DE10226448A1

DE10226448A1 - Verfahren zur Herstellung eines SiO2-Rohlings

Info

Publication number: DE10226448A1
Application number: DE2002126448
Authority: DE
Inventors: Jan Vydra; Sven Linow
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: DE10226448B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines SiO¶2¶-Rohlings bekannt, bei dem aufeinander folgende SiO¶2¶ enthaltende Partikelschichten auf einer Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers abgeschieden werden, unter Einsatz einer eine Vielzahl von Abscheidebrennern umfassenden Brenneranordnung, die in einem vorgegebenen Bewegungsablauf parallel zur Träger-Längsachse und von einem stirnseitigen Ende des sich bildenden SiO¶2¶-Rohlings zum gegenüberliegenden Ende oszillierend hin- und herbewegt wird, wobei die Brenneranordnung mehrere, jeweils mindestens einen Abscheidebrenner aufweisende Brennergruppen aufweist, umfassend eine vordere Brennergruppe zum Abscheiden einer unteren Schicht, und eine der vorderen Brennergruppe beim Bewegungsablauf folgende, hintere Brennergruppe zum Abscheiden mindestens einer oberen Schicht. Um hiervon ausgehend ein einfaches und kostengünstiges Verfahren anzugeben, das die Herstellung von Zylindern aus Quarzglas mit axial homogener Dichte- und Dotierstoffverteilung bei gleichzeitig hoher Abscheiderate und -effizienz ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe beim Abscheiden der oberen Schicht eine höhere Flammentemperatur erzeugen als die Abscheidebrenner der vorderen Brennergruppe beim Abscheiden der unteren Schicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings durch Abscheiden aufeinanderfolgender SiO₂ enthaltender Partikelschichten auf einer Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers, unter Einsatz einer eine Vielzahl von Abscheidebrennern umfassenden Brenneranordnung, die in einem vorgegebenen Bewegungsablauf parallel zur Träger-Längsachse und von einem stirnseitigen Ende des sich bildenden SiO₂-Rohlings zum gegenüberliegenden Ende oszillierend hin- und herbewegt wird, wobei die Brenneranordnung mehrere, jeweils mindestens einen Abscheidebrenner aufweisende Brennergruppen aufweist, umfassend eine vordere Brennergruppe zum Abscheiden einer unteren Schicht, und eine der vorderen Brennergruppe beim Bewegungsablauf folgende, hintere Brennergruppe zum Abscheiden mindestens einer oberen Schicht.
Bei Anwendungen, bei denen es auf hohe Reinheit, chemische Beständigkeit oder Temperaturfestigkeit ankommt, werden häufige Bauteile aus Quarzglas eingesetzt. Beispielsweise werden aus SiO₂-Rohlingen Bauteile und Gerätschaften für Optik, Lithographie und für den Einsatz bei der Halbleiterherstellung gefertigt. Außerdem werden SiO₂-Rohlinge als Halbzeug für die Herstellung optischer Fasern verwendet, wobei insbesondere für die Herstellung kernnaher Bereiche der Faser hohe Anforderungen an die optischen Eigenschaften der SiO₂-Rohlinge gestellt werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein sogenannter „Kernstab", der das Quarzglas für den Kernbereich der optischen Faser und den inneren Teil des Mantels bereitstellt. Kern- und Mantelbereich unterscheiden sich in ihrem Brechungsindex. Dies wird durch Zugabe von Dotierstoffen erreicht. Dabei wird in der Regel eine axial homogene Dotierstoffverteilung über der Länge des Kernstabs angestrebt. Dies kann im einfachsten Fall dadurch erreicht werden, dass für die Abscheidung der den Dotierstoff enthaltenden SiO₂-Partikel ein einzelner Abscheidebrenner eingesetzt wird, der von einem stirnseitigen Ende des sich bildenden Sootzylinders bis zum anderen Ende oszillierend hin- und herbewegt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-A-4,251,251 bekannt. Darin wird die Herstellung eines Kernglases einer optischen Vorform für eine Lichtleitfaser nach dem sogenannten OVD-Verfahren (outside vapour deposition) beschrieben. Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt ein poröser SiO₂-Zylinder (im folgenden als „Sootzylinder" bezeichnet) hergestellt. Der Sootzylinder besteht aus einer mit Germaniumdioxid (25 Gew.-%) und Boroxid (5 Gew.-%) dotierten zentralen SiO₂-Innenschicht, die von einer mit Boroxid (2 Gew.-%) dotierten SiO₂-Außenschicht umgeben ist. Der Sootzylinder wird durch Flammenhydrolyse von SiCl₄ (bzw. von GeCl₄ und BCl₃) hergestellt, indem mittels eines Flammhydrolysebrenners dotierte SiO₂-Partikel erzeugt und auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Dorns abgeschieden werden. In einem zweiten Verfahrensschritt wird auf der so erzeugten SiO₂-Innenschicht die SiO₂-Außenschicht nach dem gleichen Verfahren abgeschieden. Anschließend wird der Dorn aus dem Sootzylinder herausgezogen, der poröse Sootzylinder gesintert und dabei gleichzeitig die Bohrung kollabiert. Die so hergestellte Vorform hat einen Kern aus Quarzglas, das mit Boroxid und Germaniumdioxid dotiert ist, dessen Brechungsindex 1,476 beträgt und das von einem Mantelglas mit einem Brechungsindex von 1,457 umhüllt ist.
Infolge des Einsatzes von nur einem Abscheidebrenner sind Abscheiderate und Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens jedoch gering.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Vorform aus porösem Quarzglas unter Einsatz einer Brenneranordnung mit mehreren, in einer Reihe angeordneter Abscheidebrenner (im folgenden auch als „Brennerreihe" bezeichnet) ist in der EP-A 476 218 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein SiO₂-Rohlings als Halbzeug für die Herstellung optischer Fasern erzeugt, indem SiO₂-Sootpartikel mittels einer Brennerreihe aus drei Abscheidebrennern erzeugt und auf der Zylindermantelfläche eines rotierenden Trägers abgeschieden werden, indem die Brennerreihe von einem Ende des sich bildenden Rohlings zum gegenüberliegenden Ende verfahren wird.
Bei diesem Verfahren ergibt sich infolge des Einsatzes von drei Abscheidebrennern eine höhere Abscheiderate (Masse/Zeiteinheit). Im Vergleich zu einer Abscheidung mit Einfachbrenner wird jedoch eine Verringerung der Abscheide-Effizienz (= Masse/(Zeit × Anzahl der Abscheidebrenner)) beobachtet. Außerdem weist das bekannte Verfahren Defizite hinsichtlich der axialen und radialen Homogenität der Dotierstoffverteilung auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren anzugeben, das die Herstellung von zylinderförmigen Rohlingen aus Quarzglas mit axial homogener Dichte- und Dotierstoffverteilung bei gleichzeitig hoher Abscheiderate und -effizienz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe beim Abscheiden der oberen Schicht eine höhere Flammentemperatur erzeugen als die Abscheidebrenner der vorderen Brennergruppe beim Abscheiden der unteren Schicht.
Die vordere Brennergruppe und die hinterer Brennergruppe umfassen jeweils einen oder mehrere Abscheidebrenner. Aus Gründen der Verständlichkeit wird bei folgenden Ausführungen grundsätzlich von Brennergruppen mit jeweils nur einem Abscheidebrenner ausgegangen, wobei aber – sofern nicht ausdrücklich anderes vermerkt wird – auch Ausführungsformen mit zwei oder mehr Abscheidebrennern pro Brennergruppe umfasst sein sollen.
Dem Abscheidebrenner wird eine Ausgangssubstanz für die Bildung von SiO₂ durch Flammenhydrolyse zugeführt. Zusätzlich können dem Abscheidebrenner Ausgangssubstanzen für die Bildung eines Dotierstoffs oder mehrerer Dotierstoffe zugeführt werden.
Beim Bewegungsablauf des Abscheidebrenners kommt es jeweils im Bereich des stirnseitigen Endes des sich bildenden SiO₂-Rohlings zu einer Umkehr der Bewe gungsrichtung. Dabei kehrt sich die Reihenfolge der Brennergruppen um; so wird beispielsweise aus der vordem vorderen Brennergruppe die hintere Brennergruppe, und umgekehrt.
Mittels des Verfahrens wird im Wechsel eine radiale Abfolge einer Vielzahl oberer Sootschichten und unterer Sootschichten erzeugt, wobei insbesondere die beiden folgenden Aspekte wesentlich sind:

1. Zum einen wird eine Brenneranordnung eingesetzt, die mindestens zwei Abscheidebrenner in vorgegebenem, festem Abstand oder in axial flexibler Aneinanderreihung umfasst. Die Brenneranordnung wird beim Abscheideprozess oszillierend von einem stirnseitigen Ende des sich bildenden Rohlings bis zum gegenüberliegenden stirnseitigen Ende bewegt. Wendepunkte und die damit verbundenen Dichteänderungen auf der Rohlingoberfläche werden vermieden. Dieser – bekannte – Bewegungsablauf einer Brennerreihe über die gesamte Länge des Rohlings ist Voraussetzung einerseits für eine wirtschaftliche Herstellung des SiO₂-Rohlings, und andererseits für das Erzielen axial homogener Materialeigenschaften, insbesondere einer homogenen axialen Dichteverteilung.
2. Zum anderen wird beim Abscheiden der jeweils oberen Schicht beim Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe eine höhere Flammentemperatur eingestellt als sie der Abscheidebrenner der vorderen Brennergruppe beim Abscheiden der unteren Schicht aufweist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren unterscheiden sich somit die Flammentemperaturen der Abscheidebrenner der vorderen und der hinteren Brennergruppe, und zwar in der Art, dass die Flammentemperatur – in Bewegungsrichtung der Brenneranordnung gesehen – von vorne nach hinten zunimmt. Es hat sich gezeigt, dass durch dieses „Temperaturprofil" der Brenneranordnung eine Erhöhung der Abscheiderate einhergeht. Diese überraschende Wirkung des „Temperaturprofils" kann darauf zurückgeführt werden, dass es dazu beiträgt, beim Brennerdurchgang – bezogen auf einen bestimmten Punkt der Rohling-Oberfläche – einen ansonsten vorhandenen Abfall der Thermophorese ganz oder teilweise zu kompensieren. Die Thermophorese ist eine physikalische Erscheinung, die eine Anziehung der heißen SiO₂-Partikel in Richtung auf die kältere Rohling-Mantelfläche bewirkt. Wesentliche Triebkraft bei der Thermophorese ist die Temperaturdifferenz; je höher die Temperaturdifferenz zwischen der kälteren Rohling-Oberfläche (genauer: in der laminaren Grenzschicht der Strömung an der Oberfläche des Rohlings) und der heißen Brennerflamme ist (Flammentemperatur), um so stärker ist die Wirkung der Thermophorese. Bedingt durch den Brennerdurchgang beim Abscheiden der unteren Schicht kommt es im Bereich der Oberfläche des SiO₂-Rohlings zu einer Temperaturerhöhung, die die Abscheideeffizienz der folgenden Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe beeinträchtigt. Die erwärmte Rohling-Oberfläche weist eine geringere Temperaturdifferenz zur Brennerflamme auf und bewirkt somit eine Verringerung der thermophoretischen Wirkung beim Abscheiden der SiO₂-Partikel durch den Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe. Eine geringere thermophoretische Wirkung führt zu einer Verschlechterung der Abscheideeffizienz.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verlust der thermophoretischen Wirkung bei der Abscheidung durch den Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe jedoch ganz oder teilweise dadurch kompensiert, dass die Temperatur der Brennerflamme der hinteren Brennergruppe erhöht wird. Die Temperaturdifferenz zwischen Brennerflamme und vorab erhitzter Oberfläche kann so dem Niveau der Temperaturdifferenz beim Durchgang der ersten Brennergruppe angenähert werden. Im Idealfall ergibt sich eine konstante Thermophorese beim Durchgang der Brenneranordnung.
Hierzu weist der Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe eine höhere Flammentemperatur auf als der Abscheidebrenner der vorderen Brennergruppe. Die Temperaturerhöhung vergrößert die Temperaturdifferenz zwischen der Brennerflamme und dem SiO₂-Rohling, so dass die thermophoretische Wirkung auf die SiO₂-Partikelabscheidung erhöht und damit die Abscheideeffizienz erhöht wird. Eine Änderung der Flammentemperatur kann durch Ändern der dem Abscheidebrenner zugeführten Medienströme, wie Brennstoffe, Sauerstoff, Glasausgangsstoffe oder Inertgasströme erreicht werden. So wird die Flammentemperatur beispielsweise erhöht, indem die Zufuhrrate von Brenngasen relativ zu den Zufuhrraten von anderen dem Abscheidebrenner zugeführten Gasen vergrößert wird.
Unter den Brenngasen werden diejenigen Gase verstanden, deren exotherme Reaktion miteinander die Brennerflamme im Wesentlichen speist. Bei einem Knallgasbrenner handelt es sich beispielsweise um die Brenngase Sauerstoff und Wasserstoff. Eine Erhöhung der Flammentemperatur wird hierbei entweder durch eine Verringerung der Zufuhr von Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu dem Abscheidebrenner oder durch eine Verringerung der Zufuhr anderer Gase, wie beispielsweise von Inertgas oder von Ausgangsstoffen für die Bildung der SiO₂-Partikel erreicht.
Bei der Umkehr der Bewegungsrichtung der Brenneranordnung wird aus der vordem vorderen Brennergruppe die hintere Brennergruppe, und umgekehrt. Das bedeutet zum Beispiel, dass die Flammentemperatur des Abscheidebrenners der hinteren Brennergruppe bei der Umkehr der Bewegungsrichtung entweder gesenkt, oder die Flammentemperatur des Abscheidebrenner der vordem vorderen Brennergruppe höher als diejenige des Abscheidebrenners der vordem hinteren Brennergruppe eingestellt wird. Die Anpassung der Flammentemperaturen bei der Umkehr der Bewegungsrichtung erfordert eine möglichst rasche Änderung der den jeweiligen Abscheidebrennern zugeführten Medienströme.
Die sich unter der Brennerflamme bewegende Rohlingoberfläche ist von einer Strömungsgrenzschicht (genauer gesagt, einer Temperaturgrenzschicht) umgeben. Für die vorliegende Erfindung ist die Flammentemperatur unmittelbar vor dem Auftreffen auf die Strömungsgrenzschicht entscheidend – genauer: am Staupunkt vor der Strömungsgrenzschicht –, die in der Regel oberhalb der Reaktionszone, in der die Brenngase reagieren, liegt, also im Bereich der Abgaszone der Brennerflamme. Die Ermittlung der exakten Temperatur in diesem Staupunkt ist schwierig, jedoch ist die Kenntnis der exakten Temperatur für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich, da es im Wesentlichen auf die Temperaturdifferenz zwischen den Brennerflammen ankommt. Für eine qualitative Betrachtung genügt eine rechnerische Ermittlung der Flammentemperatur unter Annahme eines adiabatischen chemischen Gleichgewichts der jeweiligen Brenngasmischung.
Nach dem oben beschriebenen Verfahren wird ein „Sootkörpers" aus porösem Quarzglas erhalten. Durch Sintern (Verglasen) des Sootkörpers wird daraus ein Rohling aus Quarzglas erzeugt, der als Halbzeug für die Herstellung von Bauteilen oder Gerätschaften für Optik, Lithographie, für den Einsatz bei der Halbleiterherstellung und insbesondere als Halbzeug für die Herstellung optischer Fasern verwendet wird. Dem Verglasen können noch Prozessschritte folgen oder diesem vorgeschaltet sein, wie beispielsweise ein Reinigen und Dehydratisieren des Sootkörpers.
Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn eine Brenneranordnung eingesetzt wird, die zwischen der vorderen Brennergruppe und der hinteren Brennergruppe mindestens eine mittlere, einen Abscheidebrenner umfassende Brennergruppe zur Abscheidung mindestens einer mittleren Schicht aufweist, wobei der Abscheidebrenner der mittleren Brennergruppe beim Abscheiden der mittleren Schicht eine geringere Flammentemperatur erzeugt als der Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe beim Abscheiden der oberen Schicht.
Durch die nach der ersten Brennergruppe und vor der hinteren Brennergruppe durchlaufende, mittlere Brennergruppe wird eine Feinabstufung in der Temperaturdifferenz zwischen den jeweiligen Brennerflammen der vorderen Brennergruppe und der hinteren Brennergruppe ermöglicht. Dadurch ergibt sich eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Konstanz der Thermophorese und damit der Abscheideeffizienz.
Es hat sich auch als günstig erwiesen, eine Brenneranordnung einzusetzen, die mindestens drei – in Bewegungsrichtung gesehen – aufeinanderfolgende Brennergruppen zum Abscheiden aufeinanderfolgender Sootschichten aufweist, wobei beim Abscheiden der Sootschichten die Flammentemperatur der Abscheidebrenner aufeinanderfolgender Brennergruppen sukzessive zunimmt. Jeder Punkt der Rohlingoberfläche wird beim Durchgang der Brenneranordnung sukzessive weiter erhitzt. Dieser an und für sich unerwünschte Effekt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren noch verstärkt, da Abscheidebrenner nachfolgender Brennergruppen eine höhere Flammentemperatur aufweisen als ein vorhergehender Abscheidebrenner. Die zunehmende Erwärmung der Oberfläche wird jedoch erfindungsgemäß durch eine gleichermaßen zunehmende Erhöhung der Flammentemperatur aufeinanderfolgender Abscheidebrenner berücksichtigt. Idealerweise wird die Flammentemperatur aufeinanderfolgender Abscheidebrenner sukzessive gerade soweit erhöht, dass sich eine Konstanz in der thermophoretischen Wirkung ergibt. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige und hohe Abscheideeffizienz erreicht.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, beim Abscheiden aufeinanderfolgender Schichten eine Differenz in der Flammentemperatur des jeweiligen Abscheidebrenners der Brennergruppen im Bereich von 50°C bis 600°C einzustellen. Bei einer Temperatur unterhalb der genannten Untergrenze wird eine nur geringe Verbesserung der Abscheideeffizienz erreicht, während sich die Obergrenze durch die Randbedingung ergibt, dass ein Dichtsintern des Rohlings vermieden werden sollte.
In einer besonders einfachen und daher bevorzugten Verfahrensweise besteht jede Brennergruppe aus genau einem Abscheidebrenner. Die Brennerflammen der Abscheidebrenner werden individuell eingestellt, so dass eine besonders feine Abstufung und exakte Anpassung an den Idealverlauf der Thermophorese ermöglicht wird.
Im Hinblick auf die Herstellung eines mit GeO₂ dotierten SiO₂-Rohlings, bei welchem mindestens einem Teil der Abscheidebrenner eine Ausgangssubstanz für die Bildung des Dotierstoffs in Form von GeO₂ zugeführt wird, wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der beim Abscheiden der unteren Schicht ein höherer Gehalt an dem Dotierstoff abgeschieden wird als beim Abscheiden der oberen Schicht.
Auch bei dieser Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Abscheiden der oberen Schicht eine höhere Flammentemperatur eingestellt als beim Abscheiden der unteren Schicht. Darüber hinaus wird beim Abscheiden der unteren Schicht ein höherer Gehalt an dem Dotierstoff GeO₂ abgeschieden als beim Abscheiden der oberen Schicht. Hierzu werden dem Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe keine Ausgangssubstanzen für die Bildung von GeO₂ zugeführt, oder weniger davon, als dem Abscheidebrenner der vorderen Brennergruppe.
Somit wechseln sich bei dieser Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens im Verlauf der Bildung des SiO₂-Rohlings solche Schichten, die bei vergleichsweise geringer Flammentemperatur und mit hohem Gehalt an Dotierstoff abgeschieden werden, ab, mit solchen Schichten, die bei vergleichsweise hoher Temperatur und keinem oder einem geringeren GeO₂-Gehalt abgeschieden werden. Diese Schichtenfolge kann jeweils durch eine Zwischenschicht oder durch mehrere Zwischenschichten unterbrochen sein. Diese Maßnahme bringt im Wesentlichen folgende vorteilhafte Wirkungen mit sich:

1. Sowohl die Bildung von SiO₂ bzw. von GeO₂ aus den jeweiligen Ausgangssubstanzen, als auch die Abscheideeffizienz hängen von den Temperaturen der Brennerflamme und der Rohlingoberfläche ab. Im Vergleich zu SiO₂ sind für eine optimale Bildung und Abscheidung von GeO₂ niedrigere Temperaturen günstiger. Denn bei Temperaturen unterhalb von etwa 2000 K verschiebt sich das chemische Gleichgewicht der Reaktion GeO₂ _(liquid) → ½O_2(gas) + GeO_(gas) deutlich zu Gunsten des gewünschten Dotierstoffs GeO₂, der inamorper Form vorliegt (liquid). Andererseits ergibt sich bei den für die GeO₂-Bildung optimalen Temperaturen eine geringere Abscheideeffizienz für SiO₂. Dieser Problematik wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch Rechnung getragen, dass die vordere Brennergruppe durch eine niedrigere Flammentemperatur eher im Hinblick auf die Bildung und Abscheideeffizienz von GeO₂, und die hintere Brennergruppe durch eine höhere Flammentemperatur eher im Hin blick auf die Bildung und Abscheideeffizienz von SiO₂ optimiert ist. Da dem Abscheidebrenner der vorderen Brennergruppe gleichzeitig eine relativ größere Menge an Ausgangssubstanz für die Bildung von GeO₂, und dem Abscheidebrenner der hinteren Brennergruppe eine relativ größere Menge an Ausgangssubstanz für die Bildung von SiO₂ zugeführt wird, ergibt sich eine verbesserte Ausbeute der jeweiligen Ausgangssubstanz. Durch diese Maßnahme wird somit den gegensätzlichen Forderungen nach möglichst effektiver Ausbeute des eingesetzten, teuren Ausgangsmaterials für GeO₂ und der Beibehaltung einer möglichst hohen SiO₂-Abscheiderate Rechnung getragen.
2. Weiterhin wird eine bessere Fixierung des Dotierstoffs im SiO₂-Rohling erreicht. Dies lässt sich durch die höhere Temperatur beim Abscheiden der oberen Schicht erklären, die zu einer lokal höheren Dichte des porösen SiO₂-Rohlings führt, die einem Transport des Dotierstoffs (etwa durch Diffusion) entgegenwirkt.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zusätzlich zu der vorderen Brennergruppe und der hinteren Brennergruppe mindestens eine mittlere Brennergruppe zur Abscheidung mindestens einer mittleren Schicht vorgesehen ist, wobei beim Abscheiden der mittleren Schicht der gleiche Gehalt oder ein geringerer Gehalt an dem Dotierstoff abgeschieden wird wie beim Abscheiden der unteren Schicht.
Bei dieser Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens folgen im Verlauf der Bildung des SiO₂-Rohlings jeweils einer Schicht, die bei vergleichsweise geringer Flammentemperatur und mit hohem Gehalt an Dotierstoff abgeschieden werden, eine „Zwischenschicht" mit dem gleichen oder einem geringeren Gehalt an dem Dotierstoff und eine Schicht, die bei vergleichsweise hoher Temperatur und geringem Dotierstoffgehalt abgeschieden wird. Die Zwischenschicht weist in der Regel einen höheren Gehalt an dem Dotierstoff auf als die darauf folgende, durch höhere Temperatur verdichtete, obere Schicht. Die Zwischenschicht wirkt beim Abscheiden der oberen Schicht thermisch isolierend und sie vermindert das Eindringen heißer Flammenabgase in die untere Schicht, und verhindert so eine Zersetzung und Ausdiffusion des Dotierstoffs GeO₂. Diese Wirkung der Zwischenschicht wird noch verstärkt, wenn sie eine höhere Dichte aufweist als die untere Schicht. Vorzugsweise ist der GeO₂-Gehalt der Zwischenschicht geringer als derjenige der unteren Schicht.
Vorzugsweise wird die obere Schicht ohne GeO₂ abgeschieden. Die obere Schicht enthält somit keinen Dotierstoff in Form von GeO₂. Dadurch wird teueres Ausgangsmaterial für diesen Dotierstoff eingespart, denn dieser wird in der erforderlichen Menge ausschließlich in die darunterliegende Schicht bzw. in die darunterliegenden Schichten eingebracht – und zwar bei einer geringeren Flammentemperatur und damit mit höherer Abscheideeffizienz.
Zusätzlich zu GeO₂ können andere Dotierstoffe vorhanden sein, beispielsweise Boroxid, Phosphorpentoxid und/oder Titanoxid.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen:
1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings, und
2 eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines dotierten SiO₂-Rohlings.
Die Anordnung gemäß 1 zeigt einen Träger 1 in Form eines Aluminiumoxidrohres, das um seine Längsachse 2 rotiert. Mittels des OVD-Verfahrens (Outside Vapour Deposition) wird auf dem Träger 1 ein poröser Sootkörper 3 gebildet, indem sukzessive aufeinanderfolgende Sootschichten 4; 5; 6 erzeugt werden. Zur Erzeugung der Sootschichten 4; 5; 6 sind insgesamt drei Abscheidebrenner 7; 8; 9 aus Quarzglas vorgesehen, die mit einem Abstand von jeweils 100 mm auf einem gemeinsamen Schlitten 10 montiert sind. Die Abscheidebrenner 7; 8; 9 bilden gleichzeitig Brennergruppen 21; 22; 23. Der Schlitten 10 ist entlang des Trägers 1 oszillierend zwischen den Enden 15 des sich bildenden Sootkörpers 3 hin- und herbewegbar. Die aktuelle Bewegungsrichtung des Schlittens 10 wird durch den Richtungspfeil 14 angedeutet.
Die Darstellungen in den 1 und 2 sind nicht maßstabsgetreu; insbesondere sind die Dicken der Schichten (4; 5; 6) Im Sinne einer deutlicheren Darstellung übertrieben dick eingezeichnet. Die Dicken der von einem Abscheidebrenner erzeugten Sootschichten liegen in der Praxis in der Größenordnung von 30 μm bis 50 μm (bei einer Sootdichte von etwa 30% der Dichte von Quarzglas).
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der in 1 gezeigten Anordnung beispielhaft beschrieben:
Zur Herstellung des SiO₂-Sootkörpers 3 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden den Abscheidebrennern 7; 8; 9 gleiche Glasausgangsstoffe in Form von SiCl₄, Sauerstoff und Brenngasen zugeführt und in der jeweiligen Brennerflamme 11; 12; 13 zu SiO₂-Partikeln umgesetzt. Auf dem Träger 1 werden unter Bildung des porösen SiO₂-Sootkörpers 3 schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden, wobei der Schlitten 10 mit den Abscheidebrennern 7; 8; 9 mit einer Translationsgeschwindigkeit von 800 mm/min entlang des sich bildenden Sootkörpers 3 zwischen dessen Enden 15 hin- und herbewegt wird.
Mittels dem in Bewegungsrichtung vorderen Abscheidebrenner 7 wird die untere Schicht 4 abgeschieden. Hierzu wird dem Abscheidebrenner 7 SiCl₄, O₂ und H₂ in folgendem Volumenverhältnis zugeführt: SiCl₄ : O₂ : H₂ = 10 : 20 : 20 (auf 100 normiert: SiCl₄ : O₂ : H₂ = 20 : 40 : 40). Im Bereich des Auftreffpunkts der Brennerflamme 11 stellt sich auf der Oberfläche des Sootkörpers 3 eine Maximaltemperatur von etwa 1880 K ein. Die Oberflächentemperatur des Sootkörpers wurde mittels Pyrometer bestimmt, wobei mangels verlässlichem Emissionskoeffizienten von heißem SiO₂-Sootmaterial die Genauigkeit des Messergebnisses zwar fraglich, aber für das Anstellen von Vergleichen ausreichend ist. Die im folgenden genannten Oberflächentemperaturen wurden mit einem Emissionskoeffizienten von 0,98 ermittelt und sind als auf Messungen beruhenden Schätzwerte zu betrachten. Die Messung der Oberflächentemperatur erfolgte etwa in der Mitte der Soot körpers; am Rand des Sootkörpers ergeben sich andere Oberflächentemperaturen.
Mittels dem auf den vorderen Abscheidebrenner 7 folgenden mittleren Abscheidebrenner 8 wird die Zwischenschicht 5 erzeugt. Dabei werden dem Abscheidebrenner 8 der Glasausgangsstoff SiCl₄ und die Brenngase O₂ und H2 gemäß folgendem Volumenverhältnis zugeführt: SiCl₄: O₂ : H₂ = 10 : 20 : 30 (auf 100 normiert: SiCl₄ : O₂ : H₂ = 17 : 33 : 50). Im Auftreffpunkt der Brennerflamme 12 auf der Oberfläche des Sootkörpers 3 wird eine Maximaltemperatur von etwa 1880 K gemessen.
Die obere Schicht 6 wird mittels dem hinteren Abscheidebrenner 9 erzeugt. Diesem wird der Glasausgangsstoff und die Brenngase gemäß folgendem Volumenverhältnis zugeführt: SiCl₄ : O₂ : N₂ = 10 : 20 : 35 (auf 100 normiert: SiCl₄ : O₂ : N₂ = 15 : 31 : 54). Hierbei stellt sich im Bereich des Auftreffpunkts der Brennerflamme 13 auf der Oberfläche des Sootkörpers 3 eine Maximaltemperatur von etwa 1950°C ein.
Die unterschiedlichen Zufuhrmengen an Glasausgangsstoff und Brenngasen zu den jeweiligen Abscheidebrennern 7, 8 und 9 führen zu unterschiedlichen Temperaturen der jeweiligen Brennerflammen 11; 12; 13. Die dem jeweiligen Abscheidebrennern 7, 8 und 9 zugeführten Medienströme sind in den Spalten 2 bis 4 genannt (Volumenanteile, normiert auf 100) und die daraus unter Annahme eines adiabatischen Gleichgewichts berechneten Flammentemperaturen „T_(F)" sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Berechnung der Flammentemperatur erfolgt auf Basis einer Methode, die in der Promotionsarbeit von Dr. Sven Linow angegeben ist: "Über das Potential spektroskopischer Methoden zur Messung von Temperatur und Konzentration in reagierenden technischen Strömungen"; erschienen als Fortschrittsbericht VDI Reihe 8, Nr. 877; VDI Verlag Düsseldorf (2001) (ISBN-Nr.: 318-387708-2). Tabelle 1
Somit ist auf Basis der Berechnungen eine Temperatur der Brennerflamme T_(F) 11 zu erwarten, die um 130 K niedriger ist als die Temperatur der Brennerflamme 12, und diese ist wiederum um 30 K niedriger als die Temperatur der Brennerflamme 13. Die Differenz zwischen den Temperaturen der Brennerflamme 11 des vorderen Abscheidebrenners 7 und der Brennerflamme 13 des hinteren Abscheidebrenner 9 beträgt somit insgesamt etwa 160 K.
Beim Zurückfahren des Schlittens 10 in entgegengesetzter Richtung bildet der Abscheidebrenner 9 den vorderen Brenner und der Abscheidebrenner 7 den hinteren Brenner der Brenneranordnung. Beim Zurückfahren werden daher dem Abscheidebrenner 9 der Glasausgangsstoff und die Brenngase gemäß dem oben für den Abscheidebrenner 7 angegebenen Volumenverhältnis zugeführt, und dem Abscheidebrenner 7 die entsprechenden Medien gemäß dem oben für den Abscheidebrenner 9 angegebenen Volumenverhältnis (wie dies aus in Klammern gesetzten Angaben aus Spalte 1 von Tabelle 1 zu entnehmen ist). Bei der Umkehrung der Bewegungsrichtung des Schlittens 10 ist ein schnelles Umschalten der Gasmengen von der einen Mengenkonfiguration auf die andere erwünscht. Zusätzlich sind in Tabelle 1 die jeweiligen maximalen Oberflächentemperaturen (T_(O)) im Bereich des Auftreffpunkts der Brennerflammen aufgeführt.
Durch diese Verfahrensweise wird im Vergleich zu dem bisher üblichen Verfahren – mit im Wesentlichen homogenem Flammentemperatur-Profil – einer Verringe rung der thermophoretischen Wirkung vom vorderen Abscheidebrenner zum hinteren Abscheidebrenner – und damit einer Verringerung der Abscheiderate – entgegengewirkt, so dass sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine insgesamt hohe Abscheideeffizienz bei gleichzeitig homogener axialer Dichteverteilung ergibt.
2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit GeO₂ dotierten SiO₂-Sootkörpers 3, wobei die gleichen Bezugsziffern wie in 1 zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Bauteile und Bestandteile verwendet werden.
Die Abscheidebrenner 7a, 7b bilden bei der Bewegung in Bewegungsrichtung 14 eine gemeinsame Brennergruppe 21. Der Abscheidebrenner bildet die Brennergruppe 22 und der Abscheidebrenner 9 die Brennergruppe 23.
Den Abscheidebrennern 7a, 7b und 8 werden Glasausgangsstoffe in Form von GeCl₄ und SiCl₄ sowie Brenngase in Form von Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt und in der jeweiligen Brennerflamme 11a; 11b bzw. 12 zu SiO₂- und GeO₂-Partikeln umgesetzt. Hierbei wird den Abscheidebrennern 7a, 7b und 8 jeweils soviel GeCl₄ zugeführt, dass sich nach dem Verglasen der Schichten 4 und 5 eine GeO₂-Konzentration von 5 Gew.-% ergibt. Dem Abscheidebrenner 9 wird SiO₂, jedoch kein GeCl₄ zugeführt.
Der Schlitten 10 mit den Abscheidebrennern 7a; 7b; 8 und 9 wird mit einer Translationsgeschwindigkeit von 800 mm/min entlang des sich bildenden Sootkörpers 3 zwischen dessen Enden 15 hin- und herbewegt. Auf dem Träger 1 werden somit unter Bildung eines porösen, mit GeO₂ dotierten SiO₂-Sootkörpers 3 wechselweise eine SiO₂ und GeO₂ enthaltende Partikelschicht 4, eine SiO₂ und GeO₂ enthaltende Zwischenschicht 5 und eine ausschließlich SiO₂ enthaltende Deckschicht 6 abgeschieden.
Die den Abscheidebrennern 7a, 7b, 8 und 9 zugeführten Medienströme sind in den Spalten 2 bis 4 von Tabelle 2 genannt (Volumenanteile, normiert auf 100) und die daraus unter Annahme eines adiabatischen Gleichgewichts berechneten Flammentemperaturen „T_(F)" sowie die im Bereich des Flammenauftreffpunktes gemessenen maximalen Oberflächentemperaturen „T_(O)" sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2
Die Brennerflammen 11a und 11b der beiden Abscheidebrenner 7a und 7b weisen die niedrigste Flammentemperatur auf. Die Flammentemperatur T_(F) des Abscheidebrenners 8 liegt etwas höher, und die höchste Flammentemperatur weist die Brennerflamme 13 des Abscheidebrenners 9 auf.
Mittels dem in Bewegungsrichtung 14 vorderen Abscheidebrenner 7a und dem folgenden Abscheidebrenner 7b wird die untere Schicht 4 abgeschieden. Den beiden Abscheidebrennern 7a und 7b werden SiCl₄, GeCl₄, H₂ und O₂ im gleichen Volumenverhältnis zugeführt (SiCl₄ : O₂ : N₂ = 10,5 : 20 : 13,3 (auf 100 normiert: SiCl₄ : O₂ : H₂ = 24 : 46 : 30)), so dass sich bei beiden Abscheidebrennern 7a, 7b gleiche Flammentemperaturen einstellen. Die jeweiligen maximalen Oberflächentemperaturen T_(O) im Bereich des Auftreffpunkts der Brennerflamme 11a, 11b auf der Oberfläche des Sootkörpers 3 sind vergleichsweise niedrig, so dass die GeO₂-Bildung begünstigt ist und dadurch eine hohe Ausbeute an eingesetztem GeCl₄ erreicht wird.
Mittels dem auf die Abscheidebrenner 7a, 7b folgenden Abscheidebrenner 8 der Brennergruppe 22 wird die Zwischenschicht 5 erzeugt. Dabei werden dem Abscheidebrenner 8 die Glasausgangsstoffe SiCl₄ + GeCl₄ und die Brenngase O₂ und H₂ gemäß dem in Tabelle 2 angegebenen Volumenverhältnis zugeführt. Im Auftreffpunkt der Brennerflamme 12 auf der Oberfläche des Sootkörpers 3 wird eine Maximaltemperatur von etwa 1600 K ermittelt. Die Dichte der sich bildenden Zwischenschicht 5 ist höher ist als diejenige der unteren Partikelschicht 4. Dadurch wird eine effektive Abschirmung der unteren Partikelschicht 4 gegenüber der Hitze des hinteren Abscheidebrenners 9 der Brenneranordnung erreicht.
Die Deckschicht 6 wird mittels des hinteren Abscheidebrenners 9 erzeugt. Diesem werden der Glasausgangsstoff SiCl₄ und die Brenngase gemäß dem jeweils in Tabelle 2 angegebenen Volumenverhältnis zugeführt (SiCl₄ : O₂ : N₂ = 10 : 20 : 35 (auf 100 normiert: SiCl₄ : O₂ : N₂ = 15 : 31 : 54)). Hierbei stellt sich im Bereich des Auftreffpunkts der Brennerflamme 13 auf der Oberfläche des Sootkörpers 3 eine Maximaltemperatur T_(O) von etwa 1950 K ein.
Die Medienzufuhr zum Abscheidebrenner 9 ist im Hinblick auf eine effiziente Bildung und Abscheiung von SiO₂ optimiert, wobei zusätzlich die – in Bewegungsrichtung 14 gesehen – von vorne nach hinten zunehmende Temperatur der Brennerflammen (7a, 7b); 8; 9 einer in dieser Richtung abnehmenden Thermophorese entgegenwirkt. Außerdem ergibt sich durch die höhere Flammentemperatur des Abscheidebrenners 9 eine Verdichtung der Deckschicht 6, die eine gewisse Fixierung des Dotierstoffs (GeO₂) bewirkt.
Bei der Zurückbewegung des Schlittens 10 in entgegengesetzter Richtung bildet der Abscheidebrenner 9 den vorderen Brenner und der Abscheidebrenner 7a den hinteren Brenner der Brenneranordnung. Die Bewegungsumkehr erfordert somit auch eine Anpassung der den Abscheidebrennern zugeführten Medienströme, wie dies aus in Klammern gesetzten Angaben aus Spalte 1 von Tabelle 2 zu entnehmen ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines SiO₂-Rohlings durch Abscheiden aufeinanderfolgender SiO₂ enthaltender Partikelschichten auf einer Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers, unter Einsatz einer eine Vielzahl von Abscheidebrennern umfassenden Brenneranordnung, die in einem vorgegebenen Bewegungsablauf parallel zur Träger-Längsachse und von einem stirnseitigen Ende des sich bildenden SiO₂-Rohlings zum gegenüberliegenden Ende oszillierend hin- und herbewegt wird, wobei die Brenneranordnung mehrere, jeweils mindestens einen Abscheidebrenner aufweisende Brennergruppen aufweist, umfassend eine vordere Brennergruppe zum Abscheiden einer unteren Schicht, und eine der vorderen Brennergruppe beim Bewegungsablauf folgende, hintere Brennergruppe zum Abscheiden mindestens einer oberen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidebrenner (9) der hinteren Brennergruppe (23) beim Abscheiden der oberen Schicht (6) eine höhere Flammentemperatur erzeugen als die Abscheidebrenner (7, 7a; 7b) der vorderen Brennergruppe (21) beim Abscheiden der unteren Schicht (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenneranordnung eingesetzt wird, die zwischen der vorderen Brennergruppe (21) und der hinteren Brennergruppe (23) mindestens eine mittlere, einen Abscheidebrenner (8; 8a; 8b) umfassende Brennergruppe (22) zur Abscheidung mindestens einer mittleren Schicht (5) aufweist, wobei der Abscheidebrenner (8) der mittleren Brennergruppe (22) beim Abscheiden der mittleren Schicht (5) eine geringere Flammentemperatur erzeugt als der Abscheidebrenner (9) der hinteren Brennergruppe (23) beim Abscheiden der oberen Schicht (6).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenneranordnung eingesetzt wird, die mindestens drei – in Bewegungsrichtung (14) gesehen – aufeinanderfolgende Brennergruppen (21; 22; 23) zum Abscheiden aufeinanderfolgender Sootschichten (4; 5; 6) aufweist, und dass beim Abscheiden der Sootschichten (4; 5; 6) die Flammentemperatur der Abscheidebrenner (7; 7a; 7b; 8; 9) aufeinanderfolgender Brennergruppen (21; 22; 23) sukzessive zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abscheiden aufeinanderfolgender Schichten (4; 5; 6) eine Differenz in der Flammentemperatur der Abscheidebrenner (7; 7a; 7b; 8; 9) der Brennergruppen (21; 22, 23) im Bereich von 50°C bis 600°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Brennergruppe (21; 22; 23) aus genau einem Abscheidebrenner (7; 7a; 7b; 8; 9) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines SiO₂ und einen Dotierstoff in Form von GeO₂ enthaltenden Rohlings (3) mindestens einem Teil der Abscheidebrenner (7a; 7b; 8) eine Ausgangssubstanz für die Bildung von GeO₂ zugeführt wird, wobei beim Abscheiden der unteren Schicht (4) ein höherer Gehalt an dem Dotierstoff abgeschieden wird als beim Abscheiden der oberen Schicht (6).
Verfahren nach Anspruch 6 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abscheiden der mittleren Schicht (5) der gleiche Gehalt oder ein geringerer Gehalt an dem Dotierstoff abgeschieden wird wie beim Abscheiden der unteren Schicht (4).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abscheiden der mittleren Schicht (5) ein höherer Gehalt an dem Dotierstoff eingestellt wird als beim Abscheiden der oberen Schicht (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (6) ohne GeO₂ abgeschieden wird.