FI111939B - Method and apparatus for manufacturing a glass coating - Google Patents
Method and apparatus for manufacturing a glass coating Download PDFInfo
- Publication number
- FI111939B FI111939B FI20002668A FI20002668A FI111939B FI 111939 B FI111939 B FI 111939B FI 20002668 A FI20002668 A FI 20002668A FI 20002668 A FI20002668 A FI 20002668A FI 111939 B FI111939 B FI 111939B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- substrate
- nozzle part
- aerosol particles
- flame
- thermal reactor
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B19/00—Other methods of shaping glass
- C03B19/14—Other methods of shaping glass by gas- or vapour- phase reaction processes
- C03B19/1407—Deposition reactors therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B19/00—Other methods of shaping glass
- C03B19/14—Other methods of shaping glass by gas- or vapour- phase reaction processes
- C03B19/1415—Reactant delivery systems
- C03B19/1423—Reactant deposition burners
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
- G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B2207/00—Glass deposition burners
- C03B2207/30—For glass precursor of non-standard type, e.g. solid SiH3F
- C03B2207/32—Non-halide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B2207/00—Glass deposition burners
- C03B2207/30—For glass precursor of non-standard type, e.g. solid SiH3F
- C03B2207/34—Liquid, e.g. mist or aerosol
Description
111939111939
Menetelmä ja laitteisto lasipinnoitteen valmistamiseksiMethod and apparatus for manufacturing a glass coating
Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä tasomaisen, erityisesti tasoaaltojohteissa 5 käytettäväksi soveltuvan lasipinnoitteen valmistamiseksi. Keksinnön kohteena on lisäksi oheisen patenttivaatimuksen 10 johdanto-osan mukainen laitteisto em. menetelmän toteuttamiseksi.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for the production of a planar glass coating, particularly suitable for use in planar waveguides 5. The invention further relates to an apparatus according to the preamble of claim 10 for carrying out the above method.
Optinen tasoaaltojohde (optical planar waveguide) saadaan aikaan 10 muodostamalla sopivan substraatin, esimerkiksi piikiekon päälle erilaisen taitekertoimen omaavia päällekkäisiä lasikerroksia. Perinteisesti piikiekon päälle muodostetaan lasista aluksi ns. alimmainen kuorikerros (undercladding), jonka päälle muodostetaan em. kuorikerrosta hieman suuremman optisen taitekertoimen omaava ydinkerros (core). 15 Tähän ydinkerrokseen muokataan haluttu aaltojohdekuvio esimerkiksi fotolitografisia (photolithographic) menetelmiä käyttäen. Ydinkerroksen päälle muodostetaan edelleen kolmas, hieman ydinkerrosta pienemmän optisen taitekertoimen omaava ns. päällimmäinen kuorikerros (upper cladding). Näin muodostetussa aaltojohderakenteessa valo ete-20 nee ydinkerroksessa samaan tapaan kuin optisen valokuidun ytimessä.The optical planar Waveguide is obtained by forming overlapping layers of glass having a different refractive index on a suitable substrate, for example a silicon wafer. Traditionally, so-called glass is initially formed on the top of a silicon wafer. an undercladding layer on which is formed a core layer with an optical refractive index slightly higher than the above layer. The desired waveguide pattern is formed in this core layer, for example, using photolithographic methods. A third so-called optical refractive index with a slightly lower optical refractive index is formed on the core layer. upper cladding. In the waveguide structure thus formed, light is ete-20 absorbed in the core layer in the same manner as in the optical fiber core.
Optisia tasoaaltojohteita käytetään nykyisin hyvin laajasti erilaisissa sovelluksissa. Esimerkkeinä tasoaaltojohteiden eräistä tärkeimmistä sovellusalueista mainittakoon tietojenkäsittely- ja tietoliikennetekniikka ·. 25 sekä erilaiset mittaus- ja anturisovellukset. Tasoaaltojohteet mahdol listavat optisten rakenteiden ja elementtien pakkaamisen samalle substraatille pieneen tilaan kompaktiksi kokonaisuudeksi, jolla pienen koon lisäksi etuina voivat olla mm. pienet optisen signaalin häviöt sekä suuri toimintanopeus. Näissä suhteissa tasoaaltojohteilla voidaan aja-30 telia siis saavutettavan samankaltaisia etuja kuin perinteisillä integroiduilla piireillä (integrated circuits), joissa samalla substraatilla käytetään pelkästään sähköisiä komponentteja. Optisiin tasoaaltojoh-teisiin voidaan samalle substraatille yhdistää nykyisin optisten komponenttien ja rakenteiden lisäksi myös sähköisiä komponentteja ja ‘ . 35 rakenteita.Optical level waveguides are now widely used in a variety of applications. Examples of some of the most important applications of planar waveguides are computing and telecommunications ·. 25 and various measuring and sensor applications. Planar waveguides enable the packaging of optical structures and elements on the same substrate in a small space to form a compact unit which, in addition to being small in size, may have advantages, e.g. low optical signal losses and high operating speed. In this respect, flat waveguides can thus drive 30 Telia to the same benefits as traditional integrated circuits, which use only electronic components on the same substrate. Nowadays optical components and structures can be combined with optical flat waveguides on the same substrate as well as electrical components and '. 35 structures.
Ί11939 2Ί11939 2
Eräs tunnettu ja laajasti käytetty menetelmä optisissa tasoaaltojoh-teissa tarvittavien lasikerrosten muodostamiseksi on ns. liekkihydro-lyysipinnoitus FHD (Flame Hydrolysis Deposition).One known and widely used method for forming the layers of glass required in optical flat waveguides is the so-called "glass". Flame Hydrolysis Deposition (FHD).
5 US-patentissa 5,622,750 on kuvattu eräs tapa tasoaaltojohteissa käytettävien lasikerrosten muodostamiseksi FHD-menetelmää käyttäen. Em. patentissa kuvatussa menetelmässä lasin valmistuksessa tarvittavat lähtöaineet sekoitetaan yhteen liuokseksi, josta liuoksesta muodostetaan aerosolipisaroita, jotka aerosolipisarat johdetaan kanto-10 kaasun mukana polttimeen ja edelleen liekkiin. Termisenä reaktorina toimivassa liekissä aerosolipisaroista muodostuu aerosolihiukkasia, jotka aerosolihiukkaset edelleen termoforeesin vaikutuksesta ohjautuvat pinnoitettavalle substraatille muodostaen lasimateriaalipin-noitteen. Tasalaatuisen ja tasavahvan pinnoitekerroksen aikaansaami-15 seksi substraattia liikutellaan liekkiin nähden poikittaissuuntaisessa tasossa edestakaisin pinnoituksen aikana. Kun FHD-menetelmällä on saatu kasvatettua sopiva pinnoitekerros lasimateriaalia substraatin päälle, sintrataan em. pinnoitekerros tiiviiksi lasikerrokseksi lämpökä-sittelemällä substraatti korkeassa lämpötilassa erillisessä uunissa.U.S. Patent No. 5,622,750 discloses one way of forming glass layers for use in planar waveguides using the FHD method. Em. in the process described in the patent, the starting materials required for the manufacture of glass are mixed together into a solution, which is formed into aerosol droplets, which aerosol droplets are introduced with the carrier gas into the burner and further to the flame. In a thermal reactor flame, aerosol droplets form aerosol particles, which aerosol particles are further directed to the substrate to be coated by thermophoresis to form a glass material coating. In order to provide a uniform and uniform coating layer, the substrate is moved back and forth in a plane transverse to the flame during coating. Once a suitable coating layer of glass material has been grown on the substrate by the FHD method, the above coating layer is sintered to a dense glass layer by heat treatment of the substrate at a high temperature in a separate furnace.
2020
Patentissa US 5,622,750 esitetyssä FFID-menetelmässä, samoin kuin myös muissa tunnetuissa menetelmissä, joissa käytetään liekkiä, plasmaa tai jotain muuta termistä reaktoria synnyttämään lähtöaineista nanometrien kokoluokkaa olevia aerosolihiukkasia, ohjautuvat pinnoit-/; 25 teen muodostavat aerosolihiukkaset pinnoitettavaan kohteeseen olen naisesti termoforeesin vaikutuksesta. Ts. termisenä reaktorina toimivan liekin tms., ja sitä merkittävästi kylmemmän substraatin välisestä lämpötilagradientista johtuen termisessä reaktorissa muodostuvat aerosolihiukkaset ajautuvat lämpöliikkeensä ja siitä aiheutuvien keski-30 näisten törmäysten vaikutuksesta kohti substraattia. Aerosolihiukkasten pienestä koosta ja vähäisestä massasta johtuen niiden liekistä saamalla, substraattia kohti suuntautuvalla liikemäärällä (massa x nopeus) on termoforeesiin verrattuna vähäinen merkitys aerosolihiukkasten kuljettamisessa substraatin pinnalle.The FFID process disclosed in U.S. Patent No. 5,622,750, as well as other known processes using a flame, plasma, or other thermal reactor to generate nanometer-sized aerosol particles from the starting materials, is guided by coating; 25 would consist of aerosol particles to be coated to substantially the thermophoresis effect. Ts. Due to the temperature gradient between the thermal reactor flame or the like and the significantly cooler substrate, the aerosol particles formed in the thermal reactor are shifted by their thermal motion and the resulting collisional meander toward the substrate. Due to the small size and low mass of the aerosol particles, the momentum (mass x velocity) towards the substrate resulting from their flame is of minor importance in transporting the aerosol particles to the surface of the substrate.
3535
Tasoaaltojohteen sisältämien lasikerrosten homogeenisella laadulla (haluttu lasikerroksen paksuus, haluttu lasikerroksen koostumus, lasi- 3 111939 kerroksen sisältämät paikalliset virheet) on erittäin keskeinen merkitys tasoaaltojohteen optisiin ominaisuuksiin ja edelleen tasoaaltojohteen käytettävyyteen. Optisten ominaisuuksien lisäksi tasoaaltojohteen eri lasikerrokset tulee sovittaa mekaanisilta ominaisuuksiltaan, kuten esi-5 merkiksi lämpölaajenemisen osalta toisiinsa sopiviksi kestävien rakenteiden aikaansaamiseksi. Nämä kaikki em. seikat edellyttävät valmistusprosessin erittäin tarkkaa hallintaa.The homogeneous quality of the layers of glass contained in the flat waveguide (desired glass layer thickness, desired glass layer composition, local defects in the glass 11113939 layer) plays a very important role in the optical properties of the flat waveguide and further in the usability of the flat waveguide. In addition to optical properties, the various layers of glass of a flat waveguide should be matched for mechanical properties such as thermal expansion, to provide durable structures. All of the above require very careful control of the manufacturing process.
Nyt käsillä olevan keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on aikaan-10 saada uusi termisen reaktorin käyttöön perustuva menetelmä tasomaisen, erityisesti tasoaaltojohteessa käytettäväksi soveltuvan lasipin-noitteen valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistusprosessin hallinta ja säädettävyys ovat merkittävästi parempia kuin nykyisin tunnetuissa menetelmissä. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksin-15 nön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.The main object of the present invention is to provide a novel process based on the use of a thermal reactor for the production of a planar glass coating, particularly suitable for use in a planar waveguide, in which the control and adjustability of the manufacturing process is significantly better than currently known methods. To accomplish this purpose, the method according to the invention is essentially characterized in what is set forth in the characterizing part of independent claim 1.
Keksinnön tarkoituksena on edelleen aikaansaada em. menetelmän toteuttava laitteisto. Keksinnön mukaiselle laitteistolle on vastaavasti 20 pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 10 tunnusmerkkiosassa.It is a further object of the invention to provide an apparatus implementing the above method. Correspondingly, the apparatus according to the invention is essentially characterized by what is disclosed in the characterizing part of the independent claim 10.
Keksintö perustuu keskeisesti siihen ajatukseen, että käytettäessä termistä reaktoria, kuten esimerkiksi liekkiä muodostamaan lasipin-·.·; 25 noitteen aikaansaamisessa tarvittavia aerosolihiukkasia, niin sen sijaan .että aerosolihiukkaset liikkuisivat pinnoitettavalle substraatille olennai-/*/·. sesti ainoastaan termoforeesin synnyttämien voimien vaikutuksesta, järjestetään sopivan paine-eron avulla termisessä reaktorissa syntyvien aerosolihiukkasten ja kaasujen virtaus mainitulta reaktorilta kohti 30 substraattia. Tällöin paine-erosta aiheutuvan kaasuvirtauksen mukana liikkuvilla aerosolihiukkasilla on merkittävä termoforeettiset voimat ylittävä liikemäärä, jolloin tämän liikemäärän vaikutuksesta aerosolihiuk-/*: kaset törmäävät ja kiinnittyvät substraattiin, ts. lasipinnoitteen muodostus substraatille tapahtuu ns. impaktioon perustuen. Impaktion . 35 aikaansaamiseksi tarvittava kaasuvirtaus aikaansaadaan järjestämällä *: sopiva paine-ero termisen reaktorin ja substraatin välille asetetun 4 111939 suutinosan ylitse, jonka mainitun suutinosan mainittu kaasuvirtaus läpäisee.The invention is essentially based on the idea that when using a thermal reactor, such as a flame, to form a glass surface. 25 aerosol particles needed to provide the coating, so that the aerosol particles would move substantially / * / · onto the substrate to be coated. Because of the forces generated only by thermophoresis, the flow of aerosol particles and gases from said reactor towards the 30 substrates is arranged by a suitable pressure difference. In this case, the aerosol particles traveling with the gas flow due to the pressure difference have a significant amount of momentum exceeding the thermophoretic forces, whereby this momentum causes the aerosol particle / * cartridges to collide and adhere to the substrate, i.e. glass coating on the substrate. based on impact. Impact. The gas flow required to provide 35 is achieved by providing *: a suitable pressure difference between the thermal reactor and the substrate over the set 4111939 nozzle portion which is permeated by said gas flow of said nozzle portion.
Aerosolihiukkasten liike kaasuvirtauksen mukana suutinosan lävitse 5 mahdollistaa tekniikan tasoa huomattavasti paremman pinnoituspro-sessin hallinnan, koska keksinnön mukaisesti aerosolihiukkasia voidaan kaasuvirtaukseen vaikuttaen ohjata nyt hiukkassuihkuna impaktoitumaan tarkemmin haluttuun kohtaan substraattia, ja aerosolihiukkasia voidaan edelleen tarvittaessa myös luokitella niiden aerody-10 naamisen koon perusteella tasalaatuisemman pinnoitteen muodostamiseksi. Em. kokoluokittelu voidaan toteuttaa aerodynaamiseen koko-erotteluun perustuen, jonka fysikaaliset periaatteet ovat sinänsä tunnettuja mm. aerosolihiukkasten mittaamiseen ja erotteluun tarkoitetuista laitteista.The movement of the aerosol particles with the gas flow through the nozzle part 5 allows for a much better control of the coating process, since according to the invention, the aerosol particles can now be . Em. size classification can be carried out on the basis of aerodynamic size separation, the physical principles of which are known per se, e.g. apparatus for measuring and separating aerosol particles.
1515
Keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa termisessä reaktorissa aikaansaadut aerosolihiukkaset ohjataan kaasuvirtauksen mukana virtausta ohjaavan suutinosan lävitse impaktoitumaan hiukkassuihkuna substraatin pintaan, jolloin mainittu impaktio mahdol-20 listaa termoforeesiin perustuvaa pinnoitteen muodostumista merkittävästi tiiviimmän pinnoitekerroksen aikaansaamisen. Em. keksinnön mukaisella tavalla aikaansaadusta pinnoitekerroksesta voidaan sintra-uksen yhteydessä muodostaa erittäin homogeeninen lopullinen lasi-kerros.In a preferred embodiment of the invention, the aerosol particles generated in the thermal reactor are guided through the gas flow through the flow control nozzle portion to impart a particle jet to the surface of the substrate, whereby this effect significantly facilitates thermophoresis coating formation. Em. the coating layer provided in accordance with the invention can be used to form a very homogeneous final glass layer in connection with Sintra.
,·. 25·. 25
Suutinosan muotoilulla voidaan tarvittaessa vaikuttaa substraatin pintaan osuvaan hiukkassuihkuun, sen poikkileikkauksen muotoon ja nopeuteen, jolloin hiukkassuihku voidaan esimerkiksi rajoittaa kohdistumaan vain haluttuun kohtaan substraattia. Tällöin substraattia ·;' 30 hiukkassuihkun suhteen, hiukkasuihkun etenemissuuntaan nähden poikkisuuntaan liikuttelemalla voidaan aikaansaada joko tasavahvuinen pinnoitekerros koko substraatin pinnan alalle, tai sopivasti substraattia hiukkassuihkun suhteen liikuttelemalla pinnoitekerroksen vahvuutta voidaan säätää tarvittaessa myös erilaiseksi eri kohdissa substraatin ; 35 pintaa.If necessary, the nozzle part design can influence the particle jet hit on the surface of the substrate, the shape and velocity of its cross-section so that, for example, the particle jet can be limited to a desired location on the substrate. In this case, the substrate ·; ' With respect to the particle beam, moving across the direction of the particle beam may provide either a uniform coating layer over the entire surface area of the substrate, or by appropriately moving the substrate relative to the particle beam, the coating layer may also be adjusted differently at different positions; 35 surfaces.
5 1119395, 111939
Substraattiin osuvan kaasuvirtauksen nopeutta säätämällä voidaan substraattiin impaktoituvia aerosolihiukkasia edelleen luokitella niiden aerodynaamiseen koon perusteella siten, että ainoastaan tiettyä kokoa suuremmat hiukkaset impaktoituvat substraatille muodostaen pinnoi-5 tetta. Em. ylipäästöhiukkassuotimen tapaan toimivan kokoluokittelun avulla pinnoitteen muodostumiseen osallistuvien aerosolihiukkasten kokojakauma saadaan säädettyä kapeammaksi estämällä siis tiettyä kokoa pienempien aerosolihiukkasten osallistuminen pinnoitteen muodostumiseen. Tämän seurauksena muodostuva pinnoite on 10 laadultaan homogeenisempaa.By adjusting the velocity of the gas stream flowing into the substrate, aerosol particles that can be imparted to the substrate can be further categorized by their aerodynamic size such that only particles larger than a certain size will impact the substrate to form a coating. Em. size categorization, similar to a high-emission particle filter, makes the size distribution of the aerosol particles involved in coating formation narrower, thus preventing the participation of aerosol particles smaller than a certain size in the coating formation. As a result, the resulting coating is of a more homogeneous quality.
Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa ennen kaasuvirtauksen ohjaamista termiseltä reaktorilta suutinosan lävitse kohti substraatin pintaa, kaasuvirtaus ja sen sisältämät aerosolihiukkaset ohjataan ensin 15 ns. esierotusasteen kautta. Tämä esierotusaste toimii alipäästöhiuk-kassuotimena poistaen kaasuvirtauksesta tiettyä suuremmat aerosolihiukkaset ennen kaasuvirtauksen ja sen sisältämien aerosolihiukkasten ohjaamista suutinosan lävitse varsinaiselle substraatille pinnoitteen muodostamiseksi. Esierotusasteen avulla voidaan estää termisessä 20 reaktorista tulevien liian isojen hiukkasten pääsy substraatille. Tällaisiä hiukkasia voi syntyä esimerkiksi termisenä reaktorina toimivan liekin muodostamisessa käytettävän kaasupolttimen kuonaantuessa, ja kuonakappaleiden edelleen irrotessa kaasuvirtauksen mukaan.In another embodiment of the invention, before directing the gas flow from the thermal reactor through the nozzle portion toward the surface of the substrate, the gas flow and the aerosol particles contained therein are first controlled by a so-called. through pre-separation. This pre-separation stage acts as a low-emission particle filter, removing larger than certain aerosol particles from the gas stream before guiding the gas stream and the aerosol particles contained therein through the nozzle portion to form a coating on the actual substrate. The pre-separation rate can be used to prevent too large particles from the thermal reactor from reaching the substrate. Such particles can be generated, for example, when the gas burner used to generate the flame, which is used as a thermal reactor, slags, and the slag bodies further detach according to the gas flow.
25 Tarvittaessa edellä selostettuja keksinnön mukaisia ylipäästö- ja ali-. päästöhiukkasuotimien tapaan toimivia ratkaisuja yhdistämällä voidaan pinnoitteen muodostumiseen osallistuvien aerosolihiukkasten kokojakauma säätää halutuksi, jolloin pinnoitteen muodostamiseen osallis-'· tuvat aerosolihiukkaset ovat myös keskenään koostumukseltaan 30 mahdollisimman tasalaatuisia ja muodostuva pinnoite saadaan siten ...: koostumukseltaan homogeeniseksi.Where appropriate, the above-described high-pass and low-pass according to the invention. By combining solutions similar to emission particulate filters, the size distribution of the aerosol particles involved in coating formation can be adjusted to the desired level, so that the aerosol particles involved in coating formation are as homogeneous as possible in composition and thus obtain a homogeneous composition.
Nyt esillä olevan keksinnön avulla päästään siis termisen reaktorin käyttöön perustuvia tunnetun tekniikan tason menetelmiä huomatta-/ . 35 vasti parempaan valmistusprosessin hallintaan ja säädettävyyteen ' ; tasomaisia lasipinnoitteita valmistettaessa. Tämä mahdollistaa edel- 6 111939 leen esimerkiksi korkeampilaatuisten optisten tasoaaltojohteiden valmistamisen.Thus, the present invention provides considerable prior art methods based on the use of a thermal reactor. 35 for better control and control of the manufacturing process'; in the manufacture of flat glass coatings. This enables, for example, the production of higher quality optical flat waveguides.
Seuraava esimerkkien avulla suoritettava keksinnön yksityiskohtai-5 sempi selitys havainnollistaa alan ammattimiehelle edelleen selvemmin keksinnön edullisia suoritusmuotoja sekä keksinnöllä tunnettuun tekniikan tasoon nähden saavutettavia etuja.The following more detailed description of the invention, by way of example, will further illustrate to the person skilled in the art the preferred embodiments of the invention as well as the advantages of the invention over the prior art.
Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viittaamalla oheisiin 10 piirustuksiin, joissa kuva 1 havainnollistaa periaatteellisesti keksinnön erästä edullista suoritusmuotoa, 15 kuva 2 esittää periaatteellisesti substraatille osuvien aerosolihiukkasten kokojakaumaa kuvan 1 tilanteessa, kuvat 3a-3c havainnollistavat yläkuvantoina, ts. kaasuvirtauksen ete-nemissuunnasta katsottuna periaatteellisesti suutinosan 20 aukon/aukkojen sijoittelua, kuva 4 havainnollistaa periaatteellisesti keksinnön erästä toista suoritusmuotoa, ja ·.. 25 kuva 5 esittää periaatteellisesti substraatille osuvien aerosolihiuk- ,·, kasien kokojakaumaa kuvan 4 tilanteessa.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 illustrates in principle a preferred embodiment of the invention; Fig. 4 illustrates in principle another embodiment of the invention, and Fig. 5 illustrates the size distribution of aerosol particles, pellets that hit the substrate in the situation of Fig. 4.
: \ Kuvassa 1 on esitetty keksinnön ensimmäinen suoritusmuoto. Termi- nen reaktori 10 on suljettu ensimmäiseen kammioon 11. Ensimmäinen 30 kammio 11 on yhdistetty suutinosan 12 avulla toiseen kammioon 13 siten, että ensimmäinen kammio 11 ja toinen kammio 12 muodostavat yhdessä kaasutiiviin, ympäröivästä ilmakehästä erotetun järjestelmän.Figure 1 shows a first embodiment of the invention. The thermal reactor 10 is closed to the first chamber 11. The first chamber 11 is connected by a nozzle member 12 to the second chamber 13 such that the first chamber 11 and the second chamber 12 together form a gas-tight system separated from the surrounding atmosphere.
Terminen reaktori 10 voi olla poltin, jossa muodostetaan liekki palavia . 35 ja hapettavia polttokaasuja 14 polttaen, ja johon liekkiin lasin muodos- tamisessa tarvittavat lähtöaineet 15 tuodaan esimerkiksi aerosoli- pisaroina kantokaasun mukana, joista mainituista aerosolipisaroista 7 111939 liekissä muodostuu edelleen lasipinnoitteen muodostamisessa tarvittavia aerosolihiukkasia 16. Polttokaasuina 14 voidaan käyttää esimerkiksi vetyä + happea tai metaania + happea.The thermal reactor 10 may be a burner which generates a flame. 35 and oxidizing combustion gases 14, to which the flame starting materials 15 for glass formation are introduced, for example, as aerosol droplets with the carrier gas, from which said aerosol droplets 7111939 further form aerosol particles 16 for the glass coating formation. oxygen.
5 Lähtöaineina 15 voidaan käyttää esimerkiksi pii- tai germaniumtetraklo-ridia, tai kloorivapaita lähtöaineita kuten TEOS (engl. tetraethylortosili-cate) tai GEOS (engl. tetraethoxygermanium) sopivassa muodossa. Ns. monikomponenttisen lasin muodostamiseksi lähtöaineet 15 voivat edellisten lisäksi sisältää sopivassa muodossa myös harvinaisia maa-10 metalleja ja lantanideja, kuten esimerkiksi erbiumia ja/tai neodyymia, sekä edelleen myös alumiinia, fosforia, booria ja/tai fluoria.For example, silicon or germanium tetrachloride, or chlorine-free starting materials such as TEOS or tetraethoxygermanium GEOS in suitable forms may be used as starting materials. In addition to the above, the starting materials 15 may also contain, in appropriate form, rare earth metals and lanthanides such as, for example, erbium and / or neodymium, as well as aluminum, phosphorus, boron and / or fluorine to form so-called multi-component glass.
Edullisesti terminen reaktori 10 on suomalaisessa patentissa numero 98832 tai kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI99/00818 15 esitetyn mukainen liekkiruisku, jossa liekkiruiskussa osa lasimateriaalin muodostamisessa tarvittavista lähtöaineista 15 voidaan johtaa liekkiin 10 nestemäisessä muodossa siten, että mainittu lähtöaine/-aineet pisa-roitetaan aerosolipisaroiksi vasta liekin 10 välittömässä läheisyydessä juuri ennen niiden johtamista liekkiin 10. Tällä saavutetaan se merkit-20 tävä etu, että liekkiin 10 syötettävät yksittäiset aerosolipisarat sisältävät käytetyn nestemäisen lähtöaineen eri ainesosat tarkasti ko. aineosien alkuperäisessä suhteessa, koska näiden ainesosien toisistaan eroavat höyrynpaineet eivät ehdi vaikuttaa aerosolipisaroiden koostumukseen. Mikäli aerosolipisarat muodostetaan jossain muualla, esimerkiksi 25 kauempana liekistä 10 erillisessä säiliössä josta ne johdetaan kanto-kaasun avulla edelleen liekkiin 10, niin tällöin suuremman höyryn-paineen omaavat ainesosat syöttyvät matalamman höyrynpaineen omaavia ainesosia tehokkaammin, jolloin aerosolipisaroiden koostumus ei tarkasti vastaa lähtöaineena käytettävän nesteen alkuperäistä 30 koostumusta. Kantokaasua käytettäessä pienten aerosolipisaroiden pinnalta myös höyrystyy ainesosia epähomogeenisessa suhteessa riippuen mainittujen ainesosien höyrynpaineiden välisistä eroista, jolloin aerosolipisaroiden koostumus muuttuu niiden ollessa kantokaasun kuljettamina.Preferably, the thermal reactor 10 is a flamethrower as disclosed in Finnish Patent No. 98832 or International Patent Application PCT / FI99 / 00818 15, wherein a portion of the precursors 15 required to form the glass material can be led to the flame 10 in liquid form by aerosolizing said precursor (s). 10 immediately prior to their introduction into the flame 10. This provides the significant advantage that the individual aerosol droplets fed to the flame 10 contain precisely the various constituents of the liquid precursor used. in the original proportions of the ingredients, since the different vapor pressures of these ingredients do not affect the composition of the aerosol droplets. If aerosol droplets are formed elsewhere, for example 25 farther from the flame 10 in a separate container from which they are further conveyed by the carrier gas to the flame 10, the higher vapor pressure components will be fed more efficiently to the lower vapor pressure components, of the composition. When using carrier gas, small aerosol droplets also vaporize the ingredients in an inhomogeneous proportion, depending on differences in vapor pressures of said ingredients, whereby the composition of the aerosol droplets changes as they are carried by the carrier gas.
35 Käyttämällä termisenä reaktorina 10 em. suomalaisessa patentissa numero 98832 tai kansainvälisessä patenttihakemuksessa t t 8 111939 PCT/FI99/00818 esitetyn mukaista liekkiruiskua etuna on edelleen se, että liekkiin 10 voidaan syöttää suurempia ainemääriä verrattuna sellaisiin menetelmiin, joissa aerosolipisarat muodostetaan kauempana liekistä 10 ja kuljetetaan liekkiin 10 kantokaasun mukana. Suurilla 5 nestemäisten lähtöaineiden 15 syöttömäärillä kantokaasua käytettäessä aerosolipisaroiden koko pyrkii kuljetuksen aikana kasvamaan mm. koagulaatiosta ja agglomeraatiosta johtuen ennen aerosolipisaroiden joutumista liekkiin 10. Lisäksi käytettävän kuljetuskanavan, esimerkiksi putkiston seinämille tapahtuu häviöitä ja tätä kautta kuljetus-10 kanava myös pyrkii likaantumaan vaikeuttaen edelleen prosessin hallintaa. Suomalaisessa patentissa numero 98832 tai kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI99/00818 esitetyn mukaista liekki-ruiskua termisenä reaktorina 10 käyttäen aerosolipisaroista tuotettujen aerosolihiukkasten koko on tyypillisesti luokkaa 20 - 80 nm, jolloin 15 aerosolihiukkasten kapea kokojakauma mahdollistaa keksinnön mukaista kokoluokittelua käyttäessä suuren saannon, ts. hyvän pinnoitteen kasvunopeuden.35 The use of a flame spray as disclosed in the above-mentioned Finnish Patent No. 98832 or International Patent Application No. 8 111939 PCT / FI99 / 00818 as a thermal reactor further has the advantage that larger amounts of material can be fed to flame 10 compared to methods of aerosol droplet formation from 10 with carrier gas. At high feed rates of liquid starting materials 15, when using carrier gas, the size of the aerosol droplets during transport tends to increase e.g. due to coagulation and agglomeration before the aerosol droplets reach the flame 10. In addition, losses occur on the walls of the transport channel used, for example piping, and thereby the transport channel also tends to become dirty, further complicating process control. Aerosol droplets produced from aerosol droplets as disclosed in Finnish Patent No. 98832 or International Patent Application PCT / FI99 / 00818 as a thermal reactor 10 typically have a size in the range of 20 to 80 nm, with a narrow size distribution of 15 aerosol particles. the growth rate.
Keksintö ei kuitenkaan rajoitu pelkästään em. liekkiruiskun käyttöön 20 termisenä reaktorina 10. Terminen reaktori 10 voi olla myös mikä tahansa muu alan ammattimiehelle ilmeinen tapa sellaisen korkean paikallisen lämpötilan tuottamiseksi, jossa vastaavat aerosolihiukkasia synnyttävät reaktiot saadaan aikaan. Tällaisia mahdollisuuksia ovat esimerkiksi erilaiset plasmat, joita voidaan aikaansaada esimerkiksi 25 sähkövirran tai laservalon avulla. Lasimateriaalin muodostamisessa tarvittavat lähtöaineet 15 voidaan myös tuoda prosessiin millä tahansa sinänsä tunnetulla tavalla.However, the invention is not limited to the use of the aforementioned flame spray 20 as a thermal reactor 10. The thermal reactor 10 may also be any other method apparent to one skilled in the art for providing a high local temperature where the corresponding aerosol particle generating reactions are accomplished. Such possibilities include, for example, various plasmas, which can be achieved, for example, by means of electric current or laser light. The starting materials 15 required to form the glass material may also be introduced into the process by any means known per se.
Termisessä reaktorissa 10 lähtöaineista 15 syntyneet aerosolihiukkaset • 30 16 liikkuvat suutinosan 12 läpi ensimmäisestä kammiosta 11 toiseen kammioon 13 ja kohti substraattia 17 kaasuvirtauksen 18 mukana, joka kaasuvirtaus 18 aikaansaadaan järjestämällä sopiva paine-ero ensim-mäisen kammion 11 ja toisen kammion 13 välille suutinosan 12 ylitse. Edullisesti em. paine-ero aikaansaadaan imupumpun 19 avulla, joka 35 imupumppu 19 poistaa kaasua toisesta kammiosta 13. On luonnolli-sesti selvää, että paine-ero voidaan aikaansaada myös järjestämällä ylipaine ensimmäiseen kammioon 11 suhteessa toiseen kammioon 13.The aerosol particles from the starting materials 15 in the thermal reactor 10 move through the nozzle portion 12 from the first chamber 11 to the second chamber 13 and toward the substrate 17 with the gas stream 18 which is provided by providing a suitable pressure differential between the first chamber 11 and the second chamber 13 . Preferably, the aforementioned pressure difference is achieved by means of a suction pump 19, which suction pump 19 removes gas from the second chamber 13. It is, of course, obvious that a differential pressure can also be obtained by applying excess pressure to the first chamber 11 relative to the second chamber 13.
9 111939 Tällöin kaasu voi virrata ulos toisesta kammiosta myös ilman imu-pumppua 19.9 111939 The gas can then flow out of the other chamber even without the suction pump 19.
Substraatti 17 voi olla piitä, lasia, kvartsia tai muuta tarkoitukseen sopi-5 vaa materiaalia. Substraatti 17 on edullisesti muodoltaan ohut pyöreä kiekko, esimerkiksi piikiekko, mutta myös muun muotoisten substraattien käyttö on mahdollista.The substrate 17 may be silicon, glass, quartz, or other suitable material. The substrate 17 is preferably in the form of a thin circular disk, for example a silicon wafer, but other forms of substrate are also possible.
Substraattiin 17 osuessaan kaasuvirtaus 18 muuttaa jyrkästi 10 suuntaansa. Tällöin pienimmät aerosolihiukkaset 16 joiden aerodynaaminen koko on sellainen, että ne pystyvät seuraamaan suuntaansa nopeasti muuttavaa kaasuvirtausta 18 sen kohdatessa ja kiertäessä substraatin 17, eivät osu lainkaan substraattiin 17, ja eivät siten osallistu pinnoitteen muodostamiseen. Em. kokoa suuremmat aerosolihiuk-15 kaset eivät taas vastaavasti pysty seuraamaan kaasuvirtausta 18 ja impaktoituvat substraattiin 17 muodostaen pinnoitetta. Substraattiin 17 osuvan kaasuvirtauksen 18 nopeutta, ja siten aerosolihiukkasten kokoluokittelua (ylipäästöä) voidaan säätää muuttamalla suutinosan 12 etäisyyttä substraatista 17 ja/tai vaihtelemalla suutinosassa 12 olevien 20 aukon/aukkojen 20 kokoa ja/tai muuttamalla suutinosan 12 yli vaikuttavaa paine-eroa. Aerodynaamisen kokoluokittelun fysikaaliset perusteet ovat sinänsä hyvin tunnettuja, eikä niitä sen vuoksi ole tarkoituksenmukaista käsitellä tässä sen enempää.Upon contact with the substrate 17, the gas stream 18 changes sharply 10 in its direction. Thus, the smallest aerosol particles 16 having an aerodynamic size such that they are able to follow the rapidly changing gas flow 18 as it encounters and rotates the substrate 17 do not hit the substrate 17 at all and thus do not contribute to the formation of the coating. Em. larger size aerosol particle cartridges, respectively, are unable to follow the gas flow 18 and are impregnated into the substrate 17 to form a coating. The velocity of the gas flow 18 into the substrate 17, and thus the size rating (overflow) of the aerosol particles can be adjusted by changing the distance of the nozzle portion 12 from the substrate 17 and / or varying the size of the 20 orifices 20 in the nozzle portion 12 The physical basis of aerodynamic size classification is well known per se and therefore it is not appropriate to go into further detail here.
25 Kuvassa 2 on esitetty periaatteellisesti substraatille 17 impaktoituvien ja lasipinnoitetta muodostavien aerosolihiukkasten 16 kokojakaumaa kuvan 1 mukaisessa tilanteessa. Substraatille 17 pääsevät impaktoi-tumaan ainoastaan aerodynaamiselta kooltaan tiettyä raja-arvoa suuremmat aerosolihiukkaset (ylipäästö), jotka kuvassa 2 kuuluvat 30 viivoituksella merkitylle alueelle.Fig. 2 shows the size distribution of the aerosol particles 16, which in principle affect the substrate 17 and form the glass coating in the situation shown in Fig. 1. Only aerosol particles larger than a certain threshold of aerodynamic size (high emission), which fall within the area marked by the 30 lines in Fig. 2, will be able to influence the substrate 17.
Suutinosa 12 voi sisältää yhden tai useamman aukon 20 kaasuvir-tauksen ohjaamiseksi substraattia 17 kohti. Kuvissa 3a-3c on yläku-vantona, ts. kaasuvirtauksen 18 etenemissuunnasta katsottuna esitetty .· . 35 periaatteellisesti muutamia esimerkkejä aukon/aukkojen 20 sijoittami- *; sesta ja muodosta suutinosassa 12. Kuvissa 3a-3c on pyöreän sub straatin 17 sijainti suhteessa suutinosaan 12 esitetty periaatteellisesti I · • · 10 111939 katkoviivalla. Liikuttamalla suutinosaa 12 (ja samalla myös termistä reaktoria 10) suhteessa substraattiin 17 voidaan aikaansaada joko tasapaksuinen pinnoitekerros koko substraatin 17 pinnan alalle, tai pinnoitekerroksen paksuutta voidaan säätää tarvittaessa myös erilai-5 seksi eri kohdissa substraatin 17 pintaa.The nozzle member 12 may include one or more apertures 20 for directing the gas flow toward the substrate 17. Figures 3a-3c are a top view, i.e., viewed from the direction of travel of the gas flow 18. ·. 35 basically a few examples of the positioning of the aperture (s) 20; 3a-3c, the position of the circular sub-substrate 17 relative to the nozzle portion 12 is shown in principle by a dashed line I · · · 10111939. By moving the nozzle member 12 (and also the thermal reactor 10) relative to the substrate 17, either a uniform coating layer can be provided over the entire surface area of the substrate 17, or the thickness of the coating layer may also be adjusted differently at different locations on the substrate 17 surface.
Kuvissa 3a-3c esitetystä poiketen suutinosa 12 voi tarvittaessa olla substraattiin 17 nähden myös huomattavasti kuvissa 3a-3c esitettyä pienempi, jolloin hiukkassuihku saadaan kohdistettua tarkemmin halu-10 tulle kohtaa substraattia 17. Tämä mahdollistaa kuvioiden muodostamisen pinnoitekerrokseen suutinosaa 12 ja substraattia 17 toisiinsa nähden liikuttamalla. Pinnoitekerroksen paksuuden lisäksi pinnoitekerroksen paikallisia ominaisuuksia voidaan tarvittaessa muuttaa myös vaihtelemalla lähtöaineiden 15 syöttöä/koostumusta liikutettaessa 15 suutinosaa 12 substraattiin 17 nähden. Em. tavoilla on mahdollista valmistaa myös tasapaksuinen pinnoitekerros, jossa lasimateriaalin koostumus ja sen seurauksena lasimateriaalin ominaisuudet vaihte-levat paikallisesti.3a-3c, the nozzle member 12 may also be substantially smaller than the substrate 17, if necessary, to allow the jet of particles to be more precisely targeted to the desired substrate 17. This allows the coating layer to be patterned by moving the nozzle member 12 and the substrate 17 relative to one another. In addition to the thickness of the coating layer, the local properties of the coating layer may also be changed, if necessary, by varying the feed / composition of the starting materials 15 when moving the nozzle member 12 relative to the substrate 17. Em. it is also possible to produce a uniform coating layer in which the composition of the glass material and consequently the properties of the glass material vary locally.
20 Pinnoitusprosessiin ja substraatin 17 pinnalle muodostuvan pinnoitteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa myös muuttamalla substraatin 17 etäisyyttä suutinosasta 12. Tämä vaikuttaa ensinnäkin substraatin 17 pinnalle impaktoituvien aerosolihiukkasten 16 aerodynaamiseen koko-luokitteluun suuttimen 12 ja substraatin 17 välisten kaasuvirtauksen 18 25 virtausolosuhteiden muuttuessa, ja toiseksi sillä voidaan vaikuttaa myös aerosolihiukkasten 16 viipymäaikaan kaasuvirtauksessa 18. Em. viipymäaika vaikuttaa aerosolihiukkasten 16 ominaisuuksiin, ja siten myös substraatille 17 muodostuvan pinnoitteen ominaisuuksiin.The coating process and the properties of the coating formed on the surface of the substrate 17 may also be influenced by changing the distance of the substrate 17 from the nozzle portion 12. This first affects the aerodynamic size classification of the aerosol particles 16 impinging on the substrate 17 as the gas flow between nozzle 12 and substrate 17 the residence time of the aerosol particles 16 in the gas stream 18. Em. the residence time affects the properties of the aerosol particles 16, and thus also the properties of the coating formed on the substrate 17.
30 Substraatin liikutus toisessa kammiossa 13 suhteessa suutinosaan 12 voidaan toteuttaa mitä tahansa sinänsä tunnettuja menetelmiä käyttäen. On myös mahdollista että suutinosan 12 ja substraatin 17 välisen suhteellinen liike toteutetaan liikuttamalla suutinosaa 12 ja termistä reaktoria 10 suhteessa toiseen kammioon 13, johon • . 35 kammioon 13 nähden substraatti 17 pysyy tällöin paikoillaan.Movement of the substrate in the second chamber 13 relative to the nozzle portion 12 may be accomplished by any of the methods known per se. It is also possible that the relative movement between the nozzle member 12 and the substrate 17 is effected by moving the nozzle member 12 and the thermal reactor 10 relative to the second chamber 13 to which:. 35 relative to the chamber 13, the substrate 17 is then held in place.
• · « 11 111939• · «11 111939
Kuvan 3c mukainen suutinosa 12 mahdollistaa yhdessä, aukkoon 20 nähden poikittaisessa suunnassa (kuvassa 3c suunta z) paksuudeltaan hallitusti muuttuvan lasikerroksen muodostamisen substraatin 17 pinnalle suutinosaa 12 ja substraattia 17 toisiinsa nähden mainitussa 5 suunnassa z liikuttamalla. Tällä tavoin on mahdollista muodostaa esimerkiksi ns. taper-elementti, joka mahdollistaa optisen tasoaalto-johteen valokanavan, ts. ydinkerroksen paksuuden muuttamisen tietyllä matkalla (z-suunnassa) hitaasti siten, että ydinkerroksessa etenevä valo ei karkaa ympäröiviin kuorikerroksiin. Näin voidaan sovittaa eri-10 laisten valojohteiden (esimerkiksi valokuitu) tai valolähteiden (esimerkiksi puolijohdelaser) kytkeminen tasoaaltojohteen reunaan hyvällä hyötysuhteella sovittamalla valokanavien koko toisiaan vastaaviksi.The nozzle member 12 of Fig. 3c allows one layer of glass of variable thickness transversely to the aperture 20 (direction z in Fig. 3c) to be formed on the surface of the substrate 17 by moving the nozzle member 12 and the substrate 17 relative to each other in said z direction. In this way, it is possible to form, for example, so-called. a taper element that allows the optical plane waveguide light channel, i.e., the thickness of the core layer, to be slowly changed over a given distance (in the z direction) so that light propagating through the core layer does not escape to the surrounding skin layers. In this way, different types of light conductors (e.g., fiber optic) or light sources (e.g., semiconductor laser) can be matched to the edge of the planar waveguide with good efficiency by matching the size of the light channels.
Substraatti 17 on pinnoitustapahtuman ajaksi kiinnitetty tiiviisti alustan 15 21 päälle hyvän lämmönjohtavuuden aikaansaamiseksi mainitun alus tan 21 ja substraatin 17 välille. Em. kiinnitys voi tapahtua sinänsä tunnetulla tavalla esimerkiksi imemällä substraatti 17 alipaineella kiinni alustaan 21, tai kiinnitys voi tapahtua myös mitä tahansa muuta alan ammattimiehelle ilmeistä tapaa käyttäen.During the coating process, the substrate 17 is sealed onto the substrate 15 21 to provide good thermal conductivity between said substrate 21 and the substrate 17. Em. the attachment may be effected in a manner known per se, for example by suctioning the substrate 17 under reduced pressure onto the substrate 21, or the attachment may also be by any other means apparent to one skilled in the art.
2020
Alusta 21 voi olla järjestetty lämmitettäväksi ja/tai jäähdytettäväksi, jolloin alustan 21 avulla voidaan substraatin 17 lämpötilaa säädellä pinnoitusprosessin hallitsemiseksi.The substrate 21 may be arranged to be heated and / or cooled, whereby the substrate 17 may be controlled by the substrate 17 to control the coating process.
25 Substraatin 17 lämpötilaa alustan 21 lämmityksen avulla kohottamalla voidaan tarvittaessa estää pienimpien aerosolihiukkasten 16 kiinnitty-: mistä substraatille 17, koska kuuma substraatti 17 aiheuttaa tällöin ns.By raising the temperature of the substrate 17 by heating the substrate 21, it is possible, if necessary, to prevent the smallest aerosol particles 16 from adhering to the substrate 17, since the hot substrate 17 then causes so-called.
käänteisen termoforeettisen ilmiön, jonka seurauksena pienimpien aerosolihiukkasten 16 voimakas lämpöliike estää niitä kiinnittymästä 30 substraatille 17.inverse thermophoretic phenomenon, as a result of which the vigorous heat movement of the smallest aerosol particles 16 prevents them from attaching to the substrate 17.
> »> »
Aerosolihiukkasten 16 estämiseksi kiinnittymästä ensimmäisen kammion 11 ja/tai toisen kammion 13 seinämille, on mainittujen kammioiden seinämät järjestetty tarvittavilta osin lämmitettäviksi esi-35 merkiksi sähkövastusten avulla. Edelleen on mahdollista, että myös ‘; suutinosa 12 on järjestetty lämmitettäväksi.In order to prevent the aerosol particles 16 from adhering to the walls of the first chamber 11 and / or the second chamber 13, the walls of said chambers are arranged to be heated as necessary by means of electrical resistors. It is still possible that also '; the nozzle part 12 is arranged to be heated.
I · 12 111939I · 12 111939
Kuvassa 4 on esitetty keksinnön eräs toinen suoritusmuoto, jossa ennen kaasuvirtauksen 18 ohjaamista termiseltä reaktorilta 10 suutin-osan 12 lävitse kohti substraatin 17 pintaa, kaasuvirtaus 18 ohjataan ensin esierotusasteen 41,42 kautta. Virtausohjaimesta 41 ja keräys-5 alustasta 42 koostuva esierotusaste toimii alipäästöhiukkassuotimena poistaen kaasuvirtauksesta 18 aerodynaamiselta kooltaan tiettyä suuremmat aerosolihiukkaset 16, jotka impaktoituvat ja kiinnittyvät keräysalustalle 42.Figure 4 illustrates another embodiment of the invention wherein, prior to directing the gas flow 18 from the thermal reactor 10 through the nozzle portion 12 towards the surface of the substrate 17, the gas flow 18 is first controlled through a pre-separation stage 41.42. The pre-separation stage consisting of a flow guide 41 and a collection-5 substrate 42 acts as a low-emission particle filter, removing from the gas stream 18 aerosol particles 16 of a certain size which are impacted and adhered to the collecting medium 42.
10 Esierotusasteen 41,42 avulla voidaan estää termisessä reaktorista 10 tulevien liian isojen aerosolihiukkasten 16 pääsy substraatille 17. Tällaisia hiukkasia voi syntyä tietty määrä aerosolihiukkasia muodostavan prosessin toimiessa normaaliin tapaan, tai liian isoja hiukkasia voi syntyä myös ajoittain tilanteessa jossa prosessin normaali toiminta 15 häiriintyy. Tällainen häiriötilanne tilanne voi syntyä esimerkiksi liekin muodostamisessa käytettävän kaasupolttimen kuonaantuessa, ja kuonakappaleiden irrotessa kaasuvirtauksen 18 mukaan, tai esimerkiksi käytettäessä laserablaatiota, ts. laservalon avulla synnytettyä plasmaa lähtöaineiden höyrystämiseksi kiinteästä olomuodosta aero-20 solipartikkeleiksi.10 A pre-separation rate of 41.42 can prevent too large aerosol particles 16 from the reactor 10 from reaching the substrate 17. Such particles may be generated by a normal amount of aerosol particles forming process, or may be generated from time to time during normal process operation. Such a disturbance situation may arise, for example, when a gas burner used to generate a flame is slagged and the slag bodies detached according to the gas flow 18, or, for example, using laser ablation, i.e., laser light generated plasma to vaporize precursors from Aero-20 solids.
Kuvassa 5 on esitetty periaatteellisesti substraatille 17 impaktoituvien ja lasipinnoitetta muodostavien aerosolihiukkasten 16 kokojakaumaa kuvan 4 mukaisessa tilanteessa. Substraatille 17 pääsevät impaktoi-25 tumaan ainoastaan aerodynaamiselta kooltaan tiettyyn kokoluokkaan, : kuvassa 5 viivoituksella merkitylle alueelle kuuluvat aerosolihiukkaset, f Kuvassa 5 esierotusasteen 41,42 aiheuttamaa alipäästöhiukkas- suodatusta on merkitty käyrällä 2, ja suutinosan 12 ja substraatin 17 keskinäisestä vaikutuksesta aiheutuvaa ylipäästöhiukkassuodatusta on < t 30 merkitty käyrällä 1 (vrt. kuva 2).Figure 5 illustrates the size distribution of the aerosol particles 16 which are substantially activatable to the substrate 17 and form the glass coating in the situation shown in Figure 4. The substrate 17 has access to the impacted nucleus only in a specific size range of aerodynamic size; t 30 is marked by curve 1 (see Figure 2).
· ·· ·
Em. esierotusaste 41,42 voi tarvittaessa käsittää myös useampia virtausohjaimen 41 ja keräysalustan 42 muodostamia erillisiä ja peräk- "· käisiä impaktoriasteita. Impaktoriasteiden käyttöön perustuva hiukkas- • . 35 kokoluokittelu, tällaisen impaktorin toteutus ja toiminta yleensä mukaan < · lukien useampiasteisen impaktorin peräkkäisten asteiden mitoitus, sekä aerosolipartikkelien aerodynaamisen koon tarkempi määrittely *»· 13 111939 ovat alan ammattimiehille sinänsä tunnettuja asioita, eikä niitä siten tässä yhteydessä keksintöön varsinaisesti kuulumattomina käsitellä enempää.Em. the pre-separation degree 41.42 may also include, if necessary, a plurality of discrete and sequential impeller stages formed by the flow controller 41 and the collecting tray 42. Particle size classification based on the use of the impeller stages, including the design and operation of such an impactor; as well as a more precise definition of the aerodynamic size of aerosol particles. * 13 131939 are known to those skilled in the art, and are therefore not discussed further herein as being outside the scope of the invention.
5 Esierotusaste 41,42 voi olla tarvittaessa järjestetty lämmitettäväksi esimerkiksi sähköisesti estämään aerosolihiukkasten 16 ei-toivottu kiinnittyminen esierotusasteen 41,42 eri komponenttien pinnoille.If necessary, the pre-separation stage 41.42 may be arranged to be heated, for example electrically, to prevent unwanted adhesion of the aerosol particles 16 to the surfaces of the various components of the pre-separation stage 41.42.
Kun edellä esitettyjä keksinnön suoritusmuotoja käyttäen substraatin 10 17 pinnalle on saatu muodostettua halutunkaltainen kerros aerosoli hiukkasia, lopetetaan pinnoitekerroksen muodostus/kasvatus joko sammuttamalla terminen reaktori 10 kokonaisuudessaan tai lopettamalla aerosolihiukkasten muodostamiseen käytettyjen lähtöaineiden 15 syöttäminen termiseen reaktoriin 10, ja/tai liikuttamalla substraatti 17 15 sivuun aerosolihiukkassuihkun alta.Once the desired embodiments of aerosol particles have been formed on the surface of substrate 10 using the above embodiments of the invention, formation / growth of the coating layer is terminated either by shutting down the thermal reactor 10 completely or by discontinuing the over.
Tämän jälkeen substraatin 17 pinnalle oleva pinnoitekerros, joka tässä vaiheessa on vielä huokoinen, vain osittain toisiinsa kiinni sulaneista hiukkasista koostuva kerros, sintrataan tiiviiksi lasimateriaaliksi kohot-20 tarinalla alustan 21 lämpötilaa siten, että substraatille impaktoituneet hiukkaset sulavat yhteen muodostaen homogeenisen lasikerroksen. Vaihtoehtoisesti substraatti 17 voidaan kuumentamalla tapahtuvaa sintrausta varten siirtää myös erilliseen uuniin, jossa sintraus suoritetaan sinällään tunnettuja menetelmiä käyttäen.Subsequently, the coating layer on the surface of the substrate 17, which at this stage is still a porous layer consisting only of partially adhered particles, is sintered into a compact glass material with a story of substrate 21 such that the particles imparted to the substrate melt together to form a homogeneous glass layer. Alternatively, the substrate 17 for sintering by heating may also be transferred to a separate furnace where sintering is carried out using techniques known per se.
v. 25v. 25
Yhteenvetona voidaan todeta, että keksinnön mukaista menetelmää ja laitteistoa käyttäen päästään termisen reaktorin käyttöön perustuvia » tekniikan tason menetelmiä merkittävästi parempaan valmistuspro-i sessin hallintaan ja säädettävyyteen. Keksinnön mukaisesti substraa- 30 tille 17 pinnoitteen muodostavat aerosolihiukkaset 16 saadaan ohjattua tekniikan tasoa tarkemmin haluttuun kohtaan substraattia 17, ja substraattia 17 suutinosan 12 suhteen liikuttelemalla voidaan joko aikaansaada koko substraatin 17 pinnan alalle tasapaksuinen pinnoitekerros i · *. tai vastaavasti pinnoitekerros, jonka paksuus muuttuu hallitusti halu- 35 tulla tavalla eri kohdissa substraattia 17. Edelleen muutettaessa lähtö-aineiden 15 syöttöä/koostumusta liikutettaessa suutinosaa 12 sub-In summary, the process and apparatus of the invention provide significantly improved control and controllability of the manufacturing process based on the use of a thermal reactor. According to the invention, the aerosol particles 16 forming the coating on the substrate 17 can be guided more precisely to the desired location on the substrate 17, and by moving the substrate 17 relative to the nozzle part 12, a uniform coating layer i · * can be obtained over the entire surface of the substrate 17. or a coating layer, the thickness of which is controlled in a controlled manner at various points on the substrate 17. Further, when the feed / composition of the starting materials 15 is changed by moving the nozzle part 12,
I II I
» I»I
14 111939 straattiin 17 nähden, voidaan eri kohtiin substraattia 17 valmistaa ominaisuuksiltaan erilaista pinnoitetta.14 111939, the coating 17 can be coated at various points with different properties.
Keksinnön mahdollistama substraatille 17 pinnoitetta muodostavien 5 aerosolipartikkeleiden kokoluokittelu mahdollistaa tekniikan tason menetelmiä korkealaatuisempien pinnoitteiden aikaansaamisen. Tekniikan tason menetelmissä substraatille 17 päätyvät pienet hiukkaset esimerkiksi poikkeavat halutun kokojakauman omaavista suuremmista hiukkasista koostumukseltaan, koska niiden syntypro-10 sessi hiukkasten pinnalle tapahtuvan eri komponenttien kondensaa-tion/koagulaation/agglomeraation osalta poikkeaa suurempien aerosolihiukkasten läpikäymästä syntyprosessista. Pienet hiukkaset voivat myös aiheuttaa kuplia tms. virheitä lasikerrosta sintrattaessa. Samasta syystä myös suuremmilla aerosolihiukkasilla voi olla erilaisesta synty-15 prosessista johtuen erilainen koostumus, ja myös ne voivat aiheuttaa paikallisia virheitä sintrausvaiheessa. Erityisesti laitteiston kuonaantu-misesta tai muusta virhetoiminnosta aiheutuneet suuret hiukkaset aiheuttavat pinnoitteeseen virheitä. Keksinnön avulla pinnoitetta substraatille 17 muodostavien aerosolihiukkasten kokojakauma voidaan 20 rajata kapeammaksi, jolloin mainitut aerosolihiukkaset ovat keskinäiseltä koostumukseltaan tasalaatuisempia, ja siten myös niistä muodostuva pinnoite saadaan hyvin tasalaatuiseksi.The size classification of the aerosol particles 5 forming the coating 17 on the substrate makes it possible to obtain coatings of a higher quality than those of the prior art. For example, in prior art methods, small particles arriving at the substrate 17 differ in composition from the larger particles having the desired size distribution because their process of condensation / coagulation / agglomeration of the various components on the surface of the particles differs from that of larger aerosolized particles. Small particles can also cause bubbles or similar errors when sintering the glass layer. For the same reason, larger aerosol particles may also have a different composition due to the different origin process and may also cause local errors during the sintering step. In particular, large particles caused by slagging or other malfunctioning of the equipment cause defects in the coating. By means of the invention, the size distribution of the aerosol particles forming the coating on the substrate 17 can be narrowed, whereby said aerosol particles are of a more uniform composition, and thus the coating formed therefrom is also very uniform.
Alan ammattimiehelle on luonnollisesti selvää, että edellä keksinnön eri 25 suoritusmuotojen yhteydessä esitettyjä menetelmiä, toimintatapoja ja ;* laitteiston rakenteita eri tavoin yhdistelemällä voidaan aikaansaada » erilaisia keksinnön suoritusmuotoja, jotka ovat keksinnön hengen mukaisia. Tämän vuoksi edellä esitettyjä esimerkkejä ei tule tulkita '·: keksintöä rajoittavasti, vaan keksinnön suoritusmuodot voivat vapaasti 30 vaihdella jäljempänä patenttivaatimuksissa esitettyjen keksinnöllisten piirteiden puitteissa.It will, of course, be apparent to one skilled in the art that various combinations of the methods, procedures, and apparatus structures set forth above in connection with the various embodiments of the invention may provide various embodiments of the invention that are within the spirit of the invention. Therefore, the foregoing examples should not be construed as limiting the invention, but embodiments of the invention may freely vary within the scope of the inventive features set forth in the claims below.
·. Alan ammattimiehelle on luonnollisesti myös selvää, että oheiset *·. piirustukset on tarkoitettu ainoastaan keksinnön havainnollistamiseksi, 35 ja siten niissä esitetyt rakenteet ja komponentit eivät ole piirretty niiden ‘ i oikeita keskinäisiä mittasuhteita vastaavasti.·. It will, of course, be obvious to one skilled in the art that the following * ·. the drawings are intended only to illustrate the invention, 35 and, therefore, the structures and components shown therein are not drawn in the correct mutual dimensions thereof.
I · » * I »I · »* I»
i Ii I.
»»
Claims (21)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20002668A FI111939B (en) | 2000-12-05 | 2000-12-05 | Method and apparatus for manufacturing a glass coating |
AU2002216139A AU2002216139A1 (en) | 2000-12-05 | 2001-12-05 | A method and a device for manufacturing a glass coating |
PCT/FI2001/001057 WO2002046112A1 (en) | 2000-12-05 | 2001-12-05 | A method and a device for manufacturing a glass coating |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20002668A FI111939B (en) | 2000-12-05 | 2000-12-05 | Method and apparatus for manufacturing a glass coating |
FI20002668 | 2000-12-05 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI20002668A0 FI20002668A0 (en) | 2000-12-05 |
FI20002668A FI20002668A (en) | 2002-06-06 |
FI111939B true FI111939B (en) | 2003-10-15 |
Family
ID=8559650
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI20002668A FI111939B (en) | 2000-12-05 | 2000-12-05 | Method and apparatus for manufacturing a glass coating |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU2002216139A1 (en) |
FI (1) | FI111939B (en) |
WO (1) | WO2002046112A1 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8679580B2 (en) | 2003-07-18 | 2014-03-25 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Nanostructured coatings and related methods |
CN100335434C (en) | 2002-07-19 | 2007-09-05 | Ppg工业俄亥俄公司 | Article having nano-scaled structures and a process for making such article |
FI116619B (en) * | 2004-07-02 | 2006-01-13 | Liekki Oy | Method and apparatus for producing optical material and optical waveguide |
FI122502B (en) * | 2007-12-20 | 2012-02-29 | Beneq Oy | Method and apparatus for coating glass |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6074626A (en) * | 1983-09-30 | 1985-04-26 | Fujitsu Ltd | Device for plasma treatment |
JPH06247736A (en) * | 1993-02-24 | 1994-09-06 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Device for synthesis of soot preform for optical fiber |
US5622750A (en) * | 1994-10-31 | 1997-04-22 | Lucent Technologies Inc. | Aerosol process for the manufacture of planar waveguides |
US6328807B1 (en) * | 1999-12-14 | 2001-12-11 | Corning Incorporated | Chuck heater for improved planar deposition process |
-
2000
- 2000-12-05 FI FI20002668A patent/FI111939B/en not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-12-05 WO PCT/FI2001/001057 patent/WO2002046112A1/en not_active Application Discontinuation
- 2001-12-05 AU AU2002216139A patent/AU2002216139A1/en not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI20002668A (en) | 2002-06-06 |
FI20002668A0 (en) | 2000-12-05 |
AU2002216139A1 (en) | 2002-06-18 |
WO2002046112A1 (en) | 2002-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20030020768A1 (en) | Direct write TM system | |
WO2002004698A2 (en) | Particle guidance system | |
US10991548B2 (en) | Modular print head assembly for plasma jet printing | |
KR100934679B1 (en) | Coating Formation by Reactive Deposition | |
US20050046664A1 (en) | Direct writeTM system | |
KR101276391B1 (en) | High rate deposition for the formation of high quality optical coatings | |
EP2473651B1 (en) | Process and apparatus for controlling coating deposition | |
EP1335829B1 (en) | Multilayered optical structures | |
US20070202319A1 (en) | Optical materials with selected index-of-refraction | |
KR20150022858A (en) | Electrostatic method and apparatus to form low-particulate defect thin glass sheets | |
EP1278009A2 (en) | Flame stablizer for burner for flame hydrolysis deposition | |
FI111939B (en) | Method and apparatus for manufacturing a glass coating | |
US6788866B2 (en) | Layer materials and planar optical devices | |
KR100525227B1 (en) | Manufacturing methods of water repellent member and inkjet head | |
Jiang et al. | Laser-treated glass platform for rapid wicking-driven transport and particle separation in bio microfluidics | |
EP1186917A2 (en) | Co-flow diffusion flame burner device for fabricating of optical waveguide | |
FI112648B (en) | Measurement method and measuring device in the manufacturing process of a flat glass surface coating | |
US11938414B1 (en) | Microfluidic film evaporation with femtosecond laser-patterned surface | |
JP2003313656A (en) | Device and method for producing ultrafine particle film | |
Bi et al. | High-throughput planer glass coating using Laser Reactive Deposition (LRD) | |
JP4042644B2 (en) | Manufacturing method of high delta low loss waveguide | |
Lopez et al. | Laser reactive deposition (LRD) processing for planar lightwave circuit (PLC) manufacturing | |
JPH10324532A (en) | Membrane producing device for porously oxidized glass | |
JP2000226220A (en) | Method for forming glass film of optical wave guide | |
JPH05273424A (en) | Production of optical waveguide film |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MA | Patent expired |