一种制备掺杂二氧化硅材料的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种制备掺杂二氧化硅材料的装置及方法，包括磁控管

【技术实现步骤摘要】
一种制备掺杂二氧化硅材料的装置及方法


[0001]本专利技术属于材料加工领域，尤其涉及一种制备掺杂二氧化硅材料的装置及方法
。

技术介绍

[0002]在主流石英预制棒制备技术中，
OVD/VAD
利用氢氧焰与
SiCl4等原材料水解反应，容易引入
OH
吸收峰，且
VAD
和
OVD
法需二次烧结玻璃化，在制备
F
，
Ge
，
B
，
P
，
Al
，
Yb
，
Er
等掺杂石英材料时，掺杂元素极易扩散和二次挥发，难以实现高掺杂浓度和折射率径向分布的精准控制
。MCVD
管内法难以实现低成本控制与高效率沉积
。PCVD
可精确控制掺杂深度
、
径向折射率分布，可制作复杂折射率结构剖面光纤，原材料高利用率高的特点颇具优势
,
但基于负压等离子体的
PCVD
设备成本昂贵
、
管内法使其难以制作大芯径芯棒
、
沉积速率低
、
处于接近真空度的超低负压和
1000℃
保温场景的等离子体化学反应及二次高温熔缩易导致掺杂元素的扩散和二次挥发
。
[0003]相较于传统四大工艺，常压等离子体沉积工艺生成的
SiO2颗粒在高温下直接玻璃化，非热平衡激发态掺杂元素能量高
>、
浓度大，无需二次熔缩，能有效避免掺杂元素在熔缩过程中的扩散
。
制备石英预制棒“纤芯直径／包层直径”比大，对芯棒尺寸和形状无特殊要求，可用于各种特殊横截面芯棒或衬管
。
常压状态下，由于高频微波的作用，进入放电石英管的原料气体（主要是
SiCl4，
GeCl4，
POCl3，
O2，
C2F6和
BCl3等）几乎完全被电离为活化等离子体状态，快速发生反应，反应生成物通过等离子体火炬合适的温度场团聚，生长，被等离子体火炬加热的靶棒收集
。
[0004]由于光学石英材料制备的加工对等离子体能量和温度要求高，简单直波导耦合由于谐振腔内部电磁场密度较低，等离子体能量密度较低采用纵向压缩的方式提高等离子体的能量密度实现对二氧化硅材料的沉积
。
简单的放电管在制备二氧化硅是由于热涌效应会导致放电管内壁沉积大量二氧化硅微粉，沉积物不仅会降低沉积效率而且会对火炬中的火焰形态产生干扰影响沉积效率
。
而且掺杂气体原料中含有对二氧化硅有破坏性的原料这些原料在电磁场的作用下产生离子这些离子易导致供气反应装置外壁受到刻蚀而损坏，严重时甚至不能产生等离子体炬，等离子体局部过热易引起石英放电管熔融，造成微波能量聚集，损坏放电石英管，严重时可能会导致微波谐振腔和磁控管烧毁
。
[0005]当前，在已公开的方案中，提出了一种管外等离子体化学气相沉积制备光纤预制棒的装置和方法（公开号
CN114436521A
），以射频电源激发等离子体的方法来实现光纤预制棒的制备，可以解决
PCVD
设备难以制备大尺寸光纤预制棒的问题，优势在于不需要传统真空设备，降低了设备成本且加工效率是传统机械式的数倍
。
但该方法射频电源功率利用率不足，造成了极大的功率浪费；现有方案还提出一种管外微波等离子体化学气相沉积制备光纤预制棒的装置及方法（公开号
CN116040933A
），其对供气反应装置只是简单的两层设计，而且把内层放电管的出口设置在谐振腔中心线位置，在微波等离子体的激发过程中，中心温度最高这种设计虽然有利于供料混合但是易对中心管产生烧蚀，从而影响供料
。
[0006]有鉴于此，有必要提出一种新的等离子体约束结构和供气反应装置，来减少管壁
上粉尘积累和原料对放电管外壁的损坏，并保障电源功率的有效利用以及供料的充分混合
。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种制备掺杂二氧化硅材料的装置及方法，用于解决现有掺杂二氧化硅材料的制备方式存在射频电源有效功率利用率低
、
原料对放电管存在损伤以及微尘积累等问题
。
[0008]在本专利技术实施例的第一方面，提供了一种制备掺杂二氧化硅材料的方法，至少包括微波电源（1）
、
连接线（2）
、
磁控管（3）
、
环形器（4）
、
水负载（5）
、
调谐器（6）
、
矩形波导（7）
、
收集棒（8）
、
等离子体腔（9）
、
谐振腔（
10
）
、
反射板（
11
）
、
供气反应装置（
12
）
、
旋气隔板（
13
）
、
混气台（
14
）
、
分气板（
15
）
、
掺杂原料供入管道（
16
）
、
硅料供入管道（
17
）和氧气供入管道（
18
）；
[0009]所述磁控管（3）一端通过连接线（2）与微波电源（1）连接，磁控管（3）另一端与环形器（4）连接，环形器（4）另一端连接调谐器（6），调谐器（6）的另一端与矩形波导（7）连接，矩形波导（7）纵向压缩后与谐振腔（
10
）连接，供气反应装置（
12
）穿插于谐振腔（
10
）中心设置的中心贯穿圆孔内，所述供气反应装置（
12
）底部连接有三个气体供入管道，分别为硅料供入管道（
16
）
、
掺杂原料供入管道（
17
）和氧气供入管道（
18
）；
[0010]所述磁控管（3）与所述环形器（4）相连旁路设置有水负载（5），所述谐振腔（
10
）的上下表面均设置有冷却水通道，冷却水通道环形包裹谐振腔（
10
）中心贯穿孔；
[0011]其中，磁控管（3）接收电源的激励信号在波导中产生微波，微波通过环形器（4）
、
调谐器（6）
、
矩形波导（7）进入谐振腔（
10
），通过与气体供入装置（
12
）中的原料气体相互耦合产生等离子体；
[0012]掺杂原料
、
硅料和氧气分别通过供气反应装置（
12
）底部的三个供入管道进入，氧气通过旋气隔板（
13
）在上层管道中产生旋流，硅料和掺杂原料通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种制备掺杂二氧化硅材料的装置，其特征在于，至少包括微波电源（1）
、
连接线（2）
、
磁控管（3）
、
环形器（4）
、
水负载（5）
、
调谐器（6）
、
矩形波导（7）
、
收集棒（8）
、
等离子体腔（9）
、
谐振腔（
10
）
、
反射板（
11
）
、
供气反应装置（
12
）
、
旋气隔板（
13
）
、
混气台（
14
）
、
分气板（
15
）
、
掺杂原料供入管道（
16
）
、
硅料供入管道（
17
）和氧气供入管道（
18
）；所述磁控管（3）一端通过连接线（2）与微波电源（1）连接，磁控管（3）另一端与环形器（4）连接，环形器（4）另一端连接调谐器（6），调谐器（6）的另一端与矩形波导（7）连接，矩形波导（7）纵向压缩后与谐振腔（
10
）连接，供气反应装置（
12
）穿插于谐振腔（
10
）中心设置的中心贯穿圆孔内，所述供气反应装置（
12
）底部连接有三个气体供入管道，分别为硅料供入管道（
16
）
、
掺杂原料供入管道（
17
）和氧气供入管道（
18
）；所述磁控管（3）与所述环形器（4）相连旁路设置有水负载（5），所述谐振腔（
10
）的上下表面均设置有冷却水通道，冷却水通道环形包裹谐振腔（
10
）中心贯穿孔；其中，磁控管（3）接收电源的激励信号在波导中产生微波，微波通过环形器（4）
、
调谐器（6）
、
矩形波导（7）进入谐振腔（
10
），通过与气体供入装置（
12
）中的原料气体相互耦合产生等离子体；掺杂原料
、
硅料和氧气分别通过供气反应装置（
12
）底部的三个供入管道进入，氧气通过旋气隔板（
13
）在上层管道中产生旋流，硅料和掺杂原料通过混气台（
14
）在上层管道中产生紊流，在氧气旋流带动下自发混气，并在等离子体腔（9）中进行接触反应
。2.
根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振腔（
10
）为立方体或圆柱形，谐振腔（
10
）和供气反应装置（
12
）同轴设计，所述谐振腔（
10
）中心贯穿圆孔直径为
1...

【专利技术属性】
技术研发人员：童维军，程川盟，黄巍，邓泉荣，陈子乙，谢欢，王奕博，文志远，向梓康，朱青美，
申请(专利权)人：武汉市飞瓴光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：