CN217947963U

CN217947963U - 一种合成石英的沉积窑炉

Info

Publication number: CN217947963U
Application number: CN202222261879.8U
Authority: CN
Inventors: 李建均; 肖华; 吴龙波; 杨金鑫; 钟媛; 郇朝阳; 南晶
Original assignee: Jiangsu Hengxin Quartz Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Hengxin Quartz Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2032-08-26

Abstract

本实用新型公开了一种合成石英的沉积窑炉，包括：炉体，炉体内设有腔体，腔体从上至下分为沉积反应区、沉积定型区和沉积稳定区，腔体顶部设有喷灯孔；喷灯，装配在喷灯孔内；喷灯用于向腔体内喷吹四氯化硅、氢气和氧气；充氦通道，用于向沉积反应区通入氦气，通过氦气排除熔融过程中产生的初期未完全封闭的微气泡；充氯通道，用于向沉积定型区通入氯气，通过氯气实现顶层初长料面层的表面脱羟和提纯；抽废烟道，用于在沉积稳定区将沉积反应区和沉积定型区产生的反应废气导出，并给石英砣表面降温至软化点温度以下。本实用新型合成石英的沉积窑炉可在CVD工艺上实现制备高均匀性、低羟基含量、低金属杂质含量和低气泡缺陷的合成石英产品。

Description

一种合成石英的沉积窑炉

技术领域

本实用新型涉及石英制备技术领域，特别涉及一种合成石英的沉积窑炉。

背景技术

石英是由单一组分的二氧化硅组成的特种玻璃，以一系列的优异特性被称为“玻璃之王”，在新型电光源、半导体集成电路、核工业、航空航天、激光技术和国防科技等高科技领域应用广泛。目前制备石英材料的方法主要有使用天然结晶石英(水晶或者纯硅石)的电熔法、气熔法，以及将SiCl4经过化学气相沉积合成的直接合成法(CVD)。电熔法分为连续电熔和真空电熔，相比气熔石英材料，电熔石英材料耐温性更好，被广泛用于生产半导体芯片制造所需要的石英玻璃部件，并且成本更低，同时气熔法羟基含量较高，电熔产品主要用在半导体的扩散等高温区域，气熔产品是用在低温下，如刻蚀等工艺上。直接合成法(CVD)羟基含量极高，但杂质含量低，适用于光学材料；间接合成(VAD)和等离子体化学气相沉积(PCVD)能实现制备低羟基含量的石英材料，但VAD缩聚时易产生结石、气孔等缺陷，PCVD受热场所限等工艺自身局限两类方法均难实现大口径材料制备且成本较高，但因羟基可控其更适合用于红外用途。

由于电熔和气炼工艺均是以高纯石英砂为原料，因原料纯度和熔制工艺等，所制备的石英材料纯度低，而且存在较多气泡、杂点等缺陷，对玻璃的物化性能影响很大，在半导体行业生产7nm、5nm、3nm芯片设备里，原有的天然石英材料已经不能满足高端制程的需求。合成石英材料纯度更高，成为半导体进入高制程的石英材料的必然选择。合成石英如今的主流工艺仍采取CVD工艺生产，能够实现制取大口径元件。其显著的缺点是羟基含量过高，这导致制备出来的石英玻璃耐高温性能降低、折射率和热膨胀系数等物理性质也受到影响，无法满足超高端光电技术和半导体领域的应用需求。

综上，由于PCVD法成本极高，目前石英行业上多采用VAD法生产低羟基合成石英材料。该工艺是近十年发展起来的新工艺技术，其优势在于易掺杂和可控羟基含量，但材料也存在着尺寸偏小、气泡缺陷多和成本较高等问题。CVD法为现有的主流工艺，通过CVD法制得的材料且能够制取大口径元件且成本较低，易于实现商业化。但产品也面临着极均匀性、超低金属杂质含量和无缺陷控制等更高要求，且产品普遍存在着800-1200ppm的羟基含量，不能应用于红外领域和高温半导体工艺上，使其在应用层面上受到一定限制。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构合理、可制备高品质石英的合成石英的沉积窑炉。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种合成石英的沉积窑炉，其包括：

炉体，所述炉体内设有腔体，所述腔体从上至下分为沉积反应区、沉积定型区和沉积稳定区，所述腔体顶部设有喷灯孔；

喷灯，装配在所述喷灯孔内；所述喷灯用于向所述腔体内喷吹四氯化硅、氢气和氧气，在所述沉积反应区实现氢气和氧气的燃烧，四氯化硅水解并熔融成玻璃态二氧化硅；

充氦通道，用于向所述沉积反应区通入氦气，通过氦气排除熔融过程中产生的初期未完全封闭的微气泡；

充氯通道，用于向所述沉积定型区通入氯气，通过氯气实现顶层初长料面层的表面脱羟和提纯；

抽废烟道，用于在所述沉积稳定区将所述沉积反应区和沉积定型区产生的反应废气导出，并给石英砣表面降温至软化点温度以下。

作为本实用新型的进一步改进，所述炉体上设有用于测量腔体内压力的测压孔，所述抽废烟道调节所述沉积反应区和沉积定型区的压力为正压，沉积稳定区的压力为负压，所述沉积反应区的压力大于所述沉积定型区的压力。

作为本实用新型的进一步改进，还包括组合垫块，所述喷灯与喷灯孔之间设置有间隙，并通过所述组合垫块调节喷灯的偏心和偏角。

作为本实用新型的进一步改进，所述腔体内设有上挡板和下挡板，所述上挡板和下挡板将所述腔体分隔成沉积反应区、沉积定型区和沉积稳定区。

作为本实用新型的进一步改进，所述喷灯包括进料通管、料保护氧通管、一环氧腔壳、二环氧腔壳、三环氧腔壳、氢气腔壳、内保护氧腔壳、外保护气腔壳、一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管；

所述进料通管内形成进料缓冲腔，所述料保护氧通管与进料通管之间形成料保护氧缓冲腔，所述一环氧腔壳与料保护氧通管之间形成一环氧缓冲腔，所述二环氧腔壳和一环氧腔壳之间形成二环氧缓冲腔，所述三环氧腔壳和二环氧腔壳之间形成三环氧缓冲腔，所述氢气腔壳与料保护氧通管之间形成氢气缓冲腔，所述内保护氧腔壳与氢气腔壳之间形成内保护氧通室，所述外保护气腔壳与内保护氧腔壳之间形成外保护气通室，所述一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管设置于所述氢气缓冲腔内并通过氧腔网孔板分别与所述一环氧缓冲腔、二环氧缓冲腔、三环氧缓冲腔连通。

作为本实用新型的进一步改进，所述料保护氧通管与进料通管截面均为长方形，呈同心结构形式设置。

作为本实用新型的进一步改进，所述氢气腔壳与料保护氧通管之间还形成氢气缓冲腔，所述氢气缓冲腔通过氢腔网孔板与所述氢气通室连通；所述一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管贯穿所述氢腔网孔板，所述一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管与所述氢腔网孔板之间均存在间隙以便氢气逃逸。

作为本实用新型的进一步改进，所述外保护气通室底部有外保护气网孔板进行气体分流，所述外保护气网孔板底部设有外保护气挡流板进行导流，所述外保护气挡流板形成第一喇叭形外扩底口。

作为本实用新型的进一步改进，所述外保护气腔壳底部设置有第二喇叭形外扩底口，所述第二喇叭形外扩底口的底部高于所述进料通管的底部。

本实用新型的有益效果：

本实用新型合成石英的沉积窑炉可在CVD工艺上实现制备高均匀性、低羟基含量、低金属杂质含量和低气泡缺陷的合成石英产品。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例中合成石英的沉积窑炉的示意图；

图2是本实用新型优选实施例中喷灯的结构示意图；

图3是本实用新型优选实施例中喷灯的剖面图；

图4是本实用新型优选实施例中喷灯的局部结构示意图；

图5是本实用新型优选实施例中制备得到的石英砣与传统石英砣的透过率对比曲线。

标记说明：1、喷灯；2、组合垫块；3、炉体；4、充氦通道；5、上挡板；6、充氯通道；7、下挡板；8、炉底口；9、石英砣；10、抽废烟道；11、测压孔；12、喷灯孔；A、沉积反应区；B、沉积定型区；C、沉积稳定区；

1-1、进料缓冲腔；1-2、进料通管；1-3、料保护氧缓冲腔；1-4、料保护氧通管；1-5、一环氧缓冲腔；1-6、一环氧腔壳；1-7、二环氧缓冲腔；1-8、二环氧腔壳；1-9、三环氧缓冲腔；1-10、三环氧腔壳；1-11、氢气腔壳、1-12、氢气缓冲腔；1-13、内保护氧腔壳；1-14、内保护氧通室；1-15、外保护气腔壳；1-16、外保护气通室；1-17、一环氧芯通管；1-18、二环氧芯通管；1-19、三环氧芯通管；1-20、氢气通室；1-21、外保护气挡流板；1-22、外保护气网孔板；1-23、氢腔网孔板；1-24、喷灯垫脚；1-25、进料尾梢管；1-26、氧腔网孔板；1-27、一环椭心圆；1-28、一环标准圆；1-29、二环标准圆；1-30、三环标准圆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，为本实用新型优选实施例中的合成石英的沉积窑炉，包括：

炉体3，炉体3内设有腔体，腔体从上至下分为沉积反应区A、沉积定型区B和沉积稳定区C，腔体顶部设有喷灯孔12；

喷灯1，装配在喷灯孔12内；喷灯1用于向腔体内喷吹四氯化硅、氢气和氧气，在沉积反应区A实现氢气和氧气的燃烧，四氯化硅水解并熔融成玻璃态二氧化硅；

充氦通道4，用于向沉积反应区A通入氦气，通过氦气排除熔融过程中产生的初期未完全封闭的微气泡；

充氯通道6，用于向沉积定型区B通入氯气，通过氯气实现顶层初长料面层的表面脱羟和提纯；

抽废烟道10，用于在沉积稳定区C将沉积反应区A和沉积定型区B产生的反应废气导出，并给石英砣9表面降温至软化点温度以下。

其中，沉积反应区A实现氢气和氧气的燃烧，四氯化硅水解高温熔融成玻璃态二氧化硅。同时通过充氦通道4向沉积反应区A通入适量高温洁净氦气，通过氦气将熔融过程中产生的初期未完全封闭的微气泡进行有效排除；沉积的石英砣9的生长速度约为0.4-0.5um/s，每层均由纳米级二氧化硅聚合。在沉积定型区B通入适量高温洁净氯气，利用氯气实现顶层初长极薄料面层的表面脱羟和提纯；沉积稳定区C实现将反应废气导出以及给石英砣9表面适当降温至软化点温度以下。沉积窑炉实现在CVD沉积工艺过程中，有效降低微气泡、材料脱羟基和提纯的功能；

沉积窑炉作为CVD沉积生产的工艺装备，为工艺提供反应场所。高纯原料四氯化硅、氢气以及氧气通过原料输送管道接入到喷灯1后导入沉积窑炉中，氢气和氧气燃烧产生水和大量的热，四氯化硅遇水水解生成的二氧化硅微粒逐层堆积在底部旋转的靶材上，二氧化硅微粒在高温下直接被融化成玻璃态形成圆柱形合成石英砣料。沉积窑炉并实现反应产生的HCl气体等尾气进行有效排出。

可选地，炉体3为圆形结构，由特殊耐火材料整体式烧制，具备耐急热急冷不开裂的性能。

在一些实施例中，炉体3上设有用于测量腔体内压力的测压孔11，抽废烟道10调节沉积反应区A和沉积定型区B的压力为正压，沉积稳定区C的压力为负压，沉积反应区A的压力大于沉积定型区B的压力。进一步地，沉积反应区A内为正压工况，沉积定型区B内为微正压工况，沉积稳定区C为微负压工况。

可选地，测压孔11水平设置，为整体式刚玉管，刚玉管从外而内穿过炉体3，深入长度至与炉体3内壁齐平。

在一些实施例中，还包括组合垫块2，喷灯1与喷灯孔12之间设置有间隙，并通过组合垫块2调节喷灯1的偏心和偏角。可选地，组合垫块2由一系列不同厚度、楔角的石英小圆片组成，根据工艺要求选取后放置与喷灯垫脚1-24下。组合垫块2起到固定和定位喷灯1的作用；

在其中一实施例中，腔体内设有上挡板5和下挡板7，上挡板5和下挡板7将腔体分隔成沉积反应区A、沉积定型区B和沉积稳定区C。进一步地，上挡板5和下挡板7均为环状，四周与腔体内壁连接，中间开孔以形成中空区域。

在其中一实施例中，充氦通道4呈与炉体中心线一定角度的夹角，充氦通道4中心线与炉体中心线相交。可选地，充氦通道4为整体式刚玉管，刚玉管从外而内穿过炉体3，深入长度至与炉体3内壁齐平；

在其中一实施例中，上挡板5位于炉体3的穹顶下部，为圆柱形中空整体式耐火材料。上挡板5侧外壁与炉体内壁烧制一体，上挡板5中空区域与石英砣9存在一定间隙，方便石英砣9的旋转与向下生长。

在其中一实施例中，充氯通道6水平设置在上挡板下端，为整体式刚玉管，刚玉管从外而内穿过炉体，深入长度至与炉体3内壁齐平。

在其中一实施例中，抽废烟道10在炉体3圆周上呈环形对称性布置，为整体式刚玉管，刚玉管从外而内穿过炉体3，深入长度至与炉体3内壁齐平，抽废烟道10为矩形或圆形通道。

炉体3底部设有炉底口8，可选地，炉底口8为圆形通口。炉底口8实现石英砣的顺利出炉与炉内补风功能。

如图2-4所示，在其中一实施例中，喷灯1包括进料通管1-2、料保护氧通管1-4、一环氧腔壳1-6、二环氧腔壳1-8、三环氧腔壳1-10、氢气腔壳1-11、内保护氧腔壳1-13、外保护气腔壳1-15、一环氧芯通管1-17、二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19。

进料通管1-2内形成进料缓冲腔1-1，料保护氧通管1-4与进料通管1-2之间形成料保护氧缓冲腔1-3，一环氧腔壳1-6与料保护氧通管1-4之间形成一环氧缓冲腔1-5，二环氧腔壳1-8和一环氧腔壳1-6之间形成二环氧缓冲腔1-7，三环氧腔壳1-10和二环氧腔壳1-8之间形成三环氧缓冲腔1-9，氢气腔壳1-11与料保护氧通管1-4之间形成氢气缓冲腔1-12，内保护氧腔壳1-13与氢气腔壳1-11之间形成内保护氧通室1-14，外保护气腔壳1-15与内保护氧腔壳1-13之间形成外保护气通室1-16，一环氧芯通管1-17、二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19设置于氢气缓冲腔1-12内并通过氧腔网孔板1-26分别与一环氧缓冲腔1-5、二环氧缓冲腔1-7、三环氧缓冲腔1-9连通，一环氧芯通管1-17、二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19的下端与进料通管1-2下端齐平。

在其中一实施例中，料保护氧通管1-4与进料通管1-2截面均为长方形，呈同心结构形式设置，料保护氧通管1-4下端与进料通管1-2下端齐平。

氢气腔壳1-11与料保护氧通管1-4之间还形成氢气缓冲腔1-12，氢气缓冲腔1-12通过氢腔网孔板1-23与氢气通室1-20连通；一环氧芯通管1-17、二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19贯穿氢腔网孔板1-23，一环氧芯通管1-17、二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19与氢腔网孔板1-23之间均存在间隙以便氢气逃逸。通过氢腔网孔板1-23约束氢气的流向，强化与各氧芯通管的结合作用，提高燃烧效率，气量消耗从30Nm³/h下降到20Nm³/h左右，能耗降低在30％以上。

在一些实施例中，进料尾梢管1-25分别对称安装在进料缓冲腔1-1、料保护氧缓冲腔1-3、一环氧缓冲腔1-5、二环氧缓冲腔1-7、三环氧缓冲腔1-9、氢气缓冲腔1-12、内保护氧腔壳1-13和外保护气腔壳1-15外，且均布。

在其中一实施例中，喷灯垫脚1-24对称安装在外保护气腔壳1-15外，且均布。

在其中一实施例中，一环氧芯通管1-17均布在一环标准圆1-28和一环椭心圆1-27上，椭心圆长轴与标准圆直径相交。二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19分别均布在二环标准圆1-29、三环标准圆上1-30。

目前，行业内喷灯进料通管截面多为圆形，自然沉积面受限。本实用新型喷灯进料通管1-2截面为一字长条形，有效提升物料在径向面的分布，提高相同口径下的材料均匀性。同时为保证物料的热反应效果，一环氧芯通管1-17、二环氧芯通管1-18、三环氧芯通管1-19分布分布在三环圆上，一环圆包括一环标准圆与一环椭心圆，椭心圆长轴与标准圆直径相交。

在一些实施例中，外保护气通室1-16底部有外保护气网孔板1-22进行气体分流，外保护气网孔板1-22底部设有外保护气挡流板1-21进行导流，外保护气挡流板1-21形成第一喇叭形外扩底口,角度a。分流后的气体一部分从挡流板内侧与内保护氧腔壳1-13外壁构成的腔室喷出，起到防止内保护氧腔壳1-13结料的作用，分流后的气体另一部分冲击到挡流板上改变气流方向形成喇叭形气幕，防止炉内金属杂质带入石英砣9上表面。

在一些实施例中，外保护气腔壳1-15底部设置有第二喇叭形外扩底口，第二喇叭形外扩底口的底部高于进料通管1-2的底部，角度b。第二喇叭形外扩底口可防止炉顶异物掉落至石英砣上表面形成气泡或包裹体缺陷。

本实用新型优选实施例还公开了一种石英制备方法，应用于上述任一的合成石英的沉积窑炉，其包括以下步骤：

S1、将喷灯1装配在喷灯孔12内；进一步地，通过组合垫块2将喷灯1定位与固定好。

S2、通过抽废烟道10调节腔体内的压力至目标值；优选地，通过调整与抽废烟道10连接的外部风机风量，控制测压孔11压力检测仪表压力值在5-10pa，其中，测压孔11连通的是沉积反应区A，测得的压力即沉积反应区A内的压力；

S3、将氢气和氧气通入腔体内进行燃烧升温，预热炉膛至工艺温度；可选地，氢气和氧气的配比为2：1。

S4、将氢气、氧气和四氯化硅通入腔体内，高温水解的四氯化硅逐步堆积生成圆弧形山丘，并不断向四周摊开和层层叠加后成为石英砣9；优选地，氢气、氧气的配比为(2.05-2.30)，反应处于富氢的还原性气氛条件下，因氧缺陷的存在材料羟基处于亚稳态，以便沉积定型区的氯气脱羟处理。

S5、石英砣9的生长过程中先后经过沉积反应区A、沉积定型区B和沉积稳定区C，通过充氦通道4向沉积反应区A通入氦气，通过氦气排除熔融过程中产生的初期未完全封闭的微气泡，通过充氯通道6向沉积定型区B通入氯气，通过氯气实现顶层初长料面层的表面脱羟和提纯，通过抽废烟道10在沉积稳定区C将沉积反应区A和沉积定型区B产生的反应废气导出，并给石英砣9表面降温至软化点温度以下；

S6、随着沉积反应的持续，制得目标石英砣9。具体地，当生产40天左右后，可制得直径500mm、长度1800mm，单重约800kg的沉积砣；进一步地，还包括：

S7、当沉积结束，先停止通氢气和氧气再停四氯化硅，最后关闭氦气和氯气。石英砣9进行自然冷却至200℃以下进行取砣即可。

S7、对制备的石英砣性能检测判定。首先将沉积砣开料加工切割出2件规格尺寸为Φ480m×35mm的检测片。检测片精加工后使用ZYGO干涉仪检测光学均匀性，全口径指标分别为2.7×10^-6、3.2×10^-6，随后检验其气泡包裹体。最后在检测片上切割制取透过率、金属杂质含量、羟基样品，经判定材料的关键指标如下表1：

表1

其透过率对比曲线如5所示，由对比曲线可见脱羟后材料透过率优于传统方式，尤在2730nm波长附近的吸收峰明显降低。

通过本实用新型的合成石英的沉积窑炉和制备方法，通过CVD制备的石英砣具备高均匀性、低羟基含量、低金属杂质含量和低气泡缺陷等高品质特点。石英砣直径500mm、长度1800mm，单重约800kg。产品光学均匀性提升1倍以上，金属杂质降低1个数量级左右，羟基含量降低90％，材料气泡基本完全消除。

以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种合成石英的沉积窑炉，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述炉体上设有用于测量腔体内压力的测压孔，所述抽废烟道调节所述沉积反应区和沉积定型区的压力为正压，沉积稳定区的压力为负压，所述沉积反应区的压力大于所述沉积定型区的压力。

3.如权利要求1所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，还包括组合垫块，所述喷灯与喷灯孔之间设置有间隙，并通过所述组合垫块调节喷灯的偏心和偏角。

4.如权利要求1所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述腔体内设有上挡板和下挡板，所述上挡板和下挡板将所述腔体分隔成沉积反应区、沉积定型区和沉积稳定区。

5.如权利要求1所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述喷灯包括进料通管、料保护氧通管、一环氧腔壳、二环氧腔壳、三环氧腔壳、氢气腔壳、内保护氧腔壳、外保护气腔壳、一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管；

6.如权利要求5所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述料保护氧通管与进料通管截面均为长方形，呈同心结构形式设置。

7.如权利要求5所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述氢气腔壳与料保护氧通管之间还形成氢气缓冲腔，所述氢气缓冲腔通过氢腔网孔板与氢气通室连通；所述一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管贯穿所述氢腔网孔板，所述一环氧芯通管、二环氧芯通管、三环氧芯通管与所述氢腔网孔板之间均存在间隙以便氢气逃逸。

8.如权利要求5所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述外保护气通室底部有外保护气网孔板进行气体分流，所述外保护气网孔板底部设有外保护气挡流板进行导流，所述外保护气挡流板形成第一喇叭形外扩底口。

9.如权利要求5所述的合成石英的沉积窑炉，其特征在于，所述外保护气腔壳底部设置有第二喇叭形外扩底口，所述第二喇叭形外扩底口的底部高于所述进料通管的底部。