DE112013007710T5

DE112013007710T5 - Verfahren zum Formen von Komponenten aus opakem Quarzglas

Info

Publication number: DE112013007710T5
Application number: DE112013007710.8T
Authority: DE
Inventors: Matthew J. Donelon; Arno Pitzen
Original assignee: Heraeus Quartz America LLC
Current assignee: Heraeus Quartz America LLC
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: KR101853035B1; TWI648230B; JP2017501104A; KR20160087890A; WO2015099659A1; US20160280577A1; CN105873868A; US9725351B2; TW201529490A; DE112013007710B4; JP6257780B2; CN105873868B

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Formen einer Komponente aus opakem Quarzglas bereitgestellt. Das Verfahren umfasst (a) Bereitstellen eines aus Quarzglas bestehenden Ausgangs-Vorformlings; (b) Erhitzen mindestens eines Abschnitts des Ausgangs-Vorformlings auf eine vorgegebene Temperatur, bei welcher das Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings eine Viskosität im Bereich von 102 bis 1012 Poise aufweist; und (c) Entformen mindestens eines Abschnitts des erhitzten Ausgangs-Vorformlings bei der vorgegebenen Temperatur, um eine Gestalt und/oder Abmessung(en) des erhitzten Ausgangs-Vorformlings zu verändern, um die Komponente aus opakem Quarzglas zu formen. Der Ausgangs-Vorformling und der erhitze Vorformling weisen eine Dichte von mindestens 2,15 g/cm3 bzw. von mindestens 2,10 g/cm3 auf. Der Ausgangs-Vorformling und die Komponente aus opakem Quarzglas weisen eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,1 bis 1 % bzw. 0,2 bis 3 % im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm und eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm auf.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen von Komponenten aus opakem Quarzglas, insbesondere zum Formen und Gestalten von Quarzglas beziehungsweise Siliciumdioxidglas zu einer opaken Bearbeitungskomponente einer gewünschten Gestalt und mit gewünschten Abmessungen.
Quarzglasbearbeitungskomponenten, wie beispielsweise Rohre, Stäbe, Paneele, Kuppeln, Platten, Ringe und Blöcke, entweder als Halbfertig- oder Fertigprodukte, sind wichtige Komponenten für Wärmetechnikanwendungen, bei denen eine gute thermische Isolierung und hohe Temperaturstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit unerlässlich sind. Speziell Anwendungen in der Halbleiterindustrie stellen immer höhere Ansprüche an die Verwendung von Rohren und anderen Komponenten aus opakem Quarzglas. Diese Anwendungen erfordern, dass die Quarzglaskomponenten opak sind, hauptsächlich im Infrarotbereich des Wellenlängenspektrums, und außerdem, dass sie so rein wie möglich sind. Diese Ansprüche können jedoch schwer zu erfüllen sein, da sich Opazität und Reinheit tendenziell gegenseitig ausschließen. Insbesondere tragen in dem Quarzglas vorhandene Verunreinigungen faktisch zur Opazität des Glases bei, sodass opakes Quarzglas normalerweise eine geringe Reinheit aufweist.
Unreines Quarzglas ist im Allgemeinen wegen der erheblichen negativen Auswirkungen der in dem Glas enthaltenen Verunreinigungen für die Verwendung in Anwendungen wie den vorstehend beschriebenen (d. h. in der Halbleiterindustrie) ungeeignet. Etwaige vorhandene Kontaminationen können konkret eine Kontamination der Halbleiterplättchen, eine Entglasung des Quarzglases zur Folge haben, was zu Sprödigkeit und verringerter Temperaturwechselbeständigkeit der daraus geformten Quarzglaskomponenten führt. Außerdem neigen Quarzglaskomponenten, die aus unreinem opakem Quarzglas hergestellt sind, dazu, ungleich verteilte, relativ große Poren aufzuweisen, was nur wenig zu der Opazität beiträgt, eine niedrige Dichte des opaken Quarzglases bewirkt und die mechanische Stabilität und die Nutzungsdauer der Quarzglaskomponente reduziert.
Es sind daher Verfahren entwickelt worden, um unter Verwendung reiner Ausgangsmaterialien eine relativ reine und opake Quarzglaskomponente zu formen. Beispiele für hochreines Quarzglas sind in US-Patent Nr. 5,585,173 ; 5,674,792 und 5,736,206 zu finden. Solche Verfahren beginnen normalerweise mit einem Vorformling bzw. Rohling aus einem opaken und reinen Quarzglas. Solche Vorformlinge haben normalerweise die Form großer Quarzglasblöcke. Es wurde jedoch festgestellt, dass beim Erhitzen der Glasvorformlinge, beispielsweise bei einem thermischen Umformungsverfahren, das opake Ausgangsglas klar bzw. transparent wird und seine Opazität einbüßt. Solche thermischen Umformungsverfahren sind in verschiedenen Bezugsverweisen im Fachgebiet beschrieben, beispielsweise in den japanischen Anmeldungen Nr. 04026522 und 4485826 ; in den japanischen Anmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern 2004-149325 und 2005-145740 ; in US-Patent Nr. 7,832,234 ; und in der US-Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2010/0107694. Keiner dieser Bezugsverweise betrifft jedoch das thermische Umformen von opakem und reinem Quarzglas. US-Patent Nr. 2002/0134108 beschreibt allerdings ein thermisches Umformungsverfahren für opakes Quarzglas, bei dem Glas handelt es sich aber um ein synthetisches Quarzglas.
Der Opazitätsverlust des opaken und reinen Ausgangsquarzglases, wenn es einer thermischen Umformung unterzogen wird, ist besonders problematisch für die Formung dünnwandiger opaker Komponenten, beispielsweise von Quarzglasrohren oder -rohrabschnitten, da der blockförmige Quarzglasvorformling einer erheblichen thermischen Umformung unterzogen werden muss, um die gewünschte rohrartige Form und geringe Wanddicke zu erreichen. Entsprechend sind solche thermischen Umformungsverfahren allgemein vermieden worden, wenn der Ausgangs-Vorformling aus reinem und opakem Quarzglas besteht.
Stattdessen werden Komponenten (wie z. B. Rohre und Rohrabschnitte) aus opakem Quarzglas herkömmlicherweise geformt, indem mit einem Vorformling aus opakem und reinem Quarzglas begonnen wird und der Glasvorformling dann mechanisch in die gewünschte Gestalt gebracht wird, um eine Komponente aus opakem Quarzglas zu formen. Solche mechanischen Bearbeitungsverfahren sind zum Beispiel Schleifen, Polieren, Zerspanen, Kernbohren, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder dergleichen des Glasvorformlings, bis die gewünschte Gestalt und die gewünschten Abmessungen erreicht sind. Je nachdem, welche Quarzglaskomponente hergestellt wird, wird jedoch unter Umständen ein erheblicher Anteil des reinen Quarzglases des Ausgangs-Vorformlings als Ergebnis der mechanischen Behandlung verschwendet. Wenn beispielsweise ein Ring oder ein kurzes Rohr hergestellt wird, beispielsweise für ein Halbleiterbearbeitungsrohr, werden normalerweise nur ungefähr 15 % des Quarzglases des Ausgangs-Vorformlings in der Komponente aus opakem Quarzglas (d. h. dem Ring) tatsächlich verwendet. Die übrigen 85 % des teuren opaken reinen Quarzglases werden einfach verschwendet. Herkömmliche mechanische Bearbeitungsverfahren zum Formen von Komponenten aus reinem und opakem Quarzglas sind deshalb kostspielig und im Allgemeinen ineffizient.
Entsprechend wäre es wünschenswert, ein Verfahren und ein System zum kostenwirksamen Formen von Komponenten bereitzustellen, die aus einem hochreinen und hochopaken Quarzglas hergestellt sind.
Insbesondere wäre es von Vorteil, vereinfachte, effiziente und kostenwirksame Systeme und Verfahren zum Formen von opakem und reinem Quarzglas zu Komponenten, beispielsweise zu Kuppeln, Rohren, rohrartigen Abschnitten, Platten, Stäben, Paneelen und Ringen, für die Verwendung in der Halbleiterindustrie bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen einer Komponente aus opakem Quarzglas. Das Verfahren umfasst (a) Bereitstellen eines aus Quarzglas bestehenden Ausgangs-Vorformlings, wobei der Ausgangs-Vorformling eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,1 bis 1 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm bei einer Wanddicke von 3 mm und eine Dichte von mindestens 2,15 g/cm³ aufweist, wobei mindestens 80 % der Poren des Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von 1 bis 20 µm aufweisen; (b) Erhitzen mindestens eines Abschnitts des Ausgangs-Vorformlings auf eine vorgegebene Temperatur, bei welcher das Quarzglas eine Viskosität im Bereich von 10² bis 10¹² Poise und eine Dichte von mindestens 2,10 g/cm³ aufweist, wobei mindestens 80 % der Poren des erhitzten Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von 1 bis 45 µm aufweisen; und (c) Entformen mindestens eines Abschnitts des erhitzten Ausgangs-Vorformlings bei der vorgegebenen Temperatur, um Gestalt und/oder Abmessung(en) des erhitzten Ausgangs-Vorformlings unter Bildung der Komponente aus opakem Quarzglas zu verändern. Die Komponente aus opakem Quarzglas weist eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,2 bis 3 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm und eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehende Kurzdarstellung sowie die folgende ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn sie in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen gelesen werden. Zu Veranschaulichungszwecken sind in den Zeichnungen Ausführungsformen gezeigt, die derzeit bevorzugt sind. Es versteht sich jedoch, dass das System und das Verfahren nicht auf die genauen gezeigten Anordnungen und Mittel beschränkt sind.
In den Zeichnungen ist Folgendes wiedergegeben:
1A ist eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen, festen Ausgangs-Vorformlings nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1B ist eine perspektivische Ansicht des in 2A gezeigten zylindrischen, festen Ausgangs-Vorformlings, durch den ein Bohrloch geformt worden ist;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines rohrartigen und hohlen Ausgangs-Vorformlings nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines kurzen Rohrs, das entweder aus dem in 1A gezeigten zylindrischen, festen Vorformling oder dem in 2A gezeigten rohrartigen Ausgangs-Vorformling hergestellt wurde, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen Vorformlings nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Seitenrissansicht einer Kuppel, die aus dem in 4 gezeigten scheibenförmigen Ausgangs-Vorformling hergestellt wurde, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein grafischer Vergleich des Temperaturausgleichs eines Wafers, der in einer Halbleiterbearbeitungskammer untergebracht ist, die durch die in 5 gezeigte Kuppel geschützt ist, und eines Wafers, der in einer Halbleiterbearbeitungskammer untergebracht ist, die durch eine herkömmliche Kuppel aus durchsichtigem Quarzglas geschützt ist;
7 ist eine grafische Darstellung der direkten spektralen Transmission einer Komponente aus opakem Quarzglas nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8A ist eine Seitenrissansicht des Anfangszustands des in 2 gezeigten rohrartigen Ausgangs-Vorformlings, der an durchsichtigen Glasrohren befestigt ist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8B ist eine Seitenrissansicht der in 8A gezeigten Anordnung, nachdem die Größe des rohrartigen Ausgangs-Vorformlings verändert worden ist, um ein kurzes opakes Rohr zu formen, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen von hochreinem und opakem Quarzglas und insbesondere zum Formen von Komponenten einer gewünschten Form aus hochreinem und opakem Quarzglas. Einem Fachmann ist klar, dass die hierin beschriebenen Komponenten nur exemplarisch sind, und die nachstehend beschriebenen Verfahren angewendet werden können, um verschiedene Arten von Komponenten zu formen, die für verschiedene Arten von Zwecken und Anwendungen verwendet werden können. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung verschiedener Arten von Komponenten aus opakem Quarzglas, die aus reinen Ausgangsmaterialien hergestellt werden und für die Verwendung in Anwendungen, die eine hohe thermische Isolierung und hohe Temperatureinheitlichkeit verlangen, besonders geeignet sind.
Es versteht sich, dass die Begriffe „etwa“ oder „ungefähr“ im Kontext der vorliegenden Anmeldung eine Variation der genannten oder angegebenen Werte von ±5 % und insbesondere eine Variation der genannten oder angegebenen Werte von ±2 % und am meisten bevorzugt genau die genannten oder angegebenen Werte bedeuten.
Obwohl die Begriffe in ihrer vorliegenden Verwendung dazu dienen können, um Zusammensetzungen oder Komponenten mit unterschiedlichen Siliciumdioxidkonzentrationen zu bezeichnen, wird der Begriff „Quarzglas“ gegebenenfalls synonym zu „Siliciumdioxidglas“, „Kieselglas“ oder „Kieselsiliciumdioxidglas“ verwendet.
Der erste Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines opaken Ausgangs-Vorformlings, Rohlings oder Körpers eines Quarzglases. Das zum Formen des opaken Ausgangs-Vorformlings verwendete Material ist vorzugsweise hochreines amorphes Siliciumdioxid mit einer chemischen Reinheit von ungefähr 95 bis 99,9999 % und insbesondere von ungefähr 99,9999 %, das aus Quarzsand oder Quarzkristall hergestellt ist. Vorzugsweise besteht das Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings aus natürlichem Siliciumdioxid. Es versteht sich, dass das Quarzglas des Ausgangsmaterials auch mindestens eine Dotiersubstanz enthalten kann, solange die Mikrostruktur des Quarzglases nicht beeinflusst wird. Einem Fachmann ist klar, dass jedes Ausgangsmaterial, welches die vorstehend erwähnten Kriterien erfüllt, zum Formen des Ausgangs-Vorformlings verwendet werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass es sich bei dem Ausgangsmaterial um das Ausgangsmaterial handelt, welches in US-Patent Nr. 5,674,792 von Moritz et al. („Moritz“) und/oder in dem US-Patent Nr. 5,736,206 von Englisch et al. („Englisch“) beschrieben ist, deren gesamte Offenbarungen hierin durch Bezugnahme enthalten sind.
Der opake Ausgangs-Vorformling wird vorzugsweise mit einem Schlickergussverfahren hergestellt. Einem Fachmann ist jedoch klar, dass der Ausgangs-Vorformling mit jeder herkömmlich bekannten Technik zum Formen eines Glasvorformlings geformt werden kann, beispielsweise durch Pulverpressen, Foliengießen, Walzenkompaktierung, isostatisches Pulverpessen, ein Sol-Gel-Verfahren und dergleichen. Am meisten bevorzugt ist es, dass der Ausgangs-Vorformling mit dem Schlickergussverfahren, das in Moritz und Englisch offenbart ist, aus dem Ausgangsmaterial geformt wird. Eine kurze Beschreibung des Verfahrens zum Formen des Ausgangs-Vorformlings, wie in Moritz und Englisch offenbart, lautet wie folgt.
Das Ausgangsmaterial (d. h., amorphes Siliciumdioxid mit einer chemischen Reinheit von 99,9 %, das aus Quarzsand oder Quarzkristall hergestellt ist) wird zu einem Pulver mit einem Partikeldurchmesser von unter 70 µm gemahlen. Dann wird aus dem Pulver ein Schlicker geformt und im Verlauf von 1 bis 240 Stunden stabilisiert, indem er in fortlaufender Bewegung gehalten wird. Der stabilisierte Schlicker wird in eine poröse Form gegossen, welche dem Vorformling entspricht, und kann dort eine bestimmte Zeit lang bleiben. Der Vorformlingsrohling wird dann aus der Form entnommen, getrocknet und in einem Ofen bei einer Heizrate von 1 bis 60 K/Min. auf eine Sintertemperatur im Bereich von ungefähr 1350 °C bis 1450 °C erhitzt. Der gesinterte Vorformling wird dann für mindestens 40 Minuten einer Temperatur von mehr als ungefähr 1300 °C ausgesetzt und gekühlt.
Bei dem Ausgangs-Vorformling, der aus dem Ausgangsmaterial geformt wird, handelt es sich vorzugsweise um einen Quarzglaskörper, der hochrein, opak, porös, gasundurchlässig ist und einen Cristobalitgehalt von nicht mehr als 1 % aufweist. Wie einem Fachmann klar ist, steht die Opazität des Materials in direktem Zusammenhang mit der direkten spektralen Transmission des Materials, die ein Maß für die von dem Material geleitete Lichtmenge ist. Hochopake Materialien bewirken meist eine Blockade, Reflexion oder Absorption von Licht und leiten nur eine kleine Lichtmenge, und haben daher eine relativ niedrige direkte spektrale Transmission. Speziell der Ausgangs-Vorformling hat im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm vorzugsweise eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von unter ungefähr 5 % und insbesondere von unter ungefähr 3 % und am meisten bevorzugt unter ungefähr 2 %. In einer Ausführungsform hat der Ausgangs-Vorformling im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm vorzugsweise eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,1 % bis 1 %. In einer anderen Ausführungsform hat der Ausgangs-Vorformling im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm vorzugsweise eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,1 % bis 0,5 %. Insbesondere hat der Ausgangs-Vorformling im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm vorzugsweise eine nahezu konstante diffuse Reflexion von mehr als ungefähr 50 % und insbesondere von mehr als ungefähr 55 % und am meisten bevorzugt von mehr als ungefähr 60 %.
Die chemische Reinheit des Ausgangs-Vorformlings beträgt vorzugsweise mindestens 95 % und liegt insbesondere im Bereich von ungefähr 99 bis 99,9 % und am meisten bevorzugt im Bereich von ungefähr 99,5 bis 99,9999 %. Der Ausgangs-Vorformling hat außerdem vorzugsweise eine Dichte von ungefähr 2,12 bis 2,19 g/cm³ und insbesondere von ungefähr 2,13 bis 2,17 g/cm³. In einer Ausführungsform hat der Ausgangs-Vorformling vorzugsweise eine Dichte von mindestens 2,15 g/cm³ und insbesondere von ungefähr 2,17 bis 2,18 g/cm³.
Mindestens 80 % der Poren des Ausgangs-Vorformlings haben eine maximale Porenabmessung von ungefähr 20 µm oder weniger. Vorzugsweise haben mindestens 80 % der Poren des Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von ungefähr 5 bis 20 µm und insbesondere von ungefähr 10 bis 20 µm und am meisten bevorzugt ungefähr 15 bis 20 µm. Der Porengehalt (d. h. die Porosität) des Ausgangs-Vorformlings beträgt höchstens ungefähr 5 % pro Einheitsvolumen und vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 4,5 % pro Einheitsvolumen und insbesondere ungefähr 0,2 bis 4 % pro Einheitsvolumen. Konkreter beträgt die Porosität des Ausgangs-Vorformlings vorzugsweise höchstens 2,5 % und liegt am meisten bevorzugt im Bereich von ungefähr 1 bis 2,5 % pro Einheitsvolumen.
Am meisten bevorzugt ist, dass der Ausgangs-Vorformling alle Eigenschaften und Merkmale der in Moritz und Englisch offenbarten gegossenen oder geformten Körper aufweist.
Der Ausgangs-Vorformling kann in jeder gewünschten Form mit dem vorstehend und in Moritz und Englisch beschriebenen Schlickergussverfahren hergestellt werden. Die Form des Ausgangs-Vorformlings kann zum Beispiel kubisch, rohrartig, rechteckig, elliptisch, zylindrisch, konisch, sphärisch, kegelstumpfkonisch und dergleichen sein. Darüber hinaus kann der Ausgangs-Vorformling hohl, teilweise hohl oder durchgehend komplett fest sein. Der Ausgangs-Vorformling wird vorzugsweise so geformt, sodass seine Form im Allgemeinen der Form der daraus herzustellenden Komponenten aus opakem Quarzglas entspricht oder diese ergänzt, derart, dass Material und Arbeitskosten und Formungsdauer verringert werden.
Wenn es sich bei der Komponente aus opakem Quarzglas zum Beispiel um eine Kuppel für einen Reaktor handelt, hat der Ausgangs-Vorformling vorzugsweise die Form einer im Allgemeinen flachen Scheibe und nicht die eines Blocks, da eine Scheibe zur Formung einer kuppelförmigen Komponente weniger Umformung und Umgestaltung erfordern würde als ein Block. Einem Fachmann ist außerdem klar, dass die Abmessungen des Ausgangs-Vorformlings je nach den Abmessungen der Komponente aus opakem Quarzglas, die aus dem Ausgangs-Vorformling hergestellt werden soll, variieren können. Ungeachtet dessen, dass nachstehend bevorzugte Ausführungsformen ausführlich diskutiert sind, versteht es sich daher, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die jeweiligen Formen, Größen, Konfigurationen und Abmessungen, die hierin diskutiert werden, begrenzt ist.
Als Nächstes kann der opake Ausgangs-Vorformling wahlweise einem mechanischen Bearbeitungsverfahren, zum Beispiel Mahlen, Zerspanen, Kernbohren, Ultraschallfräsen, Laserschneiden, Heißformen von Feststoffen, bestehend aus dem Umformen des Ingots und dergleichen, unterzogen werden, um den Ausgangs-Vorformling durch Größenveränderung besser an die Abmessungen der aus ihm herzustellenden Komponente aus opakem Quarzglas anzupassen. Ein solcher wahlweise möglicher Schritt wird vorzugsweise nur durchgeführt, wenn es erforderlich oder erwünscht ist, den opaken Ausgangs-Vorformling durch Größenveränderung besser an die Abmessungen der aus dem Ausgangs-Vorformling herzustellenden opaken Komponente anzupassen.
Alle Flächen des Ausgangs-Vorformlings sind vorzugsweise im Allgemeinen glatt und frei von Fremdpartikeln. Wahlweise können bekannte mechanische und/oder chemische Endbehandlungen, wie beispielsweise Polieren und Abschleifen, angewendet werden, um sicherzustellen, dass die Flächen des Ausgangs-Vorformlings den bevorzugten Grad an Glattheit aufweisen und frei von jeglichen Fremdpartikeln oder Verunreinigungen sind.
Als Nächstes wird der der opake Ausgangs-Vorformling umgeformt oder seine Größe wird verändert, um die Komponente aus opakem Quarzglas zu formen. Konkreter wird mindestens ein Abschnitt oder eine Zone des Ausgangs-Vorformlings auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, bei der das reine und opake Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings beginnt, weich zu werden. Insbesondere wird der gesamte Ausgangs-Vorformling (wahlweise zonenweise) auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, bei der das reine und opake Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings beginnt, weich zu werden. Der Ausgangs-Vorformling wird vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 1100 bis 2300 °C und insbesondere auf ungefähr 1200 bis 2200 °C und am meisten bevorzugt auf ungefähr 1250 bis 2150 °C erhitzt. Bei solchen Temperaturen hat das opake Quarzglas vorzugsweise eine Viskosität zwischen ungefähr 10¹² und 10² Poise (dPa·s), insbesondere zwischen ungefähr 10¹⁰ und 10⁵ Poise und am meisten bevorzugt von ungefähr 10⁶ Poise, derart, dass das Quarzglas bearbeitet werden kann, um den Ausgangs-Vorformling von seiner Größe her zu verändern oder auf die vorgegebene und gewünschte Gestalt und die vorgegebenen und gewünschten Abmessungen der Komponente aus opakem Quarzglas umzuformen.
Bei solchen Temperaturen hat der erhitzte und erweichte Ausgangs-Vorformling außerdem eine direkte spektrale Transmission, die im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm im Wesentlichen konstant ist und unter ungefähr 5 % und insbesondere unter ungefähr 3 % und am meisten bevorzugt unter ungefähr 2 % liegt, und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 %. Konkreter hat der erhitzte und erweichte Ausgangs-Vorformling im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm vorzugsweise eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,2 % bis 3 % und insbesondere von ungefähr 0,2 bis 1,5 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 %. Die chemische Reinheit des erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformlings ist vorzugsweise im Wesentlichen unverändert von der des Ausgangs-Vorformlings (d. h. vorzugsweise mindestens 95 % und insbesondere im Bereich von ungefähr 99,0 bis 99,9 % und am meisten bevorzugt im Bereich von ungefähr 99,5 bis 99,9999 %). Dichte, Porosität und Porenabmessungen des erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformlings haben sich jedoch vorzugsweise zumindest leicht gegenüber denen des Ausgangs-Vorformlings verändert.
Konkreter weist der erhitzte und erweichte Ausgangs-Vorformling vorzugsweise eine Dichte von ungefähr 2,08 bis 2,19 g/cm³ und insbesondere von ungefähr 2,10 bis 2,18 g/cm³ auf. In einer Ausführungsform weist der erhitzte und erweichte Ausgangs-Vorformling vorzugsweise eine Dichte von mindestens ungefähr 2,10 g/cm³ und insbesondere von ungefähr 2,14 bis 2,15 g/cm³ auf. Ferner haben mindestens 80 % der Poren des erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von ungefähr 60 µm oder weniger. Vorzugsweise haben mindestens 80 % der Poren des erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung zwischen ungefähr 10 und 45 µm und insbesondere zwischen ungefähr 20 und 45 µm und am meisten bevorzugt zwischen ungefähr 25 und 45 µm. Die Poren in dem erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformling haben sich als solche sich gegenüber dem Ausgangs-Vorformling vergrößert. Der Porengehalt (Porosität) des erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformlings 10 beträgt höchstens ungefähr 5 % pro Einheitsvolumen und vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 5 % pro Einheitsvolumen und insbesondere ungefähr 0,2 bis 4,5 % pro Einheitsvolumen. Konkreter beträgt die Porosität des erhitzten und erweichten Ausgangs-Vorformlings vorzugsweise höchstens 4,7 % und liegt am meisten bevorzugt im Bereich von ungefähr 2 bis 4,5 % pro Einheitsvolumen.
Während der Ausgangs-Vorformling erhitzt wird, wird außerdem mindestens ein Abschnitt oder eine Zone des Ausgangs-Vorformlings vorzugsweise umgeformt, um eine oder mehrere Abmessungen und/oder eine Form des Ausgangs-Vorformlings 10 zu verändern. Insbesondere wird, während der Ausgangs-Vorformling erhitzt wird, der Ausgangs-Vorformling auch einem Größenveränderungs- oder Umformungsverfahren unterzogen, um die Größe und/oder Form des Ausgangs-Vorformlings zu verändern, um die gewünschte Komponente aus opakem Quarzglas herzustellen.
Es kann jedes bekannte thermische Umgestaltungs-, Umformungs- oder Größenveränderungsverfahren angewendet werden, um den Ausgangs-Vorformling 10 zu der Komponente aus opakem Quarzglas zu bearbeiten. Der Ausgangs-Vorformling 10 kann zum Beispiel mindestens einem der folgenden Verfahren unterzogen werden: Ziehen, Blasen, Erweichen, Pressen, Ausfräsen, Reflowing und dergleichen. Ein besonders bevorzugtes thermisches Umformungsverfahren ist in der US-Patentanmeldung Nr. 2002/0134108 von Werdecker et al. („Werdecker“) offenbart, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
Ferner können verschiedene Techniken und Mechanismen angewendet werden, um das Umgestalten, Umformen oder die Größenveränderung des Ausgangs-Vorformlings zu der Komponente aus opakem Glasquarz zu ermöglichen. Beispielsweise können eine oder mehrere Einsetzvorrichtungen, eine oder mehrere zusammenpressende Vorrichtungen, zusammenpressender Druck und eine oder mehrere Zieh- oder Dehnvorrichtungen eingesetzt werden, um den Ausgangs-Vorformling auf die gewünschten Abmessungen und die gewünschte Form der Komponente aus opakem Glasquarz zu strecken, zusammenzuziehen, von der Größe her zu verändern und/oder umzuformen.
Die für die Umgestaltungs-, Umformungs- oder Größenveränderungsverfahren des Ausgangs-Vorformlings verwendeten Teile bestehen jeweils vorzugsweise aus Grafit, Quarzglas, Siliciumcarbid oder anderen refraktären keramischen oder refraktären metallischen Materialien. Insbesondere bestehen die Teile jeweils komplett aus Grafit und am meisten bevorzugt aus reinem Grafit, da Quarzglas nicht mit Grafit reagiert und nicht an Grafit haftet. Einem Fachmann ist jedoch klar, dass nicht alle Bearbeitungsteile komplett aus Grafit bestehen müssen. Stattdessen können einige Bearbeitungsteile komplett aus Grafit bestehen, während andere aus Quarzglas, Siliciumcarbid oder anderen refraktären keramischen oder refraktären metallischen Materialien bestehen und Grafit oder eine nicht haftende und nicht-reaktive Beschichtung nur auf den Flächen aufweisen, die das Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings tatsächlich berühren.
Einem Fachmann ist klar, dass die zum Umformen, Umgestalten und/oder zur Größenveränderung des Ausgangs-Vorformlings zum Formen der Komponente aus opakem Quarzglas benötigte Zeit basierend auf mehreren Faktoren, wie beispielsweise der Erhitzungstemperatur, dem Vorliegen oder Nichtvorliegen eines zusammenpressenden Drucks, der Gestalt und Größe des Ausgangs-Vorformlings 10, der Gestalt und Größe der Komponente aus opakem Quarzglas und dergleichen, variiert.
Beim Umgestalten, Umformen und/oder bei der Größenveränderung des Ausgangs-Vorformlings zu der Komponente aus opakem Quarzglas bleibt das Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings opak. Konkreter verändern sich während des Umgestaltens, Umformens und/oder der Größenveränderung des Ausgangs-Vorformlings die optischen Eigenschaften des Quarzglases um weniger als 10 % und insbesondere seine Opazität verändert sich um weniger als 5 % und am meisten bevorzugt um weniger als 3 %, im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm.
Nachdem aus dem Quarzglas des Ausgangs-Vorformlings durch Umformung, Größenveränderung und/oder Umgestaltung die gewünschte Komponente aus opakem Quarzglas hergestellt worden ist, wird die Komponente aus opakem Quarzglas einer Kühlphase von vorgegebener Dauer unterzogen, speziell, um eine Entglasung des Quarzglases zu verhindern. Die Komponente aus opakem Quarzglas kann vorzugsweise auf Raumtemperatur abkühlen, was normalerweise ungefähr 1 bis 30 Minuten dauert und insbesondere ungefähr 20 Minuten. Einem Fachmann ist klar, dass andere Kühltechniken, die im Fachgebiet bekannt sind oder zu entwickeln sind, angewendet werden können, insbesondere, um den Kühlvorgang zu beschleunigen.
Die Komponente aus opakem Quarzglas nach der vorliegenden Erfindung ist opak und hochrein. Konkreter haben sich die optischen Eigenschaften des Quarzglases der Komponente aus opakem Quarzglas im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm um weniger als 10 % verändert und insbesondere hat sich seine Opazität um weniger als 5 % und am meisten bevorzugt um weniger als 3 % verändert. In einer Ausführungsform beträgt der Verlust der Lichtblockierungseigenschaften der Komponente aus opakem Quarzglas nur ungefähr 3 % bis 5 %, und die Komponente aus opakem Quarzglas weist im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von weniger als ungefähr 5 % und insbesondere von weniger als ungefähr 3 % und am meisten bevorzugt von weniger als ungefähr 2 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % auf. Insbesondere weist die Komponente aus opakem Quarzglas vorzugsweise im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,2 bis 3 % und insbesondere von ungefähr 0,2 bis 1,5 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % auf. In einer Ausführungsform weist die Komponente aus opakem Quarzglas im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und bei einer Wanddicke von 3 mm eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 1 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % auf. Eine grafische Darstellung der direkten spektralen Transmission der Komponente aus opakem Quarzglas nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt. Darüber hinaus weist die Komponente aus opakem Quarzglas eine thermische Leitfähigkeit von ungefähr 1,3 W/m-K bei 23 °C auf.
Die chemische Reinheit der Komponente aus opakem Quarzglas ist gegenüber der des Ausgangs-Vorformlings vorzugsweise im Wesentlichen unverändert (d. h. sie beträgt mindestens 95 % und liegt insbesondere im Bereich von ungefähr 99 bis 99,9 % und am meisten bevorzugt im Bereich von ungefähr 99,5 bis 99,9999 %). Die Komponente aus opakem Quarzglas weist ferner vorzugsweise eine Dichte von mindestens 2,10 g/cm³ und vorzugsweise von ungefähr 2,12 bis 2,19 g/cm³ und insbesondere von ungefähr 2,13 bis 2,18 g/cm³ auf. Am meisten bevorzugt ist, dass die Komponente aus opakem Quarzglas eine Dichte von ungefähr 2,14 bis 2,15 g/cm³ aufweist.
Vorzugsweise haben mindestens 80 % der Poren der Komponente aus opakem Quarzglas einen maximalen Porendurchmesser von ungefähr 60 µm oder weniger und insbesondere von ungefähr 10 bis 45 μm und am meisten bevorzugt von ungefähr 25 bis 45 μm. Der Porengehalt (Porosität) der Komponente aus opakem Quarzglas beträgt höchstens ungefähr 5 % pro Einheitsvolumen und vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 5 % pro Einheitsvolumen und insbesondere ungefähr 0,2 bis 4,5 % pro Einheitsvolumen. Konkreter beträgt die Porosität der Komponente aus opakem Quarzglas vorzugsweise höchstens 4,7 % und liegt am meisten bevorzugt im Bereich von ungefähr 2 bis 4,5 % pro Einheitsvolumen.
Es müssen keine anschließenden mechanischen Verfahren wie etwa Abschleifen angewendet werden. Die Komponente aus opakem Quarzglas wird als solche sich mit einem Verfahren geformt, das kostenwirksamer und weniger zeitaufwändig ist als herkömmliche Techniken. Insbesondere werden vorzugsweise höchstens 25 % und insbesondere höchstens 15 % des Quarzglasmaterials des Ausgangs-Vorformlings 10 maschinell entfernt, um die Komponente aus opakem Quarzglas zu formen. Am meisten bevorzugt ist, dass nur ungefähr 0 % bis 10 % des Quarzglasmaterials des Ausgangs-Vorformlings 10 maschinell entfernt werden, um die Komponente aus opakem Quarzglas zu formen. Einem Fachmann ist jedoch klar, dass, wenn keine Größenveränderung des Ausgangs-Vorformlings 10 erforderlich ist (wie beispielsweise mit dem Ausgangs-Vorformling 10 von 1, bei dem es sich um ein opakes hohles Rohr handelt, und die Komponente aus opakem Quarzglas ist ein opakes Abstandsrohr, wie in 4 gezeigt), kein Verlust des Quarzglasmaterials des Ausgangs-Vorformlings stattfindet. Außerdem muss nicht für jede Art von Komponente aus opakem Quarzglas ein maßgeschneiderter Ausgangs-Vorformling hergestellt werden. Stattdessen können thermische Umformungs- oder Größenveränderungstechniken verwendet werden, um aus einem bestimmten Ausgangs-Vorformling jegliche Art von Komponente aus opakem Quarzglas jeglicher Abmessungen zu formen.
Die Komponente aus opakem Quarzglas nach der vorliegenden Erfindung kann jede gewünschte Gestalt und/oder alle gewünschten Abmessungen aufweisen. Komponenten aus opakem Quarzglas nach der vorliegenden Erfindung dienen vorzugsweise als Teile für die Halbleiterindustrie (z. B. für die Bearbeitung von Halbleiter-Wafers). Bei den Komponenten aus opakem Quarzglas kann es sich zum Beispiel um eine Kuppel, ein Rohr, einen rohrartigen Abschnitt oder Körper oder einen Ring für die Halbleiter-Wafer-Bearbeitungskammer handeln. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet, um dünnwandige Rohre aus opakem Quarzglas (d. h. Rohre mit einer Wanddicke von 0,5 bis 15 mm) verschiedener Länge (d. h. 10 mm bis 5000 mm) und Kuppeln aus opakem Quarzglas für Halbleiterwafer-Bearbeitungskammern herzustellen. Insbesondere können die Komponenten aus opakem Quarzglas nach der vorliegenden Erfindung für jegliche Bearbeitung verwendet werden, die eine hohe Temperatureinheitlichkeit und -stabilität, minimale Wärmeleitfähigkeit, hohe Reinheit, minimalen Wärme- und/oder Strahlungsverlust (d. h. hohe thermische Isolierung), eine kontrollierte Atmosphäre und/oder hohe Temperaturwechselbeständigkeit erfordert.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den folgenden, nicht einschränkenden Beispielen weiter beschrieben.
Beispiel 1
Unter Verwendung eines aus hochreinem und opakem Quarzglas hergestellten Ausgangs-Vorformlings 10, gezeigt in 1A–1B, wurde ein dünnwandiges kurzes Rohr 26, und konkreter ein Abstandsrohr 26, für eine Halbleiterwafer-Bearbeitungskammer, gezeigt in 3, hergestellt. Unter Bezugnahme auf 1A handelt es sich bei dem opaken Ausgangs-Vorformling 10 um einen festen Zylinder mit einer im Allgemeinen kreisförmigen Querschnittgestalt. Konkreter weist der Ausgangs-Vorformling 10 ein erstes bzw. oberes Ende 12, ein zweites bzw. unteres Ende 14 und einen zylindrischen Körper 24 auf, der zwischen dem bzw. vom ersten Ende 12 und dem bzw. bis zum zweiten Ende 14 verläuft.
Der zylindrische Körper 24 weist eine äußere Fläche 18 auf. Der Ausgangs-Vorformling 10 weist einen Außendurchmesser AD₁₀ von ungefähr 300 mm auf. Einem Fachmann ist klar, dass der Ausgangs-Vorformling 10 jeden beliebigen Außendurchmesser aufweisen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser des Ausgangs-Vorformlings ungefähr 100 bis 300 mm.
Nachdem der Ausgangs-Vorformling 10, gezeigt in 1A, geformt ist, wird durch das Innere des Ausgangs-Vorformlings 10 vom ersten Ende 12 bis zum zweiten Ende 14 eine Bohrung oder ein Loch 28 gebohrt oder auf andere Weise geformt, wie in 1B gezeigt, wodurch ein im Allgemeinen rohrartiger Ausgangs-Vorformling 10 mit einer rohrartigen Seitenwand 16 mit einer inneren Fläche 20 geformt wird, die eine im Allgemeinen zylindrische innere Aushöhlung 22 umgibt. Die rohrartige Seitenwand 16 hat eine Dicke T₁₆ von ungefähr 70 mm. Einem Fachmann ist klar, dass die rohrartige Seitenwand 16 des Ausgangs-Vorformlings 10 jede beliebige Dicke aufweisen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke T₁₆ der rohrartigen Seitenwand 16 des Ausgangs-Vorformlings ungefähr 20 bis 70 mm.
Bei dem Quarzglasmaterial des Ausgangs-Vorformlings 10 handelte es sich um hochreines amorphes Siliciumdioxid, das aus Quarzsand oder Quarzkristall hergestellt wurde und eine chemische Reinheit von ungefähr 99,9 % aufwies. Konkreter wurde der Ausgangs-Vorformling 10 aus dem Ausgangsmaterial und mit dem in Moritz und Englisch offenbarten Schlickergussverfahren hergestellt. Der Ausgangs-Vorformling 10 wies einen Cristobalitgehalt von höchstens 1 %, eine im Allgemeinen konstante direkte spektrale Transmission von unter ungefähr 5 % im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm und eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm, eine chemische Reinheit von mindestens ungefähr 95 %, eine Dichte von mindestens ungefähr 2,15 g/cm³ und eine Porosität von höchstens ungefähr 2,5 % auf. Außerdem wiesen ungefähr 80 % der Poren des opaken Ausgangs-Vorformlings 10 eine maximale Porenabmessung von ungefähr 1 bis 20 μm auf.
Dann wurde die Größe des Ausgangs-Vorformlings 10 mithilfe eines Blasverfahrens auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Wanddicke des kurzen Rohrs 26 verändert. Konkret wurde der Ausgangs-Vorformling 10 horizontal ausgerichtet, um seine Längsachse gedreht und dann mithilfe eines Einspeismechanismus (nicht gezeigt) kontinuierlich in einen Ofen (nicht gezeigt) geschoben. In dem Ofen wurden hintereinander angeordnete Zonen des Ausgangs-Vorformlings 10 auf eine Temperatur von ungefähr 2000 °C erhitzt, bei der die Viskosität des Quarzglases jeder erhitzten Zone ungefähr 10⁴ Poise betrug. Gleichzeitig wurde in der inneren Aushöhlung 22 des Ausgangs-Vorformlings 10 Luftdruck angelegt, und dieser innere Überdruck bewirkte, dass die hintereinander angeordneten erhitzten Zonen des Ausgangs-Vorformlings, die zu diesem Zeitpunkt relativ viskös waren, ausgedünnt bzw. expandiert wurden. Die angewandte Hitze und der angewandte Luftdruck ermöglichten die Expansion des Ausgangs-Vorformlings 10, um ein langes und expandiertes Rohr aus opakem Quarzglas zu formen. Das lange und expandierte Rohr aus opakem Quarzglas hatte eine Länge von ungefähr 600 mm, einen Außendurchmesser von ungefähr 354 mm und eine Seitenwanddicke von ungefähr 6 mm. Einem Fachmann ist klar, dass die Abmessungen des langen und expandierten Rohrs aus opakem Quarzglas variieren können, soweit dies erforderlich ist, um die jeweiligen Spezifikationen des Endgebrauchs bzw. der Endanwendung zu erfüllen. In einer Ausführungsform kann das lange und expandierte Rohr aus opakem Quarzglas zum Beispiel einen Außendurchmesser von bis zu 360 mm und eine Seitenwanddicke von 2 bis 100 mm aufweisen.
Zum Schluss konnte das lange und expandierte Rohr aus opakem Quarzglas abkühlen und wurde in kurze Rohre 26 der gewünschten Länge geschnitten. Konkreter hatte jedes resultierende Rohr 26 eine Länge L₂₆ von ungefähr 100 mm, einen Außendurchmesser AD₂₆ von ungefähr 354 mm und eine Seitenwanddicke T₂₆ von ungefähr 6 mm. Es versteht sich jedoch, dass aus dem langen und expandierten Rohr aus opakem Quarzglas kurze Rohe mit beliebigen gewünschten Abmessungen geschnitten werden können.
Die Komponente aus opakem Quarzglas in der Form des kurzen Rohrs 26 war opak und bestand aus hochreinem Quarzglas. Konkreter hatte das Rohr 26 eine chemische Reinheit von mindestens ungefähr 95 %, eine Dichte von mindestens ungefähr 2,10 g/cm³ und eine Porosität von höchstens ungefähr 4,5 %. Außerdem wiesen ungefähr 80 % der Poren des kurzen Rohrs 26 eine maximale Porenabmessung von ungefähr 45 μm auf. Das kurze Rohr 26 hatte außerdem im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 1 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 %.
Beispiel 2
Das Rohr 26 von 3 wurde unter Verwendung eines aus hochreinem und opakem Quarzglas hergestellten Ausgangs-Vorformlings 10’, wie in 2 gezeigt, hergestellt. Es versteht sich jedoch, dass das Abstandsrohr 26 alternativ unter Verwendung des Ausgangs-Vorformlings 10 in 2A–2B hergestellt werden kann.
Der opake Ausgangs-Vorformling 10’ von 2 ist von seiner Struktur her identisch mit dem in 1B gezeigten Ausgangs-Vorformling 10. Das heißt, dass der opake Ausgangs-Vorformling 10’ von 2 bereits eine rohrartige Form aufweist und daher kein Bohrloch durch den Körper des Ausgangs-Vorformlings geformt werden muss. Entsprechend versteht es sich, dass im Folgenden zwar nur auf den Ausgangs-Vorformling 10’ Bezug genommen wird, dieselben Verfahren aber auch zur Größenveränderung, zum Umgestalten und/oder Umformen des Ausgangs-Vorformlings 10 angewendet werden können. Der Ausgangs-Vorformling 10’ wurde mit demselben Verfahren und aus den gleichen Ausgangsmaterialien wie in Beispiel 1 hergestellt.
Die rohrartige Seitenwand 16’ des Ausgangs-Vorformlings 10’ hatte eine Dicke T_16’ von ungefähr 50 mm. Die äußere Fläche 18’ und die innere Fläche 20’ der Seitenwand 16’ des Ausgangs-Vorformlings 10’ wurden einem wahlweise möglichen Abschleifverfahren unterzogen, um die Größe der Seitenwand 16’ zu verändern, um konzentrische und einheitliche Innen- und Außendurchmesser zu formen und eine im Voraus bestimmte Wanddicke T_16’ von ungefähr 6 bis 20 mm zu erzielen. Einem Fachmann ist klar, dass die Dicke des Ausgangs-Vorformlings 10’ vor und nach dem Abschleifen variieren kann, soweit dies erforderlich ist, um die jeweiligen Spezifikationen des Endgebrauchs bzw. der Endanwendung zu erfüllen.
In einer Ausführungsform werden die äußere Fläche 18’ und die innere Fläche 20’ der Seitenwand 16’ des Ausgangs-Vorformlings 10’ einem Abschleifverfahren unterzogen, bis ein Außendurchmesser AD_10’ von ungefähr 235 mm und eine Seitenwanddicke T_16’ von ungefähr 6 bis 9 mm erreicht sind. In einer anderen Ausführungsform werden die äußere Fläche 18’ und die innere Fläche 20’ der Seitenwand 16’ des Ausgangs-Vorformlings 10’ einem Abschleifverfahren unterzogen, bis ein Außendurchmesser AD_10’ von ungefähr 200 mm und eine Seitenwanddicke T_16’ von ungefähr 10 mm erreicht sind. Einem Fachmann ist klar, dass der Ausgangs-Vorformling 10’ jede beliebige Länge aufweisen kann, soweit dies erforderlich ist, um die jeweiligen Spezifikationen des Endgebrauchs bzw. der Endanwendung zu erfüllen.
Dann wurde die Größe des Ausgangs-Vorformlings 10’ mithilfe eines Blas- und Ziehverfahrens auf den gewünschten Durchmesser und die gewünschte Wanddicke des Abstandsrohrs 26 verändert. Konkret wurde der Ausgangs-Vorformling 10’ horizontal ausgerichtet, es wurden Dummy-Rohre (nicht gezeigt) an jedem Ende des Ausgangs-Vorformlings 10’ befestigt, und der Ausgangs-Vorformling 10’ wurde dann um seine Längsachse gedreht, während hintereinander angeordnete Zonen des Ausgangs-Vorformlings 10’ mit Gasbrennern (nicht gezeigt) auf eine Temperatur von ungefähr 2000 °C erhitzt wurden, bei der die Viskosität des Quarzglases jeder erhitzten Zone ungefähr 10⁴ Poise betrug. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ausgangs-Vorformlings 10’ betrug ungefähr 10 bis 200 U/Min. Gleichzeitig wurde(n) in der inneren Aushöhlung 22’ des Ausgangs-Vorformlings 10’ Luftdruck und/oder Zentrifugalkraft angelegt, und dieser innere Überdruck bzw. die innere Zentrifugalkraft bewirkte(n), dass die hintereinander angeordneten erhitzten Zonen des Ausgangs-Vorformlings 10’, die zu diesem Zeitpunkt relativ viskös waren, ausgedünnt bzw. expandiert wurden, um ein expandiertes Rohr aus opakem Quarzglas zu formen. Das expandierte Rohr aus opakem Quarzglas hatte eine Länge von ungefähr 600 mm, einen Außendurchmesser von ungefähr 354 mm und eine Seitenwanddicke von ungefähr 6 mm. Einem Fachmann ist klar, dass die Abmessungen des expandierten Rohrs aus opakem Quarzglas variieren können, soweit dies erforderlich ist, um die jeweiligen Spezifikationen des Endgebrauchs bzw. der Endanwendung zu erfüllen.
Es versteht sich ferner, dass die Expansion des Ausgangs-Vorformlings 10’, um den gewünschten Außendurchmesser und die gewünschte Seitenwanddicke zu erzielen, in einer Reihe von aufeinander folgenden Erhitzungsanwendungen durchgeführt werden kann, derart, dass der Ausgangs-Vorformling 10’ nach einer ersten Erhitzungsanwendung einen ersten Außendurchmesser und eine erste Seitenwanddicke erreicht, dann nach einer zweiten Erhitzungsanwendung einen zweiten Außendurchmesser und eine zweite Seitenwanddicke erreicht, die größer sind als der erste Außendurchmesser und die erste Seitenwanddicke, und so weiter, bis der gewünschte Außendurchmesser und die gewünschte Seitenwanddicke erreicht sind.
Zum Schluss konnte das expandierte Rohr aus opakem Quarzglas ungefähr 10 Minuten lang abkühlen, obwohl die Abkühldauer beliebig lang sein kann, und wurde dann in kurze Rohre 26 der gewünschten Länge geschnitten. Konkreter hatte jedes resultierende Rohr 26 eine Länge von ungefähr 100 mm. Es versteht sich jedoch, dass aus dem langen und expandierten Rohr aus opakem Quarzglas kurze Rohe jeglicher beliebiger Länge geschnitten werden können.
Die Komponente aus opakem Quarzglas in der Form des Rohrs 26 war opak und bestand aus hochreinem Quarzglas. Konkreter hatte das Rohr 26 eine chemische Reinheit von mindestens ungefähr 95 %, eine Dichte von mindestens ungefähr 2,10 g/cm³ und eine Porosität von höchstens ungefähr 4,5 %. Außerdem wiesen ungefähr 80 % der Poren des kurzen Rohrs 26 eine maximale Porenabmessung von ungefähr 45 μm auf. Das kurze Rohr hatte außerdem im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 1 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 %.
Beispiel 3
Unter Verwendung eines Ausgangs-Vorformlings 32, gezeigt in 4, wurde eine Kuppel 30 für eine Halbleiter-Wafer-Bearbeitungskammer, gezeigt in 5, hergestellt. Der Ausgangs-Vorformling 32 bestand aus hochreinem und opakem Quarzglas. Das Ausgangsmaterial und das Verfahren zum Herstellen des Ausgangs-Vorformlings 32 waren identisch mit denen des Ausgangs-Vorformlings 10, 10’; von Beispiel 1 und 2. Der Ausgangs-Vorformling 32 weist jedoch die Gestalt einer im Allgemeinen flachen Scheibe auf, die eine im Allgemeinen kreisförmige Querschnittsgestalt aufweist. Die Ausgangsscheibe 32 hatte einen Durchmesser von ungefähr 480 mm und eine Wanddicke von ungefähr 6 mm.
Der Ausgangs-Vorformling 32 wurde mit einem Erweichungsverfahren zu der Kuppel 30 umgestaltet. Konkret wurde der Ausgangs-Vorformling 32 auf eine konkave Form (nicht gezeigt) gegeben. Dann wurde die Anordnung aus dem Ausgangs-Vorformling 32 und der Form in einen Ofen (nicht gezeigt) gegeben und auf eine Temperatur von ungefähr 1300 °C erhitzt, bei der die Viskosität des Quarzglases des Ausgangs-Vorformlings 32 ungefähr 10¹⁰ Poise betrug. Durch Schwerkraft und Vakuum sackte der erhitzte und erweichte Ausgangs-Vorformling 32 dann von Natur aus in der Form zusammen, um die Gestalt der Kuppel 30 zu formen. Die Kuppel 30 konnte dann ungefähr 10 Stunden lang abkühlen, obwohl eine kürzere Abkühlzeit verwendet werden kann. Schließlich wurde die Kuppel 30 auf einen Rohrkörper (nicht gezeigt) gespleißt, vorzugsweise auf einen opaken Rohrkörper, und flammpoliert.
Die Komponente aus opakem Quarzglas in der Form der Kuppel 30 war opak und bestand aus hochreinem Quarzglas. Konkreter hatte die Kuppel 30 eine chemische Reinheit von mindestens ungefähr 95 %, eine Dichte von mindestens ungefähr 2,10 g/cm³ und eine Porosität von höchstens ungefähr 4,5 %.
Außerdem wiesen ungefähr 80 % der Poren der Kuppel 30 eine maximale Porenabmessung von ungefähr 45 μm auf. Die Kuppel 30 hatte außerdem im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm eine nahezu konstante direkte spektrale Transmission von ungefähr 1 % und im Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 %. Die Kuppel 30 hatte außerdem einen Durchmesser von ungefähr 460 mm, einen Krümmungsradius von ungefähr 440 mm und eine Wanddicke von ungefähr 6 mm.
Dann wurde die Leistung der Kuppel aus opakem Quarzglas 30 gemessen und mit der einer herkömmlichen Kuppel aus durchsichtigem Quarzglas während eines simulierten Wafer-Austauschvorgangs verglichen, wie in 6 gezeigt. Konkret veranschaulicht 6 den Temperaturausgleich eines Wafers in einem Halbleiterofen, nachdem die Ofentür für den Wafer-Austauschvorgang geöffnet und wieder geschlossen wurde. Sobald der Wafer ordnungsgemäß im Ofen positioniert worden ist, ist die mittlere Region des Wafers im Wesentlichen komplett von der Kuppel 30 überdeckt, während die Randregion des Wafers von der Kuppel 30 weniger beeinflusst wird. Wie in 6 gezeigt, weist die von der opaken Kuppel 30 überdeckte mittlere Region des Wafers eine vergleichsweise höhere Erhitzungs- oder Wärmeausgleichsrate von ungefähr 14 °C/Minute auf. Die von der herkömmlichen Kuppel überdeckte mittlere Region des Wafers weist dagegen eine vergleichsweise niedrigere Erhitzungsoder Wärmeausgleichsrate von ungefähr 6 °C/Minute auf. Der Unterschied zwischen den Wärmeausgleichsraten ist an den Randregionen der neuen Wafers weniger stark, da diese Regionen von den jeweiligen Kuppeln weniger beeinflusst werden. Jedoch ist die Wärmeausgleichsrate von 15 °C/Minute in der Randregion des von der opaken Kuppel 30 überdeckten Wafers immer noch etwas höher als die Wärmeausgleichsrate von 12 °C/Minute in der Randregion des von der herkömmlichen Kuppel überdeckten Wafers.
6 zeigt daher klar, dass die Kuppel aus opakem Quarzglas 30 aus Beispiel 3 Wärme aus der Umgebung besser speichert als die herkömmliche Kuppel. Konkret lieferte die Kuppel aus opakem Quarzglas 30 nach der vorliegenden Erfindung daher eine bessere Temperatureinheitlichkeit und einen schnelleren Temperaturausgleich als die Kuppel aus durchsichtigem Quarzglas, wenn der Wafer ausgetauscht wurde. Noch konkreter büßte die Halbleiterbearbeitungskammer, die von der Kuppel aus opakem Quarzglas 30 geschützt war, weniger Wärme ein als die, die mit der herkömmlichen Kuppel aus durchsichtigem Quarzglas versehen war. An sich glich der Halbleiter-Wafers die Temperatur (das heißt, die Wärme) während der Entnahme und des Wiedereinführens in die Halbleiterbearbeitungskammer, die von der Kuppel aus opakem Quarzglas 30 geschützt war, erheblich schneller aus als ein Halbleiter-Wafer, der aus der Halbleiterbearbeitungskammer genommen und wieder in diese eingesetzt wurde, welche von der Kuppel aus durchsichtigem Quarzglas geschützt war.
Einem Fachmann ist klar, dass ein Vergleich einer Komponente aus opakem Quarzglas nach der vorliegenden Erfindung hierin nur für eine Kuppel aus opakem Quarzglas beschrieben ist, ein Rohr, Rohrabschnitt oder Ring aus opakem Quarzglas nach der vorliegenden Erfindung aber dieselben Auswirkungen im Vergleich zu einem Rohr, Rohrabschnitt oder Ring aus durchsichtigem Quarzglas hätte.
Beispiel 4
Es wurde ein Ausgangs-Vorformling 10’, wie in Beispiel 2 beschrieben, hergestellt. Der Ausgangs-Vorformling 10’ wurde dann an einer Verbindungsnaht 36 mit einem durchsichtigen Glasrohr 34 verbunden, wie in 8A gezeigt. Dann wurde die Größe des mit dem durchsichtigen Glasrohr 34 verbundenen Ausgangs-Vorformlings 10’ mithilfe eines Blasverfahrens auf den gewünschten Durchmesser des Abstandsrohrs 26 verändert, um eine ganze Halbleiterkammer oder einen Teil davon zu bilden. Konkret wurde der Ausgangs-Vorformling 10’ horizontal ausgerichtet, und an jedem Ende des Ausgangs-Vorformlings 10’ wurden durchsichtige Glasrohre 34 befestigt. Es versteht sich, dass nur ein durchsichtiges Glasrohr 34 an nur einem Ende des Ausgangs-Vorformlings 10’ befestigt werden kann. Anfangs gab es Ungleichmäßigkeiten oder Variationen der Wanddicke und des Durchmessers zwischen dem Ausgangs-Vorformling 10’ und den durchsichtigen Glasrohren 34 an den Verbindungsnähten 36.
Dann wurde der Ausgangs-Vorformling 10’ um seine Längsachse gedreht, während hintereinander angeordnete Zonen des Ausgangs-Vorformlings 10’ erhitzt und expandiert wurden, um ein expandiertes Abstandsrohr aus opakem Quarzglas 26 mit dem gewünschten Durchmesser zu formen. Jede Zone kann mehrmals erhitzt werden. Es versteht sich, dass zur Expansion des Ausgangs-Vorformlings 10’ dasselbe Verfahren wie in Beispiel 2 angewendet werden kann. Während der aufeinander folgenden und mehreren Erhitzungsschritte, während der Größenveränderung des Ausgangs-Vorformlings 10’, wurden die Ungleichmäßigkeiten oder Variationen der Dicken und/oder Durchmesser an den Verbindungsnähten 36 allmählich verringert. Wie in 8B gezeigt, waren die Ungleichmäßigkeiten oder Variationen der Dicken und/oder Durchmesser an den Verbindungsnähten 36 zwischen dem resultierenden Abstandsrohr aus opakem Quarzglas 26 und den durchsichtigen Glasrohren 34 nach Abschluss des Größenveränderungsverfahrens erheblich verringert oder nicht mehr vorhanden. Dies erwies sich als deutliche Verbesserung gegenüber den Ungleichmäßigkeiten, die an den Verbindungsnähten herkömmlicher Halbleiterkammern vorhanden sind, bei denen das opake Abstandsrohr zuerst geformt und dann an durchsichtige Glasrohre pressgeschweißt wurde.
Einem Fachmann ist klar, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verändert werden können, ohne von deren breit gefasstem erfindungsbezogenen Konzept abzuweichen. Daher versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern Modifikationen abdecken soll, die dem Geist und Geltungsumfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist, entsprechen.

Claims

Verfahren zum Formen einer Komponente aus opakem Quarzglas, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Bereitstellen eines aus Quarzglas bestehenden Ausgangs-Vorformlings, wobei der Ausgangs-Vorformling eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,1 bis 1 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm und eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm und eine Dichte von mindestens 2,15 g/cm³ aufweist, wobei mindestens 80 % der Poren des Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von 1 bis 20 µm aufweisen; (b) Erhitzen mindestens eines Abschnitts des Ausgangs-Vorformlings auf eine vorgegebene Temperatur, bei welcher das Quarzglas eine Viskosität im Bereich von 10² bis 10¹² Poise (dPa·s) und eine Dichte von mindestens 2,10 g/cm³ aufweist, wobei mindestens 80 % der Poren des erhitzten Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von 1 bis 45 µm aufweisen; und (c) Entformen mindestens eines Abschnitts des erhitzten Ausgangs-Vorformlings bei der vorgegebenen Temperatur, um Gestalt und/oder Abmessung(en) des erhitzten Ausgangs-Vorformlings unter Bildung der Komponente aus opakem Quarzglas zu verändern, wobei die Komponente aus opakem Quarzglas eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,2 bis 3 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm und eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangs-Vorformling in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,1 % bis 0,5 % aufweist, und die Komponente aus opakem Quarzglas in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,2 bis 1,5 % und in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erhitzte Vorformling in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 4990 nm bei einer Wanddicke von 3 mm eine direkte spektrale Transmission von ungefähr 0,2 % bis 3 % und in einem Wellenlängenbereich von λ = 190 nm bis λ = 2500 nm eine diffuse Reflexion von mindestens 60 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ausgangs-Vorformling eine Porosität von höchstens 2,5 % aufweist und der erhitzte Ausgangs-Vorformling eine Porosität von höchstens 5 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Quarzglas eine chemische Reinheit von mindestens 99,9 % und einen Cristobalitgehalt von höchstens 1 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur eine Temperatur im Bereich von 1100 °C bis 2300 °C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens 80 % der Poren des Ausgangs-Vorformlings eine maximale Porenabmessung von 15 bis 20 µm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens 80 % der Poren des erweichten Vorformlings eine maximale Porenabmessung von 25 bis 45 µm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entformen des erweichten Vorformlings mit mindestens einem Verfahren durchgeführt wird, das aus der Gruppe bestehend aus Blasen, Ziehen, Erweichen und Größenveränderung ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das maschinelle Bearbeiten mindestens eines Abschnitts des Ausgangs-Vorformlings vor seinem Erhitzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente aus opakem Quarzglas ein Rohr, ein Abschnitt eines Rohrs, ein Ring oder eine Kuppel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: (i) Befestigen eines ersten Dummy-Rohrs an einem ersten Ende des Ausgangs-Vorformlings und eines zweiten Dummy-Rohrs an einem zweiten Ende des Ausgangs-Vorformlings; (ii) Drehen des Ausgangs-Vorformlings um seine Längsachse beim Erhitzen mindestens eines Abschnitts des Ausgangs-Vorformlings; und (iii) Anlegen eines internen Überdrucks und/oder einer internen Zentrifugalkraft an den Ausgangs-Vorformling im Allgemeinen gleichzeitig mit dessen Drehung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: (ii) Befestigen eines durchsichtigen Glasrohres an einem ersten Ende des Ausgangs-Vorformlings an einer Verbindungsnaht; und (ii) Verändern der Größe des Ausgangs-Vorformlings unter Bildung eines Rohres aus opakem Quarzglas, derart, dass die Verbindungsnaht zwischen dem Rohr aus opakem Quarzglas und dem durchsichtigen Glasrohr im Wesentlichen frei von jeglichen Ungleichmäßigkeiten ist.