СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАРЦЕВЫХ ТИГЛЕЙ
FABRICATION OF QUARTZ CRUCIBLES

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству крупногабаритных кварцевых тиглей для плавления кремния, применяемого в полупроводниковой промышленности.
3
Известен способ изготовления крупногабаритных кварцевых тиглей из кварцевой керамики (патент РФ №2264365 от 20.11.2005, бюл. №32), включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла плотностью 1,88-1,92 г/см, ее стабилизацию, введение зернистого заполнителя (50-400 мкм), формование литьем в пористые формы, сушку и обжиг при 1100-1200 °С или гидротермальную обработку при температуре 150-200 °С в течение 4-12 часов.
К недостаткам известного способа следует отнести то, что расплавленный кремний реагирует с диоксидом кремния, в результате чего образуется монооксид кремния и кислород. Кислород загрязняет кремний. Монооксид кремния является летучим и реагирует с компонентами графита в печи с образованием карбида кремния и монооксида углерода. Монооксид углерода в свою очередь при контакте с расплавленным кремнием загрязняет его углеродом. Как правило, с целью защиты кремния от загрязнения на внутреннюю поверхность кварцевых тиглей наносят защитный слой толщиной приблизительно 0,1 мм, после чего производят отжиг тигля с нанесенным покрытием при температурах 1000 °С. Нанесение покрытия на стенки тигля значительно увеличивает себестоимость продукции.
Наиболее близким техническим решением является способ получения кварцевых тиглей (патент РФ № 2333900 от 20.09.08, бюл. №26), включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла, ее стабилизацию, формование литьем в пористую форму, нанесение на внутреннюю поверхность тигля методом шликерного литья суспензии синтетического диоксида кремния, полученного путем гидролиза тетрахлорида кремния, сушку и обжиг. К недостаткам этого способа относится невозможность получения методами шликерного литья равнотолщинного покрытия из синтетического диоксида кремния. Кроме того, к недостаткам способа можно отнести необходимость проведения операций сушки при 120 °С в течение 12 часов, отжиг заготовки при температурах 550-750 °С без покрытия и при температурах 1100-1200 °С с покрытием, что приводит к большим энергозатратам при изготовлении единицы продукции.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии получения кварцевых тиглей с защитными покрытиями на внутренней поверхности.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ получения кварцевого тигля, включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла, ее стабилизацию, формование заготовки тигля, сушку и обжиг, отличающийся тем,что сушку заготовки тигля осуществляют при температурах 150-300 °С с выдержкой не менее 1-3 ч, после чего внутреннюю поверхность заготовки пропитывают метилфенилспиросилоксаном на глубину 1-5 мм, затем на внутреннюю поверхность наносят покрытие из того же полимера с наполнителем из нитрида кремния в количестве от 30 до 70 % с последующей его полимеризацией, а обжиг проводят при температуре 950-1000 °С.
Авторами установлено, что выполнение кварцевого тигля описанным выше способом позволяет получать на внутренней поверхности тигля прочное защитное покрытие на основе нитрида кремния, которое препятствует реагированию расплавленного кремния с кварцевым тиглем. Данное покрытие сохраняет свою целостность при транспортировке и эксплуатации тигля и исключает необходимость проведение дополнительных операций потребителями тиглей.
изг
Кроме того, установлено, что благодаря пропитки отформованной заготовки тигля метилфенилспиросилоксаном (продукт МФСС-8) и нанесению покрытия на отформованную заготовку, происходит активирование процесса спекания и температура обжига может быть снижена до 950-1000 °С. При этом тигель приобретает необходимую для транспортировки прочность (прочность при статическом изгибе σ≥35 МПа). Снижение температуры ниже указанного интервала нецелесообразно.
Авторы установили, что содержание нитрида кремния в полимере должно находится в пределах от 30 до 70 %. Снижение содержания ниже минимального значения не обеспечивает равномерного распределения нитрида кремния по внутренней поверхности тигля, а превышение указанного интервала затрудняет сам процесс нанесения покрытия. Кроме того, превышение указанного предела может привести к нарушению целостности покрытия.
Установлено, что в результате пропитки заготовки по внутренней поверхности метилфенилспиросилоксаном происходит закрытие пор, благодаря чему обеспечивается высокая адгезия покрытия из нитрида кремния. Экспериментально определено, что глубина пропитки должна быть не меньше 1 мм. Превышение глубины пропитки более 5 мм приводит к излишнему расходу полимера.
Установлено, что для более эффективной пропитки внутренней поверхности заготовки необходимо произвести ее сушку в интервалах температур 150-300 °С с выдержкой не менее 1-3 ч, в результате которой происходит полное удаление свободной воды из порового пространства заготовки.
Реализация предложенного технического решения представлена на следующих примерах.
Пример 1
3
Из высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла плотностью 1,9 г/см, методом шликерного лития в гипсовые формы отформовали пластины размером 140x70x14 мм.
Отформованные пластины сушили в сушильном шкафу при температуре 275 °С в течение 2 часов. После чего с одной стороны методом частичного погружения образца произвели его пропитку полимером метилфенилспиросилоксана (продуктом МФСС-8) на глубину 4 мм.
На пропитанную поверхность нанесли покрытие, состоящее из смеси нитрида кремния и продукта МФСС-8 в соотношении 50:50.
Произвели полимеризацию полимера.
Обожгли образцы при температуре 1000°С.
В результате был получен образец кварцевой керамики с нанесенным на одну сторону покрытием на основе нитрида кремния. Покрытие обладает высокой адгезионной способностью. Предел прочности на изгиб образцов, изготовленных из полученного материала, составляет 41 МПа.
Пример 2
Аналогично способу, описанному в примере 1, были получены образцы с нанесенным покрытием, состоящим из смеси нитрида кремния и продукта МФСС-8 в соотношениях 25:75; 30:70; 40:60; 60:40; 70:30; 75:25.
Визуальная оценка образцов показала, что покрытие, состоящее из смеси нитрида кремния и продукта МФСС-8 в соотношениях менее 30:70, имеет неоднородный характер, т.е. не достигнуто равномерное распределение нитрида кремния по поверхности образцов, что при эксплуатации тигля может привести к загрязнению кремния. В то же время покрытие с соотношением более 70:30 имеет трещиновидный характер, что в результате транспортировки тигля может привести к частичному осыпанию покрытия, и, как следствие, к невозможности эксплуатации тигля.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет получать кварцевые тигли с защитными покрытиями на внутренней поверхности непосредственно в процессе изготовления тигля, что существенно упрощает технологию его изготовления.
Источники информации
1. Патент РФ № 2264365 от 20.11.2005, бюл. №32.
2. Патент РФ № 2333900 от 20.09.08, бюл. №26.