Композиция непрозрачного кремнезема

 

Изобретение относится к композициям кремнезема, в частности к композициям непрозрачного кремнезема. Непрозрачный кварц (20) содержит кварц (12) и, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы (25). Твердый материал второй фазы (25) однородно диспергирован в кварце. Срезанная поверхность, образованная по всей поверхности кварца (20), не имеет поверхностных дефектов, так как твердый материал второй фазы (25) образует непрозрачный кварц (20), который не имеет пористости. Твердый материал второй фазы включает волокнистый оксид гафния, частицы оксида гафния, оксид редкоземельного металла, оксид магния, оксид титана, оксид кальция, оксид алюминия и фторид кальция. По меньшей мере один твердый материал второй фазы содержит или один тип или множество типов твердых включений. В качестве твердых включений второй фазы используют, по меньшей мере, одно включение, выбранное из оксидов редкоземельных металлов и оксида гафния и комбинации этих оксидов. Техническим результатом изобретения является получение композиции непрозрачного кварца без поверхностных дефектов и пористости. 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

Область изобретения Изобретение относится к композициям кремнезема. В частности изобретение относится к композициям непрозрачного кремнезема.

Предпосылки создания изобретения Кремнезем, иначе известный как диоксид кремния, представляет собой хорошо известный материал с желательными свойствами. Кремнезем имеет множество известных применений, его применяют для получения стекла, керамики, абразивных материалов, полупроводников и полупроводниковых устройств.

Для получения кремнезема можно применять множество различных способов. Конкретный способ получения кремнезема зависит от конечного применения и от желательной чистоты конечной композиции кремнезема.

Некоторые композиции кремнезема обладают значительной оптической прозрачностью, вплоть до получения композиции почти прозрачного кремнезема. Прозрачный материал кремнезема будет непрозрачным в том случае, когда материал кремнезема содержит центры светорассеяния, например пустоты.

Однако если конечное применение пористого непрозрачного кремнезема требует механической обработки, резки или иной обработки пористого непрозрачного кремнезема, имеющиеся в нем пустоты могут быть открыты на механически обработанной или срезанной поверхности. Кроме того, сам кремнезем в результате механической обработки, резки и технологической обработки может также повреждаться, особенно в пустотах, где существует значительная вероятность образования трещин, изломов или других нежелательных побочных эффектов, полученных вследствие механической обработки, резки и технологической обработки.

Механическая обработка, резка или иная обработка пористого непрозрачного кремнезема приводит к появлению открытой пористости на механически обработанной или срезанной поверхности пористого непрозрачного кремнезема, где поверхность наиболее вероятно содержит обнаженные и поврежденные пустоты. Такая обнаженная поверхность с обнаженными и поврежденными пустотами на механически обработанной или срезанной поверхности, иначе известными как поверхностные дефекты, является нежелательной, так как обнаженные, разрушенные или поврежденные пустоты будут улавливать и удерживать инородные вещества или примеси. Поэтому пористый непрозрачный кремнезем в том виде, в котором его сейчас получают, является не очень подходящим для некоторых применений, особенно когда является необходимой резка, технологическая или механическая обработка пористого непрозрачного кремнезема.

Эксплуатационные качества пористого непрозрачного кремнезема, полученные в результате его механической или иной обработки, могут сначала соответствовать некоторым применениям пористого непрозрачного кремнезема. Так например, пористый непрозрачный кремнезем может сначала соответствовать таким применениям, как тепловые экраны, блокаторы инфракрасного излучения и фланцы, которые обычно используют в полупроводниковой промышленности. Однако во время применения детали, изготовленные из пористого непрозрачного материала, могут проявлять нежелательные свойства, так как поверхность деталей корродирует и обнажаются новые пустотные поверхности.

Так, например, при применении пористого непрозрачного кремнезема в тепловых экранах пористый непрозрачный кремнезем сначала может оказаться приемлемым. Однако при применении пористого непрозрачного кремнезема в тепловых экранах, включающем непрерывное и повторное травление кислотой, которое является необходимым для очистки и удаления примесей из пористого непрозрачного кремнезема, которые осаждаются в результате конечного процесса, травление приводит к получению значительного количества открытой пористости на обнаженной поверхности пористого непрозрачного кремнезема. Открытая пористость на обнаженной поверхности пористого непрозрачного кремнезема может улавливать нежелательные обрезки и обломки, грязь и другие инородные вещества. Такое улавливание является, конечно, нежелательным, поскольку инородные вещества могут значительно изменить свойства пористого непрозрачного кремнезема. Поэтому пористый непрозрачный кремнезем не является идеальным и желательным материалом для применения в тепловых экранах.

Пористый непрозрачный кремнезем не является идеальным материалом в таком применении, как уплотнение, например, при употреблении фланца. Механически обработанные детали из кремнезема часто подвергаются стадии чистовой обработки. Стадия чистовой обработки включает, по меньшей мере, одну стадию, выбранную из глазурования и огневого полирования. Глазурование включает подачу на деталь горячего пламени, вследствие чего происходит плавление поверхностного слоя детали. Глазурованная поверхность детали, подверженной чистовой обработке, по существу не содержит пористости. Однако часто существуют, по меньшей мере, две проблемы, связанные с получением глазурованной поверхности, свободной от пористости. Во-первых, повторное травление может раскрыть закрытую пору и вызвать на поверхности появление пористости. Во-вторых, если поры в материале большие, даже глазурованная поверхность будет неровной. Такая неровная поверхность не будет обеспечивать хорошее вакуумное уплотнение. Поэтому механически обработанный пористый непрозрачный кремнезем или пористый непрозрачный кремнезем, подвергнутый чистовой обработке, обычно не является идеальным для целей герметизации с применением фланца.

Сущность изобретения Соответственно задачей изобретения является обеспечить непрозрачный кремнезем, у которого бы отсутствовали вышеперечисленные и другие недостатки, имеющиеся в данной области, и который бы при механической обработке, резке или иной обработке не проявлял нежелательных эффектов.

Задача решается тем, что непрозрачный кремнезем согласно изобретению содержит кремнезем и, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы, который включает волокнистый оксид гафния или частицы оксида гафния, при этом твердый материал второй фазы однородно диспергирован в кремнеземе. Срезанная поверхность на всем протяжении не имеет поверхностных дефектов, поскольку, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы образует непрозрачный кремнезем, который не имеет пористости.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет вид сбоку в разрезе механически обработанной поверхности непрозрачного кремнезема, который образован путем включения в кремнезем пустот.

Фиг.2 - вид сбоку в разрезе механически обработанной поверхности непрозрачного кремнезема, который образован путем внедрения в кремнезем включений.

Подробное описание изобретения Фиг. 1 изображает вид сбоку в разрезе пористого непрозрачного кремнезема 10. Пористый непрозрачный кремнезем 10 образован путем включения в кремнезем 12 пустот 15. Для того чтобы пористый непрозрачный кремнезем был подходящим для конечного использования, поверхность 11 пористого непрозрачного кремнезема подвергают резке, механической или технологической обработке, при этом резка, механическая или технологическая обработка являются необходимыми для того, чтобы пористый непрозрачный кремнезем 10 имел желательный внешний вид и форму.

Как проиллюстрировано на фиг.1, срезанная, механически или технологически обработанная поверхность 11 пористого непрозрачного кремнезема содержит полученные при резке обнаженные пустоты 16. Кроме того, как проиллюстрировано на фиг.1, по меньшей мере, одна из срезанных обнаженных пустот 16 является открытой и обнаженной на срезанной, механически или технологически обработанной поверхности 11. Таким образом, срезанная, механически или технологически обработанная поверхность 11 в результате резки, механической или технологической обработки приобретают повреждения 14. Повреждение 14 может иметь вид дефекта, например крошки 30, которая не полностью устраняется со срезанной, механически или технологически обработанной поверхности 11, вид щели 31, вид впадины или пустоты 32. Повреждения 14 будут появляться до тех пор, пока срезанные обнаженные пустоты 16 будут иметься на всей рабочей поверхности. Таким образом, режущий инструмент, механический станок или инструмент для обработки, когда он попадает в пустоту 15, может повредить кремнезем 12.

Срезанные обнаженные пустоты 16 также представляют собой впадины, в которых могут скапливаться инородные вещества или загрязнения. Накопление инородных веществ или загрязнений является, конечно, нежелательным, так как инородные вещества или примеси ухудшают свойства пористого непрозрачного материала 10 и потенциально загрязняют полупроводниковые материалы, которые обрабатывают с помощью оборудования, изготовленного из такого материала.

Поскольку, как обсуждалось выше, непрозрачные кремнеземы, которые образованы с пустотами или свободными пространствами, являются нежелательными, поэтому целесообразно обеспечить непрозрачный кремнезем, который не содержит пустот или свободных пространств. Таким образом, желательно обеспечить непрозрачный кремнезем, который не подвергается повреждениям при механической обработке и не содержит возможных участков загрязнения.

Непрозрачный кремнезем без пустот или свободных пространств, который представлен в изобретении, и вследствие этого не имеет пористости, образован путем включения в кремнезем, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы. Так, например, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы содержит твердые включения, но указанное ни в коей мере не ограничивает изобретение. По меньшей мере, один твердый материал второй фазы содержит, например, в непрозрачном кремнеземе включения соответственно заданного размера.

Фиг. 2 представляет собой вид сбоку в разрезе механически обработанной поверхности непрозрачного кремнезема, которая образована путем включения в кремнезем твердых материалов второй фазы. Непрозрачный материал кремнезема 20 образован путем включения в кварц 12, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы 25. Включение, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы 25 осуществляют до образования конечного кремнезема, например, путем включения а кварцевый песок, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы 25. Включение, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы 25 обеспечивает по существу непористый непрозрачный кремнезем с однородной дисперсией в кремнеземе 12, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы 25. По меньшей мере, один твердый материал второй фазы 25 включает один тип или множество типов твердых материалов второй фазы 25.

Срезанную, механически или технологически обработанную поверхность 21 непрозрачного кремнезема 20 образуют для ее конечного использования путем вышеупомянутых операций. Непрозрачный кремнезем 20, по меньшей мере, с одним твердым материалом второй фазы 25 включает по существу гомогенную смесь кремнезема 12 и, по меньшей мере, одного твердого материала второй фазы 25 без существенных дефектов. Резка, механическая или технологическая обработка обеспечивает непрозрачный кремнезем 20 желаемого внешнего вида и формы, а отсутствие существенных дефектов обеспечивает, по существу, плоскую срезанную, механически или технологически обработанную поверхность 21.

Как проиллюстрировано на фиг.2 срезанная, механически или технологически обработанная поверхность 21 непрозрачного кремнезема 20 представляет собой по существу плоскую, обычно ровную срезанную, механически или технологически обработанную поверхность 21. На по существу плоской, обычно ровной срезанной, механически или технологически обработанной поверхности 21 по сравнению с поверхностью 11 (фиг.1), не имеется поверхностных дефектов. По меньшей мере, один твердый материал второй фазы 25, который расположен на срезанной, механически или технологически обработанной поверхности 21 (далее поверхностные твердые материалы второй фазы 26), подвергается резке, механической или технологической обработке на таком уровне, который по существу является компланарным со срезанной, механически или технологически обработанной поверхностью 21.

По меньшей мере, один твердый материал второй фазы 25 в кремнеземе 12 обеспечивает с твердыми материалами, расположенными по всей поверхности непрозрачного кремнезема 20, одинаковый материал. Поэтому во время операции резки и мелкой насечки отсутствуют разрывы или пустоты. Для очерчивания поверхности 21 поверхностные твердые материалы второй фазы 26 вместе с кремнеземом 21 подвергаются резке, механической или технологической обработке. Вследствие отсутствия пустот и подобных дефектов срезанная, механически или технологически обработанная поверхность 21 не имеет поверхностных дефектов, так как резку, механическую или технологическую обработку осуществляют плавно, беспрепятственно и без дефектов.

Соответственно поверхностные твердые материалы второй фазы 26, у находящиеся на срезанной, механически или технологически обработанной поверхности 21, очерчивают по существу плоскую, обычно ровную поверхность 27, которая по существу соприкасается и является смежной со срезанной, механически и технологически обработанной поверхностью 21 непрозрачного кремнезема 20. Таким образом, на срезанной, механически или технологически обработанной поверхности 21, взятой вместе с поверхностными твердыми материалами второй фазы 26, включенными в кварц 12, в соответствии с изобретением отсутствуют обнаженные пустоты или участки, что находится в прямой противоположности с непрозрачным пористым кремнеземом 10, содержащим, как проиллюстрировано на фиг.1, срезанные обнаженные пустоты 16, которые являются открытыми и обнаженными на поверхности 11.

Кроме того, поскольку на поверхности отсутствуют открытые и обнаженные пустоты, риск того, что срезанная, механически или технологически обработанная поверхность 21 повредится, значительно уменьшается. Кроме того, благодаря тому, что поверхностные твердые материалы второй фазы 26 обычно компланарны со срезанной, механически или технологически обработанной поверхностью 21, по существу плоская, обычно ровная срезанная механически или технологически обработанная поверхность 21 не имеет впадин, в которых могут скапливаться инородные вещества или загрязнения. Поэтому по существу плоская, обычно ровная срезанная, механически или технологически обработанная поверхность 21 по существу не содержит инородных веществ или загрязнений при конечном применении, что является преимуществом непрозрачного кремнезема 20, представленного настоящим изобретением.

Химический состав и структуру твердых материалов второй фазы 25 и поверхностных твердых материалов второй фазы 26 выбирают таким образом, чтобы они были химически и композиционно стойкими. Так например, желательно, чтобы твердые материалы второй фазы 25 и поверхностные твердые материалы второй фазы 26 были химически и композиционно стойкими в средах получения кремнезема, например в вакууме, в инертной, агрессивной, окислительной, восстановительной и водородной среде при высоких температурах. Кроме того, твердые материалы второй фазы 25 и поверхностные твердые материалы второй фазы 26 выбирают таким образом, чтобы они были химически и композиционно стойкими в средах конечного применения непрозрачного кремнезема 20.

Твердые материалы второй фазы 25 и поверхностные твердые материалы второй фазы 26, которые включены в кремнезем 12, в соответствии с изобретением выбирают таким образом, чтобы они были химически стойкими по отношению к самому кремнезему 12. Твердые материалы второй фазы 25 и поверхностные твердые материалы второй фазы 26, которые включены в кремнезем, являются также химически и композиционно подходящими в особенности для технологии полупроводников.

Твердые материалы второй фазы 25 и поверхностные твердые материалы второй фазы 26 в соответствии с настоящим изобретением выбирают таким образом, чтобы они имели показатель преломления, значительно отличающийся от показателя преломления кремнезема 12. Показатель преломления для кварцевого стекла составляет примерно 1,45. Любое отклонение от значения показателя преломления в материале второй фазы в меньшую или большую сторону будет приводить к появлению желаемого эффекта непрозрачности. Чем больше отклонение, тем больше эффект непрозрачности. При применении твердых материалов второй фазы 25 и поверхностных твердых материалов второй фазы 26, обладающих показателем преломления, который значительно отличается от показателя преломления кремнезема 12, рассеяние света непрозрачным кремнеземом 20 в соответствии с изобретением оптимизируется. Оптимизация показателя преломления является желательной.

Размер частиц твердых материалов второй фазы 25 и поверхностных твердых материалов второй фазы 26, например включений, должен соответствовать диапазону освещенности, в котором применяют непрозрачный кремнезем. Такой выбор включений соответствующего размера для твердых материалов второй фазы 25 и поверхностных твердых материалов второй фазы 26 обеспечивает требуемое увеличенное рассеяние света.

Так например, для света, близкого к инфракрасному, размер частиц твердых материалов второй фазы 25 и поверхностных частиц твердых материалов второй фазы 26, применяемых, например, в качестве включений, должен быть в диапазоне между 1 и 5 микронами, но это никоим образом не ограничивает изобретение. Твердые материалы второй фазы 25 и поверхностные твердые материалы второй фазы 26, например включения, которые удовлетворяют рассеянию света, близкого к инфракрасному, включают волокнистый диоксидциркониевый материал и частицы диоксида циркония. Однако данный пример со светом, близким к инфракрасному, является только описательным и служит только в качестве примера, и он никоим образом не ограничивает изобретение. Другие типы твердых материалов второй фазы 25 и поверхностных твердых материалов второй фазы 26, которые обеспечивают желаемое светорассеяние, также входят в объем изобретения.

Теперь будет описан пример композиции непрозрачного кремнезема и пример способа его получения. Эти примеры, однако, не следует рассматривать как примеры, ограничивающие изобретение. Они служат лишь пояснительным примером многих композиций и способов, находящихся в объеме этого изобретения.

Непрозрачный кремнезем в соответствии с изобретением образуют путем включения в кремнезем диоксидициркониевых волокон. Диоксидциркониевое волокно имеет диаметр около 5 микрон. Диоксидциркониевые волокна сначала смешивают с кварцевым песком. Затем осуществляют процесс вакуумной плавки кварцевого песка и диоксидциркониевых волокон, который является известным в данной области. Полученная композиция непрозрачного кремнезема включает по существу однородную дисперсию диоксидциркониевых волокон. Степень непрозрачности полученной композиции может быть отрегулирована путем изменения плотности диоксидциркониевых волокон, которые смешивают до по существу однородной дисперсии с кварцевым песком.

Другие огнеупорные материалы, например оксиды и фториды, но не только они, и в особенности такие, которые не растворимы в кремнеземе, также входят в область этого изобретения, и их применяют в качестве твердых материалов второй фазы, которые могут быть смешаны с кремнеземом для обеспечения его непрозрачности. В область изобретения в качестве твердых материалов второй фазы входят, например, огнеупорные оксиды. Такие огнеупорные оксиды включают оксиды редких земель, например, по меньшей мере, один из оксида иттрия, оксиды лантанидов, оксиды актинидов и оксид гафния и комбинации этих материалов. Огнеупорные материалы, которые входят в область изобретения, включают, кроме того, по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из оксида магния, оксидов титана, оксида кальция, оксида алюминия и фторида кальция. Некоторые материалы второй фазы могут вызвать окрашивание, которое может быть нежелательным. Примеры материалов второй фазы, которые не вызывают окрашивание, включают диоксид циркония, оксид гафния и оксид иттрия.

Хотя вышеприведенный пример описывает оксид в форме волокон, он является лишь одной из нескольких форм твердых материалов второй фазы, смешиваемых с кремнеземом для обеспечения его непрозрачности. Для обеспечения непрозрачного кремнезема оксид, который представляет твердые материалы второй фазы, подлежащие смешиванию с кварцем, может быть обеспечен в любой подходящей форме. Подходящие формы включают гранулированные материалы, волокнистые материалы и комбинации гранулированных и волокнистых материалов.

Растворимые оксиды, применяемые в качестве твердых материалов второй фазы, могут по-разному взаимодействовать с кремнеземом 12. Поэтому растворимые оксиды в качестве твердых материалов второй фазы могут обеспечить различные степени непрозрачности кремнезема. Дисперсия растворенного оксида приведет к получению в кремнеземе оптической неоднородности. Результатом оптической неоднородности является непрозрачность кремнезема.

Далее приведен пример получения кремнезема в соответствии с изобретением. Он служит только в качестве примера и ни в коей мере не ограничивает изобретение.

Для получения непрозрачного кремнезема брали диоксидциркониевое волокно в количестве от около 0,5 до около 1% по весу, в соответствии с изобретением смешивали его с кварцевым песком. Затем осуществили процесс плавки в вакууме кварцевого песка и диоксидциркониевого волокна. Полученный непрозрачный кремнезем по существу не имел внутренней пористости. Кроме того, полученный непрозрачный кремнезем хорошо связывался с другими материалами, так, например, полученный непрозрачный кремнезем хорошо связывался с прозрачным кремнеземом, не имеющим присадок.

Пропускание света, имеющего частоту около 4000 см^-1, через кусок непрозрачного кремнезема, содержащего диоксид циркония в количестве 1% по весу, имеющего толщину 3 мм и полученного, как указывалось выше, составляет около 1,2%. Полученный непрозрачный кремнезем, обработанный механически, подверженный резке или другой обработке, после резки, технологической или механической обработки обладает поверхностью, не имеющей пустот, причем такая поверхность может быть отполирована до получения зеркальной обработки, которая по существу не содержит поверхностных дефектов, которые получаются вследствие пустот.

Другие полученные композиции непрозрачного кремнезема в соответствии с настоящим изобретением получили при использования около 1% по весу и около 2% по весу частиц диоксида циркония путем описанного выше процесса. Пропускание света и очертания поверхности непрозрачного кремнезема на срезанной, механически или технологически обработанной поверхности по существу подобны вышеописанным.

Хотя описанные здесь варианты являются предпочтительными, из представленного описания следует, что специалистами в данной области могут быть осуществлены различные комбинации вариантов, элементов или усовершенствований, которые входят в объем настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Непрозрачный кремнезем, отличающийся тем, что он содержит кремнезем и, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы, который включает волокнистый оксид гафния, или частицы оксида гафния, при этом твердый материал второй фазы однородно диспергирован в кремнеземе.

2. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы содержит твердые включения.

3. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере, один твердый материал второй фазы включает один тип твердого материала второй фазы.

4. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы включает множество типов твердых материалов второй фазы.

5. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы включает, по меньшей мере, один твердый материал, содержащий огнеупорные оксиды.

6. Кремнезем по п. 5, отличающийся тем, что огнеупорные оксиды включают, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из оксида иттрия, оксидов лантанидов, оксидов актинидов, оксида гафния и комбинации этих оксидов.

7. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы содержит включения, имеющие диаметр в диапазоне от около 1,0 до около 5,0 мкм.

8. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы содержится в непрозрачном кремнеземе в количестве от около 0,5 до около 2,0 вес. %.

9. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что он не имеет внутренней пористости.

10. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы содержит оксид редкоземельного металла.

11. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один твердый материал второй фазы включает, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из оксида магния, оксидов титана, оксида кальция, оксида алюминия и фторида кальция.

12. Кремнезем по п. 1, отличающийся тем, что срезанная поверхность, образованная по всей поверхности кремнезема, по существу не имеет поверхностных дефектов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2