelzvorrichtung zur Herstellung eines Quarzglastiegels mit einer unter Einsatz von Kieselglasgranulat erzeugten, transparenten Innenschicht anhand einer Verfahrensvariante.. 1 a schematic representation of a melting apparatus for producing a quartz glass crucible with a transparent inner layer produced using silica glass granules using a process variant.

Beispiel 1: Herstellung von synthetischem KieselglasgranulatExample 1 Production of Synthetic Silica Glass Granules

Durch Flammenhydrolyse von SiCl₄ wird pyrogene, feinteilige Kieselsäure hergestellt. Hierzu werden einem Flammhydrolysebrenner als Brennergase Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt sowie als Einsatzmaterial für die Bildung der SiO₂-Partikel ein SiCl₄ enthaltender Gasstrom. Die Größe der SiO₂-Primärpartikel liegt im Nanometerbereich, wobei sich mehrere Primärpartikel in der Reaktionszone zusammenlagern und in Form mehr oder weniger sphärischer Agglomerate oder Aggregate mit einer spezifischen Oberfläche nach BET im Bereich von 50 m²/g anfallen.By flame hydrolysis of SiCl ₄ pyrogenic, finely divided silica is produced. For this purpose, oxygen and hydrogen are fed to a flame hydrolysis burner as burner gases and, as feed for the formation of the SiO ₂ particles, a gas stream containing SiCl ₄ . The size of the primary SiO ₂ particles is in the nanometer range, with several primary particles assembling in the reaction zone and occurring in the form of more or less spherical agglomerates or aggregates having a BET specific surface area in the range of 50 m ² / g.

Die synthetische, hochreine Kieselsäure wird mittels einer handelsüblichen Walzenbrikettieranlage zu tablettenförmigen, sphäroidischen Presslingen mit folgenden Eigenschaften verdichtet:
Geometrie: oblate Ellipsoide
Äquivalentdurchmesser: 3 mm
Volumen: 20 mm³
Spezifische Dichte: 1,2 g/cm³ The synthetic, high-purity silica is produced by means of a commercially available roll briquetting plant into tablet-shaped, spheroidal compacts having the following properties:
Geometry: oblate ellipsoids
Equivalent diameter: 3 mm
Volume: 20 mm ³
Specific gravity: 1.2 g / cm ³

Die Formpresslinge bilden ein SiO₂-Granulat mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 50 m²/g (BET) und einer Schüttdichte von etwa 0,7 g/cm³. Sie werden anschließend mittels einer Zerkleinerungsmaschine zerkleinert und mittels Sieben klassiert. Der Teilchengrößenbereich von 120 bis 600 µm wird weiterverarbeitet, wie im Folgenden beschrieben; und die Fehlfraktion wird dem Kieselsäure-Eingangsmaterial der Walzenbrikettieranlage beigemischt. The molded compacts form a SiO ₂ granulate with a specific surface area of about 50 m ² / g (BET) and a bulk density of about 0.7 g / cm ³ . They are then crushed by means of a crusher and classified by sieving. The particle size range of 120 to 600 microns is further processed, as described below; and the defective fraction is added to the silica input material of the roll briquetting plant.

Das so erzeugte SiO₂-Granulat besteht aus Bruchstücken und hat eine spezifische Oberfläche von etwa 50 m²/g (BET) und eine gegenüber dem unzerkleinerten Granulat höhere Schüttdichte von etwa 0,9 g/cm³. The SiO ₂ granulate produced in this way consists of fragments and has a specific surface area of about 50 m ² / g (BET) and a bulk density of about 0.9 g / cm ^{3, which is} higher than the uncrushed granules.

Es wird anschließend gereinigt, indem es in einem Schachtofen bei einer Temperatur um 850 °C während einer Behandlungsdauer von 6h einer HCl-haltigen Atmosphäre ausgesetzt und dabei von Verunreinigungen und Hydroxylgruppen befreit wird. Das behandelte SiO₂-Granulat hat einen Gesamtgehalt der Verunreinigungen an Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu und Mn von weniger als 200 Gew.-ppb und einen Hydroxylgruppengehalt von 30 Gew.-ppm.It is subsequently cleaned by exposing it to a HCl-containing atmosphere in a shaft furnace at a temperature of about 850 ° C. for a treatment time of 6 hours, thereby removing impurities and hydroxyl groups. The treated SiO ₂ granules have a total content of impurities of Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu and Mn of less than 200 wt. Ppb and a hydroxyl group content of 30 wt. Ppm.

Das so behandelte SiO₂-Granulat wird anschließend in eine Grafitform gegeben und durch Vakuumsintern verglast. Hierbei wird die Form auf die Sintertemperatur von 1600 °C aufgeheizt und nach Erreichen der Sintertemperatur ca. 60 min lang gehalten.The thus treated SiO ₂ granules are then placed in a graphite mold and vitrified by vacuum sintering. Here, the mold is heated to the sintering temperature of 1600 ° C and held for about 60 minutes after reaching the sintering temperature.

Nach dem Abkühlen wird eine Masse aus mehr oder weniger lose zusammenhängenden, glasigen SiO₂-Teilchen erhalten, die durch leichten Druck separiert werden können. Das so erhaltene Kieselglasgranulat besteht aus glasigen, blasenfreien Quarzglasteilchen mit Äquivalentdurchmessern im Bereich von etwa 100 bis 500 µm und mit einer spezifische Oberfläche (nach BET) von weniger als 1 m²/g.After cooling, a mass of more or less loosely coherent glassy SiO ₂ particles is obtained, which can be separated by a slight pressure. The silica glass granules thus obtained consist of glassy, bubble-free quartz glass particles with equivalent diameters in the range of about 100 to 500 μm and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m ² / g.

Das Kieselglasgranulat wird nachträglich mit Wasserstoff beladen, indem es bei einer Temperatur von 800 °C während einer Dauer von 5 h einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt wird. The silica glass granules are subsequently loaded with hydrogen by being exposed to a hydrogen-containing atmosphere at a temperature of 800 ° C. for a period of 5 hours.

Beispiel 2: Herstellung von synthetischem KieselglasgranulatExample 2 Production of Synthetic Silica Glass Granules

Die synthetische, hochreine Kieselsäure wird mittels einer handelsüblichen Walzenbrikettieranlage zu sphärischen Presslingen mit folgenden Eigenschaften verdichtet:
Geometrie: prolate Ellipsoide
Äquivalentdurchmesser: 1,5 mm
Volumen: 2,5 mm³
Spezifische Dichte: 1,2 g/cm³ The synthetic, high-purity silica is compacted by means of a commercially available roll briquetting plant into spherical compacts having the following properties:
Geometry: prolate ellipsoids
Equivalent diameter: 1.5 mm
Volume: 2.5 mm ³
Specific gravity: 1.2 g / cm ³

Das so erzeugte SiO₂-Granulat besteht aus länglichen Formpresslingen mit identischer Geometrie und Größe und hat eine spezifische Oberfläche von etwa 50 m²/g (BET) und eine relativ geringe Schüttdichte von etwa 0,7 g/cm³. Es wird gereinigt und thermisch verdichtet, wie oben anhand Beispiel 1 beschrieben. The SiO ₂ granules so produced consist of elongated molded compacts of identical geometry and size and have a specific surface area of about 50 m ² / g (BET) and a relatively low bulk density of about 0.7 g / cm ³ . It is purified and thermally densified as described above with reference to Example 1.

Das nach dem Vakuumsintern erhaltene Kieselglasgranulat besteht aus glasigen, blasenfreien Quarzglasteilchen mit einheitlichen Abmessungen (ohne Feinanteil) und mit einer spezifische Oberfläche (nach BET) von weniger als 1 m²/g.The silica glass granules obtained after vacuum sintering consist of glassy, bubble-free quartz glass particles of uniform dimensions (without fines) and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m ² / g.

Beispiel 3: Herstellung von synthetischem KieselglasgranulatExample 3 Production of Synthetic Silica Glass Granules

Synthetische hochreine Kieselsäure wird mittels einer Walzenbrikettieranlage zu tablettenförmigen, sphäroidischen Presslingen verarbeitet, gebrochen und gereinigt, wie anhand Beispiel 1 erläutert. Synthetic high-purity silica is processed by means of a roll briquetting system into tablet-shaped, spheroidal compacts, broken and cleaned, as explained with reference to Example 1.

Das danach erhaltene SiO₂-Granulat wird anschließend in eine Grafitform gegeben und unter Helium verglast. Dazu wird die Grafitform auf die Sintertemperatur von 1600 °C aufgeheizt und nach Erreichen der Sintertemperatur ca. 60 min lang gehalten.The SiO ₂ granules obtained thereafter are then placed in a graphite mold and vitrified under helium. For this purpose, the graphite mold is heated to the sintering temperature of 1600 ° C and held for about 60 minutes after reaching the sintering temperature.

Nach dem Abkühlen wird eine Masse aus mehr oder weniger lose zusammenhängenden, glasigen SiO₂-Teilchen erhalten, die durch leichten Druck separiert werden können. Das so erhaltene Kieselglasgranulat besteht aus glasigen, blasenfreien Quarzglasteilchen mit einheitlichen Abmessungen (Äquivalentdurchmesser) von etwa 100 bis 500 µm und mit einer spezifische Oberfläche (nach BET) von weniger als 1 m²/g.After cooling, a mass of more or less loosely connected, glassy SiO ₂ particles is obtained, which can be separated by slight pressure. The silica glass granules thus obtained consist of glassy, bubble-free quartz glass particles with uniform dimensions (equivalent diameter) of about 100 to 500 μm and with a specific surface area (according to BET) of less than 1 m ² / g.

Im Folgenden wird die Herstellung eines Quarzglastiegels unter Einsatz des synthetischen Kieselglasgranulats anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert:The production of a quartz glass crucible using the synthetic silica glass granulate is explained below with reference to two exemplary embodiments:

Beispiel 4: Herstellung eines Quarzglastiegels mit InnenschichtExample 4: Production of a quartz glass crucible with inner layer

Die Schmelzvorrichtung gemäß 1 umfasst eine Schmelzform 1 aus Metall mit einem Innendurchmesser von 75 cm, die mit einem Außenflansch auf einem Träger 3 aufliegt. Der Träger 3 ist um die Mittelachse 4 rotierbar. In den Innenraum 10 der Schmelzform 1 ragen eine Kathode 5 und eine Anode 6 (Elektroden 5; 6) aus Grafit, die – wie anhand der Richtungspfeile 7 angedeutet – innerhalb der Schmelzform 1 in allen Raumrichtungen verfahrbar sind. The melting device according to 1 includes a melt mold 1 made of metal with an inner diameter of 75 cm, with an outer flange on a support 3 rests. The carrier 3 is around the central axis 4 rotatable. In the interior 10 the melt shape 1 protrude a cathode 5 and an anode 6 (electrodes 5 ; 6 ) made of graphite, which - as with the directional arrows 7 indicated - within the mold 1 can be moved in all spatial directions.

Die offene Oberseite der Schmelzform 1 ist teilweise von einem Hitzeschild 11 in Form einer wassergekühlten Metallplatte mit zentraler Durchgangsbohrung abgedeckt, durch die hindurch die Elektroden 5, 6 in die Schmelzform 1 hineinragen. Der Hitzeschild 11 ist mit einem Gaseinlass 9 für Wasserstoff (alternativ auch für die Zufuhr von Helium) verbunden. Der Hitzeschild 2 ist in der Ebene oberhalb der Schmelzform 1 horizontal verfahrbar (in x- und y-Richtung), wie dies die Richtungspfeile 22 andeuten.The open top of the mold 1 is partly from a heat shield 11 covered in the form of a water-cooled metal plate with central through-hole, through which the electrodes 5 . 6 into the mold 1 protrude. The heat shield 11 is with a gas inlet 9 for hydrogen (alternatively also for the supply of helium). The heat shield 2 is in the plane above the melt shape 1 horizontally movable (in x and y direction) as the directional arrows 22 suggest.

Der Raum zwischen dem Träger 3 und der Schmelzform 1 ist mittels einer Vakuumeinrichtung evakuierbar, die durch den Richtungspfeil 17 repräsentiert wird. Die Schmelzform 1 weist eine Vielzahl von Durchlässen 8 auf (diese sind in 1 nur symbolisch im Bodenbereich angedeutet), über die das an der Außenseite der Form 1 anliegende Vakuum 17 nach Innen durchgreifen kann. The space between the carrier 3 and the melt shape 1 is evacuated by means of a vacuum device by the directional arrow 17 is represented. The melt shape 1 has a variety of passages 8th on (these are in 1 only symbolically indicated in the floor area), on the outside of the form 1 fitting vacuum 17 can reach inside.

In einem ersten Verfahrensschritt wird Kieselglasgranulat, das anhand obigem Beispiel 3 erzeugt worden ist, in die um ihre Längsachse 4 rotierende Schmelzform 1 eingefüllt. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft und mittels einer Formschablone wird an der Innenwandung der Schmelzform 1 eine rotationssymmetrische tiegelförmige Körnungsschicht 12 aus dem mechanisch verfestigtem Granulat geformt. Die mittlere Schichtdicke der Körnungsschicht 12 beträgt etwa 12 mm. In a first process step, fused silica granules produced by Example 3 above are placed around their longitudinal axis 4 rotating enamel mold 1 filled. Under the action of the centrifugal force and by means of a shaping template, the melt on the inner wall of the mold 1 a rotationally symmetrical crucible-shaped granulation layer 12 formed from the mechanically solidified granules. The average layer thickness of the granulation layer 12 is about 12 mm.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird auf der Innenwandung der Granulat-Schicht 12 eine Innenkörnungsschicht 14 aus dem synthetisch hergestellten Kieselglasgranulat gemäß obigem Beispiel 1 – ebenfalls unter Einsatz einer Formschablone und unter anhaltender Rotation der Schmelzform 1 – ausgeformt. In a second process step is on the inner wall of the granular layer 12 an inner graining layer 14 from the synthetically produced silica glass granules according to Example 1 above - likewise using a mold template and with continuous rotation of the melt mold 1 - shaped.

Die mittlere Schichtdicke der Innenkörnungsschicht 14 beträgt ebenfalls etwa 12 mm.The average layer thickness of the inner graining layer 14 is also about 12 mm.

Zum Verglasen der SiO₂-Körnungsschichten 12, 14 wird das Hitzeschild 11 über der Öffnung der Schmelzform 1 positioniert und Helium über den Einlass 9 in den Tiegel-Innenraum 10 eingeleitet. Die Elektroden 5; 6 werden durch die zentrale Öffnung des Hitzeschildes 11 in den Innenraum 10 eingeführt und zwischen den Elektroden 5; 6 ein Lichtbogen gezündet, der in 1 durch die Plasmazone 13 als grau hinterlegter Bereich gekennzeichnet ist. Gleichzeitig wird an der Außenseite der Schmelzform 1 ein Vakuum angelegt. For vitrifying the SiO ₂ grain layers 12 . 14 becomes the heat shield 11 over the opening of the mold 1 positioned and helium over the inlet 9 in the crucible interior 10 initiated. The electrodes 5 ; 6 be through the central opening of the heat shield 11 in the interior 10 introduced and between the electrodes 5 ; 6 ignited an arc in 1 through the plasma zone 13 marked as a gray background area. At the same time, on the outside of the mold 1 created a vacuum.

Die Elektroden 5; 6 werden zusammen mit dem Hitzeschild 11 in die in 1 gezeigte seitliche Position gebracht und mit einer Leistung von 600 kW (300 V, 2000 A) beaufschlagt und, um die Körnungsschichten 12; 14 im Bereich der Seitenwandung zu verglasen. Die Plasmazone 13 wird langsam nach unten bewegt und dabei das Quarzglaspulver der Innenkörnungsschicht 14 kontinuierlich und bereichsweise zu einer blasenfreien Innenschicht 16 erschmolzen. Zum Verglasen der Körnungsschichten 12; 14 im Bereich des Bodens werden Hitzeschild 11 und Elektroden 5; 6 in eine zentrale Position gebracht und die Elektroden 5; 6 nach unten abgesenkt. The electrodes 5 ; 6 be together with the heat shield 11 in the in 1 shown lateral position and applied with a power of 600 kW (300 V, 2000 A) and to the graining layers 12 ; 14 to glaze in the area of the side wall. The plasma zone 13 is slowly moved down and thereby the quartz glass powder of the inner graining layer 14 continuously and partially to a bubble-free inner layer 16 melted. For vitrifying the graining layers 12 ; 14 in the area of the soil become heat shield 11 and electrodes 5 ; 6 placed in a central position and the electrodes 5 ; 6 lowered down.

Beim Sintern der Schicht bildet sich zunächst eine dichte Innenhaut. Danach kann der anliegende Unterdruck (Vakuum) erhöht werden, so dass das Vakuum seine volle Wirkung entfalten kann. When the layer is sintered, a dense inner skin initially forms. Thereafter, the applied negative pressure (vacuum) can be increased, so that the vacuum can develop its full effect.

Der Schmelzvorgang wird beendet, bevor die Schmelzfront die Innenwandung der Schmelzform 1 erreicht. Die transparente Innenschicht 16 ist glatt, blasenarm und hat eine mittlere Dicke von etwa 8 mm. Die Außenschicht 12 bleibt mindestens teilweise opak.The melting process is terminated before the melt front the inner wall of the melt mold 1 reached. The transparent inner layer 16 is smooth, low-bladder and has an average thickness of about 8 mm. The outer layer 12 remains at least partially opaque.

Claims

Process for the production of quartz glass for a quartz glass crucible comprising the following process steps: (a) providing pyrogenically produced silica powder, (b) mechanically compacting the silica powder by means of a roll pressing process to form SiO ₂ granules, (c) thermally compacting the SiO ₂ Granulating into silica glass granules, and (d) sintering or melting the silica glass granules into the quartz glass, characterized in that the mechanical densification of the silica particles comprises a roll briquetting process to form moldings having a uniform, spheroidal morphology, the molded compacts being subjected to thermal densification according to process step (c ), and wherein the sintering or melting according to process step (d) is carried out by heating a crucible-shaped granulation layer of the silica glass granules on the inner wall of a melt mold and using an electric arc.

A method according to claim 1, characterized in that the molded compacts have a mean equivalent diameter in the range of 1 to 5 mm.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the molded compacts have an average volume in the range of 1 to 100 mm ³ .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the molded compacts have a mean specific gravity in the range of 0.6 to 1.3 g / cm ³ .

A method according to claim 1, characterized in that the comminuted molded compacts form a SiO ₂ granulate having a bulk density in the range of more than 0.45 g / cm ³ , preferably from 0.8 to 1.1 g / cm ³ .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the molded compacts or fragments thereof are treated prior to the thermal densification according to process step (c) in a chlorine-containing atmosphere.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal compression of the molded compacts or fragments thereof into silica glass granules according to process step (c) is carried out under helium or under vacuum.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step (d) silica glass granules particles are used which consist of hydrogen-doped quartz glass.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method according to step (c) thermally compacted silica glass granules applied as a graining layer on an inner wall of a crucible-shaped base body and melted by sintering according to step (d) to form an inner layer of transparent quartz glass on the base body.

A method according to claim 9, characterized in that a porous crucible base body made of quartz glass grain is used, and that the graining layer is sintered under application of a negative pressure to the inner layer.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the process step (d) silica glass granulate particles are used whose diameter deviates from a nominal diameter by a maximum of 10%.