高シリカ材料で作られた部品の結合方法
【課題】
部品の接合面の間に高シリカ結合マスを生成することにより全体的に接合する方法によって高シリカ材料で作られた部品を結合する方法を提供する。
【手段】
本発明による方法は、接合面が固定時に5 N/cm2 を超える接触圧が掛かり、結合接続部からの製品の脱ガスのためのパス長さが150 mmを超える広範囲な結合接合部に対して特に、高シリカ材料で作られた部品の機械的及び熱的に安定性を持つ複合物を安価で製造することを可能とするものである。この目的はSiO2 結合マスが最初から直ちに乾燥状で使用されるか、少なくともSiO2 結合マスが接合プロセスの前に接合面上で乾燥し、結合する面がその後に接触し、結合マスをSiO2 の形成を伴う加熱により堅い複合物を生成する本発明により達成される。
部品の接合面の間に高シリカ結合マスを生成することにより全体的に接合する方法によって高シリカ材料で作られた部品を結合する方法を提供する。
【手段】
本発明による方法は、接合面が固定時に5 N/cm2 を超える接触圧が掛かり、結合接続部からの製品の脱ガスのためのパス長さが150 mmを超える広範囲な結合接合部に対して特に、高シリカ材料で作られた部品の機械的及び熱的に安定性を持つ複合物を安価で製造することを可能とするものである。この目的はSiO2 結合マスが最初から直ちに乾燥状で使用されるか、少なくともSiO2 結合マスが接合プロセスの前に接合面上で乾燥し、結合する面がその後に接触し、結合マスをSiO2 の形成を伴う加熱により堅い複合物を生成する本発明により達成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の接合面の間に高シリカ結合マスを生成することにより全体的に接合する方法によって高シリカ材料で作られた部品を結合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここに、「高シリカ材料」という用語は、少なくとも85%のSiO2の含有率を有するドープ又は非ドープの石英ガラスと理解される。以後、この材料は省略して「石英ガラス」とも呼ばれる。高シリカ材料は熱膨張係数が小さいこと、広い波長範囲で光学的透明性を有すること及び高い化学的及び熱的耐性を有することを特徴とする。
【０００３】
石英ガラス部品は、被覆管、電球、カバープレート、ランプ用リフレクターキャリア、及び赤外線、紫外線及び可視光線のラジエータなどのランプ製造、リアクターなど形の化学装置製造又は半導体製造、半導体部品処理のための石英ガラス製装置、ジグ、ベルジャー、るつぼ、保護シールド又はロッド、プレート、フランジ、リング又はブロックなどの単純な石英ガラス部品など多くの用途に使われている。
【０００４】
特殊な性質を持つ石英ガラスを製造するために、石英ガラスにはチタン、アルミニウム、ホウ素又はゲルマニウムなど他の物質をドープする。
【０００５】
しばしばではあるが、例えば、複雑な形状を持つ石英ガラス部品の製造のために石英ガラス素子を相互に接合する必要がある。通常、このような接合操作は部品を相互に溶接することで実施される。例えば、EP 1 042 241 A1は石英ガラス管の突合せ溶接の方法について記載している。この溶接プロセスには接合する表面の溶融及び軟化した表面を相互に押し付けることを含むが、溶接部分で好ましくない塑性変形が簡単に生じる可能性がある。このような変形は複雑な仕上げ作業で除去することができるが、通常、寸法偏差が残る。
【０００６】
いくつかの部分から構成される精密部品を製造する場合、接合技術は有機接着剤を用いた結合方法が提案されてきているが、低温にのみ耐性を有する。
【特許文献１】DD ２８９ ５１３ A５
【０００７】
例えばDD 289 513 A5に記述されているように、ガラスはんだを用いた接合方法もまた知られている。鉛亜鉛ほう酸塩の使用が石英ガラスで作られた精密部品の寸法安定性を有し、真空気密接合に対して提案されている。アセトン溶融ペーストは粒子の大きさが1μm から70μmであるガラスはんだの粉末から生成され、該ペーストは接合面に塗布される。接合する部品(管とプレート)は相互に固定され、接合面は相互に押し付けられる。この複合物は溶接炉に入れられ、最大温度450 ℃で3.5時間、温度処理される。ガラスはんだはこの工程で溶融し、同時に高くなった溶融温度の結晶相に変化する。このようにして得られた全体的な結合接合は500℃までの温度で低真空リーク率により判別される。しかしながら、この結合接合は、石英ガラスの多くの熱技術的な利用において要求されるように温度安定性及び耐熱衝撃性に対する特に高い要求を満たすことができない。さらに、既知の結合接合は、例えば、半導体製造、工学、化学、医療、研究及び分析技術の応用において見られるように純度及び汚染遮断の要求に合致していない。
【０００８】
さらに、DE 10 2004 054 392 A1 は、アモルファスSiO2
粒子を含む、注入可能かペースト状のスラリーを一方又は両方の接合面に塗布し、その後に直ちに相互に固定する高シリカ材料製の部品を結合する一般的な方法を開示している。2つの接合表面間で多少閉止している結合マスはその後に乾燥する。先行技術による一つの例では、2つのプレートはこのように相互に接合しSiO2含有スラリーが、スプレー操作により石英ガラス上側プレートの底面及び石英ガラス下側プレートの上側にそれぞれ塗布される。次に、上側プレートが直ちに下側プレートの上に置かれる。対応的に遅い乾燥により、比較的小さいサイズのこれら2つのプレートの結合に適したクラックのない層を得ることができる。この方法は、接合する石英ガラス部品の自重により対応的に高い押付け圧力で広い範囲の接合にはもはや適しておらず、結合マスの分散剤を欠陥なく除去するために長期の不経済な乾燥期間が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、接合面が固定され、及び(又は)結合接合部から可能な製品の脱ガスのための最大パス長さが150mmを超え、5 N/cm2 を超える接触圧が掛かる広範囲な結合接合部に対して特に、高シリカ材料で作られた部品の機械的及び熱的に安定性を持つ複合物を安価で製造することを可能とする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の方法により、この目的はSiO2 結合マスが最初から直ちに乾燥状で使用されるか、少なくともSiO2 結合マスが接合プロセスの前に接合面上で乾燥し、結合する面がその後接触し、結合マスをSiO2 の形成を伴う加熱により堅い複合物を生成することを特徴とする本発明により達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による方法において、複合物の接合は、接合面が相互に接触する前に乾燥しているか、最初から既に乾燥した状態であるSiO2 を含む結合マスをベースとしている。アモルファスのSiO2 粒子を含む含水SiO2 は結合マスとして使用することができる。注入可能かペースト状のスラリーは一方または両方の接合面に塗布される。最初に、接合面は相互に分離された状態である。水などの分散剤を接合層から除去することを特徴とする乾燥段階が実施される。ここで、収縮は一定程度予測する必要がある。問題はこのマスがこの収縮によってクラックを起こさず、均質でクラックのない結合マスを形成するということである。結合マスを使用した接合面は、接合する部品範囲における圧力負荷がまったくなく、乾燥プロセスにさらされるので、乾燥時の脱ガス製品の除去について問題はない。これにより結合マスが均質化することになる。さらに重要な要素は、スラリーから出発した場合、このスラリーはアモルファスなSiO2 粒子を含んでいるということである。この粒子は相互作用を受け、ペースト状又は乾燥状態のスラリーマスを安定化させ、焼結活動を促進し、比較的低温で乾燥状態のスラリーマスの固化を容易にし、密でクラックのないSiO2 含有結合マスを生成する。石英ガラス部品の広範囲での結合について乾燥時間を短くし全体のプロセスを経済的にするため、乾燥プロセスは接合する結合部品を開放した面にして実施する。スラリーの分散剤はそれにより非常に短い時間で結合マスの塗布層から除去することができる。高シリカ結合マスによる石英ガラス部品の広範囲接合に関するもう一つの可能性は、結合マスは注入可能かペースト状で塗布できなくても、例えば、接合面に塗布し、選択的に接合面に押付けられるアモルファスSiO2 粒子の粉末層の形状ですでに乾燥状態か予備乾燥状態である。さらに、SiO2
から製造され事前に予備乾燥している緑色フォイルは、接合する石英ガラス部品の表面に結合マスとして塗布するか特に薄板状に被せる。
【００１２】
結合する石英ガラス部品上の乾燥した結合マスを凝固し凝縮させるために、これらは相互に接触し、次に、SiO2粒子の焼結又は溶融に到達する温度まで加熱し、不透明、部分的に不透明、部分的に透明又は完全に透明な高シリカガラスから成るクラックのないSiO2を含む結合マスを生成する。
【００１３】
乾燥した結合マスの焼結中又はガラス化中に、結合接合部の弱化を招く恐れのあるSiO2を含む結合マスにおける結晶化を回避するか、少なくとも最小限にすることが望ましい。この点に関し、結合マス形成のために使用したSiO2粒子がアモルファスであることもまた重要である。SiO2粒子は合成製造されたSiO2で構成されるか、純化した天然原料をベースとして製造される。
【００１４】
さらに、温度が変化したときでも広範囲な部品間で安定し、信頼性のある結合が保証される安定したSiO2を含む結合マスが製造されるように注意する必要がある。この点に関し、SiO2を含む結合マスの熱膨張係数及び接合する部品の熱膨張係数に対するその熱依存に特別の注意を払う。
【００１５】
この点に関し、高シリカ材料に対して「一般的」なSiO2を含む結合マスの使用は重要な位置を占めている。ここで、結合マスのSiO2含有率は接合する高シリカ部品のそれと3重量%を超えない範囲で異なっていることを意味する。結合マスの形成に与る「一般的材料」の使用は、一方では、部品と結合マスの石英ガラス間の熱膨張率の最大近似、そしてこれに関連して、接合面に対する凝固したSiO2含有結合マスの特に良好な接着を可能とし、もう一方では、この複合物の高い耐熱衝撃性を可能とする。さらに、接合する部品の石英ガラスの汚染、又は一般的材料に存在する異物によるそれらの影響的環境がこのように防止される。
【００１６】
接合面の粗さと凸凹は、本発明による方法において必ずしも不利な影響を持たない。反対に、このような表面の粗さは乾燥したSiO2含有結合マスの接着性を改善する。
【００１７】
要約すると、本発明による結合方法において、接合する石英ガラス部品は結合合成物が乾燥した後にのみ相互に接触するので、接合面の固定時に接触圧が5 N/cm2を超える場合、及び(又は)結合接続部からの製品の可能な脱ガスの最大パス長さが150 mmを超える場合、該方法は広範囲の接合に適している。さらに、乾燥期間が短いので、該方法は費用が掛からない。
【００１８】
該方法の有利な展開は下位請求項で述べる。
【００１９】
該方法の最初の変型体において、結合マスは、平均粒子サイズが5μ未満、望ましくは1μ未満であるアモルファスSiO2を含む水性SiO2スラリー状で露出される。
【００２０】
この程度の大きさとそのような粒度分布を持つアモルファスSiO2粒子は有効な焼結挙動と乾燥時における比較的低い収縮を示す。分子SiO2合成物の生成の可能性さえある上述の相互作用により、細かいナノ粒子は結合剤のそれと同様の作用を示し、焼結及びガラス化挙動を促進する。このような結合マスによって結合層の高い基本密度が生成され、該層はクラックの生成なしに乾燥、凝固することができる。
【００２１】
望ましくは、アモルファスSiO2粒子のSiO2含有率は少なくとも99.9重量%である。
【００２２】
このような粒子を使用して調製されたSiO2の固体含有率は少なくとも99.9重量%のSiO2より成る。結合剤又は同様の接着剤は供給されない。この点に関し、これは、ドープされない石英ガラスで製造された部品アセンブリ用の一般始動材料である。この始動材料は汚染又は結晶化のリスクを引き起こさない。
【００２３】
有利なのは、接合面でのスラリーマスの調製時のスラリーの固体含有率は少なくとも65重量%、望ましくは少なくとも80重量％、特に望ましくは少なくとも83重量%である。このような高い固体含有率は乾燥、凝固時の収縮を軽減し、それにより、SiO2含有結合マスの緊張の生成を軽減し、さらには、複合物の寸法安定性及び寸法精度を改善する。
【００２４】
スラリーの塗布に関し、スプレー、静電サポート・スプレー、フラディング、遠心分離、塗装、コテ塗りなどの既に知られている方法が適当である。広範囲な箇所の均一な塗布に適している塗布技術は、特に、浸漬又はスプレー、又はスクリーン印刷である。石英ガラスのグリーンフォイルのラミネート工法も本発明の意義に含まれる可能な塗布技術である。
【００２５】
アモルファスで密なSiO2粒子の他に、結合マスは他のアモルファスSiO2出発材料を含む場合がある。
【００２６】
例えば、それは、平均一次粒子サイズが100 nm未満のナノスケールのアモルファス合成SiO2一次粒子の凝集体で作られた多孔性細粒子の形状で提供されるアモルファスSiO2粒子の少なくとも一部分に対して有利であることが証明されている。
【００２７】
このタイプの一次粒子は火炎加水分解または珪素合成物の酸化によって得られる。造粒時、細かい細粒子SiO2一次粒子の凝集はより粗い微粒子の生成を招く。結果として、その後の焼結及びガラス化プロセスを推進する圧密及び凝固はすでに結合マスの中で始まっており、圧密及び凝固は結合マスでの個々の一次粒子の特定の溶解度及び移動度をベースとしており、結合マスの隣接するアモルファスSiO2粒子間のいわゆる「ネック形成」に寄与している。「ネック」の部分における液相でのSiO2に富む結合マスの乾燥中、これらのネックは凝固し、個々のアモルファスSiO2粒子の間で強固な接合ができ、結合マスの圧密と凝固につながり、その後の焼結を簡単なものにする。粒状物の多孔性及び関連する比表面積により高い焼結作用が発生する。
【００２８】
結合マスのさらに好ましい実施例は乾燥粉末によって形成される。乾燥した石英ガラス粒子及び（又は）石英ガラス粒子は結合マスとして使用される。
【００２９】
ナノスケールのSiO2粉末は良好な流量特性を示し、石英ガラス部品の平面領域に対する均一な塗布が明確に保証されている。乾燥状態で結合マスとして、これらの石英ガラス微粒子、又は石英ガラス顆粒sの好ましい平均粒径は10μmと40μmの範囲にある。
【００３０】
そして、乾燥期間を省略して接合する石英ガラス部品に塗布することが可能である。この変型体 は、比較的厚い接合マスで非常に広い範囲の複合物が必要である場合に特に優先されるべきで、接合マスから発生する可能性のある分散剤の除去があまりに多くの時間を必要とすること、その他の理由で不経済である。
【００３１】
さらに、結合マスは、すでに接合面にあり分散剤を含む結合マスに石英ガラス粒子又は(及び)石英ガラス微粒子に押し広げることにより塗布したもう一つの中間層を持つことが有利な場合がある。一般に、このような最初の結合マスは、均一で、薄く、広範囲の層は安い費用でスクリーン印刷技術を用いて、再生可能な方法で塗布することができるので、スクリーン印刷可能なペースト状で分散剤と伴に使用される。また、この順序を逆にすることもできる。つまり、最初に、SiO2粉末を接合範囲に塗布し、次に、分散剤を含むSiO2結合マスを塗布する。この分散剤は接合部分が接触する前に乾燥中に除去しなければならない。この過程で、その後に(又は、その前に)塗布した粉末層は結合マスの充填度を増し、全体的に乾燥時間を短縮することができる。
【００３２】
この方法の望ましい変型体において、結合マスの凝固は焼結を含み、少なくとも部分的に不透明な結合マスを形成する。
【００３３】
完全な透明度に至るガラス化と比較して、焼結は比較的に低い焼結温度及び（又は）を短い焼結時間であることが要求される。これは、製造する部品アセンブリの寸法精度をみるのに役立ち、接合する部品の熱損失及び結合マスの部分の結晶化を回避する。
【００３４】
大半の塗布について、SiO2含有結合マスの適切な機械的強度はすでに焼結によって（完全なガラス化だけによってではなく）達成することができることが判明している。
【００３５】
圧密度は焼結温度及び焼結期間によって決まる。温度が高くなれば、焼結期間は短くなり、この逆も同様である。スラリーマスの焼結のための標準及び好適な温度処理は、800℃から1450℃の範囲内の温度、望ましくは1300℃の温度での加熱を含む。
【００３６】
最も簡単な場合、焼結は焼結炉に接合する部品を導入して実施する。焼結炉での全体部品アセンブリの均一な加熱はひずみの形成を軽減し、複合物の変形を回避する。この方法のもう一つの好適な変型体において、結合マスの凝固はガラス化を含み、少なくとも部分的に透明な、凝固したSiO2含有結合マスの形成を伴う。
【００３７】
機密性、強度、粒子が存在しないこと及び複合物の同様の安定性が特に強く要求され、この部分で技術的に、又は純粋に美観的に光学的透明性が要求される場合、SiO2含有結合マスの完全なガラス化が望ましい。この場合、SiO2含有結合マスは全然かほとんど孔がなく、高い密度を示し、ほぼシリカ部品のそれに対応する。
【００３８】
しかしながら、通常、SiO2含有結合マスの表面に近い部分のガラス化は十分である。これらのガラス化した部分は接合面と相互に接合している場合、それはSiO2含有結合マスに孔があり不透明であっても、複合物の機械的強度及び機密性が増加するのを助ける。
【００３９】
ガラス化は最大加熱作用が結合マスに局所的に限定される熱源を用いて行うのが望ましい。
【００４０】
ガラス化に必要な高温作用は、ガラス化する結合マスに局所的に限定することができるので、それにより塑性変形が回避されるか軽減される。この目的のために、バーナーか赤外線レーザー（例えば、SiO2レーザー）を使用する。
【００４１】
先行する焼結ステップの場合、残存熱が有効に利用され、まだ暖かい部品アセンブリがガラス化する。これはエネルギーの節約に役立ち、ひずみの形成を防止する。
【００４２】
SiO2含有結合マスの熱膨張係数に関する上述の問題を解決するための方法の別の変型体では、次のドーパント、Al2O3、TiO2、Y2O3、 AlN、Si3N4、 ZrO2、 BN、 HfO2、 Si、Yb2O3及び（又は）SiCを一つ以上含む結合マスが使用され、前述のドーパントの一つ以上を加えることにより、SiO2含有結合マスの熱膨張係数が接合する部品のそれに適合させることができる。好ましくは、ドーパントの塗布はSiO2含有結合マスの結晶相の形成が回避されるように行われる。
【００４３】
次に、実施例及び図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００４４】
図面は図式的に以下の図面で詳細を示す。
【００４５】
図1: 本発明の方法による2枚の石英ガラス・プレートの接合
図2：図1の方法ステップによってなされる部品アセンブリ
【００４６】
図1及び2により接着ボンドを調製するために、最初に、均質で安定化したベーススラリーを調製する。ベーススラリーの10kgバッチを調製するために、3μS未満の伝導率を有する脱イオン水1.8 kgを、容積が約20リットルの石英ガラスを内張りしたドラムミルの中で、粒径が250μmと 650μm の範囲で SiO2 含有率が99.99%である天然材料で作られたアモルファス石英ガラス顆粒 8.2 kgと混合する。
【００４７】
この混合は、固形成分含有率が82%の均質で安定したベーススラリーができるまで3日間、23 rpm回転のローラーブラケットで石英ガラスビードを粉砕して行う。粉砕中、SiO2が分解して、pH値は約4まで低減する。
【００４８】
石英ガラス顆粒の湿式粉砕の後に得られたベーススラリーのアモルファスSiO2粒子は、D50 値が約 5μm で D90 値が約 23μmであることを特徴とする粒子の粒度分布を有する。
【００４９】
さらに、固形成分含有率が90重量%になるまで、このようにして得られた均質なベーススラリーに平均粒径が約5μmのアモルファスSiO2 顆粒を加える。
つぎに、この混合物は12時間、25
rpm回転のドラムミルで均質化される。このようにして得られたスラリーは固形成分含有率が90重量%を有し、密度はほぼ2.0 g/cm3である。
【００５０】
以下に詳細を述べるように、ベーススラリーはこの状態において、本発明による接着接合剤の製造に使用される。
【００５１】
図2は、厚さ1 mmの不透明なSiO2含有中間層23によって相互に接合される石英ガラス下側プレート22及び石英ガラス上側プレート21で構成される複合体20を図式的に示す。それぞれのプレートは厚さ3 mmで1辺の長さが250 mmの正方形である。これらの寸法により、プレート21及び22がそれぞれ比重2.2 g/cm3を有する場合、上側プレートの自重412.50 gにより、6.6 N/cm2 の接触圧が結合マス24及び25を有する下側プレート及び中間層23にそれぞれ作用する。この場合、スラリーの塗布後にそれぞれ直接的に配置される場合、結合マス2４及び2５が均一な乾燥とならない可能性がある。正方形プレート21及び22の中央部からの製品の脱ガスは125 mmから176 mm間のプレート端までパスの長さを被う必要がある可能性があり、欠陥のない脱ガスプロセスが約束されない。
【００５２】
不透明な 中間層23は例えば、放熱の伝達バリアとして作用する。高温塗布での、フランジのような石英ガラス部品は放熱を遮断するために完全に、部分的に不透明な石英ガラスで作られることが多い。洗浄の目的のため、通常、フッ化水素酸を含む化学物質でエッチング処理を行う。しかし、不透明な石英ガラスはエッチング耐性が低いので、このような不透明石英ガラス部品の耐用年数は比較的短い洗浄サイクルの後に終了する。このため、透明な石英ガラスが部品の不透明な表面部分に溶かし込まれる。これが熱間プロセスで部品の変形を招きやすく高い後処理費用が必要となる。
【００５３】
図2に図式的に示される、本発明による複合体20は両側が透明な石英ガラスで被われている不透明な部品である。それは、現在まで製造にコストが掛かってきたこのタイプの部品に取って代るものであり、それにより透明な層21及び22が厚い層でも簡単に塗布可能である。
【００５４】
複合体20を調製するため、プレート21及び22は最初にグリースが除去 され、不要物を取り除く。次に、それぞれが約1.5 mmの厚さを持ち、スラリー層24及び25の形状で、スラリーが結合マスの役割をするように上述のスラリーを石英ガラス下側プレート22の上側及び石英ガラス上側プレート21の下側に塗布する。塗布プロセスはスプレー吹き付けにより行うことができる。しかし、スクリーン印刷、ドクターブレード法による押し広げ、塗り付け（ペンキ塗り）、こて塗り等の塗布技術も利用可能な技術である。重要なのは接合面が均一に覆われていることである。これについては図式的に図1に示す。
【００５５】
結合マスを施した部品部分は最初に1時間空気乾燥する。完全な乾燥は空気中で赤外線ラジエータを使用して行う。スラリー層より成る乾燥した結合マス24及び２５はクラックがなく、最大厚さは約2.5 mmである。
【００５６】
2つのプレート21及び22を相互に接触させ、空気雰囲気で焼結炉の中で焼結して複合体20を製作するのは該層が完全に乾燥してからである。予備乾燥により、結合マスは脱ガスすべき物質を含んでいないので、焼結はこの点に関して全くリスクなしに実施される。
【００５７】
焼結中の加熱プロファイルは、乾燥した結合マスが室温で1時間以内から1250°C の加熱温度まで加熱される加熱傾斜を含む。複合体20は2時間、この加熱温度に保たれる。2つの石英ガラスプレート11、22をしっかりと接合し、焼結され、不透明で、石英ガラスプレート21、22について、一般的な材料で製作され、平均比密度が約2.10
g/cm3 である中間層23が結合マスから形成される。このようにして製造された複合体20は焼結炉でゆっくりと冷却され、最初の冷却傾斜は1分当たり5 ℃で、炉温度は1050 ℃を示す。第2の冷却傾斜は1分当たり10°Cで炉温度950°Cで終わる。その後、炉を閉止した状態で不規則的にさらに冷却が行われる。比較的にゆっくりした冷却プロセスのため、部品アセンブリは焼きなましされ、既存の機械的ひずみが軽減され、冷却によるひずみの形成が回避される。
【００５８】
このようにして調製されたプレート形状の複合体20は不透明で厚さが約8 mm である。これは、3つの層22、22及び23から成り、その中間層23は約2 mmで不透明で、両側が高いエッチング耐性を有することを特徴とし、密で透明な石英ガラスで作られ厚さ3 mmの層22、22により両側で被われている。さらに、複合体20は熱的に安定し、100°C を超える操作温度で高い耐熱衝撃性を有することを特徴とする。
【００５９】
上述の方法は完全に透明な石英ガラスから成る複合体の製造にも非常に適している。この目的のため、中間層23を焼結するのではなく完全にガラス化する必要があるだけである。この目的のため、複合体は結合マスの乾燥後にガラス化炉でガラス化する。ガラス化中の加熱プロファイルは、2時間以内で室温から1350°Cの加熱温度までスラリー層の形状で結合マスが加熱される加熱傾斜を含む。複合体はこの加熱温度で2時間保持される。このようにして、スラリー層は、2つの石英ガラスプレートをかたく接合し、平均比密度が約2.2 g/cm3である一般的な材料の焼結した中間層が作られる。このようにして、石英ガラスプレートの厚さを増加させるだけでなく石英ガラスのプロックを作ることが可能となる。
【００６０】
本発明の意味に含まれる代替的な技術は、スラリーは接合する石英ガラス部品に結合マスとして塗布されるのではなく、乾燥した粒状の石英ガラス層である。この顆粒は、例えば、ドクターブレードで平面的な接合表面にできるだけ均一に拡げる。D50 が5μm と40μmの間である単一モードの球状石英ガラス粒子は特に非常に適している。しかしながら、ナノスケールのSiO2粉末より成る顆粒もこの目的のために使用することができる。遊離した粒子（garanulation）は複合物の結合マスとして固定剤を全く含んでいないので、石英ガラス下側プレート22のみが粉末層で被われており、この結合マスの厚さは0.5 mmから数ミリの間であり、部品アセンブリで完成される全体的な形状によって決まる。この実施例で特に有利なのは乾燥ステップを完全に省略でき、石英ガラス上側プレート21を、粉末を該下側プレートに塗布した後に直ちに配置できるということである。顆粒体層として結合マス23に使用される粒子分布帯によっては、“プレートサンドイッチ”が焼結炉の中で1200°Cと1450°Cの間の焼結温度で焼結される。現在の例において、プレート21及び22は透明な石英ガラスで作られ、直径が300 mmの円形で、それぞれの厚さは2.5 mmである。上側プレート21の自重は約388.80
gであるため、上側プレートは上に拡がった顆粒体を結合マスとして接触圧5.5 N/cm2が上側プレート22に掛かる。この場合、蒸発分散剤を有する結合マスが使用され、接合面が該マスの塗布後に直ちにそれぞれに置かれた場合、結合マス24の均一な乾燥は達成することができなかった。円形プレート21、22の中央からの製品の脱ガスは150 mmのプレート端までの長さをカバーしなければならないし、欠陥のない脱ガスプロセスを約束するものではない。
【００６１】
SiO2粉末層は結合マス24としてプレート22の上側に塗布され、顆粒体層は緩やかな振動によりプレート表面に均一に分布している。トクヤマの石英ガラス顆粒体 Excelicaâ（登録商標） SE 15 は粉末として用いられ、平均粒径が15μmである円形SiO2粒子を含む。この複合物の焼結計画は室温から1400°C まで、1分当たり2.5°C の加熱率である。1400°C での保持時間は3時間である。この場合、焼結温度は比較的高いが、遊離した石英ガラス粒子により、粒子距離が孔のない密な終結プロセスを完了するためには大きすぎるため、いかなる透明な中間層も生成されない。不透明な中間層23により、このように製作したプレートの形状の複合体20は、最初の冷却傾斜を1分あたり5°Cで炉温度を1050°Cとして焼結炉でゆっくりと冷却される。第2の冷却傾斜は1分当たり10°Cで、950°Cで終了する。その後、炉を閉止した状態で不規則的にさらに冷却が行われる。比較的にゆっくりした冷却プロセスのため、部品アセンブリは焼きなましされ、既存の機械的ひずみが軽減され、冷却によるひずみの形成が回避される。不透明中間層23を有するこれらの円形プレートは例えば、半導体産業の反射板、つまり、孔のない表面を別途必要とする熱い部分に使用される。
【００６２】
本発明による他の実施例は、複合体20製作のため上述の変型体を組み合わせて構成されている。この例では、すでに上述したように、非常に薄いSiO2のベーススラリーが最初に下側プレート21の上側及び上側プレート22の下側に塗布される。この層はスクリーン印刷によって塗布され、約30μmから100μmの範囲の層厚を持つ。乾燥した石英ガラス顆粒体はまだ湿っているスクリーン印刷層に拡げられ、そこにおいて個々の粒子はスクリーン印刷により塗布され、まだ湿っているSiO2層によって固定される。上述のSiO2粉末Excelicaâ（登録商標） SE 15は石英ガラス顆粒体又は同様の粉末品質である、例えば、平均粒径が30μmであるExcelicaâ（登録商標） SE 30などのいくつかの粒子の一部の組み合わせで使用することができる。その後に、結合マス23、24によりこのようにして製作したプレート21及び22を乾燥させる。あらゆる分散剤をスクリーン印刷層から除去する必要がほとんどないので、乾燥時間を短くすることができる。乾燥時間は約30分以内で約120°Cで空気中の乾燥キャビネットの中で行う。
【００６３】
その後、上述のように、プレートは相互に配置され、プレートの両側は結合マスに接し、焼結プログラムにより最終的に焼結される。本方法の変型体の結果として、一つは不透明中間層23を含む複合体20を獲得し、好ましくは熱間プロセスにおいて、半導体産業の反射体部品として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の方法による2枚の石英ガラス・プレートの接合を示す図である。
【図２】図1の方法ステップによってなされる部品アセンブリを示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
２０ 複合体
２１ 正方形プレート
２２ 正方形プレート
２３ 中間層
2４ 結合マス
2５ 結合マス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の接合面の間に高シリカ結合マスを生成することにより全体的に接合する方法によって高シリカ材料で作られた部品を結合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここに、「高シリカ材料」という用語は、少なくとも85%のSiO2の含有率を有するドープ又は非ドープの石英ガラスと理解される。以後、この材料は省略して「石英ガラス」とも呼ばれる。高シリカ材料は熱膨張係数が小さいこと、広い波長範囲で光学的透明性を有すること及び高い化学的及び熱的耐性を有することを特徴とする。
【０００３】
石英ガラス部品は、被覆管、電球、カバープレート、ランプ用リフレクターキャリア、及び赤外線、紫外線及び可視光線のラジエータなどのランプ製造、リアクターなど形の化学装置製造又は半導体製造、半導体部品処理のための石英ガラス製装置、ジグ、ベルジャー、るつぼ、保護シールド又はロッド、プレート、フランジ、リング又はブロックなどの単純な石英ガラス部品など多くの用途に使われている。
【０００４】
特殊な性質を持つ石英ガラスを製造するために、石英ガラスにはチタン、アルミニウム、ホウ素又はゲルマニウムなど他の物質をドープする。
【０００５】
しばしばではあるが、例えば、複雑な形状を持つ石英ガラス部品の製造のために石英ガラス素子を相互に接合する必要がある。通常、このような接合操作は部品を相互に溶接することで実施される。例えば、EP 1 042 241 A1は石英ガラス管の突合せ溶接の方法について記載している。この溶接プロセスには接合する表面の溶融及び軟化した表面を相互に押し付けることを含むが、溶接部分で好ましくない塑性変形が簡単に生じる可能性がある。このような変形は複雑な仕上げ作業で除去することができるが、通常、寸法偏差が残る。
【０００６】
いくつかの部分から構成される精密部品を製造する場合、接合技術は有機接着剤を用いた結合方法が提案されてきているが、低温にのみ耐性を有する。
【特許文献１】DD ２８９ ５１３ A５
【０００７】
例えばDD 289 513 A5に記述されているように、ガラスはんだを用いた接合方法もまた知られている。鉛亜鉛ほう酸塩の使用が石英ガラスで作られた精密部品の寸法安定性を有し、真空気密接合に対して提案されている。アセトン溶融ペーストは粒子の大きさが1μm から70μmであるガラスはんだの粉末から生成され、該ペーストは接合面に塗布される。接合する部品(管とプレート)は相互に固定され、接合面は相互に押し付けられる。この複合物は溶接炉に入れられ、最大温度450 ℃で3.5時間、温度処理される。ガラスはんだはこの工程で溶融し、同時に高くなった溶融温度の結晶相に変化する。このようにして得られた全体的な結合接合は500℃までの温度で低真空リーク率により判別される。しかしながら、この結合接合は、石英ガラスの多くの熱技術的な利用において要求されるように温度安定性及び耐熱衝撃性に対する特に高い要求を満たすことができない。さらに、既知の結合接合は、例えば、半導体製造、工学、化学、医療、研究及び分析技術の応用において見られるように純度及び汚染遮断の要求に合致していない。
【０００８】
さらに、DE 10 2004 054 392 A1 は、アモルファスSiO2
粒子を含む、注入可能かペースト状のスラリーを一方又は両方の接合面に塗布し、その後に直ちに相互に固定する高シリカ材料製の部品を結合する一般的な方法を開示している。2つの接合表面間で多少閉止している結合マスはその後に乾燥する。先行技術による一つの例では、2つのプレートはこのように相互に接合しSiO2含有スラリーが、スプレー操作により石英ガラス上側プレートの底面及び石英ガラス下側プレートの上側にそれぞれ塗布される。次に、上側プレートが直ちに下側プレートの上に置かれる。対応的に遅い乾燥により、比較的小さいサイズのこれら2つのプレートの結合に適したクラックのない層を得ることができる。この方法は、接合する石英ガラス部品の自重により対応的に高い押付け圧力で広い範囲の接合にはもはや適しておらず、結合マスの分散剤を欠陥なく除去するために長期の不経済な乾燥期間が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、接合面が固定され、及び(又は)結合接合部から可能な製品の脱ガスのための最大パス長さが150mmを超え、5 N/cm2 を超える接触圧が掛かる広範囲な結合接合部に対して特に、高シリカ材料で作られた部品の機械的及び熱的に安定性を持つ複合物を安価で製造することを可能とする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の方法により、この目的はSiO2 結合マスが最初から直ちに乾燥状で使用されるか、少なくともSiO2 結合マスが接合プロセスの前に接合面上で乾燥し、結合する面がその後接触し、結合マスをSiO2 の形成を伴う加熱により堅い複合物を生成することを特徴とする本発明により達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による方法において、複合物の接合は、接合面が相互に接触する前に乾燥しているか、最初から既に乾燥した状態であるSiO2 を含む結合マスをベースとしている。アモルファスのSiO2 粒子を含む含水SiO2 は結合マスとして使用することができる。注入可能かペースト状のスラリーは一方または両方の接合面に塗布される。最初に、接合面は相互に分離された状態である。水などの分散剤を接合層から除去することを特徴とする乾燥段階が実施される。ここで、収縮は一定程度予測する必要がある。問題はこのマスがこの収縮によってクラックを起こさず、均質でクラックのない結合マスを形成するということである。結合マスを使用した接合面は、接合する部品範囲における圧力負荷がまったくなく、乾燥プロセスにさらされるので、乾燥時の脱ガス製品の除去について問題はない。これにより結合マスが均質化することになる。さらに重要な要素は、スラリーから出発した場合、このスラリーはアモルファスなSiO2 粒子を含んでいるということである。この粒子は相互作用を受け、ペースト状又は乾燥状態のスラリーマスを安定化させ、焼結活動を促進し、比較的低温で乾燥状態のスラリーマスの固化を容易にし、密でクラックのないSiO2 含有結合マスを生成する。石英ガラス部品の広範囲での結合について乾燥時間を短くし全体のプロセスを経済的にするため、乾燥プロセスは接合する結合部品を開放した面にして実施する。スラリーの分散剤はそれにより非常に短い時間で結合マスの塗布層から除去することができる。高シリカ結合マスによる石英ガラス部品の広範囲接合に関するもう一つの可能性は、結合マスは注入可能かペースト状で塗布できなくても、例えば、接合面に塗布し、選択的に接合面に押付けられるアモルファスSiO2 粒子の粉末層の形状ですでに乾燥状態か予備乾燥状態である。さらに、SiO2
から製造され事前に予備乾燥している緑色フォイルは、接合する石英ガラス部品の表面に結合マスとして塗布するか特に薄板状に被せる。
【００１２】
結合する石英ガラス部品上の乾燥した結合マスを凝固し凝縮させるために、これらは相互に接触し、次に、SiO2粒子の焼結又は溶融に到達する温度まで加熱し、不透明、部分的に不透明、部分的に透明又は完全に透明な高シリカガラスから成るクラックのないSiO2を含む結合マスを生成する。
【００１３】
乾燥した結合マスの焼結中又はガラス化中に、結合接合部の弱化を招く恐れのあるSiO2を含む結合マスにおける結晶化を回避するか、少なくとも最小限にすることが望ましい。この点に関し、結合マス形成のために使用したSiO2粒子がアモルファスであることもまた重要である。SiO2粒子は合成製造されたSiO2で構成されるか、純化した天然原料をベースとして製造される。
【００１４】
さらに、温度が変化したときでも広範囲な部品間で安定し、信頼性のある結合が保証される安定したSiO2を含む結合マスが製造されるように注意する必要がある。この点に関し、SiO2を含む結合マスの熱膨張係数及び接合する部品の熱膨張係数に対するその熱依存に特別の注意を払う。
【００１５】
この点に関し、高シリカ材料に対して「一般的」なSiO2を含む結合マスの使用は重要な位置を占めている。ここで、結合マスのSiO2含有率は接合する高シリカ部品のそれと3重量%を超えない範囲で異なっていることを意味する。結合マスの形成に与る「一般的材料」の使用は、一方では、部品と結合マスの石英ガラス間の熱膨張率の最大近似、そしてこれに関連して、接合面に対する凝固したSiO2含有結合マスの特に良好な接着を可能とし、もう一方では、この複合物の高い耐熱衝撃性を可能とする。さらに、接合する部品の石英ガラスの汚染、又は一般的材料に存在する異物によるそれらの影響的環境がこのように防止される。
【００１６】
接合面の粗さと凸凹は、本発明による方法において必ずしも不利な影響を持たない。反対に、このような表面の粗さは乾燥したSiO2含有結合マスの接着性を改善する。
【００１７】
要約すると、本発明による結合方法において、接合する石英ガラス部品は結合合成物が乾燥した後にのみ相互に接触するので、接合面の固定時に接触圧が5 N/cm2を超える場合、及び(又は)結合接続部からの製品の可能な脱ガスの最大パス長さが150 mmを超える場合、該方法は広範囲の接合に適している。さらに、乾燥期間が短いので、該方法は費用が掛からない。
【００１８】
該方法の有利な展開は下位請求項で述べる。
【００１９】
該方法の最初の変型体において、結合マスは、平均粒子サイズが5μ未満、望ましくは1μ未満であるアモルファスSiO2を含む水性SiO2スラリー状で露出される。
【００２０】
この程度の大きさとそのような粒度分布を持つアモルファスSiO2粒子は有効な焼結挙動と乾燥時における比較的低い収縮を示す。分子SiO2合成物の生成の可能性さえある上述の相互作用により、細かいナノ粒子は結合剤のそれと同様の作用を示し、焼結及びガラス化挙動を促進する。このような結合マスによって結合層の高い基本密度が生成され、該層はクラックの生成なしに乾燥、凝固することができる。
【００２１】
望ましくは、アモルファスSiO2粒子のSiO2含有率は少なくとも99.9重量%である。
【００２２】
このような粒子を使用して調製されたSiO2の固体含有率は少なくとも99.9重量%のSiO2より成る。結合剤又は同様の接着剤は供給されない。この点に関し、これは、ドープされない石英ガラスで製造された部品アセンブリ用の一般始動材料である。この始動材料は汚染又は結晶化のリスクを引き起こさない。
【００２３】
有利なのは、接合面でのスラリーマスの調製時のスラリーの固体含有率は少なくとも65重量%、望ましくは少なくとも80重量％、特に望ましくは少なくとも83重量%である。このような高い固体含有率は乾燥、凝固時の収縮を軽減し、それにより、SiO2含有結合マスの緊張の生成を軽減し、さらには、複合物の寸法安定性及び寸法精度を改善する。
【００２４】
スラリーの塗布に関し、スプレー、静電サポート・スプレー、フラディング、遠心分離、塗装、コテ塗りなどの既に知られている方法が適当である。広範囲な箇所の均一な塗布に適している塗布技術は、特に、浸漬又はスプレー、又はスクリーン印刷である。石英ガラスのグリーンフォイルのラミネート工法も本発明の意義に含まれる可能な塗布技術である。
【００２５】
アモルファスで密なSiO2粒子の他に、結合マスは他のアモルファスSiO2出発材料を含む場合がある。
【００２６】
例えば、それは、平均一次粒子サイズが100 nm未満のナノスケールのアモルファス合成SiO2一次粒子の凝集体で作られた多孔性細粒子の形状で提供されるアモルファスSiO2粒子の少なくとも一部分に対して有利であることが証明されている。
【００２７】
このタイプの一次粒子は火炎加水分解または珪素合成物の酸化によって得られる。造粒時、細かい細粒子SiO2一次粒子の凝集はより粗い微粒子の生成を招く。結果として、その後の焼結及びガラス化プロセスを推進する圧密及び凝固はすでに結合マスの中で始まっており、圧密及び凝固は結合マスでの個々の一次粒子の特定の溶解度及び移動度をベースとしており、結合マスの隣接するアモルファスSiO2粒子間のいわゆる「ネック形成」に寄与している。「ネック」の部分における液相でのSiO2に富む結合マスの乾燥中、これらのネックは凝固し、個々のアモルファスSiO2粒子の間で強固な接合ができ、結合マスの圧密と凝固につながり、その後の焼結を簡単なものにする。粒状物の多孔性及び関連する比表面積により高い焼結作用が発生する。
【００２８】
結合マスのさらに好ましい実施例は乾燥粉末によって形成される。乾燥した石英ガラス粒子及び（又は）石英ガラス粒子は結合マスとして使用される。
【００２９】
ナノスケールのSiO2粉末は良好な流量特性を示し、石英ガラス部品の平面領域に対する均一な塗布が明確に保証されている。乾燥状態で結合マスとして、これらの石英ガラス微粒子、又は石英ガラス顆粒sの好ましい平均粒径は10μmと40μmの範囲にある。
【００３０】
そして、乾燥期間を省略して接合する石英ガラス部品に塗布することが可能である。この変型体 は、比較的厚い接合マスで非常に広い範囲の複合物が必要である場合に特に優先されるべきで、接合マスから発生する可能性のある分散剤の除去があまりに多くの時間を必要とすること、その他の理由で不経済である。
【００３１】
さらに、結合マスは、すでに接合面にあり分散剤を含む結合マスに石英ガラス粒子又は(及び)石英ガラス微粒子に押し広げることにより塗布したもう一つの中間層を持つことが有利な場合がある。一般に、このような最初の結合マスは、均一で、薄く、広範囲の層は安い費用でスクリーン印刷技術を用いて、再生可能な方法で塗布することができるので、スクリーン印刷可能なペースト状で分散剤と伴に使用される。また、この順序を逆にすることもできる。つまり、最初に、SiO2粉末を接合範囲に塗布し、次に、分散剤を含むSiO2結合マスを塗布する。この分散剤は接合部分が接触する前に乾燥中に除去しなければならない。この過程で、その後に(又は、その前に)塗布した粉末層は結合マスの充填度を増し、全体的に乾燥時間を短縮することができる。
【００３２】
この方法の望ましい変型体において、結合マスの凝固は焼結を含み、少なくとも部分的に不透明な結合マスを形成する。
【００３３】
完全な透明度に至るガラス化と比較して、焼結は比較的に低い焼結温度及び（又は）を短い焼結時間であることが要求される。これは、製造する部品アセンブリの寸法精度をみるのに役立ち、接合する部品の熱損失及び結合マスの部分の結晶化を回避する。
【００３４】
大半の塗布について、SiO2含有結合マスの適切な機械的強度はすでに焼結によって（完全なガラス化だけによってではなく）達成することができることが判明している。
【００３５】
圧密度は焼結温度及び焼結期間によって決まる。温度が高くなれば、焼結期間は短くなり、この逆も同様である。スラリーマスの焼結のための標準及び好適な温度処理は、800℃から1450℃の範囲内の温度、望ましくは1300℃の温度での加熱を含む。
【００３６】
最も簡単な場合、焼結は焼結炉に接合する部品を導入して実施する。焼結炉での全体部品アセンブリの均一な加熱はひずみの形成を軽減し、複合物の変形を回避する。この方法のもう一つの好適な変型体において、結合マスの凝固はガラス化を含み、少なくとも部分的に透明な、凝固したSiO2含有結合マスの形成を伴う。
【００３７】
機密性、強度、粒子が存在しないこと及び複合物の同様の安定性が特に強く要求され、この部分で技術的に、又は純粋に美観的に光学的透明性が要求される場合、SiO2含有結合マスの完全なガラス化が望ましい。この場合、SiO2含有結合マスは全然かほとんど孔がなく、高い密度を示し、ほぼシリカ部品のそれに対応する。
【００３８】
しかしながら、通常、SiO2含有結合マスの表面に近い部分のガラス化は十分である。これらのガラス化した部分は接合面と相互に接合している場合、それはSiO2含有結合マスに孔があり不透明であっても、複合物の機械的強度及び機密性が増加するのを助ける。
【００３９】
ガラス化は最大加熱作用が結合マスに局所的に限定される熱源を用いて行うのが望ましい。
【００４０】
ガラス化に必要な高温作用は、ガラス化する結合マスに局所的に限定することができるので、それにより塑性変形が回避されるか軽減される。この目的のために、バーナーか赤外線レーザー（例えば、SiO2レーザー）を使用する。
【００４１】
先行する焼結ステップの場合、残存熱が有効に利用され、まだ暖かい部品アセンブリがガラス化する。これはエネルギーの節約に役立ち、ひずみの形成を防止する。
【００４２】
SiO2含有結合マスの熱膨張係数に関する上述の問題を解決するための方法の別の変型体では、次のドーパント、Al2O3、TiO2、Y2O3、 AlN、Si3N4、 ZrO2、 BN、 HfO2、 Si、Yb2O3及び（又は）SiCを一つ以上含む結合マスが使用され、前述のドーパントの一つ以上を加えることにより、SiO2含有結合マスの熱膨張係数が接合する部品のそれに適合させることができる。好ましくは、ドーパントの塗布はSiO2含有結合マスの結晶相の形成が回避されるように行われる。
【００４３】
次に、実施例及び図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００４４】
図面は図式的に以下の図面で詳細を示す。
【００４５】
図1: 本発明の方法による2枚の石英ガラス・プレートの接合
図2：図1の方法ステップによってなされる部品アセンブリ
【００４６】
図1及び2により接着ボンドを調製するために、最初に、均質で安定化したベーススラリーを調製する。ベーススラリーの10kgバッチを調製するために、3μS未満の伝導率を有する脱イオン水1.8 kgを、容積が約20リットルの石英ガラスを内張りしたドラムミルの中で、粒径が250μmと 650μm の範囲で SiO2 含有率が99.99%である天然材料で作られたアモルファス石英ガラス顆粒 8.2 kgと混合する。
【００４７】
この混合は、固形成分含有率が82%の均質で安定したベーススラリーができるまで3日間、23 rpm回転のローラーブラケットで石英ガラスビードを粉砕して行う。粉砕中、SiO2が分解して、pH値は約4まで低減する。
【００４８】
石英ガラス顆粒の湿式粉砕の後に得られたベーススラリーのアモルファスSiO2粒子は、D50 値が約 5μm で D90 値が約 23μmであることを特徴とする粒子の粒度分布を有する。
【００４９】
さらに、固形成分含有率が90重量%になるまで、このようにして得られた均質なベーススラリーに平均粒径が約5μmのアモルファスSiO2 顆粒を加える。
つぎに、この混合物は12時間、25
rpm回転のドラムミルで均質化される。このようにして得られたスラリーは固形成分含有率が90重量%を有し、密度はほぼ2.0 g/cm3である。
【００５０】
以下に詳細を述べるように、ベーススラリーはこの状態において、本発明による接着接合剤の製造に使用される。
【００５１】
図2は、厚さ1 mmの不透明なSiO2含有中間層23によって相互に接合される石英ガラス下側プレート22及び石英ガラス上側プレート21で構成される複合体20を図式的に示す。それぞれのプレートは厚さ3 mmで1辺の長さが250 mmの正方形である。これらの寸法により、プレート21及び22がそれぞれ比重2.2 g/cm3を有する場合、上側プレートの自重412.50 gにより、6.6 N/cm2 の接触圧が結合マス24及び25を有する下側プレート及び中間層23にそれぞれ作用する。この場合、スラリーの塗布後にそれぞれ直接的に配置される場合、結合マス2４及び2５が均一な乾燥とならない可能性がある。正方形プレート21及び22の中央部からの製品の脱ガスは125 mmから176 mm間のプレート端までパスの長さを被う必要がある可能性があり、欠陥のない脱ガスプロセスが約束されない。
【００５２】
不透明な 中間層23は例えば、放熱の伝達バリアとして作用する。高温塗布での、フランジのような石英ガラス部品は放熱を遮断するために完全に、部分的に不透明な石英ガラスで作られることが多い。洗浄の目的のため、通常、フッ化水素酸を含む化学物質でエッチング処理を行う。しかし、不透明な石英ガラスはエッチング耐性が低いので、このような不透明石英ガラス部品の耐用年数は比較的短い洗浄サイクルの後に終了する。このため、透明な石英ガラスが部品の不透明な表面部分に溶かし込まれる。これが熱間プロセスで部品の変形を招きやすく高い後処理費用が必要となる。
【００５３】
図2に図式的に示される、本発明による複合体20は両側が透明な石英ガラスで被われている不透明な部品である。それは、現在まで製造にコストが掛かってきたこのタイプの部品に取って代るものであり、それにより透明な層21及び22が厚い層でも簡単に塗布可能である。
【００５４】
複合体20を調製するため、プレート21及び22は最初にグリースが除去 され、不要物を取り除く。次に、それぞれが約1.5 mmの厚さを持ち、スラリー層24及び25の形状で、スラリーが結合マスの役割をするように上述のスラリーを石英ガラス下側プレート22の上側及び石英ガラス上側プレート21の下側に塗布する。塗布プロセスはスプレー吹き付けにより行うことができる。しかし、スクリーン印刷、ドクターブレード法による押し広げ、塗り付け（ペンキ塗り）、こて塗り等の塗布技術も利用可能な技術である。重要なのは接合面が均一に覆われていることである。これについては図式的に図1に示す。
【００５５】
結合マスを施した部品部分は最初に1時間空気乾燥する。完全な乾燥は空気中で赤外線ラジエータを使用して行う。スラリー層より成る乾燥した結合マス24及び２５はクラックがなく、最大厚さは約2.5 mmである。
【００５６】
2つのプレート21及び22を相互に接触させ、空気雰囲気で焼結炉の中で焼結して複合体20を製作するのは該層が完全に乾燥してからである。予備乾燥により、結合マスは脱ガスすべき物質を含んでいないので、焼結はこの点に関して全くリスクなしに実施される。
【００５７】
焼結中の加熱プロファイルは、乾燥した結合マスが室温で1時間以内から1250°C の加熱温度まで加熱される加熱傾斜を含む。複合体20は2時間、この加熱温度に保たれる。2つの石英ガラスプレート11、22をしっかりと接合し、焼結され、不透明で、石英ガラスプレート21、22について、一般的な材料で製作され、平均比密度が約2.10
g/cm3 である中間層23が結合マスから形成される。このようにして製造された複合体20は焼結炉でゆっくりと冷却され、最初の冷却傾斜は1分当たり5 ℃で、炉温度は1050 ℃を示す。第2の冷却傾斜は1分当たり10°Cで炉温度950°Cで終わる。その後、炉を閉止した状態で不規則的にさらに冷却が行われる。比較的にゆっくりした冷却プロセスのため、部品アセンブリは焼きなましされ、既存の機械的ひずみが軽減され、冷却によるひずみの形成が回避される。
【００５８】
このようにして調製されたプレート形状の複合体20は不透明で厚さが約8 mm である。これは、3つの層22、22及び23から成り、その中間層23は約2 mmで不透明で、両側が高いエッチング耐性を有することを特徴とし、密で透明な石英ガラスで作られ厚さ3 mmの層22、22により両側で被われている。さらに、複合体20は熱的に安定し、100°C を超える操作温度で高い耐熱衝撃性を有することを特徴とする。
【００５９】
上述の方法は完全に透明な石英ガラスから成る複合体の製造にも非常に適している。この目的のため、中間層23を焼結するのではなく完全にガラス化する必要があるだけである。この目的のため、複合体は結合マスの乾燥後にガラス化炉でガラス化する。ガラス化中の加熱プロファイルは、2時間以内で室温から1350°Cの加熱温度までスラリー層の形状で結合マスが加熱される加熱傾斜を含む。複合体はこの加熱温度で2時間保持される。このようにして、スラリー層は、2つの石英ガラスプレートをかたく接合し、平均比密度が約2.2 g/cm3である一般的な材料の焼結した中間層が作られる。このようにして、石英ガラスプレートの厚さを増加させるだけでなく石英ガラスのプロックを作ることが可能となる。
【００６０】
本発明の意味に含まれる代替的な技術は、スラリーは接合する石英ガラス部品に結合マスとして塗布されるのではなく、乾燥した粒状の石英ガラス層である。この顆粒は、例えば、ドクターブレードで平面的な接合表面にできるだけ均一に拡げる。D50 が5μm と40μmの間である単一モードの球状石英ガラス粒子は特に非常に適している。しかしながら、ナノスケールのSiO2粉末より成る顆粒もこの目的のために使用することができる。遊離した粒子（garanulation）は複合物の結合マスとして固定剤を全く含んでいないので、石英ガラス下側プレート22のみが粉末層で被われており、この結合マスの厚さは0.5 mmから数ミリの間であり、部品アセンブリで完成される全体的な形状によって決まる。この実施例で特に有利なのは乾燥ステップを完全に省略でき、石英ガラス上側プレート21を、粉末を該下側プレートに塗布した後に直ちに配置できるということである。顆粒体層として結合マス23に使用される粒子分布帯によっては、“プレートサンドイッチ”が焼結炉の中で1200°Cと1450°Cの間の焼結温度で焼結される。現在の例において、プレート21及び22は透明な石英ガラスで作られ、直径が300 mmの円形で、それぞれの厚さは2.5 mmである。上側プレート21の自重は約388.80
gであるため、上側プレートは上に拡がった顆粒体を結合マスとして接触圧5.5 N/cm2が上側プレート22に掛かる。この場合、蒸発分散剤を有する結合マスが使用され、接合面が該マスの塗布後に直ちにそれぞれに置かれた場合、結合マス24の均一な乾燥は達成することができなかった。円形プレート21、22の中央からの製品の脱ガスは150 mmのプレート端までの長さをカバーしなければならないし、欠陥のない脱ガスプロセスを約束するものではない。
【００６１】
SiO2粉末層は結合マス24としてプレート22の上側に塗布され、顆粒体層は緩やかな振動によりプレート表面に均一に分布している。トクヤマの石英ガラス顆粒体 Excelicaâ（登録商標） SE 15 は粉末として用いられ、平均粒径が15μmである円形SiO2粒子を含む。この複合物の焼結計画は室温から1400°C まで、1分当たり2.5°C の加熱率である。1400°C での保持時間は3時間である。この場合、焼結温度は比較的高いが、遊離した石英ガラス粒子により、粒子距離が孔のない密な終結プロセスを完了するためには大きすぎるため、いかなる透明な中間層も生成されない。不透明な中間層23により、このように製作したプレートの形状の複合体20は、最初の冷却傾斜を1分あたり5°Cで炉温度を1050°Cとして焼結炉でゆっくりと冷却される。第2の冷却傾斜は1分当たり10°Cで、950°Cで終了する。その後、炉を閉止した状態で不規則的にさらに冷却が行われる。比較的にゆっくりした冷却プロセスのため、部品アセンブリは焼きなましされ、既存の機械的ひずみが軽減され、冷却によるひずみの形成が回避される。不透明中間層23を有するこれらの円形プレートは例えば、半導体産業の反射板、つまり、孔のない表面を別途必要とする熱い部分に使用される。
【００６２】
本発明による他の実施例は、複合体20製作のため上述の変型体を組み合わせて構成されている。この例では、すでに上述したように、非常に薄いSiO2のベーススラリーが最初に下側プレート21の上側及び上側プレート22の下側に塗布される。この層はスクリーン印刷によって塗布され、約30μmから100μmの範囲の層厚を持つ。乾燥した石英ガラス顆粒体はまだ湿っているスクリーン印刷層に拡げられ、そこにおいて個々の粒子はスクリーン印刷により塗布され、まだ湿っているSiO2層によって固定される。上述のSiO2粉末Excelicaâ（登録商標） SE 15は石英ガラス顆粒体又は同様の粉末品質である、例えば、平均粒径が30μmであるExcelicaâ（登録商標） SE 30などのいくつかの粒子の一部の組み合わせで使用することができる。その後に、結合マス23、24によりこのようにして製作したプレート21及び22を乾燥させる。あらゆる分散剤をスクリーン印刷層から除去する必要がほとんどないので、乾燥時間を短くすることができる。乾燥時間は約30分以内で約120°Cで空気中の乾燥キャビネットの中で行う。
【００６３】
その後、上述のように、プレートは相互に配置され、プレートの両側は結合マスに接し、焼結プログラムにより最終的に焼結される。本方法の変型体の結果として、一つは不透明中間層23を含む複合体20を獲得し、好ましくは熱間プロセスにおいて、半導体産業の反射体部品として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の方法による2枚の石英ガラス・プレートの接合を示す図である。
【図２】図1の方法ステップによってなされる部品アセンブリを示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
２０ 複合体
２１ 正方形プレート
２２ 正方形プレート
２３ 中間層
2４ 結合マス
2５ 結合マス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合部品の接合面間に高シリカマスを形成することにより全体的接合により高シリカ材料で作られた部品を結合する方法であって、高シリカ結合マスが最初から乾燥状態で使用されるか、又は結合マスが、少なくとも接合プロセスの前に接合面上で乾燥し、結合する面がその後に接触し、堅い複合物が加熱により生成され、SiO2含有結合マスが形成されることを特徴とする 高シリカ材料で作られた部品を結合する方法。
【請求項２】
5μm,未満、望ましくは1μm未満の範囲の平均粒径を持つアモファスSiO2スラリーが結合マスに使用されていることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項３】
結合マスにおけるアモルファスSiO2粒子のSiO2含有率が少なくとも99.9重量%であることを特徴とする請求項1及び2に記載の方法。
【請求項４】
接合面における結合マス用のスラリーの固形成分含有率が少なくとも65重量%であり、望ましくは少なくとも80重量%で、特に望ましくは少なくとも83重量%であることを特徴とする先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
乾燥した石英ガラス粒子又は(及び）石英ガラス顆粒が結合マスとして使用されることを特徴とする請求項 1記載の方法。
【請求項６】
石英ガラス粒子及び(又は)石英ガラス顆粒の平均粒径が10μm から 40μmの範囲にあることを特徴とする請求項5記載の方法。
【請求項７】
結合マスが、接合面に既に配置された結合マスに石英ガラス粒子又は（及び）石英ガラス顆粒を押し広げる方法で塗布されるもう一つの中間層を含むことを特徴とする先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
焼結プロセスが、800°C から1450°Cの範囲の温度における乾燥した結合マスの温度処理を含むことを特徴とした先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
凝固が、少なくとも部分的に不透明な凝固した結合マスの形成を伴う乾燥した結合マスの焼結を含むことを特徴とした請求項8記載の方法。
【請求項１０】
結合マスが、Al2O3,、TiO2、 Y2O3、 AlN、 Si3N4、 ZrO2、 BN、HfO2、 Si、 Yb2O3、及び（又は） SiCの形態の１つ以上のドーパントを含むことを特徴とした先行請求項のいずれかに記載の方法
【請求項１】
結合部品の接合面間に高シリカマスを形成することにより全体的接合により高シリカ材料で作られた部品を結合する方法であって、高シリカ結合マスが最初から乾燥状態で使用されるか、又は結合マスが、少なくとも接合プロセスの前に接合面上で乾燥し、結合する面がその後に接触し、堅い複合物が加熱により生成され、SiO2含有結合マスが形成されることを特徴とする 高シリカ材料で作られた部品を結合する方法。
【請求項２】
5μm,未満、望ましくは1μm未満の範囲の平均粒径を持つアモファスSiO2スラリーが結合マスに使用されていることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項３】
結合マスにおけるアモルファスSiO2粒子のSiO2含有率が少なくとも99.9重量%であることを特徴とする請求項1及び2に記載の方法。
【請求項４】
接合面における結合マス用のスラリーの固形成分含有率が少なくとも65重量%であり、望ましくは少なくとも80重量%で、特に望ましくは少なくとも83重量%であることを特徴とする先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
乾燥した石英ガラス粒子又は(及び）石英ガラス顆粒が結合マスとして使用されることを特徴とする請求項 1記載の方法。
【請求項６】
石英ガラス粒子及び(又は)石英ガラス顆粒の平均粒径が10μm から 40μmの範囲にあることを特徴とする請求項5記載の方法。
【請求項７】
結合マスが、接合面に既に配置された結合マスに石英ガラス粒子又は（及び）石英ガラス顆粒を押し広げる方法で塗布されるもう一つの中間層を含むことを特徴とする先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
焼結プロセスが、800°C から1450°Cの範囲の温度における乾燥した結合マスの温度処理を含むことを特徴とした先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
凝固が、少なくとも部分的に不透明な凝固した結合マスの形成を伴う乾燥した結合マスの焼結を含むことを特徴とした請求項8記載の方法。
【請求項１０】
結合マスが、Al2O3,、TiO2、 Y2O3、 AlN、 Si3N4、 ZrO2、 BN、HfO2、 Si、 Yb2O3、及び（又は） SiCの形態の１つ以上のドーパントを含むことを特徴とした先行請求項のいずれかに記載の方法
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−１４３７９７（Ｐ２００９−１４３７９７Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１６３３５（Ｐ２００８−３１６３３５）
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（５０３３４２５２４）ヘレウス クワルツグラス ゲーエムベーハー ウント コンパニー カーゲー (13)
【出願人】（０００１９０１３８）信越石英株式会社 (183)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（５０３３４２５２４）ヘレウス クワルツグラス ゲーエムベーハー ウント コンパニー カーゲー (13)
【出願人】（０００１９０１３８）信越石英株式会社 (183)
【Ｆターム（参考）】
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