本发明涉及通过在包括具有底部板的熔融模具的加热区中使具有纵向轴的多孔、圆柱形sio2烟灰体玻璃化且成型自合成石英玻璃产生光学坯件的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)使所述sio2烟灰体在所述加热区中于玻璃化温度下玻璃化以形成完全圆柱形、完全玻璃化、透明石英玻璃体，且随后直接
(b)通过在所述熔融模具中软化来使所述玻璃化石英玻璃体成型以形成完全或部分地填充所述熔融模具的体积的粘性石英玻璃团块，和
(c)冷却所述石英玻璃块且从所述熔融模具取出以形成所述光学坯件。
举例来说，从合成石英玻璃的坯件产生用于半导体制造中的组件、光学组件(例如微光刻中的透镜或镜子)或用于通信工程用光学纤维的预形成物。
通常通过火焰水解或使用沉淀燃烧器氧化含硅起始化合物的方式来产生合成石英玻璃。用于制造合成石英玻璃的充分确定的起始化合物为四氯化硅(sicl4)。然而，已知许多其它可通过水解或通过氧化自其形成sio2的有机硅化合物。举例来说，本文提及含氯或无氯硅烷、硅氮烷或聚硅氧烷。在这些物质中，无氯聚硅氧烷八甲基-环四硅氧烷(omcts)变得尤其有用。
已知产生方法为vad方法(气相轴向沉积)、ovd方法(外部气相沉积)或等离子体支持式沉积方法(例如pod方法(等离子体外部沉积))。其它方法使用如下模具：其中通过垂直沉积sio2颗粒和直接玻璃化来使石英玻璃体从底部到顶部累积。在所有这些程序中，借助一个或若干个沉淀燃烧器来产生sio2颗粒且逐层沉积于相对于燃烧器火焰发生移动的载体上。在适当高温于载体表面区域中，将sio2颗粒直接玻璃化(“直接玻璃化”)。与之相比，在所谓的“烟灰方法”中，在沉积sio2颗粒期间温度较低，从而获得分别在单独方法步骤中烧结且玻璃化成透明石英玻璃的多孔sio2烟灰体。最终，直接玻璃化和烟灰方法皆产生致密、透明的高纯度合成石英玻璃。本发明涉及通过中间阶段的烟灰体来制造合成石英玻璃。
通常，因制造工艺，sio2烟灰体具有高含量的羟基(oh基团)。其会影响所得石英玻璃的光学透射率和石英玻璃的粘度以及其对短波uv辐射的抗性。因此，在制造合成石英玻璃时，通常应注意，观察到预定含量羟基，且已提出许多方法来最小化烟灰体中的羟基含量或将其调节到预定值。举例来说，在约1000℃的高温下于含氯气氛中对多孔烟灰体实施脱水处理，从而使得oh基团由氯取代。或者，还可在含氟气氛中干燥烟灰体，此会伴有氟掺杂。在打算避免将氯或氟纳入sio2网络中时，实施热干燥，其中在真空及约1100℃温度下于加热炉中使用石墨加热元件将烟灰体脱水。
通过烧结方式(＝玻璃化)从经预处理烟灰体来产生透明石英玻璃体。通常，将经干燥或以其它方式预处理的烟灰体引入可抽真空玻璃化炉中以用于此目的且在其中烧结以形成透明石英玻璃体。随后，通过机械成型方式或通过热加工赋予玻璃化石英玻璃体坯件或半成品产品的预定最终形状。
热加工通常伴有减少条纹和层的均质化措施。举例来说，de4204406a1提出多阶段变形工艺，其中使用垂直定向的供应喷嘴将石英玻璃的扭转杆引入以倒置“t”形状形成的石墨浇注模具中以消除轴向层结构，所述垂直定向的供应喷嘴在其下端支链向两侧分叉至水平定向的正方形横截面管形出口模具。扭转杆在供应喷嘴内发生软化，由此在其自身重量下以使其成型为正方形横截面杆形石英玻璃圆柱体的方式下沉到水平出口模具中，其中剩余层与杆纵向轴平行延伸且可容易地通过围绕纵向轴扭转而去除。
背景技术：
de10041467c1提出，应在联合炉中脱水处理并玻璃化烟灰体且在玻璃化烟灰体期间应同时通过塑性成型来设定坯件的最终形式。在一实施例中，使用气体可渗透石墨模具，所述石墨模具包括具有适用于烟灰体(此处为空心圆柱体)的外径的宽横截面容纳构件的上部，所述上部通过漏斗形过渡进入具有较窄横截面的下部。石墨模具的下部适用于待产生半成品石英玻璃产品的外径且界定其最终形状。使用具有引入烟灰体的纵向孔中以稳定烟灰体的板的固持棒将待玻璃化烟灰体插入石墨模具的容纳部分中。以此方式，首先将烟灰体固持于炉的较冷上部中且在此处使用氯气施加作用。贯穿氯处理期间的温度约为950℃。在此工艺步骤后，将烟灰体与石墨模具一起下降到具有约1350℃的升高温度的炉区中且在氦气氛中预烧结约12h的时段。在预烧结工艺中，观察到一定体积的烟灰体压缩。随后使烟灰体在约1750℃温度下玻璃化，其中将石墨模具(包含预烧结烟灰体)进一步下降到具有甚至更高温度的炉部分中。在此位置滞留8小时时间之后，预烧结、空心圆柱形烟灰体软化到其在其自身重量下通过漏斗形过渡流入模具下部的程度。可通过从上方施加的压力来支持缓慢径流。在冷却之后，打开石墨模具且取出石英玻璃模制物，所述石英玻璃模制物未经其它精整加工即可用作块形半成品产品来产生用于光学装置或用于半导体制造的石英玻璃组件。
然而，在粘性sio2团块流入石墨模具的下部时，可产生展现为条纹或气泡巢的不可预见性气泡纳入或错位。所述熔合缺陷会损害最终产品的质量。举例来说，气泡可减小石英玻璃组件对半导体制造中的常见蚀刻工艺的抗性。所述熔合缺陷使得半成品产品还不可用于微光刻领域中且必须以繁琐方式去除。另外，已知方法仅适用于使用纵向孔引入定心装置的空心圆柱形烟灰体。因定心装置，在成型之后获得具有直径约为50mm到80mm的孔的石英玻璃空心圆柱体。
在de102006024831a1中还提出，应在联合炉中玻璃化烟灰体且使坯件成型。然而，玻璃化和成型并不同时实施，而是在连续工艺步骤中实施。
起点为空心圆柱形烟灰体，其是通过标准ovd方法且通过将sio2颗粒外部沉积于围绕其纵向轴旋转的心轴上所产生。烟灰体在其纵向孔中由固持棒或载体管支撑且位于熔融模具的底部板上。因此，载体管不仅用作固持件，且尤其用作用于待制造坯件中的待产生内孔的结构元件。在此布置中，将烟灰体供应到玻璃化和成型炉。在炉的加热区中，烟灰体从上部开始连续玻璃化，且然后通过使熔融模具中的玻璃化石英玻璃体的下部变形来开始成型。石英玻璃体逐渐整体软化且流入熔融模具中。因载体管在玻璃化和成型期间得以保留，所以获得坯件形式的空心圆柱形模制物。
de102006024831a中的方法以及de10041467c1中的先前所描述方法限于制造空心圆柱形坯件。尽管使用载体管作为定心装置，但需要其它措施(例如熔融模具内壁与分别烟灰体外壁或经烧结石英玻璃体之间尽可能小(不超过50mm)的间隙)以避免成型工艺中的延迟热转移和尤其错位。此外，因在玻璃化期间必须注意石英玻璃体不能收缩于载体管上，所以载体管与石英玻璃体之间的间隙在成型期间减小载体棒的定心作用。因此，即使在载体管精确定心的情形下，此也可导致与熔融模具中的石英玻璃体的同心对准的偏差。并不打算在需要校正的情形下再调节载体管。就此来说，载体管作为定心装置的功能并不足以将玻璃化石英玻璃体固持于定心位置且确保受控成型工艺。此外，如果烟灰体从顶部到底部以渐进方式进行的玻璃化工艺在烟灰体下端最终未完成而未注意到此且如果此区域立即在熔融模具中经历成型工艺，那么可出现因气泡纳入所致的熔合缺陷。
另外，从jp2004-123439a已知通过vad方法产生的完全圆柱形sio2烟灰体的玻璃化。在一实施例中，将烟灰体在固定到悬挂装置下移动到炉中，其中熔融模具从下方以增加的压力作用于烟灰体。在10,000pa压力下且在1300℃温度下形成透明石英玻璃体。随后在0.2mpa压力下将温度进一步升到1600℃，此会将石英玻璃体在熔融模具中软化且成型。熔融模具的中心与悬挂装置对准。
jp2001-199733a还揭示使用sio2烟灰体的玻璃化和成型来制造石英玻璃体，然而此处使用单一方法步骤。在此情形下，烟灰体搁置于模具边缘上且在其自身重量下于1750℃到1800℃的温度下流入模具中。
如jp2001-199733a中的类似程序还根据jph05-270848a提供。将sio2烟灰体引入(从固持件悬挂)炉中且在此处逐步加热到最高1850℃。发展中透明石英玻璃体此时软化到其流入置于炉下部的模具中的程度。
技术实现要素：
因此，本发明目标为指示玻璃化且成型sio2烟灰体的方法，借此获得具有可重现高质量、高纯度和均质、旋转对称性质特征(例如折射率特征)的合成石英玻璃的完全圆柱形坯件。
根据本发明来实现始于上文所提及类型方法的此目标，其中在根据方法步骤(b)于熔融模具中成型期间，通过受控供应方式使完全圆柱形石英玻璃体与底部板的定心构件接触。
本发明方法始于烟灰体，在干燥烟灰体之后将其在联合炉系统中玻璃化且随后在熔融模具中成型为合成石英玻璃的坯件。在sio2烟灰体的玻璃化期间，形成具有旋转对称性质特征的完全圆柱形石英玻璃体。优选地，借助vad方法使烟灰体累积为完全圆柱形模制物且具有旋转对称性质特征。从所述主体开始，相应地，产生合成石英玻璃的完全圆柱形坯件。单一炉中的玻璃化和成型在并无中间体存储或传输下保证了有效制造工艺且由此满足对于用于光学装置中或作为半导体工业中的工艺组件的合成石英玻璃纯度的高要求。
另外，在熔融模具中软化玻璃化、完全圆柱形石英玻璃体期间并不以定心定向使用如先前技术中的固持棒或杆，而是通过受控供应且使石英玻璃体与熔融模具的底部板上的定心构件接触来实施定心。通过熔融模具的底部板上的定心构件来防止石英玻璃体发生倾斜，从而在成型期间维持旋转对称性且由此将均质旋转对称性质特征从玻璃化石英玻璃体传递到坯件。
已发现，无气泡且无条纹成型仅可发生于烟灰体完全玻璃化且然后呈现为石英玻璃体时。玻璃化工艺和成型工艺的界定分离和时间序列可避免纳入气体，如例如在包被仍为多孔状态的烟灰材料且由粘性石英玻璃团块包封时所产生。
在玻璃化后且未在同一炉系统中进行中间冷却、但在高于玻璃化温度的温度下且通过引入熔融模具中来使石英玻璃体成型。熔融模具具有含有定心构件的底部板，所述底部板将完全圆柱形石英玻璃体置于底部板上时会将其定心于底部板中心，由此防止在底部板上发生倾斜或移位。完全圆柱形石英玻璃体在其下端并无平面前表面，但具有充分适用于底部板中的定心构件的半球形穹顶。石英玻璃体因增加的温度而软化成粘性团块，所述粘性团块分布于熔融模具中且完全或部分地填充其内体积，从而在冷却之后可从熔融模具取出坯件。以此方式产生的完全圆柱形坯件基本上展现与进给到加热区中的完全圆柱形sio2烟灰体相同的旋转对称性质分布。因此，归因于本发明方法，无需对坯件实施均质化措施(例如扭转)。此外，无需在玻璃化之后更换炉系统，由此最小化引入杂质的风险。
已发现，在底部板上的定心构件配置为旋转对称槽时尤其有利。所述槽或穿孔样凹陷布置于底部板中心且以最佳方式适用于玻璃化石英玻璃体的下端，所述下端具有完全圆柱形形状且通常在其末端并无平直前表面，但提供有用作底部板中槽的对应体的穹顶。定心构件的此设计促进了软化石英玻璃团块的均质流出，同时维持旋转对称性质特征。
另外，对于尤其精确的供应来说，已证实，可有用地通过作用于玻璃化石英玻璃体上端的固持装置与移动单元的组合来受控供应到熔融模具中。因此，在上端和下端引导玻璃化石英玻璃体。位于石英玻璃体上端的固持装置包括(例如)具有所谓的石英玻璃手柄的石墨链。移动单元作用于固持装置上且控制烟灰体到加热区和石英玻璃体到熔融模具以及在石英玻璃体成型期间的垂直和径向移动。
有利的是，移动单元包括力换能器，所述力换能器记录在将玻璃化石英玻璃体置于熔融模具的底部板上和在熔融模具中使石英玻璃体成型期间的垂直力且容许最佳地调节进给速率。
有利的是，使玻璃化石英玻璃体在熔融模具中从其下端开始从底部到顶部成型，控制供应，从而每时间单位所供应的石英玻璃体的质量对应于每时间单位所软化的石英玻璃团块。此措施以对应于成型操作程度的速度通过流出软化石英玻璃体来移动或下降玻璃化石英玻璃体。此处，流出速度取决于软化温度和所供应石英玻璃体的质量。
在石英玻璃体位于熔融模具的底部板上的定心位置之后，通过流出方式开始成型工艺。由手柄和石墨链组成的固持装置将恰好屈服到如下程度：具有部分尚未软化的石英玻璃体的整体组合件保持拉伸且确保经软化石英玻璃团块的均匀、旋转对称流出。在石英玻璃体下端与熔融模具内一定高度水平的粘性石英玻璃团块之间发生成型期间，产生或大或小的球形过渡区域。此过渡区域大致对应于粘性石英玻璃团块在熔融模具中的填充水平或略高于填充水平。
使完全玻璃化石英玻璃体下降以用于借助位于石英玻璃体上端的手柄分别在定位于炉下端的熔融模具和加热区中成型，从而使其位于熔融模具中的底部板的定心位置。在与底部板的定心构件接触且成型期间介于2mm/min与4mm/min之间的进给速率已证实较为有用。此范围中的进给速率容许与底部板的定心构件准确接触。
优选地，在加热区的子区域中实施成型，所述子区域的长度不超过待成型完全圆柱形石英玻璃体的长度的一半。
在成型工艺开始时，完全圆柱形石英玻璃体的上部仍处于玻璃化温度下，从而软化和成型不发生于此部分中。因此，石英玻璃体从下部开始逐部分软化，且确保逐渐向上发展的界定成型工艺。就此来说，还必须注意，软化石英玻璃所需的高软化温度还可引起成核和石英玻璃中方硅石晶体的不合意生长。由此打算将石英玻璃曝露于尤其高的稳定下仅所需时间段。
软化温度有利地设定于介于1650℃与1850℃之间。
因软化温度与相比熔融模具区域中的玻璃化温度有所升高，所有石英玻璃体发生软化以形成完全或部分地填充熔融模具体积的粘性石英玻璃团块。归因于熔融模具的底部板中作为定心构件的槽样凹陷且归因于石英玻璃体的上端的引导(手柄、石墨链和移动单元)，石英玻璃体的倾斜或移位得以预防。可由此维持在沉积完全圆柱形烟灰体期间施加的旋转对称性质特征。
优选地，使完全圆柱形石英玻璃体在基本上恒定软化温度下成型15min到200min的时段。
成型步骤係在玻璃化步骤之后且在基本上恒定温度下实施。根据待成型石英玻璃体的体积，软化温度和操作温度的持续时间明显高于玻璃化温度。在成型步骤末期，用于获得坯件的所需完全圆柱形几何结构的成型工艺基本上完成；只是坯件的壁和顶部侧必须仍较为平滑，为此，在升高的软化温度范围内的阶段足矣。
在将经成型石英玻璃体在尽可能均匀的温度范围内均匀加热时，此措施尤其有效。
对于待处理多孔sio2烟灰体来说，在所述主体为根据vad方法产生的完全圆柱形烟灰体时尤其有利。
根据vad方法将sio2烟灰颗粒沉积于旋转石英玻璃棒的前表面上的层中可得到具有纵向轴的完全圆柱形烟灰体。此烟灰体具有均质性质特征，这是因为衬底棒的速度和沉淀燃烧器的控制彼此匹配。通过与使用ovd方法(其中烟灰体的直径在衬底管上生长为空心圆柱形体)进行烟灰沉积加以比较，根据vad方法产生的烟灰体和从其成型的完全圆柱形体在中央区域并无性质特征缺陷。对于具有均质、旋转对称性质特征的完全圆柱形坯件的制造来说，根据vad方法产生的完全圆柱形sio2烟灰体可有利地作为本发明方法中的起始材料。
在本发明的一优选实施例中，在根据方法步骤(a)的玻璃化中，加热区在其整个长度的垂直定向上作用于烟灰体。在此情形下，完全圆柱形烟灰体在其整个周向表面上经受热作用。玻璃化在径向上从外侧到内侧均匀发生，从而产生一定体积收缩，但烟灰体尺寸彼此的比率并无任何实质性变化。同样，维持烟灰体的性质特征且转移到完全玻璃化石英玻璃体。
或者，还可有利地使烟灰体在其纵向轴的垂直定向上从其下端开始从底部到顶部逐区进行玻璃化。首先从上方将待玻璃化烟灰体供应到加热区中，从而在其下端开始玻璃化。通过使部分地玻璃化烟灰体进一步下降穿过加热区，玻璃化部分进一步向上增加，最后得到完全玻璃化石英玻璃体。
必须在精确控制的进给速率和温度调节下使完全圆柱形烟灰体在其纵向轴的垂直定向上从底部到顶部进行玻璃化以最小化石英玻璃体的子区域仍含有纳入气体(其不再可在成型期间去除)的风险。就此来说，已证实，可有用地在逐区玻璃化期间以介于2mm/min与10mm/min之间的进给速率将烟灰体供应到加热区中。将介于2mm/min与10mm/min之间的进给速率与至少30cm的标准加热区长度进行组合可得到烟灰体在加热区中至少对于烟灰体典型尺寸(外径在300mm到400mm范围内)来说确保完全玻璃化的滞留时间。
玻璃化温度有利地设定于介于1200℃与1600℃之间。此适用于整个玻璃化和逐区玻璃化。
附图说明
图1展示执行本发明方法的示意性工艺图。
具体实施方式
现将参照专利图式和实施例来更详细地阐释本发明。详细来说，
图1展示执行本发明方法的示意性工艺图。
图1中的图示意性展示通过本发明方法使用组合件产生完全圆柱形坯件的方法步骤(a)和(b)。
首先，将完全圆柱形sio2烟灰体1(其是根据vad方法产生且已经受干燥期)供应到真空炉，已向所述真空炉整体分配参考编号2。将外径约为300mm且长度约为2m的sio2烟灰体1从上方引入具有加热区21的真空炉2中，所述加热区具有围绕基座22布置的加热元件21a、21b。加热区21可在玻璃化区段中经加热元件21且在成型区段中经加热元件21b单独控制，从而可在基座22的长度上设定具有不同热量的两个部分。真空炉2的下端由熔融模具23填充，在熔融模具的底部板24中具有槽样凹陷24a。
在第一方法步骤(a)中，将烟灰体1引入(从具有所谓的石英玻璃手柄4的石墨链3悬挂且由移动单元5控制)炉2的玻璃化区中且在其中加热到约1400℃温度。在真空炉2中维持小于0.1pa(绝对)的负压。在此过程中以均匀方式从外周向表面开始向内分别烧结和玻璃化完全圆柱形烟灰体1，从而得到外径约为200mm且长度约为1.5m的均质、无气泡透明石英玻璃体6。在完全圆柱形石英玻璃体6的下端提供有半球形穹顶且在其上端形成与石英玻璃手柄4熔合的大致球形穹顶。玻璃化步骤是在烟灰体1在加热区21内约10小时的滞留时间下完成。
随后进行成型步骤(b)。借助作用于上端的石墨固持件4和移动单元5使经玻璃化、完全圆柱形石英玻璃体6进一步向下下降于以中心方式布置的熔融模具23的底部板24中的槽24a上。石英玻璃体6下端的圆形穹顶充分配合底部板24的槽样凹陷24a。同时，将熔融模具23区域中加热区21的温度以2.5k/min的升温速率从1400℃增加到1750℃。石英玻璃体6中固持于中央位置底部板24的槽24a中的下部由此发生软化且逐渐流入熔融模具23中。熔融模具23完全定位于加热区21的下部内，从而跨越熔融模具23的高度产生均质温度特征。在整个玻璃化和成型工艺期间维持真空。
在完成此第一升温和变形期之后，石英玻璃体6(所述主体压于粘性石英玻璃团块7上且尚未变形)的重量与初始重量相比大约减半，且随后进行基本上仅涉及石英玻璃体6的剩余上部的第二成型期。此时以5k/min的较高升温速率将温度进一步增加到1800℃。在此升温期期间，石英玻璃体的剩余上部也几乎完全软化且流入熔融模具23中，所述熔融模具的内体积几乎被完全填充。控制石英玻璃体6的供应，从而石墨链3总是保持于轻微机械张力下。石墨链3、手柄4和石英玻璃体的上部由此形成拉伸组合件。此工艺中的辅助者是石墨链3上或移动单元5中的力换能器(此处未展示)，所述换能器通过以下确保石墨链3保持于张力下：石墨链3仅屈服至石英玻璃团块7从石英玻璃体6成型时的程度。经软化石英玻璃团块7和尚未软化石英玻璃体7的部分比率界定了由石墨链3和手柄4与移动单元5的组合组成的固持装置的供应移动。
这两个成型期的目的在于使熔融模具23内的石英玻璃团块7的粘度适用于尚未成型石英玻璃体的逐渐降低的重量。粘度的界定、缓慢和细微减小可妨碍形成熔体缺陷、尤其错位和螺旋气泡环。
然后，在最后成型期之后，将1800℃的先前达到温度再保持20分钟。此使得成型石英玻璃块的顶部侧变平滑且由此减小材料损失。
在冷却之后，打开熔融模具且取出呈完全圆柱形石英玻璃块形式的坯件。首先，通过水平切割(此形成坯件的前表面)在坯件上端去除具有石英玻璃手柄4的穹顶。另外，在下前侧上和坯件周边上去除表面层。特定来说，此去除由熔融模具的底部板中的槽所产生的高度。抛光平面侧，从而得到坯件的380mm直径和200mm厚度。坯件的特征在于不含气泡、实质性不含条纹和关于折射率和oh含量的旋转对称性质特征，如在开始时由沉积和其它前述工艺参数所定义。所述坯件尤其适于产生用于光学装置或用于半导体制造的石英玻璃组件，例如凸缘和晶圆载体。