DE3207844A1

DE3207844A1 - Verfahren zur herstellung von quarzglas

Info

Publication number: DE3207844A1
Application number: DE19823207844
Authority: DE
Inventors: Haruo Okamoto; Motoyuki Joetsu Niigata Yamada
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1981-03-06
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1982-11-11
Also published as: JPS6038343B2; DE3207844C2; US4432781A; JPS57149832A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Speziell betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von insbesondere blasenfrei klargeschmolzenem Quarzglas aus einer verdampfbaren Siliciumverbindung, und zwar vor allem ein Verfahren zur Herstellung eines glasgeschmolzenen Quarzglases, das in kontrollierter Weise eine vorgegebene Konzentration von Hydroxylgruppen enthält.

Zur Herstellung von Quarzglas wird gebräuchlicherweise ein geeignetes Quarzpulver in einer Knallgasflamme aufgeschmolzen, wobei dann der geschmolzene Quarz in die jeweils gewünschte geometrische Konfiguration des herzustellenden Quarzglasproduktes gebracht wird. Bei diesem Verfahren ist jedoch nicht vermeidbar, daß das geschmolzene Quarzglas mit den verschiedensten Verunreinigungen kontaminiert wird. Dieses Verfahren ist daher den zunehmenden Anforderungen an immer reineres Quarzglas bzw. an Quarzgläser mit bestimmter Konzentration an vorgegebenen Fehlstellen oder Verunreinigungen nicht mehr gewachsen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen an die Reinheit und eine bestimmte Zusammensetzung des herzustellenden Quarzglases ist ein synthetisches Verfahren zur Herstellung von Quarzglas bekannt geworden, bei dem ein Siliciumhalogenid, beispielsweise Siliciumtetrachlorid, zur Bildung des benötigten Siliciumdioxids hydrolysiert oder oxidiert wird. Eine Schmelze des so hergestellten Siliciumdioxids wird dann auf einem feuerfesten Substrat niedergeschlagen, wobei eine Glasmasse aus blasenfrei klargeschmolzenem Quarz erhalten wird.

Auf Grund der klargeschmolzenem Quarzglas eigenen ungewöhnlich guten optischen und chemischen Kenndaten ist klargeschmolzenes Quarzglas in jüngerer Zeit in den verschiedensten Bereichen der Technik in zunehmendem Umfang eingesetzt worden. Vor allem wird ein besonders hochgradig reines und homogenes Quarzglas in zunehmender Menge im Bereich der Elektronik benötigt.

Im Hinblick auf die Homogenität des Quarzglases ist die Konzentration der im Quarzglas enthaltenen Hydroxylgruppen von spezieller Bedeutung. Bei der Herstellung von Quarzglasfasern zu optischen Zwecken muß die Hydroxylkonzentration im Quarzglas beispielsweise so gering wie nur irgend möglich gehalten werden, da die im Quarzglas enthaltenen Hydroxylgruppen die optische Durchlässigkeit des Quarzglases bzw. der Fasern vermindern, also die Transmissionsverluste des durch solche Quarzfasern geleiteten Lichtes erhöhen. Andererseits wird durch die Gegenwart von Hydroxylgruppen im Quarzglas die Beständigkeit eineö solchen Glases gegenüber ionisierender Strahlung spürbar verbessert. Quarzgläser, die bestimmungsgemäß bei ihrem Einsatz intensiver ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, sollten daher vorzugsweise durchaus beachtliche Mengen an Hydroxylgruppen enthalten. Als Beispiele für solche Einsatzbereiche von Quarzglas seien Sichtscheiben im Bereich von Atomreaktoren und Strahlendurchtrittsfenster für ionisierende Strahlung der verschiedensten Art, beispielsweise Röntgenstrahlung, genannt. Zwischen diesen beiden Extremen der für ein hochreines klargeschmolzenes Quarzglas geforderten Konzentration von Hydroxylgruppen werden in zahlreichen Anwendungsfällen vorgegebene und spezifisch einzuhaltende mittlere Hydroxylkonzentrationen im Quarzglas gefordert. Dieses Anforderungsspektrum an die Quarzgläser hat ein Bedürfnis nach einem Verfahren entstehen lassen, nach dem ein geschmolzenes Quarzglas in gezielter Weise mit einer exakt vorgegebenen Hydroxylgruppenkonzentration herstellbar ist. Gerade in

dieser Hinsicht versagen jedoch die bekannten Verfahren zur Herstellung und insbesondere zum klaren Aufschmelzen von Quarzglas. Nach den bekannten Verfahren können klargeschmolzene Quarzgläser nur mit relativ grob angenähertem Hydroxylgruppengehalt hergestellt werden, wobei diese Verfahen zusätzlich eine nur sehr schlechte Reproduzierbarkeit aufweisen .

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von klargeschmolzenem Quarzglas zu schaffen, wobei das erhaltene Quarzglasprodukt in exakt steuerbarer, regelbarer und reproduzierbarer Weise eine genau vorgegebene Hydroxylgruppenkonzentration aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren der eingangs genannten Art, das gemäß der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Das Verfahren der Erfindung zur Herstellung eines solchen klaren Quarzglases besteht also darin, daß ein gasförmiges Gemisch aus einer verdampfbaren Siliciumverbindung, Sauerstoff und Chlorwasserstoff in eine Plasmaflamme, insbesondere und vorzugsweise Hochfrequenzplasmaflamme, eingeführt, eingeblasen oder aufgeblasen wird, die in einem das Plasma unterhaltenden Gasstrom, insbesondere und vorzugsweise einem Gasstrom aus Argon und/oder Sauerstoff, erzeugt wird. Dabei zersetzt sich die Siliciumverbindung unter Bildung von geschmolzenem Siliciumdioxid, das dann auf einem Substrat niedergeschlagen wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in graphischer Darstellung die Hydroxylgruppenkonzentration in dem in der Plasmaflamme gebildeten Quarzglasprodukt als Funktion der Wasserstoffkonzentration bzw. der Konzentration der Wasserstoffquelle im Beschickungsstrom; und

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Aus der japanischen Patentschrift 48-16330 ist ein Verfahren zur Herstellung von klargeschmolzenem Quarzglas bekannt, das praktisch keine Hydroxylgruppen enthält. Nach diesem Verfahren wird ein verdampfbares Siliciumhalogenid zu Siliciumdioxid oxidiert. Das geschmolzene Siliciumdioxid wird auf einem Substrat niedergeschlagen. Das als Ausgangsmaterial eingesetzte Siliciumhalogenid enthält keinerlei Wasserstoff. Auch der zum Oxidieren des Siliciumhalogenids bei hohen Temperaturen eingesetzte Gasstrom enthält keinerlei Wasserstoff.

Demgegenüber geht das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Quarzglases, und zwar speziell eines blasenfrei klargeschmolzenen Quarzglases mit einer exakt eingestellten Hydroxylgruppenkonzentration, davon aus, daß bei Verwendung von Chlorwasserstoff im Beschickungsstrom als Wasserstoffquelle zur Umsetzung des im Reaktionssystem enthaltenen Sauerstoffs zu Hydroxylgruppen die Hydroxylgruppen in gezielter Weise in das geschmolzene Produktquarzglas eingeführt werden können. Dabei ist die Konzentration der Hydroxylgruppen im Produktquarzglas exakt proportional der Menge bzw. der Konzentration des im Beschickungsstrom enthaltenen Chlorwasserstoffs, so daß die jeweils geforderte Hydroxylgruppen-

konzentration im Produktquarzglas frei und exakt durch Regelung der Konzentration des Chlorwasserstoffs im Beschikkungsstrom eingestellt werden kann.

Wenn also gemäß der der Erfindung zugrunde liegenden wesentlichen Idee Quarzglas, und zwar klargeschmolzenes blasenfreies Quarzglas aus einer verdampfbaren Siliciumverbindung, beispielsweise Siliciumhalogeniden, als Ausgangsmaterial hergestellt werden soll, ist eine verdampfbare Siliciumverbindung bzw. ein Siliciumhalogenid einzusetzen, das keine Wasserstoffatome im Molekül enthält, wie beispielsweise Trichlorsilan SiHCl-. Wenn die verdampfbare Siliciumverbindung in der geforderten Weise kein Wasserstoff im Molekül enthält, wie beispielsweise Siliciumtetrachlorid, SiCl., darf selbstverständlich auch kein Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltendes Gas als Trägergas eingesetzt werden, da solche Wasserstoff atome sowohl dann, wenn sie in der verdampfbaren Siliciumverbindung selbst vorliegen oder in Form von Wasserstoff als Trägergas in einer sonst wasserstofffreien Siliciumverbindung eingesetzt werden, durch den Sauerstoff im Reaktionssystem zu Wasser, H„O, oxidiert werden, das von dem sich bildenden Quarzglas aufgenommen und in diesem in Form von Hydroxylgruppen fixiert wird. Auch, reagiert aus diesen Quellen gebildetes Wasser im gasförmigen Zustand sowohl mit Siliciumhalogeniden als auch mit Halogensilanen unter Bildung von Silanolgruppen, das heißt unter Bildung von Hydroxylgruppen, die direkt an SiIiciumatome gebunden sind. Auch solche Silanolgruppen werden im Verlauf der Reaktion in das sich bildende Quarzglas eingeschlossen und dort fixiert. Typisch ist, daß auf diese Weise und über die vorstehend dargestellten Reaktionen gebildete Hydroxylgruppen, die in der beschriebenen Weise in das Quarzglas eingebracht und dort fixiert werden, hinsichtlich ihrer Konzentration nicht reproduzierbar fixierbar sind, da die so erzeugte Hydroxylgruppenkonzentration im Quarzglas von zahlreichen verschiedenen Parametern abhängt, beispielsweise von

der Art des eingesetzten Siliciumhalogenids, von der tatsächlichen lokalen Reaktionstemperatur oder vom Gasdruck. In keinem Fall ist jedoch die im Produktquarzglas vorgefundene Hydroxylgruppenkonzentration dem Wasserstoffgehalt im Reaktionssystem proportional.

Dieser Sachverhalt wurde in zahllosen Versuchen bestätigt, die die Anmelderin mit den verschiedensten Wasserstoffquellen im Beschickungsstrom durchgeführt hat. Die Ergebnisse sind in der Fig. 1 für HCl, Hp und H~O als Wasserstoffquelle graphisch dargestellt, wobei im doppeltlogarithmischen Maßstab die Hydroxylgruppenkonzentration im Produktquarzglas auf der Ordinate als Funktion der Wasserstoffkonzentration in Atom-% in der gasförmigen Beschickung auf der Abszisse aufgetragen sind.

Der Darstellung der Fig. 1 ist dabei ohne weiteres zu entnehmen, daß überraschenderweise die für die Verwendung von Chlorwasserstoff als Wasserstoffquelle erhaltenen Daten über einen extrem breiten Bereich die beste Linearität zeigen. Die für HCl erhaltenen Meßergebnisse weisen die geringsten Abweichungen von der linearen Beziehung auf. Mit anderen Worten, bei der Verwendung von Chlorwasserstoff als Wasserstoffquelle ist die Hydroxylgruppenkonzentration im Quarzglas ausschließlich eine streng linear proportionale Funktion der Chlorwasserstoffkonzentration im Beschickungsstrom und praktisch unabhängig von allen anderen Reaktionsparametern. Die Steigung der für diese Konzentrationsabhängigkeit erhaltenen Geraden beträgt recht genau 45°, das heißt, die Hydroxylgruppenkonzentration im Quarz ist eine direkt proportionale Funktion der Wasserstoffkonzentration im Beschickungsstrom.

Diese Werte werden auch nicht annähernd bei Verwendung von H₂ oder H„O als Wasserstoffquelle im Beschickungsstrom erreicht. Die für beide Wasserstoffquellen erhaltenen Meßwerte

streuen in einem relativ breiten Bereich um die jeweilige Ausgleichsgerade und lassen dadurch erkennen, daß eine gezielte und genaue Einstellung der Hydroxylgruppenkonzentration im Produktquarzglas kaum oder nur mit relativ großen Streubreiten und geringer Reproduzierbarkeit erhältlich ist. Außerdem sind die Steigungen der Ausgleichsgeraden kleiner als 45°, so daß also keine direkte Proportionalität zwischen der Wasserkonzentration bzw. der Wasserstoffkonzentration im Beschickungsstrom und der Hydroxylgruppenkonzentration im Produktquarzglas gegeben ist. Durch Interpolation oder Extrapolation der für den Einzelfall ermittelten Ausgleichskurven lassen sich also bei der Verwendung von H₃O oder molekularem Wasserstoff als Wasserstoffquelle im Beschickungsstrom die jeweiligen Sollkonzentrationen der Hydroxylgruppen im Produktquarzglas nicht oder nur mit sehr großer Streubreite einem vorbestimmten Wert entsprechend einstellen.

In der Fig. 2 ist das Fließschema einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung dargestellt. Eine Plasmafackel 1 weist einen Gaseinlaß 2 am Kopf der Struktur auf. Über den Gaseinlaß 2 wird das der Erzeugung des Plasmas dienende Gas eingeleitet. Die Plasmakammer ist außen mit einer Hochfrequenzspule 4 umgeben, die von einem Hochfrequenzgenerator 3 beaufschlagt wird. Bei eingeschaltetem Hochfrequenzgenerator 3 wird eine Plasmaflamme 5 im unteren Teil der Plasmafackel 1 gebildet. Der gasförmige Beschickungsstrom der Ausgangssubstanzen zur Herstellung des Quarzglases wird über eine Gasbeschickungsdüse 6 am unteren Endbereich der Plasmaflamme 5 in die Plasmafackel 1 eingedrückt. Dabei wird die flüchtige Siliciumverbindung, die in dem gasförmigen Beschickungsstrom, der durch die Düse 6 in die Fackel eingestrahlt wird, enthalten ist, unmittelbar nach dem Eintritt in die Fackel in die Plasmaflamme 5 eingestrahlt und sofort durch diese Plasmaflamme 5 zu Siliciumdioxid oxidiert. Das Siliciumdioxid schmilzt unmittelbar nach der Bildung.

Das so in der Plasmaflamme 5 gebildete und geschmolzene Siliciumdioxid wird dann auf einem feuerfesten Substrat 7 niedergeschlagen, auf dem sich allmählich eine Quarzglasmasse 8 ansammelt.

Das die Plasmaerzeugung unterhaltende Gasgemisch wird über die Einlaßleitung 2 in die Plasmafackel 1 eingeführt und besteht aus Argon, Sauerstoff und Chlorwasserstoff, wobei diese drei Plasniagaskomponenten mit exakt geregelten und gesteuerten Durchflußraten aufgegeben werden. Der Volumenstrom dieser plasmaerzeugenden Gase wird über Rotameter 9,10 und 12 eingeführt. Die das Plasma erzeugenden und unterhaltenden Gase werden vor der Aufgabe in die Kammer der Plasmafackel 1 miteinander vermischt. Die verdampfbare Siliciumsubstanz, die als Ausgangssubstanz zur Herstellung des Quarzglases dient, ist in einer Blasenkammer 14 enthalten und wird dort auf konstanter Temperatur gehalten. Die verdampfbare SiIiciumverbindung wird aus dieser Vorratskammer 14 verdampft und von einem Trägergas ausgetragen. Dieses Trägergas für die verdampfende Siliciumverbindung ist Sauerstoff, der über das Rotameter 13 eingeleitet wird. Dieses Gemisch aus der verdampfbaren Siliciumverbindung und dem durch die flüssige Phase geperlten Sauerstoff wird dann der über das Rotameter zugeführte Chlorwasserstoff zugemischt. Das so hergestellte Dreikomponentengemisch geht dann zur Düse 6, durch die das gasförmige Beschickungsgemisch in die Plasmafackel 1 eingeführt wird.

Auf diese Weise wird die Bildung des geschmolzenes Quarzglases durch die Reaktion zwischen der Siliciumverbindung, dem Sauerstoff und dem Chlorwasserstoff unterhalten. Das geschmolzene Quarzglas 8 wird dann auf einem Substrat 7 niedergeschlagen, aufgefangen und gesammelt. Das Produktquarzglas 8 enthält die vorgegebene Sollkonzentration an Hydroxylgruppen, die eine direkte lineare proportionale Funktion der Menge des in die Plasmafackel 1 eingeleiteten Chlorwasser-

Stoffs ist. In diesem Fall ist die Hydroxylgruppenkonzentration im Produktquarzglas ausschließlich eine Funktion der Menge bzw. der Konzentration des Chlorwasserstoffs, zumindest solange die übrigen Reaktionsparameter nicht wesentlich verändert werden. Dabei läßt sich die Abhängigkeit der Hydroxylgruppenkonzentration im Produktquarzglas von der Chlorwasserstoffkonzentration in der Fackelbeschichtung zuvor mühelos und exakt aus der in Fig. 1 dargestellten Beziehung ablesen.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird die Umwandlung der verdampfbaren Siliciumverbindung in Siliciumdioxid und die anschließende Überführung dieses so gebildeten Siliciumdioxids in eine Glasmasse durch Aufschmelzen in der Flamme eines Hochfrequenzplasmas durchgeführt, die nach an sich herkömmlicher und gebräuchlicher Weise erzeugt und aufrechterhalten wird/ ohne daß die Betriebsparameter zur Erzeugung dieser Plasmaflamme besonders kritisch sind. Lediglich als die Plasmaflamme unterhaltendes Gas wird Argon, Sauerstoff oder ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff eingesetzt. Das das Plasma unterhaltende Gas sollte frei von Wasserstoff sein.

Als verdampfbare Siliciumverbindung als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Quarzglas kann ein Silan der allgemeinen chemischen Formel R SiX, dienen, in der R eine Alkylgruppe, Phenyl oder auch Wasserstoff ist, X ein Halogenatom oder eine Alkoxygruppe ist und η eine ganze Zahl von 0 bis bedeutet. Vorzugsweise wird jedoch, wie eingangs ausführlich dargelegt, als verdampfbare Siliciumverbindung Siliciumtetrachlorid, SiCl., eingesetzt, das ebenfalls unter die vorstehend angegebene allgemeine chemische Formel fällt. Als weitere Beispiele für Substanzen, die von der genannten allgemeinen chemischen Formel umfaßt werden, seien die folgenden genannt: Trichlorsilan, SiHCL₃, Dichlorsilan,

und andere Chlorsilane sowie Organochlorsilane, insbesondere Dimethyldichlorsilan, (CH ) SiCl„, Methyldichlorsilan, (CH-)HSiCl„ und Methylalkoxysilane wie insbesondere Methyltrimethoxysilan, CH_Si(OCH ) . Unter den vorstehend genannten Silanen sind die Organochlorsilane weniger geeignete Substanzen, da sie bei der thermischen Zersetzung zur Bildung von freiem Kohlenstoff neigen. Auch werden, wie bereits eingangs ausgeführt, Wasserstoffatome enthaltende Silane in aller Regel zur Verwendung im Verfahren gemäß der Erfindung nicht besonders geeignet sein, da sie einerseits zur Explosion neigen und andererseits die angestrebte Genauigkeit der Einstellung der Hydroxylgruppenkonzentration im klargeschmolzenes Produktquarzglas ungünstig beeinträchtigen. Aus diesem Grunde wird zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung vorzugsweise Siliciumtetrachlorid eingesetzt. Bekanntlich ist Siliciumtetrachlorid bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit, die bei 60⁰C siedet. Bevor daher das Siliciumtetrachlorid im Gemisch mit geeigneten Trägergasen, insbesondere Chlorwasserstoff enthaltendem Sauerstoff, in die Plasmaflamme getragen wird, muß das Siliciumtetrachlorid verdampft werden. Diese Verdampfung des Siliciumtetrachlorids kann dabei in zweckmäßiger und gebräuchlicher Weise durch Einblasen des Trägergases in das flüssige Siliciumtetrachlorid erfolgen, das in einer Blasenkammer vorgelegt ist. Eine solche Anlage ist in der Fig. 2 gezeigt.

Der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung der Siliciumverbindung bzw. dem Silan zuzusetzende Chlorwasserstoff kann entweder mit dem die Plasmaflamme unterhaltenden Gas oder mit dem Trägergas für die Siliciumverbindung bzw. für den Dampf der Siliciumverbindung oder mit beiden gemischt und in diesem Gemisch der Plasmafackel zugeführt werden. Dabei ist die Gesamtmenge bzw. die Gesamtkonzentration des Chlorwasserstoffs so zu bestimmen, daß die Sollkonzentration der Hydroxylgruppen im klargeschmolzenen Produktquarzglas einge-

stellt wird. Auf diese Weise kann durch eine geeignete Steuerung und Regelung der in den Plasmareaktionsraum gelangenden Menge Chlorwasserstoff die Konzentration der im Quarzglas enthaltenen Hydroxylgruppen im Bereich von 1 bis 1000 ppm exakt eingestellt werden.

Zusammengefaßt schafft das Verfahren gemäß der Erfindung also eine Möglichkeit zum gezielten und gesteuerten Einbau von Hydroxylgruppen in Quarzglas, und zwar insbesondere innerhalb des vorstehend angegebenen Konzentrationsbereiches. Innerhalb dieses Bereiches kann die Hydroxylgruppenkonzentration im Quarzglas mit einer Genauigkeit von kleiner als oder höchstens gleich 15% festgelegt, eingestellt und reproduziert werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich darüber hinaus in bequemer Weise auch zur kontinuierlichen Herstellung von Quarzgläsern, und zwar auch zur Herstellung von Quarzgläsern mit gesteuert variablem Hydroxylgruppengehalt je nach Maßgabe der durch den Einsatzzweck bestimmten Anforderungen.

Das Verfahren ist an Hand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Argon und Sauerstoff werden gasförmig mit Flußraten von 15 l/min bzw. 20 l/min in eine Plasmafackel eingeleitet. Die Plasmaflamme wird in der so gespeisten Plasmafackel durch einen Hochfrequenzgenerator mit einer Ausgangsleistung von 10 kW bei einer Frequenz von 4 MHz erzeugt. Das gasförmige Reaktionskomponentengemisch besteht aus Siliciumtetrachlorid, Sauerstoff und Chlorwasserstoff, die jeweils mit Zufuhrraten von 0,5 l/min, 1,5 l/min bzw. 0,206 l/min, entsprechend einem Wasserstoffgehalt von 0,958 Atom-%, bezogen auf den insgesamt zugeführten Sauerstoff, zugeführt werden. Der gasförmige Beschickungsstrom des Reaktionskompo-

nentengemisches wird direkt auf die Plasmaflamme geblasen. Das auf diese Weise in der Plasmaflamme gebildete und geschmolzene Siliciumdioxid wird auf der oberen Kappe oder Spitze eines Quarzglasstabes mit einem Durchmesser von 10 mm aufgefangen, der als Substrat dient und senkrechtstehend unmittelbar unterhalb der Plasmaflamme angeordnet ist. Im Verlauf von 5 h kontinuierlichen Betriebs unter den dargestellten Bedingungen wird ein Quarzglasstab mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 54 mm auf dem Substratstab erhalten. Die mittlere Wachstumsgeschwindigkeit beträgt 48 g/h.

Der so erhaltene Quarzglasblock wird hinsichtlich seiner Hydroxylgruppenkonzentration analysiert. Dabei wird im Kern des erhaltenen Quarzglasstabes eine Hydroxylgruppenkonzentration von 53 ppm und in einer relativ dünnen Oberflächenschicht eine Konzentration von 48 ppm gemessen. Diese Meßwerte liegen mit einer tolerierbar kleinen Variationsbreite innerhalb des ursprünglich vorgegebenen Sollwertes von 5 0 ppm.

Beispiel 2

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wird mit der Abänderung wiederholt, daß die Zufuhrrate des Chlorwasserstoffs auf 0,426 l/min, entsprechend einem Wasserstoffgehalt von 1,98 Atom-%, bezogen auf die Gesamtbeschickung an Sauerstoff, entsprechend einer Verdoppelung der Sollkonzentration der Hydroxylgruppen auf 100 ppm im Quarzglas, erhöht wird. Nach 5 h kontinuierlichem Betrieb weist der aufgewachsene Quarzglasstab einen Durchmesser von 50 mm und eine Höhe von 57 mm auf. Die mittlere Wachstumsgeschwindigkeit beträgt 46 g/h. Im Kern des so hergestellten Quarzglasstabes wird eine Hydroxylgruppenkonzentration von 103 ppm und in einer dünnen oberflächennahen Außenschicht eine Hydroxylgruppenkonzentration von 98 ppm bestimmt. Beide

Analysenwerte liegen hinreichend und zufriedenstellend genau in einem engen Streubereich um die Sollkonzentration von 100 ppm. '

Vergleichsbeispiel

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wird mit der Abänderung wiederholt, daß statt des im Beispiel 1 verwendeten Chlorwasserstoffs 3,10 l/min molekularer Wasserstoff bzw. 0,952 l/min Wasserdampf in die Plasmafackel eingeleitet werden, wobei diese Wertö wiederum auf eine Sollkonzentration der Hydroxylgruppen im Produktquarzglas von 50 ppm abgestellt sind. Nach 5 h kontinuierlichem Betrieb wird im Kernbereich des erhaltenen Quarzglasstabes eine Hydroxylgruppenkonzentration von 65 ppm und in einem dünnen oberflächennahen Bereich eine Hydroxylgruppenkonzentration von 60 ppm gemessen, wenn molekularer Wasserstoff als Wasserstoff quelle eingesetzt wird. Bei Einsatz von Wasserdampf als Wasserstoffquelle wird im Kernbereich eine Hydroxylgruppenkonzentration von 47 ppm und im oberflächennahen Bereich des erhaltenen Quarzglasstabes eine Hydroxylgruppenkonzentration von 38 ppm gemessen. Alle vier Werte weichen erheblich von der aus Eichkurven vorgegebenen Sollkonzentration von 50 ppm ab.

Wenn zur Einstellung einer verdoppelten Hydroxylgruppensollkonzentration von 100 ppm im Produktquarzglas die Zuflußrate des Wasserdampfes auf 2,04 l/min erhöht wird, wird im Kernbereich des erhaltenen Quarzglasstabes eine Hydroxylgruppenkonzentration von 130 ppm und im oberflächennahen Bereich des Quarzstabes eine Hydroxylgruppenkonzentration von 140 ppm gemessen.

Claims

PATENTANWÄLTE

SHI-114

Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.

6-1, Otemachi 2-chome, Chiyoda-ku,

Tokyo (Japna)

Verfahren zur Herstellung von Quarzglas

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von Quarzglas, dadurch gekennzeichnet , daß gasförmiger Chlorwasserstoff und Sauerstoff mit dem Dampf-einer verdampfbaren Siliciumverbindung unter Bildung eines gasförmigen Reaktionsgemisches miteinander vermischt werden,

daß das so hergestellte gasförmige Reaktionsgemisch in eine oder auf eine Plasmaflamme geblasen wird, die in einem Gasstrom eines das Plasma unterhaltenden Gases erzeugt wird, wobei die Siliciumverbindung zersetzt und zu Siliciumdioxid oxidiert wird, das bei der Temperatur der Plasmaflamme geschmolzen vorliegt bzw. entsteht, und daß das so hergestellte geschmolzene Siliciumdioxid dann auf einem Substrat unterhalb der Plasmaflamme niedergeschlagen wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die verdampfbare Siliciumverbindung Siliciumtetrachlorid ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,

daß das das Plasma unterhaltende Gas Sauerstoff,

Argon oder ein Gemisch dieser beiden Gase ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet ,

daß das das Plasma unterhaltende Gas ebenfalls gasförmigen Chlorwasserstoff enthält.