CN111792820B - 连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺、石英玻璃板及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺、石英玻璃板及其应用，连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺包括如下步骤：连熔炉预热；添加原材料；石英玻璃板成型；拉制石英玻璃板；石英玻璃板尺寸调节；石英玻璃板切割。本发明的生产工艺突破了现有的二次加工成型，开拓性的可连续生产出大尺寸石英玻璃板，一次成型，大大提高了生产效率，节约了生产成本，质量高。可应用于半导体加工、光学、高温制造等领域。

Description

连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺、石英玻璃板及其应用
技术领域
本公开的实施例一般涉及石英玻璃板加工领域，并且更具体地，涉及一种连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺、石英玻璃板及其应用。
背景技术
石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英。用于生产石英玻璃板的连熔炉中安装芯杆，在生产石英玻璃板时势必会对生产的石英玻璃造成一定程度的污染，影响石英玻璃板的生产质量。
同时，石英玻璃板材的传统生产工艺是先通过真空电熔法或气炼法制备出大尺寸石英玻璃锭(砣)，再通过机加工切割、研磨得到石英玻璃板。上述工艺材料利用率低，成本高，并且由于大尺寸石英玻璃锭(砣)生成过程中内部会产生气泡，因此得到的石英玻璃板质量较差。尤其是大尺寸的石英玻璃板，生产难度极大，质量也无法保证。
业内连熔法所生产石英玻璃板的厚度在5-50mm，宽度在5-320mm之间，无法生产大尺寸的石英玻璃板。只能将连熔法生产的小尺寸石英玻璃板进行焊接得到大尺寸的石英玻璃板，成本较高，质量也无法保证。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺，以解决上述技术问题。
本发明提供的一种连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺，包括如下步骤：
连熔炉预热，给加热机构供电，使去掉芯杆设置的连熔炉的坩埚内形成梯级的加热区域；
添加原材料，通过加料口向所述连熔炉的坩埚内连续加入石英砂；
石英玻璃板成型，石英砂经所述加热区域充分熔化，排出气体后，经成型器成型，并由炉口输出；
拉制石英玻璃板，由所述连熔炉输出的石英玻璃板靠重力下移，进入设置于所述连熔炉下方的石英玻璃板承接机构，所述石英玻璃板承接机构通过挤压摩擦力，使所述石英玻璃板被缓慢匀速拉出；
石英玻璃板尺寸调节，通过调整所述石英玻璃板承接机构与石英玻璃板之间的挤压摩擦力，改变所述石英玻璃板的拉出速率，获得所需尺寸的所述石英玻璃板；
石英玻璃板切割，对输出稳定的所述石英玻璃板进行切割，将切割下来的所述石英玻璃板翻转，使其沿水平方向传输。
优选的，所述连熔炉的成型器成型口的尺寸设置为长360-1000mm、宽 30-120mm。
优选的，所述连熔炉预热步骤中的所述加热机构包括加热网以及辅助加热环，所述加热网以及所述辅助加热环分别独立供电，使所述坩埚内由上至下，位于加热网上方的区域形成预热区，位于加热网覆盖的区域形成熔融区，位于辅助加热环包围的区域形成成型区。
优选的，通过调节所述加热网的输出功率，控制所述熔融区的温度为 1800-2400℃，通过调节所述辅助加热环的输出功率，控制所述成型区的温度为1800-2400℃。
优选的，所述石英玻璃板尺寸调节步骤中，通过调整所述石英玻璃板承接机构与石英玻璃板之间的挤压摩擦力控制所述石英玻璃板的拉出速率为 0.5-3cm/min。
优选的，所述石英玻璃板切割步骤中，控制切割设备在切割所述石英玻璃板的同时，与所述石英玻璃板保持相同的速率下降。
优选的，采用大尺寸石英玻璃板连熔炉进行制备，所述大尺寸石英玻璃板连熔炉包括炉体以及设置于所述炉体顶端的炉盖，所述炉体内设置有坩埚，所述坩埚的底端设置有成型器，所述成型器上设置有长条形的出料口；所述炉盖的上方设置有加料口；所述坩埚的外壁上设置有呈梯级加热的加热机构；所述炉体的底端对应所述出料口设置有长条形的炉口，供成型的玻璃板输出通过；所述炉体的下方设置有石英玻璃板承接机构。
更进一步地，本发明还提供了一种石英玻璃板，所述石英玻璃板为采用上述的生产工艺制备而成。
优选的，所述石英玻璃板的宽度为300-900mm、厚度为30-120mm，长度小于等于5000mm。
更进一步地，本发明还提供了一种石英玻璃板在半导体及光伏领域中制备石英玻璃清洗槽的应用。
更进一步地，本发明还提供了一种石英玻璃板在半导体及光伏领域中制备石英舟的立板或侧板的应用。
更进一步地，本发明还提供了一种石英玻璃板在半导体及光伏领域单晶硅生产过程中制备坩埚盖板的应用。
更进一步地，本发明还提供了一种石英玻璃板在光学领域中制备视窗或镜头的应用。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
(1)本发明的生产工艺对连熔炉生产普通石英玻璃板的工艺进行了改革创新，通过连熔炉能够连续生产出大尺寸的石英玻璃板，一次成型，突破了现有的二次加工成型，采用的连续熔融的生产方法，使得原大尺寸石英玻璃板生产工艺的生产效率得到了极大的提高，节约了生产成本。
(2)本发明的生产工艺在连熔炉内取消了芯杆的设置，避免了芯杆氧化产生的杂质影响石英玻璃板的生产质量，避免了石英玻璃板生产出现黑芯的情况；
(3)本发明的生产工艺将生产普通石英玻璃板的熔融区最大温度由 2100℃提高到了2400℃，使石英砂在熔融区融化时，气体充分排出，避免了石英玻璃板内出现微气泡的质量缺陷；
(4)本发明的生产工艺在连熔炉下方设置石英玻璃板承接机构，通过石英玻璃板承接机构调整石英玻璃板的输出速率，可获得多种规格的大尺寸的石英玻璃板。
(5)本发明的工艺生产出的石英大板产品，质量稳定，并且尺寸规范，完全满足各种应用需要，适用于半导体加工(蚀刻、扩散等)、高温制造领域。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺的流程框图；
图2为大尺寸石英玻璃板的生产设备的结构示意图。
图中标号：11、石英玻璃板；12、炉体；13、坩埚；14、成型器；15、加料口；16、加热机构；17、石英玻璃板承接机构；18、冷却水装置；19、排烟装置；
21、炉盖；22、炉口；23、高温砖；24、保温砂；
61、加热网；62、主电极；63、辅助加热环；64、辅助电极；
71、基座；72、气缸；73、活塞杆；74、安装架；75、承接辊；76、防滑层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺，包括如下步骤：
S11连熔炉预热，给加热机构供电，使去掉芯杆设置的连熔炉的坩埚内形成梯级的加热区域。加热机构包括加热网以及辅助加热环，加热网以及辅助加热环分别独立供电，使坩埚内由上至下，位于加热网上方的区域形成预热区，位于加热网覆盖的区域形成熔融区，位于辅助加热环包围的区域形成成型区。通过调节加热网的输出功率，控制熔融区的温度处于1800-2400℃，通过调节辅助加热环的输出功率，控制成型区的温度为1800-2400℃。成型区的温度控制可根据熔融区的温度进行调整，保证低于熔融区的温度，达到有效的降温成型作用，可控制为1800、1900、2000或2200℃。
S12添加原材料，通过加料口向连熔炉的坩埚内连续加入石英砂；
S13石英玻璃板成型，石英砂经加热区域充分熔化，排出气体后，经成型器成型，成型器的成型口的尺寸设置为长为360-1000mm、宽30-120mm，然后由炉口输出；
S14拉制石英玻璃板，由连熔炉输出的石英玻璃板靠重力下移，进入设置于连熔炉下方的石英玻璃板承接机构，石英玻璃板承接机构通过挤压摩擦力，使石英玻璃板被缓慢匀速拉出；
S15石英玻璃板尺寸调节，通过调整石英玻璃板承接机构与石英玻璃板之间的挤压摩擦力，改变石英玻璃板的拉出速率，使石英玻璃板以0.5-3cm/min 的速率被拉出；
S16石英玻璃板切割，对输出稳定的石英玻璃板进行切割，控制切割设备在切割石英玻璃板的同时，与石英玻璃板保持相同的速率下降，避免石英玻璃板因下降而造成切割不齐的问题。将切割下来的石英玻璃板翻转，使其沿水平方向传输。
另，如图2所示，为实现上述生产工艺，本发明的实施例还提供了一种大尺寸石英玻璃板的生产设备，包括炉体12以及设置于炉体12顶端的炉盖 21，炉体12内设置有坩埚13，坩埚13的底端设置有成型器14，成型器14 上设置有长条形的出料口；炉盖21的上方设置有加料口15；
坩埚13的外壁上设置有加热机构16，加热机构16包括设置于坩埚13外周上的加热网61，加热网61电连接有主电极62；坩埚13底端的外周上设置有辅助加热环63，辅助加热环63电连接有辅助电极64；
炉体12的底端对应出料口设置有长条形的炉口22，供成型的石英玻璃板 11输出通过；
炉体12的下方设置有石英玻璃板承接机构17；石英玻璃板承接机构17 包括对称的固定设置于炉口22两侧的基座71，基座71靠近石英玻璃板11的一侧固定设置有气缸72，气缸72的活塞杆73伸向石英玻璃板11设置，活塞杆73的端部固定设置有安装架74，安装架74靠近石英玻璃板11的一侧设置有若干承接辊75，安装架74上设置有驱动若干承接辊75同步转动的驱动电机。石英玻璃板承接机构17还包括控制器，承接辊75内设置有压力传感器，压力传感器与气缸72均电连接控制器。承接辊75的外壁上设置有一层耐高温的防滑层76；
炉体12内位于加热机构16的外周上设置有高温砖23，高温砖23与炉体12的内壁之间填充有保温砂24。炉体12的底端位于炉口22的外周上设置有冷却水装置18，冷却水装置18的下方设置有排烟装置19。
在本实施例中，为使制作石英玻璃板的原材料石英砂充分熔化，所需温度在1800-2400℃，因此坩埚13及成型器14等部件需承受超高温，可采用钨、钼或钨钼合金材料加工制成。
成型器14设置在坩埚13的底部，熔融的石英通过成型器14的出料口成型输出。针对生产大尺寸的石英玻璃板，将出料口的宽度设置为360-1000mm，厚度设置为30-120mm，可生产出宽度为300-900mm、厚度为30-120mm、最大长度可达5000mm的超大尺寸石英玻璃板。
生产550mm宽、60mm厚的超大尺寸石英玻璃板时，通过石英玻璃板承接机构17控制石英玻璃板11以0.5-3cm/min的速度输出。生产石英玻璃板11 的尺寸减小时，可通过调节石英玻璃板承接机构17，增加石英玻璃板11的下拉速度。石英玻璃板11的成型尺寸与拉出速度成反比关系。
加热机构16的加热网61所覆盖的区域的上方形成预热区，对经加料口 15进入坩埚13内的石英砂进行预热；加热网61所覆盖的区域形成熔融区，对进入该区域的石英砂进行熔化；辅助加热环63所覆盖的区域形成成型区，熔化后的石英玻璃熔体进入成型区后有一定的降温，调整熔体的粘度，使其可以成形被拉出，确保了产品的均匀性。
通过压力传感器与控制器的设置，可实现对气缸72输出的自动控制。根据实际生产中的经验数据，得到不同尺寸的石英玻璃板所对应的下拉速度。通过控制气缸72的输出，调节承接辊75与石英玻璃板11之间的压力，使石英玻璃板11获得对应的下拉速度。
压力传感器可向控制器反馈承接辊75与石英玻璃板11之间的压力，供控制器判断，进而调节的气缸72输出。有效提高了设备的自动化性能，增强了石英玻璃板承接机构17的控制精度。
另，本发明的实施例还提供了一种石英玻璃板，所述石英玻璃板为采用上述的生产工艺制备并从长度上切割而成。石英玻璃板的宽度为300-900mm、厚度为30-120mm，长度小于等于5000mm。
另，本发明的实施例还提供了一种石英玻璃板在半导体及光伏领域中制备石英玻璃清洗槽的应用。
本发明的实施例还提供了一种石英玻璃板在半导体及光伏领域中制备石英舟的立板或侧板的应用。
本发明的实施例还提供了一种石英玻璃板在半导体及光伏领域单晶硅生产过程中制备坩埚盖板的应用。
本发明的实施例还提供了一种石英玻璃板在光学领域中制备视窗或镜头的应用。
在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种连熔法生产大尺寸石英玻璃板工艺，其特征在于，包括如下步骤：
连熔炉预热，给加热机构供电，使去掉芯杆设置的连熔炉的坩埚内形成梯级的加热区域；所述加热机构包括加热网以及辅助加热环，所述加热网以及所述辅助加热环分别独立供电，使所述坩埚内由上至下，位于加热网上方的区域形成预热区，位于加热网覆盖的区域形成熔融区，位于辅助加热环包围的区域形成成型区；通过调节所述加热网的输出功率，控制所述熔融区的温度为1800-2400℃，通过调节所述辅助加热环的输出功率，控制所述成型区的温度为2000-2400℃；
添加原材料，通过加料口向所述连熔炉的坩埚内连续加入石英砂；
石英玻璃板成型，石英砂经所述加热区域充分熔化，排出气体后，经成型器成型，并由炉口输出；
拉制石英玻璃板，由所述连熔炉输出的石英玻璃板靠重力下移，进入设置于所述连熔炉下方的石英玻璃板承接机构，所述石英玻璃板承接机构通过挤压摩擦力，使所述石英玻璃板被缓慢匀速拉出；
石英玻璃板尺寸调节，通过调整所述石英玻璃板承接机构与石英玻璃板之间的挤压摩擦力，改变所述石英玻璃板的拉出速率，获得所需尺寸的所述石英玻璃板；所述石英玻璃板的宽度为300-900mm、厚度为60-120mm；所述石英玻璃板的拉出速率为0.5-3cm/min；
石英玻璃板切割，对输出稳定的所述石英玻璃板进行切割，将切割下来的所述石英玻璃板翻转，使其沿水平方向传输。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述连熔炉的成型器成型口的尺寸设置为长360-1000mm、宽30-120mm。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述石英玻璃板切割步骤中，控制切割设备在切割所述石英玻璃板的同时，与所述石英玻璃板保持相同的速率下降。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，采用大尺寸石英玻璃板连熔炉进行制备，所述大尺寸石英玻璃板连熔炉包括炉体以及设置于所述炉体顶端的炉盖，所述炉体内设置有坩埚，所述坩埚的底端设置有成型器，所述成型器上设置有长条形的出料口；所述炉盖的上方设置有加料口；所述坩埚的外壁上设置有呈梯级加热的加热机构；所述炉体的底端对应所述出料口设置有长条形的炉口，供成型的玻璃板输出通过；所述炉体的下方设置有石英玻璃板承接机构。
5.一种石英玻璃板，其特征在于，所述石英玻璃板为采用权利要求1-4中任一项所述的工艺制备而成。
6.根据权利要求5所述的石英玻璃板，其特征在于，所述石英玻璃板的长度小于等于5000mm。
7.根据权利要求5-6任一项所述的石英玻璃板在半导体及光伏领域中制备石英玻璃清洗槽、石英舟的立板或侧板、坩埚盖板的应用或在光学领域中制备视窗或镜头的应用。
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