專利名稱：制造帶有透明的由合成石英制成的內(nèi)層的石英玻璃坩堝的方法
制造帶有透明的由合成石英制成的內(nèi)層的石英玻璃坩堝的方法本發(fā)明涉及制造帶有透明的、由合成石英制成的內(nèi)壁的石英玻璃坩堝的方法。石英玻璃坩堝主要用于容納通過所謂直拉法實(shí)現(xiàn)的單晶特別是硅單晶的拉拔過程中產(chǎn)生的半導(dǎo)體熔體。此類石英玻璃坩堝的壁部一般由一個(gè)不透明的外層形成，該外層配置有一個(gè)透明的、盡可能無氣泡的石英玻璃內(nèi)層。透明的內(nèi)層在拉拔過程中與熔體相接觸并且處于較高的機(jī)械、化學(xué)和熱學(xué)負(fù)載下。殘留在內(nèi)層中的氣泡在溫度和壓力的作用下生長，并且最終可能破裂，由此碎片和雜質(zhì)進(jìn)入熔體內(nèi)，于是造成了較低的無錯(cuò)位硅單晶產(chǎn)率。為了降低對(duì)熔體的蝕刻性侵蝕并隨之盡量少地從坩堝壁釋放雜質(zhì)，該內(nèi)層應(yīng)盡量是均質(zhì)的且少氣泡。此外，在繼續(xù)進(jìn)行的半導(dǎo)體晶片微型化過程中對(duì)半導(dǎo)體晶體以及石英玻璃坩堝純度的要求不斷提高。
背景技術(shù)：
在DE 10 2008 030 310 B3中已知一種石英玻璃坩堝的制造方法，按照所述方法，在真空熔融模具中借助一個(gè)模具刮板形成了一個(gè)由機(jī)械固定的石英砂制成的層厚為大約12 mm的、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的坩堝形顆粒層，然后同樣通過使用模具刮板在此顆粒層上再成型一個(gè)合成石英玻璃粉末的內(nèi)顆粒層。合成石英玻璃粉末的粒徑處于50 Mm 120 Mm的范圍內(nèi)。隨后，該顆粒層由內(nèi)向外通過在熔融模具內(nèi)部空間中點(diǎn)燃的電弧來燒結(jié)。在不透明的坩堝預(yù)成型件上產(chǎn)生一個(gè)透明的內(nèi)層。合成石英玻璃粉沫是通過，例如，把熱解生產(chǎn)的SiO2粉末的懸浮液粒化來生產(chǎn)的。此時(shí)從松散的SiO2灰塵產(chǎn)出 懸浮液并通過濕法制粒將懸浮液加工為SiO2粒料顆粒。在干燥處理和純化之后，通過在含氯氣氛中加熱來將這些顆粒燒結(jié)成致密的石英玻璃顆粒。在懸浮液的均質(zhì)化和?；^程中，懸浮液可能會(huì)和設(shè)備的壁部或研磨體高強(qiáng)度接觸，這可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入粒料中。US 3，741，796 Al中已知的用于制造完全由合成SiO2組成的坩堝的方法可以避免這個(gè)缺點(diǎn)。在其中，SiO2顆粒是通過火焰水解SiCl4制成的并借助多個(gè)氫氧燃燒器沉積在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的石墨芯模(Dorn)上面。在此氫氧燃燒器生成的火焰溫度在1500°C的范圍內(nèi)，這個(gè)溫度熱致預(yù)致密化(Vorverdichten)SiO2灰料層,從而達(dá)到一個(gè)濕強(qiáng)度,該濕強(qiáng)度可以使坩堝形坯體在冷卻后從芯模上取下來并且放入一個(gè)加熱爐以便完全玻璃化。在一個(gè)單獨(dú)的加熱爐內(nèi)燒結(jié)預(yù)致密化的坯體會(huì)導(dǎo)致額外的設(shè)備耗費(fèi)，時(shí)間耗費(fèi)和能量耗費(fèi)，因此花費(fèi)巨大和產(chǎn)量不高。JP 11-011956 A中所述的方法可以避免上述缺點(diǎn)，該方法也與開篇時(shí)所述的類別相符。其中建議，為了制造具有合成石英玻璃內(nèi)壁的石英玻璃坩堝，提供一個(gè)石英玻璃的坩堝預(yù)成型件，該預(yù)成型件通過其指向下方的坩堝開口圍繞一條旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)并且在其內(nèi)側(cè)上面借助于氣相沉積而生成一個(gè)石英玻璃內(nèi)層。為此使用一個(gè)氫氧燃燒器，向該燃燒器輸送氧氣、氫氣和含硅的起始材料，并且燃燒器的火焰指向坩堝內(nèi)部空間。在氫氧火焰的作用下，產(chǎn)生了 SiO2微粒，并且這些微粒在坩堝預(yù)成型件的內(nèi)側(cè)上沉積并同時(shí)借助氫氧火焰直接玻璃化成內(nèi)層。摶術(shù)仵備
所產(chǎn)生的內(nèi)層由高純度的合成石英玻璃構(gòu)成。然而，由于生產(chǎn)條件，內(nèi)層的石英玻璃含有高含量的羥基，這造成了比較低的粘度。因此，常用的坩堝在晶體拉拔過程中無法長時(shí)間耐受高溫。因此，本發(fā)明的基本目的是，提出一種低成本的石英玻璃坩堝制造方法，該坩堝具有一個(gè)透明、少氣泡且純凈的石英玻璃內(nèi)層而且其突出之處在于具有較長的使用壽命。發(fā)明介紹
按照本發(fā)明，該目的將通過一種包括下述方法步驟的方法實(shí)現(xiàn):
(a)通過固定至少一個(gè)由SiO2顆粒形成的顆粒層的表面來生成一個(gè)具有一個(gè)內(nèi)層的透氣性坩堝基底，
(b)通過氣相沉積在坩堝基底內(nèi)側(cè)的至少一個(gè)部分表面上沉積一個(gè)多孔的SiO2灰料層(21)，并且
(c)借助電弧和通過真空熔融模具的壁而作用的真空，對(duì)多孔的SiO2灰料層(21)和坩堝基底的至少一部分進(jìn)行真空燒結(jié)，同時(shí)形成石英玻璃坩堝和透明石英玻璃內(nèi)層。在真空熔融模具的內(nèi)側(cè)處生成一個(gè)坩堝形狀的、通過固定而具有一定機(jī)械強(qiáng)度的SiO2微粒層，例如，石英砂或SiO2灰料顆粒層，并且該層總體上或至少在其自由表面的區(qū)域得到固定。這個(gè)固定的層在這里被稱作“坩堝基底”。坩堝基底具有一個(gè)底部，該底部通過一個(gè)彎曲的過渡區(qū)域與一個(gè)圓筒形環(huán)繞的側(cè)壁相連。底部、過渡區(qū)域和側(cè)壁限定了坩堝內(nèi)側(cè)和坩堝內(nèi)部空間。坩堝基底的機(jī)械強(qiáng)度可能很低。只需要將其內(nèi)側(cè)固定到以下的程度:在隨后的方法步驟中，即在用以生成一個(gè)多孔SiO2灰料層的氣相沉積中，SiO2灰料顆粒具有足夠牢固的、在沉積過程不能被吹走的基底。但是，關(guān)鍵的是，這種固定不能使坩堝基底變得不透氣。下面還會(huì)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的解釋。借助氣相沉積在坩堝基底內(nèi)側(cè)上產(chǎn)生一個(gè)多孔的SiO2灰料層。在此，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)通過水解或熱解含硅的起始化合物形成SiO2微粒并且將其在形成多孔的SiO2灰料層的同時(shí)沉積在坩堝基底內(nèi)側(cè)上?；伊蠈痈采w整個(gè)內(nèi)側(cè)或其一部分，但至少覆蓋該過渡區(qū)域。重要的是SiO2灰料層，除了一個(gè)可選存在的、致密的表層(下面還會(huì)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的說明)，還具有開放的孔隙度。該孔隙度是通過以下方式獲得:在沉積過程中，將灰料層的表面溫度保持在一個(gè)較低的溫度，從而防止將沉積的SiO2顆粒直接致密燒結(jié)。表面的溫度可以例如通過反應(yīng)區(qū)到表面的距離來調(diào)節(jié)。合適的表面溫度，可以通過少量的試驗(yàn)確定。坩堝基底和灰料層的孔隙度一方面使得可以進(jìn)行后處理，例如，層的干燥和摻雜劑的負(fù)載，而另一方面可以借助等離子火焰(在這里也被稱作“電弧”)在一個(gè)真空熔融模具內(nèi)進(jìn)行真空輔助的燒結(jié)。這兩項(xiàng)(真空輔助的燒結(jié)和電弧的使用)是可靠的和高效的方法措施，它們?cè)试S快速地、可重復(fù)地和低成本地制造坩堝。

但是，只有坩堝是多孔時(shí)才能使用這兩種措施。因?yàn)樵跓Y(jié)灰料層時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的層體積減小，其中，可能容易封入氣泡。因此，在借助電弧對(duì)灰料層執(zhí)行無氣泡致密燒結(jié)時(shí),要求同時(shí)把氣體從灰料層抽吸出，即，同時(shí)對(duì)灰料層的外壁施加真空。不需要用于燒結(jié)灰料層的玻璃化爐，這樣消除了設(shè)備耗費(fèi)和能源耗費(fèi)。因?yàn)樵谡婵蛰o助的燒結(jié)時(shí)不使用氫氧火焰，所以給內(nèi)層負(fù)載羥基的缺點(diǎn)也隨之消除。在燒結(jié)多孔的灰料層之后獲得的內(nèi)層是透明的和基本上沒有氣泡的。由于開始時(shí)坩堝基底的孔隙度，灰料層與坩堝基底嚙合并熔合，從而排除了層離。如果真空燒結(jié)是在一個(gè)含水少的、理想情況下是無水的環(huán)境中進(jìn)行，則獲得一個(gè)相對(duì)較低的羥基含量，優(yōu)選少于200重量ppm。為了固定SiO2顆粒層，可以對(duì)灰料層進(jìn)行，例如，熱致密化，例如，通過激光器(CO2激光器)或熱燃燒器，例如，也像在沉積SiO2灰料層時(shí)一樣，使用一個(gè)火焰水解燃燒器進(jìn)行加熱。但是，尤其優(yōu)選，按照方法步驟(a)通過借助電弧進(jìn)行熱致密化來固定顆粒層。在此，通常在旋轉(zhuǎn)的真空熔融模具的壁上生成一個(gè)顆粒層，隨后借助電弧對(duì)其進(jìn)行加熱并熱致密化成多孔的坩堝基底?？梢允褂昧畠r(jià)的、來自天然石英原料的石英顆粒來制造該坩堝基底。以這種方式，能夠快速和廉價(jià)地制造坩堝基底。因?yàn)樵诎凑辗椒ú襟E(C)進(jìn)行真空輔助的燒結(jié)時(shí)也使用電弧，所以這種把顆粒層致密化成坩堝基底的方式和方法不需要在加熱方法上進(jìn)行系統(tǒng)更換。

替代于或附加于所述的熱致密化，按照方法步驟(a)固定顆粒層包括機(jī)械壓制顆粒層或在顆粒層上施用SiO2漿料。例如，在制造顆粒層時(shí)機(jī)械壓制可以通過使用工具完成，例如，一個(gè)刮鏟，如在顆粒層成形時(shí)同樣使用的。借此可以在顆粒層的整個(gè)厚度上實(shí)現(xiàn)基本均勻的預(yù)致密化。使用SiO2漿料時(shí)，漿料內(nèi)所含的細(xì)小的SiO2微粒會(huì)堵住顆粒層的孔隙，這樣基本上是在表面附近進(jìn)行致密化。多孔灰料層的中位密度優(yōu)選是在石英玻璃密度的10%到35%的范圍內(nèi)，優(yōu)選為石英玻璃密度的15%到30%的范圍內(nèi)。在此未摻雜的石英玻璃的密度基本為2.21 g/cm3。較低的灰料密度會(huì)使灰料層的無氣泡式玻璃化作用更困難。這適用于小于15%的密度，尤其是在小于10%的密度下。如果密度特別高，超過30%，尤其是超過35%，這可能減弱后續(xù)的氣相處理的效率，例如脫水處理，并且很容易導(dǎo)致不均質(zhì)性，無論是在灰料層內(nèi)部還是在從此產(chǎn)生的、玻璃化的層中。已經(jīng)證明有用的是,按照方法步驟(b)的SiO2灰料層生產(chǎn)有處于5 mm至50 mm范圍內(nèi)的層厚度。當(dāng)層厚小于5 mm時(shí)，燒結(jié)后出現(xiàn)一個(gè)薄的內(nèi)層，該內(nèi)層可以在坩堝的使用中被迅速去除。當(dāng)層厚大于50 _時(shí)，難以玻璃化并且由于其隔熱效果會(huì)延長加熱時(shí)間。真空輔助的燒結(jié)可以細(xì)分為兩個(gè)階段。在初始階段，在坩堝內(nèi)部空間中生成一個(gè)足以燒結(jié)灰料層的高溫。但是，通常不會(huì)施加或最多施加一個(gè)較小的負(fù)壓，以避免來自熔融模具氣氛的氣體吸入多孔區(qū)域中。實(shí)際的燒結(jié)階段是在灰料層上形成一個(gè)致密表層之后開始，所述表層減少了來自熔融模具氣氛的氣體的吸入。然后才把負(fù)壓調(diào)節(jié)到燒結(jié)階段的額定值。在這個(gè)工藝階段施加的負(fù)壓以下也被稱作“全真空”。在這方面已經(jīng)證實(shí)有益的是，灰料層在真空輔助的燒結(jié)之前具有一個(gè)厚度少于5mm、密度超過石英玻璃密度的50%的上灰料表層。預(yù)致密化的灰料表層作為阻止吸入來自熔融模具內(nèi)部空間的氣體的屏障起作用。此外，它還具有高的燒結(jié)活性，這可以使隨后進(jìn)行的致密燒結(jié)更容易，從而可以在早期施加全真空并加速位于其下的多孔區(qū)域的玻璃化。最上面的灰料表層不必完全致密。具有微弱透氣性的灰料表層也可能會(huì)有幫助。致密化的灰料表層是在灰料沉積過程中產(chǎn)生或在真空輔助的燒結(jié)之前的一個(gè)單獨(dú)的方法步驟中生成。可以使用激光器或電弧進(jìn)行致密化。但是優(yōu)選，在上灰料表層的區(qū)域中，借助一個(gè)灰料沉積燃燒器生成灰料層和進(jìn)行預(yù)致密化?；伊铣练e燃燒器生成一個(gè)燃燒器火焰形式的反應(yīng)區(qū)，SiO2顆粒是在該反應(yīng)區(qū)中形成。此外，可以使用如下的火焰壓力:該火焰壓力使在反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成的SiO2灰料微粒朝著涂覆的坩堝基底內(nèi)側(cè)加速。為了能夠按期望致密化上灰料表層，只是略微提高燃燒器的溫度或縮小與灰料層上表面的距離，致使溫度在灰料表面微弱提高，從而能夠?qū)е轮旅芑敝烈粋€(gè)完全玻璃化的層。在此不要求在燃燒器火焰內(nèi)繼續(xù)形成SiO2顆粒。在“真空輔助的燒結(jié)”時(shí)，通過熔融模具壁生成負(fù)壓，該負(fù)壓通過坩堝基底的多孔區(qū)穿入灰料層。在灰料層的自由內(nèi)側(cè)上形成一個(gè)致密表面層之前，熔融坩堝內(nèi)的燒結(jié)氣氛起著重要的作用，因?yàn)?，在這之前氣氛內(nèi)所含的氣體會(huì)進(jìn)入灰料層和坩堝基底的多孔區(qū)。在一個(gè)優(yōu)選的工藝方法中這種影響被阻止，在所述工藝方法中灰料層在真空輔助的燒結(jié)之前具有一個(gè)厚度低于0.5 mm的玻璃表層。玻璃表層是致密性的并且阻止把來自坩堝內(nèi)部空間的氣體吸入灰料層并且允許在其形成之后直接施加全真 空。在一個(gè)特別優(yōu)選的方法中提出，SiO2灰料層經(jīng)歷一個(gè)干燥過程用以降低羥基含量，其中，在坩堝基底內(nèi)部空間的內(nèi)部對(duì)由一種干燥氣體組成的氣氛進(jìn)行調(diào)節(jié)，該干燥氣體被加熱和通過多孔灰料層從內(nèi)部空間向外部抽出。

降低羥基含量會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層的石英玻璃具有相對(duì)較高的黏度，這對(duì)石英玻璃坩堝的使用壽命產(chǎn)生有利的影響。干燥過程可在灰料層燒結(jié)之前或燒結(jié)過程中完成。干燥過程包括，例如，在高溫下真空處理灰料層(^300 mbar ;溫度范圍優(yōu)選從500°C至1000°C)或通過一種反應(yīng)性干燥氣體，例如，含鹵的干燥氣體，進(jìn)行處理。但是，優(yōu)選使用熱干燥方法，在所述方法中使用惰性的干燥氣體，這種氣體被加熱和通過多孔灰料層從內(nèi)部空間向外部抽出。也可以在熱的或仍然較熱的灰料層內(nèi)和坩堝基底內(nèi)加熱氣體。被加熱的惰性氣體的溫度優(yōu)選至少為800°C。借此，內(nèi)層的石英玻璃內(nèi)的羥基含量可以調(diào)節(jié)到低于150重量ppm。優(yōu)選，在一種貧氫的氣氛下，例如氦氣，燒結(jié)灰料層。通過氧氣或氧化物與氫氣反應(yīng)可以阻止產(chǎn)生新的羥基，這樣在內(nèi)層的石英玻璃內(nèi)即使沒有熱的或反應(yīng)性的干燥也可以調(diào)節(jié)到微少的羥基含量，優(yōu)選，少于200重量ppm。低于200重量ppm羥基含量會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層的石英玻璃具有足夠高的黏度，從而使內(nèi)層在高溫下也能承受長的處理時(shí)間。氦氣的突出之處是在石英玻璃中的高擴(kuò)散速率。因此，在燒結(jié)灰料層時(shí)不產(chǎn)生填充有氦氣的氣泡，或者它們可以在燒結(jié)過程中再被消除。以這種方式同樣可以得到特別少氣泡的內(nèi)層。如果是為了得到一個(gè)多孔的灰料層，原則上人們所熟悉的化學(xué)氣相沉積法都適用于制造二氧化硅灰料層。優(yōu)選，按照方法步驟(b)借助一種方法生成多孔的SiO2灰料層，在所述方法中坩堝基底可以圍繞一個(gè)中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)、并且具有一個(gè)底部區(qū)和一個(gè)與底部區(qū)連接的帶有上邊緣的環(huán)形側(cè)壁區(qū)，并且按照方法步驟(b)借助一個(gè)沉積燃燒器在圍繞中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的坩堝基底處沉積多孔的SiO2灰料層，方法是使坩堝基底從底部區(qū)開始按照一個(gè)螺旋形的運(yùn)動(dòng)路徑沿側(cè)壁區(qū)向上邊緣運(yùn)動(dòng)。在此，通過使沉積燃燒器沿側(cè)壁區(qū)向上邊緣運(yùn)動(dòng)，在圍繞中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的坩堝基底的內(nèi)側(cè)上從底部開始一個(gè)灰料層沉積。在此，沉積燃燒器沿側(cè)壁區(qū)按照一個(gè)螺旋形的運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)，其中，在一個(gè)唯一的通孔內(nèi)以期望的厚度生成灰料層?！匆源朔绞缴傻幕伊蠈邮蔷|(zhì)的且基本上沒有與沉積面平行延伸的共軸的分層(Schichtungen)，因此可以阻止灰料層的層離。如果想獲得特別高的生產(chǎn)率，優(yōu)選一種方法變體，在所述方法變體中，按照方法步驟(b)借助一個(gè)包括多個(gè)沉積燃燒器的燃燒器安排來沉積多孔的SiO2灰料層。通常，在交付之前要清潔石英玻璃坩堝的內(nèi)側(cè)。為此使用蝕刻工藝。然而，在本發(fā)明的方法中從一開始就提供了較高的表面品質(zhì)，它并不要求任何蝕刻處理或至多需要強(qiáng)度較低的蝕刻處理。按照方法步驟(c)燒結(jié)后從內(nèi)層蝕刻掉一個(gè)低于0.5 mm的層厚，所述層厚通常不是通過全真空下燒結(jié)生成的，因此含有氣泡。
實(shí)施例 以下借助實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。在示意性圖示中分別展示了:


圖1 一種坩堝預(yù)成型件的制造方法，
圖2 —種在坩堝預(yù)成型件的內(nèi)側(cè)上沉積灰料層的方法
圖3 —種為了制造石英玻璃坩堝的真空輔助燒結(jié)灰料層和坩堝預(yù)成型件的方法，
圖4 另一種制造坩堝預(yù)成型件的方法，
圖5 另一種在坩堝預(yù)成型件的內(nèi)側(cè)上沉積灰料層的方法，以及 圖6 另一種為了制造石英玻璃坩堝的真空輔助燒結(jié)灰料層和坩堝預(yù)成型件的方法。按照?qǐng)D1的熔融裝置包括一個(gè)金屬的真空熔融模具1，其內(nèi)徑為75 cm且高度為50 cm，可以圍繞中軸線2轉(zhuǎn)動(dòng)。由石墨制成的、在熔融模具I內(nèi)部可在所有空間方向上移動(dòng)的一個(gè)陰極一個(gè)陽極(電極5)，如有向箭頭7所示，伸入熔融模具I的內(nèi)部空間3內(nèi)。熔融模具I可借助一個(gè)真空裝置抽真空并為此具有多個(gè)通孔8，通過這些通孔可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)施加于熔融模具I外側(cè)處朝向內(nèi)部空間3中的真空。通孔8分別用一個(gè)由多孔石墨制成的塞子10封閉，該塞子阻止SiO2顆粒從內(nèi)部空間3逸出。下面借助圖1示例性地解釋一個(gè)28英寸石英玻璃坩堝的坩堝預(yù)成型件的制造過程。由通過熱氯化作用純化的天然石英砂制成的、粒徑為90 Mm至315 Mm的晶體顆粒被填入圍繞其縱軸線2旋轉(zhuǎn)的真空熔融模具I內(nèi)。在離心力的作用下并且借助于模具刮板，在熔融模具I的內(nèi)壁上由機(jī)械固定的石英砂成型一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、坩堝形的顆粒層4。顆粒層4的中位層厚度為大約15 _。顆粒層4在側(cè)壁區(qū)中的高度相當(dāng)于熔融模具的高度，SP，大約50 cm。為了熱致密化SiO2顆粒層4，電極5被導(dǎo)入內(nèi)部空間3并且在電極5之間點(diǎn)燃一個(gè)電弧6。在此電極5被置入圖1中所示的側(cè)面位置并加載微小的功率，以便在側(cè)壁區(qū)中將顆粒層4固定至如下程度:使得生成顆粒的凝聚物，但是開放的孔隙度保持不變。為了在底部區(qū)中熱致密化顆粒層4，在熔融模具I圍繞縱軸線2旋轉(zhuǎn)的情況下，電極5被置入一個(gè)中心位置并下降。
通過這種方法可以得到一個(gè)熱固定的、但是仍然透氣的坩堝預(yù)成型件20 (圖2)，該坩堝預(yù)成型件形成了本發(fā)明意義上的一個(gè)坩堝基底。在致密化過程中，在內(nèi)側(cè)區(qū)9局部地發(fā)生完全的致密燒結(jié)，但是，只要坩堝預(yù)成型件20的透氣性總體上能夠得以保證則這是無害的。否則的話內(nèi)側(cè)9的致密燒結(jié)的表面區(qū)必須后續(xù)地清除掉，例如通過研磨或蝕刻。冷卻之后，從熔融模具I取出坩堝預(yù)成型件20，其中，未燒結(jié)的石英玻璃顆粒的層床留在熔融模具I內(nèi)。取出的坩堝預(yù)成型件20的外殼被磨掉。坩堝預(yù)成型件有一個(gè)底部區(qū)27，所述底部區(qū)通過一個(gè)彎曲的過渡區(qū)與一個(gè)圓柱形的側(cè)壁28連接。坩堝預(yù)成型件20的壁總體上具有一個(gè)統(tǒng)一的厚度，為大約10 mm，并且是貫通式開孔的和透氣的。隨后，在坩堝預(yù)成型件20的內(nèi)側(cè)上沉積一個(gè)SiO2灰料層21，如圖2示意性所示。為此，坩堝預(yù)成型件20是頭朝下通過指向下方的坩堝開口安裝在一個(gè)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線23轉(zhuǎn)動(dòng)的支架22內(nèi)。在本實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)軸線23相對(duì)豎直方向傾斜的角度為30°C。通過常規(guī)火焰水解燃燒器24，在旋轉(zhuǎn)的坩堝預(yù)成型件20的內(nèi)側(cè)上產(chǎn)生一個(gè)灰料層21,其中，向燃燒器輸送氧氣和氫氣作為燃?xì)庖约鞍思谆h(huán)四娃氧燒(OMCTS)作為含娃的起始材料。為此，沉積燃燒器24從底部區(qū)27開始沿著側(cè)壁28向上邊緣26方向移動(dòng)，如有向箭頭25所示。其中，沉積燃燒器24沿著側(cè)壁28描繪一個(gè)螺旋形的運(yùn)動(dòng)路徑。熱致密化的坩堝預(yù)成型件20在此為灰料層提供一個(gè)適當(dāng)?shù)摹C(jī)械上牢固的基礎(chǔ)。通過這種方式在坩堝預(yù)成型件20的內(nèi)側(cè)處生成一個(gè)厚度均勻的、平均厚度為大約10 mm的開孔SiO2灰料層21，所述灰料層基本上沒有共軸的分層并且其密度為石英玻璃密度的25%。在沉積過程中，正在形成的灰料層21區(qū)域內(nèi)的表面溫度最大為1250°C。為了在一個(gè)薄的、大約為2 mm的表面層中實(shí)現(xiàn)提高大約(石英玻璃的密度的)80%的致密化，制成的灰料層21的表面在沒有進(jìn)行微粒沉積的情況下最后與沉積燃燒器24 —起被取出，其中，產(chǎn)生一個(gè)高出大約100°C的表面溫度。隨后，透氣的坩堝預(yù)成型件20連同多孔的具有致密化表面層的灰料層21在一個(gè)真空輔助的燒結(jié)過程中玻璃化。燒結(jié)與制造坩堝預(yù)成型件20在同一個(gè)設(shè)備中完成，并且在圖3中示意性展示。坩堝預(yù)成型件20連同在表面附近被致密化的灰料層21為此重新被放入熔融模具I內(nèi)并且用石英玻璃顆粒重新把熔融模具內(nèi)側(cè)與坩堝預(yù)成型件20外側(cè)之間的間隙完全填滿。在圍繞其縱軸線2旋轉(zhuǎn)的熔融模具I內(nèi)，電極5定位在灰料層21附近并且在電極5之間點(diǎn)燃一個(gè)電弧6。這些電極在此被施加了 600 kff (300 V, 2000 A)的功率，這樣使得在熔融模具內(nèi)部空間3中設(shè)定有高溫氣氛。通過這種方法在灰料層21上生成一個(gè)由致密的、但是含氣泡的石英玻璃形成的、厚度為大約0.5 mm的表層， 這個(gè)區(qū)域內(nèi)的更加致密的表面層對(duì)該表層有積極的影響。在形成致密的表層之后，通過底部區(qū)和下壁區(qū)內(nèi)的通孔8施加一個(gè)全真空(100mbar絕對(duì)壓力)，如有向箭頭11所示。在真空輔助的玻璃化過程中，一個(gè)熔體前沿從內(nèi)向外流動(dòng)，經(jīng)過整個(gè)灰料層21和坩堝預(yù)成型件20的一部分。在此，灰料層21玻璃化成一個(gè)透明的且高純度的內(nèi)層，沒有形成明顯的氣泡(從薄的表層看)。一旦熔融前沿距熔融模具壁約4 cm，停止抽真空。借此，坩堝預(yù)成型件20的和剩余的顆粒層床的背面在底部區(qū)和側(cè)壁區(qū)玻璃化成不透明的、含氣泡的石英玻璃。在熔體前沿快要抵達(dá)熔融模具I的壁前不久時(shí)，玻璃化停止。隨后，把在燒結(jié)時(shí)生成的氣泡含量較高的表層從燒結(jié)的層清除。為此，通過氫氟酸蝕刻去除大約0.4 mm的層厚度。所制造的石英玻璃坩堝的內(nèi)層具有一個(gè)3 mm的中位厚度。該內(nèi)層平滑、少氣泡且羥基含量為180重量ppm。它與之前的坩堝預(yù)成型件20是牢固連接的，所述坩堝預(yù)成型件形成石英玻璃坩堝一個(gè)透明的和一個(gè)不透明的外部區(qū)域。圖4至圖6中使用的參考數(shù)字與圖1至圖3中一致，借用這些數(shù)字描述該裝置中相同的和等價(jià)的組成部分。在某種程度上可以參考圖1至圖3說明。圖4中所示的熔融裝置與圖1中所示的裝置相符。為了制造一個(gè)28英寸的石英玻璃坩堝的坩堝預(yù)成型件，在熔融模具I的內(nèi)壁處借助模具刮板由晶體顆粒成型出一個(gè)厚度為大約15 mm的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的坩堝形顆粒層4并由此機(jī)械地固定，如上文借助圖1所述。向顆粒層4的內(nèi)側(cè)9噴射由去離子水和SiO2微粒組成的懸浮液。SiO^j粒是合成制造的，基本上是具有雙峰粒徑分布的球形顆粒，其中，分布的第一最大值為大約0.5 Mffl且第二最大值為大約40 Mm。懸浮液中的固體含量為65重量百分比。球形SiO2微粒部分地填充顆粒層4的中間空間。這些微粒的作用與糨糊類似(kleisterjihnliche),在一個(gè)厚度為3 mm至5 mm的表面區(qū)44內(nèi)會(huì)導(dǎo)致對(duì)顆粒層4的某種程度的致密化和固定，但是其中，所得到的坩堝預(yù)成型件40的透氣性保持不變。因此，這種坩堝預(yù)成型件是在本發(fā)明意義上的一種具有機(jī)械地固定的表面區(qū)44的多孔坩堝基底。隨后，在坩堝預(yù)成型件40的內(nèi)側(cè)上沉積SiO2灰料層41，如圖5示意性所示。在此，坩堝預(yù)成型件40留在熔融模具I內(nèi)，熔融`模具在沉積過程中圍繞其旋轉(zhuǎn)軸線2轉(zhuǎn)動(dòng)。通過常規(guī)火焰水解燃燒器24，在旋轉(zhuǎn)的坩堝預(yù)成型件40的內(nèi)側(cè)9產(chǎn)生一個(gè)灰料層41，其中，向燃燒器輸送氧氣和氫氣作為燃?xì)庖约鞍思谆h(huán)四娃氧燒(OMCTS)作為含娃的起始材料。為此，借助沉積燃燒器24從底部區(qū)開始沉積灰料層41，方法是將沉積燃燒器24沿著側(cè)壁28向上邊緣26方向移動(dòng)，如有向箭頭25所示。其中，沉積燃燒器器24沿著側(cè)壁描繪一個(gè)螺旋形的運(yùn)動(dòng)路徑。熱致密化的表面區(qū)44在此為灰料層41提供一個(gè)適當(dāng)?shù)?、機(jī)械上牢固的基礎(chǔ)。在沉積過程中，正在形成的灰料層41區(qū)域內(nèi)的表面溫度最大為1250°C。以此方式在坩堝預(yù)成型件40的內(nèi)側(cè)9處生成一個(gè)平均厚度為大約10 mm、厚度均勻、開孔的SiO2灰料層41，該層沒有分層并且密度為石英玻璃密度的25%。隨后，在同一個(gè)熔融模具I內(nèi)燒結(jié)內(nèi)部涂覆的坩堝預(yù)成型件40，如圖6中示意性所示。事先干燥坩堝預(yù)成型件40以及灰料層41。為此，通過導(dǎo)入氦氣并在電極5之間點(diǎn)燃一個(gè)電弧6,在熔融模具的內(nèi)部空間3內(nèi)生成一個(gè)由氦氣形成的高溫氣氛,這樣熔融模具的內(nèi)部空間的溫度就會(huì)升高到大約800°C。隨后，通過底部區(qū)和下壁區(qū)內(nèi)的通孔8施加真空，使熱的氦氣通過坩堝預(yù)成型件40被從熔融模具的內(nèi)部空間抽走，以便交換包含在顆粒層4的中間空間內(nèi)的氣體。抽吸關(guān)閉后，給電極短時(shí)間地加載一個(gè)600 kff (300 V, 2000 A)的功率，這樣造成
在熔融模具的內(nèi)部空間3內(nèi)溫度繼續(xù)升高，由此在灰料層41上形成一個(gè)由致密的但是含氣泡的石英玻璃形成的、厚度為大約0.5 mm的表層。在形成致密的表層之后，施加一個(gè)全真空(100 mbar絕對(duì)壓力)，如有向箭頭11所示。在真空輔助的玻璃化過程中，一個(gè)熔體前沿從內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過整個(gè)灰料層41和坩堝預(yù)成型件40的一部分。在此，灰料層41玻璃化成一個(gè)透明的且高純度的內(nèi)層，沒有形成明顯的氣泡(除了薄的表層)。一旦熔融前沿距熔融模具壁約4 cm，就停止抽真空。借此，坩堝預(yù)成型件40的和剩余的顆粒層床的背面在底部區(qū)和下側(cè)壁區(qū)中玻璃化成一個(gè)不透明的、含氣泡的石英玻璃。在熔體前沿抵達(dá)熔融模具I的壁前不久，玻璃化停止。隨后，把在燒結(jié)時(shí)生成的氣泡含量較高的表層從燒結(jié)層清除。為此，通過氫氟酸蝕刻去除大約0.4 mm的層厚。所制造的石英玻璃坩堝的內(nèi)層具有一個(gè)3 _的中位厚度。該內(nèi)層平滑、少氣泡且羥基含量為130重量ppm。它與之前的坩堝預(yù)成型件40是牢固連接的，所述坩堝預(yù)成型件形成石英玻璃坩堝一 個(gè)透明的和一個(gè)不透明的外部區(qū)域。
權(quán)利要求
1.用于制造帶有由合成制備的石英玻璃制成的透明內(nèi)層的石英玻璃坩堝的方法，包括以下方法步驟: (a)通過至少固定一個(gè)由SiO2顆粒形成的顆粒層(4)的表面來生成一個(gè)具有一個(gè)內(nèi)側(cè)(9)的透氣性坩堝基底(20 ;40)， (b)通過氣相沉積在該坩堝基底(20；40)的內(nèi)側(cè)(9)的至少一個(gè)部分表面上沉積一個(gè)多孔的SiO2灰料層(21 ;41)，并且 (c)借助電弧(6)并在經(jīng)真空熔融模具的壁進(jìn)行作用的真空下，對(duì)該多孔的SiO2灰料層(21 ;41)和坩堝基底(20 ；40)的至少一部分進(jìn)行真空輔助的燒結(jié)，形成該石英玻璃坩堝和該透明的石英玻璃內(nèi)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，按照方法步驟(a)通過熱致密化，優(yōu)選借助電弧(6)來固定該顆粒層(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照方法步驟(a)固定該顆粒層(4)包括機(jī)械壓制該顆粒層(4)或在顆粒層(4)上施用SiO2漿料。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)方法步驟(b)生成該多孔SiO2灰料層(21 ;41)，使其平均密度為石英玻璃密度的10%-35%，優(yōu)選為石英玻璃密度的15%-30%。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)方法步驟(b)生成該SiO2灰料層(21 ；41),使其層厚度為5 mm至50 mm。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該灰料層(21;41)在真空輔助燒結(jié)之前具有一個(gè)厚度少于5 mm、密度超過石英玻璃密度的50%的上灰料表層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，該灰料層(21)的生成和預(yù)致密化是借助一個(gè)灰料沉積燃燒器(24)在該上灰料表層區(qū)域中進(jìn)行的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該灰料層(21;41)在真空輔助燒結(jié)之前具有一個(gè)厚度低于0.5 mm的玻璃表層。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該SiO2灰料層(21)經(jīng)歷一個(gè)干燥過程用以降低羥基含量，其中，在一個(gè)坩堝基底內(nèi)部空間(3)的內(nèi)部設(shè)定一種干燥氣體氣氛，并且該干燥氣體被加熱并通過該多孔灰料層(41)從內(nèi)部空間向外部抽出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，該內(nèi)層的石英玻璃內(nèi)的中位羥基含量被調(diào)節(jié)到低于150重量ppm。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該坩堝基底(20)能夠圍繞一條中軸線(2)轉(zhuǎn)動(dòng)、并且具有一個(gè)底部區(qū)和一個(gè)與該底部區(qū)相連接的帶有上邊緣的環(huán)形側(cè)壁區(qū)，并且按照方法步驟(b)借助一個(gè)沉積燃燒器(24)在圍繞該中軸線(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的坩堝基底(20)處沉積該多孔的SiO2灰料層(21)，其方式為使該坩堝基底從該底部區(qū)開始按照一個(gè)螺旋形的運(yùn)動(dòng)路徑沿該側(cè)壁區(qū)向該上邊緣方向運(yùn)動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，按照方法步驟(b)借助一種包括多個(gè)沉積燃燒器的燃燒器安排來沉積該多孔的SiO2灰料層(21)。
全文摘要
本發(fā)明的基本目的是，提出一種低成本的石英玻璃坩堝制造方法，該坩堝具有透明的合成石英玻璃組成的一個(gè)內(nèi)層而且其特殊之處在于較長的使用壽命。按照本發(fā)明，該目的通過一種包括下述方法步驟的方法實(shí)現(xiàn)(a)通過至少固定一個(gè)由SiO2顆粒形成的顆粒層的表面來生成一個(gè)具有一個(gè)內(nèi)層的透氣性坩堝基底，(b)通過氣相沉積在坩堝基底的內(nèi)側(cè)的至少一個(gè)部分表面上沉積一個(gè)多孔的SiO2灰料層，以及(c)借助電弧并在經(jīng)真空熔融模具的壁進(jìn)行作用的真空下，對(duì)多孔的SiO2灰料層和坩堝基底的至少一部分進(jìn)行真空輔助燒結(jié)，同時(shí)形成石英玻璃坩堝和透明石英玻璃內(nèi)層。
文檔編號(hào)C03B19/09GK103118995SQ201180045176
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者A.霍夫曼, M.許納曼 申請(qǐng)人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司