KR20160087890A - 불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 (a) 석영 유리로 제조된 개시 프리폼을 제공하는 단계를 포함하고; (b) 개시 프리폼의상기 석영 유리가 10E2 내지 10E12 포이즈의 점도를 가지는 미리 정해진 온도까지 상기 개시 프리폼의 적어도 일부분을 가열하는 단계를 포함하며; 및 (c) 상기 가열된 프리폼의 형상 및/또는 치수(들)를 변화시키고 상기 불투명한 석영 유리 부품을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 개시 프리폼 및 가열된 개시 프리폼은 각각 2.15 g/㎤ 및 적어도 2.10 g/㎤의 밀도를 가진다. 상기 개시 프리폼 및 불투명한 석영 유리 부품은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.1 내지 1% 및 0.2 내지 3%의 직접 여광도를 가지며 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다.

Description

불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위한 방법{METHOD FOR FORMING OPAQUE QUARTZ GLASS COMPONENTS}
본 발명은, 불투명한 석영 유리(opaque quartz glass) 또는 실리카 유리 부품들을 형성하고, 더욱 구체적으로 용융된 석영 또는 용융된 실리카 유리를 원하는 형상과 치수를 가진 불투명 처리 부품속으로 형성하고 성형하기 위한 방법에 관한 것이다.
반가공되거나 최종가공된 제품으로서, 튜브, 막대, 패널, 돔(dome), 판, 링(ring) 및 블록(block)들과 같은 석영 유리 처리 부품들은 열공학(heat engineering) 적용예들을 위한 중요한 부품들이며, 상기 적용예에서 높은 온도 안정 및 열 피로 저항과 함께 양호한 열 절연 기능은 필수적이다. 특히, 반도체 산업의 적용예들은, 불투명한 석영유리 튜브 및 다른 부품들의 이용에 관한 요구가 증가하고 있다. 상기 적용예들은 상기 석영유리 부품들이, 주로 파장 스펙트럼의 적외선 영역에서 불투명하고, 가능한 순수할 것을 요구한다. 그러나, 불투명과 순수함은 경쟁하는 특성을 가지려하기 때문에 이러한 요구는 충족시키기 어려울 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 석영 유리에 존재하는 불순물은 실제로 유리의 불투명에 기여하고, 따라서 불투명한 유리는 전형적으로 낮은 순도를 가진다.
일반적으로 불순한 불투명 석영 유리는 유리내에 포함된 불순물이 가지는 상당한 부정적 영향 때문에 상기 적용예들과 같은 적용예들(즉, 반도체 산업)에서 이용하기 적합하지 않다. 구체적으로 존재하는 모든 오염물들은 반도체 웨이퍼의 오염, 석영 유리의 실투(devitrification)를 야기하여 취성을 발생시키고 이로부터 형성된 석영 유리 부품의 열 피로 저항을 감소시킨다. 또한, 불순한 불투명 석영 유리로부터 제조된 석영유리부품들은 상대적으로 치수가 큰 구멍들의 불균일한 분포를 가지려고 하여 단지 조금 불투명에 기여하고, 불투명한 석영 유리가 낮은 밀도를 가지게 하며, 상기 석영 유리 부품의 사용 수명 및 기계적 안정성을 감소시킨다.
따라서, 순수한 개시 물질을 이용하여 상대적으로 순수하고 불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위한 공정들이 개발되어 왔다. 높은 순도를 가진 석영 유리의 예들이 미국 특허 제5,585,173호; 제5,674,792호 및 제5,736,206호에 공개된다. 상기 공정들은 전형적으로 불투명하고 순수한 석영 유리의 프리폼(preform) 또는 블랭크(blank)로 시작된다. 상기 프리폼은 전형적으로 석영 유리의 대형 블록 형태를 가진다. 그러나, 열적 개질 공정에서와 같이, 상기 유리 프리폼에 대해 열이 가해질 때, 개시되는 불투명한 유리는 깨끗하거나 투명해 지고 불투명을 상실한다고 알려져 있다. 상기 열적 개질 공정들은 예를 들어, 일본 출원 제04026522호 및 제4485826호; 일본 출원 공개 제2004- 149325호 및 제2005-145740호; 미국 특허 제7,832,234호; 및 미국 출원 공개 제2010/0107694호와 같은 다양한 종래기술 문헌에 설명된다. 그러나, 상기 문헌들 중 어느 것도 불투명하고 순수한 석영 유리의 열적 개질 공정을 설명하지 못한다. 미국 특허 제2002/0134108호는 불투명한 석영 유리를 위한 열적 개질 공정을 설명하지만 유리는 합성 석영 유리이다.
열적 개질이 가해질 때 상기 개시되는 불투명하고 순수한 석영 유리의 불투명성의 상실은 석영 유리 튜브 또는 튜브의 부분들과 같이 얇은 벽의 불투명한 부품들을 형성을 위해 특히 문제가 되는 데, 원하는 관 형상 및 작은 벽 두께를 형성하기 위해 상당한 열적 개질 공정이 블록 형상을 가진 석영 유리 프리폼에 대해 가해지기 때문이다. 따라서, 상기 열적 개질 공정은 일반적으로 개시 프리폼이 순수하고 불투명한 석영 유리로 제조될 때 회피되어 왔다.
대신에, 불투명한 석영 유리 부품(튜브 및 튜브의 부분들)은 종래기술에 따라 불투명하고 순수한 석영 유리의 프리폼으로 개시되고 다음에 불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위해 상기 유리 프리폼을 원하는 형상으로 기계적 가공하여 형성된다. 상기 기계적 가공 공정은, 원하는 형상과 치수가 구해질 때까지 예를 들어, 유리 프리폼의 연삭, 폴리싱, 기계가공, 코어 드릴링, 초음파 밀링, 레이저 절삭 등을 포함한다. 그러나, 제조되는 석영 유리 부품에 따라 개시 프리폼의 순수한 석영 유리 중 상당 부분은 기계적 처리에 의해 폐기될 수 있다. 예를 들어, 반도체 처리 튜브와 같은 짧은 튜브 또는 링을 제조할 때, 개시 프리폼의 석영 유리 중 전형적으로 단지 약 15%가 불투명한 석영 유리 부품(즉, 링)에서 실제로 이용된다. 비싼 불투명 순순 석영 유리 중 나머지 85%가 단지 소비된다. 따라서, 불투명 순수 석영 유리 부품을 형성하기 위한 종래기술의 기계가공 공정은 비용이 많이 들고 일반적으로 비효율적이다.
따라서, 높은 순도 및 높은 불투명 석영 유리로 구성된 부품들을 비용 효과적으로 형성하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 바람직할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 불투명 및 순수한 용융 석영 유리를 반도체 산업에서 이용하기 위한 돔(dome), 튜브, 관형 섹션들, 판, 막대, 패널 및 링과 같은 부품으로 형성하기 위한 간단하고 효율적이며 비용-효과적인 시스템 및 방법을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 간단한 요약
본 발명의 실시예는 불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 (a) 석영 유리로 제조된 개시 프리폼을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 약 0.1 내지 1%의 직접 여광도, λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 및 3mm의 벽두께에서 적어도 60%의 산란 반사 및, 적어도 2.15 g/cm3의 밀도를 가지며, 상기 개시 프리폼의 적어도 80%는 1 내지 20μm의 최대 구멍 치수를 가지고; (b) 상기 석영 유리가 10E2 내지 10E12 포이즈의 점도, 적어도 2.10 g/cm3의 밀도를 가지는 미리 정해진 온도까지 상기 개시 프리폼의 적어도 일부분을 가열하는 단계를 포함하며, 상기 가열된 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 1 내지 45μm의 최대 구멍 치수를 가지고; 및 (c) 상기 가열된 프리폼의 형상과 치수(들) 중 적어도 한 개를 변화시키고 상기 불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위해 상기 미리 정해진 온도에서 상기 가열된 프리폼의 적어도 일부분을 변형시키는 단계를 포함한다. 상기 불투명한 석영 유리 부품은 λ=190nm 내지 λ=4990nm 의 파장 범위 및 3mm의 벽두께서 약 0.2 내지 3%의 직접 여광도를 가지며 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다.
본 발명을 따르는 선호되는 실시예들에 관한 하기 상세한 설명 및 상기 요약은 첨부된 도면들과 함께 읽힐 때 더 잘 이해될 것이다. 이해를 위해, 현재 선호되는 실시예들이 도면들에 도시된다. 그러나, 상기 시스템 및 방법은 도시된 정밀한 배열 및 수단으로 한정되지 않는다.
도면들에서:
도 1A는 본 발명의 실시예를 따르는 원통형 중실 개시 프리폼을 도시한 사시도;
도 1B는 관통하는 구멍이 형성된 후에 도 2A에 도시된 원통형 중실 개시 프리폼을 도시한 사시도:
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 관형 중공 개시 프리폼을 도시한 사시도;
도 3은 본 발명의 실시예를 따라 도 1A에 도시된 원통형 중실 프리폼 또는 도 2에 도시된 관형 개시 프리폼으로부터 생산된 짧은 튜브를 도시한 사시도;
도 4는 본 발명의 실시예를 따르는 디스크 형상의 프리폼을 도시한 측부 사시도;
도 5는 본 발명의 실시예를 따르고 도 4에 도시된 디스크 형상의 개시 프리폼으로부터 생산된 돔을 도시한 측부 측면도;
도 6은 도 5에 도시된 돔에 의해 보호되는 반도체 공정 챔버내에 수용된 웨이퍼 및 종래기술의 투명한 석영 유리 돔에 의해 보호되는 반도체 공정 챔버내에 수용된 웨이퍼의 온도 회복을 그래프로 비교한 도면;
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 불투명한 석영 유리 부품의 직접 여광도를 그래프로 도시한 도면;
도 8A는 본 발명의 실시예를 따라 투명한 유리 튜브에 부착되고 도 2에 도시된 관형 개시 프리폼의 초기 상태를 도시한 측부 측면도; 및
도 8B는 본 발명의 실시예를 따라 짧고 불투명한 튜브를 형성하기 위해 상기 관형 개시 프리폼이 치수를 조절한 후에 도 8A에 도시된 조립체를 도시한 측부 측면도.
본 발명은 고도로 순수하고 불투명한 용융 석영 유리를 형성하기 위해, 좀 더 구체적으로 원하는 형상을 가지며 고도로 순수하고 불투명한 용융 석영 유리 부품을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 당해 업자들은, 여기서 설명하는 상기 부품들이 단지 예시적이며 하기 방법들은 다양한 형태의 목적과 적용예들을 위해 이용될 수 있는 다양한 형태의 부품들을 형성하기 위해 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 순수한 개시 물질로부터 제조되고 특히 높은 열 절연성 및 높은 온도 균일성을 요구하는 적용예들에서 이용하기에 특히 적합한 다양한 형태의 불투명 석영 유리 부품들을 제조하는 것과 관련된다.
상기 적용예와 관련하여, "약" 또는 "대략"은 인용되거나 청구된 값의 ±5% 편차, 좀 더 선호적으로 인용되거나 청구된 값의 ±2% 편차, 및 가장 선호적으로 인용되거나 청구된 값을 의미하는 것임을 이해한다.
상기 용어들이 여기서 이용되는 것처럼, 상이한 실리카 농도를 가진 성분 또는 조성을 나타내기 위해 이용될 수 있더라도, 상기 "석영 유리(quartz glass)"는 "실리카 유리," "용융 석영 유리," 또는 "용융 실리카 유리"와 혼용해서 이용될 수 있다.
본 발명을 따르는 공정의 제1단계는 석영 유리의 불투명한 개시 프리폼, 블랭크 또는 몸체를 제공한다. 선호적으로, 불투명한 개시 프리폼을 형성하기 위해 이용되는 상기 재료는 석영 모래 또는 수정(rock crystal)으로부터 생산되는 대략 95 내지 99.9999%, 및 좀 더 선호적으로 대략 99.9999%의 화학적 순도를 가지며 고도로 순수한 무정형 이산화규소이다. 선호적으로 상기 개시 프리폼의 석영 유리는 천연 실리카로부터 제조된다. 상기 개시 물질의 석영 유리는, 석영 유리의 미세구조가 영향을 받지 않는 한 한 개이상의 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다는 것을 이해한다. 당해 업자들은 상기 기준을 만족시키는 모든 개시 물질이 상기 개시 프리폼의 형성에 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 가장 선호적으로, 상기 개시 물질은 여기서 전체 내용을 참고로 하는 모리츠 씨 등("모리츠")의 미국특허 제5,674,792호 및/또는 잉그리쉬 씨 등("잉그리쉬")의 미국특허 제5,736,206 호에 설명된 개시 물질이다.
상기 불투명한 개시 프리폼은 슬립(slip) 주조 방법에 의해 생산되는 것이 선호된다. 그러나, 당해 업자는, 상기 개시 프리폼이 분말 압축, 테이프 주조, 롤 압착, 등압 분말 압축 성형(isostatic powder pressing), 졸-겔 등과 같은 유리 프리폼을 형성하기 위한 종래 공지 기술에 의해 형성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 개시 프리폼은 모리츠 및 잉그리쉬에 공개된 슬립 주조 방법에 의해 상기 개시 물질로부터 형성되는 것이 가장 선호된다. 모리츠 및 잉그리쉬에 공개된, 상기 개시 프리폼을 형성하기 위한 공정을 간단히 설명하면 다음과 같다.
개시 물질(즉, 석영 모래 또는 수정으로부터 생산되고 99.9%의 화학적 순도를 가진 무정형 이산화규소가 70μm 미만의 입자 직경을 가진 분말로 분쇄된다. 다음에 슬립이 상기 분말로부터 형성되고 1- 240시간에 걸쳐서 연속적인 운동 상태로 유지되어 안정화된다. 상기 안정화된 슬립은 상기 프리폼과 일치하는 다공성 몰드속으로 주조되고 거기서 일정시간 동안 유지되도록 허용된다. 다음에 상기 프리폼 블랭크가 상기 몰드로부터 제거되고 건조되며, 1-60K/min의 가열속도를 가지며 대략 1,350℃- 1,450℃의 범위를 가진 소결온도로 가열된다. 다음에 상기 소결된 프리폼은 적어도 40분 동안 대략 1,300℃를 초과하는 온도에 노출되고 냉각된다.
상기 개시 물질로부터 형성된 개시 프리폼은 매우 순수하고 불투명하며, 다공성 및 가스 불투과성을 가지며 1% 이하의 크리스토발라이트(cristobalite) 성분을 가진 석영 유리 몸체이다. 당해 업자가 이해하듯이, 물질의 불투명성은 물질에 의해 전달된 광선량의 측정값인 물질의 직접 여광도(direct spectral transmission)와 직접적으로 관련된다. 고도로 불투명한 물질은 대체로 광선을 차단하거나 반사시키거나 흡수하고 단지 소량의 광선을 전달하며, 따라서 상대적으로 낮은 직접 여광도를 가진다. 특히, 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 5% 미만 및 더욱 선호적으로 약 3% 미만 및 가장 선호적으로 약 2% 미만의 거의 일정한 직접 여광도를 가지는 것이 선호된다. 실시예에서, 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.1 내지 1%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지는 것이 선호된다. 또 다른 실시예에서, 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.1 내지 0.5%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지는 것이 선호된다. 좀 더 구체적으로, 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 50% 초과 및 더욱 선호적으로 약 55% 초과 및 가장 선호적으로 약 60% 초과의 거의 일정한 직접 여광도를 가지는 것이 선호된다.
상기 개시 프리폼의 화학적 순도는 선호적으로 적어도 95% 및 더욱 선호적으로 약 99 내지 99.9%의 범위, 및 가장 선호적으로 약 99.5 내지 99.9999%의 범위를 가진다. 상기 개시 프리폼은 선호적으로 약 2.12 내지 2.19 g/cm3 및 더욱 선호적으로 약 2.13 내지 2.17 g/cm3의 밀도를 가진다. 실시예에서, 상기 개시 프리폼은 선호적으로 적어도 2.15 g/cm3 및 더욱 선호적으로 약 2.17 내지 2.18 g/cm3의 밀도를 가진다.
상기 개시 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 약 20μm 이하의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 개시 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 선호적으로 약 5 내지 20μm 및 더욱 선호적으로 약 10 내지 20μm 및 가장 선호적으로 15 내지 20μm의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 개시 프리폼의 구멍 함량(즉 다공도)은 단위 체적당 최대 약 5% 및 선호적으로 단위 체적당 약 0.1 내지 4.5%, 및 더욱 선호적으로 단위 체적당 약 0.2 내지 4.0%이다. 좀 더 구체적으로, 개시 프리폼의 다공도는 선호적으로 단위 체적당 최대 약 2.5% 및 가장 선호적으로 단위 체적당 약 1 내지 2.5%의 범위를 가진다.
가장 선호적으로, 상기 개시 프리폼은 모리츠 및 잉그리쉬에 공개되고 성형되거나 몰딩된 몸체들이 가지는 모든 특성 및 특징들을 가진다.
상기 개시 프리폼은 모리츠 및 잉그리쉬에 설명된 상기 슬립- 주조 공정에 의해 원하는 형상으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 개시 프리폼의 형상은 정사각형, 관형, 직사각형, 타원형, 원통형, 원추형, 구형, 원추대형 등을 가질 수 있다. 또한, 상기 개시 프리폼은 중공, 부분적인 중공 또는 완전히 중실 구조를 가질 수 있다. 선호적으로 상기 개시 프리폼은 거기로부터 생산되어야 하는 불투명한 석영 유리 부품들의 형상과 일반적으로 일치하거나 짝을 이루는 형상으로 형성되어 재료 및 인건 비용 및 성형시간이 감소된다.
예를 들어, 상기 불투명한 석영 유리 부품이 반응기를 위한 돔이면, 디스크는 돔- 형상을 가진 부품의 성형을 위해 블록보다는 적은 개질 및 재성형 과정을 요구하기 때문에, 상기 개시 프리폼은 선호적으로 블록보다는 일반적으로 평평한 디스크 형상을 가진다. 당해 업자는 개시 프리폼의 치수는 개시 프리폼으로부터 제조되어야 하는 불투명 석영 유리 부품의 치수에 기초하여 변호할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 선호되는 실시예들이 아래에 설명될지라도 본 발명은 여기서 언급된 특정 형상, 크기, 구조 및 치수로 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
다음에, 상기 불투명 개시 프리폼에 대해, 조립되어야 하는 불투명 석영 유리 부품의 치수와 더 양호하게 일치하도록 상기 불투명 개시 프리폼의 치수를 조절하기 위해 잉곳(ingot) 등의 재성형을 포함하여 고체의 연삭, 기계가공, 코어 드릴링, 초음파 밀링, 레이저 절삭, 고온 성형과 같은 기계적 가공 공정이 선택적으로 가해질 수 있다. 상기 개시 프리폼으로부터 조립되어야 하는 불투명 부품의 치수와 더 양호하게 일치하도록 상기 불투명 개시 프리폼의 치수를 조절하는 것이 필요하거나 요구될 때에만 상기 선택적인 단계가 수행되는 것이 선호된다.
선호적으로, 상기 개시 프리폼의 모든 표면들은 일반적으로 매끄럽고 이물질을 가지지 않는다. 폴리싱 및 연삭과 같은 공지된 기계적 및/또는 화학적 최종 공정이 선택적으로 이용될 수 있어서 상기 개시 프리폼의 표면들은 선호되는 정도의 매끄러움을 가지고 이물질 또는 불순물을 가지지 않는다.
다음에, 상기 불투명 개시 프리폼은 불투명 석영 유리 부품을 형성하기 위해 재성형되거나 크기를 조절한다. 좀 더 구체적으로, 상기 개시 프리폼의 적어도 일부분 또는 영역은, 개시 프리폼의 순수 및 불투명 석영 유리가 부드러워지기 시작하는 미리 정해진 온도까지 가열된다. 좀 더 선호적으로, 전체 개시 프리폼은 순수 및 불투명 석영 유리가 부드러워지기 시작하는 미리 정해진 온도까지 (선택적으로 영역별로) 가열된다. 선호적으로 상기 개시 프리폼은, 약 1100 내지 2300℃, 및 좀 더 선호적으로 약 1200 내지 2200℃, 및 가장 선호적으로 약 1250 내지 2150℃의 온도까지 가열된다. 상기 온도에서, 상기 불투명 석영 유리는 선호적으로 약 10E12 내지 10E2 포이즈(poise), 좀 더 선호적으로 약 10E10 and 10E5 포이즈 및 가장 선호적으로 약 10E6 포이즈의 점도를 가져서, 불투명 석영 유리 부품이 가지는 미리 정해지고 원하는 형상과 치수로 상기 개시 프리폼을 재성형하거나 크기를 조절하도록 상기 석영 유리가 가공될 수 있다.
또한, 상기 온도에서, 가열되고 부드러워진 개시 프리폼은, λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에 대해 실질적으로 일정하고 약 5% 미만, 및 더욱 선호적으로 약 3% 미만 및 가장 선호적으로 약 2% 미만인 직접 여광도를 가지고 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사(diffuse reflectance)를 가진다. 특히, 가열되고 부드러워진 개시 프리폼은, λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에 대해 거의 일정한 약 0.2 내지 3%, 및 더욱 선호적으로 약 0.2 내지 1.5%인 직접 여광도를 가지고 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다. 가열되고 부드러워진 개시 프리폼의 화학적 순도는 개시 프리폼의 화학적 순도로부터 실질적으로 변화하지 않는 것(즉, 적어도 95% 및 더욱 선호적으로 약 99.0 내지 99.9%의 범위 및 가장 선호적으로 약 99.5 내지 99.9999%의 범위)이 선호된다. 그러나, 가열되고 부드러워진 개시 프리폼의 밀도, 다공도 및 구멍 치수는 개시 프리폼의 밀도, 다공도 및 구멍 치수로부터, 적어도 경미하게, 변화하는 것이 선호된다.
좀 더 구체적으로, 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼은 선호적으로 약 2.08 to 2.19 g/m3 및 좀 더 선호적으로 약 2.10 to 2.18 g/cm3의 밀도를 가진다. 실시예에서, 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼은 선호적으로 적어도 약 2.10g/m3 및 좀 더 선호적으로 약 2.14 to 2.15 g/m3의 밀도를 가진다. 또한, 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 약 60μm 이하의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 선호적으로 약 10 내지 45μm, 및 좀 더 선호적으로 20 내지 45μm 및 가장 선호적으로 25 내지 45μm 의 최대 구멍 치수를 가진다. 따라서, 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼내에서, 상기 구멍들은 상기 개시 프리폼으로부터 확대된다. 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼(10)의 구멍 함량(다공도)는 단위 체적 당 최대 약 5% 및 선호적으로 단위 체적 당 약 0.1 내지 5%, 더욱 선호적으로 단위 체적 당 약 0.2 내지 4.5%이다. 좀 더 구체적으로, 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼의 다공도는 선호적으로 단위 체적 당 최대 약 4.7% 및 가장 선호적으로 단위 체적 당 약 2 내지 4.5%이다.
상기 개시 프리폼이 가열되는 동안, 상기 개시 프리폼의 적어도 일부분 또는 영역은 또한 상기 개시 프리폼(10)의 한 개이상의 치수 및/또는 형상을 변화시키기 위해 변형되는 것이 선호된다. 특히, 상기 개시 프리폼이 가열되는 동안, 상기 개시 프리폼에 대해 치수 조절 또는 개질 공정이 가해져서 원하는 불투명 석영 유리를 조립하도록 상기 개시 프리폼의 치수 및/또는 형상을 변화시킨다.
공지된 열적 치수 조절, 개질 또는 재성형 공정이 이용되어 상기 개시 프리폼(10)을 상기 불투명 석영 유리 부품으로 처리할 수 있다. 예를 들어, 상기 개시 프리폼(10)에 대해 하기 공정들 중 한 개이상의 공정이 가해질 수 있다: 드로잉, 블로잉, 슬럼핑, 프레싱, 리이밍(reaming), 리플로윙(reflowing) 등. 특히 선호되는 열적 개질 방법이, 여기서 전체 내용을 참고로 하는, 웨데커 씨 등("웨데커")의 미국 특허 출원 제2002/0134108호에 공개된다.
또한, 상기 개시 프리폼을 상기 불투명 석영 유리 부품으로 용이하게 재성형, 개질 또는 치수 조절하기 위해 다양한 기술 및 기구들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 개시 프리폼을 상기 불투명 석영 유리 부품의 원하는 치수 및 형상으로 팽창, 수축, 치수조절(resizing) 및/또는 재성형하기 위해 한 개이상의 인서트 장치들, 한 개이상의 압축 장치, 압축력, 및 한 개이상의 드로잉 또는 인장(stretching) 장치들이 이용될 수 있다.
상기 개시 프리폼의 개질, 재성형 및/또는 치수조절을 위해 이용되는 부분들은 각각 선호적으로 그래파이트, 석영 유리, 실리콘 카바이드 또는 다른 내화 세라믹 또는 내화 금속 재료로 제조된다. 더욱 선호적으로, 석영 유리는 그래파이트와 반응하지 않거나 부착되지 않기 때문에, 상기 부분들은 각각 전체적으로 그래파이트, 및 가장 선호적으로 순수한 그래파이트로 제조된다. 그러나, 당해 업자들은 모든 처리 부분이 전체적으로 그래파이트로 제조될 필요는 없다는 것을 이해할 것이다. 대신에, 일부 처리 부분들은 전체적으로 그래파이트로 제조될 수 있는 반면에, 다른 부분은 석영 유리, 실리콘 카바이드 또는 다른 내화 세라믹 또는 내화 금속 재료로 제조되고 사실상 상기 개시 프리폼의 석영 유리와 접촉하는 표면위에서만 그래파이트 또는 비접착성 및 무반응성 코팅을 포함할 수 있다.
상기 개시 프리폼을 재성형, 개질 및/또는 치수 조절하여 상기 불투명 석영 유리 부품을 형성하기 위해 요구되는 시간은 가열 온도, 압축력의 존재 또는 부재, 상기 개시 프리폼(10)의 형상과 크기, 불투명 석영 유리 부품의 형상과 크기 등과 같은 여러 개의 요인들에 기초하여 변화하는 것을 당해 업자들은 이해할 것이다.
상기 개시 프리폼을 재성형, 개질 및/또는 치수 조절하여 상기 불투명 석영 유리 부품을 형성하는 동안, 상기 개시 프리폼의 석영 유리는 불투명한 상태로 유지된다. 특히, 상기 개시 프리폼을 재성형, 개질 및/또는 치수 조절하여 상기 불투명 석영 유리 부품을 형성하는 동안, 상기 석영 유리는 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께서 선호적으로 10% 미만의 광학 특성 변화 및 좀 더 선호적으로 5% 미만의 불투명도 변화 및 가장 선호적으로 3% 미만의 불투명도 변화를 가진다.
상기 개시 프리폼의 석영 유리가 원하는 불투명 석영 유리 부품으로 재성형, 개질 및/또는 치수 조절된 후에, 상기 불투명 석영 유리 부품에 대해 미리 정해진 기간의 냉각 주기가 형성되어, 특히 용융된 석영 유리의 실투(devitrification)가 방지된다. 선호적으로, 상기 불투명 석영 유리 부품은, 전형적으로 약 1 내지 30분 및 더욱 선호적으로 약 20분이 걸리는 실온으로 냉각될 수 있다. 당해 업자들은 기술분야에 공지되거나 개발되어야 하는 다른 냉각 기술들이 이용되어, 특히 냉각과정을 가속시킬 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명을 따르는 불투명 석영 유리 부품은 불투명하고 고도로 순수하다. 특히, 상기 불투명 석영 유리 부품의 석영 유리는 선호적으로 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께서 선호적으로 10% 미만의 광학 특성 변화 및 좀 더 선호적으로 5% 미만의 불투명도 변화 및 가장 선호적으로 3% 미만의 불투명도 변화를 가진다. 실시예에서, 상기 불투명 석영 유리 부품은 단지 약 3% 내지 5%의 광선 차단 특성이 존재하고 상기 불투명 석영 유리 부품은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께서 약 5% 미만, 및 더욱 선호적으로 약 3% 미만, 및 가장 선호적으로 약 2% 미만의 거의 일정한 직접 여광도를 가지고 λ=190 nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다. 특히, 상기 불투명 석영 유리 부품은 선호적으로 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께서 약 0.2 내지 3%, 및 더욱 선호적으로 약 0.2 내지 1.5%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지고 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다. 실시예에서, 상기 불투명 석영 유리 부품은 선호적으로 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께서 약 1%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지고 λ=190 nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다. 본 발명의 실시예를 따르는 불투명 석영 유리 부품의 직접 여광도에 관한 그래픽 표시가 도 7에 도시된다. 또한, 상기 불투명 석영 유리 부품은 약 1.3 W/m-K at 23℃의 열전도도를 가진다.
상기 불투명 석영 유리 부품의 화학적 순도는 선호적으로 상기 개시 프리폼의 화학적 순도로부터 실제로 변하지 않는다(즉, 적어도 95%, 및 더욱 선호적으로 약 99 내지 99.9%의 범위, 및 가장 선호적으로 약 99.5 내지 99.9999%의 범위). 상기 불투명 석영 유리 부품은 선호적으로 적어도 2.10 g/cm3 및, 선호적으로 약 2.12 내지 2.19 g/cm3, 및 더욱 선호적으로 약 2.13 내지 2.18 g/cm3의 밀도를 가진다. 가장 선호적으로, 상기 불투명 석영 유리 부품은 약 2.14 내지 2.15 g/cm3의 밀도를 가진다.
선호적으로, 상기 불투명 석영 유리 부품이 가지는 구멍들 중 적어도 80%는 약 60 μm 미만, 및 더욱 선호적으로 약 10 내지 45μm, 및 가장 선호적으로 약 25 내지 45μm의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 불투명 석영 유리 부품의 구멍 함량(다공도)은 단위 체적 당 최대 약 5%, 및 선호적으로 단위 체적 당 약 0.1 내지 5%, 및 더욱 선호적으로 단위 체적 당 약 0.2 내지 4.5%이다. 더욱 구체적으로, 상기 불투명 석영 유리 부품의 다공도는 단위 체적 당 선호적으로 최대 4.7% 및 가장 선호적으로 약 2 내지 4.5%이다.
연삭과 같은 연속적인 기계적 공정이 이용될 필요는 없다. 따라서, 상기 불투명 석영 유리 부품은 더욱 비용-효과적이고 시간을 덜- 소모하는 종래 기술의 공정에 의해 형성된다. 특히, 선호적으로 상기 개시 프리폼(10)의 석영 유리 재료 중 최대 25%, 및 더욱 선호적으로 최대 15%가 기계 가공되어 상기 불투명 석영 유리 부품을 형성한다. 가장 선호적으로, 상기 개시 프리폼(10)의 석영 유리 재료 중 단지 약 0% 내지 10%가 기계 가공되어 상기 불투명 석영 유리 부품을 형성한다. 그러나, 당해 업자들은 (불투명한 중공 튜브 및 도 4에 도시된 것처럼 불투명한 이격기 튜브인 도 1의 개시 프리폼(10)에서와 같이) 상기 개시 프리폼(10)의 치수 조절이 요구되지 않는 한, 상기 개시 프리폼의 석영 유리 재료의 분실은 없을 것이라는 것을 이해할 것이다. 또한, 고객요구에 맞춘 개시 프리폼은 모든 형태의 불투명 석영 유리 부품으로 형성될 필요는 없다. 대신에, 단일 개시 프리폼으로부터 모든 치수를 가진 모든 형태의 불투명 석영 유리 부품을 형성하기 위해 열적 개질 또는 치수 조절이 이용될 수 있다.
본 발명을 따르는 상기 불투명 석영 유리 부품은 원하는 모든 형상 및/또는 치수를 가질 수 있다. 선호적으로 본 발명을 따르는 불투명 석영 유리 부품은 반도체 산업용(예를 들어, 반도체 웨이퍼 공정용) 부품으로서 이용된다. 예를 들어, 상기 불투명 석영 유리 부품은 반도체 웨이퍼 공정 챔버를 위한 돔, 튜브, 관형 섹션 또는 몸체, 또는 링일 수 있다. 본 발명의 공정은 변하는 길이( 즉, 10nm 내지 5,000nm)의 불투명 석영 유리 얇은- 벽 튜브(즉, 0.5 내지 15mm의 벽두께를 가진 튜브)를 제조하기에 적합하다. 더욱 선호적으로, 본 발명을 따르는 상기 불투명 석영 유리 부품들은 높은 온도 균일성 및 안정성, 최소 열 전도도, 높은 순도, 최소 열 및/또는 복사 손실(즉, 높은 열적 절연), 제어된 대기, 및/또는 높은 열적 피로 저항을 요구하는 모든 공정을 위해 이용될 수 있다.
본 발명은 하기, 비-제한적인 예와 관련하여 추가로 설명된다.
예 1
도 3에 도시된, 반도체 웨이퍼 공정 챔버를 위한, 얇은 벽을 가진 짧은 튜브(26) 및 특히 이격기 튜브(26)는, 도 1A- 1B에 도시된 것처럼, 고도로 순수하고 불투명한 석영 유리로 제조된 개시 프리폼(10)을 이용하여 형성되었다. 도 1A를 참고할 때, 상기 불투명 개시 프리폼(10)은 일반적으로 원형 횡- 단면 형상을 가진 중실 원통체이다. 특히 상기 개시 프리폼(10)은 제1 또는 상측 단부(12), 제2 또는 하측 단부(14), 및 상기 제1 단부(12)로부터 또는 내지 제2 단부(14)까지 연장된 원통형 몸체(24)를 가진다. 상기 원통형 몸체(24)는 외부 표면(18)을 가진다. 상기 개시 프리폼(10)은 약 300mm의 외경(OD10)을 가진다. 당해 업자들은 상기 개시 프리폼(10)이 모든 외경을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 선호되는 실시예에서, 상기 개시 프리폼의 외경은 약 100 내지 300mm이다.
도 1A에 도시된 상기 개시 프리폼(10)이 형성된 후에, 보어 또는 구멍(28)이 드릴링되거나 그렇지 않으면, 도 1B에 도시된 것처럼, 상기 개시 프리폼(10)의 내부를 통해 상기 제1 단부(12)로부터 제2 단부(14)까지 형성되어, 일반적으로 관형 내부 공동(22)을 둘러싸는 내부 표면(20)을 가진 관형 측벽(16)을 가진 일반적으로 관형의 프리폼(10)을 형성한다. 상기 관형 측벽(16)은 약 70mm의 두께(T16)를 가진다. 당해 업자들은 상기 개시 프리폼(10)의 관형 측벽(16)이 모든 두께를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 선호되는 실시예에서, 상기 개시 프리폼의 관형 측벽(16)의 두께(T16)는 약 20 내지 70mm이다.
상기 개시 프리폼(10)의 석영 유리 재료는 석영 모래 또는 수정으로부터 생산되고 약 99.9%의 화학적 순도를 가지며 고도로 순수한 무정형 이산화규소이다. 특히, 상기 개시 프리폼(10)은 모리츠 및 잉그리쉬에 공개된 슬립 주조 방법에 의해 상기 개시 물질로부터 생산된다. 상기 개시 프리폼(10)은 1% 이하의 크리스토발라이트 함량, λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위에서 약 5% 미만의 일반적으로 일정한 직접 여광도 및 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사, 적어도 약 95%의 화학적 순도, 적어도 약 2.15 g/cm3의 밀도, 및 최대 약 2.5%의 다공도를 가진다. 또한, 상기 불투명 개시 프리폼(10)의 구멍들 중 약 80%는 약 1 내지 20μm의 최대 구멍 치수를 가진다.
다음에 상기 개시 프리폼(10)은 블로윙 공정에 의해 상기 짧은 튜브(26)의 원하는 직경 및 벽 두께로 치수 조절된다. 구체적으로 상기 개시 프리폼(10)는 수평방향을 향하게 하고, 종 방향 축 주위에서 회전하며, 다음에 (도면에 도시되지 않은) 노 내부로 (도면에 도시되지 않은) 공급 기계에 의해 계속해서 이동한다. 상기 노 내에서 상기 개시 프리폼(10)의 연속 영역들은 각각의 가열된 영역의 석영 유리가 가지는 점도가 약 10E4 포이즈인 약 2000℃의 온도까지 가열된다. 동시에, 공기압이 상기 개시 프리폼(10)의 내부 공동(22)내부로 가해지고 상기 내부 과압에 의해 이때 상당한 점도를 가지는 개시 프리폼의 연속 가열 영역이 날려지거나 팽창된다. 가해진 열 및 공기압에 의해 상기 개시 프리폼(10)이 용이하게 팽창되어 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브가 형성된다. 상기 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브는 약 600mm의 길이, 약 354mm의 외경 및 약 6mm의 측벽 두께를 가진다. 당해 업자는 상기 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브의 치수들이 최종 용도 또는 적용예의 특정 사양을 충족하기 위해 필요한 만큼 변화할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 실시예에서 상기 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브는 360mm까지의 외경 및 2 내지 100mm의 측벽 두께를 가질 수 있다.
마지막으로, 상기 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브는 냉각되고 원하는 길이를 가진 짧은 튜브(26)로 절단된다. 특히, 각각의 결과적으로 형성된 튜브(26)는 약 100mm의 길이(L26), 약 354mm의 외경(OD26) 및 약 6mm의 측벽 두께(T26 of)를 가진다. 그러나, 원하는 모든 치수의 짧은 튜브들이 상기 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브로부터 절단될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
짧은 튜브(26) 형태를 가진 불투명 석영 유리 부품은 불투명하고 고도로 순수한 석영 유리로 제조된다. 특히 상기 짧은 튜브(26)는 적어도 약 95%의 화학적 순도, 적어도 약 2.10 g/cm3의 밀도., 및 최대 약 4.5%의 다공도를 가진다. 또한, 상기 짧은 튜브(26)의 구멍들 중 약 80%는 약 45μm의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 짧은 튜브(26)는 또한 λ=190nm to λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm 벽 두께에서 약 1%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지고 λ=190nm to λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다.
예 2
도 3에 도시된 상기 짧은 튜브(26)는 도 2에 도시된 것처럼, 고도로 순수한 불투명 석영 유리로 제조된 개시 프리폼(10')을 이용하여 제조된다. 그러나, 상기 이격기 튜브(26)는 선택적으로 도 2A- 2B의 개시 프리폼(10)을 이용하여 제조될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2에 도시된 불투명 개시 프리폼(10')은 도 1B에 도시된 개시 프리폼(10)과 구조적으로 동일하다. 즉, 도 2의 상기 불투명 개시 프리폼(10')은 이미 관형 형상을 가지고 따라서 프리폼 몸체를 통과하는 보어 구멍이 형성될 필요가 없다. 따라서, 이후에, 상기 개시 프리폼(10')에 대해서만 참고할 때, 상기 개시 프리폼(10)의 재성형, 치수 조절 및/또는 개질을 위해 동일한 공정이 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 개시 프리폼(10')은 도 1에 도시된 동일한 공정과 개시 물질에 의해 제조된다.
개시 프리폼(10')의 관형 측벽(16')은 약 50mm의 두께(T16)를 가진다. 상기 개시 프리폼(10')의 측벽(16')이 가지는 외부 표면(18') 및 내부 표면(20')에 대해 선택적인 연삭 공정이 수행되어 상기 측벽(16')을 치수조절하고 동심 축을 이루는 균일한 내경 및 외경을 형성하고 약 6 내지 20mm의 미리 정해진 벽두께(T16)를 형성한다. 당해 업자는 연삭 전후에 상기 개시 프리폼(10')의 두께가 최종 용도 또는 적용예의 특정 사양을 충족하기 위해 필요한 만큼 변화할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
실시예에서, 약 235mm의 외경(OD10') 및 약 6 내지 9mm의 측벽 두께(T16')가 달성될 때까지 상기 개시 프리폼(10')의 측벽(16')이 가지는 외부 표면(18') 및 내부 표면(20')에 대해 연삭 공정이 가해진다. 또 다른 실시예에서, 약 200mm의 외경(OD10') 및 약 10mm의 측벽 두께(T16')가 달성될 때까지 상기 개시 프리폼(10')의 측벽(16')이 가지는 외부 표면(18') 및 내부 표면(20')에 대해 연삭 공정이 가해진다. 당해 업자는 상기 개시 프리폼(10')이 최종 용도 또는 적용예의 특정 사양을 충족하기 위해 필요한 모든 길이를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
다음에 상기 개시 프리폼(10')은 블로윙 공정에 의해 상기 이격기 튜브(26)의 원하는 직경 및 벽 두께로 치수 조절된다. 구체적으로 상기 개시 프리폼(10')은 수평방향을 향하게 하고, (도면에 도시되지 않은) 더미 튜브들이 상기 개시 프리폼(10')의 각 단부에 부착되며, 다음에 (도면에 도시되지 않은) 가스 버너에 의해 상기 개시 프리폼(10)의 연속 영역들이 각각의 가열된 영역의 석영 유리가 가지는 점도가 약 10E4 포이즈인 약 2000℃의 온도까지 가열되는 동안 상기 개시 프리폼(10')은 종 방향 축 주위에서 회전한다. 상기 개시 프리폼(10')의 회전속도는 약 10- 200 RPM이다. 동시에 공기압 및 원심력이 상기 개시 프리폼(10')의 내부 공동(22)내부로 가해지고 상기 내부 과압 및/또는 원심력에 의해 이때 상당한 점도를 가지는 개시 프리폼(10')의 연속 가열 영역이 날려지거나 팽창되어 팽창된 불투명 석영 유리 튜브가 형성된다. 상기 팽창된 불투명 석영 유리 튜브는 약 600mm의 길이, 약 354mm의 외경 및 약 6mm의 측벽 두께를 가진다. 당해 업자는 상기 팽창된 불투명 석영 유리 튜브의 치수들이 최종 용도 또는 적용예의 특정 사양을 충족하기 위해 필요한 만큼 변화할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
원하는 외경 및 측벽 두께에 도달하기 위해 상기 개시 프리폼(10')의 팽창이 일련의 연속적인 가열 적용에 의해 수행될 수 있어서, 상기 개시 프리폼(10')은 제1 가열 적용 후에 제1 외경 및 측벽 두께에 도달하고, 다음에 제2 가열 적용 후에 상기 제1 외경 및 측벽 두께보다 큰 제2 외경 및 측벽 두께에 도달하며, 원하는 외경 및 측벽 두께가 도달할 때까지 계속된다는 것을 이해할 것이다.
마지막으로, 상기 팽창된 불투명 석영 유리 튜브는 비록 모든 냉각 시간이 이용될 수 있지만 약 10분 동안 냉각되고, 다음에 원하는 길이를 가진 짧은 튜브(26)로 절단된다. 특히, 각각의 결과적으로 형성된 튜브(26)는 약 100mm의 길이를 가진다. 그러나, 원하는 모든 치수의 짧은 튜브들이 상기 기다랗고 팽창된 불투명 석영 유리 튜브로부터 절단될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
튜브(26) 형태를 가진 불투명 석영 유리 부품은 불투명하고 고도로 순수한 석영 유리로 제조된다. 특히 상기 튜브(26)는 적어도 약 95%의 화학적 순도, 적어도 약 2.10 g/cm3의 밀도., 및 최대 약 4.5%의 다공도를 가진다. 또한, 상기 짧은 튜브(26)의 구멍들 중 약 80%는 약 45μm의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 짧은 튜브(26)는 또한 λ=190nm to λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm 벽 두께에서 약 1%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지고 λ=190nm to λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다.
예 3
도 5에 도시되고 반도체 웨이퍼 공정 챔버를 위한 돔(dome)(30)이, 도 4에 도시된, 개시 프리폼(32)을 이용하여 제조된다. 상기 개시 프리폼(32)은 고도로 순수한 불투명 석영 유리로 제조된다. 상기 개시 프리폼(32)을 제조하기 위한 개시 물질 및 공정은 예 1-2의; 상기 개시 프리폼(10,10')의 개시 물질 및 공정과 동일하다. 그러나, 상기 개시 프리폼(32)은 일반적으로 원형 횡- 단면 형상을 가진 일반적인 평평한 디스크 형상을 가진다. 상기 개시 프리폼(32)은 약 480mm의 직경 및 약 6mm의 벽 두께를 가진다.
상기 개시 프리폼(32)은 슬럼핑 공정에 의해 상기 돔(30)으로 재성형된다. 구체적으로, 상기 개시 프리폼(32)은 (도면에 도시되지 않은) 오목한 몰드위에 배열된다. 다음에, 조립된 개시 프리폼(32) 및 몰드는 (도면에 도시되지 않은) 노 내부에 배열되고 상기 개시 프리폼(32)의 석영 유리의 점도가 약 10E10 포이즈인 약 1300℃의 온도까지 가열된다. 다음에 중력 및 진공에 의해, 상기 가열되고 부드러워진 개시 프리폼(32)은 자연적으로 상기 몰드속으로 슬럼핑되어 상기 돔(30)의 형상을 형성한다. 다음에 상기 돔(30)은, 비록 더 짧은 냉각시간이 이용될 수 있더라도, 약 10시간 동안 냉각된다. 마지막으로, 상기 돔(30)은 (도면에 도시되지 않은) 관형 몸체, 선호적으로 불투명 튜브 몸체위에 부착되고(spliced), 파이어폴리싱(fire polished) 된다.
돔(30) 형태를 가진 불투명 석영 유리 부품은 불투명하고 고도로 순수한 석영 유리로 제조된다. 특히, 상기 돔(30)은 적어도 약 95%의 화학적 순도, 적어도 약 2.10 g/cm3의 밀도., 및 최대 약 4.5%의 다공도를 가진다. 또한, 상기 돔(30)의 구멍들 중 약 80%는 약 45μm의 최대 구멍 치수를 가진다. 상기 돔(30)은 또한 λ=190nm to λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm 벽 두께에서 약 1%의 거의 일정한 직접 여광도를 가지고 λ=190nm to λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가진다. 돔(30)은 또한 약 460mm의 직경, 약 440mm의 곡률반경 및 약 6mm의 벽두께를 가진다.
다음에 상기 불투명 석영 유리 돔(30)의 성능이 측정되고 도 6에 도시된 것처럼, 모의시험된 웨이퍼 교환 작업 동안 종래기술의 투명한 석영 유리 돔과 비교된다. 구체적으로, 도 6은 상기 웨이퍼 교환 작업 동안 노 도어(door)가 개방되고 밀폐된 후에 반도체 노내에서 웨이퍼의 온도 회복을 도시한다. 일단 상기 웨이퍼가 상기 노내에서 적절하게 위치하면, 웨이퍼의 변부 영역이 상기 돔(30)에 의해 덜 영향을 받는 반면에, 웨이퍼의 중간 영역은 필수적으로 상기 돔(30)에 의해 덮인다. 도 6에 도시된 것처럼, 상기 불투명 돔(30)에 의해 덮이는 웨이퍼의 중간 영역은 약 14℃/분의 상대적으로 높은 가열 또는 열 회복율을 나타낸다. 대조적으로, 종래기술의 돔에 의해 덮이는 웨이퍼의 중간 영역은 약 6℃/분의 상대적으로 낮은 가열 또는 열 회복율을 나타낸다. 이러한 영역들이 각각의 돔들에 의해 덜 영향을 받기 때문에 새로운 웨이퍼들의 변부 영역들에서 열 회복율들은 상대적으로 덜 극명한 차이가 가진다. 그러나, 상기 불투명한 돔(30)에 의해 덮이는 웨이퍼의 변부 영역이 가지는 15℃/분의 열 회복율은 종래기술의 돔에 의해 덮이는 웨이퍼의 변부 영역이 가지는 12℃/분의 열 회복율보다 아직 경미하게 더 높다.
따라서, 도 6은 도 3의 불투명 석영 유리 돔(30)이 종래기술의 돔보다 주위환경으로부터 더욱 양호하게 열을 유지한다는 것을 명확하게 보여준다. 구체적으로, 본 발명을 따르는 불투명 석영 유리 돔(30)은 따라서 웨이퍼가 교환될 때 투명한 석영 유리보다 더 양호한 온도 균일성 및 더 빠른 온도 회복성을 위해 제공된다. 특히, 상기 불투명 석영 유리 돔(30)에 의해 보호되는 반도체 공정 챔버는 종래기술의 투명한 석영 유리 돔을 가진 것보다 더 작은 열손실을 가진다. 따라서, 투명한 석영 유리 돔에 의해 보호되는 반도체 공정 챔버로부터 제거되거나 다시 삽입되는 반도체 웨이퍼와 비교하여 상기 불투명 석영 유리 돔(30)에 의해 보호되는 반도체 공정 챔버로부터 제거되거나 다시 삽입되는 동안 상기 반도체 웨이퍼는 상당히 더 빠른 속도로 온도(즉, 열)를 회복한다.
당해 업자는 본 발명을 따르는 불투명 석영 유리 부품의 비교가 여기서 단지 불투명 석영 유리 돔에 관해 설명되는 반면에, 투명한 석영 유리 튜브, 관형 섹션 또는 링과 비교하여 본 발명을 따르는 불투명 석영 유리 튜브, 관형 섹션 또는 리에 대해 동일한 효과가 일어나는 것을 이해할 것이다.
예 4
도 2에 도시된 것처럼, 개시 프리폼(10')이 준비된다. 다음에 상기 개시 프리폼(10')이 도 8A에 도시된 것처럼, 조인트 시임(joint seam, 36)에서 투명한 유리 튜브(34)와 연결된다. 다음에, 상기 투명한 유리 튜브(34)와 연결될 때, 상기 개시 프리폼(10')은 블로윙 공정에 의해 이격기 튜브(26)의 원하는 직경으로 치수조절되어 반도체 챔버의 일부 또는 전부를 형성한다. 구체적으로, 상기 개시 프리폼(10')은 수평방향을 향하며, 상기 투명한 유리 튜브(34)는 상기 개시 프리폼(10')의 양쪽 단부에 부착된다. 단지 한 개의 투명한 유리 튜브(34)가 상기 개시 프리폼(10')의 한쪽 단부에만 부착될 수 있는 것을 이해할 것이다. 처음에, 조인트 시임(36)에서 상기 투명한 유리 튜브(34) 및 개시 프리폼(10')사이에서 벽두께 및 직경의 비균일성 또는 변동성이 존재한다.
다음에 상기 개시 프리폼(10')의 연속적인 영역들이 가열되고 확대되어 원하는 직경을 가진 확대된 불투명 석영 유리 이격기 튜브(26)를 형성하는 동안 상기 개시 프리폼(10')은 가열되고 확대된다. 각각의 영역이 여러 번 가열될 수 있다. 예 2에서 이용되는 동일한 공정이 상기 개시 프리폼(10')의 팽창을 위해 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 연속적인 다수의 가열 단계들 동안, 상기 개시 프리폼(10')가 치수 조절될 때, 상기 조인트 시임(36)에서 두께 및/또는 직경의 비 균일성 또는 변동성은 점차적으로 감소된다. 도 8B에 도시된 것처럼, 치수 조절 공정이 완료된 후에, 결과적으로 형성되는 불투명 석영 유리 이격기 튜브(26) 및 상기 투명한 유리 튜브(34)사이에서 상기 조인트 시임(36)들에서 두께 및/또는 직경의 비-균일성 또는 변동성은 실질적으로 감소되거나 제거된다. 이것은, 불투명 이격기 튜브가 우선 형성되고 투명한 유리 튜브에 압축 용접되며 종래기술을 따르는 반도체 챔버의 조인트 시임에 존재하는 비-균일성에 대해 눈에 띄게 개선된 것으로 밝혀졌다.
당해 업자는 실시예들의 넓은 진보적 개념으로부터 벗어나지 않고 상기 실시예들에 대해 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 공개된 특정 실시예들로 한정되지 않는 것으로 이해되지만, 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 사상과 범위내에서 수정을 포함하는 것을 의도한다.

Claims (13)

  1. 불투명한 석영 유리 부품의 형성 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 석영 유리로 제조된 개시 프리폼을 제공하는 단계로서, 상기 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.1 내지 1%의 직접 여광도, λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장에서 적어도 60%의 산란 반사 및, 적어도 2.15 g/cm3의 밀도를 가지며, 상기 개시 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 1 내지 20μm의 최대 구멍 치수를 가지는 단계;
    (b) 상기 석영 유리가 10E2 내지 10E12 포이즈 범위의 점도 및 적어도 2.10 g/cm3의 밀도를 가지는 미리 정해진 온도까지 상기 개시 프리폼의 적어도 일부분을 가열하는 단계로서, 상기 가열된 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 1 내지 45μm의 최대 구멍 치수를 가지는 단계; 및
    (c) 상기 불투명한 석영 유리 부품을 형성하기 위해, 상기 미리 정해진 온도에서 상기 가열된 프리폼의 적어도 일부분을 변형시켜 상기 가열된 프리폼의 형상과 치수(들) 중 적어도 한 개를 변화시키는 단계로서, 상기 불투명한 석영 유리 부품은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.2 내지 3%의 직접 여광도를 가지며 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가지는 단계
    를 포함하는 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.1 내지 0.5%의 직접 여광도를 가지며, 상기 불투명한 석영 유리 부품은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.2 내지 1.5%의 직접 여광도를 가지며 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가지는 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열된 개시 프리폼은 λ=190nm 내지 λ=4990nm의 파장 범위 및 3mm의 벽두께에서 약 0.2 내지 3%의 직접 여광도를 가지며 λ=190nm 내지 λ=2500nm의 파장 범위에서 적어도 60%의 산란 반사를 가지는 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개시 프리폼은 최대 2.5%의 다공도를 가지고, 상기 가열된 프리폼은 최대 5%의 다공도를 가지는 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 석영 유리는 적어도 99.9%의 화학적 순도 및 1% 이하의 크리스토발라이트 함량을 가지는 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 온도는 1100℃ 내지 2300℃ 범위의 온도인 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 개시 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 15 내지 20μm의 최대 구멍 치수를 가지는 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 부드러워진 프리폼의 구멍들 중 적어도 80%는 25 내지 45μm의 최대 구멍 치수를 가지는 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 부드러워진 프리폼을 변형시키는 단계는 블로윙, 드로잉, 슬럼핑 및 치수조절로 이루어진 군으로부터 선택되는 한 개 이상의 공정에 의해 수행되는 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 개시 프리폼을 가열하기 전에 개시 프리폼의 적어도 일부분을 기계가공하는 것을 추가로 포함하는 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 불투명한 석영 유리 부품은 튜브, 튜브의 부분, 링 및 돔 중 한 개인 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서, 추가로
    (i) 상기 개시 프리폼의 제1 단부에 제1 더미 튜브를 부착시키고 상기 개시 프리폼의 제2 단부에 제2 더미 튜브를 부착시키는 단계;
    (ii) 상기 개시 프리폼의 적어도 일부분을 가열하는 동안 개시 프리폼을 종 방향 축 주위에서 회전시키는 단계; 및
    (iii) 일반적으로 개시 프리폼의 회전과 동시에 상기 개시 프리폼에 대해 내부 과압력 및 내부 원심력 중 적어도 한 개를 가하는 단계
    를 포함하는 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서, 추가로
    (i) 조인트 시임에서 상기 개시 프리폼의 제1 단부에 투명한 유리 튜브를 부착시키는 단계; 및
    (ii) 상기 불투명한 석영 유리 튜브와 투명한 유리 튜브 사이의 상기 조인트 시임이 실질적으로 불균일성을 갖지 않도록, 불투명한 석영 유리 튜브를 형성하기 위해 상기 개시 프리폼을 치수조절하는 단계
    를 포함하는 형성 방법.
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