专利名称：石英玻璃物质的增强方法及增强的石英玻璃坩埚的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石英玻璃物质的增强方法，特别涉及用于拉制半导体用硅单晶的石英玻璃坩锅的增强方法，以及一种增强的石英玻璃坩锅。
背景技术：
用于制造半导体夹具的石英玻璃物质及用于拉制硅单晶的石英玻璃坩锅，通常工作在高于1000℃的高温下。当温度高于1200℃时，石英玻璃的粘度降低，变形成了一个问题。对于石英玻璃坩锅，由于硅的熔点是1410℃，而坩锅要工作在高于硅熔点的高温下，因此，通常将坩埚放置于碳基座上以保持坩锅的形状。近来，随着硅晶片直径增大，大尺寸的硅坩锅已经投入使用，其直径通常大于28英寸，也就是700毫米。同时，随着坩锅中硅金属装载量增加，拉制时间变长，因此坩锅接受了更多的热负荷。结果，存在坩锅变形的问题。例如，坩锅的侧壁倒塌到碳基座的里面，或者坩锅由于自重而下陷。在硅单晶的拉制过程中，当坩锅产生严重变形时，拉制过程必须停止，由此会产生很大经济损失。
关于增强石英玻璃物质的方法的现有技术，已知以下方法通过向石英玻璃中掺入杂质来提高玻璃的粘度，或者用结晶促进剂，比如钡等使石英玻璃结晶而增强所述物质(日本专利公开号平8-2932和平9-110590)。但是，在这些方法中，因为使用了杂质，所以在极其不想使用杂质的半导体领域存在问题。另一方面，已经提出了以下技术以取代使用杂质的方法在石英玻璃坩锅的表面镶嵌石英晶体颗粒，当在高温熔化多晶硅时，粘附的颗粒用作晶核使石英玻璃结晶化(日本专利公开号2000-169283)。关于这种技术，虽然使用石英颗粒而可以避免杂质造成的污染，但是存在的问题是由于在石英晶体颗粒之间存在无定形相，一部分晶体层随着周围结晶化的进行而造成的热膨胀系数不同，变得很容易分离。此外，晶体层容易变得不均匀。
发明内容
本发明解决了上面所述的常规问题，并且其目的在于提出了一种技术，其中，石英玻璃物质的表面有效且均匀地结晶而得到增强，无需向石英玻璃物质或石英玻璃坩锅中引入杂质。
在本发明中，对于石英玻璃物质或石英玻璃坩锅，提供了下面所述的增强技术。
一种石英玻璃物质的增强方法，该方法包括在石英玻璃物质的表面形成一层石英玻璃粉末，和在高温下使石英玻璃粉末层结晶来增强石英玻璃物质。
如[1]所述的方法中，其中所述的石英玻璃物质是石英玻璃坩锅，并通过以下步骤增强在石英玻璃坩锅的全部或部分表面上形成一层石英玻璃粉末，和在熔化加入到石英玻璃坩锅内的硅金属的时候，在高温下将坩锅表面上的石英玻璃粉末层结晶化。
如上面[1]或[2]所述的增强方法，其中，在石英玻璃物质或石英玻璃坩锅表面上形成的石英玻璃粉末层，通过在低于结晶点的温度下烧结，成为石英玻璃粉末的多孔层。
如上面[1]、[2]或[3]所述的增强方法，其中，石英玻璃粉末层通过下述步骤形成将石英玻璃粉末制成含粘合剂的浆料，将所述浆料涂覆到石英玻璃物质的表面或石英玻璃坩锅的表面，和固化所涂覆的浆料。
根据上面从[1]到[4]中任意一个所述的增强方法，其中，所述的石英玻璃粉末层由粗和细的石英微粒组成，超过所述粉末总重量20％的微粒是细石英，其颗粒尺寸小于10微米；剩下的粉未是颗粒尺寸小于150微米的粗石英微粒。
一种石英玻璃坩锅，其中在坩锅的全部或部分表面上形成石英玻璃粉末层。
如[6]所述的石英玻璃坩锅，其中在坩锅的外表面上全部或以环形结构，或全部的内表面，或不与熔化的硅接触的部分内表面上以环形结构形成石英玻璃粉末层。
如[6]或[7]所述的石英玻璃坩锅，其中在坩锅的全部或部分表面上形成了石英玻璃粉末层，石英玻璃粉末层由粗的和细的石英微粒组成，其中超过所有粉末总重量20％的微粒是细石英，其颗粒尺寸小于10微米；剩下的粉未是颗粒尺寸小于150微米的粗石英微粒。
一种拉制硅单晶的方法，该方法包括使用在坩锅的全部或部分表面上有石英玻璃粉末层的石英玻璃坩锅，以及在熔化加入到坩锅内的硅的时候，在高温下将坩锅表面的石英玻璃粉末层结晶化，使石英玻璃坩锅得到增强。
发明详述本发明的方法是在石英玻璃物质的表面形成石英玻璃粉末层，并通过在高温下使所述石英玻璃粉末层结晶而增强石英玻璃物质。当此方法应用到石英玻璃坩锅上时，本发明为增强石英玻璃坩锅的方法。在石英玻璃坩锅的全部或部分表面上形成石英玻璃粉末层，在拉制过程中并在高温条件下，使坩锅表面的石英玻璃粉末烧结和结晶。
在本发明中，石英玻璃粉末是在石英玻璃坩锅的表面上起促进结晶作用的材料。当石英玻璃被制成细粉时，粉末的表面能升高，相对于块体的石英玻璃更容易结晶。当温度升到约1000℃左右时，石英玻璃粉末层开始烧结形成成多孔的玻璃层，并在石英玻璃的表面上沉积成一层坚固的粘接层。此外，当温度升到1300℃左右时，因为结晶过程是从多孔层的表面开始的，因此相对于块体的二氧化硅物质，多孔层的结晶速度也较快。由于多孔层的结晶，石英玻璃物质的强度得到提高，这样就可以阻止高温下的变形。随着在高温条件下持续时间的延长，石英玻璃物质会产生自结晶，因此其强度得到进一步的提高。
另外，如上所述，已知这样一种方法，其中在玻璃坩锅的表面嵌入结晶石英颗粒以作为结晶核，使其周围的无定形玻璃相在加热时结晶。但是，这种方法的问题是，由于石英同石英玻璃的热膨胀系数不同，石英颗粒从坩锅的表面脱离出来，特别是在573℃时发生从α-石英到β-石英的相变。但当使用石英玻璃粉末时就不会产生这样的问题，得到的结晶相很均匀。
作为细石英玻璃粉末层，优选的是石英玻璃粉末中包含粗细两种石英微粒，其中超过所述粉末总重量20％的微粒是细石英，且颗粒尺寸小于10微米；剩下的粉未是颗粒尺寸小于150微米的粗石英微粒。由于颗粒尺寸大于150微米的粉末很难结晶，因此不是优选的。颗粒尺寸小于150微米的粉末容易结晶，当粉末中超过20重量％的颗粒尺寸小于10微米是更优选的。此外，所述的石英玻璃粉末层中包含粗和细颗粒也是优选的。通常，石英玻璃粉末在烧结时会产生收缩，但是，由于石英玻璃粉末层中含有粗、细的颗粒，其收缩率可以控制在百分之几的范围内，从而有可能形成无裂纹的均匀结晶相。另一方面，如石英玻璃粉末层由具有窄颗粒尺寸分布的粉未组成，也就是说，大部分的颗粒具有相同的大小，甚至颗粒小于10微米时，就会产生裂纹，这是由于在高温烧结的过程中，所述石英玻璃粉末层的收缩率超过了10％，在这种条件下，当粉末层结晶时，其强度将下降。
形成石英玻璃粉末层的方法不受限制。比如说，可以将含石英玻璃粉末和水的浆料涂覆在干燥的石英玻璃物质或石英玻璃坩锅的表面上。为了在将坩锅安置或送入到拉单晶机熔炉中时保证上述粉末层不脱落，优选在低于结晶点的温度下将坩锅表面的石英玻璃粉末层烧结成多孔玻璃层。由于烧结作用，多孔玻璃层被烧固在坩锅表面上，不易脱落。烧结温度范围在1000℃～1300℃是优选的，更优选的是在1200℃左右。含有多孔玻璃层的石英玻璃坩锅，通过在硅单晶的拉制过程中在高温下加热而由所述多孔层结晶并增强该坩锅。
形成石英玻璃粉末层的另一种方法是，可以在含石英玻璃粉末的浆料中加入粘合剂，将所述浆料涂覆在需增强的石英玻璃物质的表面上以形成石英玻璃粉末层。优选粘合剂是有机物，比如丙烯酸树脂或醋酸乙烯酯等，其可以随着拉单晶机的熔炉内温度的升高而蒸发。通过添加粘合剂以增加浆料的粘性可以较容易地完成涂覆。如果不希望发生粘合剂的蒸发过程，则上述烧结法是优选的。通过这些方法在石英玻璃坩锅上形成的石英玻璃粉末层，在硅单晶的拉制过程中，通过高温下的烧结作用形成多孔层，并由所述多孔层开始和进行结晶过程。
另外，作为粘合剂，可以使用烷氧基硅烷低聚物的部分水解产物。在这种情况下，在形成石英玻璃粉末层后，可以将含有烷氧基硅烷低聚物部分水解产物的溶液喷涂在所述粉末层上，并在100℃～500℃下烘烧。由烷氧基硅烷形成的硅质材料可以阻止石英玻璃粉末层分离。
在这种情况下，本发明所使用的烷氧基硅烷低聚物的部分水解产物是通过以下过程得到的将烷氧基硅烷低聚物在受控反应条件下水解，当除去醇后，每一个所生成的OH基团相互结合得到硅溶胶。作为合适的原料，可以使用一种或多种硅烷化合物，该硅烷化合物含有至少一个、优选两个以上、更优选的是三个以上的烷氧基团。具体来说，可以提及四乙氧基硅烷(＝硅酸乙酯)、四丙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷；各种硅烷耦合物，如乙烯基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷等也被提及。其中硅酸乙酯最便宜且易水解，是优选的。
这些烷氧基硅烷被预先水解为部分水解产物使用，部分水解过程是在酸催化剂存在的条件下进行的，这些催化剂为如盐酸等无机酸，或如对—甲苯磺酸等有机酸，以及水。然后通过调节反应条件来获得烷氧基硅烷低聚物的部分水解产物，这些反应条件包括是否使用酸催化剂、酸催化剂的量、反应系统中水解用水的量、反应温度及反应时间。
上述任意一种方法中，优选采用以下方法形成石英玻璃粉末层，即以超过1mg/cm2(以所含石英玻璃计)的浓度将浆料涂覆在硅物质或坩锅的表面上，所述浆料中超过粉未总重量20％以上的是颗粒尺寸小于10μm的石英颗粒，涂覆的石英玻璃粉未层的厚度超过0.1mm较为合适。若其厚度小于0.1mm，则其强度不足以阻止石英玻璃物质发生变形。
当通过形成石英玻璃粉末层来增强石英玻璃坩锅时，可以将石英玻璃粉末层形成在坩锅的外表面上。关于石英玻璃粉末层的粘附范围，可以在坩锅全部或部分外表面上形成所述层。当石英玻璃粉末层在坩锅的部分表面上形成时，可以使粉末层呈环状，这样可以包覆住坩锅的外围；也可以呈其它形状。另外，当在坩锅的内表面上形成所述层时，可在坩锅内壁上部没有接触到坩锅内呈熔融状态的硅的环状结构形成所述层。
作为常规的石英玻璃物质，在形成细石英玻璃粉末层后，在高温下使形成的石英玻璃粉末层结晶以增强石英玻璃物质。作为常规的石英玻璃坩锅，在将加入到坩锅内的硅质原料熔化的时候，将坩锅表面的石英玻璃粉末层在高温下加热结晶，所述的坩锅的全部或部分表面上含有石英玻璃粉未层。这样，坩锅表面的结晶与硅质原料的熔化同时进行。如果坩锅表面在放入拉晶机之前就结晶，晶体会由于晶相与玻璃相热膨胀系数的不同以及在温度升高时发生的从α到β的相变而受到损伤。
通过上述的石英玻璃粉末层的结晶使石英玻璃物质或石英玻璃坩锅得到增强，并且阻止了其在高温下的变形。在上述增强方法中，不需要使用杂质；而且由于利用石英玻璃粉末本身特性而使细石英玻璃粉结晶，从而不会混入杂质。因此，上述增强方法适用于高纯度材料的生产，如通过拉伸法生产硅单晶。更进一步说，在硅单晶的拉伸过程中，通过使用坩锅全部或部分表面含有细石英玻璃粉末的石英玻璃坩锅，并在将装入所述坩锅的硅质原料熔化的时候，在高温下将坩锅表面上的石英玻璃粉末结晶从而使坩锅得到增强，可以拉制没有杂质掺入的高纯硅单晶。
实施例下面，将通过实施例进一步说明本发明。
实施例1对于宽2cm，长9cm，厚1cm的石英玻璃片，将其由两点支撑进行自重弯曲测试。两点间距7cm。温度在1500℃，保持时间10小时，温度升高的时间为2小时。测量中央部分的下降深度，并评估高温下的变形。这些结果如表1所示。
使用FUSO CHEMICAL CO.，LTD.，生产的细球形石英粉末作为细石英玻璃粉末。其所含杂质，碱金属少于1ppm及重金属少于0.1ppm。取平均颗粒尺寸7微米的玻璃粉末4.5克，平均颗粒尺寸1微米的玻璃粉末0.5克，平均颗粒尺寸0.3微米的玻璃粉末0.25克，并加入超纯水混合粉末制成浆料。将制成的浆料涂覆在石英玻璃片的一面，涂层厚度为0.5毫米。
将平均颗粒尺寸为230微米的高纯合成石英粉通过球磨机研磨制成浆料，这些合成石英粉作为坩锅的原料。首先，将2.3千克合成石英粉，6.8千克直径10毫米的高纯度石英球，及765克超纯水放入尼龙罐中研磨40小时。得到的玻璃粉末由58重量％的颗粒尺寸小于10微米的细颗粒，和42重量％的颗粒尺寸大于10微米的粗颗粒组成。至于得到的玻璃粉末中杂质的量，碱金属及其它重金属小于1ppm。将制成的浆料涂覆在石英玻璃片的一面上，涂层厚度为0.5毫米。
将平均颗粒尺寸为230微米的高纯合成石英粉通过球磨机研磨制成浆料，这些石英粉作为坩锅的原料。首先，将1千克合成石英粉，4.3千克直径5毫米的高纯度氧化铝球，及333克高纯水放入高纯氧化铝罐中研磨30小时。得到的粉末是由68重量％的颗粒尺寸小于10微米的细颗粒，和22重量％的颗粒尺寸大于10微米的粗颗粒组成的混合粉末。至于得到的玻璃粉末中杂质的量，铝为500ppm，碱金属及其它重金属小于1ppm。将制成的浆料涂覆在石英玻璃片的一面上，涂层厚度为0.5毫米。
作为比较例，将晶体天然石英粉末通过球磨机研磨制成浆料，这些粉末将作为坩锅的原料。首先，取1千克天然石英粉末，4.3千克直径为5毫米的高纯度氧化铝球，及333克超纯水放入高纯氧化铝罐中研磨30小时。在得到的玻璃粉末中，颗粒尺寸大于10微米的细颗粒占总重量的55％。至于得到的玻璃粉末中杂质的量，铝为550ppm，碱金属及其它重金属小于3ppm。将制成的浆料涂覆在石英玻璃片的一面上，涂层厚度为0.5毫米。
作为对比参照物，将4克超纯水加入到5.25克平均颗粒尺寸为1微米的细球状石英粉中制备浆料，这些细石英粉具有相同颗粒尺寸。将制成的浆料涂覆在石英玻璃片的一面上，涂层厚度为0.5毫米。
作为对比参照物，测试未经涂覆的样品。
样品1、2及3上根据本发明涂覆了石英玻璃粉末，变形量显著地小。通过X光衍射分析，证实了样品1、2及3上的涂层是方石英晶体层。
至于样品2的变形量小于样品1的变形量的原因，可以认为是由于在石英玻璃研磨成粉时在玻璃粉末中产生的应力，导致结晶作用得到增强的缘故。
至于样品3的变形量小于样品1的变形量的原因，可以认为是由于混入铝以及在石英玻璃研磨成粉时在粉末中产生的应力导致结晶作用得到增强的缘故。至于样品3的变形量又小于样品2的变形量，其原因可以认为是由于当石英玻璃用氧化铝球磨成粉时掺入了铝从而导致结晶作用得到进一步增强的缘故。
对于样品4而言，虽然使用了结晶石英粉，但是对玻璃物质几乎起不到增强作用。测试后对样品4进行摩擦，涂覆层很容易磨损。所述层容易磨损的原因是由于采用结晶石英粉末，所述层在加热时没有被烧结。
对于样品5而言，虽然使用了颗粒尺寸相同的细微粒，但也几乎起不到作用。观察发现试验后样品5出现了无数裂纹。虽然经过X光衍射分析证实了表面涂覆层为方石英晶体，但由于裂纹的产生使样品5的强度没有得到提高，易产生变形，这被认为是其涂覆层无效的原因。
实施例2将与实施例1中样品3相同的石英玻璃粉末形成的浆料涂覆在用于拉制半导体的石英玻璃坩锅的外表面上，并在1200℃下加热该涂覆浆料从而焙烧该涂层，其中，浆料不产生结晶。将焙烧后的浆料层摩擦，所述层牢固粘结在坩锅表面，不易磨损。另外，将坩锅用盐酸清洗。使用此坩锅进行硅单晶的拉制试验，其中，进行多次拉制试验，拉伸硅单晶4次。作为对比，对没有涂覆上述涂层的坩锅进行了同样的拉制试验。每次拉制试验使用5只坩锅进行。结果，作为比较例的4只坩锅都产生了变形，因此只得中断拉制试验；另一方面，作为本发明的5只坩锅在测试中都没有产生变形。
根据本发明，石英玻璃物质或石英玻璃坩锅由于石英玻璃粉末的结晶作用而得到增强，并且可以阻止在高温下发生变形。至于本发明的方法，由于采用石英玻璃粉末的特性而使石英玻璃坩锅结晶，因此没有混入杂质。因此，所述方法适用于高纯度材料的生产，比如通过拉伸法生产硅单晶。
权利要求
1.一种增强石英玻璃物质的方法，该方法包括在石英玻璃物质表面上形成一个石英玻璃粉末层，和在高温下使石英玻璃粉末结晶从而增强石英玻璃物质。
2.如权利要求1所述方法，其中，所述的石英玻璃粉末层是在低于结晶点的温度下加热并烧结石英玻璃粉末从而在石英玻璃物质的表面上得到的多孔层。
3.如权利要求1和2所述的方法，其中，所述的石英玻璃粉末层是通过将石英玻璃粉末制成浆料，再将浆料涂覆在石英玻璃物质的表面，并固化所涂敷的浆料而形成的。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述浆料包含粘接剂。
5.如权利要求1、2和3所述的方法，其中，所述的石英玻璃粉末层由粗、细石英微粒组成，超过所述粉末总重量20％的微粒是细石英，其颗粒尺寸小于10微米；剩下的粉末是颗粒尺寸小于150微米的粗石英微粒。
6.一种用于增强石英玻璃坩锅的方法，包括在石英玻璃坩锅的全部或部分表面上形成一石英玻璃粉末层，以及在高温下使坩锅表面的石英玻璃粉末层结晶化来增强石英玻璃坩锅。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述高温是指熔化加入到所述石英玻璃坩锅内的硅质原料时的温度。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述的石英玻璃粉末层是在低于结晶点的温度下加热并烧结石英玻璃粉末从而在石英玻璃坩锅的表面上得到的多孔层。
9.如权利要求6和8所述的方法，其中，所述的石英玻璃粉末层是通过将石英玻璃粉末制成浆料，再将浆料涂覆在石英玻璃坩锅的表面，并固化所涂敷的浆料而形成的。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述浆料包含粘合剂。
11.如权利要求6，7，8和9所述的方法，所述的石英玻璃粉末层由粗、细石英微粒组成，超过所述粉末总重量20％的微粒是细石英，其颗粒尺寸小于10微米；剩下的粉末是颗粒尺寸小于150微米的粗石英微粒。
12.一种石英玻璃坩锅，其中，所述石英玻璃粉末层在坩锅的全部或部分表面上形成。
13.如权利要求12所述的石英玻璃坩锅，其中，在坩锅的外表面上全部或以环形结构，或在没有接触到熔融硅的部分内表面的环形结构内形成所述的石英玻璃粉末层。
14.如权利要求12和13所述的石英玻璃坩锅，其中，在坩锅的全部或部分表面上涂覆的石英玻璃粉末层由粗、细石英微粒组成，超过所述粉末总重量20％的微粒是细石英，其颗粒尺寸小于10微米；剩下的粉末是颗粒尺寸小于150微米的粗石英微粒。
15.一种用于拉制硅单晶的方法，该方法包括使用石英玻璃坩锅，在坩锅的全部或部分表面上有石英玻璃粉末层，以及在熔化加入到所述石英玻璃坩锅内的硅原料的时候、在高温下使坩锅表面上的石英玻璃粉末层结晶化从而增强石英玻璃坩锅。
全文摘要
本发明提供了一种增强石英玻璃物质如石英玻璃坩埚而不引入杂质的方法。该方法包括在石英玻璃物质的表面上形成一个石英玻璃粉末层，并在高温下使所述石英玻璃粉末层结晶化。对于石英玻璃坩埚，则提供了石英玻璃坩埚的增强方法及增强的石英玻璃坩埚，其中在坩埚的全部或部分表面上形成石英玻璃粉末层，然后在熔化被加入到所述石英玻璃坩埚内的硅原料时在高温下将其结晶。
文档编号C03C17/02GK1496965SQ20031011985
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月9日 优先权日2002年10月9日
发明者迁元俊夫, 石塚博弥, 麓直隆, 弥 申请人:日本超精石英株式会社