双层二氧化硅容器以及成形方法
【专利摘要】本发明涉及形成容器的方法以及所得到的容器。可以通过如下方法形成容器：提供第一煅制二氧化硅烟炱层，所述第一煅制二氧化硅烟炱层是由煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的，然后在第一锻制二氧化硅烟炱层上提供第二煅制二氧化硅烟炱层，所述第二煅制二氧化硅烟炱层是由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成为团聚形式的团聚颗粒构成的。第一煅制二氧化硅烟炱层的初级颗粒可具有基本均匀的密度分布，而第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒可具有基本不均匀的密度分布。该方法可以包括将第一和第二烟炱层固结在一起以形成固结体。
【专利说明】双层二氧化硅容器以及成形方法
[0001]相关申请交叉参考
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 120，要求2011年11月30日提交的美国申请系列号第13/307，031号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
[0003]领域
[0004]本发明涉及容器，例如构造成装纳熔融半导体材料的容器的成形方法。在某些实施方式中，容器包括具有较低孔隙率的较高纯度衬套以及绝热背衬，所述绝热背衬的孔隙率高于衬套的孔隙率。在其他实施方式中，本发明涉及从预固结的烟炱层形成容器的方法，所述预固结的烟炱层具有涉及在各层内所含的大孔隙的不同性质。可采用单固结步骤来形成此类容器。
[0005]背景
[0006]可以采用外浇铸法，使用熔融半导体材料(例如熔融硅)来形成，例如硅光伏基板。可将模具(例如含有耐火材料的模具)浸入熔融硅中并取出，以在模具的外表面上形成硅的固化层。熔融硅通常放置在容器中。
[0007]在各种应用中，希望用于装纳熔融硅的容器是由符合特定外浇铸要求(例如高温稳定性和纯度)的材料制成的。例如，在至少一些工艺中，熔融硅被加热到至少约1412°C的温度，因而装纳熔融硅的容器优选是由能够耐受高熔融硅温度的材料制成的。此外，在各个实施方式中，为了形成没有不均匀表面的、一致的硅晶片，坩锅可以由足够高纯度的材料制成，从而使得来自坩锅的杂质不会污染熔融硅。容器还可提供绝热性质，例如，以将硅维持在熔融状态。
[0008]本发明的发明人现已发现一种制造整体结构(例如用于装纳熔融半导体材料的容器)的方法，该整体结构是足够温度稳定性和足够纯的，同时还提供足够的绝热性质，以用于某些应用，例如制造半导体材料制品的各种方法。但是，应注意的是，虽然本文所揭示的结构可具有某些温度稳定性、纯度和/或绝热性质，如所述，但是至少一些实施方式的温度稳定性、纯度和/或绝热性质可能以较大或较小的程度存在，或者可能完全不存在。但是，这些实施方式包括在本发明的范围内。
[0009]本发明的发明人还发现一种制造整体结构的形式的容器的方法，该容器可由多结构层形成的，同时使得形成层的步骤数量最少，其中，所述层具有足够的高纯度和足够的绝热。
[0010]鍵
[0011]根据本发明的各个示例性实施方式，提供了形成容器的方法。一个示例性方法包括:提供第一煅制二氧化硅烟炱层以及第二煅制二氧化硅烟炱层，所述第一煅制二氧化硅烟炱层是由煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的，所述第二煅制二氧化硅烟炱层是由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成为团聚形式的团聚颗粒构成的，所述第二煅制二氧化硅烟炱层设置在第一煅制二氧化硅烟炱层上。第一煅制二氧化硅烟炱层的初级颗粒可具有基本均匀的密度分布，而第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒可具有基本不均匀的密度分布。该方法包括将第一和第二烟炱层固结在一起以形成固结结构。
[0012]根据其他方法，可以通过方法对第一煅制二氧化硅烟炱进行改性，以形成第二煅制二氧化硅烟炱层，所述第二煅制二氧化硅烟炱层是由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成为团聚形式的团聚颗粒构成的。
[0013]示例性实施方式还涉及具有第一熔合二氧化硅烟炱层和与所述第一熔合二氧化硅烟炱层结合的第二熔合二氧化硅烟炱层的固结结构，所述第一熔合二氧化硅烟炱层的密度范围约为2.18-2.22g/cm3，所述第二熔合二氧化硅烟炱层的密度范围约为1.65-2.15g/cm3。例如，固结结构可具有密度为2.2g/cm3的第一熔合二氧化硅烟炱层和与所述第一熔合二氧化硅烟炱层结合的密度为1.8g/cm3的第二熔合二氧化硅烟炱层。
[0014]本发明的示例性实施方式还涉及具有第一煅制二氧化硅烟炱层和第二煅制二氧化硅烟炱层的压紧结构。第一煅制二氧化硅烟炱层可由煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成，并且可以从约0.1-0.4g/cm3的初始密度压紧到约0.6-1.2g/cm3的压制密度。第二煅制二氧化硅烟炱层可以由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成为团聚形式的煅制二氧化硅烟炱的团聚颗粒构成的，并且可以从约0.35-0.9g/cm3的改性振实密度压紧到约0.6-1.2g/cm3的压制密度。第二煅制二氧化硅烟炱层可以形成在第一煅制二氧化硅烟炱层上。在至少一些实施方式中，第一煅制二氧化硅烟炱层的初级颗粒可具有基本均匀的密度分布。在至少一些实施方式中，第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒可具有基本不均匀的密度分布。
[0015]本文所用术语“压紧”和“压紧的”等指的是两层物理上不同的层，例如煅制二氧化硅烟炱的第一层和煅制二氧化硅烟炱的第二层，它们通过例如，压制颗粒以增加颗粒装填密度的作用结合成单个复合结构。在各个实施方式中，第一层和第二层可分别具有相同、基本相同或不同分布的初级和次级颗粒。
[0016] 本文所用术语“固结的”和“固结”等指的是，通过例如热处理，将压紧结构从锻制二氧化硅结构转变为熔合二氧化硅结构。固结的例子包括，通过例如烧结工艺加热材料，以引起两层或更多层结合在一起成为单个结构。
[0017]本文所用术语“振实密度”指的是自由流动烟炱粉末在通过振动或敲打装纳烟炱粉末的容器直至没有额外的沉淀发生的沉淀之后的质量与体积比。
[0018]本文所用术语“压制密度”是对烟炱层提供压力使得烟炱层压紧或压制之后的烟炱层的密度。
[0019]本文所用术语“团聚的烟炱”指的是由初级烟炱颗粒构成的，经过引起了形成较大团聚次级颗粒分布的工艺处理的锻制二氧化硅烟炱。团聚烟炱表征为初级颗粒之间的弱吸引力，例如范德华力、弯月面力(meniscus force)(例如，水表面张力)或者静电力。可以通过例如，高冲击粉末研磨或其他分散方法，使得团聚的次级颗粒返回到初始锻制二氧化硅状态。
[0020]本文所用术语“压紧距离”指的是给定区域内，特定量的锻造二氧化硅烟炱被从初始、未压紧水平压紧到最终、压降水平的锻制二氧化硅烟炱的距离。压紧距离可用于提供压紧后的烟炱体积和密度的实时计算。
[0021]本文所用术语“整体结构”表示从多结构层结合形成单个结构所形成的结构。
[0022]本文所用关于锻制二氧化硅烟炱层的术语“形成在…上”旨在表示提供一层锻制二氧化硅烟炱，并依次提供与第一层接触的至少一层额外的锻制二氧化硅烟炱层。
[0023]本文所用术语“二氧化硅烟炱”旨在包括基本由二氧化硅，例如大于约50重量％，例如大于约75重量％,大于约85重量％,大于约90重量％,大于约95重量％,大于约97重量％，大于约98重量％,或者大于约99重量％的二氧化娃构成的烟食。如本文所述，指的是，第一和第二二氧化硅烟炱层可分别包括相同、基本相同或者不同纯度的二氧化硅。本领域技术人员有能力根据所需的应用和性质，为各个层选择合适的二氧化硅烟炱的纯度。
[0024]本文所用术语“锻制二氧化硅”旨在表示通过燃烧二氧化硅前体产生，并作为自由流动粉末收集的二氧化硅粉末。在至少一些实施方式中，锻制二氧化硅烟炱可表征为小于或等于约0.25微米的平均粒度，以及约10-100m2/g的平均表面积。
[0025]在各个实施方式中，二氧化硅前体可选择以下一种或多种:四氯化硅(SiCl4)、八甲基环四硅氧烷(Si4O4C8H24)和其他硅酮、乙醇硅(Si(OC2H5)4)以及其他醇盐硅，但不限于此。仅仅作为举例，可以进行氯处理，并且可提供最高至99.9999%的锻制二氧化硅烟炱纯度。
[0026]本发明的其他目的和优点将在以下描述中指出，其中一部分通过该描述不难理解，或者可通过实施本发明而了解。借助所附权利要求中特别指出的要素和组合，将会认识和实现这些目的和优点。
[0027]应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不对权利要求书构成限制。本领域的技术人员通过考虑说明书和实施本文所述的实施方式，可以显而易见地想到其他的实施方式。
[0028]附图被结合在本说明书中，并构成说明书的一部分，【专利附图】
【附图说明】了本发明的一些示例性实施方式，并与描述部分一起用来解释本发明的原理。
[0029]附图简要说明
[0030]图1A-H显示根据本发明的至少一个示例性实施方式的形成容器的方法；
[0031]图2是根据至少一个示例性实施方式，处于预压紧、未加工状态的结构的层中的一层的SEM图；
[0032]图3是图2所示的层处于压紧状态的SEM图；
[0033]图4是根据两种类型的工艺，结构的层中的一层的振实密度与加工时间的关系图；
[0034]图5所示是根据一个实施方式，处于加工过的、压紧状态的一个示例性结构的层的一层;
[0035]图6所示是根据另一个实施方式，处于加工过的、压紧状态的一个示例性结构的层的一层；
[0036]图7所示是根据另一个实施方式，处于加工过的、压紧状态的一个示例性结构的层的一层；
[0037]图8是一个示例性结构的至少一层的轴向压力与压制密度的关系图；
[0038]图9所示是根据至少一个示例性实施方式烧结之后的一个示例性结构的一层；以及
[0039]图10所示是根据至少一个示例性实施方式烧结和固结之后的一个示例性结构的两层。
[0040]详细描述
[0041]在本发明的各个示例性实施方式中，提供了形成整体结构，例如容器的方法，以及所得到的整体结构。在各个实施方式中，方法包括:提供第一煅制二氧化硅烟炱层以及第二煅制二氧化硅烟炱层，所述第一煅制二氧化硅烟炱层是由煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的，所述第二煅制二氧化硅烟炱层是由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成为团聚形式的团聚颗粒构成的，所述第二煅制二氧化硅烟炱层设置在第一煅制二氧化硅烟炱层上。第一煅制二氧化硅烟炱层的初级颗粒可具有基本均匀的密度分布，而第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒可具有基本不均匀的密度分布。在各个实施方式中，该方法包括将第一和第二锻制二氧化硅烟炱层固结在一起以形成固结的整体结构。
[0042]在至少一个示例性实施方式中，形成整体结构的方法包括:例如，提供由锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的第一锻制二氧化硅烟炱层，所述初级颗粒任选地具有基本均匀的密度分布。示例性方法包括通过方法对锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒进行改性，以形成锻制二氧化硅烟炱的团聚颗粒，并提供由锻制二氧化硅烟炱的团聚颗粒构成的第二锻制二氧化硅烟炱层，例如与第一锻制二氧化硅烟炱层直接接触。第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒可具有基本不均匀的密度分布。在各个实施方式中，该方法还包括将第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层压紧成为压紧结构，然后对压紧结构的第一和第二烟炱层进行固结，以形成固结结构。
[0043]图1A-H显示根据本发明的至少一个示例性实施方式，形成整体结构(例如容器)的一个示例性方法。容器可构造成接收熔融材料，例如，用于形成半导体材料的固化制品的熔融半导体材料。在图1A中，提供了第一锻制二氧化硅烟炱层10。第一锻制二氧化硅烟炱层10可以是刚形成的具有亚微米初级颗粒的烟炱。第一锻制二氧化硅烟炱层10可任选地具有以下一种性质或其组合:(a)小于或等于约0.25微米的平均粒度；以及(b)约10-100m2/g的平均表面积。图2是根据至少一个示例性实施方式，处于预压紧、未改性状态的用于第一烟炱层10或用于第二烟炱层的锻制二氧化硅烟炱的25000X放大倍数的图，其会在下文进一步描述。用于层，例如第一烟炱层10的锻制二氧化硅烟炱可具有约
0.1-0.4g/cm3，例如约0.3g/cm3的初始、未改性的振实密度。
[0044]如图1A的示例性实施方式所示，可以在模具(例如第一压制模具100)内，绕着放置在第一压制模具100内的井模具(well mold) 102，提供处于未改性状态的第一锻制二氧化硅烟炱层10。可以在第一压制模具100内提供第一压紧装置，例如第一柱塞20，并且可以对第一锻制二氧化硅烟炱层10的侧壁12进行预压紧。第一柱塞20可包括限定在第一柱塞20的中心部分内的开口 22，从而仅压紧了侧壁12。之后，可以收回第一柱塞20。
[0045]如图1B所示，由于松烟炱的特性，中心处的松烟炱在井模具102和至少部分的压紧的侧壁12上重新分布，并且可以提供与第一压紧装置相同或不同的第二压紧装置，例如柱塞24。第二压紧装置可任选地是平坦的，并且可以不包括通过其的开口，因而可以将余下的松烟炱压紧至所需的压制密度，例如约0.6-1.2g/cm3。
[0046]可以将第一锻制二氧化碳烟炱层10压紧至压制密度，该压制密度可基于所需的应用进行选择，并且可相对于第二锻制二氧化碳烟炱层被压紧至的密度进行选择，其会在下文更详细地描述。例如，可将第一锻制二氧化硅烟炱层10压紧至约0.6-1.2g/cm3的压制密度。此外，可以以例如约200-900psi的压力压紧第一锻制二氧化硅烟炱层10，其会在下文更详细地描述。
[0047]图3所示是根据至少一个示例性实施方式，压制密度为0.8g/cm3,处于压紧状态的图2的第一锻制二氧化碳烟炱层。可以看出，在压紧状态下，第一烟炱层10在微米规格具有高度均匀的结构，并且在亚微米规格具有基本均匀的孔结构。
[0048]如图1C的示例性实施方式所示，在至少一个实施方式中，可以收回第二柱塞24，并且可以去除第一压制模具100，例如通过拆卸或收回。压紧的第一烟炱层10仍绕着井模具102，如图1D所示。
[0049]之后，在例如如图1E所示的另一个示例性实施方式中，可以提供第二压制模具200，并且可以在第二压制模具200内放置井模具102和绕着井模具102的压紧的内层10。在各个实施方式中，第一压制模具100和/或第二压制模具200可以由对于压紧的烟炱具有低粘着的刚性材料制成，例如，碳、特氟龙内衬的铝、致密聚乙烯或者二氧化硅。第一压制模具100和/或第二压制模具200可具有中空几何管状形式。在各个实施方式中，第一压制模具100可具有大于井模具102的内圆周区域。在各个实施方式中，第二压制模具200可具有大于第一压制模具100的内区域的内圆周区域。
[0050]此外，可以在压紧的第一烟炱层10上提供第二锻制二氧化硅烟炱层30。可以在压紧的第一烟炱层10上提供第二锻制二氧化硅烟炱层30之前，通过工艺对第二锻制二氧化硅烟炱层30进行处理，从而形成具有基本团聚颗粒的烟炱层。刚形成的锻制二氧化硅烟炱(其可以是与第一锻制二氧化硅烟炱层10相同的刚形成的锻制二氧化硅烟炱)可用于形成具有基本团聚颗粒的烟炱层的工艺中。刚形成的锻制二氧化硅烟炱可以由初级烟炱颗粒构成，所述初级烟炱颗粒的平均粒度约为小于或等于0.25微米，平均表面积约为10-100m2/g。
[0051]可以采用工艺对第二锻制二氧化硅烟炱层30进行改性，从而从刚形成的锻制二氧化硅烟炱的初级烟炱颗粒形成遍及整个第二层30的次级团聚颗粒。可以通过以下方法对第二锻制二氧化硅烟炱层30进行处理，仅仅作为举例，干研磨(轧制)、振动研磨、摇动/混合或者喷雾干燥，这可以导致形成较大次级团聚颗粒的分布，所述较大次级团聚颗粒是完全由初级烟炱颗粒构成的。例如，可以通过Turbular混合器进行混合。
[0052]次级团聚烟炱颗粒的直径可以比形成次级颗粒的初级烟炱颗粒的直径大约50-5000倍。仅仅作为举例，初级颗粒粒度可以约为180nm，而由初级颗粒形成的次级颗粒的直径可以约为10-500 μ m。初级颗粒可以是完全致密的二氧化硅，而次级颗粒可以具有孔隙率，并且可以具有0.8-1.5g/cm3的密度。这样，次级团聚颗粒可分别由约14-1Oltl个初级颗粒构成。团聚烟炱可进一步表征为初级烟炱颗粒之间的较弱吸引力。可以通过例如，高冲击粉末研磨或其他分散方法，使得团聚颗粒返回到初始锻制二氧化硅状态。
[0053]次级颗粒的振实密度可高于用于形成次级颗粒的初级颗粒的振实密度，并且次级颗粒还可保留高的比表面积。具体来说，改性以形成具有基本团聚颗粒的烟炱层的第二锻制二氧化硅烟炱层30的初始振实密度可以从约0.1-0.4g/cm3(例如约0.3g/cm3)增加到约0.35-0.9g/cm3的改性振实密度。
[0054]可以在放置在第二压制模具200之前，并且在第二烟炱层30压紧之前，对第二锻制二氧化硅烟炱层10进行加工。可以通过本领域技术人员已知的任意方法，例如干研磨(如轧制)、振动研磨、摇动/混合或喷雾干燥来进行形成团聚烟炱层的过程。
[0055]在至少一个示例性实施方式中，通过干研磨，例如轧制的方法对锻制二氧化硅烟炱进行处理，以形成团聚的次级烟炱颗粒。在一个示例性实施方式中，可以在容器，例如圆柱形容器中对烟炱进行轧制一段合适的时间，例如最高至约24小时，这使得初级颗粒之间的粘结力将颗粒弱粘结在一起以形成团聚颗粒。在研磨中，通过颗粒之间的重复接触形成团聚颗粒。在将锻制二氧化硅烟炱轧制约24小时之后，团聚颗粒的直径可以至少约为20微米或更大，例如直径约为50-300微米。改性烟炱的平均表面积可以是，例如约15-100m2/g，并且在一个示例性实施方式中，可以约为23m2/g。在轧制过程中，团聚颗粒可以成形为任意形状，例如大致椭圆形形状。
[0056]在至少一个示例性实施方式中，可以通过在容器(例如Nalgene容器)中对烟炱轧制1-2天来形成团聚颗粒。
[0057]在一个示例性实施方式中，在对表面积约为23m2/g的烟炱轧制约24小时之后，锻制二氧化硅烟炱的振实密度可以从约0.1-0.4g/cm3(例如约0.3g/cm3)的初始振实密度增加到约0.3-0.65g/cm3的改性振实密度。在形成之后，单个团聚颗粒的密度可以是例如约
0.55-0.9g/cm3。
[0058]在另一个示例性实施方式中，通过摇动/混合工艺对锻制二氧化硅烟炱进行处理，以形成团聚的次级烟炱颗粒。在摇动/混合第二锻制二氧化硅烟炱层30的过程中，在混合器(例如Turbular混合器)中提供刚形成的烟炱，并且对刚形成的烟炱进行加工以引起刚形成的烟炱的初级颗粒粘合在一起作为团聚的次级颗粒。在一个示例性实施方式中，可以对烟炱加工例如约8-24小时，通过初级颗粒之间的重复接触，以使得初级颗粒团聚成次级团聚颗粒。在对锻制二氧化硅烟炱摇动/混合约24小时之后，团聚颗粒的直径可以至少约为20微米或更大，例如直径约为60-120微米。改性烟炱的平均表面积可以是，例如约15-100m2/g，并且在一个示例性实施方式中，可以约为23m2/g。团聚颗粒可以成形为任意形状，例如大致球形形状。
[0059]在对表面积约为23m2/g的烟炱摇动/混合约24小时之后，锻制二氧化硅烟炱的振实密度可以从约0.1-0.4g/cm3 (例如约0.3g/cm3)的初始振实密度增加到约0.3-0.65g/cm3的改性振实密度。在形成之后，单个团聚颗粒的密度可以约为0.55-0.9g/cm3。
[0060]图4所示是通过对烟炱进行轧制或者在Turbular混合器中对烟炱进行混合/摇动进行处理的刚形成的锻制二氧化硅烟炱的类型的振实密度。图线300显示轧制的烟炱随时间变化的振实密度。图线302显示在Turbular混合器中加工的烟炱随时间变化的振实密度。如图所示，在24小时的加工时间内，这些示例性实施方式中的振实密度从约0.3g/cm3 增加到了约 0.6g/cm3。
[0061]在另一个示例性实施方式中，通过将水基浆料喷雾干燥到烟炱上的方法对刚形成的烟炱进行处理，以形成团聚的次级烟炱颗粒。在对第二锻制二氧化硅烟炱层30进行喷雾干燥的过程中，刚形成的锻制二氧化硅烟炱分散在水中，然后对水分散的二氧化硅烟炱进行喷雾干燥。随着浆料滴干燥，初级烟炱颗粒形成粘合团聚颗粒，该粘合团聚颗粒类似于注入干燥环境的液滴尺寸。各个团聚颗粒包括通过干燥水的毛细管力压紧的初级颗粒。在对锻制二氧化硅烟炱喷雾干燥后，团聚颗粒的直径可以至少约为5微米或更大，例如直径约为5-50微米。在一个示例性实施方式中，团聚颗粒的直径可以约为20微米。改性烟炱的平均表面积可以约为15-100m2/g，并且在一个示例性实施方式中，可以是23m2/g。
[0062]在对表面积为23m2/g的烟炱进行喷雾干燥之后，锻制二氧化硅烟炱的振实密度可以从约0.1-0.4g/cm3 (例如约0.3g/cm3)的初始振实密度增加到约0.8-0.9g/cm3的改性振实密度。在形成之后，单个团聚颗粒的密度可以是例如约1.0-1.4g/cm3，例如约1.2g/cm3。
[0063]因而，取决于烟炱的起始振实密度和用于形成团聚颗粒的方法，通过上文所述方法中的一种或者通过其他方法，使得加工成团聚形式的烟炱被改性至约0.35-0.9g/cm3的振实密度。
[0064]虽然参考上述示例性实施方式进行描述，所述实施方式中，在提供改性的第二锻制二氧化硅烟炱层30之前对第一锻制二氧化硅烟炱层10进行压紧，但是在其他示例性实施方式中，可以绕着未事先压紧的第一锻制二氧化硅烟炱层10提供第二锻制二氧化硅烟炱层30，并且如下文更详细地描述，之后在单个步骤中进行压紧，使得第一锻制二氧化硅烟炱层10和第二锻制二氧化硅烟炱层30压紧在一起。
[0065]如图1E的示例性实施方式所示，在第二压制模具200中绕着压紧的第一锻制二氧化硅烟炱层10提供第二锻制二氧化硅烟炱层30 (其已经通过工艺进行处理以从较小的初级颗粒形成团聚的次级颗粒)之后，具有限定在其中心的开口 42的第三柱塞40仅对绕着第一锻制二氧化硅烟炱层10的第二层30的锻制二氧化硅烟炱的侧壁32进行预压紧。之后，收回第三柱塞40。
[0066]如图1F的示例性实施方式所示，中心处的松烟炱绕着第一烟炱层10的中心以及在至少部分的压紧的侧壁32上重新分布，并且平坦且不包括通过其的开口的第四柱塞44将重新分布的烟炱压紧至所需的密度。第四柱塞44以例如约100-900psi的压力对锻制二氧化硅烟炱的外层30进行压紧。如图1G的示例性实施方式所示，收回第四柱塞44，并且可以去除第二压制模具200，例如通过拆卸或收回。
[0067]在各个实施方式中，在压紧之后，由于团聚颗粒在压紧期间保留了它们的形状，导致团聚的第二烟炱层30的密度可以是高度非均匀的。当对轧制约24小时的23m2/g的烟炱施加较低压紧压力(例如约100-150psi)时，还会保留大团聚颗粒之间的填隙空位。填隙区域可大到团聚颗粒的直径的约四分之一。在由23m2/g的烟炱构成的压紧的第二锻制二氧化硅烟炱层30中形成填隙空位，所述23m2/g的烟炱轧制了约24小时，并且以约130psi将直径从小于10微米压制到接近100微米。如果采用较高的压力将第二烟炱层30压紧至较高的压制密度，则填隙区域会被在负载下断裂的团聚颗粒部分填充。
[0068]因而，在各个实施方式中，可将第二锻制二氧化硅烟炱层30压紧至约0.6-1.2g/cm3的压制密度。例如，当施加200psi的最大压力时，轧制的烟炱的第二烟炱层30的压制密度可以约为0.9g/cm3，使得孔径约为1-50微米。当施加IlOpsi的最大压力时，轧制的烟炱的第二烟炱层30的压制密度可以约为0.8g/cm3，使得孔径约为10-100微米。当施加450psi的最大压力时，摇动/混合的烟炱的第二烟炱层30的压制密度可以约为1.05g/cm3，使得孔径约为1-20微米。当施加130psi的最大压力时，摇动/混合的烟炱的第二烟炱层30的压制密度可以约为0.9g/cm3,使得孔径约为10-100微米。当施加约900psi的最大压力时,喷雾干燥的烟炱的第二烟炱层30的压制密度可以约为1.12g/cm3，使得孔径约为2-15微米。
[0069]图5是示例性加工的轧制的烟炱在压紧之后的图。结构包括团聚颗粒和在团聚颗粒之间形成的填隙空位空间。轧制的团聚颗粒被压紧至0.85g/cm3的压制密度，团聚体尺寸为25-250微米。单个团聚颗粒的密度约为0.6-0.9g/cm3。填隙孔范围为10-80微米。
[0070]图6是示例性加工的摇动/混合的烟炱在压紧之后的图。轧制的团聚颗粒被压紧至约1.05g/cm3的压制密度，团聚体尺寸约为60-120微米，由于实现较高密度所施加的高压力，导致所述团聚体是断裂的。单个团聚颗粒的密度约为l.0g/cm3。填隙孔范围约为2-20微米。
[0071]图7是示例性加工的喷雾干燥的烟炱在压紧之后的图。喷雾干燥的团聚颗粒被压紧至约1.2g/cm3的压制密度，显示较小的平均团聚颗粒和相应的较小的填隙空位。团聚颗粒的尺寸约为5-50微米。单个团聚颗粒的密度约为1.0-1.2g/cm3。填隙孔范围约为2_15微米。
[0072]根据一个不例性实施方式，可以相对于第一压制模具100的中心轴和第二压制模具200的中心轴，以轴向压紧第一烟炱层10和/或第二烟炱层30。根据另一个示例性实施方式，可以相对于第一压制模具100的中心轴和第二压制模具200的中心轴，以径向压紧第一烟足层10和/或弟二烟足层30。
[0073]在某些实施方式中，可以在压紧过程中确定第一烟炱层10和第二烟炱层30的压制密度。仅仅举例来说，在轴向压制方法中，可以采用距离传感器，通过测量第一烟炱层10或第二烟炱层30的压紧距离来确定压制密度。例如，基于第一井模具100或第二井模具200中的给定区域内提供的烟炱的量，在各个模具内，从烟炱的未压紧水平到烟炱的压紧水平的垂直压紧距离实现了烟炱体积的实时计算和作为结果的烟炱密度的计算。或者，对于轴向法和径向法，可以采用压力传感器，从先前产生的烟炱的校准负荷位移曲线来估算压紧密度。
[0074]图8是对于各种烟炱例子，轴向压力与压制密度的关系图。图线400和402显示可用于第一烟炱层10的两种类型的刚形成的烟炱的轴向压力与压制密度的关系的两个例子。图线404显示可用于第二烟炱层30的喷雾干燥的烟炱的轴向压力与压制密度的关系的一个例子。图线406显示可用于第二烟炱层30的经过在Turbular混合器中摇动/混合约24小时的烟炱的轴向压力与压制密度关系的一个例子。
[0075]图8中所示的图线400和402显示了以相同施加的压力，对于不同类型的烟炱可实现的不同压制密度。实现的压制密度取决于，例如烟炱表面积(例如，相同的压力下，较高的表面积导致较低的密度)、水化水平(例如，更为水化的烟炱压紧起来更容易)以及具体烟炱的污染物水平。因而，可以选择具体类型的烟炱用于第一烟炱层10或第二烟炱层30，从而使得第二烟炱层30的目标孔隙率所需的压力最优化。例如，可以采用易于压制的烟炱用于第一烟炱层10，而采用难以压制的烟炱用于第二烟炱层10，从而例如，如果以相同的施加压力在一个步骤中对第一层10和第二层30进行压紧，实现所需的密度差同时使用相同的压力，这会在下文更详细的描述。
[0076]本领域技术人员会理解，在压紧锻制二氧化硅烟炱的第一烟炱层10和第二烟炱层30的方法和过程中，可采用许多不同的方法，它们不限于，例如在第一压制模具100和第二压制模具200中对层10和30进行压紧。
[0077]虽然在至少一个示例性实施方式中，显示和描述了单独地压紧第一锻制烟炱层10和第二锻制烟炱层30，但是可以在单个步骤中，一起压制第一锻制烟炱层10和第二锻制烟炱层30。例如，当第一锻制二氧化硅烟炱层10和第二锻制二氧化硅烟炱层30采用单个烟炱源时，则对于刚形成的、未改性的烟炱和改性的烟炱具有相似的负荷位移关系。
[0078]在第一烟炱层10和第二烟炱层30采用相同的烟炱源的实施方式中，两个分开的压紧步骤可将第一烟炱层10和第二烟炱层30分别压紧至适合用于固结的压制密度。但是，当采用两种不同的烟炱源时，在给定的负荷下，用于第一烟炱层10的锻制二氧化硅烟炱可被压制到比用于第二烟炱层30的锻制二氧化硅烟炱高的压制密度。因此，可对来自第一源的锻制二氧化硅烟炱的第一层10和来自第二源的锻制二氧化硅烟炱的第二层30进行单个压紧，以将层分别压紧至适合用于固结的压制密度。烟炱源的表面积、湿度水平以及烟炱制造的位置都会对特定烟炱源的负荷位移特性造成影响。
[0079]虽然在一个示例性实施方式中显示和讨论通过如下方式形成容器结构50:提供第一锻制二氧化硅烟炱层10，压紧第一层10，然后提供第二、改性的锻制二氧化硅烟炱层30，然后压紧第二层30，但是实施方式不限于此，本领域技术人员会理解，可以例如，在提供由初级颗粒构成的第一、未改性的锻制二氧化硅烟炱层并对其进行压紧之前，提供由从较小初级颗粒的基本团聚颗粒构成的第二、改性的锻制二氧化硅烟炱层，并在井模具中对其进行压紧。
[0080]在第一烟炱层10和第二烟炱层30被压紧之后，通过固结方法，例如通过烧结进行加热，将第一烟炱层10和第二烟炱层30固结在一起，以形成整体结构。如图1H的示例性实施方式所示，包括第一烟炱层10和第二烟炱层30的压紧体50从井模具102脱模，并在去除了井模具102的第一烟炱层10内形成了容器井60。之后，压紧体50成形为固结的容器结构70，其中内层10和外层30粘结在一起。可以采用本领域技术人员已知的任意方法来固结压紧体50，例如，将压紧体50加热至合适的温度，例如大于或等于约1400°C。
[0081]固结的第一锻制二氧化硅烟炱层的所需厚度会部分取决于，所需的应用以及与其相关的所需的性质，包括但不限于，密度、传导性、纯度和绝热性质。在至少一个示例性实施方式中，第一锻制二氧化硅烟炱层在固结前可具有约0.8cm的厚度，在固结后可具有大于或等于约0.5cm的厚度。
[0082]在通过例如加热的固结中，压紧体50的收缩可以从各层的特定尺寸或厚度进行至较小的固结结构70，其中各层的尺寸或厚度小于固结之前。可通过应用来限定层厚度的尺寸，但是通常来说，对于熔融硅加工，优选大于3mm的内层壁厚，以耐受将二氧化硅正常分解为熔融硅。假定压紧内层在固结过程中各向同性收缩，压制烟炱的成型厚度1，可由压制烟炱的密度(口 m)、固结玻璃的密度口。(对于内层=2.2g/cm3)和固结层的目标厚度t。，通过简单等式tm = tc( □m)1/3来估算。对于外层而言，相同的关系是同样成立的，不同之处在于固结密度会较低。层越致密，收缩越减小。收缩可取决于使用的锻制二氧化硅烟炱的类型和/或用于形成第二烟炱层30的团聚颗粒的方法。
[0083]第一烟炱层10和第二烟炱层30可固结成不同的固结密度。第一烟炱层10可以在固结后是完全致密的，即密度约为2.18-2.22g/cm3，例如约2.20g/cm3。第一烟炱层10可以在固结后是较高纯度的熔合二氧化硅，几乎不具有或者不具有孔。在至少一些实施方式中，烟炱在固结前的均匀特性可导致热处理过程中的均匀固结。
[0084]第二烟炱层30可以在固结后具有约1.65-2.15g/cm3的密度。在固结后，第二烟炱层30可从压紧结构中的大孔保留残余的孔隙率。在热加工过程中，由于颗粒的高浓度和小孔的小的曲率半径，导致致密团聚颗粒初始快速致密化。填隙空位较慢地坍塌，并在热加工后保留。最终密度表征为完全致密团聚颗粒内的大孔的分数，如图9所示。
[0085]在至少一些实施方式中，在固结后，由于来自团聚颗粒保留在玻璃中的高水平孔隙率，导致第二烟炱层30是不透明的。高孔隙率可有助于较低的传热性和较好的辐射吸收。传热性和孔隙率成反比。第二烟炱层30可固结成约4-25%的孔隙率。
[0086]对于给定的改性烟炱，固结密度会受到压制密度的选择的影响。通常来说，当烟炱被压紧到密度比压紧之前的振实密度高小于0.25g/cm3时，次级团聚结构不会严重破裂。同样，通常来说，如果烟炱被压紧到密度比压紧之前的振实密度高小于0.4g/cm3时，在压紧之后保留了团聚结构。但是，当压力比振实密度高约0.25g/cm3时，填隙空位被一些破裂材料部分填充。因而，较低的压力会导致较少的破裂的团聚颗粒，这导致在加热以使得层固结在一起之后保留更多的孔隙率。
[0087]通常来说，对于固结的第二烟炱层30，要实现目标水平的孔隙率，所述固结的第二烟炱层30通常用作设计成装纳熔融半导体材料的容器的外层。因此，通过形成团聚烟炱并将烟炱压紧至足够高以形成粘着压紧层的压制密度，但是用足够低以保留次级团聚结构大部分的完整性的施加压力，来实现第二烟炱层30的目标孔隙率和相关的目标固结密度。当施加的压力不是太高时，团聚颗粒没有被过大的加压粉碎，较大的填隙孔径和比体积导致固结状态下保留更多的孔隙率。
[0088]基于密度和实现目标外层固结密度所需的压力，可以为各个烟炱和团聚工艺确定不同的加工条件。例如，取决于在层被加热以使得它们固结到一起之后会发生的收缩，可以在特定的压紧压力下将第一烟炱层10压紧到特定的压制密度，所述特定的压紧压力会导致第一烟炱层10的压制密度提供与第一烟炱层30的最佳收缩匹配，以实现第二烟炱层30的目标固结密度和孔隙率。此外，为了实现第二烟炱层30的目标固结密度，取决于是先压紧第一烟炱层10或者是先压紧第二烟炱层30，可以在第二压紧步骤中优选使用两个压紧压力中较低的那个(如果它们不同的话)，或者首先压紧的层可以被过压紧。因此，可将第一烟炱层10压紧至略微高于第二烟炱层30的压制密度，从而适应或弥补在固结到玻璃过程中发生的收缩作用，其中，第二层30会固结至比第一层10低的固结密度。
[0089]因此，例如，为了确定使用的压力、第一烟炱层10实现的压制密度以及所使用的烟炱，可以基于固结成玻璃后的目标大孔隙率，首先选择第二烟炱层密度。在一个例子中，如果在轧制烟炱加工中第二烟炱层30的压制密度约为0.8g/cm3,则可以确定例如将第一烟炱层10首先压紧到约为0.9g/cm3的压制密度。在另一个示例性例子中，如果在Turbula混合器烟炱加工中第二烟炱层30的压制密度约为0.9g/cm3,则可以确定例如将第一烟炱层10首先压紧到约为1.0g/cm3的压制密度。在另一个例子中，因为喷雾干燥形成较高密度的团聚颗粒，以低压力将第二烟炱层30压紧至较高密度，从而，可以确定例如对于第一烟炱层10,仅仅略微超过约为1.12g/cm3的第二层密度,约为1.15g/cm3。
[0090]图10是100X放大倍数的显微图，显示第一烟炱层10和第二烟炱层30之间的界面。图10的左侧显示由压紧的第一层10产生的致密区域。图10的右侧显示来自改性并压紧的第二层10的导致填隙空位的大孔。
[0091]从而形成了固结的容器结构70，其可以包括较多多孔的第一层(其可以是容器结构70的内层)和较少多孔的第二层(其可以是容器结构的外层)。固结的容器结构70可用于，例如接收熔融半导体材料，从而用于固化的半导体材料的成形。
[0092]除非另外说明，否则，说明书和权利要求书中使用的所有数值都理解为在所有情况下用术语“约”修饰，而不管是否确有“约”。也应理解，本发明说明书和权利要求书所用的精确数值构成本发明的附加实施方式。已尽力保证实施例所揭示的数值的准确度。然而，任何测定的数值必然会含有由各种测定技术中存在的标准偏差所造成的某些误差。
[0093]如本文所述，除非另有相反说明，否则可以以任意顺序进行本文所述任意方法的步骤或工艺，而方法仍然落在本发明的保护范围内。
[0094]本文所用的“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，不应局限为“仅一个(一种)”，除非明确有相反的说明。因此，例如，“该工艺”或“工艺”旨在表示至少一个工艺。
[0095]本领域的技术人员通过考虑说明书和实施本文所述的内容，可以显而易见地想到其他的实施方式。本说明书和实施例应仅仅视为示例，本发明真正的范围和精神由所附权利要求书来说明。
【权利要求】
1.一种形成容器的方法，该方法包括: 提供由锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的第一锻制二氧化硅烟炱层， 在第一锻制二氧化硅烟炱层上提供第二煅制二氧化硅烟炱层，所述第二煅制二氧化硅烟炱层是由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成的团聚颗粒构成的，以及 将第一和第二烟炱层压紧到一起以形成容器，其中 第一煅制二氧化硅烟炱层的初级颗粒具有基本均匀的密度分布，而第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒具有基本不均匀的密度分布。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对层进行压紧的步骤之前对第一煅制二氧化硅烟炱层和第二煅制二氧化硅烟炱层进行清洁。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，团聚颗粒的直径至少约5微米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，初级颗粒的直径约为小于或等于0.25微米。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一锻制二氧化硅烟炱层的平均表面积约为 10-100m2/g。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下过程对第二锻制二氧化硅烟炱层进行改性，所述过程使得第二层的锻制二氧化硅烟炱从约为0.1-0.4g/cm3的初始振实密度增加到约为0.35-0.9g/cm3的改性振实密度，从而形成团聚颗粒。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对锻制二氧化硅烟炱进行轧制，从锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成第二锻制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对锻制二氧化硅烟炱进行振动研磨或者摇动/混合，从锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成第二锻制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将锻制二氧化硅烟炱分散在水中并对分散的锻制二氧化硅烟炱进行喷雾干燥，从初级颗粒形成第二锻制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒。
10.一种形成容器的方法，该方法包括: 提供由锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的第一锻制二氧化硅烟炱层，其中第一锻制二氧化硅烟炱层的初级颗粒具有基本均匀的密度分布； 对第一锻制二氧化硅烟炱层进行压紧； 通过过程对锻制二氧化硅烟炱进行改性，以形成由来自锻制二氧化硅烟炱的初级颗粒的团聚颗粒构成的第二锻制二氧化硅烟炱层，其中第二锻制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒具有基本不均匀的密度分布； 对第二锻制二氧化硅烟炱层进行压紧，第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层被一起压紧成压紧结构；以及 使第一和第二锻制二氧化硅烟炱层固结到一起以形成容器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对第一锻制二氧化硅烟炱层进行压紧还包括: 在第一压制模具内，绕着放置在第一压制模具内的井模具提供第一锻制二氧化硅烟炱层，以及 将第一锻制二氧化硅烟炱层绕着井模具进行压紧以形成容器井。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，对第一锻制二氧化硅烟炱层进行压紧还包括在井模具和第一压制模具之间对第一烟炱层的一部分的锻制二氧化硅烟炱进行预压紧。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对第二锻制二氧化硅烟炱层进行压紧还包括在第二压制模具内提供压紧的第一锻制二氧化硅烟炱层，在所述压紧的第一锻制二氧化硅烟炱层上提供第二锻制二氧化硅烟炱层，以及对第二锻制二氧化硅烟炱层进行压紧。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，相对于第一压制模具的中心轴和第二压制模具的中心轴，以轴向压紧第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，相对于第一压制模具的中心轴和第二压制模具的中心轴，以径向压紧第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在单个压紧中将第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层一起压紧。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将第一锻制二氧化硅烟炱层从约0.1-ο.4g/cm3的初始振实密度压紧至约0.6-1.2g/cm3的压制密度。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将第二锻制二氧化硅烟炱层从约0.35-0.9g/cm3的改性振实密度压紧至约0.6-1.2g/cm3的压制密度。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对第二锻制二氧化硅烟炱层进行压紧在团聚颗粒之间形成了约为1-100微米的填隙空位空间。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使第一和第二烟炱层固结到一起还包括对第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层进行加热，以使得第一锻制二氧化硅烟炱层和第二锻制二氧化硅烟炱层致密化。
21.一种容器，其包括: 密度约为2.18-2.2g/cm3的第一锻制二氧化硅烟炱层；以及 与第一锻制二氧化硅烟炱层结合并且密度约为1.65-2.15g/cm3的第二锻制二氧化硅烟炱层。
22.如权利要求21所述的容器，其特征在于，所述第二锻制二氧化硅烟炱层的孔隙率约为4-15%。
23.—种压紧的结构，其包括: 由煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒构成的第一煅制二氧化硅烟炱层，其中，所述第一煅制二氧化硅烟炱层被从约0.1-0.4g/cm3的初始密度压紧到约0.6-1.2g/cm3的压制密度；以及 由从煅制二氧化硅烟炱的初级颗粒形成为团聚形式的团聚颗粒构成的第二煅制二氧化硅烟炱层，其中，所述第二煅制二氧化硅烟炱层形成在所述第一煅制二氧化硅烟炱层上，并且所述第二煅制二氧化硅烟炱层被从约0.35-0.9g/cm3的改性振实密度压紧到约0.6-1.2g/cm3的压制密度， 其中，第一煅制二氧化硅烟炱层的初级颗粒具有基本均匀的密度分布，而第二煅制二氧化硅烟炱层的团聚颗粒具有基本不均匀的密度分布。
24. 如权利要求23所述的压紧的结构，其特征在于，通过如下过程对第二锻制二氧化硅烟炱层进行改性，所述过程使得第二层的锻制二氧化硅烟炱从约为0.1-0.4g/cm3的初始振实密度增加到约为0.35-0.9g/cm3的改性振实密度，从而形成团聚颗粒。
【文档编号】C03B35/00GK104185612SQ201280068042
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】S·B·道斯, D·H·詹尼斯 申请人:康宁股份有限公司