KR20110031909A - 석영 유리 도가니의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SiO₂ 내부층 입자가 회전 용융 몰드 내에서 유리화되는 석영 유리 도가니의 제조 방법으로부터 시작하며, 용융 몰드는 투명한 내부층을 획득하기 위해 가벼운 기체-함유 분위기의 플라즈마의 작용 하에서 적어도 일부가 열 쉴드로 덮히고, 적어도 일부의 가벼운 기체가 상기 용융 몰드로 상기 열 쉴드의 기체 입구를 통해 제공된다. 특히 낮은 기포 함량 및 에너지와 재료의 관점에서 최소의 노력을 갖는 내부층을 형성하기 위해 유리화 단계에 앞선 층-형성 단계가 제안되었고, 내부 층 입자의 SiO₂의 입자층이 내부 벽 상에 형성되고, 여기서 플라즈마 영역 및 열 쉴드와 기체 입구는 모두 회전축에 수직인 적어도 일 방향으로 이동가능하며 이들을 유리화 단계 동안 측면으로 입자층의 방향으로 움직여서 상기 입자층을 유리화한다.

Description

석영 유리 도가니의 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING A CRUCIBLE OF QUARTZ GLASS}

본 발명은 석영 유리 도가니의 제조 방법에 관한 것으로, 일 회전축 주위를 회전하며 내부 벽을 포함하는 용융 몰드(melting mold) 내의 SiO₂ 내부 층 입자를 유리화(vitrifying)하는 단계를 포함하며, 상기 용융 몰드는 적어도 일부가 열 쉴드로 덮힌 상부 개구부를 가지며, 상기 유리화는 가벼운 기체를 함유하는 분위기(atmosphere)의 플라즈마 영역의 작용 하에서 이루어져서 석영의 도가니 베이스 몰드 상에 투명한 내부 층을 형성하고, 가벼운 기체를 함유하는 상기 분위기의 적어도 일부가 상기 열 쉴드의 기체 입구(inlet)를 통해 상기 용융 몰드로 제공된다.

나아가, 본 발명은 석영 유리의 도가니 제조를 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 하기를 포함한다: 회전 축 주위를 회전할 수 있고 적어도 일부가 가벼운 기체를 위한 기체 입구를 갖는 열 쉴드에 의해 덮힐 수 있는 상부층 개구부를 갖는 용융 몰드, 상기 용융 몰드로 도입할 수 있는 플라즈마 공급원.

석영 유리 도가니는 금속 용융의 수용을 위해 사용되며, 크조크랄스키(Crzochralski) 방법이라고 불리는 방법에 의해 단일의 크리스탈이 뽑아진다. 이러한 흡인(pulling) 공정으로, 상기 석영 유기 도가니는 높은 기계적, 화학적 및 열적 부하를 수 시간 동안 겪게된다. 상기 금속 용융물의 부식성 공격을 완화하고, 이와 함께, 상기 도가니 벽으로부터 불순물을 방출하기 위해, 상기 금속 용융물과 접촉하는 도가니의 내부 벽은 균일하고 가능한 기포가 없어야 한다.

낮은-기포의 투명한 내부 벽은 종종 하기의 방법에 의해 형성된다: 도가니의 석영 유리 베이스 몰드(base mold)가 금속성 용융 몰드에서 제조되고 상기 내부 벽은 상기 베이스 몰드의 내부 벽에 적용되며, 상기 베이스 몰드의 내부 벽에는 전기적인 아크(arc, plasma)가 용융 몰드 내에서 점화되고, SiO₂ 입자가 상기 전기적인 아크 상부의 스프레딩 튜브 종결(terminating)의 수단에 의해 회전하는 베이스 몰드 속으로 스프레드에 의해 도입된다. 상기 입자는 플라즈마 내에서 용융되고 플라즈마에 의해 생성된 압력의 작용 하에서 상기 베이스 몰드의 내부 벽 위로 퍼지고(flung) 그 위에 침전되고 즉시 투명한 내부 층 내로 유리화되며, 한편 상기 베이스 몰드는 주로 불투명하게 남아있다. 후속적으로, SiO₂ 입자를 용융 몰드 내로 스프레딩 하고 그리고 상기 입자를 동시에 플라즈마에 노출하는 단계가 "스프레딩 방법"이라고 언급된다.

일반적으로 공기에서 유래되는 질소를 함유하는 작은 잔여 기포(bubble)가 상기 니내 층에 남아있을 수 있다. 상기 도가니의 의도된 사용 기간 동안 이러한 기포는 온도 및 입력의 작용 하에서 성장하고 최종적으로 파열되어 파편 및 다른 불순물이 실리콘 용융물 내로 통과하여, 낮은 수율의 변형-없는(dislocation-free) 실리콘 단일 크리스탈의 결과를 가져온다.

상기 기포에 함유된 기체를 기체 헬륨 또는 수소로 대체하는 것이 제안되었고(이들 두 종류의 낮은 분자량 기체는 또한 "가벼운 기체(light gases)"로 하기에서 언급됨), 이러한 기체는 신속하게 석영 유리 내로 확산하고 그에 따라 기포 형성 및 기포 성장을 감소시킨다. 예를 들어, US 2002/0166341 A1은 내부 층 내의 감소된 기포 함량의 석영 유리 도가니의 제조 방법을 개시하며, 여기서 SiO₂ 입자가 회전하는 용융 몰드 내로 도입되고 원심력의 작용 하에서 도가니 베이스 층으로서 성형되며 그 층이 후속적으로 가열됨에 따라 헬륨 또는 수소를 함유하는 분위기에서 유리화된다.

EP 1 094 039 A1은 상술한 유형의 방법 및 장치를 개시한다. 여기서 상기 석영 유리 도가니의 불투명 베이스 몰드는 먼저 표준의 방법으로 제조되고 SiO₂ 스프레딩 입자가 상기 도가니의 내부 및 플라즈마로 제공되고 여기서 수소와 함께 점화(택일적으로 헬륨 및/또는 산소)되어 투명한 내부층을 전기적 아크 타입 스프레딩 방법에 의해 침전시킨다. 이를 위하여 이중-벽의 도입 튜브가 입자 및 기체를 위해 사용되고, 상기 튜브는 아크 전극에 대해 측면에서 도가니의 개봉 상부(upper side)를 실질적으로 커버하는 열 쉴드를 통과하여 도가니의 내부로 돌출된다.

수소를 이용한 초기 처리에 의해, 상기 스프레딩 입자 내에 함유된 불순물 뿐만 아니라 탄소-함유 성분이 입자의 융합 전에 제거되어야 하고, 이와 함께 상기 내부 층에 갇힌 기체의 부피가 감소되고, 기포 성장이 동시에 최소화되어야 한다.

스프레딩 입자의 수소 처리에 추가로, 불투명 베이스 몰드 내 기체 잔여물이 또한 헬륨과 같이 신속하게 확산하는 기체로 대체되어야 한다. 이를 위해 진공 방법이 제공되며, 여기서 상기 베이스 몰드는 내부 층 형성 전에 커버(cover) 수단에 의해 단단히 밀봉되고, 그 때문에 상기 도가니의 내부는 진공화되고 헬륨이 외부로부터 여전히 다공성인 베이스 몰드 벽을 통해 도입된다. 상기 기체 교환 뒤 상기 커버를 제거하고, 상술한 바와 같이 전기적 아크 타입 스프레딩 방법에 따른 내부층 상에 유리화된 내부 벽이 형성된다.

US 6,502,422 B1은 석영-유리 도가니의 제조를 위한 나아간 진공 방법을 개시한다. 음의 압력의 적용에 의해 기체가 용융 몰드의 내부로부터 외부로 제거될 수 있는 복수의 쓰루-홀(through-holes)이 제공된 벽을 갖는 진공 용융 몰드가 사용된다. 상기 진공 용융 몰드(vacuum melting mold)는 과압의 챔버로 도입되고 이 때 일정한 용융 분위기가 설정될 수 있다. SiO₂ 입자의 베이스 몰드 형성 후 상기 진공 용융 몰드를 비우게 하고 존재하는 분위기(atmosphere)를 과압 챔버의 "인공적인 분위기"로 대체한다. 상기 베이스 몰드 내에 존재하는 기체는 여기서 상기 용융 몰드 벽을 통해 밖으로 흡입되고, 밖으로 흐르는 기체 스트림 내 기체 조성물을 감시하여 기체 교환의 완료를 탐지한다. 헬륨, 수소, 산소, 질소, 비활성 기체, 할로겐, 수증기, 등을 교환 기체로 지칭한다.

투명한 내부 층을 갖는 석영 유기 도가니 제조를 위한 EP 0 693 461 A1로부터 알려진 방법에서, 일 축 주위를 회전가능하고, 통풍 구멍을 포함하는 뚜껑으로 덮힌 개봉 상부를 갖는 용융 몰드가 사용되었다. 투명한 내부 층을 형성하기 위해, SiO₂ 입자가 소량 상기 회전 캐스팅 몰드로 제공되고 SiO₂ 베이스 몰드의 내부 벽에 침전되고 투명한 내부층의 형성과 함께 동시에 플라즈마 수단에 의해 용융 되었다. 이 때 상기 고온 기체 분위기가 상기 용융 몰드의 내부로부터 나오고 먼지-없는 분위기의 "합성 공기"로 대체되는 방식으로 통풍 구멍(ventilation holes)에 의해 통기가 수행되었다.

알려진 방식에서 기포-프리(bubble-free) 내부 층의 제조는 비교적 높은 에너지 및 공정 기체 소비를 수반하고 높은 구성의 노력을 요구한다.

본 발명의 목적은 에너지 및 재료를 가능한 낮게 유지하면서도 낮은-기포 내부층을 갖는 석영 유리 도가니가 제조될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명의 목적은 상기 방법을 수행하기 위해 구성적으로 단순한 장치를 제공하는 것이다.

상기 방법을 위해, 상술한 형태의 방법으로부터 시작하여 유리화 단계에 앞선 층-형성 단계에 의해 본 발명의 목적이 획득될 수 있으며, SiO₂ 내부 층 입자의 입자 층이 내부 벽 상에 형성되고, 이 때 플라즈마 영역 및 기체 입구를 갖는 열 쉴드가 유리화가 진행되는 동안 회전 축에 수직인 적어도 한 방향으로 이동하여 입자층을 유리화할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 방법은 비교적 적은 양의 에너지 및 재료를 소비하면서도 불투명한 석영 유리의 도가니 베이스 몰드 상에 기포-프리 투명 내부 층의 제조를 가능하게 한다. 이는 하기 조치들의 조합에 의해 가능해진다.

ㆍ한편으로 상술한 "전기적-아크 스프레딩 기술(electric-arc spreading technique)"은 일반적인 방법의 경우에는 내부층의 형성에 사용되지 않고, 유리화 단계 전에 다공성 입자층이 내부층 입자로부터 형성되고 상기 층이 후속적으로 유리화 단계에 의해 유리화되는 공정이 사용된다. 내부 벽 상의 SiO₂ 내부층 입자로부터의 입자층 형성은 예를 들어 내부층 입자가 내부 벽 상에 프레스되는 수단 및/또는 중력의 작용 하에서 주형을 이용하여 수행된다. 상기 입자층은 용융 몰드의 내부 벽에 직접 또는 그 안에 이미 존재하는 도가니 베이스 몰드의 내부 벽에 적용된다. 상기 전자로 언급된 경우에 상기 SiO₂ 내부층 입자는 불투명 석영 유리의 도가니 베이스 몰드의 제조 및 투명한 석영 유리의 내부 층 형성 모두에 사용된다. 상기 후자로 언급된 경우, 즉 도가니 베이스 몰드가 이미 존재하는 경우에는, 이는 기계적으로 전(pre)-컴팩트(compact) 입자층으로서 또는 적어도 부분적으로 소결 또는 유리화된 SiO₂ 입자의 몰딩으로서 존재한다. 상기 내부벽은 직선 혹은 곡선의 바닥, 측벽 및 바닥과 측벽의 연결 영역에 의해 정의된다. 내부 벽의 적어도 일부는 SiO₂ 내부층 입자와 함께 제공되고 그 후 투명한 내부층으로 유리화된다. 미리 결정된 두께를 갖는 투명한 층의 형성 과정에서 "스프레딩 기술"과 비교하여 보다 짧은 용융 기간 및 적은 양의 에너지가 요구된다.

ㆍ나아간 조치로 본 발명에 따른 방법에서 상기 플라즈마 영역 및 열 쉴드의 적어도 하나의 기체 입구가 용융 몰드의 회전 축에 수직인 방향으로 움직일 수 있고, 상기 입자 층이 유리화되는 동안 이전에 형성된 입자층을 향해 적어도 한번 이동되는 것으로 의도된다. 상기 기체 입구는 가벼운 기체 및 가벼운 기체를 함유하는 기체 혼합물을 용융 몰드에 공급한다. 수평적인 이동에 의해 플라즈마 영역 및 기체 공급이 입자층 영역 가까이로 이동될 수 있고 각각 유리화될 수 있으며(즉, 바닥, 측벽 또는 연결 영역), 이들은 국부적으로 가열되고 그리고 플라즈마 영역에 의해 유리화되며, 또한 유리화 공정에서 요구되는 에너지의 양을 감소시킨다. 상기 입자 층의 유리화가 수행되는 동안 또한 플라즈마 영역의 변위에 의해 회전 축의 방향으로, 클로즈-컨투어(close-contour) 팔로우-업(follow-up) 움직임이 가능하다. 플라즈마 영역의 미리결정된 높이 위치에서의 도가니의 회전에 때문에 환형 유리화 영역이 그때마다 획득되며 이는 전체 내부 벽 상에 대응하는 플라즈마 영역의 상향 및 하향을 통해 이동될 수 있으므로 주의해야한다. 플라즈마 영역의 이동은 상기 플라즈마-발생 전극의 상응하는 움직임을 통해 전극을 경사지게 하거나 또는 상기 전극에 제공된 에너지에 의해 수행될 수 있다.

ㆍ중요한 것은 수평적으로 이동가능한 열 쉴드의 사용이며(상기 수평적인 이동은 또한 "측면 편향(lateral deflection)"으로도 칭할 수 있음), 이는 가벼운 기체를 위한 기체 입구를 플라즈마 영역까지 이동가능하게 한고, 따라서 상기 가벼운 기체는 각각의 유동(current) 유리화 영역에 국부적으로 제공될 수 있다. 상기 국부적인 공급은 특히 이 때 사용된 가벼운 기체의 효율적인 이용에 영향을 미치고, 그에 따라 기체 소비를 감소시킨다. 상기 열 쉴드 및 기체 입구(inlet)는 유리화 단계 동안 적어도 한번 그러나 바람직하게는 연속적으로 또는 때때로 유동 유리화 영역(current vitrification zone)을 따르도록 만들어진다. 상기 열 쉴드는 상기 용융 몰드의 개방 상부를 단단하지 않은 방식으로, 그러나 유리화가 수행되는 동안 적어도 때때로 용융 몰드 밖으로 기체 흐름이 가능한 형태로 덮는다.

상기 유리화 단계는 바람직하게는 개방 플로우 시스템(open flow system)에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 개방 시스템은 용융 몰드 내 기체 흐름뿐만 아니라 용융 몰드 밖으로 향하는 기체 흐름도 가능하게 한다. 이는 오염된 기체 또는 상기 용융 몰드 밖으로 증발된 재료의 배출을 촉진한다. 원하지 않은 침적물이 그에 따라 억제되고 불순물이 감소된다. 개방 플로우 시스템은 예를 들어 기체가 상기 용융 몰드로부터 이를 통해 빠져나갈 수 있는 갭(gap)에 의해 획득되며 상기 용융 몰드의 상부와 열 쉴드 사이에 존재한다.

나아가, 조절된 기벼운-기체 스트림과 같이 상기 가벼운 기체가 용융 몰드에 연속적으로 제공되는 것이 유리한 것으로 나타났다.

상기 가벼운-기체 스트림의 기체 흐름 조절은 내부층의 유리화 동안 가벼운 기체의 위치- 또는 시간- 의존적인 작동을 가능하게 하며, 이는 나아간 기체 소비의 감소에 공헌한다. 이는 열 쉴드를 통해 용융 몰드에 공급될 수 있는 추가의 기체에 동일하게 작용한다. 예를 들어, 내부 벽의 바닥 영역에서 유리화하는 동안, 단단히 컴팩트된 SiO₂ 입자가 기체 스트림의 작용 하에서 날아갈 약간의 위험이 있으며, 측벽의 영역 내에서 보다 작은 기체 스트림이 바람직하다. 바람직하게, 상기 열 쉴드의 측면 편향 시에도 또한 상기 열 쉴드는 상기 용융 몰드의 상부 개구가 덮힌 채로 남아있도록 배치된다.

상기 열 쉴드는 용융 몰드의 개구 보다 크고, 따라서 언제나 개구의 상부 또한 편향(deflection)을 넘어 돌출된다. 실행(practice)과 관련있는 상기 열 쉴드(또는 기체 입구)의 최대 편향은 중심 축과 용융 몰드의 측벽 사이의 거리, 즉 제조될 도가니의 개구 반경을 따른다. 이러한 기체 입구의 두 개의 극한 위치(중심 위치 및 측벽 상의 위치)에서도 상기 용융 몰드의 개방 상부, 즉 열 쉴드의 상면도가 덮힌 채로 존재하기 때문에, 안정하고 재현가능한 기체 흐름이 상기 용융 몰드의 내부 및 외부에서 보장된다.

이러한 점에서 상기 플라즈마 영역 및 열 쉴드를 동시(synchronism)에 이동시키는 경우가 유리한 것으로 나타났다.

동시 이동의 결과로서, 도가니 내부의 기체 흐름의 변화가 또한 방지되며, 이는 유리화 공정의 불변성 및 재현성에 유리한 효과를 갖는다.

특히 바람직한 방법의 변형에서 상기 가벼운 기체는 플라즈마 영역 내로 상기 열 쉴드의 기체 입구를 통해 블로잉(blown into)되는 것으로 의도된다.

상기 가벼운 기체의 플라즈마 영역으로의 직접 블로잉(blowing)은 상기 기체가 플라즈마의 압력에 의해 직접 유리화될 영역으로 제공되기 때문에 특히 비싼 가벼운 기체의 효과적인 이용의 결과를 가져온다.

상기 기체 농축(enriching) 공정이 층 형성 단계와 유리화 단계 사이에 수행되는 경우 유리한 것으로 나타났으며, 여기서 상기 용융 몰드 내 분위기는 가벼운 기체를 함유하는 분위기에 의해 농축된다.

유리화에 앞선 기체 농축에 의해, SiO₂ 입자층 내 공기의 함유량(및 질소 각각)이 감소되고, 따라서 가벼운 기체의 사용이 유리화 동안 더욱 효율적이며 이러한 방식으로 제조된 상기 내부층은 특히 낮은 기포 밀도를 나타낸다.

이러한 관점에서 상기 기체 농축 공정은 상기 열 쉴드의 기체 입구를 통한 용융 몰드 내로의 가벼운 기체 공급 및 도가니 베이스 몰드의 외부벽의 진공에 대한 노출을 포함하는 경우에 유리한 것으로 나타났다.

외부벽으로부터 시작하는 음압(진공)의 적용에 의해, 입자 층에 존재하는 기체가 및 도가니 베이스 몰드의 다공성 벽에 존재하는 임의의 기체가 밖으로 직접 흡인되고 용융 몰드의 내부로부터 흐르는 분위기를 통해 가벼운 기체로 대체된다.

나아가, 유리화하는 동안 도가니 베이스 몰드의 외부 벽이 진공에 노출되는 것이 유리한 것으로 나타났다.

진공 하에서 유리화하는 동안 밀봉층(sealing layer)이 SiO₂ 입자층의 내부 벽 상에 작용하는 플라즈마 영역에 형성되고, 상기 밀봉층은 용융 몰드의 내부로의 어떠한 나아간 진공의 작용을 억제하며, 그에 따라 점차적으로 투명한 내부층이 형성된다. 투명한 내부층이 형성되자마자, 상기 진공(음압)은 제거 혹은 감소될 수 있다.

바람직하게, 가벼운 기체를 함유하는 분위기는 50 부피% 미만, 바람직하게는 10-30 부피%의 범위의 산소와, 헬륨을 포함한다.

유리화 분위기의 산소 함유량에 의해, 플라즈마의 점화를 위해 그래파이트 전극이 사용되는 경우, 그래파이트의 연소 및 CO와 CO₂로의 전환이 관찰된다. 이는 제조될 석영 유리 도가니 내부층의 품질에 유리한 영향을 갖는 것으로 나타났다.

나아가, 헬륨을 제외하고 충분한 산소을 포함하는 용융 몰드 분위기는 호흡 기체로 사용될 수 있는 이점을 가지며, 따라서 인공호흡 마스크 및 다른 안전 조치, 예를 들어 환경으로부터 보호되고 상기 용융 몰드를 제공하는데 사용되는 공정 챔버(process chamber)는 상기 용융 몰드의 환경에서 요구되지 않는다. 나아가, 공기 내에서의 내부층 유리화를 수반하는 통상적인 도가니 제조로부터 획득한 공정 파라미터기 취해질 수 있고 보다 용이하게 적용될 수 있다.

바람직한 방법의 변형으로, 가벼운 기체를 함유하는 상기 분위기는 가벼운 기체 및 산소를 함유하는 기체 혼합물의 조절된 공급을 통해 제조되는 것으로 의도된다.

미리 제조된 기체 혼합물의 사용은 기체 조성물이 시간에 따라 일정하고, 압력 또는 온도의 변화 또는 기체 흐름 조절의 변화에 독립적이고, 요구되는 기체 흐름 컨트롤러의 수가 각각의 기체 유형에 대해 기체 흐름을 개별적으로 조절하는 것보다 작은 점에서 이점을 제공한다. 상기 기체 혼합물은 예를 들어 고처리량(예컨데, 600m³/h까지)을 허용하는 고정 믹서에 의해 미리 세팅될 수 있다.

택일적으로 동등하게 바람직한 본 방법의 변형은 가벼운 기체 및 산소의 조절된 방식으로의 제공에 의해 발생한 가벼운 기체를 함유하는 분위기인 것으로 의도된다.

각각의 유형의 기체에 대한 개별적인 기체 흐름의 조절은 미리 세팅된 기체 혼합물의 사용 보다 유연하고, 무엇보다 유동 유리화 범위(current vitrification range) 또는 유리화 공정의 시간 위상(time phase)에 대응하여 용융 몰드 내 분위기 조성물의 변화를 가능하게 한다.

장치에 대해, 상술한 유형의 특징을 포함하는 장치로부터 시작하는 상술한 목적은 플라즈마 공급원 및 기체 입구를 갖는 열 쉴드가 회전 축에 수직인 적어도 한 방향으로 이동가능하게 배치된 본 발명에 따라 획득된다.

본 발명의 장치는 상술한 방법을 수행한다. 이는 실질적으로 플라즈마 공급원 및 적어도 하나의 기체 입구를 갖는 열 쉴드가 용융 몰드의 회전 축에 대해 수직인 방향으로, 즉 수평으로, 이동가능하여 상기 플라즈마 공급원 및 이에 의해 발생하는 플라즈마 영역 및 기체 공급이 입자층 영역 가까이로 이동하고 각각 유리화되고 이들이 국부적으로 가열될 수 있으며 플라즈마 영역에 의해 유리화될 수 있는 점에서 차별화된다.

이는 유리화에 요구되는 에너지의 양을 현저하게 감소시키고 특히 본 발명의 방법과 관련하여 상기에서 논의된 가벼운 기체의 효율적인 이용을 수반한다.

본 발명에 따른 장치의 유리한 디자인은 서브 클레임(sub-claims)에 의해 분명해진다. 서브 클레임이 본 발명에 따른 방법에 관해 언급된 공정을 모방하는 서브 클레임 내에 나타나는 본 발명의 장치의 배치인 한, 이에 상응하는 방법 클레임에 대해 만들어진 상기의 관찰에 대한 보충의 설명을 참고한다. 상술한 서브-클레임에서 언급된 본 발명에 따른 장치의 배치는 하기에서 보다 상세하게 설명한다.

유리하게, 상기 열 쉴드 및 상부 개구(opening)는 이들 사이의 갭을 정의한다.

상기 열 쉴드는 상기 개구를 커버하며, 상기 용융 몰드의 상부 모서리에 대해 완전히 혹은 부분적인 주변 갭(surrounding gap)을 남겨둔다. 이러한 조치는 "오픈 시스템(open system)"을 허용하고 따라서 기체는 상기 용융 몰드 내 및 용융 몰드의 밖으로 향하는 기체 흐름 모두에서 흐른다. 이는 오염된 기체 또는 증발된 재료가 상기 용융 몰드로부터 배출되는 것을 촉진하고, 바람직하지 않은 침적물을 억제하고 불순물을 감소시킨다.

진공 장치가 상기 용융 몰드의 외부 벽에 진공을 생성하는 경우에 유용한 것으로 나타났다.

상기 진공 장치는 상기 용융 몰드의 내부, 도가니 베이스 몰드의 벽으로부터, 그리고 SiO2 입자층으로부터 기체 교환을 촉진시키고, 이는 낮은-기포 석영 유리 도가니의 생산을 돕는다. 상기 진공 장치는 내부층의 유리화가 수행되는 동안 사용될 수 있고 또한 기체 농축 및 유리화 단계에 앞선 교환 공정에서 사용될 수 있다.

상기 열 쉴드의 기체 입구는 가벼운 기체를 공급하기 위한 가요성의 파이프와 함께 제공되는 경우에 유리한 것으로 나타났다.

상기 가요성의 파이프는 상기 열 쉴드 및 적어도 하나의 기체 입구의 측면 편향을 단순화시킨다.

본 발명은 하기에서 실시예 및 도면에 의해 보다 상세하게 설명된다.

본 발명에 의해 제조된 상기 석영 유리 도가니의 내부 표면은 따라서 매끈한, 유리같은 그리고 낮은-기포의 합성 SiO₂의 내부층을 형성하며, 이는 확고하게 불투명 석영 유리의 외부 층과 연결된다. 나아가 이러한 방식으로 형성된 상기 내부층은 상기 도가니가 의도된 방식으로 사용되는 경우 낮은 기포 성장에 의해 차별화된다.

도 1은 본 발명의 방법을 수행하기에 적절한 용융 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.

도 1에 따른 용융 장치는 내부 직경 75cm의 금속의 용융 몰드(1)을 포함하며, 상기 몰드(1)는 지지체(3) 상의 외부 플랜지에 배치한다. 상기 지지체(3)는 중심축(4)의 주변을 회전할 수 있다. 캐소드(4) 및 애노드(6)(전극 5;6)의 그래파이트는 화살표(7)로 도시된 바와 같이 용융 몰드(1) 내에서 용융 몰드(1)의 내부(20)으로 돌출된 모든 공간적인 방향으로 이동할 수 있다.

10mm의 두께를 갖는 수랭식(water-cooled)의 금속 플레이트의 형태인 열 쉴드(2)는 중앙 쓰루-홀(through-hole)을 포함하며, 이를 통해 상기 용융 몰드(1)의 개봉 상부 위에서 돌출되는 전극 (5,6)이 용융 몰드(1)로 돌출한다. 상기 열 쉴드(2)는 헬륨 및 산소의 기체 혼합물을 위한 기체 입구(8) 및 순수 헬륨을 위한 기체 입구(9)에 연결되고, 이들 입구들은 가요성 파이프로서 배치되며 그 안으로 기체 흐름 컨트롤러(16)(MFC)가 삽입된다. 50mm 의 폭을 갖는 통기(venting) 갭(gap)이 상기 용융 몰드(1)과 열 쉴드(2) 사이에 제공된다(도 1은 이러한 규모 및 장치의 다른 모든 규모를 오직 도식적으로 나타내는 것으로 실제 규모를 나타내는 것은 아님). 상기 열 쉴드(2)는 수평적으로 이동가능하고(x- 및 y-방향) 방향 화살표 및 좌표 평면(10)에 의해 나타난 바와 같이 평면 내에서 상기 용융 몰드(1) 상부에 위치한다.

지지체(3) 및 용융 몰드 사이의 공간은 진공 장치에 의해 진공으로 될 수 있으며, 이는 화살표(17)에 의해 나타난다. 상기 용융 몰드(1)는 복수의 관(15)(도 1은 바닥 영역에만 상징되어 있음)을 포함하며, 이를 통해 진공이 몰드(1)의 외부로부터 내부로 작용할 수 있다.

본 발명에 따른 28-인치 석영 유리 도가니의 제조는 실시예를 참고하여 하기에서 보다 상세하게 설명된다.

제 1 방법 단계에서, 천연 석영 모래의 결정(crystalline) 입자는 뜨거운 염소화 수단에 의해 세척되고, 90 ㎛ 내지 315 ㎛ 범위의 바람직한 입자 크기를 갖는 것으로 세로축(4) 주변을 회전하는 용융 몰드 내에 채운다. 원심력의 작용 하에서 몰드 주형의 수단에 의해 회전-대칭적인 도가니-모양 층(12)의 기계적으로 컴팩트된 석영 모래를 용융 몰드(1)의 내부 벽 내에 형성한다. 층(12)의 평균 층 두께는 12mm이다.

제 2 방법 단계에서, 용융 주형을 이용하고 용융 몰드(1)의 연속적인 회전 하에서 입자층(14)의 합성적으로 제조된 석영 유리 파우더를 석영 모래층(12)의 내부 벽에 형성한다. 층(14)의 평균 층 두께는 12mm이다.

제 3 방법 단계에서, 입자층(12) 및 (14) 내에 함유된 공기는 헬륨-함유 공정 기체로 농축된다(enriched). 이러한 목적으로 상기 열 쉴드(2)가 용융 몰드(1)의 개구부 상부에 배치되고 상기 용융 몰드(1) 내부의 공기는 진공 장치(17)에 의해 기체-투과성 입차층(12) 및 (14)를 통해 밖으로 배출되어, 상기 입자층(12, 14)를 통해 밖으로 끌여당겨진다. 동시에, 헬륨 및 20% 산소의 혼합물이 용융 몰드(1)의 내부(20)로 열 쉴드(2)의 기체 입구(8)를 통해 도입된다. 약 10분간의 시간 후, 헬륨-함유 공정 기체의 상기 농축 공정이 종료된다.

제 4 방법 단계에서, 상기 입자층(12) 및 (14)는 영역마다 유리화된다. 이러한 목적으로 기체 농축 공정 종료 후 상기 전극(5;6)을 열 쉴드(2)의 중앙 개구를 통해 내부(20), 전기적인 아크로 도입하며, 이는 도 1에 회색 백그라운드로 나타낸 영역인 프라즈마 영역(13)에 의해 나타나며, 헬륨 및 산소를 포함하는 용융 몰드 분위기 내 전극(5;6)사이에서 점화된다. 이러한 공정에서 일정한 및 조절된 300 l/min의 He/O₂ 혼합물 스트림이 공급 라인(8)을 통해 내부(20)로 제공된다. 내부(20) 안에는, 안정한 기체 흐름이 발생하고, 이는 선(11)에 의해 도 1에 나타내었으며, 열 쉴드(2)와 용융 몰드(1) 사이의 갭을 통해 용융 내부(20)의 밖으로 나간다.

측벽의 영역에서 입자층(12; 14)의 유리화를 위해 열쉴드(2)와 함께 기체 입구(8) 및 전극(5;6)을 측면 위치로 기져온다(도 1에 나타난 바와 같이). 바닥 영역 내 상기 입자층(12;14)의 유리화를 위해, 상기 열쉴드(2)는 기체 입구(6)과 함께 중앙 위치로 옮겨지며, 전극(5;6)와 함께 또한 중앙 위치로 이동되고 아래로 낮춰진다.

이에 따라 입자층(12;14)의 모든 영역, 즉 바닥, 실질적으로 실린더형 벽, 및 바닥과 벽 사이의 곡선 연결 부분에 플라즈마 영역(13) 및 공정 기체(80 He/20 O₂)와 함께 도달할 수 있다. 열 쉴드(2)의 이동성은 기체 공급(8)의 수평적인 조절을 허용하며, 이는 공정 기체가 플라즈마 영역(13)에 직접 분출되게 하며, 그에 따라 상기 공정 기체는 최적으로 사용되고 상기 방법의 재현성이 향상된다. 나아가, 상기 기체 스트림은 자유롭게 조절될 수 있고, 이는 용융 몰드(1) 내부 및 용융 몰드 외부의 안정한 기체 흐름을 가능하게 한다. 그에 따라 상기 공급된 공정 기체가 입자층(12;14) 모두에 도달할 수 있도록 보장하며, 여기서 공정 내 유리화가 수행된다.

유리화하는 동안 밀봉층은 입자층(12)의 내부 표면에 신속하게 형성하고, 상기 밀봉층은 상기 도가니 벽의 비-융합된(non-fused) 부분을 용융 몰드 내부(20) 내 분위기로부터 분리한다. 상기 헬륨 및 산소의 기체 혼합물이 여전히 다공성 입자 층(12 및 14)를 통해 밖으로 펌프되기 때문에, 약 200mbr(절대) 음압이 발생한다. 그 결과, 밀집한 내부층이 형성되며 이는 기포가 거의 없고 따라서 투명하다. 투명한 내부층을 덮은 상기 얇고 불-투명인 밀봉층을 공정의 나아간 단계에서 플라즈마(13)에 의해 적어도 일부 제거하고, 만약 필요한 경우에 샌드블라스팅의 방법으로 제조 공정의 마지막 단계에 완전히 제거한다.

유리화 내부층이 2.5mm의 두께에 도달하자마자, 진공 장치(17)의 흡입 용량이 드로틀 밸브(throttle alve)(도면에 미도시)를 통해 아직 유리화되지 않은 입자층(12; 14)의 영역 내에서 압력이 900mbar(절대압력)까지 증가하는 우세한 범위까지 감소된다. 이를 위해 요구되는 기체는 특히 상기 용융 몰드(1)의 내부(20)로부터 기원하며, 이로부터 용융 벽의 침투(15)를 통해 입자층(12; 14)의 비-용융 영역에 걸쳐 존재한다. 상기 입자층(12; 14)의 비-융합 영역 내 기체 조성물은 따라서 내부(20)의 분위기를 통해 이러한 영역이 또한 불투명 석영 유리로 융합될 때까지 조절될 수 있다. 상기 용융 공정은 상기 용융 초기(front)가 용융 몰드(1)의 내부 벽에 도달하기 전에 완료될 수 있다.

이러한 방식으로 제조된 상기 석영 유리 도가니의 내부 표면은 따라서 매끈한, 유리같은 그리고 낮은-기포의 합성 SiO₂의 내부층을 형성하며, 이는 확고하게 불투명 석영 유리의 외부 층과 연결된다. 나아가 이러한 방식으로 형성된 상기 내부층은 상기 도가니가 의도된 방식으로 사용되는 경우 낮은 기포 성장에 의해 차별화된다.

Claims (19)

1. 회전 축(4) 주변을 회전하며 내부벽을 포함하고 열 쉴드(heat shield)(2)에 의해 적어도 일부가 덮힌 상부 개구부를 갖는 용융 몰드(1) 내의 SiO₂ 내부층 입자를 유리화(vitrifying)하는 단계; 및
   상기 유리화 단계에 앞서는 층-형성 단계를 포함하며,
   상기 유리화 단계는 가벼운 기체를 함유하는 분위기(atmosphere)의 플라즈마 영역(13)의 작용 하에서 수행되어 석영 유리의 도가니 베이스 몰드(12) 상에 투명 내부층을 형성하고, 가벼운 기체를 포함하는 적어도 일부 분위기가 상기 열 쉴드(2)의 기체 입구(8; 9)를 통해 제공되며,
   이 때 상기 층-형성 단계에서 상기 SiO₂ 내부층 입자의 입자층(14)이 내부 벽에 형성되고,
   여기서 플라즈마 영역(13) 및 열 쉴드(2)가 기체 입구(8; 9)와 함께 상기 회전 축(4)에 대해 수직인 적어도 일 방향으로 이동가능하고 유리화 단계 동안 상기 입자층(14) 방향으로 측면으로 움직여서 상기 입자층(14)을 유리화하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 유리화 단계는 개방 흐름 시스템(open flow system)에서 수행되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가벼운 기체는 연속적으로 조절된 기체 흐름으로서 상기 용융 몰드(1)에 제공되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서, 상기 용융 몰드(1)의 상부 개구부는 상기 열 쉴드(2)의 측면 편향(lateral deflection) 시에도 덮힌 채로 존재하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 가벼운 기체는 상기 열 쉴드의 기체 입구(8;9)를 통해 플라즈마 영역(13)으로 분출되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서, 상기 플라즈마 영역(13) 및 상기 열 쉴드(2)는 동시(synchronism)에 이동하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한항에 있어서, 상기 용융 몰드(1) 내 분위기(atmosphere)가 가벼운 기체-함유 분위기에 의해 농축되는 기체 농축(enriching) 조작이, 상기 층-형성 단계와 유리화 단계 사이에 제공되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 기체 농축 공정은 상기 열 쉴드(2)의 기체 입구(8;9)를 통한 용융 몰드(1) 내로의 가벼운 기체 공급 및 도가니 베이스 몰드(12) 외부 벽의 진공에 대한 노출을 포함하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
9. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 유리화가 수행되는 동안 상기 도가니 베이스 몰드(12)의 외부 벽이 진공(17)에 노출되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가벼운 기체-함유 분위기는 헬륨 및 50 부피% 미만의 산소를 포함하는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 가벼운 기체-함유 분위기는 헬륨 및 10 내지 30 부피%의 산소를 포함하는는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서, 상기 가벼운 기체-함유 분위기는 가벼운 기체 및 산소로 이루어진 혼합물의 조절된 공급에 의해 발생되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
    
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한항에 있어서, 상기 가벼운 기체-함유 분위기는 기벼운 기체 및 산소의 조절된 공급에 의해 발생되는 석영 유리 도가니의 제조 방법.
    
14. 회전 축의 주변을 회전할 수 있으며 적어도 일부가 가벼운 기체용 기체 입구(8;9)를 갖는 열 쉴드에 의해 덮혀질 수 있는 상부 개구부를 갖는 용융 몰드(1), 및 상기 용융 몰드(1)로 도입될 수 있는 플라즈마 공급원을 포함하며,
    상기 플라즈마 공급원(13) 및 상기 열 쉴드(2)는 기체 입구(8;9)와 함께 회전 축(4)에 대해 수직인 적어도 한 방향으로 이동가능하도록 설정되는 석영 유리의 도가니 제조 장치.
    
15. 제14항에 있어서, 상기 열 쉴드(2) 및 상부 개구부는 이들 사이의 갭(gap)을 정의하는(define) 석영 유리의 도가니 제조 장치.
    
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 기체 흐름 컨트롤러(16)는 상기 용융 몰드(1)로 가벼운 기체를 공급하는 석영 유리의 도가니 제조 장치.
    
17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 쉴드(2)는 열 쉴드(2)의 측면 편향의 경우에도 용융 몰드(1)의 상부 개구부를 넘어 돌출하기에 적절한 측면 치수를 갖는 석영 유리의 도가니 제조 장치.
    
18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 장치는 상기 용융 몰드(1)의 외부 벽 상에 진공(17)을 생산하는 석영 유리의 도가니 제조 장치.
    
19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 쉴드(2)의 기체 입구(8;9)는 가벼운 기체를 공급하는 가요성(flexible) 파이프로 제공되는 석영 유리의 도가니 제조 장치.

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