一种高质量不透明石英玻璃锭的生产方法与流程

本发明涉及一种高质量不透明石英玻璃锭的制造方法，属石英玻璃制造技术领域。

背景技术：

熔融石英产品被广泛应用于生产微电子器件的半导体行业，虽然透明石英为主流产品，但是近年来随着半导体行业的不断发展，能阻断红外透过的不透明石英玻璃产品逐渐受到重视。

传统的不透明石英玻璃制作方法之一是将合成二氧化硅粉料和天然石英砂置于电熔炉中熔化，或将天然石英砂与caco3之类的发泡剂混合熔融。而添加此类发泡剂制成的不透明石英玻璃含有碱性杂质，对应用于半导体所需的器件来说有极大缺陷。另一种降低石英玻璃透明度的方法，是在不影响原料纯度的情况下，添加大小不一的含硅化合物颗粒来熔制石英锭或其它形状的不透明石英产品。这些添加剂能够在熔融过程中形成微小气泡，对光有反射、漫射或扩散光的效果，达到阻绝红外也就是隔热效果。典型的添加剂是氮化硅粉末，而为了保证产品的纯度和均匀性，要求作为添加剂的氮化硅粉末粒度极细且纯度极高，于是此制备方法的成本较高。而业内另一个重要的不透明石英玻璃的工业生产手段即在石英玻璃的原料中添加液态的小分子有机硅和少量高纯白炭黑粉末，搅拌混合后使用焰熔法进行熔制，通过小分子有机硅在燃烧过程中产生大量微小气泡以获得不透明石英玻璃产品。由于液态小分子有机硅的表面张力和其具有的疏水性，无法均匀地粘附在石英砂表面，更难以进入石英砂内部的孔隙。

现有专利文献cn106029586a和cn107417071a，即为采用粉体与粉体混合和粉体与液体混合的代表性制备不透明石英锭的方式。在实际生产过程中，由于液态小分子有机硅的表面张力和疏水性，不论如何改进原料的搅拌混合方式，都不可能达到非常理想的均匀混合状态，因此以此方法生产的不透明石英玻璃产品不良率居高不下。若要制得的不透明石英玻璃产品密度均一，且避免出现局部透明化的不良产品，让小分子有机硅均匀分布在石英玻璃原料的表面和内表面是关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种可有效提高不透明石英玻璃产品的合格率，并节省熔制步骤，大大降低人力成本，解决现有将液态小分子有机硅和石英砂原料以及白炭黑，搅拌混合后进行熔制方案中存在的，液态小分子有机硅无法均匀粘附在石英砂原料表面问题的高质量不透明石英玻璃锭的制造方法。

本发明的技术方案是：

一种高质量不透明石英玻璃锭的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）、首先选择直径在120-160目的石英砂颗粒为原料，并置于熔制装置的石英砂料仓中，

2）、将液态有机硅原料置于液态有机硅料箱中，并点燃氢氧燃烧器对炉膛进行预热；

3）、当炉膛温度预热到1200℃时，将石英棒靶标伸入到燃烧器氢氧火焰的焦点处，以使后续工作中燃烧器输入的粉料熔融并沉积在靶标上，

4）、当炉膛温度身高到1700℃—1800℃时，开启载有机硅氢气气源，同时开启有机硅蒸发器和原料泵；并且同时开启载石英砂氢气气源，

5）、有机硅氢气气源开启后，氢气气源经有机硅连通管与液态有机硅原料混合后，再经有机硅蒸发器气化后，通过电加热保温装置进入下料管；

6）、载石英砂氢气气源开启后，载石英砂氢气托载着石英砂原料进入下料管，并与有机硅原料混合后形成混合原料，沿下料管进入氢氧燃烧器，

7）、进入氢氧燃烧器的混合原料，在燃料氢氧气火焰的焦点处熔融并沉积在石英棒靶标上，形成不透明石英锭，由此开始不透明石英锭的生长，与此同时，撑托石英棒靶标的机械臂带动石英棒靶标旋转并下降，开始不透明石英锭制锭过程。

步骤1）所述的熔制装置由熔制炉、氢氧燃烧器、石英砂料仓、液态有机硅料箱、有机硅蒸发器、下料管和电加热保温装置构成；熔制炉的顶部设置有氢氧燃烧器，氢氧燃烧器上方设置有石英砂料仓，石英砂料仓下方设置有载石英砂氢气气源箱，石英砂料仓通过下料口与载石英砂氢气气源箱连通，载石英砂氢气气源箱通过下料管与氢氧燃烧器连通，氢氧燃烧器下方的熔制炉内设置有靶盘；载石英砂氢气气源箱一侧设置有燃料氢氧气气源，燃料氢氧气气源通过连通管与氢氧燃烧器连通，熔制炉的一侧设置有液态有机硅料箱；液态有机硅料箱通过有机硅连通管与下料管连通。

所述的下料管为变径体，其中间部位的圆周上设置有连接管，用于与机硅连通管连通，连接管的小径段长度为5—10cm。

所述的有机硅连通管上装有有机硅蒸发器，有机硅蒸发器一侧的有机硅连通管上装有电加热保温装置，以防止小分子有机硅气体低温冷凝。

液态有机硅料箱内的有机硅连通管端头装有加压泵。

所述的有机硅蒸发器与液态有机硅料箱之间的有机硅连通管上装有液体质量流量计。

所述的液体质量流量计与有机硅蒸发器之间的有机硅连通管上装有载有机硅氢气管，载有机硅氢气管与载有机硅氢气气源连通。

所述的载有机硅氢气管上装有气体质量流量计，以氢气载动有机硅注入下料管。

所述的液态有机硅工作流量150～250g/h，以控制有机硅在石英砂中的添加比例。

所述的载石英砂氢气流量为60slm，保持正压防止回火，并确保石英砂下料顺畅；

所述的石英砂在生产过程中的进料速度为4～5kg/h，以防止进料速度过小导致的气泡直径过大，以及进料速度过大导致的石英砂不能完全融化，控制气泡直径在80μm，以防止产品强度变低。

所述的电加热保温装置维持蒸发器后端的有机硅连通管温度不低于180℃，以保证有机硅的气化状态。

申请人在实际工作当中，发现有机硅的添加比例、载石英砂氢气流量、进料速度、有机硅料管温度都对最终产品质量及生产有着直接的影响；申请人分别进行了试验，其具体结果如下：

有机硅的添加比例试验结果；

结论：有机硅的添加比例为3～5%时，产品质量最为稳定。

载石英砂氢气流量试验结果；

结论：综合成本因素考虑，采用石英砂氢气流量为60slm，此条件下产品气泡较均匀。

石英砂进料速度试验结果；

结论：石英砂进料速度控制在4～5kg/h时，产品质量较稳定，且不出现透明区域。

有机硅料管温度试验结果；

结论：由于有机硅的沸点在175℃左右，选择将有机硅料管温度维持在180℃，既能保证生产的正常进行，同时能避免加热电能的浪费。

常规制备方式和本发明制备方式相比（参见附图2和附图3）结果；

从附图2与附图3可以看出，两种不同工艺制得的不透明石英玻璃锭中的气泡分别差别较大，常规制备方式制得的不透明石英玻璃锭中透明区域（无气泡区域）较大，本发明方法制得的不透明石英玻璃锭气泡分布更加均匀，透明区域相对较小，由此避免了出现部分区域透明而导致的不透明石英玻璃锭质量不合格问题。

本发明的优点在于：

本发明将液态有机硅料通过蒸发器气化，经有机硅连通管接入装有二氧化硅含量99.95%以上的石英砂颗粒为原料的下料管，且有机硅连通管后端加装有电加热保温装置，以防止小分子有机硅气体低温冷凝；本发明以氢气载动石英砂原料下料，用气体质量流量计控制小分子有机硅的添加量，最后通过氢氧焰熔融的工艺方法熔制得到不透明石英玻璃锭。本发明改进了原有生产方法中直接在石英砂原料中添加液态的小分子有机硅与高纯白碳黑搅拌混合的方式，使用气态的小分子有机硅与石英砂原料边混合边熔制。熔制过程中，蒸发器将液态小分子有机硅气化，通过气体质量流量计，准确控制小分子有机硅气体流量，与石英砂原料同时进入下料管道，从而使小分子有机硅均匀分布在石英砂原料的表面和内表面，有效解决了液态小分子有机硅无法均匀粘附在石英砂原料表面的问题。在另一方面，本发明采用氢气载料的下料方式，可有效避免氢氧燃烧器灯头口处和灯芯出气口处原料形成积料；大大提高了产品的密度均匀性和良品率，并可在生产过程中即时调节小分子有机硅和石英玻璃原料的比例，增加生产过程和产品研发的可控性。

附图说明：

图1为本发明熔制装置的结构示意图；

图2为采用常规方式制备出的不透明石英锭中的气泡显微图；

图3为本发明方式制备出的不透明石英锭中的气泡显微图；

图4为本发明下料管的结构示意图。

图中：1、液态有机硅料箱，2、液体质量流量计，3、载有机硅氢气管，4、气体质量流量计，5、有机硅蒸发器，6、电加热保温装置，7、石英砂料仓，8、载石英砂氢气气源箱，9、燃料氢氧气气源，10、下料管，11、氢氧燃烧器，12、靶料面，13、熔制炉，14、靶盘；15、有机硅连通管，16、连接管。

具体实施方式

实施例1

首先选择直径在120目的石英砂颗粒为原料，并置于熔制装置的石英砂料仓7中，熔制装置由熔制炉13、氢氧燃烧器11、石英砂料仓7、液态有机硅料箱1、有机硅蒸发器5、下料管10和电加热保温装置10构成；熔制炉13的顶部设置有氢氧燃烧器11，氢氧燃烧器11上方设置有石英砂料仓7，石英砂料仓7下方设置有载石英砂氢气气源箱8，石英砂料仓7通过下料口与载石英砂氢气气源箱8连通，载石英砂氢气气源箱8通过下料管10与氢氧燃烧器11连通，载石英砂氢气气源箱8同时与载石英砂氢气气源连通，氢氧燃烧器11下方的熔制炉13内设置有靶盘14；工作时，靶料面12在靶盘14上融化沉积，同时靶盘14承载着靶料面12旋转并下降，由此进行不透明石英锭制锭过程。

载石英砂氢气气源箱8一侧设置有燃料氢氧气气源9，燃料氢氧气气源9通过连通管与氢氧燃烧器11连通，由此连续不断的为氢氧燃烧器11提供燃烧所需要的氢氧气燃料；

熔制炉13的一侧设置有液态有机硅料箱1；液态有机硅料箱1通过有机硅连通管15与下料管10连通，下料管10为变径体，其中间部位的圆周上设置有连接管16，连接管16为l型；用于与机硅连通管15连通，下料管的小径段长度为5—10cm。

液态有机硅料箱1内的有机硅连通15管端头装有原料泵，以保证液态有机硅在一定的压力下进入下料管10。有机硅连通管15上装有有机硅蒸发器5，以对液态有机硅进行气化；有机硅蒸发器5一侧的有机硅连通管15上装有电加热保温装置6（市售产品），以对包裹的有机硅连通管15进行加热，防止小分子有机硅气体低温冷凝。有机硅蒸发器5与液态有机硅料箱1之间的有机硅连通管15上装有液体质量流量计2，以控制有机硅的添加比例在3～5%范围内。液体质量流量计2与有机硅蒸发器5之间的有机硅连通管15上装有载有机硅氢气管3，载有机硅氢气管3与氢气气源连通。载有机硅氢气管3上装有气体质量流量计4，以氢气载动有机硅注入下料管。

将液态有机硅原料置于液态有机硅料箱1中，并点燃氢氧燃烧器对熔制炉13的炉膛进行预热；当炉膛温度预热到1200℃时，将靶盘14（靶标）伸入到燃烧器氢氧火焰的焦点处，以使后续工作中燃烧器输入的粉料熔融并沉积在靶盘14（靶标）上，当炉膛温度身高到1700℃时，开启载有机硅氢气气源，同时开启有机硅蒸发器5、原料泵和载石英砂氢气气源，载有机硅氢气气源开启后，氢气气源经有机硅连通管15与液态有机硅原料混合后，再经有机硅蒸发器5气化后，通过电加热保温装置进入下料管10；其中，液态有机硅的工作流量为150g/h，以控制有机硅在石英砂中的添加比例。载石英砂氢气流量为60slm，保持正压以防止回火，并确保石英砂下料顺畅；石英砂在生产过程中的进料速度为4kg/h，以防止进料速度过大导致的石英砂不能融化以及进料速度过小导致的气泡直径过大，控制气泡直径在80μm，以防止产品强度变低；同时，电加热保温装置6维持蒸发器后端的有机硅连通管15温度不低于180℃（含180℃），以保证有机硅的气化状态。

载石英砂氢气气源开启后，氢气气源进入载石英砂氢气气源箱8，石英砂料仓7内的石英砂颗粒同时进入载石英砂氢气气源箱8，氢气气源箱内的载石英砂氢气托载着石英砂原料进入下料管10，并与由有机硅连通管15有机硅原料混合后形成混合原料，然后沿下料管10进入氢氧燃烧器11，进入氢氧燃烧器11的混合原料，在燃料氢氧气火焰的焦点处熔融并沉积在靶盘14上形成靶料面12并不断层叠沉积形成不透明石英锭，由此开始不透明石英锭的生长，与此同时，撑托靶盘14的机械臂带动靶盘14旋转并下降，开始不透明石英锭制锭过程；

本发明制成的5mm厚度的不透明石英玻璃锭在近红外线下（λ=900nm）直线透过率为1%或更低。

实施例2

首先选择直径在140目的石英砂颗粒为原料，并置于熔制装置的石英砂料仓7中，熔制装置由熔制炉13、氢氧燃烧器11、石英砂料仓7、液态有机硅料箱1、有机硅蒸发器5、下料管10和电加热保温装置10构成；熔制炉13的顶部设置有氢氧燃烧器11，氢氧燃烧器11上方设置有石英砂料仓7，石英砂料仓7下方设置有载石英砂氢气气源箱8，石英砂料仓7通过下料口与载石英砂氢气气源箱8连通，载石英砂氢气气源箱8通过下料管10与氢氧燃烧器11连通，载石英砂氢气气源箱8同时与载石英砂氢气气源连通，氢氧燃烧器11下方的熔制炉13内设置有靶盘14；工作时，靶料面12在靶盘14上融化沉积，同时靶盘14承载着靶料面12旋转并下降，由此进行不透明石英锭制锭过程。

载石英砂氢气气源箱8一侧设置有燃料氢氧气气源9，燃料氢氧气气源9通过连通管与氢氧燃烧器11连通，由此连续不断的为氢氧燃烧器11提供燃烧所需要的氢氧气燃料；

熔制炉13的一侧设置有液态有机硅料箱1；液态有机硅料箱1通过有机硅连通管15与下料管10连通，下料管10为变径体，其中间部位的圆周上设置有连接管16，连接管16为l型；用于与机硅连通管15连通，下料管的小径段长度为5—10cm。

液态有机硅料箱1内的有机硅连通15管端头装有原料泵，以保证液态有机硅在一定的压力下进入下料管10。有机硅连通管15上装有有机硅蒸发器5，以对液态有机硅进行气化；有机硅蒸发器5一侧的有机硅连通管15上装有电加热保温装置6，以对包裹的有机硅连通管15进行加热，防止小分子有机硅气体低温冷凝。有机硅蒸发器5与液态有机硅料箱1之间的有机硅连通管15上装有液体质量流量计2，以控制有机硅的添加比例在3～5%范围内。液体质量流量计2与有机硅蒸发器5之间的有机硅连通管15上装有载有机硅氢气管3，载有机硅氢气管3与载有机硅氢气气源连通。控载有机硅氢气管3上装有气体质量流量计4，以氢气载动有机硅注入下料管。

将液态有机硅原料置于液态有机硅料箱1中，并点燃氢氧燃烧器对熔制炉13的炉膛进行预热；当炉膛温度预热到1200℃时，将靶盘14（靶标）伸入到燃烧器氢氧火焰的焦点处，以使后续工作中燃烧器输入的粉料熔融并沉积在靶盘14（靶标）上，当炉膛温度身高到1750℃时，开启载有机硅氢气气源，同时开启有机硅蒸发器5、原料泵和载石英砂氢气气源，载有机硅氢气气源开启后，氢气气源经有机硅连通管15与液态有机硅原料混合后，再经有机硅蒸发器5气化后，通过电加热保温装置进入下料管10；其中，液态有机硅的工作流量为200g/h，以控制有机硅在石英砂中的添加比例。载石英砂氢气流量为60slm，保持正压以防止回火，同时确保石英砂下料顺畅；石英砂在生产过程中的进料速度为4.5kg/h，以防止进料速度过大导致的石英砂不能融化以及进料速度过小导致的气泡直径过大，控制气泡直径在80μm，以防止产品强度变低；同时，电加热保温装置6维持蒸发器后端的有机硅连通管15温度不低于180℃（含180℃），以保证有机硅的气化状态。

载石英砂氢气气源开启后，氢气气源进入载石英砂氢气气源箱8，石英砂料仓7内的石英砂颗粒同时进入载石英砂氢气气源箱8，氢气气源箱内的载石英砂氢气托载着石英砂原料进入下料管10，并与由有机硅连通管15有机硅原料混合后形成混合原料，然后沿下料管10进入氢氧燃烧器11，进入氢氧燃烧器11的混合原料，在燃料氢氧气火焰的焦点处熔融并沉积在靶盘14上形成靶料面12并不断层叠沉积形成不透明石英锭，由此开始不透明石英锭的生长，与此同时，撑托靶盘14的机械臂带动靶盘14旋转并下降，开始不透明石英锭制锭过程；

本发明制成的5mm厚度的不透明石英玻璃锭在近红外线下（λ=900nm）直线透过率为1%或更低。

实施例3

首先选择直径在160目的石英砂颗粒为原料，并置于熔制装置的石英砂料仓7中，熔制装置由熔制炉13、氢氧燃烧器11、石英砂料仓7、液态有机硅料箱1、有机硅蒸发器5、下料管10和电加热保温装置10构成；熔制炉13的顶部设置有氢氧燃烧器11，氢氧燃烧器11上方设置有石英砂料仓7，石英砂料仓7下方设置有载石英砂氢气气源箱8，石英砂料仓7通过下料口与载石英砂氢气气源箱8连通，载石英砂氢气气源箱8通过下料管10与氢氧燃烧器11连通，载石英砂氢气气源箱8同时与载石英砂氢气气源连通，氢氧燃烧器11下方的熔制炉13内设置有靶盘14；工作时，靶料面12在靶盘14上融化沉积，同时靶盘14承载着靶料面12旋转并下降，由此进行不透明石英锭制锭过程。

载石英砂氢气气源箱8一侧设置有燃料氢氧气气源9，燃料氢氧气气源9通过连通管与氢氧燃烧器11连通，由此连续不断的为氢氧燃烧器11提供燃烧所需要的氢氧气燃料；

熔制炉13的一侧设置有液态有机硅料箱1；液态有机硅料箱1通过有机硅连通管15与下料管10连通，下料管10为变径体，其中间部位的圆周上设置有连接管16，连接管16为l型；用于与机硅连通管15连通，下料管的小径段长度为5—10cm。

液态有机硅料箱1内的有机硅连通15管端头装有原料泵，以保证液态有机硅在一定的压力下进入下料管10。有机硅连通管15上装有有机硅蒸发器5，以对液态有机硅进行气化；有机硅蒸发器5一侧的有机硅连通管15上装有电加热保温装置6，以对包裹的有机硅连通管15进行加热，防止小分子有机硅气体低温冷凝。有机硅蒸发器5与液态有机硅料箱1之间的有机硅连通管15上装有液体质量流量计2，以控制有机硅的添加比例在3～5%范围内。液体质量流量计2与有机硅蒸发器5之间的有机硅连通管15上装有载有机硅氢气管3，载有机硅氢气管3与载有机硅氢气气源连通。控载有机硅氢气管3上装有气体质量流量计4，以氢气载动有机硅注入下料管。

将液态有机硅原料置于液态有机硅料箱1中，并点燃氢氧燃烧器对熔制炉13的炉膛进行预热；当炉膛温度预热到1200℃时，将靶盘14（靶标）伸入到燃烧器氢氧火焰的焦点处，以使后续工作中燃烧器输入的粉料熔融并沉积在靶盘14（靶标）上，当炉膛温度身高到1800℃时，开启载有机硅氢气气源，同时开启有机硅蒸发器5、原料泵和载石英砂氢气气源，载有机硅氢气气源开启后，氢气气源经有机硅连通管15与液态有机硅原料混合后，再经有机硅蒸发器5气化后，通过电加热保温装置进入下料管10；其中，液态有机硅的工作流量为250g/h，以保证有机硅的气化。载石英砂氢气流量为60slm，保持正压以防止回火，同时确保石英砂下料顺畅；石英砂在生产过程中的进料速度为5kg/h，以防止进料速度过大导致的石英砂不能融化以及进料速度过小导致的气泡直径过大，控制气泡直径在80μm，以防止产品强度变低；同时，电加热保温装置6维持蒸发器后端的有机硅连通管15温度不低于180℃（含180℃），以保证有机硅的气化状态。

载石英砂氢气气源开启后，氢气气源进入载石英砂氢气气源箱8，石英砂料仓7内的石英砂颗粒同时进入载石英砂氢气气源箱8，氢气气源箱内的载石英砂氢气托载着石英砂原料进入下料管10，并与由有机硅连通管15有机硅原料混合后形成混合原料，然后沿下料管10进入氢氧燃烧器11，进入氢氧燃烧器11的混合原料，在燃料氢氧气火焰的焦点处熔融并沉积在靶盘14上形成靶料面12并不断层叠沉积形成不透明石英锭，由此开始不透明石英锭的生长，与此同时，撑托靶盘14的机械臂带动靶盘14旋转并下降，开始不透明石英锭制锭过程；

本发明制成的5mm厚度的不透明石英玻璃锭在近红外线下（λ=900nm）直线透过率为1%或更低。

本发明各实施例在不透明石英锭熔制过程中，氢氧燃烧器处会产生大量的热气流，热气流会沿着下料管10向上，阻碍石英粉料向下流动，从而影响石英粉料下料的连续性和均匀性。因此，根据伯努利原理，制作了特定的下料管10，即，中间细，两端粗的结构，在载料氢气压不小于4mpa、气体流量为20slm时，载料氢气在下料管10的大径处即可形成节流效应，从而增大下行力，消除热气流的上行，保证石英粉料连续地下料。而下料管10的另一端的大径处可对向上的热气流形成缓存，避免向上的热气流阻碍石英粉料下料的连续性和均匀性。

传统氧气载料的生产工艺中，作为添加剂的小分子有机硅与氧气迅速反应，在燃烧器灯头口处和灯芯出气口处容易形成积料，影响不透明石英锭的连续有效熔制。本发明采用氢气载料的方式，确保石英砂下料畅通，保证了不透明石英锭的品质。