Способ получения кварцевых тиглей

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству крупногабаритных кварцевых тиглей, которые могут быть использованы в производстве полупроводниковых материалов. Техническим результатом изобретения является возможность изготовления кварцевых синтетических тиглей широкого ассортимента, в том числе тиглей больших размеров, диаметром свыше 330 мм, повышение чистоты синтетических кварцевых тиглей. Способ получения кварцевых тиглей включает получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла, ее стабилизацию, формование литьем в пористую форму, сушку и обжиг. Причем после литья в пористую форму на полученный кварцевый тигель методом шликерного литья дополнительно наносят суспензию синтетического диоксида кремния, полученного путем гидролиза тетрахлорида кремния. 2 табл.

 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству крупногабаритных кварцевых тиглей для плавления кремния, применяемого в полупроводниковой промышленности.

Известен способ получения синтетических кварцевых изделий путем напыления диоксида кремния, полученного в процессе разложения летучего соединения кремния в потоке кислородно-водородной плазмы, на жаростойкий формообразователь с последующим остекловыванием напыленной заготовки в вакууме (патент РФ 2061111, МПК С30В 15/10 С30В 29/18, 1996.05.27.).

Недостатком данного способа является невозможность изготовления кварцевых тиглей большого диаметра (свыше 330 мм) методом напыления. Это обусловлено низкой плотностью сырца, составляющей 0,5-0,6 г/см³, в результате чего заготовки большеразмерных тиглей разрушаются под собственным весом.

Кроме того, в процессе эксплуатации такие изделия могут «расстекловываться» и разрушаться, так как аморфный кремнезем при высокой температуре рекристаллизуется в кристобалит, вызывая локальные изменения объема.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является способ изготовления крупногабаритных тиглей из кварцевой керамики (патент РФ 2264365, МПК С04В 35/14, 2005.11.20), включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла (SiO₂>99,5%), ее стабилизацию, введение зернистого заполнителя (50-400 мкм), формование литьем в пористые формы, сушку и обжиг или гидротермальную обработку.

Недостатком данного способа является отсутствие необходимой чистоты исходного плавленного кварца.

В заявляемом способе поставлена цель получения такого изделия, которое удовлетворяет следующим условиям:

- возможность изготовления кварцевых синтетических тиглей широкого ассортимента, в том числе тиглей больших размеров, диаметром свыше 330 мм;

- повышение чистоты синтетических кварцевых тиглей.

Достигается это тем, что в способе изготовления кварцевых тиглей, включающем получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла, ее стабилизацию, формование литьем в пористые формы, сушку, обжиг, после литья в пористую форму на полученный кварцевый тигель дополнительно наносят методом шликерного литья суспензию синтетического диоксида кремния, полученного путем гидролиза тетрахлорида кремния.

В отличие от прототипа в предлагаемом решении после литья в пористую форму на полученный кварцевый тигель дополнительно наносят методом шликерного литья суспензию синтетического диоксида кремния, полученного путем гидролиза тетрахлорида кремния.

Сущность способа получения кварцевых тиглей заключается в следующем:

готовили концентрированную суспензию кварцевого стекла, проводили ее стабилизацию в течение 12 часов, после чего отливали в пористую форму, сушили при температуре 120°С, подвергали обжигу при 550-750°С в течение 1 часа, чтобы полуфабрикат сохранял способность впитывать влагу, в результате получили кварцевый тигель, а затем методом шликерного литья на его внутреннюю поверхность наносили суспензию синтетического диоксида кремния, полученного гидролизом тетрахлорида кремния, полученный образец сушили и отжигали при 1100-1200°С.

Нанесение дополнительного слоя из синтетического диоксида кремния позволяет получить материал высокой плотности (1,95-1,99 г/см³) и низкой пористости (7-5%).

При изменении температуры обжига тигля из кварцевого стекла с 550 до 700°С способность впитывать влагу у стенок полуфабриката снижается, продолжительность набора массы внутреннего тигля из синтетического диоксида кремния увеличивается, вследствие чего плотность готовых изделий увеличивается, а пористость снижается (табл. 1).

Таблица 1 Влияние температуры отжига тигля из кварцевого стекла на плотность и пористость готового изделия с нанесенным дополнительным слоем синтетического диоксида кремния, отожженного при температуре 1150°С
t°C	550	600	650	700	750	800
Плотность предварительно отформованного тигля, г/см3	1,6	1,73	1,75	1,83	1,85	1,85
Плотность готового изделия, г/см3	1,83	1,90	1,95	1,99	1,99	1,9
Пористость готового изделия, %	13,0	9,5	7,0	5,0	5,0	9,5

Кроме того, обеспечивается высокая чистота внутренней стенки тигля из синтетического диоксида кремния, контактирующей с расплавом при выращивании монокристаллов кремния, поскольку суммарное содержание примесей не превышает значения 1,32·10^-3 мас.% (табл. 2).

Таблица 2 Химический состав синтетического порошка диоксида кремния, 10-4 мас.%
Cu	Ti	Ni	Са	Cr	Fe	Mg	В	Na	К	Cl	SiO2
≤0,07	≤0,5	≤0,3	≤2,0	≤0,04	≤10,0	≤0,08	≤0,04	≤0,08	≤0,04	≤0,05	остальное

Конкретный пример осуществления способа.

Для получения кварцевого тигля диаметром 406 мм отходы прозрачного кварцевого стекла в виде боя трубок подвергали механической активации. Затем готовили концентрированные суспензии, стабилизацию которых осуществляли перемешиванием в течение 8 часов. Готовую формовочную массу отливали в пористую форму. Первичную сушку осуществляли при комнатных условиях (20-25°С) в течение 24 часов. Дальнейшую сушку проводили при 120°С на протяжении 12 часов. Отжигали при 700°С в атмосфере воздуха в течение 1 часа, в результате получили кварцевый тигель.

Для получения следующего высокочистого слоя керамики диоксид кремния готовили золь-гель - методом из тетрахлорида кремния полупроводниковой чистоты. Гель подвергали сушке при температуре 260°С. Ксерогель отжигали при 1150°С в течение 2 часов. Полученный порошок подвергали механической активации.

На основе диоксида кремния высокой чистоты готовили суспензию, которую стабилизировали перемешиванием в течение 2 часов. Готовую формовочную массу методом шликерного литья наносили на внутренние стенки предварительно полученного кварцевого тигля. Затем образец сушили в течение 24 часов при комнатных условиях, в течение 12 часов - при 120°С, отжигали при 1150°С в течение часа в атмосфере воздуха.

Предлагаемый способ получения синтетических кварцевых тиглей позволяет получить качественные тигли широкого диапазона размеров, упростить схему очистки исходного природного кварца и, кроме того, решить экологическую проблему, заключающуюся в утилизации тетрахлорида кремния, образующегося в процессе переработки трихлорсилана - токсичного отхода полупроводникового производства.

Способ изготовления кварцевых тиглей, включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла, ее стабилизацию, формование литьем в пористую форму, сушку и обжиг, отличающийся тем, что после литья в пористую форму на полученный кварцевый тигель методом шликерного литья дополнительно наносят суспензию синтетического диоксида кремния, полученного путем гидролиза тетрахлорида кремния.