TWI252843B - Method for manufacture of a component made of opaque synthetic quartz glass, and quartz glass tube manufactured according to the method - Google Patents

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1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（1 ) 發明領域： 本發明係相關於一種不透明合成石英玻璃組件製造程 序。此外，本發明又係相關於根據前述的方法製造石英玻 璃管。 發明背景： 石英玻璃管、棒、鑲板及板塊等或當半成品或當成品 物品，在熱工程應用上是非常重要的組件。其中，良好的 熱絕緣與高溫穩定性及熱疲勞阻抗是絕對必要的。尤其半 導體工業上之應用，對所用不透明石英玻璃管及組件之純 度要求更多。如熱反應器、擴散管、熱屏蔽、熱錐或熱輪 等只爲少數之例子，這些應用主要在光譜之紅外線帶，才 需要使用不透明之玻璃組件。出現在低純度石英玻璃之雜 質，爲造成玻璃不透明之原因。無論如何，從純的起始材 料製造之石英玻璃是透明的，它必須以人工導入孔於玻璃 中使其不透明。 鑑此，未加工不透明體經再成形熱處理製造薄壁不透 明石英玻璃管或管件，示出難以輕視的問題。因爲這些非 常薄之薄壁管或管件，其在再成形熱處理，尤其使用高純 度起始材料製造時，很容易變成透明。本發明係關於組件 之製造，最重要的是從純的起始材料製造不透明石英玻璃 之薄壁管。 描述於E P — A 1 8 1 6 2 9 7 ··從純的起始材 料製造不透明石英玻璃之方法，提出以平均粒子尺寸 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -4- 1252843 A 7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（2) 3 0 0 /i m之合成二氧化矽粒子與氮化矽粉末添加劑配製 之粉末混合物，經熔化後即產出不透明石英玻璃。混合物 熔化時，氮化矽粉末熱分解會釋放出粉末混合物之氣體成 份如氮，因此氣體成份便在軟化的石英玻璃中產生孔隙， 而提供了成形體所期望的不透明。成形體之製造是將粉末 混合物置入襯以石墨毯之石墨模型中，並在溫度1 8 0 0 °C真空之高溫電爐加熱而成。粉末混合物熔化時，軟化前 峰及熔化之石英玻璃從模壁呈放射狀移向模心而產生所謂 的A熔化前峰〃。 任何污染出現均能導致石英玻璃之失玻璃化作用，而 產生易脆及減低熱疲勞阻抗之結果。殘留添加劑亦能負面 影響石英玻璃之品質，不均勻之孔分佈亦有害的。玻璃化 作用可能有孔成長程序相伴隨，其中大孔隙之成長對小孔 隙者不利。無論如何，大孔隙對不透明之貢獻較少，導致 不透明石英玻璃之密度較低，及減低機械之穩定性與石英 玻璃成形體之使用服務壽命。 石英玻璃管成形體之製造是耗工、費時的，特別是需 要高精確度尺寸時，通常高精確之管壁厚度是所有應用之 必要條件，因其中另有組件以熔化而附加於石英玻璃管上 〇 本發明係基於工作目標提供製造便宜組件之方法，尤 以不透明石英玻璃製造之薄壁管或管件，其特徵爲具有高 化學純度及高精確度尺寸。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- 1252843 A7 B7 五、發明説明（3) 發明槪述： 本發明亦基於工作目標提供以前述方法製造之石英玻 璃管，特別爲半導體之生產而使用。 提供一種製造不透明石英玻璃組件方法之職責，解決 製程包含下列步驟： a )提供高純度合成二氧化矽粒狀形態材料之起始材 料，至少部分由多孔性黏聚粒之二氧化矽原粒子組成，具 有不少於0 · 8 g / c m 3之緻密體密度； b )導入粒狀材料於模型中並經一熔化程序，製造預 成形不透明石英玻璃； c )將預成形石英玻璃經再成形熱處理，即形成不透 明石英玻璃組件。 根據本發明製程中留下在高溫時至少兩個處理步驟（ 以下稱爲、熱處理步驟/或、熱再成形處理/)。上述步 驟b )及c )中，起始材料及從起始材料所製之成形體分 別受到高溫處理的。根據本發明製程，其特徵爲事實上純 石英玻璃製不透明組件是在上述、熱處理步驟/後所製成 ，甚至於從高純度起始材料而得，二次、熱再成形處理一 則提供調整不透明組件在高精確度尺寸要求下，最終尺寸 所期望價値的一個低成本機會。此主要相關於壁厚、管形 組件之內外徑及棒形組件之外徑。 根據本發明製程主要之首要事物在用到製造程序a) 有關高純度合成二氧化矽所製粒狀形態材料之起始材料， 爲本發明目的適用之高純度二氧化矽起始材料，其總污染 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） W - - - - - - 1 lj ........ IWH ! I - I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慈財產局5貝工消費合作钍印製 -6 - 1252843 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（4) 物含量諸如鋰、鈉、鉀、鎂、與、鐵、銅、鉻、猛、欽及 鉻等是低於1 w t . - p p m，關於此點，添補劑並不考 慮算作污染物。 粒狀材料至少部分由多孔性黏聚粒之二氧化矽原粒子 組成，具有不少於〇 · 8 g / c m 3之緻密體密度，此形 原粒子能以火焰水解作用或矽化合物之氧化作用而製得， 有機矽化合物之水解作用與所謂的溶膠-凝膠程序或在溶 液介質之無機矽化合物的水解作用。雖然此等方法之一製 造的原粒子，其特點爲高純度，由於它們的低體密度使它 們難以操縱，因此，普通以成粒作用製程方式將此材料壓 縮。成粒作用會導致細的原粒子形成大直徑的黏聚粒。爲 使依本發明製程能成功起見，當粒狀材料熔化時氣體被陷 捕於材料中是絕對必須的，其需要有某種程度的孔隙度， 使其能在各個黏聚粒子內部給與或開放的或關閉的孔隙空 間，在預成形熔化製程中，當燒結及崩解步驟時，現存的 孔隙空間是關閉的。然而，先前開放的孔隙通道，是轉變 成大多數細小關閉的孔隙空間，使它能背散射紅外線輻射 ，如此亦傳遞其高紅外線不透明度。所需不透明度亦能以 帶有粗糙表面構造顯出表面裂隙之黏聚粒組成的粒狀材料 ，導入石英玻璃而成。在熔化製程中，這些裂隙形成孔隙 空間能陷捕氣體，因此在預成形體形成關閉的孔，此等細 小關閉的孔，將入射光散射而使預成形體變不透光。 歸根究底，當玻璃化作用時不需要加添加劑成揮發性 而產生不透明，誠如上述已知製程所做，結果沒有因加添 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局a(工消費合作社印製 五、發明説明（5) 加劑介入污染物於石英玻璃之危機。 在不少於0 . 8 g / C m 3之緻密體密度下，二氧化 矽粒狀材料置入模型中製成預成形體，緻密體密度則根據 D 1 N 1 S〇7 8 7 Part i 1量測粒狀材料 之孔隙率即可算出。 不h明石央玻璃製之預成形體爲k狀材料經熔化製早呈 製成，爲達此目的，將粒狀材料置入模型中經加熱及溶化 ’當粒狀材料正當在熔化製程前、後能加入時，製得不透 明合成石英玻璃之預成形體是極重要的。此預成形體通常 保有圓柱形，但是自此圓柱形偏差向球形或圓錐形時，則 與本發明製程技術之成功與否並不相關。在預成形熔化製 程完成前，至少部分預成形體出現如一層的粒狀材料或長 大的粒狀材料，爲了簡便起見此中間狀態亦稱爲、預成形 〇 任何製程步驟後諸如預成形體外表經淸洗或平滑，預 成形體並受再成形熱處理，其在高準確度尺寸下製出理想 的不透明石英玻璃組件。再成形熱處理可行抽製處理或以 其他形態、工具或重力使軟化預成形體之再成形，組件如 管 '棒 '鑲板及板塊等能如此製造。預成形體再成形處理 成組件時亦能以數製程步驟處理，預成形體在首次熱處理 步驟時製成不透明石英玻璃組件，並至少增加一次熱處理 步驟’此爲必須的、因爲此組件獲得它指定的最終尺寸不 會早於增加之熱處理步驟。結果此組件可被製造出高準確 度之最終尺寸。 b— - .....- = —^1 =1· —ΙΛ- n (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8 - 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局肖工消費合作社印製 五、發明説明（6) 本發明製程已證實特別適於製造管或管節形狀之不透 明石英玻璃組件。爲此目的，預成形體從模型移出及送入 加熱區前將其外表施以機械處理之，其時它開始自一端軟 化漸進至另一端，在那，預成形體以伸展及頂吹方式再成 形爲不透明石英玻璃管。此程序特別適合於製造低壁厚度 及嚴格直徑容忍之薄壁管，此形之管及管節的壁厚範圍爲 〇 · 5 〜1 5 m m 〇 熱處理步驟後，其預成形體係由粒狀材料經熔化製程 而製備，此預成形體至少再增加一次熱處理步驟，即趨軟 化、伸展及頂吹方式成爲薄壁之不透明石英玻璃管。此程 序之一個特色爲不管是否使用高純度起始材料，均可製得 不透明石英玻璃管，這在製造薄壁管上特別重要，經由所 描述之熱處理步驟，其製得顯示高準確度尺寸之最終不透 明石英玻璃管，不會早於增加熱處理步驟前。 爲製得上述具有特色之不透明石英玻璃管主要必要條 件，照本發明製程a )使用起始材料製備預成形體時，它 包含高純度合成二氧化矽之粒狀材料。 預成形體從模型移出，至少預成形體部分外表需施以 機械處理（如圓柱形預成形體圓柱外表面），將任何疏鬆 吸附在外表之材料去除後，使表面平滑之。盡可能使它的 外表平滑，如此有利於隨後製程步驟中高品質表面產品之 生產。 預成形體經此處理後從模型移入加熱區，其時它開始 自一端軟化漸進向另一端，在此製程，預成形體以伸展及 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - 1252843 A7 B7 五、發明説明（7) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 頂吹方式再成形成爲不透明合成石英玻璃構成之薄壁管， 此伸展及頂吹亦可能經數次製程。重要的是預成形體在首 次再成形熱處理能製成不透明石英玻璃管，並具高準確度 尺寸特色者，至少隨後需經加一次再成形熱處理製程。依 本發明製程首先爲有利於低成本自合成起始材料製造高純 度不透明石英玻璃管，而在各案均有薄壁產品製得。 本發明鑑此，薄壁石英玻璃管將被定義爲管壁厚約 15mm或更小（薄），薄壁不透明石英玻璃管是用以製 造高純度半導體材料加工組件。 因爲它的注澆性及良好的處理性質，粒狀材料組成之 起始材料具有緻密體密度範圍爲〇 . 9〜1 . 4 g / c m 3，並證實特別適於該應用，尤其用在紅外線光譜部 分，而產出不透明石英玻璃之優良成果。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 與緻密體密度相似，粒狀材料之比表面是以量測粒狀 材料或黏聚物之孔隙度而得。特別適合於本發明製程目的 者爲二氧化矽粒狀材料具有lm2/g〜4 0m2/g ( BET方法）比表面，較佳者爲1〇〜30m2/g。粒 狀材料之比表面是由此材料之大孔間隙所成，如此反映由 孔隙通道所成之內部表面較外表面更爲主要。與孔間隙相 關連之作爲，即大的比表面有利於玻璃化作用時，氣態的 一氧化矽之形成，它可防阻小孔之崩潰，因爲氣體被陷捕 於關閉之孔隙中而不易逸出。結果，一種純不透明石英玻 璃如此製得，其特徵爲均勻的孔分佈、高的密度、足夠高 的黏度及低的失玻璃化作用傾向，此型不透明石英玻璃製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 1252843 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（8) 之石英玻璃管，其特色爲優良的熱絕緣性質及在高溫使用 服務壽命長。 特別針對薄壁管，在隨後之再成形熱處理前’應用結 晶誘導物質於預成形體之外表面時，熱穩定性能更爲增加 。爲了有開放孔外表面有利於穩定物質之穿透及固定’證 實特別適於含有液態鋁物質（諸如硝酸鋁或氫氧化鋁）之 噴射。在隨後之再成形熱處理時，物質之結晶核心形成’ 此物質被固定於開放孔之外表面，利於結晶作用區之迅速 成長，結晶作用區給與熱穩定效果，其可有效防止在高溫 使用組件早期，發生所謂的凹曲，及增加使用服務壽命。 此針對薄壁組件而言，特別重要。 二氧化矽粒狀材料之比表面，是依據B E T方法程序 量測而來（D I N 6 6 1 3 2 )。 程序中較佳變數係爲二氧化矽原粒子之平均粒徑範圍 是0 · 5〜5 // m或低於0 · 2 // m。前者可依所謂的'' 溶膠-凝膠〃製程，用有機矽化合物水解而製得原粒子， 至於出現在火成原粒子粒徑低於0 · 2 // m者，則以火焰 水解作用或無機矽化合物氧化作用而產出。在本發明製程 中產製此等原粒子混合物亦是可行，從沈澱矽酸製得原粒 子亦可用，原粒子之無晶形構造在玻璃化作用時，使出其 低的失玻璃化作用傾向。 製程之兩個變數中，有特色的爲原粒子有一個大的自 由表面，以多數此型粒子經物理或化學的結合力之黏聚作 用，可達成本發明目的之適用粒狀材料的生產。粒化作用 -----------.看衣—— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本貢) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 1252843 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 A7 __B7五、發明説明（9) 可能被通常習知之製程所影響，特別是製粒（濕式粒化製 程）、噴射乾燥或懸浮體之壓粒化作用（擠出）或含有大 量原粒子，尤以溶膠-凝膠製程之原粒子，由於此等粒子 之大多數均爲較佳的球形，故緊密塡充於粒狀材料中。自 由表面會因鄰近原粒子之表面被接觸而減少；然而，誠如 上述，在玻璃化作用過程各個原粒子間可能形成關閉的孔 隙，由於使用小平均粒徑低於5 // m之·原粒子，因此可得 到細的孔分佈。平均粒徑係依據A S T M C 1070 所測定，即稱爲D 5 〇値。 使用粒狀材料之有利點在於各個單獨的二氧化矽顆粒 顯出高密度之外部表面積至少部分包圍低密度之內部表面 積形成之不均勻密度分佈。這可使當玻璃化作用時防止氣 體全部或部分逃出而被陷捕於內部表面積內，使得孔之形 成及得到不透明石英玻璃。較佳者爲此內部表面積成中空 空間，如此至少部分可從高密度之外部表面積外面分離。 選擇性地或附加地，它較佳者爲黏聚物外部表面積佔 有裂隙，一高度結構、裂隙的外部表面積，當預成形體生 產熔化程序時，亦可使氣體被陷捕而形成孔。此描述形態 之表面性質可以擠製生產粒狀材料方式得到，粒狀材料諸 如建造顆粒（製粒顆粒）、噴射顆粒及擠製物均證實適用 於本發明目的。 使用粒狀材料有利點爲黏聚物以8 0 0〜1 3 5 0 r 熱處理成預塞滿狀，此熱處理可使緻密體密度及比表面依 上述所期望的値調整。在製程中，外部表面積可造成較多 ,.1 I I I I L— n —u n _ (請先閲讀背面之注意事項存填寫本育〇

IT 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 1252843 A7 B7 五、發明説明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 孔中空的內部表面積更緻密，如此主要爲在玻璃化作用時 ’材料外部表面積之孔及孔隙通道會萎縮及關閉。爲此目 的’在外部表面積與內部表面積間初始溫度升降率達到完 全平衡前及塞滿動作未完成前，停止及暫緩熱處理。這很 容易做到，即以通過顆粒於加熱區並使其在含氯氛圍氣中 熱處埋，任何形成揮發性含氯化合物之污染物及〇 η -族 均可去除。此不但改善粒狀材料之純度而且增加自粒狀材 料產製石英玻璃之黏度，且更進而可減低失玻璃化作用之 傾向，含氯氛圍氣能含氯氣及或含氯化合物。 使用二氧化矽粒狀材料更有利點爲其組成之黏聚物平 均粒徑在1 0 0〜4 0 0 0 //m間，有利於去除黏聚物粒 徑小於1 0 0 // m之細小部分。爲達此目的，粒徑小於 1 0 0 /zm顆粒，或自一旦形成粒狀材料時去除，或當生 經濟部智慧財產局員工消費合作社印髮 產粒狀材料之際這些顆粒的形成受到壓制時去除。當預成 形體生產之熔化製程中，或粒狀材料預塞滿熱處理時，較 粗顆粒者溫度升降率是易於建立的，外部表面積更緻密時 顆粒內部溫度升降率導致因而密度的升降。如此在熔化製 程中有利於孔的形成。相反的，因爲它們的小尺寸細小黏 聚物顆粒，阻止或甚至於防止前述形態密度升降的形成， 結果細顆粒部分對孔之形成無法獻其力。 此種材料所製石英玻璃管之黏度，可以添補5〜2 0 w t . - p p m鋁於粒狀材料中而增加。以細粒分佈、奈 米級三氧二化鋁粒子添補能夠有一均勻分佈之添補劑；爲 此目的特別以火成製程製造之大比表面積的三氧二化鋁粒 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13- 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 子，使它特別適合此應用。鋁添補劑亦能以含鋁液體（溶 液）方式導入，如硝酸鋁或氯酸鋁溶液之形式。 電光弧熔化不透明石英玻璃而生產預成形體是有利的 ，其途徑爲玻璃化作用前峰自預成形體內部表面移向外面 ，在中空圓柱形預成形體，此內部表面相當於孔洞內壁。 玻璃化作用前峰相界間之完全及部分熔化材料是難以定義 的，部分熔化材料仍然含有開放的孔及通道，而完全熔化 材料則僅有關閉的孔並無接觸外部表面。預成形體係自內 面加熱如此玻璃化作用前峰即從該處經預成形體壁傳達外 面。能昇華之污染物即轉移到氣體相並自玻璃化作用前峰 前端逐向預成形體多孔區，它們即從那裡逃逸或被吸走。 在此製程已證實使用電弧之優點，預成形體加熱進行 自內面傳達外面，至到達玻璃化作用溫度超過1 9 0 0 t ，此時預成形體繞它的旋轉軸轉動，以.確保預成形體之加 熱能均勻，其對防止溫度高峰及密度升降形成是很重要。 電弧加熱預成形體曝露在超過1 9 0 0 °C溫度，在此高溫 下擴散及質量轉移作用會加速，如此污染物（特別是氣體 污染物）能有效的以昇華及抽吸去除。 在一較佳程序中使用水平抽拉製程將預成形體再成形 爲石英玻璃管，水平抽拉製程中，預成形體形狀像中空圓 柱體’繞水平方向之縱長軸旋轉，在它緩慢繼續移到加熱 區時’在該處對準成形器具吹氣，然在內部超壓影響下繼 續抽出。此程序特別適於製造壁厚範圍〇.5〜15mm 之不透明石英玻璃管。至少到某程度，管壁厚度亦依已知 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） -14- 1252843 A 7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 使用條件下，已知管徑需求之機械及熱穩定性而定。譬如 ，直徑2 5 Omm之管、其壁厚爲5mm〜8mm。 一可替代但同樣較佳之程序變數，爲使用垂直抽拉製 程將預成形體再成形爲石英玻璃管，此程序亦用形狀像中 空圓柱體之預成形體，其縱長軸則爲垂直方向地，預成形 體繼續移到加熱區時即被軟化，通常不用任何器具而抽出 成薄壁石英玻璃管。此較佳程序適於製造外徑5 0 m m之 、其壁厚小於4 m m石英玻璃管。 針對管形不透明石英玻璃組件，上述技術工作可用合 成石英配合鋰含量不超過lOOwt . ppb、管壁厚在 〇 · 5〜1 5 m m製造之石英玻璃組件而解決。 根據本發明製造之組件，其特徵如下： a )合成石英組成之組件，其特徵通常爲它的高純度 ’尤其是它的1 0 0 w t . p p b或更低的低鋰含量。 b)薄壁的組件，其壁厚範圍爲〇·5〜15mm。 c )組件係由不透明石英玻璃組成。 石英玻璃生產中必要條件a )及b )使製得必要條件 c )特色（不透明）成爲困難，根據本發明製程之首要事 務’即利於從不透明高純度石英玻璃製造如此薄壁之石英 玻璃管。 因爲它們的高純度及不透明，依本製程製造之石英玻 璃管特別適用於半導體生產之熱工程應用。根據本發明自 t此材料製成的組件之非常細小孔分佈，在應用上提供非常 好的熱絕緣。不透明組件一邊之局部溫度高峰被石英玻璃 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（1$ 之不透明弄平坦，以致於使組件另一邊建立了更均勻之溫 度剖面。薄壁之石英玻璃管被用於需要輕重量及高不透明 度時用。依本發明製程自預成形體首次再成形熱處理後， 至少隨後需經加一次再成形熱處理製程才製成不透明石英 玻璃管。或有利於生產低成本自合成起始材料製造高準確 度尺寸之高純度不透明石英玻璃管。因爲此等石英玻璃管 具高準確度尺寸，其他石英玻璃管（尤其是透明石英玻璃 管）即能精密地以熔化附加上上述的不透明石英玻璃管。 另一個石英玻璃改善之設計爲使它有低於2 0 0 wt · ppb之低鈉含量、更佳者爲6〇wt · ppb ; 及低於2〇〇〜1:.口01)之低鉀含量、更佳者爲5〇 wt · ppb。由於其鹼金屬污染物含量低，故此型石英 玻璃之特徵爲它的相對的高黏度。典型地鋰污染含量應低 於 lOwt.ppb。 半導體生產方面應用及熱處理製程時，非常希望使用 壁厚4〜8mm之管件。 高溫應用方面，非常期望使用持有穩定化作用層之石 英玻璃管，誠如依本計晝製程解釋如上者，一穩定化作用 層能在再成形加熱前應用結晶誘導組件於預成形體之外表 面。當再成形加熱時，一熱穩定化結晶區型態之穩定化作 用層在預成形體之外表面形成，而它可防止高溫應用時組 件之凹曲。 圖式簡要說明： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16 - 1252843 A7 _— _B7_ _ 五、發明説明（1今 本發明將基於實施例及圖幅，驗證如下：圖中 圖1 :中空圓柱體成形，以電弧方式加熱粒狀材料玻 璃化作用（溶化）之製程步驟。 圖2 ··水平抽拉製程中，以伸展及頂吹石英玻璃圓柱 體方式，製造石英玻璃管。 圖3 :根據本發明第一個實施例之二氧化矽顆粒，圖 中顯示各個單獨的二氧化矽顆粒之橫剖面。 ® 4 :根據本發明第二個實施例之噴射粒狀材料形態 白勺1氧化矽顆粒，圖中顯示各個單獨的噴射顆粒之橫剖面 〇 圖5 :根據本發明第三個實施例之擠製物形態的二氧 化石夕顆粒，圖中顯示三度空間鳥瞰。 圖6 ··根據本發明另一實施例之擠製物形態的二氧化矽 顆粒之橫剖面。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 明 說 號體型 頭 符形模 箭 孔 對 件孔屬軸向壁鑿弧極 元多金縱方內內電電 ♦ · ♦»·· ···· ♦· · ··» 主 12345678 V 1-ΓΙ _ IL I - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -----1 -17- 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（1与 9 :內壁 1 0 :玻璃化作用前緣 1 1 :開放孔面積 1 2 :中空圓柱棒 1 3 :移動方向 1 4 :方向箭頭 1 5 :內部表面層 2 0 :餵入設備 2 1 :箭頭 2 2 :電阻爐 2 3 :管 2 4 :抽拉設備 2 5 :箭頭 2 6 :退出棒. 2 7 :旋轉傳送導路 2 8 :水冷式成形顎 2 9 :石墨顎 31:球形粒狀顆粒 3 2 :中央面積 3 3 :外部面積 4 1 :噴霧顆粒 4 2 :中空空間 4 3 :外部層 4 4 :狹窄通道 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） -18- 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局B(工消費合作社印製 五、發明説明（1夺 5 1 :顆粒 5 2 :外表面 5 3 :孔隙通道 5 4 :深溝槽 6 1 :擠製物 6 2 :構造表面 較佳實施例之詳細說明： 圖1顯示根據本發明製程，從石英玻璃以初始多孔形 體1玻璃化作用，製造中空圓柱體1 2之圖式的描述。多 孔形體1之製造將詳述於下： 二氧化矽粒狀材料係藉由合成二氧化矽使用濕式粒化 作用製程所製。粒狀材料是以氯氣/氯化氫氣混合物淸淨 處理之，淸淨材料測出污染物含量（單位爲w t . p p b )如下：鋰 <l〇wt · ppb、鈉 4〇wt · ppb、 鉀36wt . ppb、鐵3〇wt · ppb，粒狀材料之 比表面（B E T方法）及緻密體密度，分別調整爲3 4 m 2 / g及1 . 1 g / c m 3，在旋轉管狀爐1 2 0 0 °C溫 度下以熱塞滿作用製成。 然後將粒狀材料塡入繞縱軸3旋轉之管形金屬模型2 中，其旋轉方向如圖1箭頭4方向。在離心力影響及模板 方式下，增體材料在金屬模型2之內壁5成形爲旋轉地對 稱成形體1，成形體1之增體層厚度約10Omm具內鑿 孔5其爲內徑7 5mm之連續鑿孔6。增體材料在隨後製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -19- 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 五、發明説明（17) 早呈步*驟前應用離心力使其呈中度塞滿之。 製造不透明中空圓柱體1 2之際，連續區機械預塞滿 成形體1在電弧加工熔化係從成形體1之內鑿孔6向外。 胃Μ此目的，一電極對8即插入內鑿孔6，並自成形體1 之一端開始，沿內壁9繼續移向成形體1之另一端，電極 對8之插入餵率是定在5 5mm/m i η。在此相對緩慢 胃$下強熱地絕緣增體材料（成形體）變爲具足夠的熱產 出而形成緻密壁。電弧7之溫度足夠高可使成形體1玻璃 化’成形體內壁最高溫度可達2 1 0 0 t。製程中玻璃化 作用前鋒1 〇在成形體1內部產生，再從內而外進展到金 屬模型2，玻璃化作用區相當於成形體1之開放孔面積 1 1與部分熔化不透明面積1 2間的相界。玻璃化作用前 鋒1 0之移動方向1 3，主要是從內鑿孔6內壁9向外呈 放射狀，如圖1圖式的箭頭方向1 4。電極對8插入餵率 是加上玻璃化作用區之移動，氣體陷捕於粒狀二氧化矽， 而導致不透明面積1 2間孔之形成，及因而如期望的產生 不透明之結果。 因爲電弧7之高溫，內鑿孔6之內壁9面積在製程過 程呈強度的塞滿，此使產生透明之內部表面層1 5或在中 空圓柱體1 2其經熔化程序自成形體1製成透明石英玻璃 〇 成形體從金屬模型2移出後，任何吸附在中空圓柱體 1 2之砂去除之，外表需小心施以機械處理平滑，如實施 例所不，中空圓柱體1 2之尺寸爲具1 9 Omm外徑及 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20- 1252843 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 A7 B7五、發明説明（18) 1 5 Omm內徑，中空圓柱體1 2提供隨後抽拉製程需要 之不透明石英坡璃質量。具有大的外徑如3 5 0mm及足 夠的壁厚如5〜8mm之石英玻璃管，能自大而堅厚的中 空圓柱體製成。此型之石英玻璃管主要用於生產直徑 3 0 0 m m半導體晶片時之組件。 茲將如何以伸展及頂吹方式自中空圓柱體1 2製成石 英玻璃管解說如下： 圖2顯示一般水平抽拉製程設施，上述製程步驟所製 之石英玻璃中空圓柱體1 2，繞水平方向之縱長軸旋轉， 然後繼續藉餵入設施2 0沿箭頭2 1指示方向以5 c m/ m i η餵率前進，進入環繞中空圓柱體1 2之環狀電阻高 溫爐2 2 ’在約2 1 0 0°C溫度下石英玻璃黏度低至足以 使中空圓柱體1 2抽拉成管2 3，此步驟有利於抽拉設施 2 4依箭頭2 5方向以1 〇 cm/m i η餵率抽拉出管 2 3 ’此時管2 3繞其縱長軸旋轉。管2 3之自由端具有 2 5 0mm直徑及5 · 5mm壁厚，熔化於氣體密閉之連 接到石英玻璃製之退出棒2 6，反之，另一中空圓柱體 1 2之自由端，被氣體密閉之旋轉傳送導路2 7所密封。 將帶有襯以石墨顎2 9的兩個水冷式成形顎2 8之成形器 具伸出於電爐中。管2 3對著石墨顎2 9吹起，爲使管 2 3及中空圓柱體1 2產生、維持內部超壓，氧氣流則經 旋轉傳送導路2 7導入中空圓柱體1 2，其在此點要對固 定石墨顎2 9吹製並製成預設2 5 0mm直徑及5 . 5 mm壁厚是非常黏的。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -21 - 1252843 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（19) 如此製得之薄壁管2 3由不透明石英玻璃組成，並測 定出下列污染物含量（單位爲W t · P P b ):鋰< ；[〇 wt .ppb、鈉 6〇wt .ppb、鉀 <5〇wt · ppb、鐵l〇〇wt · PPb，在光譜紫外線、可見光 及紅外線範圍經薄壁管全壁厚之透光率是低於1 % (相對 於初始幅射強度）。 上述製程所用之二氧化矽粒狀材料，將以實施例圖3 ，驗證如下：圖3顯示粒狀材料典型單一顆粒3 1之圖式 的描述，球形粒狀顆粒3 1組成多孔石英玻璃，並有被高 密度外部面積3 3圍繞之低密度之中央面積3 2。透明石 英玻璃密度中，中央面積及外部面積密度分別佔4 0 %及 6 0 %，中央面積3 2及外部面積3 3間相界是流暢的。 顆粒直徑爲4 2 0#m ;外部層厚約1 〇 〇//m。 一普通混合裝置之濕式粒化製程用以製造粒狀材料。 製程中，無定形奈米級火成二氧化矽粒子，係以四氯化矽 火焰水解作用而產出，其具有比表面（BET方法）60 m 2 / g並混合水溶液懸浮體中，然後相繼在攪拌下脫水 ’直到材料開始碎成顆粒體。乾燥後，此粒狀材料之比表 面（B E T方法）5 0 m 2 / g，如此產生之球形粒狀顆 粒直徑在1 6 0〜1 〇 〇 〇 // m範圍。隨後二氧化矽粒狀 材料經加熱區含氯氛圍氣下1 2 0 0 °C加熱，其影響顆粒 熱的預塞滿及淸淨。使用氯氣淸淨方式特別有效，因爲孔 隙通道之出現給與二氧化矽粒子接近淸淨氣體，而使氣體 形態之污染物易於去除。在此點的產量爲1 〇 k g / h， (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -22- 1252843 A7 B7 經濟部智惡財產局8工消費合作社印製 五、發明説明（20) 在此步驟過程，各個粒狀顆粒溫度升降度變化確立，而致 中央面積3 2及外部面積3 3間不同密度之形成。 經此預處理後’ 一執化砂III狀材料之特徵爲具有比表 面（BET方法）34m2/g及緻密體密度爲1 · ig / c m 3 ’平均粒徑約4 2 0 // m。在此階段，雖然在此 特別情況下由於製造條件不需要，惟在供應材料於不透明 石英玻璃製程前，去除直徑1 〇 〇 // m以下之細小粒子部 分是特別重要。總污染物含量諸如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、 鐵、銅、鉻、錳、鈦及鍩等是低於200wt .—ppb ο 無定形奈米級火成二氧化矽粒子組成之粒狀材料，能 用於製造不透明石英玻璃，如圖1及2之實施例所描述。 因爲各個粒狀顆粒係由大量非常細小的原粒子之黏聚作用 所形成，玻璃化作用製程使其能因而細小及均勻之孔分佈 ，如上所詳述。 圖4爲圖式的描述單獨各個噴射顆粒4 1 ，此顆粒是 典型噴射粒狀材料，適用於上述圖1及圖2實施例製程。 典型的噴射顆粒4 1爲二氧化矽原粒子之黏聚物，及由外 部層4 3圍繞中空空間4 2組成，外部層4 3包含一漏斗 形構造而經一狹窄通道4 4連接到中空空間4 2，噴射顆 粒41之外徑約300/zm外部層43厚約100/zm。 噴射粒狀材料生產將描述如下= 將具有比表面（BET方法）60m2/g之高純度 奈米級火成二氧化矽原粒子，分散於去離子水中，然加入 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23- 1252843 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（21) 火成三氧化二鋁形態之鋁1 2 w t — p p m，調懸浮體密 度爲1 3 8 0 g / 1 ’此時易溶黏度（slip viscosity)是 450mPas ，使用商業上的噴乾機（ Dors t,Type D 4 0 0 )，懸浮體在空氣氛圍氣3 8 0 °C溫度及易熔壓 力（slip pressure)下噴射而產出噴射粒狀材料，其平均 顆粒直徑3 3 0 // m及0 · 3 %殘留水份含量。噴射粒狀 材料之比表面（B E T方法）爲5 4m2/g、體密度爲 〇· 6 g / c m 3。隨後將粒狀材料淸淨之，並經通過氯 化氫/氯氣氣氛及1 2 0 0 °C溫度下熱塞滿，其產量爲 6 · 1 k g / h。 經此處理後，材料之比表面（B E T方法）爲2 0 m2/g、體密度爲〇 · 8g/cm3及緻密體密度爲 〇· 92g/cm3。在此等特別生產條件下，直徑 1 0 0 /z m以下之細小顆粒部分，在以旋風分離器噴射粒 化作用時即已分離。總污染物含量諸如鋰、鈉、鉀、鎂、 鈣、鐵、銅、鉻、錳、鈦及鉻等是低於500wt . -p p b 〇 無定形奈米級火成二氧化矽粒子組成之噴射粒狀材料 ，能用於製造不透明石英玻璃，如圖1及2之實施例製程 所描述。因爲各個噴射粒狀顆粒係由大量非常細小的原粒 子之黏聚作用所形成，玻璃化作用製程使其能因而細小及 均勻之孔分佈。更甚於此爲當中空空間4 2形成一額外近 乎關閉的氣體空間，其在玻璃化作用時至少部分保留，因 當玻璃化作用時可防止陷捕氣體逃逸，且如此可幫助孔的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -24- 1252843 A7 B7 經濟部智慧財產局Μ工消費合作社印製 五、發明説明（22) 形成，而產生石英玻璃之不透明性。 圖5爲在擠製物形態中出現在粒狀材料單一顆粒5 1 之圖式的描述。擠製物亦適用於圖1及2之實施例所描述 製程，典型的顆粒5 1亦代表二氧化矽原粒子之黏聚，它 持有一圍繞孔通道5 3之延伸的外表面5 2 ，由於出現多 重深溝槽5 4而使外表面5 2顯出裂隙構造。顆粒5 1直 徑爲0·2〜1mm，顆粒長爲厚之數倍。 擠製物是以習知擠製程序產製，其爲比表面（B E T 方法）4 0 0 m 2 / g的高純度奈米級火成二氧化政原粒 子之非常黏的塊體，將去離子水放進擠製器單元中並推經 鑄模如篩，鑄模各別的孔雖然設計成星形或多角形橫剖面 之鑿孔亦能適於構造表面輪廓之擠製物的產出，然通常多 爲球形橫剖面之鑿孔，如圖6擠製物6 1所示。在此實施 例中，.單獨各個粒狀顆粒之深裂構造表面輪廓6 2，主要 貢獻於從本材料經熔化處理產製期望不透明之石英玻璃。 圖中擠製物6 1所示，出現擠製物5 1額外氣體陷捕物（ 內部孔隙通道5 3、強的構造表面6 2 )，甚至於相對低 之比表面（B ET方法）約3m2/g，而產製期望的孔 隙率。 隨後，將多孔的擠製物淸淨後，以1 2 5 0 °C溫度燒 結之，在此過程將材料之比表面調到3 m 2 / g及緻密體 密度爲0 · 9 5 g / c m 3。總污染物含量諸如鋰、鈉、 鉀、鎂、鈣、鐵、銅、鉻、錳、鈦及鉻等是低於400 w t · 一 P P b 〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210x297公釐） -25- 1252843 A7 B7 五、發明説明（23) 依圖5、圖6之無定形奈米級二氧化矽粒子組成之擠 製物，能用於圖1及2實施例所描述之製程，製造不透明 石英玻璃。雖然此顆粒比表面（B E T方法）比較小，但 由於各個單獨顆粒5 1表面係高構造及含有溝槽，當中空 圓柱體1 2玻璃化作用時，各個單獨顆粒間氣體即被陷捕 ，如此即得期望的不透明性。更且當孔隙通道5 3形成一 額外幾乎完全關閉的氣體空間，其在玻璃化作用時至少亦 部分保留。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -26 -

Claims (1)

1252843 as • B8 C8 六、申請專利範圍 1 · 一種不透明合成石英玻璃組件的製造方法，包含 以下步驟： (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) (a )供應高純度合成二氧化矽粒狀形態材料（3 1 ，4 1 ，5 1 ，6 1 )之起始材料，至少部分由多孔性二 氧化砂原粒子之黏聚粒組成，具有不少於q · 8 g / c m 3 之最小緻密體密度以及介於1 · 〇 m 2 / g和4 〇 m 2 / g 之間的比表面（依據B E T )， (b)導入粒狀材料（31;41;51;61)於 模型（2 )中並熔化不透明石英玻璃之預成形體（1 2 ) ， (c )將預成形體（1 2 )經再成形熱處理，形成不 透明石英玻璃組件（2 3 )，其中預成形體（1 2 )從模 型（2 )移出後’將預成形體（1 2 )外表施以機械處理 之’隨後送入加熱區（2 2 )，在此它開始自一端軟化漸 進至另一端’此時以伸展及頂吹方式再成形處理即形成組 件（2 3 )。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中所用二氧化 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 石夕粒狀材料（3 1 ; 4 1 ; 5 1 ; 6 1 )之緻密體密度範 圍爲0·9〜1·4g/cm3。 3 .如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中所 用一氧化砂粒狀材料（3 1 ; 41 ; 51 ; 6 1)之比表 面（BET方法）爲1 〇〜3 〇m2/g。 4 .如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中二 氧化砂原粒子之平均粒徑（粒子尺寸）範圍是〇 · 5〜5 -27- 本紙張 财 ® ( 210X297^F) 1252843 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 //m 或低於 0 · 2//m。 (请先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法’其中使 用不均勻放射狀密度分佈之粒狀材料（3 1 ; 4 1 )，如 此使高密度之外部面積（3 3 ; 4 3 )至少部分包圍低密 度黏聚粒之內部面積（3 2 ; 4 2 )。 6 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中粒 狀材料（3 1 ; 4 1 ; 5 1 ; 6 1 )係由建造顆粒（製粒 顆粒）、噴射顆粒或擠製材料所組成。 7 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中黏 聚物材料之外部表面帶有凹溝痕（5 4 ; 6 2 )。 8 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中提 供之粒狀材料（31 ; 41 ; 51 ; 61)，其黏聚物材 料以8 0 〇〜1 3 5 0 t溫度熱處理成預緻密（塞滿）狀 〇 9 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中二 氧化矽粒狀物（3 1 ; 4 1 ; 5 1 ; 6 1 )係由平均顆粒 大小範圍在1 〇 〇〜4 0 0 〇 # m間之顆粒所製成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 0 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中 粒狀材料（3 1 ; 4 1 ; 5 1 ; 6 1 )係由含有5〜2 0 w t • — P p m氧化鋁所製成。 1 1 ·如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中 + M η月石英玻璃之預成形體（12)，以電弧（7)方式 Μ ’其玻璃化作用前峰（1 〇 )由預成形體（；[2 ) 內部表面（9 )向外表進行。 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) M規格（2i〇x297公釐） A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1252843 六、申請專利範圍 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之方法，其中環繞旋 轉軸（3 )轉動之預成形體（1 2 )以電弧（7 )方式從 一端開始加熱進行至另一端，至內部表面（9 )到達玻璃 化作用溫度超過1 9 0 0 °C。 1 3 ·如申|靑專利範圍第1項之方法，其中在水平抽 拉製程之預成形體（1 2 )，經再成形處理，形成不透明 石英玻璃管（2 3 )。 1 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中在垂直抽 拉製程之預成形體（1 2 ) ，·經再成形處理，形成不透明 石英玻璃管（2 3 )。 1 5 · —種申請專利範圍第1項之方法所製造的不透 明石英玻璃管，其特徵爲此不透明石英玻璃管係由最高鋰 含量lOOwt .ppb之合成二氧化矽粒狀材料（31 ;4 1 ; 5 1 ; 6 1 )所製成，及其組件管壁厚度在 0 · 5〜15mm範圍。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項之不透明石英玻璃管 ’其特徵爲此不透明石英玻璃管係由低於2 0 Ow t . ppb鈉含量及低於200wt ·ppb鉀含量之合成二 氧化矽粒狀材料（31 ; 41 ; 51 ; 61)所製成。 1 7 ·如申請專利範圍第1 5或1 6項之石英玻璃管 ’其係用於半導體生產及熱處理，其管壁厚度爲4〜8 mm 〇 1 8 ·如申請專利範圍第1 5或1 6項之石英玻璃管 ，其具有穩定作用層。 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210 X 公釐）