TW200416203A - SiO2 shaped body which has been vitrified in partial areas, process for producing it, and its use - Google Patents

Description

200416203 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術領域】 、夕孔性、無定形S i ο?型材廣泛應用於許多技術p 可述及之貫例包含：過濾材料、絕熱材料或熱屏遮勢"。 再者，各種石英產品可藉助於燒結及/或熔融作 =形多孔性s 1 〇2型材製得。就此觀點而論，舉例古^ ，咼純度Si〇2型材可用作玻璃纖維或光纖之預製件。ς 如，=可製造用以抽拉單晶體（尤其矽單晶 二、 【先前技術】 < 坩堝。 在既有技術習知、用以燒結及/或熔融石英產品 / : 如·火爐燒結、區帶燒結、t弧燒結、接觸_姓 获=結或電漿燒結、待燒結及/或炼融之石英產品T 精，、、、里傳达或熱軸射加熱。若待如此製造石英產口 ，、 極南而不含任何外來原使用熱氣或熱接觸2 燒結及/或待熔融石英產0口口受到外來原子之不必要、^九致待 ：二：則上，僅藉助於輻射能實施非熱型、’非V觸 性加熱始可減低或免除外來原子之污染。 非接觸 在標準壓力下，藉助於輻射能實施 亦屬可能。此種情形主要與藉助c〇2雷射光束；= 坯體燒結或熔融有關。 只她開孔S 1〇2 但’琢万凌之 開孔型多孔性坯體係利用雷射束燒結或熔融貝2 :若-多習稱氣泡之氣體夾雜物。由於熔化無定形遙^形成許 極高，該等氣體夾雜物無法免除或甚難免除I相之黏度 ，某一玻化層内含有許多氣體夾雜物。“。、'、。果’所以

200416203 五、發明說明（2) " --- 押右局純度石英玻璃產品（例如：用以抽拉單晶體（尤其 矽早晶體）之拉晶坩堝）係用此種方法製得，在拉晶過程中 ’拉晶掛禍内側之氣體夹雜物將導致矽單晶體之產率及品 質產生重大問題。 ，、再者’在P过後之拉晶過程中，標準壓力下之氣泡（因 該等氣泡係在此壓力下形成者）在減壓下將大幅成長。在 拉晶過程中若該等大氣泡爆開將導致所謂化學蒸氣沉積 (CVD)方英石污染所引發之重大問題。 所以，本發明之目的係提供一種用以製造部分區域玻 化S 1 Ο?型材之方法，在該方法中，係藉助於雷射束利用 非接觸加熱將一無定形、開孔型以％述體加以燒結或玻化 :且經燒結或玻化區域之氣體夾雜物則係在減壓情況下或 業經完全免除。 &藉助於C 02雷射束、利用非接觸式加熱、在減壓下或真 :中將一無定形、開孔型81〇2坯體加以燒結或玻化可達成 該目的。 k、、、α或玻化所而之能量最好係藉助於一 c雷射送入該 型材内。 该雷射束之波長以大於矽玻璃吸收邊緣4· 2微米為佳 尤以波束波長10· 6微米之c〇2雷射更佳。 所以，最佳之雷射係可商購之c〇2雷射。 本&明之觀點而論’應了解的是：所謂s i %埋體係 糟助於成型步驟、由無定形叫微粒（矽石玻璃）製成之 200416203 五、發明說明（3) 多孔性、無定形、開孔型型材。 原則上，適當之S i 〇2坯體係既有技術習知之所有該等 物體。舉例言之，歐洲專利EP 7 0 5 7 9 7、EP 318100、EP 653381 ，德國專利DE — 0S 2218766，英國專利GB-B-2329893，日本專利 5294610，美國專利US-A- 4, 929, 579 中均曾述及其製造方法。德國專利DE - A1-19943103中曾述 及其製造方法之S i 〇2坯體特別合適。s丨％坯體以呈坩堝形 狀者為佳。 最好Si〇2坯體之内側及外側係用焦斑直徑至少為2公分 之雷射束加以照射，結果將其加以燒結或玻化。 實施照射所用輻射功率密度以每平方公分50瓦至500 m : 1母平方公分100瓦至20 0瓦較佳’ t以每平方 實施燒結工作。 母+方公分之功率必須至少足以 續地實“〇:坯體内側及’或外側之照射作用最好均勻地及連 原則上，待馇沾、 · 連續照射作用:二=或玻化Si02柱體内側及外側之均勻，

射束内之對岸銘1藉可移動雷射光學器材及/或掛堝在雷 ^』颳移動以實施。 方法，例如：ϊί η可利用精於此項技術者習知之所 導引系統。坯^ ;谷卉雷射焦點沿任何方向運動之光 術者習知之所有每 > 運動同樣可利用精於此項. ，結合兩種運動亦：j:::例如：藉助於-機器人。再:

200416203 五、發明說明（4) 在相對大型之别好安 (亦gt7样口卢干ό i材案例中（例如：S i 〇2坧俨、 (亦即樣-在雷射焦斑下方作連續、夺面;Λ體）’以掃插 原則上，任何部位破化内側或外側之W立移）為佳。 射功率之量加以控制。 / 予度係由所送雷 對應側玻化厚度以儘 幾何形狀關係，在坯f每 b句勻為‘。由於s i〇2坯體 r:況下，雷射束不能經常撞擊到坯體之矣角度恆常不變 。 收里視角度而定，所以造成玻化之厂4因雷射 u〈 乂予度不均勻 所以，本發明之另_ 厚度之方法。 係發展-種可達成破化均勻 旦依照本發明，藉助於對應隹旦 夏測雷射焦斑内之溫产 二…、，皿度里測，任何時間可 量二鏡；糸統將部分之反射熱輻射能輪：：作中’ W，皿度之鬲溫溫度計。 j迗至—用以 再者’藉將該溫度量測έ士 、 個系統内，在奋浐杖舰+、、、、口果运入雷射及運動坯體之敕 夕乂 在貝轭坯體雷射照射之過程中，於之整 夕個加工變數雷射功率 可將一個或 加以適當調節俾可達成均勾厚度之玻化移速率及雷射焦點 在整個加工過程中，待燒、ς或玻化 在~^減壓下或真空中。 〆 2玉體係固定 以0 :壓力低於標準壓力_·25毫巴/ ϋ Λ佳，尤以0.01至1毫巴更佳 再者，在減壓下實施燒結 而田射功率約降低30% 200416203 五、發明說明（5) ，蓋因樣品包圍在真空室内導致與周圍環境之能量交換降 三、 【發明内容】 本發明之内容係一部分區域玻化之S丨〇型 方法及用途，以及一種裝置。 本發明之技術内容係一種用以製造部分或完全玻化 s 1 〇2型材之方法，在該方法中，係藉助於輻射能、 熱將一無定形、多孔性叫坯體加以燒結或玻化， 低於^η外η來原子對^〇2型材之污染’其中所用輕射能係在 低於1000¾巴之次大氣壓下之雷射束。 一 m ^發^\之另—内容係—真空雷射燒結裝置（請參閱第 可^一個、:包含一雷射、一待燒結產品固定裝置（該裝置 ，二3 Ϊ移動），、雷射及固定裝置係酉己置在密封裝置内 山衣置經適當地密封起來與外界隔絕，俾中可形 成一低於大氣壓之壓力。 1U ) t 四、 【實施方式】 在一特別具體實施例中，〜 可在真空中施工。 中為衣付元王無泡玻璃層，亦 在抽拉石夕單晶體鞀& 1 該程序之壓力最好低^中1斤用拉晶掛禍之案例中’實施 力。結果，即使有少數Γ:拉晶程序内抽拉矽單晶體之壓 長。 乳泡形成，隨後該等氣泡亦不會成 在一特別合適之具體實施 燒結或玻化之S i 〇2型材固定在 例中，在整個程序内可將待 一氣體環境之下。若一種氣

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五、發明說明（6) 至熔化之玻璃内，如此可導致 觀點而論，經證實氦氣環境係 可特別容易地擴散至熔化之玻 境及一減壓亦屬可能。就此觀 合適。 體或若干種氣體可迅速擴散 氣泡數目之大幅減低。就此 一特別適當之氣體，蓋因氦 璃内。當然，結合一氣體環 點而論，減壓之氦環境特別 貝1 〇2坯體表面玻化或燒結之溫度以丨〇 〇 〇至2 5⑽它 為仏，但以1 3 0 0至1 8 0 0 1較佳，尤以^⑽至^㈣力更佳。 ιοοοΐ型材表面至型材内部之熱傳導（實施溫度最好超過

捧& β可使玻化内層或外層以外Si〇2型材之部分至全告丨 乂結侍以完成。 S i 〇 +本么明之另一目的係提供一種方法，該方法可使一 2 s體局部地形成定界、限制玻化或燒結。 坯體：f射以表面覆蓋方式僅照射該多孔性、#定形Si〇2 目的 側或僅知、射其外側而加以燒結或玻化則可達到該 最好：：制僅型材一側受到照射外，A方法之參數及程序 對應於上述方法内所用者。 ，照本發明，如此即可適用於單面玻化之型材。 枉體之開發出—項事實：在減壓下或真空中Si〇2坩堝 因枉體貝可堅實約20°/°而且可形成玻璃而不含氣泡，蓋 由之開孔性意謂所有形成之氣體業經完全釋放出來。 在s i 0 ^石夕石玻璃之熱傳導係數非常低’本發明之方法可 定之^垔材内玻化區與非玻化區之間形成一非常清晰及限 1面。如此則導致s i 〇2型材具有一限定燒結梯度。 200416203 發明說明（7) 完全= :内容是;.⑴-81。2型材，其内側 玻化及開孔，及⑴―SlG2型材，其外側完全 型材Ϊ: Ϊ = : = :面積之平均值而言，本發明叫 更以不〇個猶佳，再以不超過10個更佳， 超過5〇Ϊΐ::寺V尤以不含氣泡最佳，氣泡直徑以不 微米猶ί ί 以不超過3°微米較佳，又以不超過15 佳。再以不超過10微米更佳，尤以不超過5微米最 拉斯化f外側具有開孔之叫型材係利用左科 法）以抽拉矽單晶體之最合適矽石玻璃坩 再者，S 1 〇2坯體内之最後溫度分佈可防止& 。 矽石破璃之結晶作用。 布了防止加工過程中 發生：irrrt㈣型链體之案例中，㈣外側不-。收&現象’如此則可容易地製造接近最終形狀之掛ς 。内部玻化之石夕石玻璃掛禍適用於利用cz法抽拉單晶體 :::内側業經玻化及外侧具有開孔 酸Γ 外部區域浸以若干物質““：以氫氧化•山破 φ ,N氧化鋇或氧化鋁）以導致或增進、石厌 中外部區域之結晶作用。 WCZ法加工過程 200416203 五、發明說明（8) 例如：德國專利DE 1 0 1 5 6 1 3 7中曾述及。 本發明用以實施真空雷射燒結裝置之特點是：該密封 裝置以一鼓風器為佳，尤以一包括一真空室及一轉動真空 裝置（以確實鎖定方式密封與外界隔絕）之密封裝置更佳。 俾可形成一低於大氣壓之壓力。 一合適之裝置1包含一移動單元機器人2、一真空室3 、一轉動真空導通器4及一 C02雷射5。連接真空室3及雷射5 光束路徑5a之真空轉動導通器4特別合適。該轉動導通器4 主要包括一附有孔洞4b之圓球4a，該圓球4a係以適當之方 式裝以凸緣在雷射5之靜止光束路徑上，俾真空室3可最好 藉助一塑膠栓6 (例如：一特弗龍栓）沿三個軸向對應於該 圓球自由運動。再者，此類轉動導通器可使雷射輻射能送 入真空室内並經由配置在空中靜止位置之雷射引進窗口 10 或真空連管7將後者抽真空。再者，僅有一個開口（該開口 係藉助於一特弗龍栓而與圓球隔開）之真空室簡化結構亦 屬可能。 為實施以覆蓋表面方式掃描S i 02坯體8所需之運動，待 燒結S i 02坯體所佔之真空室係藉助於一六軸機器人沿三個 獨立軸圍繞該圓球之中心轉動。由於該結構幾何形狀之關 係，在覆蓋表面掃描之過程中，角度恆常不變之情況下， 雷射輻射能無法撞擊在試樣之表面上（有關此點請參閱第 二圖）。 依照本發明，作為一加工變數，入射角之改變，係藉 助於加工變數雷射功率、移動路徑、移動速率及雷射焦點

第12頁 200416203 五、發明說明（9) ’以適當之方式加以補償，後 。在此情況下，在雷射光束: = 樣之均勻照射 測定雷射焦斑9内之溫度。•路設-高溫溫度計即可 用作坩堝内部玻化過程中尚溫溫度計測得之溫度可 數。 田射加工整體功率控制之控制變 圖示結構之優點是直办它 — 學器材、雷射導入窗口及u雜另件（例如：雷射光 ，在未經抽成真空之狀能接器）間之去偶合。再者 器材拆開。所以，直介f Ί 4八空室可容易地自雷射光學 ，俾變換試樣8所需之轉動導通器4係經適當設計 加以實施。 動順序可利用機器人2本身容易地 再者，最好將真空室^八 分，真空室之簡單及刀汗。右真空室包括至少兩部 可能。 夺）半自動化或全自動化裝卸均屬 在表簡單之案例中， * ^ 半部3b。於一新s丨0 _接、了王至3包括一上半部3a及一下 後，無需另外螺釘丄:^業經插入真空室3之下半部3b之 室之上半部3a，而:凸緣連接，後者即可栓定在真空 。無需傳送力量給帝鉍二個半部移向圓球4a而加以抽真空 真空作用本身予以^〜^路徑或機器人，該結構係由抽 (a)之橫斷面與直办疋第二圖係將標準壓力下燒結試樣 下燒結之試樣内可^^、、、°試樣（b)者加以比較。在標準壓力 不像真空—燒結之試：斤地看出有明顯之氣泡形A。再者， 飞樣，该斌樣不呈透明狀。 弟二圖所示传奸 係払準壓力下所燒結試樣（a)及真空中所 200416203 五、發明說明（10) 燒結試樣（b )之橫斷面。 加工時程相同之兩種試樣，其玻璃層之厚度大致相同 ’但真空燒結所需之雷射功率約低3 〇%。此種情形可歸因 於該試樣係包圍在真空室内，導致與環境之能量交換較少 〇 茲以數則實驗例為基準，將本發明加以詳細說明如 下 實驗例1 :坩堝型、開孔式、多孔性、無定形8 i 〇2坯體之製 造 Φ 製造工作係依據德國專所述之方法 。藉助於塑膠塗覆混合器、於真空中、在無氣泡及金屬污 染之情況下，將高純度之熱解及熔化之矽石均勻地分散在 再蒸餘水中。如此製得之分散液，其固體含量為8 3 . 9 6 °/◦重 量比（9 5%熔化矽石及5%熱解矽石）。藉助於陶瓷工業廣泛 使用之輥筒法，於一塑膠塗覆之外模内將該分散液製成一 1 4忖掛堝。在8 〇艺溫度下初步烘乾1小時之後，可將該坩 禍脫模，隨後於一微波爐内，在約9 0。(：溫度下，將其充分 烘乾，歷時2小時。經烘乾之開孔式坩堝，其密度約為 1.62公克/立方公分及壁厚為9公厘。 實驗例2 (比較例）： 實驗例1所製1 4吋坯體坩堝之内部玻化 藉助於一 ABB機器人（IRB 2400型）、於一 c〇2雷射（TLF 3 0 0 0渦輪型）之焦點内，用3仟瓦之輻射能功率照射實驗例 1所製1 4吋坯體坩堝。

第14頁 200416203 五、發明說明（11) 該雷射裝有剛體光束導向系統，該機器人具有運動之 所有自由度。除可使自雷射共鳴器水平出現之輻射能轉向 為垂直之轉向鏡外，光束導向系統更裝以擴展初級光束之 光學襄置。初級光束之直徑為1 6公厘。於平行初級光束通 過擴展光學裝置之後，形成一發散光束路徑。1 4忖掛禍t 焦斑之直徑為50公厘，使光學裝置與坩堝間之距離成為約 4^ 0公厘（請參閱第一圖）。該機器人係藉助於一配合坩堝 幾何形狀之程式加以控制。由於坩堝之形狀為轉動0對稱°， 可限制移動之自由度為一個平面及兩個轉動軸（請參閱第 。當坩堝8轉動時（角速度為〇15。/秒），首先坩堝之 有上緣經焦斑9覆蓋之角度範圍為375。。之後，掛場内 面之其餘部分受到雷射之螺旋式移動。在加工過程中， 係^ Ϊ動速率及在一轴上自掛禍邊緣至中心之前進速率 變。之方式加速，俾單位時間所覆蓋之面積恆常不 步貝^照射之功率密度為1 50瓦/平方公分。在同一加工 ^至ί妯t达體表面發生玻化作用之外’由於自熱之内表 結。％ϊ =之熱傳導作用，該Si〇2型材得以部分受到燒 公厘田主子知射之後，該Si〇2坩堝内側經玻化之厚度超過3 形狀 x面覆蓋方式且無裂痕），並保持其原有外部幾何 透明（：失但，該玻璃層具有許多大、小氣泡，所以亦不 =月（睛參閱第三圖）。 汽驗例3 : 又…、本發明一個1 4吋坯體坩堝之内部玻化 於一特別真空雷射設備内將實驗例1所製丨4吋坯體之

第15頁 200416203 五 、發明說明（12) ' " 内側加以玻化。 4真空雷射設備主要包括一由ΑΒβ機器人（IRB 240 0 f)所衣移動單元、一真空室、一特別轉動真空導通器及 一TLF 3 0 0 0渦輪型、輻射功率為3仟瓦雷射（請參閱第一 圖）、。在此案例中，該轉動真空導通器將真空室（該真空室 to二:車^自㈣動）與該光學裝置連接在一起。在藉助 -2 ::施内部玻化作用之前1真空室抽空至2x 1〇 毛巴之£力。隨後，藉助於一機器 動該14吋链體坩堝，並萨 頦似於貝驗例2移 面覆蓋掃描過程中，在角度恒常不關 ，無法撞擊到試樣表面(請參閱第四二：為 =作用’在加工過程，，可利用裂在雷：：=均句 间溫溫度計測定焦斑溫纟，再以此 a果 佐内之 之力…整體控制之控制變數。除内:果作為运射功率 用之外，由於自熱内表面至型材内部體之内埶W你之玻化作 ==曾受到部分燒結。經雷射照射之後傳=用^Sl〇2 ’其原來外部幾何形狀仍保持未冑厘’無裂痕 2之乳泡（請參閱第三b圖與第三 破㈢僅有極少較 驗例2所製㈣不同，該玻化層係透所以，與實 200416203

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Claims (1)

1. 200416203 六、申請專利範圍

   1· 一種製造部分區域或完全玻化Si〇2型材之方法，其中 -無定形、多孔式Si 02型材係藉助於輻射能、利用非接觸 加熱而加以燒結或玻化，並避免外來原子對該以％型材造 成巧染，且所用輻射能係低於1 〇 00毫巴之次大氣壓力下之 雷射光束。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中所用者係適當之 低於大氣壓之壓力，俾s i 〇2型材内所形成任何之壓力低於 抽拉單晶體所用之拉晶壓力。 3」^如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在施以低於大 氣I之壓力丽，該S 1 〇2坯體係固定在一氦環境内俾移除氧

   4 · 如申請專 之光束波長係 5 · 如申請專 雷射之光束波 6. 如申請專 多孔性、無定 7· 如申請專 該S i 〇2坯體之 射束照射，因 8 · 如申請專 其中將坯體之 9 · 如申請專 ，其中實施Si 利範圍第1、2或3項之方法，其中所用雷射 大於在4· 2微米處之矽石玻璃吸收邊緣。 利fe圍第1、2、3或4項之方法，其中所用c〇2 長為1 0 . 6微米。 利範圍第1、2、3、4或5項之方法，其中該 形坯體係呈坩堝之形狀。 利範圍第1 或6項之方法，其中 内側及外側係用一焦斑直徑至少為2公分之雷 而得以燒結或玻化。 利範圍第1、2、3、4、5、6或7項之方法， 内側及外側加以均勻地及連續地照射。 利範圍第1 7或8項之方法

   02坯體表面玻化或燒結之溫度為丨〇 〇 〇至2 5 〇 〇

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   :c，但，。。至18〇(TC較佳，尤以14〇〇至15 10. 如申請專利範圍第1、2、3、4、ζ 匕更仏。 方法，其中實施雷射照射所用之旦6二7、8或9項之 50 0瓦，尤以1〇〇至2 0 0瓦/平方公=^母、’方公分50瓦至 11. 如申請專利範圍第i、2、3、刀4、^、6 項之方法，其中雷射焦斑之溫度任何時間均可9。或10 一 =及-外側、多孔式、無定形SiOA 體““部疋界、限制玻化或燒結之方法，其中 ：. 射=”表面之方式僅照射Si〇2述體内側或僅照射其心 ’因而付以燒結或玻化。

   • 種僅内側元全玻化且外側具有開口孔之s i 〇2型材。 14.如申請專利範圍第13項之Si〇2型材，該型材^利用以 法抽拉矽單晶體所用之矽石玻璃坩堝。 =·如申請專利範圍第14項之Si〇2型材，其中該内侧業經 完全玻化且外側具有開口孔之矽石玻璃坩堝，其外區域係 /文以若干物質，在隨後c Z法之加工過程中該等物質可導致 或加速該等外區域之結晶作用。 i b · —種僅外側完全玻化且内側具有開口孔之s i 〇2型材。 17·如申請專利範圍第13、14、15或16項之Si 02型材，其 元全玻化之整個面積平均每立方公分具有不超過4〇個氣泡 ’該等氣泡之直徑不超過5 0微米。 L 8 · 一種真空雷射燒結裝置，該裝置包含一雷射、一固定 裝置（供待燒結產品使用，可沿三個軸運動），該雷射及固 定裝置係配置在一密封裝置内，該密封裝置係適當地密封

   第19頁 200416203 六、申請專利範圍 而與外側隔絕，俾其内部可形成一低於大氣壓之壓力。 19. 如申請專利範圍第1 8項之真空雷射燒結裝置，其中該 密封裝置係一鼓風器。 20. 如申請專利範圍第1 9項之真空雷射燒結裝置，其中該 密封裝置包括一真空室及一轉動真空裝置，兩者係以確實 鎖定方式加以密封而與外界隔開，俾可形成一低於大氣壓 之壓力。 1

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