专利名称：石英玻璃坩埚及其制造方法
石英玻璃坩埚及其制造方法本发明涉及一种用于拉拔单晶的石英玻璃坩埚，该坩埚具有一个坩埚高度H和一个具有内侧面的坩埚壁，该坩埚壁由一个底部和一个与该底部相连的石英玻璃侧壁形成，其中该内侧面至少部分地由一个致密石英玻璃的表皮层覆盖。此外，本发明涉及一种用于生产拉拔单晶用的石英玻璃坩埚的方法，该方法包括以下的方法步骤(a)制备一种带有一个壁的真空熔融模具,该壁具有一个内侧面、一个外侧面以及在该外侧面与内侧面之间的多个穿通孔，(b)在该真空熔融模具的内侧面上由SiO2颗粒成形出一个坩埚形的、多孔的颗粒层，其中该颗粒层具有一个底部区域以及一个侧壁区域， (C)在该多孔的颗粒层的至少一部分上由少气泡的石英玻璃形成一个表皮层，(d)从与该表皮层相邻的颗粒层的至少一部分上去除气态组分，其方式为在该熔融模具壁的外侧面上施加负压，(e)将该多孔的颗粒层玻璃化，同时形成具有坩埚高度H的石英玻璃坩埚。
背景技术：
根据所谓的直拉方法(Czochralski-Verfahren),石英玻璃 甘祸用于在拉拔娃单晶时接收硅熔体。在这种方法中，将多晶的、金属性的硅在石英玻璃坩埚中熔化并且从上方对熔体表面引入一种硅单晶的种晶，这样使得在晶体和熔体之间形成熔体弯液面(Schmelz-Meniskus)。在旋转该i甘祸的情况下,将单晶缓慢地向上拉伸，其中娃单晶在该种晶附近生长。这个过程以下称为“生成过程(Ansetzprozess) ”或者简称“生成”。石英玻璃坩埚通常实施为含有在孔上的透明内层的、不透明的外层。透明的内层在晶体拉拔过程中与硅熔体相接触并且处于较高的机械、化学和热学负载下。为了降低对硅熔体的腐蚀性攻击并由此尽量少地从坩埚壁释放杂质，该内层是尽量均匀且少气泡的。为了改进无气泡程度，已知多种在真空辅助下形成内层的坩埚制造方法。其中使用了真空熔融模具，其壁具有多个穿通孔，即该壁是多孔的或者设置有多个穿通的孔口，这样使得在向熔融模具外侧面施加负压时，来自SiO2颗粒层的气体能够向外排出。一种此类的真空制造方法是从提前公开的EP 2236469A1中已知的。其中描述了一种石英玻璃坩埚，该坩埚具有厚度不定的无气泡内层和含气泡的外层。外层的气泡含量和气泡尺寸从坩埚的底部区域经过侧壁向上增大。高气泡含量区域和低气泡含量区域之间的过渡部没有明确地限定，其中的实施例示意性地展示了大约在坩埚中部的划分。无气泡内层的制造是通过施加真空来进行的。为了造成不同的气泡含量，提出使用不同的石英玻璃颗粒作为起始材料。通过上部壁段的较高的气泡含量降低了其重量，这样造成了在常规的应用下该石英玻璃坩埚更低的变形。根据开篇所述类型的真空制造方法是从DE 102008030310B3已知的。在此，首先在熔融模具内壁上由颗粒相对粗糙的石英颗粒制成了一个外颗粒层。在这个外颗粒层上安置了由精细的、合成生产的SiO2粉末制成的另一个SiO2颗粒层。这些颗粒层随后在内壁的电弧的作用下被加热并且由此将这些SiO2颗粒层烧结成具有不透明外层和透明内层的石英玻璃坩埚。精细的颗粒在此用作机械的阻挡层，其中它们在向熔融模具外壁施加真空时防止吸入来自熔融坩埚内室的气氛，这样使得快速地且没有局部不均匀性地形成了致密的玻璃态的密封层，这种密封层使得迅速地施加较强的真空称为可能。由合成制造的石英玻璃制成的内层确保在熔体附近的区域中较低的杂质浓度，并且于是有益地影响纯的、无错位的硅单晶的产率。然而已经显示出，与由天然来源的石英砂制造的石英玻璃坩埚相比，具有合成石英玻璃内层的坩埚更加倾向于造成熔体表面的振荡。此类的振荡可能起因于例如熔体和种晶的旋转、或者是种晶的浸没，或被这些情况加剧。它们尤其在生成过程中是显著不利的，它们使得成核作用变弱、受延迟或甚至阻止。这降低了生产率并且甚至能够使得在生成过程中就已经超过等待时间(Standzeit)、或者在单晶中导致错位，这些错位使得固化的硅需要被重新熔化。为了避免熔体表面的振荡，在EP 1532297A1中提出一种石英玻璃坩埚，该坩埚具有一个合成石英玻璃的内层，然而在单晶拉拔过程开始时，该内层在该熔融镜(Schmelzspiegels)的一个高度上由天然来源石英玻璃制成的一个透明气泡区中断。这个气泡区在至少O. 5x H直到0.8x H的区域中延伸，其中H代表在底部的下侧面与侧壁的上··边缘之间的坩埚高度。在晶体拉拔过程开始时处于该熔融镜高度中的、该石英玻璃坩埚的环绕的侧壁区域，在下文中被称为“生成区”。在EP 1045046A1中提出另一个有助于减少熔体表面振荡的熔融坩埚，在该生成区的范围内的内壁的构成为带有多个凹陷的、环绕的环形面。类似的石英玻璃坩埚从JP2004-250304A也是已知的。其中为了降低硅熔体振动的压力，设置了一个环绕的环形面，在该环形面中包含了从O. 01%到O. 2%体积比例的气泡。在生产区的范围周围被如此粗糙化的表面可以采取相对于硅熔体的所有可能的接触角度，这避免了该石英玻璃表面的相同相的交联或者不交联，并且于是抵消了振动的产生。另一方面，例如在进行纯化措施时，在传输或在处理石英玻璃坩埚时，杂质可能聚集在粗糙化的区域中，这些杂质在晶体拉拔过程中释放到硅熔体中。发明目的本发明的基本目的在于，制备一种石英玻璃坩埚，该石英玻璃坩埚简化了生成过程并且其中杂质进入硅熔体的危险得以降低。此外，本发明的基本目的还在于，给出一种用于可重现地制造此类坩埚的方法。发明概述在该方法方面，根据本发明，这个目的是从一种开篇所述类型的方法出发如下地实现的在该颗粒层的一个上部区域中在玻璃化时在该表皮层之下并且与之相邻地制造一个气泡区，该上部区域与下部区域相接并且延伸直至全高H，该气泡区包含具有一个比气泡体积的多个填充有气体的气泡，该比气泡体积为该少气泡的石英玻璃中填充有气体的气泡的比体积的至少两倍，其实现方式为在该颗粒层的一个下部区域中施加一个负压，该下部区域从底部区域最大延伸直至坩埚高度H的O. 8倍。在石英玻璃坩埚的侧壁中造成了一个环绕的、含气泡的区(在此也称为“气泡区”)，该区在单晶拉拔过程开始时处于熔体表面的高度中，也就是在生成区的范围中。与现有技术的区别是，该含气泡的区由一个优选薄的致密石英玻璃表皮层覆盖。该表皮层要么是通过将熔融形式的颗粒层暴露于高温气氛并且由此进行表面的玻璃化而制造，要么通过在该颗粒层上沉积一个薄的玻璃态的致密层而制造。在最简单的情况下，该表皮层覆盖该颗粒层的整个内壁。该表皮层阻止了例如在该坩埚的纯化或进一步处理步骤中、在运输时或在安装到晶体拉拔装置中时杂质固着到粗糙的表面区域中。表皮层至少在生成区中是如此薄的，而使得在常规的石英玻璃坩埚应用中在短时间内通过硅熔体的腐蚀侵袭而溶解，这样随后使得与之直接相邻的、该侧壁的·含气泡区与该硅熔体的表面进行直接接触。在裸露之后，气泡区在避免硅熔体振荡的意义上展现了所期望的效果。气泡区用作粗糙化的表面区域，该表面区域能够采取与该熔体的所有可能的接触角度并且由此使振荡最小化。该气泡区在该生成区上方和下方延伸。也就是说，该气泡区处于在晶体拉拔过程开始时与熔融镜高度相对应的、该石英玻璃坩埚侧壁的高度上。由于石英玻璃坩埚的内部体积和硅熔体的填充体积，在拉拔过程开始之前这个高度就是已知的。比气泡含量(气泡体积/cm3)在气泡区中的大小是该少气泡的石英玻璃中(例如在表皮层中)的至少两倍。气泡区和少气泡的石英玻璃一般并不直接彼此相连，而是存在一个流动的过渡部。在任何情况下，气泡区的下边缘处于坩埚侧壁的区域中，也就是在底部上方。这个上部的含气泡的部分区域在此也称为侧壁的(或相应地该颗粒层的)“上部区域”，并且该下部的部分区域称为侧壁的(或相应地该颗粒层的)“下部区域”。该气泡区从其下端起延伸，要么通过该侧壁的全部剩余的上部面，要么仅穿过其一部分。在径向方向上看，气泡区的厚度要么对应于在这个区域中石英玻璃坩埚的壁厚(减去表皮区)，要么对应于其一部分。如其他情况一样，坩埚高度H被定义为坩埚底部的下侧面与侧壁的上边缘之间的距离。因为气泡区具有填充有气体的气泡，所以该气泡区在加热该石英玻璃坩埚时可以不消失。起始时被表皮层遮盖的气泡区的制造是基于在玻璃化过程时坩埚壁上不均匀的抽吸作用分布。由此，排他地并且主要地在该颗粒层的一个下部区域中施加负压，该区域定义如下，即它从底部区域延伸最多直到该坩埚高度H的O. 8倍。多种用于生产气泡区的方法适合于对此进行补充。在一个第一优选方法变体中提出，在颗粒层的上部区域中的这些填充有气体的气泡是如下制造的在颗粒层的玻璃化之时或之前向该上部区域供应气体、或者使气体能够流入该上部区域中。向该颗粒层的上部区域供应气体，相反地在下部区域中由于负压处理将所存在的气体排出。在颗粒层的上部区域中的气体供应提高了在这个区域中的气体含量，这样在这个区域的同时或后续的玻璃化时，产生并关闭了在表皮层之下的填充有气体的气泡。用于气体供应的适合的气体例如是氮气、氧气、氩气、这些气体的混合物或者空气。为了确保持续的气体供应，采取措施以便在玻璃化的过程中防止颗粒层的上边缘的致密烧结。替代于此的是，并不主动供应气体，而是同样采取措施以防止该颗粒层的上边缘的致密烧结并且于是使气体能够进一步流入这个区域中。然后在颗粒层的玻璃化时通过从熔融模具的内侧来制造高温气氛，该颗粒层的自由表面区域一般快速地烧结至致密，这进一步阻止了气体供应。对于颗粒层的上边缘尤其是这种情况。为了在玻璃化时仍然在颗粒层的上部区域中确保一种持续的、被动或主动的气体供应，该气体供应至该颗粒层的背向高温气氛的“背面”、并且穿过该熔融模具的一个气体透过性的壁部分来进行。在此颗粒层的气体优选通过该真空熔融模具的一个与颗粒层的上部区域相邻的、气体透过性的壁部分来供应。这种气体透过性可以有利地通过熔融模具壁中的多个孔来实现，这些孔终止在该颗粒层处，或者通过安排在该颗粒层上部区域中的一个多孔材料(例如多孔石墨)环来实现，并且该石墨环为该熔融模具的组件。
补充于此地，已经证明有用的是在该颗粒层的上部和下部区域之间设置一个颗粒阻挡层，该颗粒阻挡层阻碍了从上部区域向下部区域的气体流动。在玻璃化过程中连续地、或者在玻璃化之前或过程中一次性地向颗粒层的上部区域供应气体。特别适合的是在石英玻璃中扩散缓慢的气体和混合物，尤其是氮气、氩气、氧气和空气。颗粒层提高了流动阻力，以便限制来自上部区域的气体朝向处于抽吸下的颗粒层下部区域的出气流。该颗粒层在此优选实施为在该SiO2粉末的颗粒层内部的环形中间层，该中间层具有比该颗粒层中的其余SiO2颗粒更高的散装密度。该颗粒阻挡层在此形成了在颗粒层的上部和下部区域之间的一个封闭的粉末层。这个由具有同等高的散装密度的微粒构成的粉末层向该气体流提供了比粗糙颗粒更大的流动阻力。于是，由于作用在下部区域中的抽吸作用而造成的、来自颗粒层上部区域的气体排出流被减小。在另一个优选的方法变体中提出，在颗粒层的上部区域中的填充有气体的气泡是如下制造的将存在于该颗粒层下部区域中的气体用氦气交换，并且在颗粒层的上部区域中阻止这种气体交换。在这种方法变体中，产生了在侧壁的下部区域与侧壁的上部区域的气泡程度之间的差异，其方式为仅仅或者主要地将在颗粒层的下部区域中存在的气体用氦气交换。氦原子具有较小的尺寸并且能够在石英玻璃中相当快速地扩散，这抵消了石英玻璃中填充有气体的孔的出现。在颗粒层的上部区域中防止或防止或避免气体交换的措施有利地在于氦气向颗粒层的底部区域被供应并且同时由于在颗粒层的下部区域中存在的负压而穿过熔融模具的壁被抽吸，并且是在达到该颗粒层的上部区域之前。以此方式，气体交换仅仅或者主要地在颗粒层的下部区域实现，并且在颗粒层的上部区域中得以避免。在玻璃化时该颗粒层下部的、负载有氦气的或者抽真空的区域被烧结为少气泡的或无气泡的石英玻璃，相反地在上部区域中保留了填充有气体的气泡。该表皮层一方面被构成为如此厚的而使得它们在处理和运输该石英玻璃坩埚时不容易断裂，然而另一方面构成为如此薄的而使得它们在熔化过程的尽可能早的阶段中已经完全被去除。鉴于此，已经证明有益的是，在颗粒层的上部区域中产生一个具有50 μ m至800 μ m范围内的厚度的表皮层。已经证明有用的是，在该颗粒层的一个如下的下部区域中施加负压，该区域从底部区域延伸直到至少O. 2x H、优选至少O. 4x H的高度。在施加负压时，在这个区域中至少在底部以及在高度直至O. 2x坩埚高度H、优选直到0.4x H的高度上的坩埚侧壁中获得相当少气泡的石英玻璃。其向上是要么直接连接该气泡区，要么连接一个通向该气泡区的过渡区域。在熔融镜(Schmelzspiegel)下方的气泡区的宽度有利地是尽量窄的并且到达必需的宽度。因为在完成的石英玻璃坩埚中生成区的高度一般是预先已知的，所以可以将气泡区限定在石英玻璃坩埚的这个高度区域上。在此方面有利的是，侧壁区域配属有一个在O. 5x H至O. 95x H之间的高度上的虚 (fiktive)生成区，其中该气泡区在这个生成区下方不达到IOcm以上、优选不到达5cm以上。在该石英玻璃坩埚方面，根据本发明，上述目的是从开篇所述类型的一种石英玻璃坩埚出发以如下方式实现的在底部处以及在该侧壁的一个从底部最大延伸至坩埚高度H的O. 8倍的下部区域中、在少气泡的石英玻璃处、以及在一个直至坩埚全高H并连接在该下部区域上的该侧壁的上部区域中，该表皮层具有在从50 μ m到800 μ m范围内的厚度，并且与一个由富含气泡的、包含填充有气体的气泡的石英玻璃制成的气泡区相邻。在根据本发明的石英玻璃坩埚中，由致密石英玻璃制成的一个薄的表皮层覆盖了该石英玻璃坩埚壁中的一个环绕的、含气泡的区，该区在单晶拉拔过程开始时处于熔体表面的高度中，也就是在生成区的范围内。该表皮层阻止了例如在该坩埚的纯化或进一步处理步骤中、在运输时或在安装到晶体拉拔装置中时杂质在气泡中聚集。表皮层至少是如此薄的而使得在常规的石英玻璃坩埚应用中在短时间内通过硅熔体的腐蚀侵袭而溶解，这样随后使得与之直接相邻的、该侧壁的含气泡区与该硅熔体的表面进行直接接触。由此在暴露之后，气泡区用作粗糙化的表面区域，该表面区域能够采取与该熔体的所有可能的接触角度并且由此使振荡最小化。气泡区中的比气泡体积是该表皮层的少气泡石英玻璃中的比气泡体积的至少两倍。在气泡含量方面，表皮层与少气泡的石英玻璃没有差别或没有显著差别。从视觉上一般无法辨认出在表皮层的少气泡石英玻璃、底部的少气泡石英玻璃、以及坩埚的下部侧壁之间的差别。气泡区处于生成区的范围内，也就是在该石英玻璃坩埚侧壁的、在晶体拉拔过程开始时与熔融镜高度相对应的高度上。由于石英玻璃坩埚的内部体积和填入的硅熔体的体积，在拉拔过程开始之前这个高度一般就是已知的。气泡区具有填充有气体的气泡，使得该气泡区在加热该石英玻璃坩埚时可以不消失。根据本发明的石英玻璃坩埚是可以借助于上面所说明的、根据本发明的方法来生产的。在从熔融模具中去除了石英玻璃坩埚之后，上边缘是不平整的并且被磨掉或切割掉。高度H对应于在磨掉或切割掉之后的坩埚侧壁高度，并且大约也对应于先前的颗粒层的侧壁区域的高度。表皮层在侧壁的上部区域中具有在从50μπι到800 μ m范围内的厚度。
在小于50 μ m的厚度下，存在通过在处理和运输该石英玻璃坩埚时的摩擦而除去该层的危险。在大于800 μ m的厚度下，在晶体拉拔过程中通过熔体去除该表皮层要求过长的时间。气泡区朝向相邻的、该侧壁的少气泡区域的这个过渡部一般不是尖锐的而是平滑的并且存在一个过渡区域。在任何情况下，气泡区的下边缘处于坩埚侧壁中，也就是在坩埚底部上方。该气泡区从其下端起延伸，要么越过该侧壁的全部剩余的上部面，要么仅越过其一个部分段。气泡区仅在晶体拉拔过程开始时有助于减小熔体振荡。在晶体拉拔过程的稍后阶段中，含气泡的表面甚至是不希望的。因此气泡区在理想状况下仅在该生成区的高度中延伸，但不再继续延伸到其下。在实践中已经证明有用的是，该气泡区在如下的高度中延伸该高度处于从0.4x H直到上坩埚边缘的范围内。
在此方面，本发明的石英玻璃坩埚的一个实施方式也是有利的，其中该侧壁配属有一个在O. 5x H至O. 95x H之间的高度上的虚生成区，其中该气泡区在这个生成区下方不达到IOcm以上、优选不达到5cm以上。在径向方向上看，气泡区的厚度要么对应于在这个区域中石英玻璃坩埚的壁厚(减去表皮区)，要么对应于其一部分。
实施例以下借助实施例和附图
来更详细地说明本发明。在示意性的图示中图I不出了根据本发明用于生产石英玻璃 甘祸的一个第一实施方式；图2示出了根据本发明用于生产石英玻璃坩埚的一个第二实施方式；图3示出了根据本发明用于生产石英玻璃坩埚的一个第三实施方式；并且图4以截面的侧视图示出了根据本发明的石英玻璃坩埚的一个实施方式。图I中不意性展不的熔体设备包括一个金属的熔融模具1，其内径为68cm,具有一个弯曲的底部和一个高度50cm的侧壁。熔融模具I是围绕其中央轴线2可旋转地支撑的。在熔融模具I的内室3中，伸出一个石墨电极4，该电极被展示为在内室3之内在所有空间方向上都是可移动的。在熔融模具I的底部区域和下半部的壁中设置有多个通孔6，通过这些通孔能够向内室3中实现(durchgreifen)施加于熔融模具I的外侧面上的真空。在该熔融模具I的上部的三分之一壁(Wandungsdrittel) 17中，设置有另外的通孔7,通过这些通孔可以在熔融模具内室3的方向上引入气体。通孔7汇入一个公共的环形槽16中，该环形槽被开在该熔融模具壁的上侧面中。通孔6 ;7分别是用由多孔石墨制成的一个塞子11封闭的，该塞子避免了 SiO2颗粒从内室3出来。以下借助于图I中展示的熔融装置来更详细地说明一种用于生产本发明石英玻璃坩埚的方法。在一个第一方法步骤中，向熔融模具I中导入由天然的、通过热氯化纯化的石英砂的晶体颗粒。石英砂具有在90μπι至315μπι范围内的粒径。在离心力的作用下并且在采用模具刮板的情况下，在围绕纵向轴线2旋转的熔融模具I的内壁上成形有一个旋转对称的、坩埚形的、由机械固定的石英砂制成的颗粒层12。颗粒层的层厚度在底部区域8中以及在下部和上部侧面区域9、10中是大致相等的并且为约12mm。颗粒层的高度在侧壁区域中对应于熔融模具的高度，即50cm。在一个第二方法步骤中，这些电极4定位在该熔融模具I中在该颗粒层12附近，该熔融模具进而围绕其纵向轴线2旋转，并且在这些电极4之间点燃一个电弧13。这些电极在此被施加了 600kW(300V，2000A)的功率，这样使得在熔融模具内室3中设定有高温气氛。以此方式，在石英颗粒层12上产生了一个由致密透明的石英玻璃制成的、厚度O. 5mm的表皮层14。在此，还将颗粒层12的自由的上表面5致密化。在形成该表皮层14之后，在一个第三方法步骤中通过通孔6在底部区域8和下部壁区域9中的颗粒层12处施加了真空(IOOmbar的绝对压力)。同时，通过通孔7将空气导入仍然多孔的颗粒层12的上三分之一部分10中。在抽吸和导入空气时，相应的气流在图I至图3中通过箭头示出。 空气基本上保留在颗粒层的上三分之一部分10中。向下朝下部区域9移动的空气抵消了通过下部壁区域9中的真空造成的抽吸作用。由此在颗粒层的上部区域10中导致相对较强地用空气加载了 SiO2颗粒。在下部区域9和底部区域8中，颗粒层12的流动阻力与所施加的真空相结合地阻碍了空气钻入这些区域8、9。为了进一步提高在底部区域8、下部侧面区域9这两者与颗粒层的上部侧面区域10之间的流动阻力，在预期的生成区的高度区域，即2/3H的高度处(其中“H”是最终的坩埚高度)，设置有一个环形的中间层15，该中间层由颗粒特别精细的、粒径在约80 μ m范围内的颗粒组成并且其特殊之处在于高流动阻力。在玻璃化时，熔融前沿从内向外穿过该颗粒层12。在此，在上部区域10 (高度H上方)，由于更强的空气负载而形成了一个始终含有气泡的、玻璃化的区(图4 ;气泡区41)。这个区延伸通过该壁的整个上三分之一部分，也就是约17cm的长度，并且该区完全被该内表皮14遮盖。与此相反，颗粒层12的下部区域9和底部区域在没有显著的气泡形成的情况下首先玻璃化。在透明度方面，在表皮层14的石英玻璃与底部和侧壁的少气泡石英玻璃之间没有明显的区别。当熔融前沿仍然距熔融模具壁约4cm时，停止抽真空。由此颗粒层12的朝向背面的侧面在底部区域和下部侧壁区域中也玻璃化成不透明的、含气泡的石英玻璃。在熔融前沿到达熔融模具之前不久，将这种玻璃化作用停止。在玻璃化之后，先前的中间层15在一个少气泡区域中标示出一个相对尖锐的、由含气泡的石英玻璃制成的过渡部。将以下的区域视作气泡区其中的在表皮层之下的比气泡体积为表皮层中的两倍。这个区的下部边缘低于所预期的生成区大约3cm。只要在图2至4中使用与图I中相同的参考号，就标志着它们是构造相同或等效的构件或部件，如以上借助图I详细说明的。在图2示意性展示的熔融装置中设置了一个熔融模具21，该熔融模具由一个下部的金属下部件22组成，该下部件提供了该弯曲的底部以及具有总共50cm高度的该侧壁的两个下部的三分之一部分，该高度也大致对应于所生产的石英玻璃坩埚的高度“H”。在该下部件22上固定了一个处于石墨环23形式的上部件，该上部件具有17cm的高度以及68cm的内径。石墨环23由具有25%孔隙率的多孔石墨组成。通过多孔石墨环23，在施加真空时，空气被吸入该上部的颗粒区域10中。除了与图I的熔融装置的环形槽16和通孔7具有类似功能的石墨环23，该熔融装置的第一和第二实施方式没有区别。以下借助于图2中展示的熔融装置来更详细地说明一种用于生产本发明石英玻璃坩埚的方法。在一个第一方法步骤中，在熔融模具21中成形出一个颗粒层12，并且在一个第二方法步骤中对其设置一个表皮层14，如借助图I所描述的。在一个第三方法步骤中，通过通孔6在底部区域8和下部壁区域9中对颗粒层12施加了真空(IOOmbar的绝对压力)，并且同时，空气由于负压而穿过多孔的石墨环23向仍然多孔的颗粒层12的上部壁区域10中移动。石墨环23不仅在使颗粒层12成形时用作模制元件，而且它还保护该颗粒层免受电弧13加热的影响，这样使得该颗粒层的背向等离子体13的层侧面阻止了该颗粒层12的致密烧结。
由此可以使空气通过石墨环23向颗粒层12的上部区域10流入。向下部区域9流出的气体被抽吸，这样使得不能完全在颗粒层12的上部区域10中实现真空，并且在颗粒层12的上部区域10和下部区域9之间设定了一个压力梯度。由此在颗粒层的上部区域10中导致相对地用空气加载了 SiO2颗粒。在下部区域9和底部区域8中，颗粒层12的气流阻力与所施加的真空相结合地阻碍了空气钻入这些区域8 ;9。在颗粒层12的玻璃化时，在上部区域10中，由于较强的空气负载而形成了一个始终有气泡的区，该区向下在该坩埚高度H的上三分之一部分上延伸、也就是延伸了约17cm的长度并且被内皮层14完全遮盖。相反地，只要施加了真空，颗粒层12的下部区域9和底部区域8就在没有显著的气泡形成的情况下玻璃化。石英玻璃坩埚的外部区域被产生为连续地不透明的，如以上借助图I说明的。气泡区向少气泡或无气泡区域的过渡部是平滑的。将以下区域视作气泡区其中与表皮层14相连的石英玻璃的比气泡体积是在表皮层14的少气泡石英玻璃中的两倍。图3中示意性展示的熔体设备包括一个金属的熔融模具31，其内径为68cm，具有一个弯曲的底部和一个高度“H” 50cm的侧壁。熔融模具31是围绕其中央轴线2可旋转地支撑的。在熔融模具31的内室3中，多个石墨电极4是可以在所有空间方向上移动的，如借助方向箭头5所示的。在熔融模具31的下半部壁的区域中设置有多个通孔6，通过这些通孔能够实现施加于熔融模具31的外侧面上的向内的真空。通过在熔融模具31的底部上的一个用多孔石墨塞子33封闭的中央开口 32，可以将氦气供应给该熔融模具31。以下借助于图3中展示的熔融装置来更详细地说明一种用于生产本发明石英玻璃坩埚的方法。在一个第一方法步骤中，在熔融模具21中成形出一个颗粒层12，并且在一个第二方法步骤中对其设置一个表皮层14，如借助图I所描述的。在一个第三方法步骤中，通过这些通孔6在下部的壁区域9中向颗粒层12施加了真空，并且同时，通过中央开口 32用有氦气的气体混合物无压力地淹没(geflutet)该颗粒层12。气体混合物的供应以及同时的抽吸实现了在颗粒层12的底部和下部侧面区域8 ;9中用He/H2气体混合物来交换空气。在玻璃化时继续进行这种冲刷过程。在多孔颗粒层12的上部壁区域10中基本上保留了先前所含有的空气。在颗粒层12的玻璃化时，在上部区域10中，由于较强的空气负载而形成了一个始终有气泡的气泡区，该气泡区向下在约17cm的长度上延伸并且被内皮层14完全遮盖。与此相反，颗粒层12的下部区域9和底部区域在没有显著的气泡形成的情况下首先玻璃化。在透明度方面，在表皮层14的石英玻璃与底部8和下部的侧壁区域9的少气泡石英玻璃之间没有明显的区别。当熔融前沿距该熔融模具壁还有5cm时，停止引入氦气并停止抽吸。由此颗粒层12的外部侧面在底部区域和下部侧壁区域中也玻璃化成不透明的、含气泡的石英玻璃，如以上借助图I所说明的。在熔融前沿到达熔融模具内壁之前不久，将这种玻璃化作用停止。
在从熔融模具中脱模之后，将先前的颗粒层的、部分玻璃化的上边缘切割，并且通过以上详细说明的所有方法变体都获得具有气泡区41的石英玻璃坩埚40，如在图4中示意性所示。其下边缘在一个虚生成区之下大约2到3cm，该虚生成区在高度“A”中延伸。与不透明区域相比，在视觉上容易辨认出气泡区41。其比气泡含量是该表皮层14中的至少两倍。于是在这个标为“B”的区域中，表皮层14与气泡区41相邻。气泡区41远至上部坩埚边缘并且在其整个壁上延伸。在坩埚底部42处并且在侧壁43的下部区域中，表皮层14与类似的少气泡的石英玻璃相邻，如在表皮层14中所存在的。这个少气泡的区域在图4中用参考符号44标出。石英玻璃坩埚40的外部的壁区域在底部区域和下部侧壁区域中也由不透明的、含气泡的石英玻璃组成。在图4中还将坩埚高度“H”展示为在底部42的下侧面与该侧壁的上边缘44之间的距离。在常规的石英玻璃坩埚应用中，这些填充有气体的气泡经历气泡生长。在溶解表皮层14之后，在硅熔体的表面区域中暴露了一个粗糙的、相应地波纹状的坩埚表面。由于这种粗糙化的坩埚表面，形成了在硅熔体与壁之间的每个任意的接触角度，这样抑制了熔体振动。
权利要求
1.生产用于拉拔单晶的石英玻璃坩埚的方法，包括以下的方法步骤 (a)制备一种带有一个壁的真空熔融模具(I；21 ;31),该壁具有一个内侧面、一个外侧面以及在该外侧面与内侧面之间的多个穿通孔出；7), (b)在该真空熔融模具(I；21 ；31)的内侧面上由SiO2颗粒成形出一种坩埚形的、多孔的颗粒层(12)，其中该颗粒层(12)具有一个底部区域(8)以及一个侧壁区域(9 ;10)， (c)在该多孔的颗粒层(12)的至少一部分上由少气泡的石英玻璃形成一个表皮层(14)， (d)从与该表皮层(14)相邻的颗粒层(12)的至少一部分上去除气态组分，其方式为在该熔融模具壁(I ;21 ；31)的外侧面上施加负压， (e)将该多孔的颗粒层(12)玻璃化，同时形成具有坩埚高度H的石英玻璃坩埚(40)， 其特征在于，在该颗粒层(12)的一个上部环形区域(10)中在玻璃化时在该表皮层(14)之下并且与之相邻地制造一个气泡区(41)，该上部区域与下部区域(9)相接并且延伸直至全高H，该气泡区包含具有一个比气泡体积的多个填充有气体的气泡，该比气泡体积为该少气泡的石英玻璃中填充有气体的气泡的比体积的至少两倍，其实现方式为在该颗粒层(12)的一个下部区域(9)中施加一个负压，该下部区域从该底部区域(8)最大延伸直至坩埚高度H的O. 8倍。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在颗粒层(12)的上部区域(10)中的这些填充有气体的气泡是如下制造的在颗粒层(12)的玻璃化之时或之前向该上部区域(10)供应气体、或者使气体能够流入该上部区域(10)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该颗粒层(12)的气体通过该真空熔融模具(21)的一个与该颗粒层(12)的上部区域(10)相邻的、气体透过性的壁部分(17 ；23)来供应。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该壁部分(17)的气体透过性是通过壁中的多个穿通孔(7 ；16)来实现的。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该壁部分(23)的气体透过性是通过由多孔材料制成的一个环来实现的，该环形成了该真空熔融模具(21)的壁的一部分。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，在该颗粒层(12)的上部区域(10)和下部区域(9)之间设置有一个颗粒阻挡层(15)，该颗粒阻挡层阻止了从上部区域(10)向下部区域(9)的气体流动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该颗粒阻挡层(15)实施为在该由5102粉末制成的颗粒层(12)内部的环形中间层，该中间层具有比该颗粒层(12)中的其余5102颗粒更高的散装密度。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在该颗粒层(12)的上部区域(10)中的这些填充有气体的气泡是如下制造的将在该颗粒层(12)的下部区域(9)中存在的气体用氦气交换，其中在该颗粒层(12)的上部区域(10)中气体交换受到阻碍。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在该颗粒层(12)的下部区域(9)中的气体交换以及在该颗粒层(12)的上部区域(10)中对气体交换的阻碍是如下实现的向该颗粒层(12)的底部区域(8)供应氦气，该氦气由于在该颗粒层(12)的下部区域(9)中通过该熔融模具(31)的壁设置的负压而受到抽吸、并且是在达到该颗粒层(12)的上部区域(10)之前。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，制造了一个表皮层(14)，该表皮层在该颗粒层(12)的上部区域(10)中具有在从50μπι到800μπι范围内的厚度。
11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在该颗粒层(12)的一个如下的下部区域(9)中施加负压，该区域从底部区域(8)延伸直到至少O. 2χ H、优选至少O. 4χH的高度。
12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该侧壁区域(9;10)配属有一个处于O. 5χ H到0.95χ H的高度中的虚生成区(A)，并且该气泡区(41)不达到该生成区(A)下方多于10cm。
13.用于拉拔单晶的石英玻璃坩埚，具有一个坩埚高度H和一个具有内侧面的坩埚壁，该坩埚壁由一个底部(42)和一个与该底部(42)相连的石英玻璃侧壁(41 ；43)形成，其中该内侧面至少部分地由一个致密石英玻璃的表皮层(14)所覆盖，其特征在于，在该底部(42)处以及在该侧壁的一个从该底部(42)最大延伸至该坩埚高度H的O.8倍的下部区域(43)中、在一种少气泡的石英玻璃处、并且在该侧壁的一个与该下部区域(43)直至坩埚全高H相接的上部区域中，该表皮层(14)具有在从50μπι到800μπι范围内的厚度并与一个由富含气泡的、包含填充有气体的气泡的石英玻璃形成的气泡区(41)相邻，其中该表皮层(14)在该侧壁的上部区域中具有在从50μπι到800 μ m范围内的厚度。
14.根据权利要求13所述的石英玻璃坩埚，其特征在于，该侧壁区域(41；43)配属有一个处于O. 5x H到0.95x H的高度中的虚生成区(A)，并且该气泡区(41)不达到该生成区(A)下方多于10cm。
15.根据权利要求13或14所述的石英玻璃坩埚，其特征在于，该气泡区(41)在一个高度上延伸，该高度处于从O. 4x H直到上坩埚边缘的范围内。
全文摘要
在已知的用于生产石英玻璃坩埚的方法中提供了一种真空熔融模具，在其内侧面上成形出一个SiO2颗粒的坩埚形颗粒层，该颗粒层具有一个底部区域和一个侧壁区域。在该多孔颗粒层的至少一部分上构成了一个少气泡的石英玻璃构成的表皮层。通过施加负压，至少从与该表皮层相邻的颗粒层的一部分中去除了气态组分，并且该颗粒层被玻璃化，同时形成具有坩埚高度H的石英玻璃坩埚。为了由此出发提供一种简化生成过程并且降低杂质进入硅熔体中的危险的石英玻璃坩埚，根据本发明提出，在该颗粒层的一个上部区域中在玻璃化时在该表皮层之下并且与之相邻地制造一个气泡区，该上部区域与下部区域相接并且延伸直至全高H，该气泡区包含具有一个比气泡体积的多个填充有气体的气泡，该比气泡体积为该少气泡的石英玻璃中填充有气体的气泡的比体积的至少两倍，其实现方式为在该颗粒层的一个下部区域中施加一个负压，该下部区域从底部区域最大延伸直至坩埚高度H的0.8倍。
文档编号C03B19/09GK102906037SQ201180025936
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月27日
发明者W.莱曼, T.凯泽 申请人:赫罗伊斯石英玻璃股份有限两合公司