專利名稱：內部玻璃化SiO的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制造內部玻璃化SiO2坩堝的方法。
背景技術：
許多技術領域使用多孔性、無定形的SiO2成形體。其實例包括過濾材料、絕熱材料或熱屏蔽體。再者，借助于燒結或熔合可由無定形、開孔的SiO2成形體制成任何類型的石英物品。例如，在此情況下高純度的開孔SiO2成形體可用作玻璃纖維或光學纖維的“預成形品”。用以抽拉單晶、尤其硅單晶的坩堝更可以此方式制得。若待制石英物品相對于每種原子雜質具有極高的純度，那么使用熱氣體或熱接觸表面將導致由待燒結和/或待熔合石英物品原子雜質造成的不希望污染。
所以，原則上僅借助于輻射，經由非熱式無接觸加熱可減低或防止原子雜質的污染。以同一申請人的名義，2001年11月29日遞交的專利申請DE 10158521揭示了一種方法，其中借助于二氧化碳激光，經由無接觸加熱，于若干分區內或全部將無定形開孔SiO2壞體加以燒結或玻璃化，從而避免原子雜質的污染。因該方法是在標準壓力下實施，燒結或玻璃化過程中，在玻璃化區內可能形成氣泡。
2002年12月20日的專利申請DE 10260320中，此問題獲得解決，該無定形開孔SiO2坯體在施加低于1000毫巴的減壓下，借助于二氧化碳激光，經由無接觸加熱，于若干分區內或全部加以燒結或玻璃化。
目前依照Czochralski法抽拉硅單晶所用市售坩堝的直徑為14至36寸。但在所述方法中，二氧化碳激光束的焦斑直徑相當小。所以，在內部玻璃化過程中，并非坩堝的全部內表面可同時加熱至玻璃化。所以需要代之以掃描作用，即激光焦斑于坩堝內側作全表面連續移動。采用此方法的結果是有許多熱及冷坩堝區直接彼此相鄰。此種情形經常導致形成裂痕。
發明內容
本發明的目的是提供一種用以制造內部玻璃化SiO2坩堝的方法，其中借助于二氧化碳激光束的焦斑將無定形開孔SiO2坯體坩堝加以燒結，以避免坩堝內形成裂痕。
在燒結過程中焦斑相對于坩堝移動可達到此目的，借助于點狀焦斑，燒結作用自該SiO2坯體坩堝的上內邊緣開始，并繼續使點狀焦斑擴入至預期焦斑的大小，焦斑掃過SiO2坯體坩堝的上內邊緣直至上內邊緣完全玻璃化，之后該焦斑移進SiO2坯體坩堝內。
已熔及未熔坩堝材料間的靜態邊緣經常導致坩堝內形成裂痕。在燒結過程中若SiO2坯體坩堝未曾移動則形成靜態邊緣。尤其在燒結加工開始時此種風險即已存在。在燒結作用開始時將焦斑加以連續放大，并使坩堝與焦斑間連續相對移動，本發明的方法可防止已熔化與未熔化坩堝材料間形成靜態邊緣。
由于SiO2坯體坩堝的內表面大于坩堝上激光焦斑的面積，所以需要通過激光焦斑掃描(亦即連續全表面覆蓋)坩堝的內側。對本發明極其重要的是通過玻璃化坯體而同時形成不中斷的無裂痕表面及通過部分燒結本體而增加強度，且不污染該成形體或改變其原有幾何形狀。
激光束功率有利地為3千瓦至20千瓦，優選10千瓦至20千瓦。焦斑尺寸有利地為2厘米至20厘米，優選8厘米至20厘米。
實施曝光的輻射功率密度有利地為每平方厘米50瓦至500瓦，優選100至200瓦/平方厘米，更優選130至180瓦/平方厘米。每平方厘米的功率必須至少足夠實施燒結作用，雖然原則上焦斑可呈任何形狀，但優選為圓形。
例如，若用機器人連續移動SiO2坯體坩堝，則該SiO2坯體坩堝將整個表面曝光。機器人的運動可決定焦斑在坩堝上的軌道，例如，該軌道可以下列方式加以描述，所引用的數值最好應用于輸出功率為3千瓦至20千瓦的二氧化碳激光系統，并且其焦斑直徑可借助于望遠鏡鏡頭在2厘米至20厘米之間可變地調節。
將未經激光光束觸及、角速度為0.1°/秒至0.7°/秒的旋轉坩堝移入激光光束內，使得點狀光束自坩堝內側的邊緣開始，并于至少四分之一轉內達到預期焦寬。若也擬將坩堝壁上緣的部分或全部加以玻璃化，則需以小部分焦斑直徑加以覆蓋。覆蓋百分比例視焦斑大小及坩堝壁厚度及預定玻璃化的區域而定。
將激光束拓寬至其預期焦斑大小，有利地在坯體坩堝四分之一轉至整個一轉內實施，優選在坯體坩堝四分之一轉至半轉內，更優選在坯體坩堝四分之一轉內。
之后，以激光焦斑與坩堝上緣保持一定距離，使坩堝以角速度為0.1°/秒至0.7°/秒轉動直至坩堝完成整個一轉(360°)為止。之后，自坩堝邊緣至坩堝底部中央，坩堝內面的其余部分有利地以螺旋形狀加以全面覆蓋。焦斑優選連續移入SiO2坯體坩堝內，使得緊鄰剛燒結部分立即實施燒結作用。將位于坩堝對稱軸內平面的轉速及移動予以加速，使得焦斑單位時間在中部所掃面積保持恒常不變。為達成最后整個坩堝內部玻璃化的最大均勻深度，個別軌跡的重疊量應有利地為0至50％，優選10至30％。雖然為優選達成均勻玻璃化效果而對坩堝的角速度有所上限，但在坩堝底部燒結過程中，其甚至可高過0.7°/秒)。
當然，原則上，也可類似地將靜止SiO2坯體坩堝曝光于旋轉的激光束，或在整個燒結加工過程中，坩堝及激光束彼此作相對運動時，使坩堝及激光束沿相同或相反方向旋轉。
就本發明的觀點而言，術語燒結也包含坯體玻璃化作用。SiO2坯體表面的燒結作用以在1000至2500℃溫度下實施，優選1300至1800℃，更優選1400至1600℃。
在此情況下最好避免通過蒸發作用而發生SiO2的局部侵蝕。
在超過1000℃溫度下，借助于由成形體熱表面至成形體內部的熱傳導作用，可達成超過玻璃化內層的SiO2成形體的部分至全部燒結。
在一個優選實施方案中，于整個加工過程中，待燒結或待玻璃化的SiO2坯體坩堝系保存在低壓下或真空中。
若操作是在低壓下實施，壓力優選低于標準壓力1013.25毫巴，更優選0.01至100毫巴，特別優選0.01至1毫巴。
在減壓下實施燒結，所需激光功率降低0至50％，優選10至30％，因為物品是封裝于真空室內，導致與周圍環境的能量交換減少。
在另一優選實施方案中，為制得絕對無泡玻璃層，操作也可在真空中實施。
在另一實施方案內，在整個加工過程中，待燒結的SiO2坯體坩堝亦可存放在氣體環境中。若某種氣體或若干氣體在熔融玻璃內易于擴散，如此可大幅減少氣泡。氦環境是適當氣體的一個特例，因為氦在熔融玻璃內擴散得特別好。自然，氣體環境結合減壓也屬可能。既然是這樣，減壓的氦環境則更佳。
具體實施例方式
本發明將參考兩個實施例作更詳細說明如下。
實施例1制造開孔式、多孔性、無定形的14寸大小坩堝型SiO2坯體制造工作的實施與DE-A1-19943103所述的方法相似。
借助于塑料涂覆的混合器，在真空中，在無氣泡及無金屬污染的情況下，將高純度的熱解及熔凝硅石均勻地分散于二次蒸餾水內。如此所制分散液的固體含量為86重量％(95％熔凝硅石及5％熱解硅石)。借助于陶瓷工業常用的滾筒法，于涂覆塑料的外模內將該分散液制成14寸坩堝。于80℃溫度下初始烘干1小時之后，將該坩堝自模中取出并置于微波爐內，在約90℃溫度下烘干2小時。經烘干的開孔坩堝，其密度約為1.62克/立方厘米及壁厚為9毫米。
實施例2實施例1所制14寸坯體坩堝的內部玻璃化借助于一束功率為8千瓦至12千瓦的二氧化碳激光及六軸機器人的移動將該14寸坯體坩堝加以曝光。該激光是用望遠鏡鏡頭加以配合，該望遠鏡鏡頭所供平行激光束的直徑為0.08米至0.12米。該機器人是利用適于坩堝幾何形狀的程序加以控制。在保持坩堝旋轉(角速度為0.38°/秒)的情況下，在四分之一轉內，將初期未曾接觸激光束的坩堝移至激光束內，使得坩堝的內側曝光于激光束的90％直徑內。10％的激光束覆蓋坩堝的上緣或偏離坩堝(請參閱
圖1a，軌道1)。在軌道1的其余部分，是按激光焦斑與坩堝上緣間的距離，以270°角度范圍及0.38°/秒的角速度，用激光掃過坩堝。之后焦斑的位置在90°角度范圍內自軌道1換至軌道2(圖1b)。保持激光焦斑與坩堝上緣間的距離恒常不變，隨后以270°角度范圍及0.38°/秒的角速度，用激光掃過坩堝。此程序繼續下去(圖1c至圖1e)，使得坩堝內表面的其余部分(自坩堝底部中央開始)以螺旋形狀整個表面覆蓋，其中夾角(α)經調節(圖1c至圖1e)。將坩堝對稱軸所占平面內的轉速及移動加速，使得焦斑單位時間在中部掃過的面積恒常不變。
由于坩堝的幾何形狀，在坩堝加工過程中，激光輻射并非以恒常不變的角度撞擊坯體表面(請參閱圖1a至圖1e)。作為加工參數入射角的變化是由激光功率加工參數加以補償，從而可達成坩堝內側的均勻玻璃化。
在相同加工步驟內，除坩堝內表面玻璃化外，通過自坯體熱表面經由本體的熱傳導可達成本體的部分燒結。于激光加工之后，SiO2坩堝整個表面玻璃化，自內側至約2毫米厚度處無裂痕，坩堝仍保持其原有幾何形狀，且本體部分燒結。玻璃化過程中的收縮作用并不改變坩堝的外部幾何形狀，而是改變璧厚及因此間接改變內部幾何形狀。
權利要求
1.一種制造無裂痕、內部玻璃化SiO2坩堝的方法，在該方法中，利用CO2激光束的焦斑燒結無定形、開孔SiO2坯體坩堝，其中在燒結過程中，使焦斑相對于坩堝移動，燒結作用利用點狀焦斑自SiO2坯體坩堝的上內邊緣開始，并繼續使點狀焦斑擴大至預期焦斑尺寸，焦斑掃過SiO2坯體坩堝的上內邊緣直至上內邊緣完全玻璃化，然后焦斑移至SiO2坯體坩堝內。
2.如權利要求1的方法，其中所述激光束的功率為3千瓦至20千瓦，優選為10千瓦至20千瓦，并且焦斑尺寸為2厘米至20厘米，優選為8厘米至20厘米。
3.如權利要求1或2的方法，其中實施曝光的輻射功率密度為每平方厘米50瓦至500瓦，優選100至200瓦/平方厘米，更優選130至180瓦/平方厘米。
4.如權利要求1-3之一的方法，其中所述SiO2坯體坩堝經全表面曝光。
5.如權利要求1-4之一的方法，其中所述激光束擴大至預期焦斑尺寸是在坯體坩堝四分之一轉至完全一轉內實施，優選在坯體坩堝四分之一轉至半轉內，更優選在坯體坩堝四分之一轉內。
6.如權利要求1-5之一的方法，其中所述坩堝內壁的曝光是以0.1°/秒至0.7°/秒的角速度實施。
7.如權利要求1-6之一的方法，其中所述SiO2坯體坩堝以激光焦斑與坩堝上緣的恒定距離轉動，直至坩堝完成整個一轉(360°)，坩堝內面的其余部分隨后以螺旋形狀全表面覆蓋，自坩堝邊緣擴展至坩堝底部中央，焦斑繼續移入SiO2坯體坩堝內。
8.如權利要求1-7之一的方法，其中所述SiO2坯體坩堝的燒結是在1000至2500℃的溫度下實施，優選1300至1800℃，更優選1400至1600℃。
9.如權利要求1或3-8之一的方法，其中所述SiO2坯體坩堝是保持在減壓下或真空內。
10.如權利要求9的方法，其中所述SiO2坯體蚶堝是保持在0.01至100毫巴下，優選在0.01至1毫巴下。
全文摘要
一種制造無裂痕、內部玻璃化SiO
文檔編號C30B15/10GK1572733SQ20041004757
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月27日 優先權日2003年5月28日
發明者弗里茨·施韋特費格, 延斯·京斯特, 斯文·恩格勒, 于爾根·海因里希 申請人:瓦克化學有限公司