沉积设备及高纯石英玻璃的制备方法与流程

1.本发明涉及材料制备技术领域，特别是指一种沉积设备及高纯石英玻璃的制备方法。


背景技术：

2.石英玻璃是由纯二氧化硅熔融而成，被广泛应用于透镜、棱镜、反射镜、视窗、光掩膜板和晶圆等技术领域。
3.现有技术中，采用二氧化硅颗粒经过氢氧焰高温水解制备，或者通过硅烷、四氯化硅等材料水解后气相沉积，再经过高温烧结成型、高温均化等步骤来制备石英玻璃。然而，这些方法制备工艺繁琐，涉及的仪器设备繁多，增加了污染产品的风险且不利于生产效率提高。


技术实现要素：

4.鉴于以上内容，有必要提供一种高纯石英玻璃的制备方法，该方法工艺简单。
5.另，本发明还提供过一种沉积设备，该设备有利于简化高纯石英玻璃的制备方法。
6.一种沉积设备，包括一槽沉炉、一等离子喷灯、一进料件、一沉积机构及一恒压装置，所述槽沉炉包括一炉壳及由所述炉壳包围形成的一封闭的炉膛；
7.所述等离子喷灯设置于所述炉壳上，所述等离子喷灯用于向所述炉膛内喷射等离子体焰。
8.所述进料件设置于所述槽沉炉上，所述进料件用于朝向所述等离子体焰喷射含硅原料，以使所述含硅原料与所述等离子体焰发生反应生成玻璃态二氧化硅。
9.所述沉积机构设置于所述炉膛内，所述沉积机构包括一沉积托盘及一旋转升降件，所述旋转升降件传动连接于所述沉积托盘以带动所述沉积托盘升降及旋转，所述沉积托盘设置于所述等离子体焰的下方以承接所述玻璃态二氧化硅。
10.所述恒压装置设置于所述炉壳上，所述恒压装置用于控制所述炉膛内的压力保持恒定。
11.进一步地，所述等离子喷灯为水冷型或气冷型中的一种。
12.进一步地，所述等离子喷灯可活动地设置于所述炉壳上，且等离子体焰的对称中心与竖直方向的夹角范围为0
°
～25
°
。
13.进一步地，所述进料件包括一载料管，所述载料管用于输送所述含硅原料。
14.进一步地，所述恒压装置包括至少一调压阀，所述调压阀设置于所述炉壳上，所述调压阀用于使所述炉膛与外界连通或隔离，以实现对所述炉膛内的压力控制。
15.进一步地，所述槽沉炉还包括一感应线圈，所述感应线圈绕设于所述炉壳的外侧，所述沉积托盘为导体，所述感应线圈用于通入交流电，以所述沉积托盘形成感应涡流并加热所述沉积托盘。
16.进一步地，所述沉积托盘包括多块石墨体，多块所述石墨体阵列排布，且每相邻两
块所述石墨体之间留有缝隙。
17.进一步地，所述旋转升降件驱动所述沉积托盘沿竖直方向移动及绕竖直方向转动。
18.一种应用于如上所述的沉积设备的高纯石英玻璃的制备方法，包括步骤：
19.将含硅原料通入进料件，使得所述含硅原料与所述等离子体焰反应生成玻璃态二氧化硅，并使所述玻璃态二氧化硅沉积于所述沉积托盘上。
20.控制所述沉积托盘沿竖直方向朝远离所述等离子体焰的方向移动。
21.将所述炉膛温度升高至一成型温度，使所述玻璃态氧化硅于所述成型温度下软化以形成石英砣。
22.将所述炉膛温度度升高至一均化温度以对所述石英砣进行均化，获得所述高纯石英玻璃。
23.进一步地，所述成型温度为1300～1450℃，所述均化温度为2000～2500℃。
24.进一步地，步骤“将含硅原料通入进料件”之前还包括步骤：
25.提供一初始石英砣，并将所述初始石英砣设置于所述沉积托盘上，其中，所述玻璃态氧化硅软化后形成于所述初始石英砣上。
26.进一步地，所述初始石英砣的横截面直径为150～350毫米，所述初始石英砣包括一端面及连接于所述端面的一侧面，所述端面向外凸出，且所述端面的中心部分高于所述端面的边缘5～50毫米。
27.本发明提供的沉积设备，通过设置等离子喷灯，含硅原料可以直接在石英托盘上沉积形成玻璃态二氧化硅，而且玻璃态二氧化硅可以在原位上成型为石英砣，并继而在石英托盘上进行均化，从而于降低石英产品的加工工序，同时降低石英砣杂质及羟基的含量。
附图说明
28.图1为本发明实施例提供的沉积设备的示意图。
29.图2为本发明提供的高纯石英玻璃的制备方法的流程图。
30.图3为图1所示的沉积设备移除炉壳后的工作示意图。
31.主要元件符号说明
32.沉积设备
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100
33.槽沉炉
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
34.炉壳
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11
35.炉膛
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
36.等离子喷灯
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20
37.等离子体焰
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
21
38.根部
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
211
39.端部
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212
40.进料件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
30
41.载料管
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31
42.载气管
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32
43.沉积机构
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
40
44.沉积托盘
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
41
45.初始石英砣
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
411
46.侧面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
411a
47.端面
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411b
48.旋转升降件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
42
49.恒压装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
50
50.调压阀
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
51
51.距离
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
l、s
52.对称中心
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀo53.竖直方向
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀv具体实施方式
54.为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式中的特征可以相互组合。
55.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。
56.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。
57.请参见图1及图3，本发明提供一种沉积设备100，所述沉积设备100包括一槽沉炉10、一等离子喷灯20、一进料件30、一沉积机构40及一恒压装置50，所述槽沉炉10包括一炉壳11及由所述炉壳11包围形成的一封闭的炉膛12。
58.所述等离子喷灯20设置于所述炉壳11上，所述等离子喷灯20用于向所述炉膛12内喷射等离子体焰21(请参见图3)。
59.所述进料件30设置于所述槽沉炉10上，用于朝向所述等离子体焰21喷射含硅原料，以使所述含硅原料与所述等离子体焰21发生反应生成玻璃态二氧化硅。
60.所述沉积机构40设置于所述炉膛12内，所述沉积机构40包括一沉积托盘41及一旋转升降件42，所述旋转升降件42传动连接于所述沉积托盘41以带动所述沉积托盘41升降及旋转，所述沉积托盘41用于承接所述玻璃态二氧化硅，所述玻璃态二氧化硅于所述沉积托盘41上冷却成为固态二氧化硅玻璃。
61.所述恒压装置50设置于所述炉壳11上，所述恒压装置50用于控制所述炉膛12内的压力。通过设置所述恒压装置50，使得使用所述槽沉炉10时，所述炉膛12内的压力处于可控状态，从而提高玻璃态二氧化硅及成型后的固态二氧化硅玻璃的质量，同时，可避免因为压力变化而导致沉积过程中气泡的产生。
62.在本实施例中，所述等离子喷灯20为水冷型或气冷型中的一种，所述等离子喷灯20所喷射的所述等离子体焰包括氩气、氧气、氮气、氦气或者能够等离子激发的气体，所述
等离子体焰的功率为150～300kw。
63.在本实施例中，所述等离子喷灯20可活动地设置于所述炉壳11上，使得等离子体焰的对称中心o(请参见图3)与竖直方向v的夹角范围为0
°
～25
°
。设置等离子体焰的对称中心o与竖直方向v的夹角范围为0
°
～25
°
，角度过大则等离子体焰会烧损所述沉积托盘41的边缘，角度过小则会使得所述沉积托盘41边缘附近与沉积托盘41的中心区域沉积不均匀。
64.在本实施例中，所述进料件30包括一载料管31，所述载料管31用于输送含硅原料至所述等离子体焰。
65.在本实施例中，所述等离子喷灯20为三层同心的矩形管结构或者四层同心的圆管结构，所述载料管31设置于所述等离子喷灯20的中心轴位置。
66.在本实施例中，所述沉积设备100还包括一载气管32，所述载气管32连通所述炉膛12，并用于输送惰性气体至所述炉膛12。
67.在本实施例中，所述恒压装置50包括至少一调压阀51，所述调压阀51设置于所述炉壳11上，所述调压阀51用于导通或隔离所述炉膛12及外界，以实现对所述炉膛12内的压力控制。通过控制所述炉膛12内的压力，有利于提高二氧化硅玻璃的均匀性。
68.在本实施例中，所述槽沉炉10还包括一感应线圈13，所述感应线圈13绕设于所述炉壳11的外侧，所述沉积托盘41为导体(例如，金属、石墨等)，所述感应线圈13用于通入交流电，使所述沉积托盘41形成感应涡流，从而加热所述沉积托盘41，进而加热所述沉积托盘上的玻璃态石英玻璃，所述感应线圈13的加热功率为80～120kw。
69.在本实施例中，所述沉积托盘41包括多块石墨体(图未示)，多块所述石墨体阵列排布，且每相邻两块所述石墨体之间留有缝隙，从而防止所述沉积托盘41降温冷却碎裂。
70.在本实施例中，所述旋转升降件42驱动所述沉积托盘41沿竖直方向v移动及绕竖直方向v转动，具体使用时，随着含硅原料与所述等离子体焰21发生反应并生产玻璃态二氧化硅并不断沉积到所述沉积托盘41上，所述旋转升降件42驱动所述沉积托盘41沿竖直方向v远离所述等离子体焰移动，使得玻璃态二氧化硅沿竖直方向v的厚度增加，直至达到预定厚度，同时，所述旋转升降件42驱动所述沉积托盘41绕竖直方向v转动，使得玻璃态二氧化硅均匀地分布于所述沉积托盘41上。
71.请一并参见图2及图3，本发明提供一种高纯石英玻璃的制备方法，包括步骤：
72.s1:提供一所述沉积设备100，启动等离子喷灯20并预热所述槽沉炉10，所述等离子喷灯20喷射出等离子体焰21，所述等离子体焰21包括靠近所述等离子喷灯20的一根部211及与所述根部211相对的一端部212，所述根部211与所述端部212之间具有距离l，所述沉积托盘41与所述根部211的距离s小于所述距离l。
73.在本实施例中，所述等离子喷灯20的功率为0～150kw，所述等离子体焰21的中心温度为5000～8000k。
74.在本实施例中，步骤s1还包括步骤：向炉膛12内通入惰性气体，所述惰性气体通过所述载气管32输入。
75.s2:将含硅原料通入进料件30中，使得所述含硅原料与所述等离子体焰21反应生成玻璃态二氧化硅，所述玻璃态二氧化硅以20～45克/分钟的沉积速度沉积于所述沉积托盘41上。
76.在本实施例中，所述含硅原料包括含硅化合物以及载气，所述含硅化合物包括
sicl4、sif4、c6h
18
o3si3、c8h
24
o4si4、c
10h30
o5si5以及c
12h36
o6si6中的至少一种，所述载气包括氧气、臭氧、氧化氮中的至少一种。
77.在本实施例中，步骤s2之前还包括：提供一初始石英砣411(图未示)，并将所述初始石英砣411设置于所述沉积托盘41上，所述初始石英砣411用承接玻璃态二氧化硅。通过设置所述初始石英砣411，便于后续石英砣与所述沉积托盘41分离，而且后续所述初始石英砣411可以通过切割的方式与沉积于所述初始石英砣411上的石英玻璃分离，从而可以实现重复使用。
78.在本实施例中，所述初始石英砣411大致呈圆柱形，所述初始石英砣411的直径为150～350毫米，所述初始石英砣411包括一端面411b及连接于所述端面411b的一侧面411a，所述端面411b向外凸出，且所述端面411b的中心部分高于所述端面411b的边缘(即，所述端面411b与所述侧面411a相连接的部分)5～50毫米，从而有利于玻璃态二氧化硅均匀沉积于所述初始石英砣411上。
79.s3:当所述沉积托盘41上的所述玻璃态二氧化硅达到一预定厚度d后，控制所述沉积托盘41沿竖直方向v朝远离所述等离子体焰21方向移动，移动速度为1.5～2.2毫米/分钟，移动过程中，所述沉积速率为20～25克/分钟。
80.在本实施例中，步骤s3中，还包括：控制所述沉积托盘41绕竖直方向v转动，转动速度为1～20转/分钟。
81.s4:当所述沉积托盘41上沉积的所述玻璃态二氧化硅距离所述根部211大于或等于所述距离l(即，所述玻璃态二氧化硅脱离所述等离子体焰21)，将所述槽沉炉10温度升高至一成型温度t1，其中所述成型温度t1为1300～1450℃，所述玻璃态氧化硅于所述成型温度t1下软化以形成石英砣。
82.s5:当所述石英砣达到一目标厚度h后，将所述槽沉炉10温度升高至一均化温度t2以对所述石英砣进行均化，所述均化温度t2为2000～2500℃。
83.在本实施例中，步骤s5中，还包括控制所述沉积托盘41沿竖直方向v朝靠近所述等离子体焰21方向移动，使得所述石英砣与等离子体焰21相接触，从而可以降低均化时间，同时使得所述石英砣不同区域的温差小于10℃。
84.在本实施例中，所述均化时间为36～60小时，均化后的所述石英砣的均匀性为1～2ppm。其中，所述均匀性为所述石英砣在指定区域内各部分折射率变化的不均匀程度，以折射率变化的最大差值表示。
85.本发明提供的石英玻璃的制造方法，相较于现有技术，具有以下优点：
86.(一)通过含硅原料与等离子体焰反应生直接在石英托盘的表面沉积形成玻璃态二氧化硅，然后槽沉炉内升温成型，变成石英砣，最后对加热石英砣进行均化，有利于减低石英玻璃中杂质、羟基等含量，提高光学均匀性。
87.(二)通过槽沉炉直接加热，玻璃态石英玻璃可以快速成型为石英砣，有利于降低制作石英砣的工序，提高后续加工效率。
88.下面举例说明本发明的石英粉的制备实例及产品性能。
89.实施例一
90.设置所述等离子喷灯功率为50kw，灯口与沉积托盘距离100mm，玻璃化面积约250～300mm圆形平面，压力0.1mpa，沉积速率20～25g/min的二氧化硅，感应线圈13的加热功率
为80～90kw，产品性能：羟基含量小于0.1ppm，光学均匀性0.1～20ppm，石英砣直径300～500mm。
91.控制等离子体放电后的功率50kw，等离子体中心温度5000～8000k，将沉积托盘41上升至距离等离子灯口100mm处，上升的过程中，开启沉积托盘41旋转，旋转速度5～15r/min，以8r/min为适宜，通过等离子体与槽沉炉10之间的调压阀51，调节沉积时的压力至0.05～0.1mpa，控制沉积火焰的长度在100～135mm，当功率低于50kw时，二氧化硅会因为温度低而产生气泡，且沉积托盘41边缘的二氧化硅不能够玻璃化，沉积托盘41与灯口的距离过近，会烧坏沉积托盘41。
92.整个沉积过程均在炉膛中进行，利用排气的压力系统控制沉积压力和火焰长度，沉积的起始阶段沉积托盘41不下降，待沉积托盘41上的玻璃层厚度达到8～10mm时，逐渐下降沉积托盘41，沉积托盘41的下降速度与二氧化硅的玻璃化沉积速率有关，沉积速率高，下降速度快，沉积速率20～25g/min，下降速度1～1.5mm/min，当沉积托盘41玻璃化的二氧化硅脱离火焰的长度的距离，槽沉炉10的自上而下逐渐升温，槽沉炉上部区域先升温，温度控制在1300～1450℃，石英砣沉积至目标厚度时，降低等离子喷灯功率至8kw，火焰长度40～50mm，石英砣脱离与等离子火焰的接触，即升高槽沉炉10的均化温度至2250℃，石英砣所处的区域上下温差＜10℃，均化时间以槽沉炉升温至设定温度2250℃开始计时，时间控制在24～48h，均化24h，均匀性1～20ppm，均化36h，均匀性0.5～2ppm。
93.实施例二
94.设置等离子喷灯功率100kw，灯口与沉积托盘距离120mm，玻璃化面积约300～350mm圆形平面，压力0.1mpa，沉积速率30～35g/min的二氧化硅，感应线圈13的加热功率为90～100kw，产品性能：羟基含量小于0.1ppm，光学均匀性0.1～5ppm，石英砣直径350～450mm。
95.控制等离子体放电后的功率70kw，等离子体中心温度5000～8000k，将沉积托盘41上升至距离等离子灯口120mm处，上升的过程中，开启沉积托盘41旋转，旋转速度5～15r/min，以9r/min为适宜，通过等离子体与槽沉炉10之间的调压阀51，调节沉积时的压力至0.05～0.1mpa，控制沉积火焰的长度在110～145mm。
96.整个沉积过程均在炉膛中进行，利用排气的压力系统控制沉积压力和火焰长度，待沉积托盘41上的玻璃层厚度达到8～10mm时，逐渐下降沉积托盘41，沉积托盘41的下降速度与二氧化硅的玻璃化沉积速率有关，沉积速率高，下降速度快，沉积速率30～35g/min，下降速度1.5～2.2mm/min，当沉积托盘41玻璃化的二氧化硅脱离火焰的长度的距离，槽沉炉10的自上而下逐渐升温，槽沉炉10上部区域先升温，温度控制在1350～1500℃，石英砣沉积至目标厚度时，降低等离子喷灯功率至8kw，火焰长度40～50mm，石英砣脱离与等离子火焰的接触，即升高槽沉炉10的均化温度至2250℃，石英砣所处的区域上下温差＜10℃，均化时间以槽沉炉10升温至设定温度2250℃开始计时，时间控制在30～56h，均化30h，均匀性1～5ppm，均化36h，均匀性0.5～2ppm，均化42h，均匀性0.5～1.5ppm，均化48h，均匀性0.5～1ppm，均化56h，均匀性0.5～1.5ppm。
97.实施例三
98.设置等离子喷灯功率150kw，灯口与沉积托盘距离120mm，玻璃化面积约350～500mm圆形平面，压力0.1mpa，沉积速率40～45g/min的二氧化硅，感应线圈13的加热功率为
110～120kw，产品性能：羟基含量小于0.1ppm，光学均匀性0.1～10ppm，石英砣直径400～500mm。
99.控制等离子体放电后的功率90kw，等离子体中心温度5000～8000k，将沉积托盘41上升至距离等离子灯口130mm处，上升的过程中，开启沉积托盘41旋转，旋转速度5～15r/min，以10r/min为适宜，通过等离子体与槽沉炉之间的调压阀51，调节沉积时的压力至0.05～0.1mpa，控制沉积火焰的长度在120～150mm。
100.整个沉积过程均在炉膛中进行，利用排气的压力系统控制沉积压力和火焰长度，待沉积托盘41上的玻璃层厚度达到8～10mm时，逐渐下降沉积托盘41，沉积速率为40～45g/min，下降速度1.8～2.6mm/min，当沉积托盘41玻璃化的二氧化硅脱离火焰的长度的距离，槽沉炉10的自上而下逐渐升温，槽沉炉上部区域先升温，温度控制在1400～1600℃，石英砣沉积至目标厚度时，降低等离子喷灯功率至8kw，火焰长度40～50mm，石英砣脱离与等离子火焰的接触，即升高槽沉炉的均化温度至2250℃，石英砣所处的区域上下温差＜10℃，均化时间以槽沉炉升温至设定温度2250℃开始计时，时间控制在36～60h，均化30h，均匀性1～5ppm，均化36h，均匀性1～2ppm，均化42h，均匀性1～2ppm，均化48h，均匀性1～2ppm，均化56h，均匀性1～2ppm。
101.实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。