MCVD工艺原理

各种原料所起的作用之一
• SiCl4生成的SiO2在基管的内壁沉积形成高纯度 的玻璃； • GeCl4 生成的 GeO2 可使 SiO2 玻璃基体折射率变 大，是形成预制棒/光纤芯层的首选物质； • POCl3 用来改变玻璃粘度，以改善沉积条件， 并可适当提高折射率； • 高纯O2用作沉积必须的载气和反应气体，以及 日常工艺管路的吹扫；
MCVD预制棒的组成
• MCVD法是一种在高质量（高纯度、低 水分、低杂质）的石英管（我们称之为 基管）的内壁沉积更高纯度的二氧化硅 (SiO2)，并掺以可改变折射率或玻璃体粘 度的其它一些高纯物质，如二氧化锗 (GeO2)、五氧化二磷(P2O5)、氟氧化硅 (SiO1.5F)等，形成不同折射率的芯层和包 层，以实现光信号在光纤芯中传播时的 全反射、低损耗、高容量等效果。
什么是MCVD?
• MCVD是Modified Chemical Vapor Deposition的 简称，译称改良的化学气相沉积法。该预制棒 生产方法是由美国AT&T Bell 实验室和英国南 安普敦大学于二十世纪七十年代初期首先提出 的。 • 由于它在制备不同种类的光纤上具有很强的灵 活性，所以如今它已经成为生产高品质通讯光 纤用预制棒的四大主要方法之一。
玻璃化的要求
• MCVD工艺是一种在同一台设备上几乎 同时进行沉积和烧结的工艺。当燃烧器 往下游移动，经过刚沉积上去的疏松体 时，又将疏松体玻璃化成透明的玻璃体。 • 玻璃化的要求是：燃烧器经过后的石英 管仍要是透明的。 • 燃烧器到达基管尾部后，又迅速返回到 基管头部，开始下一遍沉积和玻璃化。
塌缩要求
各种原料所起的作用之二
• SF6既可用于基管内壁的腐蚀，又可用于 补芯时的腐蚀，还可用于降低 SiO2 的折 射率，调节预制棒/光纤的折射率分布； • Cl2 用作腐蚀及塌缩时的干燥气体，它可 有效降低反应物和沉积物中的水份 (OH-)； • He气用来改善气相混合物的热扩散性能。
思考题
• 1. MCVD工艺中的几个基本步骤是什么？ • 2. MCVD工艺中要用到哪些原料？它们 的作用分别有哪些？
沉积示意图
工艺 气流
等温线
温度梯 度方向 沉积处
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反应
包络面
沉积要求
• 一般先在基管内壁沉积几十层包层，其折射率 比纯石英的折射率稍低，再在中心沉积十来遍 折射率较高的芯层。 • 沉积的要求是：塌缩后各层的厚度要恰当、均 匀，纵向的沉积物分布也要均匀。 • 沉积包层的含水率等指标应比基管的更少，这 样才可有效地阻挡基管或ACVD法外沉积包层 中的水份扩散到芯层和近芯包层，确保光纤的 传输性能良好。
• 沉积完芯层的基管，其中心还有一个很大的孔。 需要在更高的温度下，利用熔融玻璃体的表面 张力，将其塌缩成实心的预制棒芯棒。 • MCVD有一个固有的缺陷，其在芯棒起始段的沉 积相对来讲比较薄，该段被称为的“入口锥 度”。 • 所以塌缩时，一般不再塌缩该段不均匀的管子， 这样塌缩的距离就比沉积的距离短。
高度自动化的生产设备
• 由Nextrom提供的OFC 12车床，可以实现补料、 输料的自动控制，各种气体的流量都经过质量 流量计的精确控制。使用过的管道还可以进行 及时的吹扫。 • 整个生产过程，除了上管、接管和卸棒等步骤 需要人工干预外，其它大部分过程，如沉积、 烧结和塌缩过程都由计算机自动控制。工艺控 制程序在英文中称为recipe。为改善沉积的均 匀性，一般还在沉积基管的不同位置，对工艺 条件进行优化处理（英文中称ramping）。
沉积与塌缩距离示意图
塌缩距离
沉积距离 1 2 34
MCVD工艺中的化学反应
• • • • • • • SiCl4+O2=SiO2+2Cl2↑ GeCl4+ O2 GeO2+2Cl2↑ 2GeO2 2GeO(g)+O2↑ 4POCl3+3 O2=2P2O5+6 Cl2↑ 12SiO2+2SF6=12SiO1.5F(S)+2SO2+O2 Cl2+H2O→HCl↑+HClO↑或 Cl2+Si-OH→Si-Cl
MCVD沉积机理
• 沉积的机理一般认为是热泳机理：即顺 着温度梯度下降的方向沉积。 • 在燃烧器的上方，管壁的温度高于管子 中心的温度，所以反应包络面中生成的 玻璃体均向管子中心集中，但燃烧器的 下游，管壁温度比管子中心低。当玻璃 体被工艺气流载带到下游时，就在燃烧 器所在位置下游的管壁沉积下来。
MCVD工艺的物流方向
• MCVD工艺从基管的一头由氧气作为载气将待 反应的原料载带进基管，而在基管的外面用氢 氧焰加热到19000C以上，间接加热基管内的反 应原料，生成的玻璃体，沉积在基管的内壁。 • 没有沉积下来的玻璃体，由工艺气体载带，经 由尾部的较大直径的灰粒收集管（俗称尾管）， 进入灰粒收集箱，甚至部分被直接抽吸到洗涤 塔进行处理。
MCVD工艺示意图
载气氧
六氟化硫 或氯气
氦气
三氯氧磷 高温计
四氯化锗
四氯化硅
旋转接头 顶座
导气管
基管 燃烧器
尾管
灰粒刮擦器 通向洗涤塔 尾管 灰粒收集箱
OFC 12沉积车床
MCVD的沉积机理
• 沉积的机理一般认为是热泳机理：即顺 着温度梯度下降的方向沉积。所以沉积 一般发生在燃烧器所在位置的下游。 • 当燃烧器往下游移动，经过刚沉积上去 的疏松体时，又将疏松体玻璃化成透明 的玻璃体。 • 燃烧器到达基管尾部后，又迅速返回到 基管头部，开始下一遍沉积。