СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ КВАРЦЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1996 года по МПК C30B15/10 C30B29/18 

Изобретение относится к производству керамических изделий на основе диоксида кремния и может быть использовано при изготовлении особочистых кварцевых тиглей, используемых в полупроводниковом производстве.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления изделий из синтетического диоксида кремния, по которому получение диоксида кремния осуществляется путем парофазного гидролиза тетрахлорсилана в кислородно-водородном пламени. Диоксид кремния напыляется на графитовую оправку и частично спекается на ней, образуя заготовку для кварцевого изделия с плотностью 8-15% от теоретической плотности кварцевого стекла. Заготовка помещается в вакуумную печь и остекловывается при 1700-2000 К. Для уменьшения усадки при остекловывании края оправки, на которой производится остекловывание, делают меньшего диаметра, а после окончания процесса части кварцевого изделия с меньшим диаметром отрезают.

Данный способ позволяет получать кварцевые тигли, однако кварцевое стекло содержит примеси хлора и углерода. Применение графитовой подложки для напыления диоксида кремния в присутствии кислорода ограничивает температуру процесса и определяет недостаточную плотность напыленных заготовок и, соответственно, большую усадку при остекловывании. Кроме того, глубокая очистка тетрахлорсилана от некоторых металлических примесей затруднена, а в результате гидролиза тетрахлорсилана выделяется большое количество хлористого водорода, что загрязняет окружающую среду и требует создания дополнительной технологической цепочки для очистки отходящих газов от продуктов реакции.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение чистоты синтетических кварцевых тиглей, увеличение извлечения диоксида кремния, расширение сырьевой базы и исключение выбросов хлорсодержащих продуктов в окружающую среду.

В отличие от прототипа, включающего напыление диоксида кремния, образующегося в результате разложения летучего соединения кремния, в потоке кислородно-водородной плазмы на жаростойкий формообразователь с последующим остекловыванием напыленной заготовки в вакууме, в предлагаемом решении формообразователь изготовлен из кремния полупроводниковой чистоты и в качестве летучего соединения кремния используют моносилан, при мольном соотношении моносилана и кислорода 1:(10-30) и температуре 1373-1573 К. Для исключения образования диоксида кремния на срезе горелки и зарастания каналов подачи реагентов водород подают по щелевому каналу между каналами подачи моносилана и кислорода в мольном соотношении к кислороду 1:(0,3-0,5). Моносилан выделяют методом низкотемпературной ректификации из парогазовой смеси, предназначенной для получения высокоомного кремния, и используют без дополнительной очистки.

Использование формообразователя из кремния полупроводниковой чистоты для осаждения диоксида кремния позволяет исключить загрязнение напыляемых заготовок и увеличить температуру процесса, что положительно сказывается на плотности напыляемых заготовок и извлечении диоксида кремния из моносилана. Мольное соотношение моносилана и кислорода при напылении заготовок, а также температура процесса, определяют технико-экономические показатели процесса напыления. При мольном соотношении моносилана и кислорода более 1:10 происходит неполное окисление моносилана в пламени и на заготовку частично осаждается моноокись кремния, при соотношении менее 1:30 резко возрастает плотность заготовок, что затрудняет формование заготовки в кварцевый тигель при дальнейшем остекловывании. Температура менее 1373 К не обеспечивает достижения требуемых значений скорости образования диоксида кремния и плотности напыленных заготовок, при температуре более 1573 К увеличивается содержание микропримесей в кварцевых тиглях.

Для напыления используется трехканальная горелка в виде коаксиальных трубок. Для исключения протекания реакции между моносиланом и кислородом непосредственно на срезе горелки, вследствие чего происходит заростание канала подачи моносилана, по щелевому каналу между каналами подачи моносилана и кислорода подают инертный по отношению к моносилану газ водород, который экранирует моносилан и отделяет начало фронта горения моносилана от среза горелки. Мольное соотношение вводимого водорода и кислорода влияет на температуру процесса и длину факела. При соотношении более 1:0,3 не обеспечивается достаточное экранирование среза горелки, при соотношении менее 1:0,5 повышается температура в зоне реакции, происходит образование стеклообразных частиц кварца в пламени, которые осаждаются на поверхности заготовки в виде неоднородных включений, ухудшающих качество получаемых тиглей.

Чистота получаемых кварцевых тиглей обеспечивается использованием моносилана, выделенного при низкотемпературной ректификации из парогазовой смеси, предназначенной для получения высокоомного кремния. Низкое содержание примесей в выделенном продукте позволяет использовать его без дополнительной очистки для получения высокочистых синтетических кварцевых тиглей.

П р и м е р 1. Напыление заготовки для кварцевого тигля проводили на литой кремниевый формообразователь диаметром 232 мм с помощью трехканальной коаксиальной горелки, в которую по трубопроводам подавали моносилан, водород и кислород. Расстояние от среза горелки до формообразователя составляло 140-150 мм. В центральный канал горелки подавали моносилан с расходом 140 л/ч, в следующий, окружающий его канал, водород с расходом 7000 л/ч, а в наружный кислород с расходом 3000 л/ч. Температура в зоне реакции составляла 1500 К. Образующийся в результате горения моносилана мелкодисперсный диоксид кремния осаждали на формообразователь со скоростью 3,75 г/мин в виде заготовки с плотностью 0,5-0,6 г/см³. Извлечение диоксида кремния из моносилана составило 60% время напыления 240 мин, общая масса заготовки 900 г. Отходящие газы содержат пары воды и мелкодисперсный диоксид кремния, который затем улавливают и используют в качестве наполнителей при изготовлении стройматериалов.

По окончании процесса напыления заготовку на формующей графитовой оправке помещают в термокамеру печи остекловывания. Термокамеру вакуумируют, включают нагреватель и при температуре 1800 К производят остекловывание напыленной заготовки в течение 15-20 мин. При этом плотность заготовки увеличивается до 2,21 г/см³, заготовка становится прозрачной. Дальнейшие операции по обработке кварцевого тигля включают резку и шлифовку кромки, травление и огневую полировку внутренней поверхности. Полученный тигель отличается высокой чистотой. Суммарное содержание примесей не превышает 0,57 ррmw, в том числе бора не более 4 ррbw, фосфора не более 4 ррbw.

П р и м е р 2. Напыляли заготовку для синтетического кварцевого тигля диаметром 330 мм с помощью трех горелок, описанных в примере 1. Общий расход моносилана составлял 900 л/ч, кислорода 10000 л/ч, водорода 25000 л/ч, а температура в зоне реакции 1550 К. При этом скорость напыления составила 23,3 г/мин, извлечение 58% время напыления 137 минут для получения заготовки массой 3200 г. После проведения термической, механической, химической и огневой обработки получили кварцевый тигель диаметром 330 мм, высотой 260 мм и толщиной стенки не менее 4 мм. Суммарное содержание примесей 0,6 ppmw, бора ppbw, фосфора 4 ppbw.

Применение предлагаемого способа получения синтетических кварцевых тиглей по сравнению с известным позволяет улучшить качество тиглей за счет снижения содержания примесей примерно на порядок, увеличить извлечение диоксида кремния из сырьевого продукта и исключить выбросы хлорсодержащих соединений в окружающую среду.

Использование: в полупроводниковой промышленности. Сущность изобретения: способ включает напыление диоксида кремния, полученного в производстве разложения летучего соединения кремния в потоке кислородно-водородной плазмы на жаростойкий формообразователь с последующим остекловыванием напыленной заготовки в вакууме. Напыление заготовок кварцевых изделий (тиглей) производят на формообразователь из кремния полупроводниковой чистоты с использованием в качестве летучего соединения кремния моносилана при мольном соотношении последнего и кислорода 1:(10 - 30) при 1373 - 1573 К. Водород подают по щелевому каналу между каналами подачи моносилана и кислорода в мольном соотношении к кислороду 1:(0,3 - 0,5). Моносилан выделяют методом низкотемпературной ректификации из парогазовой смеси, предназначенной для получения высокоомного кремния, и используют без дополнительной очистки. Способ позволяет улучшить качество тиглей за счет снижения содержания примесей примерно на порядок, увеличить извлечение диоксида кремния из сырьевого продукта и исключить выбросы хлорсодержащих соединений в окружающую среду. 2 з. п. ф-лы.

1. Способ получения синтетических кварцевых изделий, включающий напыление диоксида кремния, полученного в процессе разложения летучего соединения кремния в потоке кислородно-водородной плазмы, на жаростойкий формообразователь с последующим остекловыванием напыленной заготовки в вакууме, отличающийся тем, что в качестве летучего соединения кремния используют моносилан при мольном соотношении последнего и кислорода 1 (10 - 30), формообразователь берут из кремния полупроводниковой чистоты, а напыление ведут при 1373 1573 К. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород подают по щелевому каналу между каналами подачи моносилана и кислорода в мольном соотношении к кислороду 1 (0,3 0,5). 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что моносилан выделяют методом низкотемпературной ректификации из парогазовой смеси, предназначенной для получения высокоомного кремния, и используют без дополнительной очистки.