Метод внешнего парофазного осаждения (ovd)
Схема процесса OVD, который наиболее широко используется для получения заготовок фирмой "Corning glass" (США), приведена на рис.5. Процесс включает в себя:
образование частиц оксидов кремния и легирующих компонентов за счет гидролиза паров исходных галогенидов, поступающих в кислородно-водородную горелку, по реакциям
SiCl4газ. + 2 H2Oгаз. = SiO2 тв. + 4 НСlгаз. (8)
GeCl4газ. + 2 Н2Огаз. = GeO2тв. + 4 HClгаз. (9)
и т. д.
осаждение частиц на затравку за счет термофореза и формирование пористой заготовки;
сушка и остекловывание пористой заготовки.
Рисунок
5
Рис. 5. Схема процесса OVD: а) – образование и осаждение оксидов, б) - остекловывание пористой заготовки, в) – вытяжка волокна.
1 – кислородно-водородная горелка, 2 – затравочный штабик, 3 – пористая заготовка, 4 – печь остекловывания, 5 – остеклованная заготовка, 6 – высокотемпературная печь, 7 - волокно
Пары исходных галогенидов подают в центральную часть многосопельной горелки и отделяют от водорода и кислорода потоком аргона, который препятствует преждевременному гидролизу галогенидов с осаждением оксидов на торце горелки. Поскольку скорость формирования заготовки методом OVD значительно больше, чем методом MCVD, разрабатывали различные методы подачи паров исходных галогенидов. Не вдаваясь в подробности, перечислим основные из этих методов: барботирование несущего газа через легколетучие жидкие галогениды (аналогично подаче SiCl4, GeCl4 и т.д. в методе MCVD); использование дозировочных насосов для подачи жидких галогенидов в смеситель, откуда они поступают в горелку; высокотемпературная система испарения и непосредственного контроля скорости поступления паров галогенидов в горелку; подача труднолетучих жидкостей и порошкообразных твердых тел с помощью форсунок и т. д. В пламени горелки происходит гидролиз галогенидов, зарождение и конденсационный рост частиц, их коалесценция (слияние) и коагуляция (слипание) до размеров 0.007..0.3 мкм в различных зонах факела горелки. Средний размер частиц аэрозоля, формирующегося в условиях свободно-молекулярной коалесценции (когда число Кнудсена Кп>>1 и частицы можно рассматривать как большие газовые молекулы), определяется как
d ~ (t´с0´Т0,5)0,4 (10),
где с0 – начальная концентрация конденсирующегося компонента, t - время, через которое происходит истощение мономера, Т – температура при которой происходит процесс. Из соотношения (11) следует, что основные факторы, определяющие размер частиц в пламени – это:
концентрация оксида в пламени, которая определяется скоростями поступления исходного сырья и технологических газов;
время пребывания частиц в факеле в области температур, обеспечивающих протекание процесса коалесценции;
температура пламени, которая слабо влияет на дисперсный состав частиц.
Миграция частиц к поверхности затравочного штабика (или пористой заготовки) происходит под действием сил термофореза в поле градиента температур в пламени и на поверхности затравки. Одними из главных факторов, определяющих скорость осаждения, являются размер затравки и расход горючего газа.
Метод парофазного осевого осаждения (VAD).
Схема процесса VAD, разработанного японскими фирмами (среди которых NTT, "Sumitomo" и др.), приведена на рис. 6. В отличие от метода OVD в методе VAD пары исходных галогенидов подают в неподвижную кислородно-водородную горелку, а образующиеся в результате гидролиза частицы оксиды осаждаются на торец затравочного штабика с образованием пористой заготовки, которая по мере роста поднимается таким образом, чтобы фронт роста оставался на од ном и том же месте. Схема установки VAD показана на рис. 6 Видно, насколько эта установка является сложной в аппаратурном оформлении
для автоматического контроля следующих основных параметров процесса:
- скорости поступления паров исходных галогенидов;
местоположения торца пористой заготовки с точностью ±50 мкм, ибо изменение местоположения роста ведет к вариациям диаметра пористой заготовки и профиля ПП;
температуры пламени горелки, от которой зависит состав частиц;
температуры нагрева торца пористой заготовки, что определяет степень пористости заготовки;
давления внутри реактора, которое влияет на форму пламени и, следовательно, на вариации диаметра пористой заготовки и профиль ПП;
скорости вращения заготовки, при этом отклонение оси растущей заготовки от вертикали должно быть не более ± 0,1 мм на 1 м;
температуры печи сушки и остекловывания пористой заготовки и т.д.
Рисунок 6
Рис. 6. Схема процесса VAD: 1 – затравочный штабик, 2 – графитовая печь, 3 -мелкие частицы SiO2*GeO2, 4 – горелки, 5 – пористая заготовка, 6 – остеклованная заготовка
Первоначально метод VAD использовался для формирования германосиликатной сердцевины заготовок многомодовых градиентных ОВ. Профиль ПП формировался путем пространственной диффузии оксидных частиц различного состава, образующихся при использовании либо двух горелок, либо одной многосопельной горелки, при этом в каждую горелку или сопло подают ПГС постоянного состава. Диаметр осаждающихся частиц составлял 0,05…0,2 мкм и зависел от концентрации легирующих компонентов, температуры пламени и торца пористой заготовки. Полученную заготовку из германосиликатного стекла затем вставляли в "сухую", чистую кварцевую трубку, которая служила в качестве светоотражающей оболочки.
Исследование свойств частиц, осаждающихся из пламени горелки на поверхность кварцевой трубки, в системах SiO2*GeO2 и SiO2*B2O3 показало, что в зависимости от температуры подложки (трубки) наблюдается образование кристаллической или стеклообразной фазы. Например,
Рисунок 7
Рис. 7. Схема установки VAD метода: 1 - реактор напыления; 2- горелка; 3- печь остекловывания; 4- механизмы подъема и вращения; 5- камера газовой защиты; 6- пористая заготовка; 7- прозрачная заготовка; 8- блок лазерного сканирования; 9- блок приема лазерного излучения; 10- блок регулирования диаметра; 11- датчик давления; 12- блок управления; 13- регулятор расхода газа; 14- накопительная емкость; 15- сканер; 16- пироприемник. Точность местоположения торца пористой заготовки ±50мкм, соосность элементов установки - менее ±50мкм
для системы SiO2*GeO2 при температуре ниже 4000С образуется кристаллический GeO2, а при более высокой – стеклообразный диоксид германия. Японские исследователи предложили следующие модели для объяснения данного факта. При температуре подложки ниже 4000С вначале образуются твердые частицы диоксида кремния, между которыми находятся включения кристаллической фазы GeO2 . При температуре подложки выше 4000С вначале образуются частицы диоксида кремния, которые затем покрываются стеклом SiO2*GeO2.
Процесс сушки пористой заготовки в методе VAD аналогичен процессу сушки в методе OVD, описанному ранее. Различие состоит только в том, что в методе OVD хлор (или хлорагент) подается в центральное отверстие заготовки, и она начинает как бы "сохнуть" изнутри, а в методе VAD дегидротация воды происходит с боковой поверхности заготовки, что и приводит к распределению концентрации гидроксильных групп.