KR20010098761A - 불투명 합성 석영 유리로 된 콤포넌트의 제조방법 및 그방법에 의해 제조된 석영 유리 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불투명 합성 석영 유리로 된 콤포넌트 (component) 의 제조 방법 및 본 방법에 의해 제조된 석영 유리튜브에 관한 것이다. 불투명 석영 유리로 만들어지고 높은 화학적 순도 및 고차원 정확성를 가지는 것을 특징으로 하는, 콤포넌트, 특히 얇은 벽면을 가지는 튜브 또는 튜브 섹션의 저비용 생산을 가능하게 하기 위하여, 본 발명은 (i) 0.8 g/cm³이상의 조밀한 벌크 밀도를 가지는 과립물질로 된 SiO₂시초 입자 (primary particle) 의 적어도 부분적으로는 다공질인 응집물로 구성된 고순도의 합성 SiO₂의 과립 물질형태의 초기 물질을 제공하고, (ii) 몰드에 그 과립 물질을 채우고, 그것을 용융 공정을 통해 불투명 석영 유리 예형으로 전환하고, (iii) 불투명 석영 유리로 된 콤포넌트를 얻기 위하여 열적 재형상화 공정 (heat reshaping process) 에서 예형 (preform) 을 재형상화하는 것을 제안한다. 본 방법에 따른 제조된 석영 유리 튜브, 특히 반도체 생산에서 사용되기 적합한 튜브는 콤포넌트의 벽 두께 (wall thickness) 가 0.5 mm 에서 15 mm 의 범위에 있고 (도 3), 불과 100 wt-ppb 의 리튬 함량을 가진 합성 SiO₂의 과립물질로 구성된 석영 유리로 된 것을 특징으로 한다.

Description

불투명 합성 석영 유리로 된 콤포넌트의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 석영 유리 튜브{METHOD FOR MANUFACTURE OF A COMPONENT MADE OF OPAQUE SYNTHETIC QUARTZ GLASS, AND QUARTZ GLASS TUBE MANUFACTURED ACCORDING TO THE METHOD}

본 발명은 불투명 합성 석영 유리로 된 콤포넌트의 제조방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 그 방법에 의해 제조된 석영 유리 튜브에 관한 것이다.

반제품 또는 완제품으로서의 석영 유리튜브, 로드, 패널 및 블록들은, 높은 온도 안정도 및 열 피로 저항과 함께 양호한 열 절연이 필수적인 히트 엔지니어링 응용에 중요한 콤포넌트이다. 특히 반도체 산업의 응용들은 사용된 불투명 석영 유리 튜브 및 콤포넌트의 순도를 점점 더 요구하고 있다. 반응기, 확산 튜브, 열 차폐, 콘 (cone), 또는 플랜지 (flange) 는 단지 소수의 예이다. 이러한 응용들은 주로 스펙트럼의 적외선 영역에서 위의 유리 콤포넌트가 불투명할 것을 요구한다. 저순도 석영 유리에 존재하는 불순물은 유리의 불투명도에 기여한다. 그러나, 순수한 초기 물질로 제조된 석영 유리는 투명해서, 유리 안으로 세공 (pore) 을 인공적으로 도입하여 불투명하게 만들어져야 한다.

본 내용에서, 열적 재형상화 공정에서 불투명 블랭크 (blank) 를 재형상화함으로써 얇은 벽면을 가진 불투명 석영 유리 튜브 또는 튜브 섹션의 제조는 그러한 튜브 및 튜브 섹션이 가지는 얇은 벽면두께로 인해 곤란한 문제를 일으키고, 그 문제는 재형상화 공정에서 열처리될 때 특히 고순도의 초기 물질이 제조에 사용되는 경우 이러한 부분이 쉽게 투명해지도록 한다. 본 발명은 순수한 초기 물질로 제조된 불투명 석영 유리로 된 위의 모든 얇은 벽면을 가진 튜브, 콤포넌트의 제조에 관한 것이다. 순수한 초기 물질로 된 불투명 석영 유리의 제조 방법은, 300 ㎛ 의 평균 입자 크기를 가진 합성 SiO₂입자 및 질화 규소 분말 형태의 첨가물로 구성된 분말 혼합물을 준비하고 그 혼합물을 용융하여, 석영 유리에 불투명도를 만드는 것을 제안하고 있는 EP-A1 816 297 에 설명되어 있다. 용융되자마자, Si₃N₄분말의 열분해는 분말 혼합물의 기체 성분, 예를 들면 질소, 을 제거한다. 기체 성분은 연화된 석영 유리 내에 세공을 형성하고, 형성체 (form body) 의 소정의 불투명도를 제공한다. 그 형성체는 흑연 펠트로 안감을 댄 흑연 몰드내에 분말 혼합물을 배치하고, 전기적으로 가열된 아크에서 1,800 ℃ 의 온도로 진공 가열함으로써 제조된다. 용융되자마자, 위 연화되고 용융된 석영 유리의 전면은 방사상으로 몰드 벽면으로부터 소위 용융 전면 (melting front) 을 형성하는 코어로 이동한다.

임의의 불순물의 존재는 석영 유리의 투명상실 (de-vitrification) 을 발생시켜서, 취약성 및 감소된 열 피로 저항을 일으킬 수 있다. 잔여 첨가물 (residual additive) 은 또한 석영 유리의 이러한 품질 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 비균일한 세공 분포도 역시 장해가 된다. 유리화는 세공 성장법 (pore growth process) 에 수반될 수 있으며,, 세공 성장법에서는 큰 세공이 작은 세공에 비하여 이 단점을 증가시킨다. 그러나, 큰 세공은 불투명도에 단지 아주 조금 기여하고, 불투명 석영 유리의 밀도가 낮아지게 하며, 기계적 안정도 및 석영 유리 형성체의 유효 수명 (serviceable life) 을 감소시킨다.

그러한 형성체로부터 석영 유리 튜브의 제조는, 특히 고차원 정확성이 요구되는 경우, 노동 및 시간 집약적이다. 벽면 두께의 고차원 정확성이, 다른 콤포넌트가 용융에 의해 석영 유리 튜브에 부착되는 모든 응용에서 일반적인 필요조건이다.

본 발명은 불투명 석영 유리로 제조되고 고화학적 순도 및 고차원적 정확성을 특징으로 하는 콤포넌트, 위의 모든 얇은 벽면 튜브 또는 튜브 섹션, 의 경제적인 제조 방법을 제공하는 과업에 기초한다.

본 발명은 또한 위 방법, 특히 반도체의 생산에 사용되는 방법에 의해 제조되는 석영 유리 튜브를 공급하는 과업에 기초한다.

도 1 은 홀로우 실린더의 형성에서 아크에 의해 과립 물질을 유리화 (용융) 하는 공정 단계의 선도이다.

도 2 는 수평 드로잉 공정에서 석영 유리 실린더를 확장 및 탑블로잉함으로써 석영 유리 튜브를 제조하는 방법의 선도이다.

도 3 은 각각의 SiO₂입자의 단면으로 도시된, 본 발명에 따른 SiO₂과립물질의 제 1 실시예의 선도이다.

도 4 는 각각의 스프레이입자의 단면으로 도시된, 스프레이-과립 물질형태의 본 발명에 따른 SiO₂과립 물질의 제 2 실시예의 선도이다.

도 5 는 3 차원적으로 도시된 압출물 (extrudate) 형태의 본 발명에 따른 SiO₂과립 물질의 제 3 실시예의 선도이다.

도 6 은 압출물 형태의 본 발명에 따른 SiO₂과립 물질의 제 4 실시예의 단면도이다.

불투명 석영 유리 콤포넌트의 제조 방법을 제공하는 과업은

(a) 0.8 g/cm³이상의 조밀한 벌크 밀도를 가지는, SiO₂시초 입자의 적어도 부분적으로는 다공질인 응집물들로 구성된 고순도의 합성 SiO₂의 과립 물질형태의 초기 물질을 공급하는 단계;

(b) 몰드에 위의 과립 물질을 도입하고, 용융 공정을 통해 불투명 석영 유리의 예형을 제작하는 단계; 및

(c) 불투명 석영 유리의 콤포넌트의 형성 중에 열적 재형상화 공정에서 예형을 재형상화하는 단계를 포함하는 방법에 의해 해결된다.

본 발명에 따른 방법은 두개 이상의 높은 온도에서 공정 단계 (이후 "열 처리 단계" 또는 "열적 재형상화 공정" 이라 함) 를 수반한다. 위 방법의 단계 (b) 및 (c) 에서, 초기 물질 및 이 초기 물질로부터 제조된 예형은, 각각, 높은 온도에서 처리된다. 본 발명에 따른 방법은 고순도의 초기 물질로부터 제조된 경우라도, 순수한 석영 유리로 제조된, 불투명 콤포넌트가 위에서 설명된 열 처리 단계에 의해 얻어진다는 점에 특징이 있다. 제 2 열적 재형상화 공정은 고차원의 정확성을 가지고 소정 수치로 불투명 콤포넌트의 최종 크기를 조정하는 저비용의 기회를 제공한다. 이는 주로 튜브 형태 콤포넌트의 벽 두께, 내경 및 외경 및 로드 형태 콤포넌트의 외경에 관한 것이다.

공정 단계 (a) 에서, 고순도 합성 SiO₂로 제조된 과립 물질형태로 된 위 초기 물질을 사용하는 것이 본 발명에 따른 방법의 필수 조건이다. 본 발명의 목적에 적합한 고순도 SiO₂초기 물질에서, Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti, Zr 과 같은 불순물의 전체 함량은 1 weight-ppm 이하이다. 본 내용에서, 도핑 물질은 불순물로 간주되지 않는다.

과립 물질은 0.8 g/cm³이상의 조밀한 벌크 밀도를 가지고, SiO₂시초 입자의 적어도 부분적으로는 다공질인 응집물들로 구성된다. 이러한 타입의 시초 입자는, 액체 매질내의 비유기 실리콘 화합물의 하이드로리시스 (hydroly sis) 또는 소위 솔-젤법 (sol - gel procedure) 에 따른 유기 실리콘 화합물의 하이드로시스, 실리콘 화합물의 산화 또는 불꽃 하이드로리시스에 의해 제조될 수 있다.비록 이러한 방법 중의 하나에 의해 제조되는 시초 입자가 고순도에 의해 특징지워지기는 하나, 그들의 낮은 벌크 밀도로 인해 다루기가 어렵다. 따라서, 입자 제조법 (granulation procedure) 에 의해 본 물질을 조밀화하는 것이 일반적이다. 조립화는 미세한 시초 입자를 더 큰 직경의 응집물을 형성하게 한다. 본 발명에 따르는 방법의 성공을 위하여, 과립 물질이 용융될 때, 가스를 그 물질의 내부에 포착시키는 것이 필수적인데, 이는 일정 정도의 다공률 (porosity) 이 존재함을 요구하며, 다공률은 각각의 응집물 내부의 열린 또는 닫힌 세공 공간에 의해 주어질 수 있다. 예형 용융 공정에서, 존재하는 세공 공간의 대부분은 소결 (sintering) 및 붕괴 (collapsing) 단계에서는 닫혀 있다. 그러나, 이미 열린 세공 채널은 백-스캐터링 (back scattering) IR 방사 및 고 IR 불투명도의 이송을 가능하게 하는 다수의 미세한 닫힌 세공으로 전환된다. 표면 피셔를 보이는 러그된 표면 구조로 된 응집물로 구성된 과립 물질을 사용함으로써, 또한 소정 불투명도가 석영 유리안으로 도입될 수 있다. 용융 공정에서, 이러한 피셔는 가스를 포착할 수 있는 세공 공간을 형성하고, 따라서 예형 안에 닫힌 세공을 형성한다. 이러한 미세한, 닫힌 세공은 불투명한 예형을 정제하는 (render) 입사광을 산란한다.

결과로써, 불투명도를 발생시키는 유리화 동안 휘발성으로 되는 첨가물을 첨가할 필요가 없다. 그것은 위에서 설명된 종래 방법에서 행해지기 때문이다. 따라서 첨가물로 석영 유리 내부에 불순물을 도입할 위험은 없다.

0.8 g/cm³이상의 조밀한 벌크 밀도에서, SiO₂과립 물질은 예형을 제조하기 위하여 몰드안에 배치될 수 있다. 조밀한 벌크 밀도는 과립 물질의 다공률의 기준이 되고, DIN ISO 787 part 11 에 따라 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 목적에 적합한 과립 물질의 화학적 및 물리적 속성 뿐만 아니라 그 제조의 더 상세한 사항은 아래에 주어진다.

불투명 석영 유리로 된 예형은 용융 공정을 통해 과립 물질로부터 제조된다. 이러한 목적에서, 그 과립 물질은 몰드 안에 배치되고, 그 안에서 가열되고 용융된다. 과립 물질이 용융 공정의 이전 및 용융과정 중에 동일하게 첨가될 수 있는 반면, 불투명 합성 석영 유리로 된 예형이 얻어지는 것이 필수적이다. 예형은 통상 실린더 형태를 가지지만, 이러한 형태로부터 벗어나 구형이나 콘 형태를 가지는 것은 본 발명의 기술적인 결과에는 무관하다. 예형의 용융 공정이 완료되기 전에, 예형의 적어도 일부분은 과립 물질 또는 벌크 과립 물질의 층으로 존재한다. 간단함을 위해서, 이러한 중간 상태도 역시 "예형" 이라 부르기로 한다.

예형의 외표면의 클리닝 (cleaning) 또는 스무딩 (smoothing) 과 같은 임의의 공정 단계후에, 위 예형은 열적 재형상화 공정을 거치고, 그 공정에서 소정 불투명 석영 유리 콤포넌트는 고차원 정확성을 가지고 제조된다. 열적 재형상화 공정은 다른 형태, 도구 또는 중력에 의해 연화된 예형을 재형상화함으로써 또는 드로잉 공정으로서 수행될 수 있다. 따라서 튜브, 로드, 블록 및 패널과 같은 콤포넌트가 제조될 수 있다. 예형을 콤포넌트로 재형상화하는 공정은 여러 처리 단계에서 또한 수행될 수 있으며, 부가되는 열처리 단계보다 빠르지 않게 콤포넌트가 자신의 지정된 최종 크기 (dimension) 에 도달하기 때문에, 단지 제 1 열 처리 단계에서 제조된 예형이 하나 이상의 부가적인 열처리 단계에서 불투명 석영 유리 콤포넌트로 가공되는 것이 필수적이다. 그 결과, 콤포넌트는 최종 크기의 고차원 정확성을 가지고 제조될 수 있다.

본 발명의 방법은 특히 튜브 또는 튜브 섹션과 같은 형태의 불투명 석영 유리 콤포넌트의 제조에 적합한 것으로 판명되어 있다. 이러한 목적에서, 몰드 로부터 예형을 꺼내어, 예형이 가열 존으로 이동하기 전에 예형의 외표면을 기계적으로 처리하고, 가열 존에서 한쪽 끝에서부터 시작하여 다른 쪽 끝으로 예형이 점차적으로 연화되고, 스트레칭 (stretching) 및 탑 블로잉 (top blowing) 함으로써 예형이 불투명 석영 유리 튜브로 재형상화된다. 본 방법은 특히 얇은 벽 두께 및 정확한 직경 허용오차 (tolerance) 를 가지는 얇은 벽면 튜브의 제조에 적합하다. 이러한 타입의 튜브 및 튜브 섹션의 벽 두께는 0.5 ㎜ 에서 15 ㎜ 의 범위에 있다.

용융 공정을 통해 과립 물질로부터 예형이 준비되는 열 처리 단계를 거친 후, 예형은 하나 이상의 부가적인 열처리 단계를 거치고, 그 단계에서 예형은 연화되고, 스트레칭되고, 탑-블로잉되어 (얇은 벽면의 ) 불투명 석영 유리 튜브로 된다. 고순도의 초기 물질을 사용함에도 불구하고 위에서 설명한 열처리 단계를 통해 불투명 석영 유리 튜브가 얻어진다 - 이는 얇은 벽면 튜브의 제조에서 특히 중요하다- 는 것이 본 방법의 한 특징이다. 또한 고차원의 정확도를 보이는 불투명 석영 유리 튜브의 최종 크기가 부가적인 열처리 단계이후에 얻어진다는 것도 본 발명의 특징이다.

위에서 언급한 특징을 얻기 위한 필수 조건은, 위에서 언급한 바와 같이 고순도 합성 SiO₂의 과립 물질로 구성되어 있는, 본 발명의 방법의 단계 (a) 에 따른 예형의 제조에 초기 물질이 사용된다는 것이다.

몰드에서 예형을 꺼낸 후, 예형의 외표면 -예를 들면 실린더 형태의 예형의 외표면- 의 적어도 일부분은 외표면에서 느슨하게 부착된 물질을 제거하기 위하여 기계적 처리를 거치고, 따라서 표면은 부드러워진다. 외표면을 가능한 매끄럽게 하는 것은 본 방법의 다음 단계에서 고 품질 표면의 생산을 용이하게 한다.

이러한 처리후, 예형은 가열 존으로 이동하여, 가열 존에서 한쪽 끝에서부터 시작하여 다른 쪽 끝으로 연화된다. 본 공정에서, 예형은 스트레칭 및 탑 블로잉함으로써 불투명 합성 석영 유리로 된 얇은 벽면 튜브로 재형상화된다. 스트레칭 및 탑 블로잉은 여러 처리 단계에서 또한 수행될 수 있으며, 제 1 열적 재형상화 공정에서 제조된 예형이 하나 이상의 후속 열적 재형상화 공정을 통해 고차원 정확성에 의해 특성화되는 불투명 석영 유리 튜브로 가공될 수 있다는 것이 필수적이다. 본 발명에 따른 방법은 우선 얇은 벽면을 가지는 각각의 생산품과 함께, 합성 초기 물질로 된 고순도 불투명 석영 유리 튜브의 저비용 생산을 용이하게 한다.

본 발명의 내용에서, 얇은 벽의 석영 유리 튜브는 약 15 ㎜ 이하의 벽 두께를 가지는 튜브로 한정될 것이다. 얇은 벽의 불투명 석영 유리 튜브는 예를 들어 고순도 반도체 물질의 프로세싱 (processing) 을 위한 콤포넌트의 제조에 사용된다.

주입속성 (pourability) 및 양호한 조작 특성으로 인해, 0.9 g/cm³에서 1.4 g/cm³범위의 조밀한 벌크 밀도의 과립 물질로 구성된 초기 물질은 이러한 응용에 특히 적합한 것으로 판명되었으며, 석영 유리의 불투명도에 있어서 -특히 스펙트럼의 적외선부에 있어서- 양호한 결과를 준다.

조밀한 벌크 밀도와 유사하게, 과립 물질의 비표면적은 과립 물질 또는 응집물의 다공률의 기준이 된다. 특히 본 발명에 따른 방법의 목적에 적합한 SiO₂의 과립 물질은 1.0 m²/g 과 40 m²/g 사이의 비표면적 (BET 법에 따른), 바람직하게는 10 m²/g 에서 30 m²/g 사이의 비표면적을 가진다. 과립 물질의 비표면적 (BET 법) 은 이러한 물질의 큰 세공 공간의 결과이며, 외표면보다는 세공 채널에 의해 형성된 내표면을 우선 반영한다. 닫힌 세공에 포착된 가스는 더이상 달아날 수 없기 때문에, 세공 공간과 결합에서 작용하는, 큰 표면은 유리화 동안 가스 상태의 일산화 규소 (SiO) 의 형성을 선호하며, 작은 세공의 소멸을 상쇄한다. 그 결과, 균질한 세공 분포, 고 밀도, 충분한 고 점성도 및 저 투명상실 경향이 특징인 순수한 불투명 석영 유리가 얻어진다. 이러한 타입의 불투명 석영 유리로 된 석영 유리 튜브는 고온에서의 긴 유효 수명 및 양호한 열 절연 특성에 의해 특징지워진다.

특히, 얇은 벽 튜브에서, 후속 열적 재형상화 공정에 앞서 예형의 외표면에 기질 (substance) 을 유도하는 결정화 (crystallization) 를 적용하여 열적 안정성은 더 증가될 수 있다. 열린 세공을 가진 외표면을 가지는 것은 안정화 기질의 침투 (penetration) 및 고정 (fixation) 을 선호한다. 질화 알루미늄 또는 알루미늄 헥사하이드레이트와 같은 액상 알루미늄을 포함한 기질의 스프레이-어플라이 (spray-apply) 에 특히 적합한 것으로 판명되어 있다. 후속 열적 재형상화 공정에서, 결정화 뉴클레이 (nuclei) 는 위 기질로부터 형성되고, 열린 세공의 외표면에 고정된 기질은 결정화 존의 급속한 성장을 선호한다. 결정화 존은 고온에서의 콤포넌트의 사용에서 일찍 발생하는 이른바 "새깅 (sagging)" 을 효과적으로 방지함으로써 열적 안정화 효과를 주고, 따라서 유효 수명을 증가시킨다. 이는 얇은 벽 콤포넌트에 있어서 특히 중요하다.

SiO₂의 과립 물질의 비표면적은 BET 법 (DIN 66132) 에 따라서 결정된다.

본 방법의 바람직한 변형에서는 SiO₂시초 입자의 평균 입자 크기가 0.5 ㎛ 에서 5 ㎛ 범위 또는 0.2 ㎛ 이하이다. 전자가 이른바 "솔-젤" 법에 따르는 유기 실리콘 화합물의 하이드로리시스에 의해 시초 입자를 제조함으로써 얻어질 수 있는 반면에, 0.2 ㎛ 이하의 입자 크기는 비유기 실리콘 화합물의 산화 또는 불꽃 하이드로리시스에 의해 제조된 발열성 시초 입자에서 나타난다. 본 발명의 방법에서 이러한 시초 입자의 혼합물을 제조하고 가공하는 것 또한 실현가능하고, 침전된 규산으로부터 얻어진 시초 입자 역시 사용될 수 있다. 시초 입자의 무정형 구조는 유리화 공정에서의 낮은 투명상실 경향에 기여한다.

본 방법의 두 변형에서, 시초 입자가 큰 자유 표면을 갖는 것이 특징적이다. 물리적 또는 화학적 결합력을 통해 이러한 타입의 대다수 입자의 응집은 본 발명의 목적에 적합한 과립물질이 제조되게 한다. 입자제조는 통상 알려진 방법, 특히 펠레타이징 (pelletizing, 습식 입자제조법), 스프레이건조 (spray-drying) 또는 시초 입자를 포함한 현탁액 (suspension) 또는 매스 (mass) 의 프레셔 (pressure) 입자제조 (밀어냄) 에 의해 영향받을 수 있다. 특히 솔-젤법에 의해 제조된 시초 입자는 과립 물질에 조밀하게 채워져서, 이러한 입자의 다수는 바람직한 구 형태이다. 자유 표면은 인접한 시초 입자의 접촉 표면에 의해 감소한다. 그러나, 위에서 언급한 바와 같이, 또한 닫힌 세공은 유리화 공정 중에 각각의 시초 입자들 사이에서 형성될 수 있다. 5 ㎛ 이하의 작은 평균 입자 크기를 가지는시초 입자가 사용될 때, 따라서 미세한 세공 분포가 얻어진다. 그 평균 입자 크기는 ASTMC1070 에 따라 결정되고, D₅₀값이라 불린다.

각각의 SiO₂입자가 낮은 밀도의 내부 영역이 더 높은 밀도의 외부 영역에 의해 적어도 부분적으로는 둘러싸인 비균일한 밀도 분포를 보이는 과립 물질이 사용된 것이 유리하다. 이는 유리화 동안, 완전히 또는 부분적으로, 가스를 내부 영역에 포착하여 가스가 이탈하는 것을 방지하고, 석영 유리에 의한 불투명도의 획득 및 세공 형성에 기여한다. 바람직하게는 이러한 내부 영역은 더 높은 밀도의 외부 영역에 의해 바깥으로부터 적어도 부분적으로는 격리된 홀로우 (hollow) 공간의 형태이다.

다른 방법으로 또는 부가적으로, 피셔를 가진 응집물의 외표면을 가지는 것이 바람직하다. 고도로 구조화된, 피셔를 가진 외표면은 예형 제조의 용융 공정 중에 가스의 포착 및 세공 형성에 기여한다. 소정 타입의 표면 속성은 밀어냄 (extrusion) 에 의한 과립 물질의 제조에 의해 얻어질 수 있다. 빌드업 과립 (입자화된 과립), 스프레이 과립, 또는 압출 물질과 같은 과립 물질은 본 발명의 목적에 적합한 것으로 판명되어 있다.

응집물 물질이 800 ℃ 에서 1350 ℃ 범위의 온도에서 열처리되어 예비 압축되어 (pre-compacted) 된, 과립 물질을 사용하는 것이 유리하다. 이러한 열 처리는 조밀한 벌크 밀도 및 비표면적이 위에서 언급된 소정 값으로 조정될 수 있도록 한다. 본 공정에서, 유리화 중에 주로 물질의 외부 영역의 세공 채널 및 세공은 줄어들고 닫히도록, 외표면은 다공질의 또는 홀로우 내부 영역보다 더 조밀하게 만들어질 수 있다. 이러한 목적에서, 외부와 내부 영역사이의 초기온도 기울기가 완전히 평형화되기 전 및 압축이 아직 완료되지 않은 동안, 열처리는 중단되거나 연기된다. 이것은 예를 들어 과립이 가열 존을 통과하도록 함으로써 실행하기 쉽다. 염소 (chlorine) 함유 분위기에서 위 열 처리를 수행함으로써, 휘발성 염소 화합물 및 임의의 OH 그룹을 형성하는 임의의 불순물은 제거된다. 이는 과립 물질의 순도 뿐만 아니라 과립 물질로 된 석영 유리의 점성도를 증가시키고, 투명상실 경향을 더 감소시킨다. 염소 함유 분위기는 염소 및/또는 염소화합물을 포함할 수 있다.

100 ㎛ 에서 4000 ㎛ 범위의 평균 입자 크기를 가진 응집물을 구성하는 SiO₂과립 물질을 사용하는 것은 특히 유리하다. 그 것은 100 ㎛ 이하의 입자 크기를 가진 응집물의 미세한 부분을 제거하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 목적에서, 100 ㎛ 이하의 크기를 가진 입자는 일단 형성된 과립 물질로부터 제거되거나 과립 물질의 제조 동안 이러한 입자의 형성이 억제된다. 과립 물질의 예비압축을 위한 열 처리 또는 예형 생산의 용융 공정 동안, 온도 기울기는 더 굵은 과립 입자에서 설정되기가 더 쉽다. 온도 기울기는 외부 영역이 더 밀집되는 입자 내부의 뒤따른 밀도 기울기를 일으키고, 따라서 위에 설명된 바와 같이 용융 공정 동안 세공 형성에 기여한다. 대조적으로, 그 작은 크기로 인해, 미세한 응집물 입자는 소정 타입의 밀도 기울기의 형성을 억제하거나 방해하고, 그 결과로서 미세한 입자의 일부분은 세공 형성에 기여하게 된다.

이 물질로부터 제조된 석영 유리 튜브의 점성도는 5 (weight-ppm) 에서 20 (weight - ppm) 범위의 알루미늄으로 과립 물질을 도핑함으로써 증가될 수 있다. 미세하게 분포되어 도핑한, 나노 스케일 (nano-scale) Al₂O₃입자는 도핑 물질의 균일한 분포를 제공하고, 그들의 큰 비표면적은 본 응용에 특히 적합한 발열성 공정에 의해 이러한 목적으로 특별히 제조된 Al₂O₃입자를 정제한다. 또한 알루미늄 도핑 물질은 예를 들어 질화 알루미늄 또는 염화 알루미늄 용액 형태의 알루미늄 함유 액체 (용액) 에 의해 도입될 수 있다.

예형의 내표면에서 외부로 유리화 전면이 이동하는 과정에서, 빛의 아크 (arc of light) 에서 용융함으로써 불투명 석영 유리로부터 예형을 제조하는 것이 유리하다. 홀로우 실린더 형태의 예형에서, 이러한 내표면은 보어 홀 (bore hole) 의 안쪽 벽에 대응한다. 유리화 전면은 완전히 용융된 물질 및 부분적으로 용융된 물질사이에 어색하게 정의된 위상 경계 (phase boundary) 이다. 부분적으로 용융된 물질이 여전히 열린 세공 및 채널을 함유하고 있는 반면에, 완전히 용융된 물질은 단지 외표면에 접촉되지 않는 닫힌 세공만을 함유한다. 예형은 내부에서부터 가열되고, 유리화 전면은 내부로부터 예형의 벽을 통과하여 외부까지 전파된다. 따라서 승화가 가능한 불순물은 가스 상태로 전이되고, 예형의 다공질 영역을 향하여 유리화 전면의 앞쪽에서 외부로 밀어내고, 이것으로부터 그들은 이탈하거나 흡인될 수 있다.

본 공정에서, 아크를 사용하여, 예형이 회전축 주위를 회전하는 동안 1900 ℃ 를 초과하는 유리화 온도로 안에서 바깥으로 진행하도록 예형을 가열하는 것이 유리하다는 것이 판명되어 있다. 예형의 회전은 예형이 균일하게 가열되도록 하며, 이는 온도 피크 (peak) 및 밀도 기울기의 형성을 방지하는데 필수적이다. 아크에서의 가열에 의해, 예형은 특별히 1900 ℃ 를 초과하는 높은 온도에 노출된다. 이러한 온도에서, 확산 및 매스 전송 공정들은 가속화되어, 불순물, 특히 가스 불순물, 은 승화 및 흡인에 의해 효과적으로 제거될 수 있다.

선호되는 방법에서, 수평 드로잉 공정이 석영 유리 튜브로 예형을 재형상화하는데 사용된다. 수평 드로잉 공정에서, 홀로우 실린더 형태의 예형은 수평방향으로 배향되고, 종축 주위를 회전하게 되고, 그동안 천천히 계속적으로 가열 존으로 이동하고, 그 곳에서 형성 도구에 대하여 부풀려지고 내부 중압에 의해 점차적으로 줄어들게 된다. 본 방법은 특히 0.5 mm 에서 15 mm 의 범위의 벽 두께를 가지는 불투명 석영 유리 튜브의 제조에 적합하다. 적어도 어느 정도에 있어서는, 벽 두께는 또한 주어진 사용 조건하에서는 주어진 튜브 두께에 의해 요구된 기계적 및 열적 안정성에 의존한다. 예를 들면, 보통 250 mm 의 직경을 가진 튜브의 벽 두께는 5 mm 에서 8 mm 사이이다.

동일하게 선호되는 다른 실시예에서, 위 방법의 변형인 수직 드로잉 공정이 예형이 석영 유리 튜브로 재형상화되는데 사용된다. 본 방법은 종축이 수직하게 배향된 홀로우 실린더 형태의 예형을 사용한다. 예형은 계속적으로 가열 존으로 이동하고, 가열 존에서 연화되며, 보통 어떠한 도구도 사용하지 않고 얇은 벽 석영 유리 튜브로 줄어들게 된다. 본 방법은 4 mm 이하의 벽 두께 및 50 mm 이상의 외경을 가진 석영 유리 튜브의 제조에서 선호된다.

튜브 형태의 불투명 석영 유리 콤포넌트에 있어서, 위에 설명된 기술적 과업은 0.5 mm 에서 15 mm 의 범위의 벽 두께를 가지고, 100 wt-ppb 이하의 리튬 함량을 가진 합성 SiO₂로 된 석영 유리 콤포넌트에 의해 해결된다.

본 발명에 따라 제조된 콤포넌트는 다음의 특징에 의해 특성화된다.

(a) 합성 석영 유리로 구성된 콤포넌트는 고순도 및 특히 100 wt-ppb 이하의 적은 리튬 함량을 가지는 것을 통상 특징으로 한다.

(b) 콤포넌트는 0.5 mm 에서 15 mm 범위의 벽 두께의 얇은 벽면을 가진다.

(c) 콤포넌트는 불투명 석영 유리로 구성된다.

석영 유리 제조에 있어서, (a), (b) 의 요구는 특징 (c) (불투명도) 의 달성을 어렵게 한다. 본 발명에 따른 방법은 불투명 고순도 석영 유리로부터 그러한 얇은 벽면 석영 유리 튜브의 제조를 우선 수월하게 한다.

그 고순도 및 불투명도로 인해, 본 방법에 따라 제조된 석영 유리 튜브는 반도체 제조에서 히트 엔지니어링 응용에 특히 적합하다. 이러한 물질로 제조된 콤포넌트의 매우 미세한 세공 분포는 본 발명에 따른 응용 제품에서 매우 양호한 열 절연을 제공한다. 불투명 콤포넌트의 한 쪽에서의 국지적인 온도 피크는 석영 유리의 불투명도에 의해 편평해지고, 콤포넌트의 다른 쪽에서 좀더 균일한 온도 프로파일이 달성된다. 얇은 벽면 석영 유리 튜브는 저 중량, 고 불투명도가 요구되는 응용제품에서 사용된다. 제 1 열적 재형상화 공정에서 예형으로부터 제조된, 본 발명에 따라 제조된 석영 유리 튜브는 하나 이상의 부가적인 열적 재형상화 공정 후에 얻어지고, 후속 열적 재형상화 공정 또는 공정들은 합성 초기 물질로부터 고차원 정확성을 가진 고순도 석영 유리 튜브의 경제적인 제조를 가능하게 한다. 이러한 튜브의 고차원 정확성으로 인해, 다른 석영 유리 튜브, 특히 투명 석영 유리 튜브, 는 정확한 치수의 위 튜브를 용융하여 얻어질 수 있다.

200 wt-ppb 이하, 바람직하게는 60 wt-ppb 이하의 낮은 소듐 (sodium) 함량, 및 200 wt-ppb 이하, 바람직하게는 50 wt-ppb 이하의 낮은 포태슘 (potassium) 함량을 가진 석영 유리를 디자인하는 것은 또다른 개량이다. 알칼리 금속 불순물의 낮은 함량에서, 이러한 타입의 석영 유리는 그 상대적으로 높은 점성도를 특징으로 한다. 리튬 불순물의 레벨은 전형적으로 10 wt-ppb 이하이다.

반도체 생산 및 열 처리 공정의 응용 제품에 있어서, 4 mm 에서 8 mm 의 범위의 벽 두께를 가지는 파트 (part) 를 사용하는 것이 매우 바람직하다.

고온 응용 제품에 있어서, 안정화 층을 구비한 석영 유리 튜브를 사용하는 것이 매우 바람직하다. 본 발명에 따르는 방법의 설명에서 설명된 바와 같이, 안정화 층은 열적 재형상화 공정에 앞서 예형의 외표면에 결정화 도입 콤포넌트를 적용하여 제조될 수 있다. 열적 재형상화를 하는 동안 결정화 존을 열적으로 안정화하는 형태의 안정화 층은 예형의 외표면에서 형성되고, 파트의 고온 응용에서의 새깅 (sagging) 을 방지한다.

본 발명은 실시예에 기초한 다음 설명 및 도면에서 설명될 것이다. 도면에서,

도 1 은 최초 다공질인 형성체 (1) 의 유리화에 의해 불투명 석영 유리에서 홀로우 실린더를 제조하는 본 발명의 방법의 개략도를 나타낸다. 형성체 (1) 의 제조는 다음에 상세하게 설명될 것이다.

습식 입자제조법 (wet granulation procedure) 은 합성 SiO₂로부터 SiO₂과립 물질의 제조에 사용된다. 과립 물질은 크리닝을 위해 Cl₂/HCl 가스 혼합물로 처리된다. 다음의 불순물 함량은 크리닝된 물질에서 weight-ppb 단위로 검출된 것으로 리튬은 10 이하, 소듐은 40, 포태슘은 36, 철 30 이다. 과립 물질의BET 비표면적 및 조밀한 벌크 밀도는 1,200 ℃ 온도에서 튜블러 클린 (tubular klin) 을 회전함에 있어 열적 조밀화에 의해 각각 34 m²/g 및 1.1 g/cm³로 조정된다.

과립 물질은 종축 (3)의 주위를 회전하는 튜브 형태의 금속 몰드 (2) 에 채워진다. 회전 방향은 화살표 4 의 방향으로 도 1 에 나타나 있다. 원심력의 영향 및 템플릿 (template) 에 의해서, 벌크 물질은 회전 방향으로 대칭인 형성체 (1) 안으로 금속 몰드 (2) 의 내벽에서 형태가 만들어진다. 형성체 (1) 의 벌크 층은 약 75 ㎜ 의 내경을 가진 연속되는 보어 홀 (bore hole ;6) 형태로 내부 보어 홀 (5) 과 함께 약 100 ㎜ 두께를 가진다. 벌크 물질은 본 방법의 다음 단계에 앞서 적용된 원심력에 의해 부드럽게 압축된다.

불투명 홀로우 실린더 (12) 의 제조에서, 기계적으로 예비 압축된 형성체 (1) 의 연속하는 존은 형성체 (1)의 내부 보어 (6) 에서부터 외부로 진행하는 아크에서 용융된다. 이러한 목적에서 한 쌍의 전극 (8) 은 형성체 (1) 의 한 쪽 끝에서 시작한 내부 보어 (6)에 삽입되고, 형성체의 반대쪽 끝을 향하는 내벽 (9) 를 따라 계속 이동한다. 한 쌍의 전극 (8) 의 공급 속도는 55 (mm/min) 이다. 상대적으로 낮은 이러한 공급속도에서는 강한 열 절연 벌크 물질 (형성체) 이 전체적으로 충분히 가열되어서, 조밀한 벽이 형성되도록 하게 한다. 아크 (7) 의 온도는 충분히 높아서 형성체 (1) 를 유리화한다. 2,100 ℃ 초과하는 최대 온도가 형성체 (1)의 내벽에서 얻어질 수 있다. 본 공정에서, 유리화 전면 (10)은 형성체의 내부에서 만들어지고, 내부에서 외부로 금속 몰드 (2) 를 향해 진행한다. 형성체 (1) 의 열린 세공 영역 (11) 및 형성체의 부분적으로 용융된 불투명 영역 (12) 사이의 위상 경계에 유리화 존이 대응한다. 유리화 전면 (10) 의 이동 방향 (13), 내부 보어 (6)의 내벽 (9) 에서 외부로 방사상인 방향, 은 도 1 의 화살 방향 (14) 로 도시되어 있다. 한 쌍의 전극 (8) 의 공급 속도는 유리화 존의 이동에 겹쳐진다. 과립 SiO₂에 포착된 가스는 불투명 영역 (12)에 세공 형성 및 소정의 불투명도의 발생을 야기한다.

아크의 높은 온도로 인해, 내부 보어 (6)의 내벽 (9)의 영역은 본 방법의 과정에서 강하게 밀집된다. 이는 용융 공정을 통해 형성체 (1) 로부터 제조된 홀로우 실린더 (12) 내에 투명한 또는 반투명인 석영 유리로 된 내표면층 (15) 을 만든다.

금속 몰드 (2) 에서 제거된 후, 홀로우 실린더 (12) 에 부착된 임의의 모래는 제거되고, 그 외표면은 기계적 폴리싱 (polishing) 에 의해 조심스럽게 연화된다. 도시된 실시예에서, 홀로우 실린더 (12) 는 190 mm 의 외경 및 150 mm 의 내경의 크기를 가진다. 홀로우 실린더 (12) 는 다음 드로잉 과정에서 요구된 불투명 석영 유리 매스를 공급한다. 예를 들어 350 mm 의 큰 외경 및 5.8 mm 의 충분한 벽 두께를 갖는 석영 유리 튜브는 크고 무거운 홀로우 실린더로부터 제조될 수 있다. 이러한 타입의 석영 유리 튜브는 주로 300 mm 의 지름을 가진 반도체 웨이퍼의 생산에서 콤포넌트로 사용된다.

다음에서, 홀로우 실린더 (12) 가 스트레칭 및 블로잉에 의해 불투명 석영 유리 튜브로 진행되는 방법에 대해 설명될 것이다.

도 2 는 수평 드로잉 과정을 위한 통상적인 설비를 도시한다. 상술한 방법의 단계에서 제조된 석영 유리 홀로우 실린더 (12) 는 수평 배향된 종축 주위를 회전하고, 이어서 홀로우 실린더 (12) 주위를 링 모양으로 배열된 전기 저항로 (22) 로 진입하기 위해 5 cm/min 의 속도로 화살표 21 로 지시된 방향을 따라 공급 설비 (20) 에 의해 계속 전진한다. 약 2,100 ℃ 의 온도에서, 석영 유리의 점성도는 홀로우 실린더 (12) 가 튜브 (23) 로 줄어들 수 있을 만큼 충분히 낮아진다. 이 단계는 종축 주위를 튜브 (23) 가 회전하는 동안 , 10 cm/min 의 속도로 화살표 25 의 방향으로 튜브 (23) 를 당기는 당김 장치 (drawing facility) 에 의해 촉진된다. 250 mm 의 직경 및 5.5 mm 의 벽 두께를 가진 튜브 (23) 의 자유로운 끝은 석영 유리로 된 회수 로드 (26)에 가스가 새지 않는 연결 (gas tight connection) 에서 용융되는 반면, 홀로우 실린더의 반대편 자유로운 끝은 가스가 새지 않는 회전 전송 리드스루 (leadthrough) (27) 에 의해 봉해진다. 흑연 조우 (jaw) (29) 와 일치된 두개의 물로 냉각된 형태의 조우 (28) 를 가진 형성 도구는 아크 안으로 돌출된다. 튜브 (23) 은 흑연 조우 (29) 에 대해 부풀려진다. 튜브 (23) 및 홀로우 실린더 (12) 안에서의 내부 중압을 설정하고 유지하기 위해, 산소 흐름이 회전 전송 리드스루 (27) 를 통해 홀로우 실린더 (12) 에 유입되고, 이 점에서 매우 점성이 있는 홀로우 실린더는 5.5 mm 의 벽두께에서 미리 정한 250 mm 의 직경을 얻기 위해 고정된 흑연 조우 (29)에 대해 부풀려진다.

따라서, 얻어진 얇은 벽면 튜브는 불투명 합성 석영 유리로 구성된다. 다음의 불순물 레벨이 검출된다.(wt-ppb 단위) 리튬은 10 wt-ppb 이하, 소듐은 60 wt-ppb , 포태슘은 50 wt-ppb 이하, 철은 100 wt-ppb 이다. 벽의 전체 두께를 통한 전파는 스펙트럼의 자외선부, 가시광선부, 적외선부에서 초기 방사 강도에 대하여 1 % 이하이다.

위에서 설명된 방법에서 사용된 SiO₂의 과립 물질은 도 3의 예에 의해 다음에 설명되어 있다. 도 3 은 과립 물질의 전형적인 단일 입자 (31) 의 개략도를 도시한다. 구형의 과립 입자 (31) 는 다공성의 석영 유리로 이루어져 있고, 더 고밀도의 외부 영역 (33)에 의해 둘러싸인 더 저밀도의 중앙 영역 (32)를 구비한다. 중앙 영역 및 외부 영역의 밀도는 각각 투명한 석영 유리 밀도의 약 40 % 및 60 % 이다. 중앙 영역 (32) 및 외부 영역 (33) 사이의 위상 경계는 유동적이다. 입자 직경은 420 ㎛ 이고, 외부층 (33) 의 두께는 약 100 ㎛ 이다.

믹싱 (mixing) 장치를 사용한 통상의 습식 입자제조법은 과립 모양의 물질의 제조에서 사용된다. 본 방법에서, 60 m²/g 의 비표면적 (BET 법) 을 가진 SiCl₄불꽃 하이드로리시스에 의해 제조된 무정형, 나노 스케일, 발열성 SiO₂입자는 수성의 현탁액으로 만들어지고, 그리고 그 물질이 낟알 덩어리 같은 파편으로 될 때까지 계속하여 휘젓어가며 탈수된다. 건조 후, 과립 물질의 비표면적 (BET 법) 은 50 m²/g 이고, 따라서 제조된 구형의 과립 입자의 직경은 160 ㎛ 에서 1,000 ㎛의 범위이다. 이어서, SiO₂의 과립 물질은 약 1,200 ℃ 의 온도로 가열된 존을 통과하고, 염소 분위기를 함유하고, 과립의 열적으로 예비 압축 및 크리닝에 영향을 준다. 세공 채널이 크리닝 가스에 접근하기 쉬운 SiO₂입자의 표면을 정제 (render) 하고 가스 상태의 불순물을 이동하기 쉽게 만들기 때문에, 염소에 의한 크리닝은 특히 효과적이다. 이 점에 있어서 생산량은 10kg/h 이다. 이 단계의 과정에서, 온도 기울기는 각각의 과립 입자에서 설정되고, 중앙 영역 (32) 및 외부 영역 (33) 사이에 다른 밀도가 형성되게 한다.

이러한 예비 처리후에, SiO₂과립 물질은 1.1 g/cm³의 조밀한 벌크 밀도에서 34 m²/g 의 비표면적 (BET) 을 가지는 것을 특징으로 한다. 평균 입자 직경은 약 420 ㎛ 이다. 이 단계에서, 비록 제조 조건으로 인해 이러한 특별한 경우에는 요구되지는 않지만, 불투명 석영 유리의 제조공정에 이 물질을 공급하기 전에 100 ㎛ 이하의 직경을 가진 미세한 입자의 부분을 제거하는 것이 특히 중요하다. Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti, Zr 과 같은 불순물의 전체 함량은 200 weight-ppb 이하이다.

그래서 무정형, 나노 스케일, SiO₂입자로 구성된 과립 물질은 도 1 및 도 2 에 의해 설명된 바와 같이, 불투명 석영 유리 제조에 사용될 수 있다. 각각의 과립 입자는 많은 수의 매우 작은 시초 입자의 응집물에 의해 형성되기 때문에, 따라서 유리화 공정은 위에서 상세히 설명된 바와 같이. 미세하고 균일한 세공 분포를 제공한다.

도 4 는 각각의 스프레이 입자 (41)을 개략적으로 도시한다. 이러한 입자는 위 도 1 및 도 2의 예에 의해 묘사된 방법에서 사용에 적합한 스프레이 과립 물질의 전형이다. 전형적인 스프레이 입자 (41) 는 SiO₂시초 입자의 응집물이며, 외부층 (43)에 의해 둘러싸인 홀로우 공간 (42)로 구성되어 있다. 외부층 (43) 은 좁은 채널 (44) 를 통하여 외부와 홀로우 공간 (42) 을 연결하는 깔대기 같은 구조를 포함한다. 스프레이 입자 (41) 의 외경은 약 300 ㎛ 이고, 외부층 (43) 의 두께는 약 100 ㎛ 이다.

스프레이 과립 물질의 제조는 다음에 설명될 것이다.

60 m²/g 의 비표면적 (BET 법) 을 가진 고순도, 나노 스케일, 발열성 SiO₂시초 입자는 이온이 이탈된 물에서 확산된다. 그리고, 12 wt-ppm 알루미늄은 발열성 Al₂O₃의 형태로 첨가된다. 슬립 (slip) 점성도가 450 mPas 인 반면, 현탁액은 1,380 g/l 의 밀도로 조정된다. 상업적 스프레이 드라이어 (Dorst, Type D400) 을 사용하여, 현탁액은 330 ㎛ 의 평균 입자 직경 및 0.3 % 의 잔여 수분 함유량을 가진 스프레이 과립 물질을 제조하기 위하여 380 ℃ 의 기온 및 10.5 bar 의 슬립 압력에서 스프레이된다. 스프레이 과립 물질의 비표면적 (BET 법) 은 0.6 g/cm³의 벌크 밀도에서 54 m²/g 이다. 이어서, 과립 물질은 크리닝되고, 6.1 kg/h 의 생산량에서 1,200 ℃ 의 HCl/Cl₂가스 분위기를 통과함으로써 열적으로 압축된다.

이러한 처리 후에, 물질의 비표면적은 0.8 g/cm³의 벌크 밀도 및 0.92 g/cm³의 조밀화된 벌크 밀도에서 20 m²/g 이다. 이러한 특정 생산 조건 하에서, 100 ㎛ 이하의 입자 직경을 가진 미세한 입자 파편은 이미 사이클론 (cyclone) 에 의한 스프레이 입자제조 동안 분해되어진다. Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti, Zr 과 같은 불순물의 전체 함량은 500 weight-ppb 이하이다.

무정형, 나노 스케일, SiO₂입자로 구성된 스프레이 과립 물질은 도 1 및 도 2 의 예에 의해 설명된 방법에 의해, 불투명 석영 유리 제조에 사용될 수 있다. 각각의 스프레이 과립 입자는 많은 수의 매우 작은 시초 입자의 응집물(덩어리)에 의해 형성되기 때문에, 따라서 유리화 공정은 미세하고 균일한 세공 분포를 제공한다.

유리화 동안 포착된 가스의 이탈은 금지되고, 따라서 세공 형성 및 석영유리 불투명도의 발생에 기여하기 때문에, 홀로우 공간 (42) 은 유리화 동안 적어도 부분적으로 보존된, 부가된 거의 닫힌 가스 공간을 형성한다.

도 5 는 압출물 (extrudate) 형태로 존재하는 과립 물질의 단일 입자 (51) 의 개략도를 도시한다. 압출물은 도 1 및 도 2 의 실시예에 의해 위에서 설명한 방법에서 사용에 또한 적합하다. 전형적인 입자 (51) 는 역시 SiO₂시초 입자 (primary particle) 의 응집물을 나타낸다. 입자는 세공 채널 (53) 을 둘러싼 잡아 늘려진 외표면 (52) 을 가진다. 외표면 (52) 은 다수의 깊은 그루브 (deep groove) (54) 의 존재로 인해 피셔를 가진 구조를 나타낸다. 입자 (51) 의 직경은 0.2 mm 에서 1 mm 의 범위이고, 입자는 두꺼울수록 여러 면을 가진다.

압출물은 종래 압출 과정으로 제조되고, 그 과정에서 400 m²/g 의 비표면적 (BET 법) 을 가진 고순도, 나노 스케일, 발열성 SiO₂시초 입자의 매우 점성이 큰 매스 및 이온이 이탈된 물은 압출기에 놓여지고, 스크린과 같은 다이 (die) 를 통해 가압된다. 비록 도 6 의 압출물 (61) 에 도시된 바와같이, 별 모양 또는 다각형의 단면도 역시 구조화된 표면 프로파일을 가진 압출물을 제조하기에 적합하기는 하지만, 다이의 각각의 홀은 통상 구형의 단면을 가진 보어 홀로 디자인된다. 이러한 실시예에서, 각각의 과립 입자의 깊게 갈라진, 구조화된 표면 프로파일 (62) 은 용융 공정을 통해 이러한 물질로부터 생산된 석영 유리의 소정 불투명도에 대한 본질적으로 기여한다. 도면에 도시된 압출물 (51,61)에 존재하는 부가된 "가스 트랩 (gas traps)" (내부 세공 채널 53, 강하게 구조화된 표면 62) 의 존재로 인해, 약 3 m²/g 의 상대적으로 낮은 비표면적 (BET 법) 조차도 소정의 불투명도를 만들기에 충분하다.

이어서, 물질의 비표면적이 약 3 m²/g 및 0.95 g/cm³의 조밀화된 벌크 밀도로 조정되는 과정에서, 다공질인 압출물은 크리닝되고, 약 1,250 ℃ 에서 소결된다.

Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti, Zr 과 같은 불순물의 전체 함량은 400 weight-ppb 이하이다.

도 5 및 도 6 에 따라 무정형, 나노 스케일, SiO₂입자로 구성된 이러한 압출물은 도 1 및 도 2 의 실시예에 의해 설명된 바와 같은 방법으로, 불투명 석영 유리 제조에 사용될 수 있다. 비록 이 과립의 BET 표면이 상대적으로 작기는 하지만, 고구조화되고 그루브를 포함하는 각각의 입자 (51) 의 표면으로 인해, 홀로우 실린더 (12) 의 유리화 동안 각각의 입자 사이에 가스가 포착되고, 소정의 불투명도가 얻어진다. 세공 채널 (53) 은 유리화 과정 동안 적어도 부분적으로 보존된, 부가된, 거의 닫힌 가스 공간을 형성한다.

본 발명은 불투명 석영 유리로 만들어지고 높은 화학적 순도 및 고차원 정확도를 가지는 것을 특징으로 하는, 콤포넌트, 특히 얇은 벽면을 가지는 튜브 또는 튜브 섹션의 저비용 생산을 가능하게 한다.

Claims (19)

1. (a) 0.8 g/cm³이상의 최소한의 조밀한 벌크 밀도를 가지고, SiO₂시초 입자로 된 적어도 부분적으로는 다공질인 응집물들로 구성된 고순도의 합성 SiO₂의 과립 물질 (31;41;51;61) 형태의 초기 물질을 공급하는 단계;

   (b) 몰드 (2) 에 상기 과립 물질을 도입하고, 불투명 석영 유리의 예형을 용융하는 단계; 및

   (c) 불투명 석영 유리의 콤포넌트의 형성 중에 열적 재형상화 공정에서 예형을 재형상화하는 단계

   를 포함하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 몰드 (2) 로부터 상기 예형 (12) 을 꺼내어, 상기 예형의 외표면을 기계적으로 처리하고, 이어서 상기 예형을 가열 존 (22) 으로 이동시켜, 한쪽 끝에서부터 시작하여 상기 예형이 점차적으로 연화되는 동안 콤포넌트 (23) 를 형성하기 위하여 확장 및 블로우업함으로써 재형상화되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   0.9 g/cm³에서 1.4 g/cm³범위의 조밀한 벌크 밀도의 SiO₂의 과립 물질(31;41;51;61) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
4. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   1.0 m²/g 과 40 m²/g 사이의 비표면적 (BET법), 바람직하게는 10 m²/g 에서 30 m²/g 사이의 비표면적을 가지는 SiO₂의 과립 물질 (31;41;51;61) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
5. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 SiO₂시초 입자가 0.5 ㎛ 에서 5 ㎛ 범위의 평균 입자 크기 또는 0.2 ㎛ 이하의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
6. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   더 낮은 밀도의 응집물의 내부 영역 (32;42) 이 더 높은 밀도의 외부 영역 (33;43) 에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 방식으로, 비균일한 방사상 밀도 분포의 과립 물질 (31;41) 이 사용된 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의콤포넌트의 제조방법.
7. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 과립 물질 (31;41;51;61) 은 빌드업 과립 (입자화된 과립), 스프레이 과립, 또는 압출 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
8. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 응집물 물질의 상기 외표면이 압흔 (54;62) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
9. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 응집물 물질이 800 ℃ 에서 1350 ℃ 범위의 온도에서 열처리되어 예비 압축된 (pre-densified), 상기 과립 물질 (31;41;51;61) 이 제조되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
10. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    SiO₂의 과립 (31;41;51;61) 이 100 ㎛ 에서 4000 ㎛ 범위의 평균 입자 크기의 입자로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
11. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 과립 물질(31;41;51;61) 이 5 weight-ppm 에서 20 weight - ppm 범위의 산화 알루미늄을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
12. 상기 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 예형 (12) 의 내표면에서 외부로 유리화 전면 (10) 이 이동하는 과정에서, 아크 (7) 에 의해 불투명 석영 유리의 상기 예형이 용융되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    회전축 (3) 주위를 회전하는 상기 예형 (12) 이 한쪽 끝에서부터 시작하여 다른 끝으로 진행하여, 1900 ℃ 를 초과하는 유리화 온도로 내표면 (9) 에서 시작하는 상기 아크 (7) 에 의하여 가열되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
14. 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    수평 드로잉 공정에서 상기 예형이 불투명 석영 유리 튜브 (23) 를 형성하도록 재형상화되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
15. 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    수직 드로잉 공정에서 상기 예형이 불투명 석영 유리 튜브 (23) 를 형성하도록 재형상화되는 것을 특징으로 하는 불투명 합성 석영 유리의 콤포넌트의 제조방법.
16. 0.5 mm 에서 15 mm 의 범위의 벽 두께를 가지고, 100 wt-ppb 의 최대 리튬 함량을 가진 합성 SiO₂의 과립 (31;41;51;61) 으로 제조된 것을 특징으로 하는 불투명 석영 유리 튜브.
17. 제 16 항에 있어서,

    200 wt-ppb 의 최대 소듐 함량 및 200 wt-ppb 의 최대 포태슘 함량을 가진 합성 SiO₂의 과립 (31;41;51;61) 으로 제조된 것을 특징으로 하는 불투명 석영 유리 튜브.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 반도체 생산 및 열 처리 공정의 응용에 있어서 4 mm 에서 8 mm 의 범위의 벽 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 불투명 석영 유리 튜브.
19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

    안정화 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 불투명 석영 유리 튜브.