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DE102004038602B3 - Process for making quartz glass for use in the manufacture of lamps and semiconductors involves melting glass by electrically heating in a vacuum, the glass containing a specified concentration of temperature-stable hydroxyl groups - Google Patents

Process for making quartz glass for use in the manufacture of lamps and semiconductors involves melting glass by electrically heating in a vacuum, the glass containing a specified concentration of temperature-stable hydroxyl groups Download PDF

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DE102004038602B3
DE102004038602B3 DE200410038602 DE102004038602A DE102004038602B3 DE 102004038602 B3 DE102004038602 B3 DE 102004038602B3 DE 200410038602 DE200410038602 DE 200410038602 DE 102004038602 A DE102004038602 A DE 102004038602A DE 102004038602 B3 DE102004038602 B3 DE 102004038602B3
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quartz glass
sio
hydroxyl groups
granules
ppm
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German (de)
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Waltraud Werdecker
Rainer KÖPPLER
Dietmar Hellmann
Helmut Leber
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Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Original Assignee
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
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Abstract

In a process to make quartz glass for use in the manufacture of lamps and semiconductors, the quartz glass is melted by electrical heating and contains a concentration of temperature-stable hydroxyl groups in the range 20 Wt. ppm and 400 Wt. ppm. The glass is heated in a vacuum of 10-2> bar to 1040[deg]C for 40 hours, during which it remains no further than 5 mm from a diffusion route.

Description

Die Erfindung betrifft elektrogeschmolzenes, synthetisches Quarzglas, insbesondere für den Einsatz in der Lampen- und der Halbleiterfertigung.The Invention relates to electro-melted, synthetic quartz glass, especially for the use in lamp and semiconductor manufacturing.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Quarzglases, umfassend die Verfahrensschritte:

  • (a) Herstellen einer Suspension amorpher SiO2-Primärteilchen, die eine mittlere Teilchengröße von weniger als 5 μm aufweisen,
  • (b) Granulieren der Suspension unter Bildung von porösem SiO2-Granulat mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) von mindestens 20 m2/g,
  • (c) Trocknen des SiO2-Granulats,
  • (d) Verdichten und Reinigen des getrockneten SiO2-Granulats durch Erhitzen in halogenhaltiger Atmosphäre unter Bildung eines verdichteten SiO2-Granulats mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) von maximal 40 m2/g, und
  • (e) Schmelzen des verdichteten SiO2-Granulats unter Bildung von Quarzglas
Furthermore, the invention relates to a method for producing a synthetic quartz glass, comprising the method steps:
  • (a) preparing a suspension of amorphous SiO 2 primary particles having an average particle size of less than 5 μm,
  • (b) granulating the suspension to form porous SiO 2 granules having a BET specific surface area of at least 20 m 2 / g,
  • (c) drying the SiO 2 granules,
  • (D) compacting and cleaning the dried SiO 2 granules by heating in a halogen-containing atmosphere to form a compacted SiO 2 granules having a specific surface area (according to BET) of at most 40 m 2 / g, and
  • (e) melting the compacted SiO 2 granules to form quartz glass

Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von synthetische Quarzglas zum Einsatz in der Halbleiterfertigung ist aus der DE 199 62 451 C bekannt. Es geht dort um die Herstellung von opakem Quarzglas. Hierzu wird zunächst ein Formling aus synthetischem SiO2-Granulat erzeugt und dieser wird anschließend verglast.Such a method for the production of synthetic quartz glass for use in semiconductor manufacturing is known from DE 199 62 451 C known. It is about the production of opaque quartz glass. For this purpose, a molded article of synthetic SiO 2 granules is first produced and this is then vitrified.

Das hierfür eingesetzte SiO2-Granulat weist eine spezifische Oberfläche (BET) zwischen 1,5 m2/g und 40 m2/g und eine Stampfdichte von mindestens 0,8 g/cm3 auf. Es besteht aus porösen Agglomeraten und SiO2-Primärteilchen, die eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 5 μm aufweisen. Das SiO2-Granulat wird aus einer wässrigen Suspension durch Nassgranulieren erzeugt und anschließend im Durchlauf bei einer Temperatur von ca. 500°C in chlorhaltiger Atmosphäre thermisch vorverdichtet. Durch diese Behandlung wird das Granulat gereinigt und gleichzeitig von Hydroxylgruppen befreit.The SiO 2 granules used for this purpose have a specific surface area (BET) between 1.5 m 2 / g and 40 m 2 / g and a tamped density of at least 0.8 g / cm 3 . It consists of porous agglomerates and SiO 2 primary particles which have an average particle size in the range of 0.5 to 5 μm. The SiO 2 granulate is produced from an aqueous suspension by wet granulation and then thermally precompressed in a pass at a temperature of about 500 ° C in chlorine-containing atmosphere. By this treatment, the granules are purified and simultaneously freed of hydroxyl groups.

Die Ausbeute und das elektrische Betriebsverhalten von Halbleiterbauelementen hängen im Wesentlichen davon ab, inwieweit es bei der Halbleiterfertigung gelingt, Kontaminationen des Halbleitermaterials durch Verunreinigungen zu verhindern, die als „Halbleitergifte" wirken. Kontaminationen des Halbleitermaterials werden zum Beispiel durch die im Fertigungsprozess eingesetzten Apparaturen verursacht. Aufgrund der chemischen Beständigkeit von Quarzglas gegenüber vielen im Fertigungsprozess eingesetzten Substanzen und seiner relativ hohen Temperaturfestigkeit bestehen derartige Apparaturen häufig aus Quarzglas. An die Reinheit des Quarzglases werden daher hohe und ständig steigende Anforderungen gestellt, die von Quarzglas aus natürlichem Rohstoff nur noch bedingt zu erfüllen sind. Zunehmend werden die Apparaturen daher mit speziell gereinigten bzw. bearbeiteten Schichten versehen oder es wird synthetisch hergestelltes Quarzglas verwendet, das sich durch eine hohe Reinheit auszeichnet.The Yield and electrical performance of semiconductor devices hang essentially on the extent to which it is in semiconductor manufacturing succeeds, contaminations of the semiconductor material by impurities prevent them from acting as "semiconductors." Contaminations of the semiconductor material are, for example, by those in the manufacturing process caused used equipment. Due to the chemical resistance of quartz glass opposite many substances used in the manufacturing process and its relative high temperature resistance, such equipment is often made Quartz glass. The purity of the quartz glass is therefore high and constantly Increasing demands made of natural quartz glass Raw material only conditionally to fulfill are. Increasingly, the equipment is therefore with specially purified or processed layers provided or it is synthetically produced Quartz glass is used, which is characterized by a high purity.

Es hat sich aber gezeigt, dass sich trotz der hohen Reinheit von synthetischem Quarzglas eine Kontamination des Halbleitermaterials durch die Quarzglas-Apparaturen nicht immer im erwarteten Umfang reduzieren lässt. Gerade bei synthetischem Quarzglas ergibt sich im Vergleich zu Quarzglas aus natürlichem Rohstoff die Problematik, dass Verunreinigungen in Form von Kationen rasch diffundieren können; man bezeichnet synthetisches Quarzglas in diesem Zusammenhang auch als „Kontaminations-Highway".It But it has been shown that, despite the high purity of synthetic Quartz glass contamination of the semiconductor material by the quartz glass equipment not always reduce to the expected extent. Especially with synthetic Quartz glass results from natural compared to quartz glass Raw material the problem that impurities in the form of cations can diffuse rapidly; one also calls synthetic quartz glass in this context as a "contamination highway".

Aufgrund seiner Transparenz im ultravioletten Spektralbereich wird Quarzglas auch für Lampenrohre und andere Bauteile, wie etwa Abdeckplatten, für UV- Anwendungen eingesetzt. Zu erwähnen sind hierbei insbesondere Quecksilberlampen und Excimerstrahler. Besonders kurzwellige UV-Strahlung verursacht im Verlauf des Einsatzes des Quarzglas-Bauteils Strahlenschäden, die sich in einer Verfärbung und in einer Verschlechterung der optischen Transmission äußern, was als Solarisation bezeichnet wird. Als eine Ursache für die Zunahme der Absorption gelten Sauerstoffdefizit-Zentren (ODC; Oxygen Deficiency Center), die im UV-Wellenlängenbereich absorbieren, wobei man hier zwei im Gleichgewicht zueinander stehende Typen unterscheidet, die in der Literatur als ODC I und ODC II bezeichnet werden.by virtue of its transparency in the ultraviolet spectral range is quartz glass also for Lamp tubes and other components, such as cover plates, used for UV applications. To mention Here are in particular mercury lamps and Excimerstrahler. Particularly short-wave UV radiation caused during use of the quartz glass component radiation damage, resulting in a discoloration and in a deterioration of the optical transmission express what is called solarization. As a cause for the increase Absorption is governed by ODC (Oxygen Deficiency Centers) Center) in the UV wavelength range absorb, here being two in equilibrium Differentiates types referred to in the literature as ODC I and ODC II become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Quarzglas bereitzustellen, das sich durch eine geringe Kontaminationsneigung in Bezug auf Halbleitermaterialien und durch eine geringe Solarisationsneigung auszeichnet, und ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung eines solchen Quarzglases anzugeben.The invention has for its object to provide a quartz glass, which is characterized by a low tendency to contamination with respect to semiconductor materials and by a low solarization tendency and to provide a simple and inexpensive method for the reproducible production of such a quartz glass.

Hinsichtlich des Quarzglases wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es sich um elektrogeschmolzenes, synthetisches Quarzglas handelt, das eine Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich von 20 Gew.-ppm bis 400 Gew.-ppm aufweist, wobei sich die temperstabilen Hydroxylgruppen dadurch auszeichnen, dass sie durch Erhitzen des Quarzglases auf eine Temperatur von 1040 °C unter einem Vakuum von 10–2 mbar und während eines Zeitraums von 40 Stunden über einen Diffusionsweg von 5 mm nicht entfernt werden.With regard to the quartz glass, this object is achieved according to the invention in that it is an electro-fused, synthetic quartz glass which has a concentration of temper-stable hydroxyl groups in the range from 20 ppm by weight to 400 ppm by weight, the hydroxyl groups which are stable in temperature being characterized thereby, that they are not removed by heating the quartz glass to a temperature of 1040 ° C under a vacuum of 10 -2 mbar and for a period of 40 hours over a diffusion distance of 5 mm.

Der Hydroxylgruppengehalt von Quarzglas setzt sich aus chemisch fest gebundenen und aus chemisch nicht fest gebundenen Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) zusammen. Die OH-Gruppen der erstgenannten Spezies, die im Folgenden als „temperstabile Hydroxylgruppen" bezeichnet werden, lassen sich durch die oben genannte Temperbehandlung nicht entfernen. Die OH-Gruppen der letztgenannten Art können hingegen durch die oben genannte Temperaturbehandlung aus dem Quarzglases „herausgetempert" werden. Diese Hydroxylgruppen werden im Folgenden als „metastabile Hydroxylgruppen" bezeichnet.Of the Hydroxyl group content of quartz glass is chemically determined bonded and not chemically bound hydroxyl groups (OH groups) together. The OH groups of the former species, in the following as "temper stable Hydroxyl "called be, can not be by the above annealing treatment remove. The OH groups of the latter type, however, by the above-mentioned temperature treatment is "tempered out" of the quartz glass. These hydroxyl groups are hereafter referred to as "metastable Hydroxyl "called.

Es wurde gefunden, dass ein gewisser Gehalt an Hydroxylgruppen den Transport von Verunreinigungen (insbesondere durch „Diffusion") im Quarzglas vermindern kann. Dieses Ergebnis ist überraschend, da hydroxylhaltiges Quarzglas gegenüber hydroxylfreiem Quarzglas eine geringere Viskosität aufweist, was üblicherweise die Diffusion von Verunreinigungen in Quarzglas bei hohen Temperaturen erleichtert. Es zeigte sich aber weiter, dass diese diffusionshemmende Wirkung der Hydroxylgruppen nicht eindeutig mit dem Gesamt-Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases korrelierbar ist. Nur die chemisch fest gebundenen, temperstabilen Hydroxylgruppen führen zu einer wirksamen Behinderung des Transports von Halbleitergiften – insbesondere von eisenhaltigen Verunreinigungen – in Quarzglas, wohingegen der metastabile Hydroxylgruppengehalt in dieser Hinsicht unwirksam ist oder sich sogar ungünstig auswirken kann. Dieser Mechanismus beruht offensichtlich auf einer chemischen oder ladungsbedingten Bindung der diffundierenden Verunreinigungen an den temperstabilen Hydroxylgruppen.It It has been found that a certain content of hydroxyl groups the Reduce the transport of impurities (especially by "diffusion") in the quartz glass can. This result is surprising as hydroxyl-containing quartz glass compared to hydroxyl-free quartz glass a lower viscosity has, what usually the diffusion of impurities in quartz glass at high temperatures facilitated. It turned out, however, that this diffusion-inhibiting Effect of hydroxyl groups not clearly with the total hydroxyl group content of the quartz glass can be correlated. Only the chemically bound, lead stable temperature hydroxyl groups to effectively hinder the transport of semiconductors - in particular of ferrous contaminants - in quartz glass, whereas the metastable hydroxyl group content is ineffective in this regard is or even unfavorable can affect. This mechanism is obviously based on one chemical or charge-induced binding of the diffusing impurities on the temperature-stable hydroxyl groups.

Das erfindungsgemäße synthetische Quarzglas weist daher eine Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich von mindestens 20 Gew.-ppm und maximal 400 Gew.-ppm auf. Im Sinne dieser Erfindung wird als „temperstabiler Hydroxylgruppengehalt„ derjenige OH-Gehalt definiert, der nach einem Erhitzen eines Quarzglas-Bauteils mit einer Dicke von 10 mm im Bauteil verbleibt, wenn das Erhitzen bei einer Temperatur von 1040 °C über einem Zeitraum von 40 Stunden und unter Vakuum erfolgt (10–2 mbar). Dementsprechend werden unter „metastabilen Hydroxylgruppen" diejenigen Hydroxylgruppen verstanden, die infolge einer derartigen Temperbehandlung aus dem Quarzglasbauteil entfernt werden können.The synthetic quartz glass according to the invention therefore has a concentration of temperature-stable hydroxyl groups in the range of at least 20 ppm by weight and at most 400 ppm by weight. For the purposes of this invention, the "OH-content which remains after heating a quartz glass component with a thickness of 10 mm in the component is defined as" temperature-stable hydroxyl group content "if the heating takes place at a temperature of 1040 ° C. over a period of 40 hours and under vacuum (10 -2 mbar). Accordingly, "metastable hydroxyl groups" are understood as meaning those hydroxyl groups which can be removed from the quartz glass component as a result of such an annealing treatment.

Laut „R. Brückner, Silicon Dioxide; Encyclopedia of Applied Physics, Vol. 18 (1997), S. 101–131", kann man je nach dem eingesetzten Rohstoff und der Art seiner Verarbeitung zu Quarzglas 10 Quarzglastypen unterscheiden. Beim Quarzglastyp I handelt es sich um Quarzglas aus elektrisch erschmolzenen Quarzkristallen. Dieses Quarzglas hat typischerweise einen OH-Gehalt von weniger als 5 ppm. Quarzglas gemäß dem Typ II entsteht durch Erschmelzen von Quarzkristallen in der Knallgasflamme (H2/O2). Dieses Quarzglas weist herstel lungsbedingt einen höheren OH-Gehalt zwischen 150 und 300 ppm auf. Synthetisches Quarzglas wird entweder durch Flammhydrolyse, durch plasmaunterstützte Oxidation oder durch Sol-Gel-Verfahren erzeugt (Typen III, IV und VII). Je nach der Herstellungsweise und der Art ihrer Behandlung vor dem Verglasen weisen diese Quarzglastypen OH-Gehalte in einem weiten Bereich von weniger als 0,1 ppm bis etwa 1000 ppm auf. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind insbesondere die Typen Va und Vb von Interesse. Bei dem Quarzglastyp Va handelt es sich um Quarzglas, das in einem elektrischen Schmelzverfahren aus pegmatitischem Quarz (Quarz in Verbindung mit anderen Mineralien) in einem Tiegel unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre erschmolzen wird. Das so erhaltene Quarzglas hat typischerweise einen OH-Gehalt von 100 ppm. Durch Ausgasen bei hoher Temperatur (10 Stunden bei 1080 °C) kann der OH-Gehalt jedoch auf einen Bereich von <1 ppm bis 15 ppm reduziert werden, wodurch der Quarzglastyp Vb erhalten wird.According to "R. Brückner, Silicon Dioxide; Encyclopedia of Applied Physics, Vol. 18 (1997), pp. 101-131 ", quartz glass types can be differentiated depending on the raw material used and the method of its processing into quartz glass The quartz glass type I is quartz glass of electrically melted quartz crystals. This quartz glass typically has an OH content of less than 5 ppm. Type II quartz glass is produced by melting quartz crystals in the oxyhydrogen flame (H 2 / O 2 ) .This quartz glass has a higher OH content of between 150 and 300 ppm due to its manufacture Synthetic quartz glass is produced either by flame hydrolysis, by plasma enhanced oxidation, or by sol-gel techniques (types III, IV, and VII) Range from less than 0.1 ppm to about 1000 ppm In the context of the present invention, in particular the types Va and Vb of I INTEREST. The quartz glass type Va is quartz glass, which is melted in an electric fusion of pegmatitic quartz (quartz in conjunction with other minerals) in a crucible under a hydrogen-containing atmosphere. The quartz glass thus obtained typically has an OH content of 100 ppm. However, by outgassing at high temperature (10 hours at 1080 ° C), the OH content can be reduced to a range of <1 ppm to 15 ppm, thereby obtaining the quartz glass type Vb.

Das erfindungsgemäße Quarzglas ist durch Elektroschmelzen hergestellt und zeichnet sich durch einen für elektrogeschmolzenes Quarzglas vergleichsweise hohen Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen von mehr als 20 Gew.-ppm aus. Dieses Quarzglas fällt unter keinen der oben beschriebenen Quarzglastypen nach Brückner. Wie weiter unten anhand der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch näher erläutert, wird dieser relativ hohe OH-Gehalt beispielsweise ermöglicht, indem von einem Rohstoff ausgegangen wird, in dem aufgrund seiner definiert eingestellten spezifischen Oberfläche ein vorgegebener Gehalt an OH-Gruppen eingebracht und fixiert werden kann, der dann im nachfolgenden Elektroschmelzprozess zur Bildung temperstabiler Hydroxylgruppen beiträgt.The quartz glass according to the invention is produced by electrolytic melting and is distinguished by a comparatively high content of temper-stable hydroxyl groups of more than 20 ppm by weight for electrofused quartz glass. This quartz glass does not fall under any of the quartz glass types described above according to Brückner. As explained in more detail below with reference to the description of the method according to the invention, this relatively high OH content is made possible for example by starting from a raw material in which a predetermined content of OH groups can be introduced and fixed on the basis of its defined specific surface area , which then in the subsequent electro fusion process to Bil Contribution of stable temperature hydroxyl groups.

Im Hinblick hierauf hat aber auch die Atmosphäre beim Elektroschmelzprozess zur Herstellung des Quarzglases Auswirkungen. Es ist zu beachten, dass zum Erschmelzen von Quarzglas sehr hohe Temperaturen um 2000 °C erforderlich sind, was die Auswahl geeigneter Tiegelmaterialien im Wesentlichen auf die Werkstoffe Grafit, Molybdän und Wolfram einschränkt. Keiner dieser Werkstoffe ist bei den hohen Temperaturen gegenüber Sauerstoff beständig, so dass die Schmelzatmosphäre in der Regel ein Schutzgas enthält, das auch – wie zum Beispiel Wasserstoff – reduzierend wirken kann.in the However, the atmosphere in the electrofusion process also has a view of this for making the quartz glass effects. It should be noted that very high temperatures around 2000 ° C are required for the melting of quartz glass are what the selection of suitable crucible materials essentially limited to the materials graphite, molybdenum and tungsten. none These materials are at high temperatures to oxygen resistant, so that the melting atmosphere usually contains a protective gas, that too - like for example, hydrogen - reducing can work.

Es hat sich gezeigt, dass zur Herstellung des erfindungsgemäßen Quarzglases mit einem hohen Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen eine vergleichsweise wenig reduzierend wirkende Schmelzatmosphäre vorteilhaft ist, die außerdem beide Typen der Sauerstoffdefizit-Zentren reduziert oder eliminiert, so dass sich das erfindungsgemäße Quarzglas auch durch eine hohe UV-Strahlenbeständigkeit auszeichnet.It has been shown that for the production of the quartz glass according to the invention with a high content of temperature-stable hydroxyl groups a comparatively favorable reducing melting atmosphere is advantageous, which also both Types of oxygen deficit centers reduced or eliminated, so that the quartz glass according to the invention also by a high UV radiation resistance distinguished.

Außerdem gibt das erfindungsgemäße synthetische Quarzglas bei den für die Halbleiterfertigung typischen Temperaturbehandlungen wenig an Verunreinigungen an die Umgebung ab, indem es deren Diffusion behindert. Es ist daher insbesondere für die Herstellung von Apparaturen für den Einsatz in der Halbleiterfertigung geeignet.There are also the synthetic invention Quartz glass at the for the semiconductor production of typical temperature treatments little Pollution to the environment by obstructing their diffusion. It is therefore especially for the production of equipment for use in semiconductor manufacturing suitable.

Die Viskosität von Quarzglas nimmt mit dem OH-Gehalt ab. Die Obergrenze von 400 Gew.-ppm für den Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen wird durch die Mindestviskosität des Quarzglases bestimmt.The viscosity of quartz glass decreases with the OH content. The upper limit of 400 Ppm by weight for the Content of stable-temperature hydroxyl groups is determined by the minimum viscosity of the quartz glass certainly.

Vorzugsweise beträgt die Konzentration an Hydroxylgruppen insgesamt maximal 500 Gew.-ppm. Denn es hat sich gezeigt, dass der günstige Effekt der temperstabilen Hydroxylgruppen hinsichtlich der Bindung von Verunreinigungen, insbesondere Eisenverunreinigungen, bei sehr hohen Hydroxylgruppenkonzentrationen von mehr als 500 Gew.-ppm durch die geringere Hochtemperaturviskosität des Quarzglases mindestens teilweise wieder zunichte gemacht wird. Hinsichtlich der Viskositätserniedrigung spielt es keine Rolle, ob es sich bei den Hydroxylgruppen um temperstabile oder um metastabile Hydroxylgruppen handelt.Preferably is the concentration of hydroxyl groups a maximum of 500 ppm by weight. Because It has been shown that the cheap Effect of the temperature-stable hydroxyl groups with respect to the bond of impurities, especially iron impurities, at very high hydroxyl group concentrations of more than 500 ppm by weight the lower high-temperature viscosity of the quartz glass at least partially nullified. With regard to viscosity reduction it does not matter if the hydroxyl groups are stable to temperature or metastable hydroxyl groups.

Im Hinblick hierauf hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich zwischen 30 Gew.-ppm und 200 Gew.-ppm liegt.in the In view of this, it has proved to be particularly favorable when the concentration at temperature-stable hydroxyl groups in the range between 30 ppm by weight and 200 ppm by weight.

Unterhalb von 30 Gew.-ppm macht sich die Wirkung der temperstabilen Hydroxylgruppen in Bezug auf den Transport von Verunreinigungen im Quarzglas wenig bemerkbar, während ein hoher Hydroxylgruppengehalt – etwa ab der angegebe nen Obergrenze von 200 Gew.-ppm – die Hochtemperaturviskosität des Quarzglases verringert, was zu Deformationen des Quarzglases beim bestimmungsgemäßen Einsatz führen kann.Below of 30 ppm by weight makes the effect of the stable-temperature hydroxyl groups little in relation to the transport of impurities in the quartz glass noticeable while a high hydroxyl group content - for example, from the stated upper limit of 200 ppm by weight - the High temperature viscosity of the quartz glass, resulting in deformation of the quartz glass when used as intended to lead can.

Vorteilhafterweise beträgt die Konzentration an metastabilen Hydroxylgruppen maximal 100 Gew.-ppm, vorzugsweise maximal 50 Gew.-ppm.advantageously, is the concentration of metastable hydroxyl groups maximum 100 ppm by weight, preferably at most 50 ppm by weight.

Der metastabile OH-Gehalt trägt nicht zur Fixierung von Verunreinigungen bei und er verschlechtert die Hochtemperaturviskosität des Quarzglases. Bevorzugt wird die Konzentration der metastabilen Hydroxylgruppen daher so gering wie möglich gehalten. Eine Konzentration im Bereich der angegebenen Obergrenze von 100 Gew.-ppm, vorzugsweise maximal 50 Gew.-ppm, ist aber in der Regel hinnehmbar.Of the carries metastable OH content not to fix impurities and it worsens the High temperature viscosity of the quartz glass. Preference is given to the concentration of the metastable Hydroxyl groups therefore kept as low as possible. A concentration in the range of the specified upper limit of 100 ppm by weight, preferably maximum 50 ppm by weight, but is generally acceptable.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, wenn das erfindungsgemäße Quarzglas einen Al2O3-Gehalt im Bereich zwischen 5 Gew.-ppm und 20 Gew.-ppm aufweist. Al2O3 in dem genannten Konzentrationsbereich erhöht die Viskosität von Quarzglas und damit dessen Hochtemperaturstabilität. Dadurch wird der Viskositätserniedrigung, die mit der erforderlichen Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen einhergeht, unterstützend positiv entgegengewirkt.A further improvement is achieved if the quartz glass according to the invention has an Al 2 O 3 content in the range between 5 ppm by weight and 20 ppm by weight. Al 2 O 3 in the stated concentration range increases the viscosity of quartz glass and thus its high temperature stability. As a result, the viscosity reduction, which is accompanied by the required concentration of temperature-stable hydroxyl groups, positively counteracts supportive.

Das synthetische Quarzglas im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise in Form eines eine Wandstärke aufweisenden Quarzglasbauteils vor, wobei die Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen über die Wandstärke um maximal +/– 10 % vom Mittelwert abweicht.The synthetic quartz glass within the meaning of the present invention preferably in the form of a wall thickness having quartz glass component before, wherein the concentration of stable-temperature hydroxyl groups on the Wall thickness by a maximum of +/- 10 % deviates from the mean.

Es hat sich gezeigt, dass auch mittels Flammschmelzen ein Quarzglasbauteil mit einem Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen oberhalb von 20 Gew.-ppm hergestellt werden kann. Allerdings zeigen mittels Flammschmelzen erhaltene Quarzglasbauteile aufgrund des Wasserstoffgehaltes der Flamme in der Regel im Bereich ihrer Oberfläche einen höheren Hydroxylgruppengehalt als im Inneren. Demgegenüber gelingt es bei dem elektrisch erschmolzenen Quarzglas gemäß der vorliegenden Erfindung, eine über die Bauteil-Wandstärke homogene Hydroxylgruppenverteilung einzustellen. Eine homogene Verteilung der Hydroxylgruppen führt zu einer optischen Homogenität, insbesondere im Hinblick auf die Spannungsdoppelbrechung und eine ungestörte Transmission des Quarzglases. Aus diesen Gründen wird flammengeschmolzenes Quarzglas für die oben genannten Anwendungen als wenig geeignet betrachtet, und ist daher auch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.It has been found that even by means of flame melting a quartz glass component with a content of stable-temperature hydroxyl groups above 20 ppm by weight can be produced. However, due to the hydrogen content of the flame, quartz glass components obtained by means of flame melting generally have a higher hydroxyl group content in the region of their surface than in the interior. In contrast, in the case of the electrically molten quartz glass according to the present invention, it is possible to obtain a component thickness over the component wall thickness ke to set homogeneous hydroxyl group distribution. A homogeneous distribution of the hydroxyl groups leads to an optical homogeneity, in particular with regard to the stress birefringence and an undisturbed transmission of the quartz glass. For these reasons, flame-melted quartz glass is considered to be less suitable for the above-mentioned applications, and is therefore not the subject of the present invention.

Es hat sich auch bewährt, wenn das erfindungsgemäße synthetische Quarzglas in Form einer Schicht auf einem Quarzglasbauteil ausgebildet ist.It has also proven itself when the inventive synthetic Quartz glass in the form of a layer formed on a quartz glass component is.

Bereits eine Schicht aus dem erfindungsgemäßen Quarzglas auf einem Quarzglas-Bauteil weist die oben erläuterten Wirkungen hinsichtlich einer Verringerung der Diffusion von Verunreinigungen auf. Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise mindestens 200 μm.Already a layer of the quartz glass according to the invention on a quartz glass component has the above explained Effects of reducing the diffusion of impurities on. The layer thickness is preferably at least 200 microns.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das gemäß Verfahrensschritt (d) verdichtete SiO2-Granulat vor oder während dem Schmelzen gemäß Verfahrensschritt (e) eine Belegung seiner spezifischen Oberfläche mit Hydroxylgruppen erfährt, und dass das Schmelzen gemäß Verfahrensschritt (e) mindestens zeitweise in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre in einem elektrisch beheizten Ofen erfolgt, derart, dass in dem Quarzglas eine Soll -Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich von 20 Gew.-ppm bis 400 Gew.-ppm eingestellt wird.With regard to the method, the above-mentioned technical problem is solved according to the invention by the fact that the SiO 2 granulate compacted according to process step (d) experiences an occupancy of its specific surface with hydroxyl groups before or during the melting according to process step (e), and that the melting according to process step (e) takes place at least temporarily in a hydrogen-containing atmosphere in an electrically heated furnace, such that in the quartz glass a target concentration of temperature-stable hydroxyl groups in the range from 20 ppm by weight to 400 ppm by weight becomes.

Das Einschmelzen des SiO2-Granulats gemäß Verfahrensschritt (e) ist so zu führen, dass danach in dem Quarzglas ein Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich der genannten Soll-Konzentration vorliegt. Für die Einstellung dieses Hydroxylgruppengehalts tragen jedoch auch die vorhergehenden Verfahrensschritte mit bei, insbesondere die Verfahrensschritte (b), (c) und (d), wie im Folgenden näher erläutert wird.The melting of the SiO 2 granules according to process step (e) is to be carried out so that thereafter in the quartz glass, a content of stable-temperature hydroxyl groups in the range of said target concentration is present. However, the previous method steps also contribute to the setting of this hydroxyl group content, in particular the method steps (b), (c) and (d), as will be explained in more detail below.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird von einer Suspension ausgegangen, die amorphe SiO2-Primärteilchen enthält, aus denen durch Agglomeration in einer Suspension ein poröses SiO2-Granulat gebildet wird, das eine BET-Oberfläche von mindestens 20 m2/g aufweist. Die große innere und äußere Oberfläche dient als Träger für Hydroxylgruppen.In the method according to the invention is based on a suspension containing amorphous SiO 2 primary particles, from which by agglomeration in a suspension, a porous SiO 2 granules is formed, which has a BET surface area of at least 20 m 2 / g. The large inner and outer surface serves as a support for hydroxyl groups.

Der Trocknungsschritt gemäß Verfahrensschritt (c) führt zu einer deutlichen Absenkung des Hydroxylgruppengehalts des Granulats, ohne dass die spezifische Oberfläche wesentlich verändert wird. Eine gewisse Restfeuchte bleibt dabei erhalten.Of the Drying step according to process step (c) leads to a significant reduction in the hydroxyl group content of the granules, without the specific surface changed significantly becomes. A certain residual moisture is retained.

Zum Reinigen und Verdichten nach Verfahrensschritt (d) wird das Granulat erhitzt. Dabei kommt es zu einer deutlichen Reduzierung der freien spezifischen Oberfläche (nach BET). Wesentlich ist, dass zum Erreichen der Soll-Konzentration an temperstabilen OH-Gruppen, die BET-Oberfläche vor dem Einschmelzen unterhalb von 40 m2/g liegt, und das Granulat vor der Bildung einer Schmelzmasse mindestens einmal Gelegenheit hat, seine spezifische Oberfläche mit Hydroxylgruppen mindestens zum großen Teil abzusättigen. Das Absättigen geschieht während des Verfahrensschrittes (d) und/oder während des Verfahrensschrittes (e) und/oder zwischen den beiden Verfahrensschritten, indem das Granulat beispielsweise an Luft gebracht wird.For cleaning and compacting after process step (d), the granules are heated. This leads to a significant reduction of the free specific surface area (according to BET). It is essential that the BET surface area before melting is below 40 m 2 / g in order to achieve the desired concentration of OH groups which are stable to tempering, and that the granules have at least one opportunity for their specific surface area with hydroxyl groups before the formation of a melt saturate at least in large part. The saturation occurs during the process step (d) and / or during the process step (s) and / or between the two process steps by the granules is brought to air, for example.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber dem bekannten Verfahren somit dadurch aus, dass das SiO2-Granulat vor dem Einschmelzen gemäß Verfahrensschritt (e) in einer Temperaturbehandlung entweder eine definierte spezifische Oberfläche erhält, an der OH-Gruppen fixierbar sind, welche wiederum im Schmelzprozess zu der gewünschten Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich von 20 Gew.-ppm und 400 Gew.-ppm führen, oder das unter Bedingungen vollständig verdichtet worden ist, die es ermöglichen, einen vorgegebenen Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen in dem verdichteten Granulat zu fixieren, der dann im folgenden Schmelzprozess zu einem Quarzglas mit dem gewünschten Gehalt an temperstabilen OH-Gruppen führt.The method according to the invention is thus distinguished from the known method in that the SiO 2 granules before melting in accordance with process step (e) in a temperature treatment either receives a defined specific surface to which OH groups can be fixed, which in turn in the melting process the desired concentration of stable-temperature hydroxyl groups in the range of 20 ppm by weight and 400 ppm by weight, or has been completely compressed under conditions which make it possible to fix a predetermined content of stable-temperature hydroxyl groups in the compacted granules, which then In the following melting process leads to a quartz glass with the desired content of stable-temperature OH groups.

Maßgeblich für den späteren Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen im Quarzglas ist bei Einsatz eines vorverdichteten aber noch porösen SiO2-Granulats dessen spezifische Oberfläche, und bei einem vollständig verdichteten SiO2-Granulat dessen fest fixierter anfänglicher Hydroxylgruppengehalt.Decisive for the later content of stable-tempered hydroxyl groups in the quartz glass is when using a pre-compacted but still porous SiO 2 granules whose specific surface, and in a fully compressed SiO 2 granules whose firmly fixed initial hydroxyl group content.

Bei einer spezifische Oberfläche von mehr als 40 m2/g ist das Granulat so hygroskopisch, dass sich in dem daraus erschmolzenen Quarzglas leicht ein zu hoher Gehalt an Hydroxylgruppen ergibt, der die Hochtemperaturfestigkeit beeinträchtigt.At a specific surface area of more than 40 m 2 / g, the granules are so hygroscopic that in the quartz glass melted therefrom easily results in an excessively high content of hydroxyl groups which impairs the high-temperature strength.

Diese Temperaturbehandlung, die gleichzeitig ein Reinigen und ein Verdichten des SiO2-Granulats und damit eine Reduktion der spezifischen Oberfläche bewirkt, ermöglicht die reproduzierbare Herstellung von synthetischem Quarzglas, das sich durch einen Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich der genannten Soll-Konzentration auszeichnet. Die Wirkung der temperstabilen Hydroxylgruppen hinsichtlich der Behinderung der Diffusion von Verunreinigungen im Quarzglas, insbesondere von eisenhaltigen Verunreinigungen, wurde oben anhand des erfindungsgemäßen Quarzglases bereits beschrieben.This temperature treatment, which simultaneously causes a cleaning and compacting of the SiO 2 granules and thus a reduction of the specific surface, allows the reproducible production of synthetic quartz glass, which is characterized by a content of stable-temperature hydroxyl groups in the range of said target concentration. The effect of the temperature-stable hydroxyl groups with regard to the hindrance of the diffusion of impurities in quartz glass, in particular iron-containing impurities, has already been described above on the basis of the quartz glass according to the invention.

Die gleichmäßige Belegung der einzelnen Granulat-Körner mit Hydroxylgruppen gewährleistet einen homogenen Verlauf der OH-Konzentration über die Wandung des daraus erschmolzenen Quarzglaskörpers.The uniform occupancy the individual granules grains ensured with hydroxyl groups a homogeneous course of OH concentration over the wall of it melted quartz glass body.

Bei der wasserstoffhaltigen Atmosphäre handelt es sich um reinen Wasserstoff oder um ein Wasserstoff und Inertgas (Edelgas oder Stickstoff) enthaltendes Gasgemisch. In der Regel liegt die Wasserstoffkonzentration bei mehr als 90 Vol.-%.at the hydrogenous atmosphere it is pure hydrogen or a hydrogen and Inert gas (noble gas or nitrogen) containing gas mixture. In the Normally, the hydrogen concentration is more than 90% by volume.

Bei einer bevorzugten Verfahrensweise erfolgt die Belegung der spezifischen Oberfläche des SiO2-Granulats mit Hydroxylgruppen in einer wasserhaltigen Atmosphäre vor dem Schmelzen nach Verfahrensschritt (e). Es hat sich gezeigt, dass die Hydroxylgruppen, die beim oder nach dem Verdichten des SiO2-Granulats gemäß Verfahrensschritt (d) in einer wasserhaltigen Atmosphäre in das Quarzglas eingebaut werden, im Wesentlichen temperstabile – und nicht metastabile – Hydroxylgruppen bilden. Die wasserhaltige Atmosphäre wird erzeugt, indem der Atmosphäre einmal, mehrmals oder kontinuierlich Wasser, Wasserdampf oder eine in chemischer Reaktion mit einem Reaktanten Wasser bildende Ausgangssubstanzen, wie zum Beispiel Wasserstoff in Verbindung mit vorhandenem Sauerstoff, eingebracht werden, wobei sich das Einbringen von Wasser auch durch Abgabe von Hydroxylgruppen ergeben kann, die an dem SiO2-Granulat als Restfeuchte anhaften. Im einfachsten Fall bildet Luft die Atmosphäre zur Belegung des SiO2-Granulats mit Hydroxylgruppen.In a preferred procedure, the specific surface area of the SiO 2 granules is coated with hydroxyl groups in a water-containing atmosphere before melting according to process step (e). It has been found that the hydroxyl groups which are incorporated into the quartz glass during or after the compacting of the SiO 2 granulate according to process step (d) in a water-containing atmosphere form essentially temperable-and non-metastable-hydroxyl groups. The hydrous atmosphere is produced by introducing into the atmosphere once, several times or continuously water, steam or a starting material which forms water in chemical reaction with a reactant, such as hydrogen in combination with oxygen present, the introduction of water also being effected by Delivery of hydroxyl groups can result, which adhere to the SiO 2 granules as residual moisture. In the simplest case, air forms the atmosphere for occupying the SiO 2 granules with hydroxyl groups.

Durch das Erhitzen in wasserhaltiger Atmosphäre wird der Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich der Soll-Konzentration im Wesentlichen vorbereitet. Im Normalfall genügt zur Einstellung des Wassergehaltes der Atmosphäre eine ausreichend bemessene Restfeuchte des SiO2-Granulats nach dem Trocknungsschritt (c). Ergänzend dazu kann der Atmosphäre jedoch vor oder während des Verdichtungsschrittes (d) einmal, mehrmals oder kontinuierlich Wasser, Wasserdampf oder eine in chemischer Reaktion mit einem Reaktanten Wasser bildende Ausgangssubstanz, wie zum Beispiel Wasserstoff, zugeführt werden. Die erforderliche Behandlungsdauer, -temperatur und Atmosphäre hängen von der spezifischen Oberfläche der SiO2-Granulate und deren Teilchengrößen und auch von der Prozessführung beim nachfolgenden Schmelzschritt ab, und sind für jeden Einzelfall vom Fachmann anhand weniger Versuche zu ermitteln.By heating in a water-containing atmosphere, the content of stable-temperature hydroxyl groups in the range of the target concentration is substantially prepared. Normally, sufficient moisture content of the SiO 2 granulate after the drying step (c) is sufficient to adjust the water content of the atmosphere. In addition to this, however, before or during the compression step (d), the atmosphere may be supplied once, several times or continuously with water, steam or a starting substance which forms water in a chemical reaction with a reactant, for example hydrogen. The required treatment time, temperature and atmosphere depend on the specific surface of the SiO 2 granules and their particle sizes and also on the process control in the subsequent melting step, and are to be determined for each individual case by a person skilled in the art by means of a few experiments.

Eine hinreichende Belegung des SiO2-Granulats mit Hydroxylgruppen vor dem Schmelzprozess erübrigt besondere Maßnahmen zur Schaffung der erforderlichen Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen erst während des Schmelzprozesses und erleichtert so die Prozessführung.A sufficient occupancy of the SiO 2 granules with hydroxyl groups prior to the melting process eliminates special measures to create the required concentration of stable-temperature hydroxyl groups only during the melting process and thus facilitates the process control.

Die verdichteten Granulate liegen als körniges Ausgangsmaterial vor und werden in dem abschließenden Elektroschmelzprozess zu Quarzglas weiterverarbeitet. Das Granulat kann beispielsweise in einem Tiegel zu einem Formkörper erschmolzen oder in einem Tiegelziehverfahren kontinuierlich zu einem Strang gezogen werden. Im Verfahrensschritt (e), dem Elektroschmelzprozess unter einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, erfolgt die endgültige Einstellung des Gehaltes an temperstabilen Hydroxylgruppen.The compacted granules are present as a granular starting material and will be in the final Electro-melting process further processed to quartz glass. The granules For example, it can be melted in a crucible to give a shaped body or in a Tiegelziehverfahren continuously to a strand to be pulled. In process step (e), the electrofusion process under a hydrogen-containing atmosphere, the final adjustment takes place the content of stable-temperature hydroxyl groups.

Es hat sich gezeigt, dass beim Erschmelzen in reiner Wasseratmosphäre mit niedrigem Taupunkt temperstabile Hydroxylgruppen nicht mehr in nennenswertem Umfang in das Quarzglas eingebaut werden, jedoch entstehen aus den an der Granulatkorn-Oberfläche anhaftenden OH-Gruppen temperstabile Hydroxylgruppen. Daher ist bei Einsatz einer reinen Wasseratmosphäre (zum Schutz des Tiegelmaterials) die Belegung der Oberfläche mit Hydroxylgruppen in den vorangehenden Verfahrensschritten entscheidend. Alternativ dazu enthält die Schmelzatmosphäre einen gewissen Anteil an Sauerstoff oder Wasser, was zu einem Einbau von Hydroxylgruppen in das erschmolzene Quarzglas beiträgt, die ansonsten vorhandene reduzierende Wirkung der Schmelzatmosphäre etwas abmildert, und dadurch – mit den oben erwähnten Wirkungen auf die UV-Strahlenbeständigkeit des Quarzglases – die Bildung von Sauerstoffdefizit-Zentren im Quarzglas vermeidet.It has been shown to melt when in a pure water atmosphere with low Dew point temper stable hydroxyl groups are no longer appreciable Scope are built into the quartz glass, but arise from the at the granule surface adhering OH groups temper stable hydroxyl groups. thats why when using a pure water atmosphere (to protect the crucible material) the occupancy of the surface with hydroxyl groups in the preceding process steps crucial. Alternatively contains the melting atmosphere a certain amount of oxygen or water, resulting in an installation of hydroxyl groups in the molten quartz glass contributes otherwise existing reducing effect of the melting atmosphere something mitigates, and thereby - with the above mentioned Effects on UV radiation resistance of quartz glass - the Formation of oxygen deficit centers avoids in the quartz glass.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn beim Verdichten und Reinigen des getrockneten SiO2-Granulats beim Verfahrensschritt (d) ein verdichtetes SiO2-Granulat mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) zwischen 1,5 m2/g und 30 m2/g und mit einer Stampfdichte von mindestens 0,75 g/cm3 erzeugt wird.It has proved to be particularly favorable if, during compacting and cleaning of the dried SiO 2 granules in method step (d), a compacted SiO 2 granulate having a specific surface area (BET) between 1.5 m 2 / g and 30 m 2 / g and with a tamped density of at least 0.75 g / cm 3 is generated.

Bei einer spezifische Oberfläche von weniger 1,5 m2/g gelingt es nicht, den Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen im Quarzglas auf einen Wert oberhalb von 20 Gew.-ppm zu heben, wenn nicht das soweit vorverdichtete SiO2-Graulat bereits einen ausreichend hohen Hydroxylgruppengehalt aufweist.At a specific surface area of less than 1.5 m 2 / g, it is not possible to raise the content of temper-stable hydroxyl groups in the quartz glass to a value above 20 ppm by weight, unless the extent to which the precompressed SiO 2 slurry is already sufficiently high Has hydroxyl group content.

Die genannte Stampfdichte gewährleistet in erster Linie die Rieselfähigkeit des Granulats, was sich auf den Verfahrensschritt (e) auswirkt. Die spezifische BET-Oberfläche hat hingegen deutlichen Einfluss auf die „Belegungsfähigkeit" des Granulats mit OH-Gruppen und damit auf den Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen nach dem Schmelzprozess. Die spezifische Oberfläche des SiO2-Granulats wird nach dem BET-Verfahren (DIN 66132) und die Stampfdichte wird nach DIN/ISO 787 Teil 11 ermittelt.The said tamped density primarily ensures the flowability of the granules, which has an effect on process step (e). However, the BET specific surface area has significant influence on the "occupation ability" of the granules with OH groups and thus on the content of anneal-hydroxyl after the melting process. The specific surface area of the SiO 2 granulate is made by the BET method (DIN 66132) and the tamped density is determined according to DIN / ISO 787 Part 11.

Vorteilhafterweise erfolgt das Verdichten gemäß Verfahrensschritt (d) bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800 °C und 1350 °C.advantageously, the compaction takes place in accordance with the method step (d) at a temperature in the range between 800 ° C and 1350 ° C.

Ein Verdichten bei vergleichsweise niedriger Temperatur unterhalb von 800°C führt zu einem SiO2-Granulat, das zwar verdichtet aber immer noch porös ist, und daher zu einer umfangreichen Fixierung von Hydroxylgruppen neigt, was leicht zu einem zu hohen Gesamt-Hydroxylgruppengehalt führt. Bei einer Behandlungstemperatur von 1350°C oder mehr ergibt sich (bei genügend langer Behandlungsdauer und in Abhängigkeit von der Korngröße des Granulats) ein vollständig verdichtetes, verglastes Produkt mit einer spezifischen Oberfläche von weniger als 1,5 m2/g, das als Träger für OH-Gruppen zum Zweck der Bildung temperstabiler Hydroxylgruppen im Verfahrensschritt (e) nicht geeignet ist. Im zuletzt genannten Fall ist es erforderlich, dass die Granulatkörner in einer wasserhaltigen Atmosphäre einzeln verglast werden, so dass der erforderliche Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen in den einzelnen verglasten Granulatkörnern bereist vor ihrem Einschmelzen fixiert ist.Compacting at a comparatively low temperature below 800 ° C results in a SiO 2 granulate which, while compacted, is still porous and therefore prone to extensive fixation of hydroxyl groups, which tends to result in too high a total hydroxyl group content. At a treatment temperature of 1350 ° C or more results (with sufficiently long treatment time and depending on the granule size) a fully compacted, vitrified product with a specific surface area of less than 1.5 m 2 / g, which is used as a carrier for OH groups for the purpose of formation of stable-temperature hydroxyl groups in process step (e) is not suitable. In the latter case, it is necessary that the granules are vitrified individually in a water-containing atmosphere, so that the required content of stable-temperature hydroxyl groups in the individual vitrified granules is already fixed prior to their melting.

Das Verdichten und Reinigen gemäß Verfahrensschritt (d) erfolgt vorzugsweise in chlorhaltiger Atmosphäre.The Compacting and cleaning according to process step (d) is preferably carried out in a chlorine-containing atmosphere.

Durch eine Behandlung des SiO2-Granulats in halogenhaltiger, insbesondere in chlorhaltiger Atmosphäre, werden sowohl metastabile Hydroxylgruppen als auch temperstabile Hydroxylgruppen weitgehend entfernt, ebenso wie Verunreinigungen, die bei der Behandlungstemperatur flüchtige Chlorverbindungen bilden. Dadurch wird die Reinheit des Quarzglases verbessert, die Viskosität erhöht sowie die Entglasungsneigung gesenkt. Die chlorhaltige Atmosphäre enthält hierfür Chlor und/oder eine Chlorverbindung.By treating the SiO 2 granules in halogen-containing, in particular in a chlorine-containing atmosphere, both metastable hydroxyl groups and temperature-stable hydroxyl groups are largely removed, as well as impurities which form volatile chlorine compounds at the treatment temperature. This improves the purity of the quartz glass, increases the viscosity and lowers the devitrification tendency. The chlorine-containing atmosphere contains chlorine and / or a chlorine compound for this purpose.

Es hat sich bewährt, wenn das Schmelzen gemäß Verfahrensschritt (e) in einer Atmosphäre erfolgt, die einen Taupunkt im Bereich zwischen –35 °C und –70 °C, vorzugsweise oberhalb von –65 °C, hat.It has proved its worth, if the melting according to process step (e) in an atmosphere takes place, which has a dew point in the range between -35 ° C and -70 ° C, preferably above -65 ° C, has.

Durch das Einstellen des Taupunktes der wasserstoffhaltigen Schmelzatmosphäre kann der Einbau von Hydroxylgruppen in das Quarzglas beeinflusst werden. Eine Schmelzatmosphäre mit einem Taupunkt oberhalb von –35 °C kann wegen ihres hohen Wassergehaltes das Tiegel- oder Düsenmaterial im Schmelzofen stark in Mitleidenschaft ziehen. Bei Taupunkten unterhalb von –70 °C wirkt die Schmelzatmosphäre infolge ihres geringen Wasseranteils stark reduzierend, was die Ausbildung von Sauerstoffdefizit-Zentren begünstigt.By adjusting the dew point of the hydrogen-containing melt atmosphere can the incorporation of hydroxyl groups in the quartz glass can be influenced. A melting atmosphere with a dew point above -35 ° C can because of its high water content the crucible or nozzle material badly affected in the smelting furnace. At dew points below of -70 ° C is the effect melting atmosphere due to their low water content greatly reducing what the Training of oxygen deficit centers favors.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das SiO2-Granulat nach dem Trocknen gemäß Verfahrensschritt (c) eine Hydroxylgruppenkonzentration von weniger als 3 Gew.-ppm aufweist.It has proved to be advantageous if the SiO 2 granules after drying according to process step (c) has a hydroxyl group concentration of less than 3 ppm by weight.

Infolge des geringen OH-Gehalts ergibt sich für die nachfolgenden Verfahrensschritte zur Einstellung des temperstabilen OH-Gehalts – insbesondere für ein nachfolgendes Verdichten des SiO2-Granulats – eine definierte Ausgangssituation, und es wird vermieden, dass überflüssige oder sich ungünstig auswirkende metastabile OH-Gruppen im Quarzglas enthalten sind.As a result of the low OH content results for the subsequent process steps for adjusting the temperature-stable OH content - especially for a subsequent densification of the SiO 2 granules - a defined starting situation, and it is avoided that superfluous or unfavorable impacting metastable OH groups contained in the quartz glass.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das SiO2-Granulat aus amorphen SiO2-Primärteilchen gebildet wird. Es hat sich gezeigt, dass hierfür nicht alle SiO2-Primärteilchen uneingeschränkt geeignet sind, beispielsweise zeigen die durch „Sol-Gel-Verfahren" hergestellten SiO2-Primärteilchen einen hohen metastabilen Hydroxylgruppengehalt, der aufwändig beseitigt werden muss. Daher werden vorzugsweise SiO2-Primärteilchen eingesetzt, die durch Flammenhydrolyse oder Oxidation anorganischer Siliziumverbindungen gebildet werden. Letztere weisen eine mittlere Teilchengröße von weniger als 0,2 μm auf und sie zeichnen sich durch eine große freie Oberfläche aus. Durch Agglomeration einer Vielzahl derartiger Primärteilchen wird das poröse SiO2-Granulat gemäß Verfahrensschritt (b) gebildet. Für die Granulation können die bekannten Granulierverfahren eingesetzt werden, insbesondere Aufbaugranulation, Sprühgranulation, und Pressgranulation (wie zum Beispiel Extrusion). Die mittlere Teilchengröße der Primärteilchen wird als sogenannter D50-Wert nach ASPM C1070 ermittelt.An essential aspect of the invention is that the SiO 2 granulate is formed from amorphous SiO 2 primary particles. It has been shown that not all of this SiO 2 primary particles are completely suitable, for example, indicate by "sol-gel process" produced SiO 2 primary particles a high metastable hydroxyl group content of the must be laboriously removed Therefore, preferably SiO 2. - Primary particles, which are formed by flame hydrolysis or oxidation of inorganic silicon compounds, which have a mean particle size of less than 0.2 microns and they are characterized by a large free surface by agglomeration of a plurality of such primary particles, the porous SiO 2 granules The known granulation methods can be used for the granulation, in particular build-up granulation, spray granulation, and press granulation (such as, for example, extrusion) The mean particle size of the primary particles is referred to as so-called D 50 value determined according to ASPM C1070.

Wie bereits oben erläutert, bewirkt eine gewisse Al2O3-Dotierung im Quarzglas eine Viskositätserhöhung. Im Hinblick hierauf hat es sich als günstig erwiesen, dass der Suspension amorpher SiO2-Primärteilchen gemäß Verfahrensschritt (a) pyrogen hergestelltes Al2O3 oder ein Aluminiumsalz beigefügt wird. Das pyrogen hergestellte Al2O3 liegt in fein verteilter Form als Nanopartikel vor, so dass sich in der Suspension eine gleichmäßige und homogene Verteilung des Dotierstoffs einstellt. Als Aluminiumsalz werden bevorzugt lösliche Halogenide eingesetzt Alternativ oder ergänzend hierzu hat es sich auch bewährt, das Trocknen oder das Verdichten des SiO2-Granulats in einer Atmosphäre durchzuführen, die ein Aluminiumhalogenid enthält. Hierbei wird eine Al2O3-Dotierung des Quarzglases über die Gasphase während Verfahrensschritt (c) und/oder Verfahrensschritt (d) erreicht.As already explained above, a certain Al 2 O 3 doping in the quartz glass causes an increase in viscosity. In view of this, it has proved favorable that the suspension of amorphous SiO 2 primary particles according to process step (a) is added pyrogenically produced Al 2 O 3 or an aluminum salt. The pyrogenically produced Al 2 O 3 is present in finely distributed form as nanoparticles, so that a uniform and homogeneous distribution of the dopant is established in the suspension. Soluble halides are preferably used as the aluminum salt. Alternatively or additionally, it has also been found useful to carry out the drying or compacting of the SiO 2 granulate in an atmosphere containing an aluminum halide. In this case, an Al 2 O 3 doping of the quartz glass is achieved via the gas phase during process step (c) and / or process step (d).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Als einzige Figur zeigtfollowing The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. When single figure shows

1 ein Balkendiagramm, in dem der Gehalt an Hydroxylgruppen unterschiedlicher Quarzglasproben jeweils vor und nach einem Austemper-Prozess sowie die daran gemessene mittlere freie Diffusionslänge dargestellt sind. 1 a bar graph showing the content of hydroxyl groups of different quartz glass samples before and after an austempering process and the measured average free diffusion length.

Das Balkendiagramm von 1 zeigt den Gesamtgehalt an Hydroxylgruppen in Gew.-ppm bei verschiedenen Quarzglasproben, jeweils vor (1. Balken) und nach (2. Balken) einer Temperbehandlung. Als 3. Balken ist die an den jeweiligen Quarzgläsern gemessen mittlere freie Diffusionslänge in μm angegeben, für die das Messverfahren weiter unten näher beschrieben wird. Die Ordinatenbemaßung der linken Seite des Diagramms bezieht sich auf den Hydroxylgruppengehalt, und die der rechten Seite auf die mittlere freie Diffusionslänge lDiff. 1 zeigt die in Tabelle 1 im Einzelnen aufgeführten Messergebnisse in graphischer Form.The bar chart of 1 shows the total content of hydroxyl groups in ppm by weight for different quartz glass samples, before (1st bar) and after (2nd bar) an annealing treatment. The third bar indicates the mean free diffusion length in μm measured on the respective quartz glasses, for which the measuring method is described in more detail below. The ordinate dimension of the left side of the diagram refers to the hydroxyl group content, and that of the right side to the mean free diffusion length l diff . 1 shows the measurement results listed in detail in Table 1 in graphical form.

Die Quarzglasproben wurden aus unterschiedlichen partikelförmigen SiO2-Ausgangssubstanzen erschmolzen, wobei das Erschmelzen entweder in einem Tiegelziehverfahren bei vergleichbaren Schmelzbedingungen erfolgte oder in einem Flammenschmelzverfahren. An den so erhaltenen Quarzglasproben wurden die Gehalte an OH-Gruppen vor und nach einem Tempervorgang ermittelt. Dieser Tempervorgang sowie die übrigen Verfahrensschritte zur Herstellung der Quarzgläser werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Angaben in Tabelle 1 und der Darstellung in 1 näher erläutert:The quartz glass samples were melted from different particulate SiO 2 starting substances, wherein the melting was carried out either in a Tiegelziehverfahren under comparable melting conditions or in a flame melting process. On the quartz glass samples thus obtained, the contents of OH groups were determined before and after an annealing process. This annealing process and the other process steps for the production of the quartz glass are described below with reference to the information in Table 1 and the representation in 1 explained in more detail:

Herstellung und Charakterisierung der SiO2-AusgangssubstanzenPreparation and characterization of SiO 2 starting substances

Als Ausgangssubstanzen zum Erschmelzen eines Quarzglaskörpers wurden entweder SiO2-Granulate (Proben 1 bis 9) oder SiO2-Körnung aus kristallinem, natürlichem Quarz eingesetzt (Proben 10 und 11).As starting materials for melting a quartz glass body, either SiO 2 granules (samples 1 to 9) or SiO 2 grains of crystalline, natural quartz were used (samples 10 and 11).

Bei den Proben 1 bis 9 handelt es sich jeweils um Quarzglas aus SiO2-Granulaten, die mittels eines herkömmlichen Nassgranulierverfahrens unter Einsatz eines Mischers erzeugt wurden. Hierzu wird eine wässrige Suspension aus amorphen, nanoskaligen, durch Flammenhydrolyse von SiCl4 erzeugten pyrogenen SiO2-Partikeln, die eine spezifische BET-Oberfläche von 60 m2/g aufweisen gebildet. Die mittlere Teilchengröße der SiO2-Primärteilchen liegt im Bereich unterhalb von 100 nm. Der Suspension wird unter fortwährendem Rühren Feuchtigkeit entzogen, bis sie zu rundlichen Granulat-Körnern mit Außendurchmessern im Bereich zwischen 160 μm und 1000 μm zerfällt. Das so erhaltene Granulat wird bei ca. 400 °C im Drehrohrofen bis zu einer Restfeuchte unterhalb von 3 Gew.-ppm getrocknet. Im Hinblick auf die sich daran anschließende Weiterbehandlung des SiO2-Granulats unterscheiden sich die Quarzglasproben 1 bis 9.Each of Samples 1 to 9 is quartz glass of SiO 2 granules produced by a conventional wet granulation method using a mixer. For this purpose, an aqueous suspension of amorphous, nanoscale, produced by flame hydrolysis of SiCl 4 pyrogenic SiO 2 particles having a BET specific surface area of 60 m 2 / g are formed. The average particle size of the SiO 2 primary particles is in the range below 100 nm. The suspension is removed from the suspension with continuous stirring until it disintegrates into spherical granules with outer diameters in the range between 160 μm and 1000 μm. The granules thus obtained are dried at about 400 ° C in a rotary kiln to a residual moisture content below 3 ppm by weight. With regard to the subsequent further treatment of the SiO 2 granules, the quartz glass samples 1 to 9 differ.

Bei der Probe 1 wurde das Ausgangs-Granulat anschließend im Drehrohrofen bei einer Temperatur von etwa 1420 °C bis auf eine BET-Oberfläche von ca. 3 m2/g stark vorverdichtet, wohingegen das Ausgangs-Granulat bei den Proben 2 und 3 bei 700 °C nur leicht vorverdichtet (BET-Oberfläche um 40 m2/g) wurde.In Sample 1, the starting granules were then strongly precompressed in the rotary kiln at a temperature of about 1420 ° C to a BET surface area of about 3 m 2 / g, whereas the starting granules in samples 2 and 3 at 700 ° C only slightly pre-compressed (BET surface area around 40 m 2 / g) was.

Stark vorverdichtete Granulate wie bei Probe 1 weisen eine Stampfdichte von 1,1 g/cm3 und einen mittleren Korndurchmesser um etwa 320 μm auf. Der Gesamtgehalt an den Verunreinigungen Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti und Zr beträgt weniger als 200 Gew.-ppb. Alternativ zur Vorverdichtung im Drehrohrofen erfolgt die Vorverdichtung und Reinigung in einem Fließbett. In jedem Fall wird dabei die spezifische Oberfläche des Granulats von vorher 100 m2/g auf weniger als 20 m2/g reduziert.Highly precompressed granules as in sample 1 have a tamped density of 1.1 g / cm 3 and an average grain diameter of about 320 μm. The total content of the impurities Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti and Zr is less than 200 parts by weight ppb. As an alternative to pre-compaction in the rotary kiln, precompression and purification are carried out in a fluidized bed. In any case, the specific surface area of the granulate is reduced from previously 100 m 2 / g to less than 20 m 2 / g.

Bei den Proben 4 bis 9 handelt es sich um Quarzglas aus SiO2-Granulaten, bei denen die Einzelkörner des Granulats zunächst so vorverdichtet wurden, wie das Granulat bei Probe 1, und die anschließend unter verschiedenen Atmosphären vollständig verglast wurden. Das Heizprofil beim Verglasen der Granulate umfasst jeweils ein Aufheizen auf 1000 °C mit einer Aufheizrate von 5°C/min und eine Haltezeit von 120 min, ein Aufheizen auf 1400 °C mit einer Aufheizrate von 5°C/min und eine weitere Haltezeit von 120 min. Nach dieser Behandlung sind die einzelnen Granulatkörner in sich verglast. Die Körner liegen einzeln vor, ohne zu einer Masse verschmolzen zu sein.Samples 4 to 9 are quartz glass made of SiO 2 granules, in which the individual granules of the granules were first precompressed in the same way as the granules in Sample 1, and which were then completely vitrified under different atmospheres. The heating profile during vitrification of the granules each comprises a heating to 1000 ° C with a heating rate of 5 ° C / min and a hold time of 120 min, a heating to 1400 ° C at a heating rate of 5 ° C / min and a further hold time of 120 min. After this treatment, the individual granules are vitrified in themselves. The grains are individually present without being fused to a mass.

Bei den Proben 4 und 5 erfolgte das Verglasen bei 1400 °C unter Vakuum (Restdruck bei Probe 4: 10–2 mbar; Restdruck bei Probe 5: 10–3 mbar), und bei den Proben 6 und 7 unter Helium. Bei der Probe 8 erfolgte das Verglasen der Einzelgranulate unter Luft, bei einem Durchfluss von 0,1 m3/h, und bei der Probe 9 unter Wasserstoff, bei einem Durchfluss von 10 m3/h.For samples 4 and 5, vitrification was carried out at 1400 ° C. under vacuum (residual pressure for sample 4: 10 -2 mbar, residual pressure for sample 5: 10 -3 mbar), and for samples 6 and 7 under helium. In the case of sample 8, vitrification of the individual granules was carried out under air, at a flow rate of 0.1 m 3 / h, and in the case of sample 9 under hydrogen, at a flow rate of 10 m 3 / h.

Eine Besonderheit zeigt die Probe Nr. 7. Dabei handelt es sich um ein mit Al2O3 dotiertes Quarzglas. Hierzu wurde das SiO2-Granulat mittels eines herkömmlichen Nassgranulierverfahrens unter Einsatz eines Mischers erzeugt, wie oben beschrieben, wobei der Suspension zusätzlich AlCl3 beigefügt wurde, in einer Menge, dass das daraus entstehende Al2O3 im Quarzglas 10 Gew.-ppm ausmacht, bezogen auf die Menge an SiO2. Die Trocknung, Verdichtung und Verglasung des Granulats erfolgt so, wie bei der Probe 6 unter Helium.A special feature is the sample no. 7. This is a doped with Al 2 O 3 quartz glass. For this purpose, the SiO 2 granules were produced by means of a conventional wet granulation method using a mixer, as described above, wherein the suspension was additionally added AlCl 3 , in an amount that the resulting Al 2 O 3 in the quartz glass 10 ppm by weight , based on the amount of SiO 2 . The drying, compression and vitrification of the granules is carried out as in the sample 6 under helium.

Bei den Proben 10 und 11 handelt es sich um Quarzglas aus Körnung aus natürlichem Quarzkristall, die durch Heißchlorieren bei hoher Temperatur (ca. 1050 °C) gereinigt wurde. Die spezifische BET-Oberfläche dieser Proben liegt deutlich unterhalb von 1 m2/g.Samples 10 and 11 are fused quartz glass of natural quartz crystal which has been cleaned by hot chlorination at high temperature (about 1050 ° C). The BET specific surface area of these samples is well below 1 m 2 / g.

Schmelzverfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpersfusion for producing a quartz glass body

Die partikelförmigen SiO2-Ausgangsstoffe (Granulate, Körnung) wurden anschließend zu Quarzglaskörpern eingeschmolzen.The particulate SiO 2 starting materials (granules, grain size) were subsequently melted down into quartz glass bodies.

Bei den Proben 1 bis 7 und bei Probe 10 wurde hierzu ein Tiegelziehverfahren eingesetzt. Hierzu wurde jeweils ein Ansatz des von ca. 100 kg in einem Molybdän-Tiegel unter einer Wasserstoffatmosphäre erschmolzen und über eine Bodenöffnung des Tiegels nach unten als Rohrstrang abgezogen. Der Taupunkt der Wasserstoff-Atmosphäre lag bei diesen Proben jeweils bei etwa –55 °C.at Samples 1 to 7 and Sample 10, this was a Tiegelziehverfahren used. For this purpose, in each case an approach of about 100 kg in a molybdenum crucible under a hydrogen atmosphere melted and over a bottom opening of the crucible pulled down as a pipe string. The dew point of the hydrogen atmosphere was at each of these samples at about -55 ° C.

Aus den Granulaten der Proben 8 und 9 wurden jeweils in einer Menge von 500 g in einer geschlossenen, evakuierbaren Kammer in einem Mo-Tiegel unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre Quarzglasblöcke geschmolzen. Dabei wurden die Granulate in derselben Anlage, in der auch das Verglasen der Einzelkörner erfolgte von der Haltetemperatur von 1400 °C mit einer Aufheizrate auf eine Temperatur von 2000 °C erhitzt. Beim Einschmelzen der Proben 8 und 9 wurde Wasserstoff mit einem niedrigen Taupunkt von –64 °C verwendet, was bei dem Prozessdruck von 2 bar einem Wassergehalt von 3 ppm entspricht.Out The granules of samples 8 and 9 were each in an amount of 500 g in a closed, evacuable chamber in one Mo crucible under hydrogen-containing atmosphere Fused silica blocks melted. The granules were in the same plant, in which also the Vitrification of the individual grains took place from the holding temperature of 1400 ° C with a heating rate a temperature of 2000 ° C heated. Upon melting of samples 8 and 9, hydrogen became used with a low dew point of -64 ° C, resulting in the process pressure of 2 bar corresponds to a water content of 3 ppm.

Aus der Quarzkörnung der Probe 11 wurde durch Erschmelzen in der Knallgasflamme ein Quarzglaskörper erzeugt. Hierbei wurde die Ausgangskörnung mittels des bekannten Verneuil-Verfahrens in eine Knallgasflamme eingestreut und auf einem Substrat zu einem stabförmigen Quarzglaskörper verglast.Out the quartz grain the sample 11 was produced by melting in the oxyhydrogen flame a quartz glass body. This was the starting grain by means of the well-known Verneuil method in a blast gas flame interspersed and vitrified on a substrate to a rod-shaped quartz glass body.

Ermittlung des OH-Gehalts und TemperbehandlungDetermination of the OH content and tempering treatment

An präparierten Proben der wie oben beschrieben hergestellten Quarzglaskörper wurde jeweils der Gesamtgehalt an Hydroxylgruppen (COH(t) + COH(m)) spektroskopisch ermittelt. Anschließend wurden Proben aus demselben Quarzglasmaterial einer Temperbehandlung unterzogen, um die Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen (COH(r)) zu ermitteln. Hierzu wurden jeweils 10 mm dicke Scheiben des Glases unter Vakuum (10–2 mbar) auf eine Temperatur von 1040 °C während eines Zeitraums von 40 Stunden erhitzt. Durch diese Behandlung werden die vorhandenen metastabilen OH-Gruppen entfernt. Die danach gemessene Hydroxylgruppenkonzentration entspricht definitionsgemäß dem Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen.The total content of hydroxyl groups (C OH (t) + C OH (m) ) was determined spectroscopically on prepared samples of the quartz glass bodies produced as described above. Subsequently, samples of the same quartz glass material were subjected to an annealing treatment to determine the concentration of stable-temperature hydroxyl groups (C OH (r) ). For this purpose, 10 mm thick slices of the glass were heated under vacuum (10 -2 mbar) to a temperature of 1040 ° C during a period of 40 hours. This treatment removes the existing metastable OH groups. By definition, the hydroxyl group concentration measured corresponds to the content of temperature-stable hydroxyl groups.

Ermittlung der KontaminationsneigungDetermination of contamination tendency

Aufgrund dieser Messung ergaben sich für die Quarzglasproben die in Tabelle 1 angegebenen Ergebnisse.by virtue of This measurement was for the quartz glass samples have the results given in Table 1.

In Spalte 3 von Tabelle 1 ist unter COH(t) + COH(m) der Gesamt-Hydroxylgruppengehalt der jeweiligen Quarzglasprobe aufgeführt. Dieser setzt sich zusammen aus metastabilen Hydroxylgruppen COH(m) und temperstabilen Hydroxylgruppen COH(t). lDiff (letzte Spalte) gibt die im Halbleitermaterial in Verbindung mit der jeweiligen Probe gemessene Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger an. Im Idealfall liegt lDiff um etwa 200 μm (Linie A in 1). Ein Wert oberhalb von 100 μm wird noch als akzeptabel angesehen (Linie B in 1).In column 3 of Table 1, under C OH (t) + C OH (m), the total hydroxyl group content of the respective Quartz glass sample listed. This is composed of metastable hydroxyl groups C OH (m) and temperature-stable hydroxyl groups C OH (t) . l Diff (last column) indicates the diffusion length of the minority charge carriers measured in the semiconductor material in conjunction with the respective sample. Ideally, l Diff is about 200 μm (line A in FIG 1 ). A value above 100 μm is still considered acceptable (line B in FIG 1 ).

Die aus teilverglastem Granulat erzeugte Quarzglas-Probe 1 mit einem Gesamt-Hydroxylgruppengehalt von 250 Gew.-ppm und einem Gehalt an temperstabilen OH-Gruppen von 191 Gew.-ppm zeichnet sich durch eine vergleichsweise große mittlere freie Diffusionslänge lDiff von 140 μm aus. Dieses Quarzglas ist für eine Fertigung von Apparaturen für die Halbleiterfertigung ohne Weiteres einsetzbar.The quartz glass sample 1 produced from partially glazed granules with a total hydroxyl group content of 250 ppm by weight and a content of temper stable OH groups of 191 ppm by weight is characterized by a comparatively large mean free diffusion length l Diff of 140 μm. This quartz glass can be readily used for manufacturing apparatuses for semiconductor production.

Die aus gering verdichtetem Granulat erschmolzenen Quarzglas-Proben 2 und 3 weisen zwar mittlere freie Diffusionslängen lDiff in der gleichen Größenordnung wie Probe 1 auf; diese Gläser sind jedoch aufgrund ihres hohen Gesamt-Hydroxylgruppengehalts und der damit einhergehenden geringen Viskosität für Hochtemperaturanwendungen nur eingeschränkt geeignet.Although the quartz glass samples 2 and 3 melted from low-density granules have average free diffusion lengths l diff in the same order of magnitude as sample 1; however, these glasses are of limited usefulness for high temperature applications due to their high total hydroxyl group content and concomitant low viscosity.

Bei den aus vorab verglastem SiO2-Granulat erschmolzenen Quarzglas-Proben 4 bis 9 hängt der Gesamt-Hydroxylgruppengehalt deutlich von den beim Verglasen des Granulats herrschenden Bedingungen ab.For quartz glass samples 4 to 9 melted from pre-glazed SiO 2 granules, the total hydroxyl group content is significantly dependent on the conditions prevailing during vitrification of the granules.

Die Proben 4 und 5 unterscheiden sich nur in der Höhe des beim Verglasen des Granulats angelegten Unterdrucks voneinander. Während sich bei Probe 4 mit einem Vakuum von 10–2 mbar beim Verglasen ein Gehalt an temperstabilen OH-Gruppen von noch 69 Gew.-ppm, und damit einhergehend ein akzeptabler Wert von 110 μm für die mittlere Diffusionslänge einstellt, ergibt der noch etwas geringere Restdruck von 10–3 mbar bei Probe 5 einen so geringen Gehalt an temperstabilen OH-Gruppen im daraus erschmolzenen Quarzglas, dass sich für die mittlere Diffusionslänge lDiff ein Wert unterhalb von 100 μm ergibt, was als zu niedrig für eine wirksame Behinderung der Diffusion von Verunreinigungen angesehen wird.Samples 4 and 5 differ only in the amount of negative pressure applied during vitrification of the granules. While with sample 4 with a vacuum of 10 -2 mbar during the vitrification a content of temper stable OH groups of even 69 ppm by weight, and consequently an acceptable value of 110 μm for the average diffusion length, the result is somewhat lower Residual pressure of 10 -3 mbar for sample 5 such a low content of stable-tempered OH groups in the fused quartz glass, that for the average diffusion length l Diff results in a value below 100 microns, which is too low for an effective inhibition of the diffusion of Contamination is considered.

Das Verglasen des Granulats unter Helium erweist sich als wenig problematisch in Bezug auf die Einstellung eines geeigneten Gehaltes an temperstabilen Hydroxylgruppen. Beide Proben 6 und 7 zeigen hiervon eine ausreichend hohe Konzentration, sowie eine verhältnismäßig lange mittlere freie Diffusionslänge lDiff, wobei die mit Aluminiumoxid dotierte Probe 7 sich sowohl hinsichtlich der mittleren freien Diffusionslänge lDiff als auch in Bezug auf die Hochtemperatur des Quarzglases als besonders günstig erweist.The vitrification of the granules under helium proves to be less problematic in terms of setting a suitable content of stable-temperature hydroxyl groups. Both samples 6 and 7 thereof show a sufficiently high concentration and a relatively long mean free diffusion length l Diff, wherein the doped with alumina Sample 7 both in terms of the mean free diffusion length l Diff as well as with respect to the high temperature of the quartz glass to be particularly advantageous proves.

Das Einschmelzen des unter Luft verglasten SiO2-Granultas der Probe 8 unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre führt zu einem erstaunlich niedrigen Gesamt-Hydroxylgruppengehalt, wovon der Gehalt an metastabilen OH-Gruppen bei etwa 30 Gew.-ppm liegt und zu einem noch akzeptablen Wert für die mittlere freie Diffusionslänge lDiff von 100 μm führt. Der trotz des Verglasens des Granulats unter Luft niedrige Gesamt-Hydroxylgruppengehalt des daraus erschmolzenen Quarzglaskörpers ist auf die angewandte OH-arme Schmelztechnik zurückzuführen, bei der die Schmelzatmosphäre nahezu wasserfrei ist. Derartige OH-arme Schmelztechniken, bei denen ein Einbau von OH-Gruppen durch reduzierende Atmosphäre (Wasserstoffatmosphäre mit niedrigem Taupunkt) vermieden wird, sind zum Schutz der üblicherweise eingesetzten Schmelzgefäße oder Schmelzeinsätze aus Wolfram- oder Molybdän beim Schmelzen von Quarzglas sehr verbreitet.The smelting of the under air-glazed SiO 2 -Granultas the sample 8 under a hydrogen-containing atmosphere leads to a surprisingly low total hydroxyl group content, of which the content of metastable OH groups is about 30 ppm by weight and to an acceptable value for the middle free diffusion length l diff of 100 microns leads. The low overall hydroxyl group content of the fused quartz glass body melted despite the vitrification of the granules in air is due to the applied low-OH melting technique, in which the melt atmosphere is almost free of water. Such low-OH melting techniques, in which an incorporation of OH groups by reducing atmosphere (hydrogen atmosphere with low dew point) is avoided, are widely used to protect the commonly used melting vessels or fusible links of tungsten or molybdenum in the melting of quartz glass.

Bei dem unter Wasserstoff verglastem SiO2-Granulat der Probe 9 führt die gleiche Schmelztechnik zu einem in Hinblick auf Eignung für die Halbleiterherstellung ungünstigen Glas. Bei diesem Quarzglas erweist sich der ohnehin geringe Gesamt-Hydroxylgruppengehalt von 60 Gew.-ppm als fast vollständig austemperbar. Der resultierende Gehalt an metastabilen OH-Gruppen von nur noch 3 Gew.-ppm ist zu niedrig, um zu einem akzeptablen Wert für die mittlere freie Diffusionslänge lDiff beitragen zu können. lDiff liegt bei dem Quarzglas von Probe 9 bei 60 μm. Die Probe 9 ist typisch für ein Quarzglases, das durch eine insgesamt OH-arme Prozesstechnik erhalten wird.In the case of the SiO 2 granulate of sample 9 which has been vitrified under hydrogen, the same melting technique leads to a glass unfavorable with regard to suitability for semiconductor production. In this quartz glass, the already low total hydroxyl group content of 60 ppm by weight proves to be almost completely austemperbar. The resulting content of metastable OH groups of only 3 ppm by weight is too low to contribute to an acceptable value for the average free diffusion length l Diff . In the case of the quartz glass of sample 9, l Diff is 60 μm. The sample 9 is typical of a quartz glass, which is obtained by an overall low-OH process technology.

Der Vergleich der den Proben 8 und 9 erschmolzenen Quarzgläser zeigt, dass sowohl durch die Vorbehandlung des Granulats, als auch durch die Führung des Schmelzprozesses der Gehalt an temperstabilen OH-Gruppen deutlich beeinflusst werden kann. Das aus Probe 8 erhaltene Quarzglas zeigt trotz der OH-armen Schmelzprozessführung akzeptable Ergebnisse infolge der vorherigen, OH-anreichernden Verglasungsbehandlung des Granulats unter Luft.Of the Comparing the quartz glasses melted to samples 8 and 9, that both by the pretreatment of the granules, and by the leadership the melting process, the content of stable-temperature OH groups significantly can be influenced. The quartz glass obtained from Sample 8 shows despite the low-OH melting process acceptable Results from previous, OH-enriching vitrification treatment of the granules under air.

Das Quarzglas aus Körnung aus natürlichem Quarzkristall gemäß Probe 10 zeichnet sich durch einen OH-Gehalt um 110 Gew.-ppm aus, der jedoch fast vollständig austemperbar ist. Der Gehalt an temperstabilen Hydroxylgruppen beträgt lediglich 16 Gew.-ppm, und die an diesem Quarzglas gemessene mittlere freie Diffusionslänge lDiff liegt unterhalb von 50 μm. The quartz glass of grain size of natural quartz crystal according to sample 10 is characterized by an OH content of about 110 ppm by weight, which, however, is almost completely austemperable. The content of stable-temperature hydroxyl groups is only 16 ppm by weight, and the measured at this quartz glass average free diffusion length l Diff is below 50 microns.

Dass dieser geringe Wert für lDiff nicht allein auf den Gehalt an Verunreinigungen des natürlichen Rohstoffes zurückzuführen ist, belegt die Probe 11, bei der die Quarzkörnung in einem Flammenschmelzverfahren erschmolzen wurde. Offenbar trägt die dabei eingesetzte Knallgasflamme zu einem vergleichsweise hohen Gesamt-Hydroxylgruppengehalt des so erschmolzenen Quarzglases von 160 Gew.-ppm bei, der sich auch insgesamt als temperstabil erweist. Für dieses Quarzglas wurde eine akzeptable mittlere freie Weglänge von etwa 130 μm ermittelt. Allerdings zeigt es sich, dass die temperstabilen OH-Gruppen über die Dicke des nach dem Verneuil-Verfahren erhaltenen Quarzglasstabs ungleichmäßig verteilt und im Bereich der Oberfläche angereichert sind, so dass die Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen über die Wandstärke um mehr als 10 % vom Mittelwert abweicht.The fact that this low value for l Diff is not attributable solely to the content of impurities in the natural raw material is confirmed by sample 11, in which the quartz granules were melted in a flame melting process. Apparently, the oxyhydrogen flame used in this case contributes to a comparatively high total hydroxyl group content of the fused quartz glass of 160 ppm by weight, which also proves to be stable in temperature as a whole. For this silica glass, an acceptable mean free path of about 130 μm was determined. However, it turns out that the temperature-stable OH groups are distributed unevenly over the thickness of the quartz glass rod obtained by the Verneuil method and enriched in the region of the surface, so that the concentration of stable-temperature hydroxyl groups deviates by more than 10% from the mean over the wall thickness ,

Figure 00220001
Figure 00220001

Claims (16)

Elektrogeschmolzenes, synthetisches Quarzglas, insbesondere für den Einsatz in der Lampen- und der Halbleiterfertigung, das eine Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich zwischen 20 Gew.-ppm und 400 Gew.-ppm aufweist, wobei sich die temperstabilen Hydroxylgruppen dadurch auszeichnen, dass sie durch Erhitzen des Quarzglases auf eine Temperatur von 1040 °C unter einem Vakuum von 10–2 mbar und während eines Zeitraums von 40 Stunden über einen Diffusionsweg von 5 mm nicht entfernt werden.Electro-fused, synthetic quartz glass, in particular for use in the lamp and the Semiconductor manufacturing, which has a concentration of stable-temperature hydroxyl groups in the range between 20 ppm by weight and 400 ppm by weight, wherein the temperature-stable hydroxyl groups are characterized in that they by heating the quartz glass to a temperature of 1040 ° C under a vacuum of 10 -2 mbar and not be removed over a diffusion path of 5 mm for a period of 40 hours. Synthetisches Quarzglas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Hydroxylgruppen maximal 500 Gew.-ppm beträgt.Synthetic quartz glass according to claim 1, characterized characterized in that the concentration of hydroxyl groups maximum 500 ppm by weight. Synthetisches Quarzglas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich zwischen 30 Gew.-ppm und 200 Gew.-ppm liegt.Synthetic quartz glass according to claim 1, characterized characterized in that the concentration of stable-temperature hydroxyl groups in the range between 30 ppm by weight and 200 ppm by weight. Synthetisches Quarzglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an metastabilen Hydroxylgruppen maximal 100 Gew.-ppm, vorzugsweise maximal 50 Gew.-ppm beträgt.Synthetic quartz glass according to one of the preceding Claims, characterized in that the concentration of metastable hydroxyl groups at most 100 ppm by weight, preferably at most 50 ppm by weight. Synthetisches Quarzglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Al2O3-Gehalt im Bereich zwischen 5 Gew.-ppm und 20 Gew.-ppm aufweist.Synthetic quartz glass according to one of the preceding claims, characterized in that it has an Al 2 O 3 content in the range between 5 ppm by weight and 20 ppm by weight. Synthetisches Quarzglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form eines eine Wandstärke aufweisenden Quarzglasbauteils vorliegt, wobei die Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen über die Wandstärke um maximal +/– 10 % vom Mittelwert abweicht.Synthetic quartz glass according to one of the preceding Claims, characterized in that it has in the form of a wall thickness Quartz glass component is present, the concentration of stable to temperature Hydroxyl groups over the wall thickness by a maximum of +/- 10 % deviates from the mean. Synthetisches Quarzglas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form einer Schicht auf einem Quarzglasbauteil ausgebildet ist.Synthetic quartz glass according to one of claims 1 to 5, characterized in that it is in the form of a layer on a Quartz glass component is formed. Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas nach einem Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Verfahrensschritte: (a) Herstellen einer Suspension amorpher SiO2-Primärteilchen, die eine mittlere Teilchengröße von weniger als 5 μm aufweisen, (b) Granulieren der Suspension unter Bildung von porösem SiO2-Granulat mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) von mindestens 20 m2/g, (c) Trocknen des SiO2-Granulats, (d) Verdichten und Reinigen des getrockneten SiO2-Granulats unter Bildung eines verdichteten SiO2-Granulats mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) von weniger als 40 m2/g, und (e) Schmelzen des verdichteten SiO2-Granulats unter Bildung von Quarzglas, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Verfahrensschritt (d) verdichtete SiO2-Granulat vor oder während des Schmelzens gemäß Verfahrensschritt (e) eine Belegung seiner spezifischen Oberfläche mit Hydroxylgruppen erfährt, und dass das Schmelzen gemäß Verfahrensschritt (e) mindestens zeitweise in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre in einem elektrisch beheizten Ofen erfolgt, derart, dass in dem Quarzglas eine Soll-Konzentration an temperstabilen Hydroxylgruppen im Bereich von 20 Gew.-ppm bis 400 Gew.-ppm eingestellt wird.A process for the production of synthetic quartz glass according to any one of claims 1 to 7, comprising the process steps: (a) preparing a suspension of amorphous SiO 2 primary particles having a mean particle size of less than 5 μm, (b) granulating the suspension to form porous SiO 2 granules having a BET specific surface area of at least 20 m 2 / g, (c) drying the SiO 2 granules, (d) compacting and purifying the dried SiO 2 granules to form a compacted SiO 2 granules with a specific surface area (according to BET) of less than 40 m 2 / g, and (e) melting the compacted SiO 2 granules to form quartz glass, characterized in that the SiO 2 granules compacted according to process step (d) before or during the melting according to process step (e) experiences an occupancy of its specific surface with hydroxyl groups, and that the melting according to process step (e) at least temporarily e takes place in a hydrogen-containing atmosphere in an electrically heated furnace, such that in the quartz glass, a target concentration of temperature-stable hydroxyl groups in the range of 20 ppm by weight to 400 ppm by weight is set. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Belegung der spezifischen Oberfläche des SiO2-Granulats mit Hydroxylgruppen in einer wasserhaltigen Atmosphäre vor dem Schmelzen nach Verfahrensschritt (e) erfolgt.A method according to claim 8, characterized in that the assignment of the specific surface of the SiO 2 granules with hydroxyl groups in a water-containing atmosphere prior to melting takes place after process step (e). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verdichten und Reinigen des getrockneten SiO2-Granulats beim Verfahrensschritt (d) ein verdichtetes SiO2-Granulat mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) zwischen 1,5 m2/g und 30 m2/g und mit einer Stampfdichte von mindestens 0,75 g/cm3 erzeugt wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that when compacting and cleaning the dried SiO 2 granules in process step (d) a compacted SiO 2 granules having a specific surface area (BET) between 1.5 m 2 / g and 30 m 2 / g and with a tamped density of at least 0.75 g / cm 3 is generated. Verfahren einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten gemäß Verfahrensschritt (d) bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800 °C und 1350 °C erfolgt.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the compression according to process step (d) is at a temperature in the range between 800 ° C and 1350 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten und Reinigen gemäß Verfahrensschritt (d) in chlorhaltiger Atmosphäre erfolgt.Method according to one of the preceding method claims, characterized characterized in that the compacting and cleaning according to method step (d) in a chlorine-containing atmosphere he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzen gemäß Verfahrensschritt (e) in einer Atmosphäre erfolgt, die einen Taupunkt im Bereich zwischen –35 °C und –70 °C, vorzugsweise oberhalb von –65 °C, hat.Method according to one of the preceding method claims, characterized characterized in that the melting according to process step (e) in an atmosphere takes place, which has a dew point in the range between -35 ° C and -70 ° C, preferably above -65 ° C, has. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das SiO2-Granulat nach dem Trocknen eine Restfeuchte von weniger als 3 Gew.-% aufweist.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the SiO 2 granules after drying has a residual moisture content of less than 3 wt .-%. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass SiO2-Primärteilchen eingesetzt werden, die durch Flammenhydrolyse oder Oxidation anorganischer Siliziumverbindungen gebildet werden.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that SiO 2 primary particles are used, which are formed by flame hydrolysis or oxidation of inorganic silicon compounds. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Suspension amorpher SiO2-Primärteilchen gemäß Verfahrensschritt (a) pyrogen hergestelltes Al2O3 oder ein Aluminiumsalz, vorzugsweise in Form eines Halogenids, beigefügt wird.Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the suspension of amorphous SiO 2 primary particles according to process step (a) pyrogenically prepared Al 2 O 3 or an aluminum salt, preferably in the form of a halide, is added.
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