DE2202494B2 - Quarzglaselemente mit verringerter Deformation bei erhöhter Temperatur und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

die ein oder mehrere Ionen enthält, die im Hinblick auf die hohe Entglasungsfähigkeit, ihre geringe Diffusionsmöglichkeit in Quarz über 1000° C (zur Vermeidung einer zu starken Ausdehnung der Dicke der entglasten Schichten) und ihren schwachen verschmutzenden Einfluß bei den Behandlungsverfahren der Halbleiter ausgewählt sind. Brauchbar sind insbesondere die Metalle, Aluminium, Calcium, Magnesium, Caesium oder ihre Verbindungen. Die beiden Verkleidungen werden darauf getrocknet und mit einem Brenner oder nach einem anderen Verfahren derart glasiert, daß ihre Haftung erhöht wird. Schließlich wird das Rohr oder Element einer sich über mehrere Stunden erstreckenden Aufheizung auf eine erhöhte Temperatur von über 1200° C unterworfen, die die Entglasung und die oberflächliche Bildung der beiden Cristobalitschichten hervorruft. Dieser letztere Vorgang kann auch während der ersten Betriebsstunden des Elements unter seinen Arbeitsbedingungen durchgeführt werden. Man beobachtet während der ersten Zeit eine sehr geringe Deformation, die rasch verschwindet. Das Rohr bewahrt dann eine bemerkenswerte Dimensionsstabilität. Zum Beispiel am Ende von zwei Stunden bei 1290° C erhält man ein Unrundwerden von 0,8 mm bei einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 74 mm und einer Wandstärke von 4 mm. Nach Abschluß der Entglasung verschwindet diese Deformation.

Die einmal gebildeten kristallinen Schichten bleiben sehr gut haften, selbst nach der Abkühlung.

Es kann auch vorteilhaft sein, die beiden Cristobalitschichten oder nur eine dieser Schichten, insbesondere die innere Schicht, mit einer neuen dünnen Schicht reinen Quarzglases nach einem bekannten Auftragsverfahren zu überziehen, die als Schutzschicht wirkt und den folgenden zwei Zwecken dient, nämlich

einmal die Gefahren einer Verschmutzung der im Rohr oder Element zu behandelnden Produkte zu vermindern und

schließlich die Cristobalitschicht, die verhältnismäßig zerbrechlich ist, gegen Schläge und mechanischen Abrieb zu schützen.
Diese Quarzglasschicht erlaubt es außerdem, die Innen- und/oder Außenfläche des Rohres mit verdünnten Lösungen der Fluorwasserstoffsäure zu waschen, ohne daß die »aktiven« Schichten beseitigt werden.

Die so erhaltenen Rohre oder Elemente kann man leicht nach üblichen Giasbearbeitungsverfahren, beispielsweise dem Schweißverfahren zur Herstellung einer Schweißnaht, zum Anbringen von Schliffflächen oder seitlichen Rohranschlüssen oder zum Verschließen bearbeiten.

Man kann die erfindungsgemäßen Rohre auch unmittelbar herstellen, indem man dünne, entsprechend dotierte Quarzglasschichten und Schichten aus reinem Quarzglas konzentrisch und abwechselnd anordnet und sie gleichzeitig auszieht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele und

besonders beweiskräftige Versuchsergebnisse dargestellt.

Die grafische Darstellung nach F i g. 1 zeigt als Funktion der Aufheizzeit bei einer Temperatur von 1290° C vergleichbare Verformungen verschiedener

so Rohre mit einem Außendurchmesser von 74 mm und einer Wandstärke von 4 mm. Auf der Abszisse ist die Aufheizzeit und auf der Ordinate die Durchbiegung, d. h. die Verringerung des senkrechten Durchmessers für drei Rohre aufgetragen, und zwar für ein unbe-

schichtetes Rohr A, ein Rohr B, das nur eine Außenschicht aufweist, und ein Rohr C, das nach der Erfindung mit zwei Schichten versehen ist.

Man erkennt, daß die Verformung gleich nach Bildung der zwei entglasten Schichten aufhört.

In F i g. 2 und 3 ist in perspektivischer Darstellung bzw. im Querschnitt ein Rohr nach der Erfindung wiedergegeben. Dieses Rohr weist zwei entglaste Cristobalitschichten 1 und eine Restschicht 2 aus reinem erschmolzenem Quarzglas auf.

In Fig.4 bzw. 5 ist in perspektivischer Darstellung bzw. im Querschnitt eine abgeänderte Ausführungsform eines Rohres nach der Erfindung wiedergegeben. Das Rohr enthält zwei entglaste Cristobalitschichten 1, eine Restschicht 2 aus reinem erschmolzenem Quarzglas und zwei Auftrags- oder Schutzschichten 3 aus Quarzglas.

Selbstverständlich ist das Erfindungsprinzip auf alle Hohl-, Massiv- oder Flachkörper, wie Rohre oder Profile, Laborgegenstände, Schiffchen, Kapseln, Kolben, Scheiben, Platten, Barren, Blöcke, Stäbe usw. anwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

beispielsweise bekannt, die mechanische Wider-Patentansprüche: Standsfähigkeit solcher Körper zu verstärken, indem man sie mit einer festen, kristallinen, unter Druck-

1. Quarzglaselemente, insbesondere in Rohr- spannungen gesetzten Lösung überzog. Jedoch erform, mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen 5 weist sich dieses Verfahren bei den zur Anwendung Deformationen bei langdauernden Beanspru- kommenden Temperaturen als unwirksam,
chungen unter erhöhten Temperaturen von etwa Es ist ferner bereits (aus der holländischen Patent-1200° C und darüber, vorzugsweise zur Verwen- schrift 6 902 534) bekannt, in eine äußere Oberflädung bei der Herstellung von Halbleitern, ge- chenschicht des Rohres einen kleinen Anteil einer kennzeichnet durch einen Überzug (1) io bestimmten ausgewählten Substanz eindringen zu lasauf ihren Innen- und Außenflächen in Form sen oder eine solche Verunreinigung in der ganzen einer oder mehrerer kristalliner Cristobalitschich- Glasmasse zu verteilen.

ten. Zum Stande der Technik gehört (nach der franzö-

2. Elemente nach Anspruch 1, dadurch ge- sischen Patentschrift 6 908 991) ferner ein Verfahren kennzeichnet, daß die Cristobali'schichten durch 15 zur Verstärkung von Quarzrohren durch Niederoberflächliches Entglasen des Quarzes gebildet schlagen einer dünnen Schicht von Cristobalit auf sind. wenigstens einem Teil ihrer Oberfläche.

3. Elemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch Diese Verfahren verringern die Deformation in gegekennzeichnet, daß die entglasten Schichten wissem Umfang, beseitigen sie jedoch nicht vollständurch Niederschlagen von geeigneten Keimbild- sn dig, so daß sie noch sehr störend bleibt.

nern gefolgt von einem Glasieren und dann von Dei Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. EIe-

einer sich über mehrere Stunden erstreckenden mente, wie Rohre oder andere Hohlkörper, aus

Wärmebehandlung gebildet sind. Quarzglas zu schaffen, deren Deformation auch bei

4. Elemente nach Anspruch 3, dadurch ge- längerer Benutzungsdauer bei erhöhter Temperatur kennzeichnet, daß die Keimbildner aus Alumi- 25 vernachlässigbar ist und auch nach mehreren Aufnium, Magnesium, Calcium, Caesium oder ihren heiz- und Abkühl-Perioden noch sehr gering bleibt.
Verbindungen bestehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentli-

5. Elemente nach einem oder mehreren der chen dadurch gelöst, daß zwei oder mehrere parallele vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- oder konzentrische Cristobalitschichten nicht nur auf zeichnet, daß wenigstens eine der entglasten 30 einer einzigen Fläche des Rohres od. dgl., ähnlich Schichten durch einen Schutzüberzug aus ge- wie beim Stande der Technik, sondern auf den beischmolzenem Quarz abgedeckt ist. den Innen- und Außenflächen des Rohres od. dgl.

6. Elemente nach Anspruch 5, dadurch ge- hergestellt werden.

kennzeichnet, daß als Schutzüberzug statt ge- Theoretische Überlegungen zeigen und experi-

schmolzenem Quarz ein anderes glasbildendes 35 mentelle Ergebnisse bestätigen tatsächlich, daß man Oxid verwendet ist. durch Erzeugen eines zweiten kristallinen Überzugs

7. Verfahren zur Herstellung von Elementen auf der abgewendeten Seite des Rohres dessen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Widerstandsfähigkeit gegen Deformationen beträcht-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ver- lieh, und zwar um ein Mehrfaches steigern kann. Die schiedene Schichten aus entsprechendem Mate- 40 Rechnung zeigt, daß die zur Herstellung einer Deforrial konzentrisch oder parallel angeordnet und mation auf demselben Rohr aufzuwendende Kraft gleichzeitig ausgezogen werden. um einen Faktor zwischen IO³ und IO⁴ zu multiplizieren ist, wenn man von einer entglasten Schicht auf zwei durch nicht entglastes Quarzglas von beträchtli-

45 eher Stärke getrennte entglaste Schichten übergeht.

Nach der Erfindung hergestellte Quarzglasrohre unterliegen keiner störenden Verformung, selbst bei

Die Erfindung bezieht sich auf Elemente aus ihrer lang dauernden Verwendung bei erhöhter Tem-

Quarzglas, insbesondere auf Hohlkörper in Rohr- peratur. Vielmehr widerstehen sie besonders gut

oder ähnlicher Form, die wegen ihrer beträchtlich 50 wiederholten Wärmewechselzyklen, was immer auf

gesteigerten Widerstandsfähigkeit gegen durch er- die Verwendung der beiden parallelen oder konzen-

höhte Temperaturen hervorgerufene plastische Ver- trischen kristallinen Schichten zurückgeht,

formungen besonders zur Behandlung von Halb- Die Dicke jeder der beiden kristallinen Schichten

leiterelementen geeignet sind. kann im Vergleich zur Gesamtdicke des Rohres oder

Aus Quarzglas bestehende Rohre oder Profile fin- ₅₅ Elements sehr gering sein, beispielsweise weniger als

den heutzutage für alle Arten der Dotierungs-, Diffu- 1 "/0. Die beiden kristallinen Schichten können durch

sions- oder sonstigen Behandlungen von Halbleiter- oberflächliche Entglasung des Quarzglases »in situ«

körpern Verwendung. Diese Behandlungen finden gebildet werden.

sehr häufig bei erhöhten Temperaturen von minde- Ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung von

stens 1200⁰C und dann über einen bedeutenden 60 Elementen nach der Erfindung besteht z.B. darin,

Zeitraum hinweg statt. daß man nach einem bekannten Verfahren (z.B.

Unglücklicherweise zeigen derart lange bei diesen Spritzen, Anstreichen, Eintauchen usw.) die beiden Temperaturen verwendete Quarzglasrohrc ausge- Oberflächen, d. h. die innere und die äußere Oberprägte Deformationen, wie Durchsacken, Verbiegen, fläche, z. B. eines Rohrs oder Elements aus Quarz-Unrundwerden usw., wodurch sie rasch unb< uichbar 6₅ glas mit einer dünnen und homogenen Schicht aus werden. Quarz, geeigneten Oberflächenmitteln und einem

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wurden kleinen Anteil von — einigen zehn bis hundert Mi-

bereits verschiedene Verfahren angewendet. So ist es krogramm pro cm² — einer Verbindung überzieht,