不透明的硅石组合物的制作方法

专利名称：不透明的硅石组合物的制作方法
技术领域：
本发明是关于硅石组合物；具体地，本发明是有关不透明的硅石组合物。
硅石，或者也称为二氧化硅，是一种具有适用性的已知材料。硅石具有许多已知的用途，例如，但不限于，玻璃、陶瓷、研磨剂、半导体以及半导体元件。
有几种不同的方法可以制造硅石，选用的具体方法取决于其最终硅石组合物所预定的用途和要求的纯度。
某些硅石组合物具有实质上的光清晰度，几乎达到透明硅石组合物的程度。举例而言，如果硅石材料中含有例如空隙(voids)这样的光散射点，则透明的硅石材料会成为不透明。
然而，如一种多孔不透明硅石其后续的用途，还需要对该多孔不透明硅石进行加工、切割或其他处理，那么其中的空隙，可能会暴露在该加工或切割面上。再者，硅石本身可能会因加工、切割或其他处理过程而受损，尤其是在有空隙的地方，该处由于加工、切割或其他处理过程，而潜在相当程度的破碎、断裂、或其他不良副作用的可能性。
对多孔不透明硅石进行加工、切割或其他处理的过程，会在多孔不透明硅石的加工或切割表面造成开放的多孔性(open porosity)，其中，在表面上往往包含有在多孔不透明硅石的加工或切割表面上的已暴露的和受损的空隙。这种具有在多孔不透明硅石的加工或切割面上的已暴露和受损空隙(或称为表面缺陷)的暴露表面，并非所欢迎的，因为该暴露、受损和破坏的空隙会阻滞和容留外来异物。因此，目前所生产的多孔不透明硅石，就某些方面的应用而言，并不合适，特别是当这种多孔不透明硅石需要进行切割、处理或加工时。
得自多孔不透明硅石的加工或其他处理后的多孔不透明硅石的性能，一开始可能会适用于某些多孔不透明硅石的用途。例如，多孔不透明硅石可能一开始能够适用于，举例而言，但不限于，如热阻隔(heat baffes)、红外线阻断器(blockers)以及法兰(flanges)等在半导体加工工业中常用的。但是当使用由这种多孔不透明材料所制的部件时，会随着部件的表面侵蚀和暴露的新的空隙面，而产生不良性质的情况。
例如，在多孔不透明硅石的热阻隔应用方面，多孔不透明硅石开始尚能有效使用，然而在由多孔不透明硅石的热阻隔使用中为了清除因最后使用者的程序中所沉积的杂质，而连续并重复进行酸蚀(acid etching)，将会在多孔不透明硅石的暴露面上产生一定数量的开放多孔性。暴露在多孔不透明硅石表面上的这种开放多孔性，会截获一些不需要的碎屑、灰尘和其他异物，当然这种截获作用并非所希望的，由于这些异物会明显地改变多孔不透明硅石的性质，所以多孔不透明硅石对热阻隔应用并不是理想或要求的材料。
再者，多孔不透明硅石并非适合封接(sealing)应用的理想材料，例如在法兰盘的应用上。加工的硅石构件常常会经过一个精加工步骤，该精加工步骤包含至少一个选自釉化(glazing)和火焰抛光(flame polishing)的步骤。釉化处理包含对构件进行高温火焰，以熔化该构件的表层。精加工构件釉化后的表面，大致上应该是没有多孔性。然而，在制得没有多孔性的经釉化后的表面时，至少常常有两个问题。第一，重复的浸蚀会打开一个原本封闭的空穴(pore)，并导致表面形成多孔性。第二，若是材料中的空隙很大，即使经过釉化处理的表面也会变为“崎岖不平”，这种崎岖不平的表面将无法提供一种良好的真空封接表面。因此，经加工处理的多孔不透明硅石，或精加工后的多孔不透明硅石，一般并不适合用于法兰盘应用的对接目的。
因此，本发明希望提供一种能够克服上述以及其他现有技术的缺点的不透明硅石。
本发明也希望提供一种不透明硅石，在经过加工、切割或其他处理后，不呈现有关现有技术的不良后果。
本发明还提供一种不透明硅石，该不透明硅石包含硅石和至少一种第二相的固体物质。该至少一种第二相的固体物质基本上是均匀分散在该硅石中。穿过硅石所形成的切割面，没有表面的缺陷，因为该至少一种第二相的固体物质是形成一种没有多孔性的不透明硅石。


图1是一个不透明硅石的加工面的侧剖面图，它是在硅石中掺有空隙而形成的。
图2是一个不透明硅石的加工面的侧剖面图，它是在硅石中掺入有掺杂物而形成的。
图1是一种多孔性不透明硅石材料10的侧剖面图，该多孔不透明硅石材料10是通过掺入空隙15在硅石12中而形成不透明。该多孔不透明硅石材料10的表面11经切割、处理或加工以使该多孔不透明硅石材料10最终用于预定的目的，其中该切割、加工或处理是必要的，以使该多孔不透明硅石材料10，具有所要的形式和形状。
如图1所示，该多孔不透明硅石材料10经切割、处理或加工的表面11含有经切割的外露空隙16，又如该图1所示，该经切割的外露空隙16的至少一个是开放并外露在切割、处理或加工的表面11，这样，经切割、处理或加工的表面11，在14处，因该切割、处理或加工而有所损伤。该损伤14可为任何形式的缺陷，例如，但不限于，一个没有完全由切割、处理或加工表面11脱离的碎片30；破裂31；以及一凹陷或空隙32。造成该损伤14的原因是由于经切割的外露空隙16并未呈现一连续的加工区域面，因此，当切割、处理或加工的工具遇到空隙15时，即会损坏硅石12。
另外，经切割的外露空隙16呈现一凹陷，而外来异物或污染物可能会在该处累积，这些外来异物或污染物的积累，当然是并不需要的，因为它会损害多孔不透明硅石材料10的性质，而且很有可能会污染那些由该硅石材料所制设备来处理的任何半导体材料。
如上所述，既然其中形成具有空穴或间隙的不透明硅石并非所需要的，因此需要有一种不合空穴或间隙的不透明硅石出现，当加工时，不透明硅石既不会受损，也不会含有被污染的区域。
这种没有空穴或间隙，因而没有多孔性的不透明硅石，按本发明所示，是通过在硅石中加入至少一种第二相的固体物质而产生。例如，但并不限制本发明；至少一种第二相的固体物质包含固体物质的掺杂物。例如，该至少一种第二相的固体物质包含适当的有预定大小的掺杂物，以形成一种不透明硅石。
图2是一不透明硅石的加工面的侧剖面图，它是在硅石中掺入第二相的固体物质而形成。该不透明硅石材料20是通过在硅石12中加入至少一种第二相的固体物质25而形成。该至少一种第二相的固体物质25的掺入，是在得到最终硅石制品前实施，例如但不限于，将至少一种第二相的固体物质25加入到石英砂中。至少一种第二相的固体物质25的掺入，提供一基本上非多孔性的不透明硅石，并且至少一种第二相的固体物质25，基本上是均匀分散在该硅石12中。至少一种第二相的固体物质25包含至少一种类型的至少一种第二相的固体物质25，且可包含多种类型的至少一种第二相的固体物质25。
不透明硅石材料20的切割、处理或加工面21，是通过对不透明硅石材料20进行切割、处理或其他加工以提供其最终的预定用途而形成的。具有至少一种第二相固体物质25的不透明硅石材料20，包含一种实质上是硅石12和至少一种第二相固体物质25的均匀掺和物，而没有实质上的缺陷。切割、机加工或处理使该不透明硅石材料20成为所要的形式和形状，而没有实质缺陷并呈现一种实质上为平面的切割、处理或加工表面21。
如图2所示，不透明硅石材料20的切割、处理或加工面21，限定了一个实质上为平面、大致上为平坦的切割、处理或加工表面21。与表面11(图1)相反，在这里实质上为平面、大致上为平坦的切割、处理或加工表面21上，基本上没有表面缺陷。位于该切割、处理或加工面21处的至少一种第二相固体物质25(下面称为表面第二相固体物质26)，是在基本上和该切割、处理或加工面21共平面的面上，进行切割、加工或其他处理。
在硅石12中的至少一种第二相固体物质25，提供一种第二相固体物质遍布不透明硅石20中的均匀材料，这样，在切割时没有任何的间断或空隙，并得到一种平整的切割动作。该表面第二相固体物质26随着硅石21进行切割、加工或处理，以限定表面21。因为没有空隙和类似缺陷，该切割、处理或加工面21得以在没有表面缺陷的情形下形成，使该切割、处理或加工十分平顺，而没有碰到任何的缺陷而进行。
因此，在该切割、处理或加工面21的该表面第二相固体物质26，限定了实质上为平面、大致上为平坦的表面27，其基本上和该不透明硅石材料20的切割、处理或加工面21相邻接。这样，如图1所示，含有切割而外露的孔隙16的不透明多孔硅石材料10，该孔隙16，是开放并外露在表面11上，与此相反，如本发明所示，在硅石12中掺入表面第二相固体物质26的该切割、处理或加工表面21中，并没有任何外露的空隙或区域。
再者，由于在表面上没有开放、外露的空隙，因此大大地降低了切割、处理或加工面21，因切割、加工或处理引起的损害机会。此外，实质上为平面、大致上为平坦的的切割、处理或加工面21中，并没有出现可沉积外来异物或污染物的凹陷，这由于表面第二相固体物质26基本上是与该切割、处理或加工面21共平面之故。这样，实质上为平面、大致上为平坦的切割、处理或加工面21中，基本上在其最终应用时，并没有外来异物或污染物，这是提高不透明硅石特性所要求的，正如本发明所示。
第二相固体物质25与表面第二相固体物质26的有关化学及组成的选定要使得，第二相固体物质25和表面第二相固体物质26在化学和组成方面都是稳定的。例如，在硅石制造的环境下，诸如，但不限于，真空；或高温下的惰性、反应性、氧化性、还原性及氢的气体环境中要求第二相固体物质25和表面第二相固体物质26，在化学和组成方面都是稳定的。此外，该第二相固体物质25与表面第二相固体物质26的选定要使得，在不透明硅石20的所预定的应用环境下，在化学和组成方面都是稳定的。
在硅石12中所含的第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，如本发明所示，还要在该硅石12本身方面选择化学稳定的。又，在硅石中所含的第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，如本发明所示，在化学以及组成上，尤其是对于半导体的加工应用来说，都是优良无害的。
再者，如本发明所示，第二相固体物质25与表面第二相固体物质的选择，其折射率必须与硅石12有明显著的差异。就融凝(fused)硅石而言，其折射率约为1.45。任何偏离这折射率值的第二相物质，不论其值是较高或较低，都可产生所要求的不透明效果。偏离该折射率值愈大，则所要求的不透明效果也愈大。通过第二相固体物质25和表面第二相固体物质26所具有的折射率显著不同于硅石12，如本发明所示，可以优化不透明硅石20的光散射作用。此种折射率优化的效果是所要求的。
第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，如掺杂物，其大小须与该不透明硅石20最终所用情况下的光线的类似范围相对应。选择适当大小的掺杂物以作为第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，可以获得所要求的增强的光散射。
例如，但并不限制本发明，对于近红外光，第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，作为掺杂物，其大小，应介于约1微米至约5微米之间。可符合近红外光散射要求的第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，作为掺杂物，包括，但不限于，纤维状二氧化锆物质及二氧化锆颗粒。然而，这近红外光的实例仅是举例而言，绝不限制本发明。其他类似的第二相固体物质，可用于第二相固体物质25与表面第二相固体物质26，并可产生所要的光散射效果的，都在本发明的范围内。
接着将叙述不透明硅石组合物的实例以及制备方法的实例。然而这些实例都不是意在限制本发明，而仅是对本发明范围中许多组合物及制备方法的举例而已。
依据本发明的不透明硅石，是通过在硅石中掺入二氧化锆纤维而形成。该二氧化锆纤维的直径约5微米。二氧化锆纤维先和石英砂相混合，按现有技术，以真空融合法来处理该石英砂和二氧化锆纤维。所得的不透明硅石组合物包含有含有二氧化锆纤维的第二相固体物质的。致密不透明硅石。所得的不透明硅石组合物包含基本上均匀分布的二氧化锆纤维。所得不透明硅石组合物的不透明度，可通过改变和该石英砂呈基本上均匀分散混合的二氧化锆纤维的密度，而进行调整。
其他的折射性物质，例如，但不限于，氧化物和氟化物，特别是那些不溶于硅石中的，亦在本发明所属范围之内，用作第二相固体物质而可与硅石相混合，而提供不透明硅石。例如，折射性氧化物即属本发明的范围之内而可作为第二相固体物质。这些折射性氧化物包含稀土族氧化物，例如选自氧化钇、镧系氧化物、锕系氧化物、氧化铪(二氧化铪)以及这些氧化物的组合物中的一种物质。再者，也属于本发明范围的折射性物质包含选自氧化镁、氧化钛、氧化钙、氧化铝以及氟化钙中的至少一种。某些第二相物质可导致并不需要的颜色(coloration)，不会导致颜色呈现的第二相物质的实例包括氧化锆、氧化铪(二氧化铪)及氧化钇。
另外，虽然上述的氧化物的实例是呈纤维形式，然如本发明所示，它仅是和硅石相混合而产生不透明的第二相固体物质中数种形式中之一种。包含有要和硅石相混合的第二相固体物质，而提供一不透明硅石的氧化物，可采以任何合适的方式来提供，该合适的方式包括粒状材料，纤维状材料以及粒状与纤维状两者组合材料。
另外，作为第二相固体物质的可溶性氧化物，可能会与硅石12有不同的反应。这样，作为第二相固体物质的可溶性氧化物，可提供不同程度的不透明硅石。例如，一种溶解的氧化物的分散体，会在硅石中造成光学上的非均质相，光学上的非均质相会导致硅石大致上是不透明的。
下面是本发明所制备的不透明硅石的实例。此仅为例举，而绝非以任何方式限制本发明。
一种不透明硅石，如本发明所示，约0.5％重量和约1.0％重量的二氧化锆纤维与石英砂相混合。由现有技术中已知，以真空熔融法来处理该石英砂与二氧化锆纤维。所得的不透明硅石实质上没有任何内部多孔性。再者，所得的不透明硅石可与其他物质良好结合，例如，所得的不透明硅石可与透明未掺杂(undoped)的硅石良好结合。
厚度约3mm的按上述所制备的含1.0％重量的二氧化锆的不透明硅石材料，对其于4000cm-1的光线的透射率约1.2％。此外，所得的不透明硅石，经加工、切割或其他处理后，具有一实质上没有空隙的切割、处理或加工的表面。其中该切割、处理或加工的表面可经抛光，以进行微细的精加工处理，基本上没有因空隙所引起的表面缺陷。
其他所得的不透明硅石组合物，如本发明所示，是用约1％重量及约2％重量的二氧化锆颗粒，按上述方法制备。该不透明硅石在切割、处理或加工的表面的光穿透率及表面特性，基本上类似于上述结果。
虽然本文所述的是优选的实施例，但由说明书可知，本领域的技术人员对本发明的要素所作的各种组合、变化或改良，都属本发明的范围内。
权利要求
1．一种不透明硅石(20)，它包括硅石(12)；以及至少一种第二相的固体物质(25)，该至少一种第二相的固体物质(25)基本上是均匀地分散在该硅石(12)中。
2．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含固体掺杂物。
3．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含单一类型的至少一种第二固体相物质。
4．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含多种类型的第二相固体物质。
5．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含纤维状二氧化铪。
6．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含二氧化铪颗粒。
7．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含纤维状二氧化锆。
8．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含二氧化锆颗粒。
9．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)在化学上和组成上和硅石(12)都是稳定的。
10．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含至少一种含有折射性氧化物的物质。
11．按权利要求10的硅石，其中所述折射性氧化物含有至少一种选自氧化钇、镧系氧化物、锕系氧化物、氧化铪以及这些氧化物的组合物的物质。
12．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含有一种掺杂物，该掺杂物的直径在约1.0微米至约5.0微米之间的范围。
13．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)量含约为不透明硅石的0.5至约2.0重量百分比。
14．按权利要求1的硅石，其中所述不透明硅石(20)是没有内部多孔性。
15．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含有一种稀土族氧化物。
16．按权利要求1的硅石，其中所述至少一种第二相固体物质(25)包含有至少一种选自氧化镁、氧化钛、氧化钙、氧化铝以及氟化钙中的物质。
17．按权利要求1的硅石，其中穿过硅石(20)所形成的切割面基本上没有表面缺陷。
全文摘要
一种不透明硅石(20),它包括硅石(12)以及至少一种第二相的固体物质(25),该至少一种第二相的固体物质(25)基本上是均匀地分散在硅石(12)中,穿过该硅石(20)所形成的切割面,是无表面缺陷,因为该至少一种第二相的固体物质(25)形成一种没有多孔性的不透明硅石(20)。
文档编号C01B33/12GK1217292SQ98118679
公开日1999年5月26日 申请日期1998年8月25日 优先权日1997年8月26日
发明者娄连港, 马特休·J·柯伦, 弗雷德里克·F·阿尔格伦, 莫汉·拉杰拉姆 申请人:通用电气公司