(57)【要約】【課題】亀裂のない内面ガラス化されたＳｉＯ２坩堝の製造方法を提供する。【解決手段】非晶質の開放気泡のＳｉＯ２生素地坩堝をＣＯ２レーザー光線の焦点により焼結する、亀裂のない内面ガラス化されたＳｉＯ２坩堝の製造方法において、全焼結の間焦点が坩堝に対して移動し、その際ＳｉＯ２生素地坩堝の上方内面縁部で点状焦点により焼結を開始し、点状焦点を拡大しながら所望の焦点の値まで継続し、その際焦点がＳｉＯ２生素地坩堝の上方内面縁部を、前記上方内面縁部が完全にガラス化するまで横切り、引き続き焦点がＳｉＯ２生素地坩堝の中に移動することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質の開放気泡のＳｉＯ２生素地坩堝をＣＯ２レーザー光線の焦点により焼結する、亀裂のない内面ガラス化されたＳｉＯ２坩堝の製造方法において、全焼結の間焦点が坩堝に対して移動し、その際ＳｉＯ２生素地坩堝の上方内面縁部で点状焦点により焼結を開始し、点状焦点を拡大しながら所望の焦点の値まで継続し、その際焦点がＳｉＯ２生素地坩堝の上方内面縁部を、前記内面縁部が完全にガラス化するまで横切り、引き続き焦点がＳｉＯ２生素地坩堝の中に移動することを特徴とする亀裂のない内面ガラス化されたＳｉＯ２坩堝の製造方法。
【請求項２】
レーザー光線が３ｋＷ〜２０ｋＷの出力を有し、焦点が２ｃｍ〜２０ｃｍである請求項１記載の方法。
【請求項３】
光線の出力密度５０〜５００Ｗ／ｃｍ２を有して照射する請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
ＳｉＯ２生素地坩堝を平面を覆うように照射する請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
生素地坩堝の１／４回転から一回転までの範囲内でレーザー光線を所望の焦点の値に拡大する請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
坩堝内壁の照射を角速度０.１°／ｓ〜０.７°／ｓで行う請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
レーザー焦点から上方坩堝縁部までの距離を一定にしてＳｉＯ２生素地坩堝を、前記坩堝が完全に回転するまで（３６０°）回転させ、引き続きねじの形で坩堝内面の残りが、坩堝縁部から出発して坩堝底面の中心点まで平面を覆うように進行し、その際焦点が連続的にＳｉＯ２生素地坩堝の中に移動する請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
ＳｉＯ２生素地の焼結を１０００〜２５００℃の温度で行う請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
ＳｉＯ２生素地坩堝を減圧下もしくは真空下に保持する請求項１または請求項３から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
ＳｉＯ２生素地坩堝を０.０１〜１００ミリバールに保持する請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内面ガラス化されたＳｉＯ２坩堝の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔質の非晶質ＳｉＯ２成形体は多くの技術分野に利用される。例としてフィルター材料、断熱材料または耐熱防護板が挙げられる。更に非晶質の開放気泡ＳｉＯ２成形体から焼結および／または溶融によりすべての種類の石英材料を製造することができる。その際高純度開放気泡ＳｉＯ２成形体は例えばプレフォームとしてガラス繊維または光伝導繊維に使用できる。更にこのやり方で単結晶、特にシリコン単結晶を引き出すための坩堝を製造することができる。製造すべき石英材料はすべての種類の異種原子に関してきわめて高い純度を有するべきであり、熱いガスまたは熱い接触面の使用が焼結および／または溶融すべき石英材料の異種原子での好ましくない汚染を生じる。
【０００３】
従って異種原子での汚染の減少または回避は原則的に放射線による熱によらない無接触の加熱によってのみ可能である。同じ出願人による２００１年１１月２９日付けドイツ特許第１０１５８５２１号から非晶質開放気泡ＳｉＯ２生素地を、ＣＯ２レーザーを使用して無接触の加熱により部分領域でまたは完全に焼結またはガラス化し、その際異種原子での汚染が回避される方法が公知である。この方法では常圧下で作業するので、焼結もしくはガラス化の際にガラス化された領域でガラス気泡が形成される。
【０００４】
２００２年１２月２０日付けドイツ特許第１０２６０３２０号においてこの問題は非晶質開放気泡ＳｉＯ２生素地を、ＣＯ２レーザーを使用して無接触の加熱により部分領域でまたは完全に焼結もしくはガラス化し、その際１０００ミリバール未満の減圧を使用することにより解決される。
【０００５】
チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き出すために今日商業的に使用される坩堝は１４〜３６インチの直径を有する。しかし前記方法のＣＯ２レーザー光線の焦点の直径はかなり小さい値を有する。これから内面をガラス化する場合に坩堝の内面の全部を同時にガラス化まで加熱しなくてよいことが生じる。その代わりに走査する、すなわち坩堝の内面上にレーザー焦点が連続的に平面を覆う方法が必要である。その際方法に起因して熱い坩堝領域と冷たい坩堝領域が直接並列して存在する。これがかなり頻繁に亀裂を生じる。
【特許文献１】ドイツ特許第１０１５８５２１号
【特許文献２】ドイツ特許第１０２６０３２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、非晶質開放気泡ＳｉＯ２生素地坩堝をＣＯ２レーザー光線の焦点により焼結し、これにより坩堝内の亀裂の形成を回避する、内面ガラス化されたＳｉＯ２坩堝の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題は、全部の焼結の間焦点が坩堝に対して移動し、その際ＳｉＯ２生素地坩堝の上方内部縁部で点状焦点により焼結が開始し、点状焦点を拡大しながら所望の焦点の値まで継続し、その際焦点がＳｉＯ２生素地坩堝の上方内部縁部を、前記上方内部縁部が完全にガラス化するまで横切り、引き続き焦点がＳｉＯ２生素地坩堝の中に移動することにより解決される。
【０００８】
溶融した坩堝材料と溶融していない坩堝材料の間の静止した縁部が坩堝内に頻繁に亀裂を形成する。焼結の際にＳｉＯ２生素地坩堝が移動しない場合に、静止した縁部が形成される。この危険は特に焼結工程の開始時に生じる。焼結の開始時の焦点の連続的拡大および坩堝と焦点の絶え間ない相対移動により、本発明の方法において溶融した坩堝材料と溶融していない坩堝材料の間に静止した縁部が形成されることが回避される。
【０００９】
ＳｉＯ２生素地坩堝の内面が坩堝上のレーザー焦点の平面より大きいので、走査、すなわちレーザー焦点による坩堝内面の連続的な平面を覆う進行が必要である。この場合に生素地を汚染しないまたはその本来の形状を変動しない、生素地のガラス化による閉鎖された亀裂のない表面の同時形成と素地の焼結による強度の増加が本発明に特徴的なことである。
【００１０】
その際レーザー光線の出力は有利に３ｋＷ〜２０ｋＷ、特に１０ｋＷ〜２０ｋＷである。焦点の大きさは有利に２ｃｍ〜２０ｃｍ、特に８〜２０ｃｍである。
【００１１】
照射は有利に５０〜５００Ｗ／ｃｍ２、特に１００〜２００Ｗ／ｃｍ２、特に有利に１３０〜１８０Ｗ／ｃｍ２の放射出力密度で行う。１ｃｍ２当たりの出力は少なくとも焼結が行われるほど大きくなければならない。焦点は有利に円形であるが、原則的に任意の形状を有してよい。
【００１２】
ＳｉＯ２生素地坩堝は平面を覆うように照射し、その際例えばロボットがこれを連続的に移動する。ロボットの移動は坩堝上の焦点の進行路を決定する。進行路は例えば以下のように記載され、その際前記値は有利に出発出力３ｋＷ〜２０ｋＷおよび望遠鏡光学装置により２ｃｍ〜２０ｃｍの間で変動可能に設定できる焦点直径を有するＣＯ２レーザーシステムに適用される。
【００１３】
レーザー光線が接していない回転する坩堝（角速度０.１°／ｓ〜０.７°／ｓ）は、レーザー光線内を、坩堝内面縁部で、点状光線で開始して、少なくとも１／４回転の範囲内で所望の発熱量の幅が達成されるように進行する。坩堝壁の一部または上方縁部全体をガラス化する場合は、焦点直径のより小さい部分がこれに該当することが必要である。％の値は焦点の大きさおよび坩堝壁の厚さおよび所望のガラス化すべき領域に依存する。
【００１４】
所望の焦点の値へのレーザー光線の拡大は有利に生素地坩堝の１／４回転から一回転までの範囲内で、特に生素地坩堝の１／４回転から半回転までの範囲内で、特に有利に生素地坩堝の１／４回転の範囲内で行う。
【００１５】
引き続き坩堝をレーザー焦点から上方坩堝縁部までの距離を一定にして、角速度０.１°／ｓ〜０.７°／ｓで完全に回転する（３６０°）まで回転する。引き続き有利にねじの形で残りの内面が、坩堝縁部から出発して坩堝底面の中心点まで平面を覆うように進行する。その際有利に焦点が連続的にＳｉＯ２生素地坩堝内を、坩堝のすでに焼結した部分で直接引き続き焼結が行われるように移動する。この場合に坩堝の対称軸が存在する平面での回転速度および移動が加速され、焦点から中心に横切る面積が時間当たり一定になる。最終的に坩堝全体のできるだけ均一な深さの内面ガラス化を達成するために、個々の軌道の重なりは有利に０〜５０％、特に１０〜３０％であるべきである。坩堝の角速度は坩堝底面の焼結の際に０.７°／ｓより高くてもよいが、有利に均一なガラス化深さを達成することにより上に向かって制限される。
【００１６】
全部の焼結工程の間、坩堝とレーザー光線が互いに相対的に移動する限りで、固定するＳｉＯ２生素地坩堝を、回転するレーザー光線を使用して同様に照射するかまたは坩堝およびレーザー光線を同じかまたは反対の方向に回転させることは同様に原則的にもちろん可能である。
【００１７】
本発明の場合に焼結は生素地のガラス化のことであると理解される。ＳｉＯ２生素地の表面の焼結は１０００〜２５００℃、有利に１３００〜１８００℃、特に１４００〜１６００℃の温度で行う。
【００１８】
その際有利に蒸発によりＳｉＯ２の位置的剥離が回避される。
【００１９】
熱い物体表面から成形体への熱伝導により１０００℃より高い温度でガラス化された内部層上のＳｉＯ２成形体の部分的焼結から完全な焼結までの焼結が達成できる。
【００２０】
１つの有利な実施態様において焼結すべきもしくはガラス化すべきＳｉＯ２生素地坩堝を、全工程の間減圧下もしくは真空下に保持する。
【００２１】
減圧下で作業する場合は、圧力は１０１３.２５ミリバールの常圧より低く、有利に０.０１〜１００ミリバール、特に０.０１〜１ミリバールである。
【００２２】
減圧下で焼結する場合に必要なレーザー出力は０〜５０％、有利に１０〜３０％少なく、それは真空空間での試料のカプセル化が周囲との少ないエネルギー交換を生じるからである。
【００２３】
他の有利な実施態様において完全に気泡のないガラス層を生じるために、真空下で作業することもできる。
【００２４】
他の実施態様において焼結すべきＳｉＯ２生素地坩堝を、全工程の間ガス雰囲気下に保持することができる。１種または複数のガスを溶融ガラスに拡散できる場合は、これは気泡の明らかな減少を生じる。その際ガスとして特にヘリウム雰囲気が適しており、それはヘリウムが特に良好に溶融ガラスに拡散できるからである。もちろんガス雰囲気と減圧の組み合わせも可能である。その際減圧したヘリウム雰囲気が特に有利である。
【００２５】
以下に本発明を２つの実施例により詳細に説明する。
【００２６】
例１：坩堝の形の１４″の大きさの開放気泡の多孔質、非晶質のＳｉＯ２生素地の製造
製造はドイツ特許第１９９４３１０３号に記載される方法により行った。
【００２７】
２回蒸留したＨ２Ｏに真空下でプラスチック被覆した混合機を使用して高純度ヒュームドシリカおよび溶融シリカを均一に、気泡がなく、金属の汚染なしに分散した。こうして製造した分散液は固体含量８６質量％を有した（溶融シリカ９５％およびヒュームドシリカ５％）。分散液をセラミック工業で広く普及しているローラー法を使用してプラスチック被覆した外側型内で成形して１４″坩堝を生じた。８０℃の温度で１時間乾燥後、坩堝を型から取り出し、マイクロ波で約９０℃で２時間乾燥した。乾燥した開放気泡の坩堝は密度約１.６２ｇ／ｃｍ３および壁厚９ｍｍを有した。
【００２８】
例２：例１からの１４″生素地坩堝の内面ガラス化
１４″生素地坩堝を放射出力８ｋＷ〜１２ｋＷを有するＣＯ２レーザーを使用して照射し、６本の軸のロボットにより処理する。レーザーは直径０.０８〜０.１２ｍの直径を有する平行なレーザー光線を供給する望遠鏡光学装置を有する。ロボットが坩堝形状に適合したプログラムにより制御する。回転する坩堝（角速度０.３８°／ｓ）の場合は１／４回転の範囲内で最初にレーザー光線に接していない坩堝がレーザー光線内を進行し、坩堝内面が直径の９０％を有するレーザー光線により照射される。レーザー光線の１０％は上方坩堝縁部に衝突するかまたは坩堝に達しない（図１ａ、軌道１）。軌道１の残りにおいて、坩堝を、レーザー焦点から上方坩堝縁部までのこの距離を有してレーザーが、角範囲２７０°で、角速度０.３８°／ｓを有して横切る。引き続き角範囲９０°で焦点の位置を軌道１から軌道２に交換する（図１ｂ）。引き続き坩堝を、レーザー焦点から上方坩堝縁部までの距離を一定にして角範囲２７０°で、角速度０.３８°／ｓを有してレーザーが横切る。この操作は、ねじの形で内面の残りが坩堝縁部から出発して坩堝底面の中心点まで平面を覆うように進行するように継続し、その際旋回角（α）を調節する（図１ｃ〜１ｅ）。この場合に坩堝の対称軸が存在する平面での回転速度および移動が加速され、焦点から中心に横切る面積は時間当たり一定である。
【００２９】
坩堝の形状に起因してレーザー光線は坩堝処理の間、一定の角度で物体表面に衝突しない（図１ａ〜１ｅ）。処理値としての入射角の変動は処理値によりレーザー出力を補償し、坩堝内面の均一なガラス化が達成される。
【００３０】
同じ処理工程で坩堝内面のガラス化のほかに素地を通過する熱い物体表面からの熱伝導により素地の焼結が達成される。レーザー処理後、ＳｉＯ２坩堝は本来の形状を維持して約２ｍｍの厚さで内側の平面を覆い、亀裂がなくガラス化され、素地が焼結される。生じる収縮はガラス化の際に坩堝の外部形状を変化しないが、壁厚および同時に間接的に内部形状を変化する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明により坩堝を製造する工程を示す図である。
【図１】
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