Siliciumnitridbeschichtete Quarzglastiegel mittels Lasersintern

Am Institut für Nichtmetallische Werkstoffe der TU Clausthal wurde in den vergangenen vier Jahren gemeinsam mit der Wacker Chemie GmbH und Trumpf Laser- und Systemtechnik ein im Vergleich zum konventionellen Lichtbogenschmelzverfahren wesentlich kostengünstigeres und qualitativ besseres Verfahren zur Herstellung von Quarzglastiegeln entwickelt.

Dabei wird die oberste Schicht des keramischen Grünkörpers des Quarzglastiegels berührungslos und unter Vakuum, somit kontaminationsfrei, mit einem aufgeweiteten Kohlendioxid-Laserstrahl aufgeschmolzen. Anschließend erstarrt sie glasig. Das Verfahren ist patentiert. Nun wird diese Technologie erweitert. Es sollen auf den Grundkörper des Quarztiegels aus Siliciumdioxid Schutzschichten aus Siliciumnitrid aufgetragen werden.

Kürzlich wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht, die erste Fertigung der Siliciumnitridschichten, noch nicht auf einem ganzen Tiegel, sondern auf einem „Scherben“, einem Teilstück des Quarzglastiegels.

Da die Wacker Chemie GmbH Quarztiegel in Größen von bis zu einem Meter Durchmesser, 800 mm Höhe und Wandstärken von nur 20 Millimetern herstellen will, wurde eine Ofensinterung von vorneherein ausgeschlossen und die Sinterung mittels aufgeweiteten CO2-Laserstrahls vorangetrieben. Durch die lokale Erwärmung mittels Laser wird eine Sinterung des Si3N4 beschichteten Grüntiegels derart erreicht, dass sich die hoch erwärmte Tiegelinnenseite an die Außenseite des Tiegels legt. Der Tiegel weist neben einer reduzierten Wandstärke nach dem Sinterprozess keine Veränderung seiner äußeren Kontur auf. Diese Eigenschaft des Lasersinterverfahrens ermöglicht die endkonturnahe Fertigung einer Keramik bereits im Grünkörperstadium. Die beschichteten SiO2-Grüntiegel werden mittels eines Sechsachsenroboters im Strahlengang eines CO2-Lasers verfahren.

Das Vorhaben (Laufzeit: 2003 – 2006) wird vom Bundesministerium für Forschung und Technologie mit insgesamt 1.627 Millionen Euro gefördert. Hiervon gehen 1.36 Millionen Euro an die Arbeitsgruppe Prof. Dr.-Ing. Jürgen Heinrich und Privatdozent Dr. habil. Jens Günster am Institut für Nichtmetallische Werkstoffe. Das Gesamtkostenvolumen des Projektes – inklusive der Eigenanteile der beteiligten Unternehmen – beläuft sich auf 3.255 Millionen Euro.

Zum Hintergrund:
In Quarzglastiegeln werden aus einer Siliciumschmelze Siliciumeinkristalle gezogen. Geringste metallische Verunreinigungen der Tiegel, wie sie beim konventionellen Lichtbogenschmelzverfahren nur unter hohem Kostenaufwand vermieden werden können, können zu Kristallversetzungen und damit zu einem Prozessabbruch führen. Dieses Problem wird mit dem Lasersintern im Vakuum vermieden.

Weitere Informationen:

TU Clausthal
Institut für Nichtmetallische Werkstoffe,
Privatdozent Dr. Jens Günster
Tel.: 0 5323-72-2612, Fax.: 0 5323-72-3119,
eMail: jens.guenster@tu-clausthal.de