用于燒結(jié)二氧化硅煙炱體的爐子的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種用于燒結(jié)多孔合成二氧化硅的中空圓柱體的設(shè)備，尤其是用于燒結(jié)二氧化硅煙炱體的爐子。
【背景技術(shù)】
[0001]高純合成透明二氧化硅用于制造光纖、用于高質(zhì)量光學(xué)器件和用于半導(dǎo)體工業(yè)中的關(guān)鍵應(yīng)用中。雖然有多種潛在的制造路徑，但最重要的一種涉及從加入了合適前體的合成火焰來沉積二氧化硅煙炱，以形成多孔二氧化硅體。這種方法的示例之一是所謂的外部氣相沉積法(OVD)，其中來自一種或更多種燃燒器的合成火焰導(dǎo)致將二氧化硅沉積在圓柱體心軸上，然后取出后者得到多孔二氧化硅煙炱的中空圓柱體。還可通過替代技術(shù)，包括溶膠一凝膠、粉漿澆鑄、粉末壓制等，來制造類似的多孔二氧化硅體。這些二氧化硅可包括基本上純的合成二氧化硅，或者可故意摻雜二氧化硅，所述摻雜要么通過將合適的前體添加到合成火焰，要么通過后續(xù)的處理，例如通過浸沒于摻雜劑離子在溶劑中的溶液并隨后去除溶劑。本發(fā)明涉及用于燒結(jié)這種純的或摻雜的合成二氧化硅的多孔體的設(shè)備。
[0002]通常在兩個獨(dú)立的階段中實(shí)施對中空圓柱多孔二氧化硅體的熱處理和后續(xù)的燒結(jié)。通常在800-1100°C溫度范圍的熱處理可包括脫水(例如通過在還原壓力下加熱)、純化(例如通過在含氯的氣氛中加熱)和摻雜(例如，通過在含氟(即氟、四氟化硅、六氟化硫、四氟化碳或其他碳氟化合物等)的氣氛中加熱)，或還原(例如，通過在含氫、一氧化碳、氨或者硅氧烷或硅氮烷蒸氣等的氣氛中加熱)。燒結(jié)過程在更高的溫度，通常在1300-1600°C的范圍中進(jìn)行，且涉及當(dāng)二氧化硅形成無孔玻璃時的二氧化硅收縮。
[0003]在過去，在具有各種設(shè)計(jì)的豎爐中實(shí)施這些過程，有時在獨(dú)立的爐子中，有時在連接的爐子中(例如US5713979)，有時在單一爐子中(例如US4741748)。優(yōu)化燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸和容納燒結(jié)中煙炱體的收縮和潛在的坍塌時發(fā)生的尺寸變化是重要的。通常，產(chǎn)品是具有高長徑比的實(shí)心或中空圓柱體，用于后續(xù)地再拉制成桿或管產(chǎn)品或者用于制造光纖。在燒結(jié)過程中，實(shí)心多孔煙炱體在所有方向收縮，且燒結(jié)的玻璃產(chǎn)品可能需要在拉制成纖維之前通過進(jìn)行后續(xù)的拉伸來延伸。在多孔體是中空圓柱且產(chǎn)品中空錠料(ingot)將被拉制成管的情況下，燒結(jié)時可能發(fā)生的軸向收縮可能是不利的，且可優(yōu)選地在燒結(jié)時用合適的固定件來支撐中空體。一種這樣的方法如US5665132所述，其中將中空圓柱二氧化硅煙炱體垂直地支撐在碳纖維增強(qiáng)的碳支撐桿上，且有石墨套筒穿過圓柱的眼并終止于石墨板。燒結(jié)操作涉及首先通過使組件向上穿過窄的熱區(qū)，來燒結(jié)煙炱體的上端部。當(dāng)多孔體頂部燒結(jié)時，它收縮到石墨套筒上，且繼續(xù)沿這個區(qū)域向上時它冷卻，因此從多孔體的上端部來懸掛該多孔體，而對多孔體的其余部分逐漸進(jìn)行區(qū)域燒結(jié)。
[0004]在這種區(qū)域加熱爐中，多孔體通過熱區(qū)，允許局部加熱多孔體到使透明的無孔玻璃發(fā)生固結(jié)的溫度。這種爐子是昂貴的，且需要移動零件，這可能包括針對大氣的密封件，該密封件容易遭受磨損。它們需要有足夠高度的建筑和起重齒輪來將多孔體升高到爐子上方，并容納熱區(qū)下方的多孔體，即該建筑的高度通常必須>3L，其中L是待處理的多孔體的長度。此外，如果是懸掛的，不僅同時存在軸向和徑向收縮，但還存在因?yàn)閼覓煸跓釁^(qū)的軟化材料下方的材料重量造成的變形。如果從底部支撐多孔體，因?yàn)樵跓釁^(qū)的軟化玻璃以上的材料重量，發(fā)生可比擬的變形。只有從兩個端部支撐多孔體時，才可避免這種變形，這帶來額外的工程問題。
[0005]雖然垂直取向多孔體的區(qū)域燒結(jié)是廣泛應(yīng)用的技術(shù)，有些參考文獻(xiàn)涉及“整體”燒結(jié)，其中將多孔二氧化硅煙炱體固定在爐子中，該爐子提供延伸的熱區(qū)，在整個多孔體上有基本上均勻的溫度。一種這樣的方法如US2007/0271964所述，其中通過可滲透的多孔石墨管或心軸支撐垂直取向的煙炱體，并在兩個端部約束。采取措施來排空來自爐室的氣體，并獨(dú)立地從多孔支撐管的眼抽出氣體。在氯氣和氦氣的氣氛中經(jīng)過第一階段加熱后，可對多孔體進(jìn)行脫水和純化。然后，降低壓力和升高溫度，以軟化和玻璃化煙炱體，該煙炱體從外表面燒結(jié)，并向下收縮到排空的支撐管上。因?yàn)榫哂斜榷趸韪偷臒崤蛎浵禂?shù)，一旦燒結(jié)的煙炱體冷卻，即可取出這種管，得到具有由管狀心軸限定的眼的玻璃圓柱錠料。
[0006]通常在將煙炱體支撐在垂直軸線上時，實(shí)施上述熱處理和燒結(jié)過程，但本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)燒結(jié)水平取向的煙炱體是優(yōu)選的。關(guān)于在水平軸線上的燒結(jié)，JP 7-084326B2涉及用VAD(氣相軸向沉積)制備的實(shí)心多孔圓柱煙炱體而不是中空圓柱的燒結(jié)。首先在空氣或氮?dú)庵杏?300°C下進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，同時在第一爐子中垂直懸掛于熔凝石英虛擬桿或手柄。然后將仍然安裝在這個手柄上的煙炱體移動到第二爐子中，并加入通過水平馬弗爐，在那里于氦氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。隨著燒結(jié)的玻璃離開熱區(qū)，根據(jù)建議，它可通過和爐壁的滑動接觸來支撐，從而可避免因?yàn)閼冶墼斐傻淖冃巍Ｇ也徽撨@種方法的可操作性可能有爭論，它還必須使用兩個高溫爐，且完全不適于燒結(jié)本發(fā)明的大得多的中空體。
[0007]US4842628描述了一種替代方法，其中將中空圓柱煙炱體置于水平設(shè)置的石墨管中，并在真空爐室中電感加熱。石墨管能旋轉(zhuǎn)。同樣的，在兩個階段中實(shí)施該加工。在第一階段中，在1250 - 1400°C的溫度下，通過在真空下或在氦氣中于減壓下加熱，對煙炱體進(jìn)行脫水和預(yù)燒結(jié)。然后在真空下，將溫度升高到1500-1720°C，同時以逐漸增大的速度旋轉(zhuǎn)石墨管。煙炱體由此玻璃化，同時在滾動時和石墨管接觸。根據(jù)建議，將松散裝配的石墨桿或管置于多孔煙炱體的眼之內(nèi)是有利的，因?yàn)檫@將使得能和煙炱體的內(nèi)部進(jìn)行滾動接觸，且可改善加熱的均勻性。為大規(guī)模使用這種旋轉(zhuǎn)爐而進(jìn)行的建設(shè)是昂貴的，且因?yàn)槎嗫谉熿企w的易碎性質(zhì)，煙炱和石墨零件之間的滾動接觸是不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了減輕這些不足，本發(fā)明提供用于燒結(jié)多孔合成二氧化硅的中空圓柱體的設(shè)備，所述設(shè)備包括用于在水平位置支撐該中空圓柱體的具有均勻橫截面的中空心軸，該心軸置于真空爐之內(nèi)，該真空爐包括排布成在該中空圓柱體的整個長度上和任選地在該中空圓柱體的端部沿著圓周環(huán)繞該中空圓柱體的加熱元件。
[0009]爐可具有鋼壁。加熱元件可包括耐火材料，例如石墨。
[0010]心軸可為圓柱的，且可為如石墨或碳化硅的耐火材料。在一個實(shí)施方式中，所述心軸是多孔的(porous)。在另一種實(shí)施方式中，所述心軸具有孔洞(hole)。這種心軸允許在脫水和燒結(jié)時和通過二氧化硅和心軸材料的任意反應(yīng)形成的氣體逃逸。
[0011]可為心軸提供電加熱裝置。所述心軸可以是可旋轉(zhuǎn)的，從而最小化軟化的中空圓柱體的變形。可為心軸提供固定件，以防止中空圓柱體的軸向收縮。
[0012]可為爐子提供多個所述心軸，各自用于支撐二氧化硅煙炱體。
[0013]可提供控制裝置，用于以不同的速率加熱二氧化硅煙炱體的不同部分，例如用于在爐的中央?yún)^(qū)域保持較高的溫度，從而二氧化硅體的中央?yún)^(qū)域在端部之前燒結(jié)。附加的或可選的，可為心軸的端部和/或二氧化硅體的端帽提供絕熱?？刹扇〉牧硪粋€措施是在心軸的端部和二氧化硅體之間提供低摩擦材料例如石墨帶，從而促進(jìn)燒結(jié)時二氧化硅體的軸向收縮。這些措施有利于得到具有改善的軸向均勻性的燒結(jié)體。在另一種實(shí)施方式中，可調(diào)節(jié)輸入加熱元件的功率來在熱區(qū)提供垂直的熱梯度，從而煙炱體的底部在上側(cè)之前燒結(jié)，并因此最小化二氧化硅體的圓形橫截面的變形。
[0014]本發(fā)明還提供一種燒結(jié)多孔合成二氧化硅的中空圓柱體的方法，所述方法包括將所述中空圓柱體支撐在位于真空爐中的中空心軸上，其中將加熱元件設(shè)置在中空圓柱體的所有側(cè)面，并通過所述加熱元件將中空圓柱體加熱到燒結(jié)溫度。
[0015]為了促進(jìn)快速加熱，可優(yōu)選地在選定的惰性氣體例如氮?dú)饣蚝獾臍夥罩?，例如?4 -1O5Pa(約0.1 - 1.0大氣壓)的壓力下加熱該中空圓柱體。
[0016]為了促進(jìn)所述中空圓柱體的脫水，在減壓下，在低于會導(dǎo)致中空圓柱體的孔閉合以提供不可滲透表面層(這通常在1100-1300°C的溫度范圍中發(fā)生)的溫度的溫度下加熱預(yù)定的時間可能是有用的?？芍鸩降竭_(dá)這個最大脫水溫度，即溫度循環(huán)可包括一個或更多個在較低溫度下的保持階段。
[0017]附加的或可選的，可在包括反應(yīng)性氣體的氣氛中加熱所述中空圓柱體，例如含氯或氟、四氟化硅、四氟化碳或其他碳氟氣體、氫、氨、硅氧烷或硅氮烷等的氣體，并由此實(shí)施產(chǎn)品玻璃的脫水、純化、摻雜或部分還原。
[0018]可在氦氣氣氛或真空(例如1-1OOPa的壓力下)下實(shí)施最終燒結(jié)。
[0019]燒結(jié)時，可旋轉(zhuǎn)心軸和煙炱體。
[0020]在加熱元件形成具有面的結(jié)構(gòu)的情況下，所述方法可包括獨(dú)立地控制各面的溫度。
[0021]此外，所述方法可包括在爐子的中央?yún)^(qū)域保持高于端部區(qū)域的溫度。此外，所述方法可包括在熱區(qū)保持垂直熱梯度，作為最小化產(chǎn)品的橫截面偏離圓狀的一種方式。
[0022]可促進(jìn)受控的二氧化硅煙炱體的軸向收縮，從而得到更加均勻的圓柱產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0023]現(xiàn)將參照附圖僅以示例的方式更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖中:
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明的爐子的示意性縱向截面視圖，和
[0025]圖2是替代爐子的示意性橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的爐子用于燒結(jié)大直徑體，其可用于制造大直徑中空圓柱玻璃，還可加工以得到大直徑透明管，或可加工得到多個合成二氧化硅玻璃環(huán)，如在半導(dǎo)體工藝中用于支撐硅晶片所需。這種煙炱體的制造如WO 2012/136678A1和WO 2012/004389A1所述。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的爐子如圖1示意性地顯示。將多孔中空二氧化硅煙炱體I支撐在石墨或其它合適的耐火材料形成的中空心軸2上。心軸是多孔的或者提供了合適地形成的穿孔3，以允許燒結(jié)操作中氣體逃逸。爐子裝備了同時繞著待燒結(jié)的煙炱體和在兩端部的電加熱元件4，從而在整個熱區(qū)提供基本上均勻的溫度，或者任選地提供受控的少量溫度差異(如果這樣是有幫助的話)，例如使燒結(jié)產(chǎn)品獲得最佳形狀。元件可形成立方體或其他均勻橫截面結(jié)構(gòu)，可獨(dú)立受控地加熱各面。將心軸支撐在由加熱元件4限定的熱區(qū)內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)例如V形塊7上。攜帶煙炱體的心軸可支撐在可移動的石墨組件上，該石墨組件包括安裝在石墨臺8上的V形塊7。當(dāng)包括元件4的一個爐子端部打開時，可將該石墨臺與V形塊、心軸和煙炱一起裝載到爐子中。在爐子內(nèi)，將