石英玻璃坩埚及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种石英玻璃的构造元件，尤指坩埚，而构造元件的基本型体则覆盖了一具有比石英玻璃更高的软化温度的稳定层。基于此，提出一石英玻璃的构造元件，其特征为，高度的机械强度及热强度，并提出一简单且低成本的方法，用以制造该构造元件。针对构造元件，根据本发明专利技术的建议，其稳定层（３、６、７、３８）的化学成份应与石英玻璃不同，并应以热喷涂方式加以制造。根据本发明专利技术所述的方法，其特征为，该与石英玻璃的化学成份不同的稳定层（３、６、７、３８），以热喷涂方式来加以制造。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具高度热稳定性的石英玻璃的构造元件，尤指石英玻璃坩锅，该构造元件具有一基本型体，其中至少一部份外表面覆盖有一具有比石英玻璃更高的软化温度的稳定层。此外，本专利技术还涉及一种制造一具高度热稳定性石英玻璃的构造元件的方法，尤指石英玻璃坩锅，该方法是制造出构造元件的基本型体，并在其至少一部份外表面上覆盖上一层比石英玻璃更高软化温度的稳定层。石英玻璃的构造元件经常应用在以高纯度为重点的制造程序上。然而石英玻璃的温度稳定性，却在此处形成一个限制因素。文献中指出，大约1150℃的温度为石英玻璃的一较低软化点。但是必要的处理温度，往往又高于前述温度，甚至还可能造成石英玻璃构造元件的变形。例如从熔融的硅中抽取单晶时，其融化温度约为1480℃左右。因此，有人便建议在前述元件上，覆盖上一层方石英做为表层，以便提高石英玻璃元件的热稳定性。方石英的融点大约为1720℃。以此方式所设计的石英玻璃坩锅及其制造方法，可由欧洲专利EP-A 748 885中获知。市场上可以取得的石英玻璃坩锅，其玻璃状外壁以化学溶液加以处理，该溶液所含物质起到集核作用，能够用来促进石英玻璃的脱玻璃化，使其变成方石英。促成结晶化的物质，建议采用碱土族、硼、和磷的化合物。钡氧化物为最佳选择。当石英玻璃坩锅在单晶成长过程中加热时，以此方式所处理过的壁面就会结晶化，而形成方石英。其外壁的结晶化，将使石英玻璃坩锅产生一较高机械强度及热强度。然而，由于集核化的控制非常困难，所以其外壁或内壁结晶化，需花费极大工夫才得以再制造，由于坩锅表面上促进结晶化的物质分布所导致，而且结晶的生长亦如此。在运送或处理石英玻璃坩锅过程中，其促进结晶化的物质有可能磨损。因此，对于结晶化是否如预期的方式来发生，通常无法预先得知，只能在使用石英玻璃坩锅时加以检查。而且，结晶化只会在长晶过程中开始发生，换句话说，在此一处理过程中，石英玻璃坩锅的变形，很可能已经发生。由美国专利US-A 4,102,666中可得知，在一构造元件中、以及在一前述类型方法中，这些缺点大部份皆已避开。该案建议，为石英玻璃扩散管的热稳定性而制造的稳定层，应以管子外表面喷上一层方石英粉末的方式来制作，然后再把该粉末融化在前述表面上。在融化过程中，通常都会有一部份非晶质的SiO2，即石英玻璃，由结晶相形成。重新再转化到非结晶相的程度，取决于融化程序时间、以及融化温度，因此，实际上难以控制。融化程度不足的方石英粉末层容易剥落，但是在过度融化情况下，方石英粉末又会因为转化到非结晶相的缘故，而失去其稳定效果。另一个困难则出现在运用左赫拉尔斯基方法(Czochralskimethod)来制作单晶生长时，将已知构造元件以石英玻璃坩锅形式来加以应用。在这个方法中，一个方向已预先设定好的晶胚将被植入融液中，然后再缓缓拉起。晶胚和融液以相反方向旋转。晶胚及融液之间的表面张力，具有一能让少量融液随着晶胚被移走的效果，然后再随着融液的逐渐冷却，而固定该持续成长的单晶上面。但是晶胚也可能碎裂，而使此所谓的「起始程序」必须重新再开始一遍。单晶成长的时间区间，一般可高达数小时之久，所以处理程序的时间就会相对地拖延很久，而石英玻璃坩锅对于热、以及化学的负荷程度，也会相对增加。本专利技术的目的在于，提出一种石英玻璃的构造元件，其特征为，高机械强度及热强度，并提出一种简单且低成本的方法，用以制造该构造元件。对于该构造元件而言，由开头所述构造元件，可经由本专利技术加以完成，其中，该稳定层的化学成份与石英玻璃不同，而且该层由加热喷涂方式制造。根据本专利技术，该构造元件具有一基本型体，此一基本型体具有一表面，其中至少有一部份表面覆盖有一稳定层，而该层的化学成份与石英玻璃并不相同。前述稳定层具有两个功能●稳定层有益于构造元件的热稳定，这是其一。要实现此目的，一方面要让该层具有一比石英玻璃更高的软化温度，另一方面则是让稳定层的化学成份与石英玻璃基本型体的成分不相同。其化学成份的差异性具有一功效，即不会让方石英相出现在稳定层里，或仅让少数方石英核出现。如此一来，即可避免构造元件在做方石英转化时形成裂缝、或变得脆弱。●此外，有人已经发现，当一具有覆层的构造元件被用来做为抽取结晶的石英玻璃坩锅时，即可改善所谓融液的「起始行为」。结晶的起始程序可经由融液的振动加以避免。我们可以假设，由于基本型体及稳定层的界面的化学成份受到改变，所以坩锅振动特性，就会以如下方式产生变化让共振的形成变得困难或受到抑止，而使单晶的起始程序变得更加容易。由于稳定层在抽取开始之前，已完全发展完毕，所以在抽取程序一开始，该优良效果就已被发现，而这个效果则决定起始行为。此外，稳定层的特征为，该层经由热喷涂方式制造。利用热喷涂方式制造覆层的方法，原则上为公知的方法。前述该概括性名词，则包含下列既有技术在内火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂。具有既定结构、覆层厚度及微结构的稳定层，均可经由热喷涂加以制造。构造元件是指例如一种在抽取结晶时所用的石英玻璃坩锅，或一种在反应器内用来制造半导体元件的石英玻璃钟，或管子、平台等等。原则上，稳定层不能影响到构造元件的基本功能，所以只建造在表面上一合适的位置。当稳定层含有高度融化的氧化物、硅酸盐、磷酸盐及/或硅化物时，已被发现具有优点。该类稳定层的特征为高度的热稳定性及机械强度。利用热喷涂方式，就可能制造出具有既定结构、覆层厚度及微结构的稳定层。稳定层含有Al2O3及/或莫来石、氧化铪、氧化钽、硅酸锆、二硅化钼、稀土族磷酸盐及氧化物，属较佳的情况。该覆层可均匀地施加在石英玻璃表面上，且不会产生裂缝或空隙，其特征为高度的热稳定性及机械强度。磷酸铈及磷酸钇可以提出来做为稀土族磷酸盐的范例，而氧化锆则可以提出来做为稀土族氧化物的范例。合适的稳定层厚度范围在50μm至1000μm之间。当覆层厚度低于50μm时，稳定效果就不足够。当厚度大于1000μm时，则会有剥落的危险。当稳定层由多层具不同化学成份的覆层叠在一起所构成时，已被发现具有优点。利用不同成份的覆层所叠合而成的覆层，可使稳定层的机构及耐热性质能够匹配一些特定需求。而且，经由一层或多层的中介层，就可以成功地调和石英玻璃及稳定层最外层的膨胀系数的差异。当稳定层由一层莫来石覆层、再加一层Al2O3做为外层所组成时，在此处特别有用。莫来石是二氧化硅及氧化铝的化合物，并具有一介于石英玻璃及Al2O3之间的膨胀系数。对于方法而言，基于开头所述方法，根据本专利技术，以下列方式实现与石英玻璃具不同化学成份的稳定层，采用喷涂稳定物质的方式施加上去。根据本专利技术，稳定层采用热喷涂的方式，施加在基本型体至少一部份外表面上。采用热喷涂来施加覆层的方式，为现有技术，该技术则可在石英玻璃的表面上，制造出一层完全融合、没有隙缝、均匀、而且软化温度比石英玻璃更高的覆层。该概括性名词「热喷涂」，包含下列现有技术在内火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂。在首次使用构造元件前，稳定层必须采用热喷涂方法来施加在构造元件外表面上。如此一来，即可保证稳定层的热稳定效果，能够在使用构造元件时直接形成，而不是如前述公知方法，仅在使用构造元件时逐渐形成。当构造元件被用来做为石英玻璃坩锅时，其稳定层的热稳定效果，以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高度热稳定性的石英玻璃构造元件，尤其是坩锅，该构造元件包括一基本型体，其中至少一部份外表面覆盖有一具有比石英玻璃更高的软化温度的稳定层，其特征为，前述稳定层（３、６、７、３８）的化学成份与石英玻璃不同，而且该稳定层通过热喷涂方式制造。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：W维尔德克，R格尔哈德特，J莱斯特，
申请(专利权)人：赫罗伊斯石英玻璃股份有限两合公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]