Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения покрытия на основе диоксида кремния внутренней поверхности кварцевого изделия

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к металлургии полупроводников, и предназначено для изготовления кварцевых контейнеров с покрытием из диоксида кремния рабочей поверхности.

Известен способ (RU №2398913, С23С 16/40, 30.12.2008, опубл. 10.09.2010), который осуществляют введением в реакционную зону смеси тетраметоксисилана и кислорода в потоке инертного газа при объемном соотношении тетраметоксисилана к кислороду, равном (1:5)-10, разложением тетраметоксисилана в присутствии кислорода и осаждением пленки диоксида кремния на кварцевых или кремниевых пластинах при температуре 380-500°C и атмосферном давлении.

В данном способе формируется пленка диоксида кремния за счет термодиструкции кремнийорганического соединения при температуре 380-500°C вследствие чего в течение 10-30 мин образуется монодисперсный слой оксида толщиной 50-150 нм. К недостаткам предложенного способа относится малая толщина покрытия, недостаточная для использования в металлургической промышленности, так как покрытие толщиной 50-150 нм не препятствует диффузии примесей из материала контейнера в расплав, содержащийся в нем. Для того чтобы получить покрытие толщиной порядка 10 мкм в соответствии с приведенными данными, потребуется время ~2000 мин, что приведет к повышению энергоемкости процесса и снижению его технико-экономических показателей.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения контейнера из кварцевого стекла (RU №2384530, С03В 20/00, 18.12.2008, опубл. 20.03.2010), в котором на поверхность вращающейся графитовой подложки осуществляют напыление диоксида кремния, получаемого путем высокотемпературного гидролиза тетрахлорида кремния в кислородно-водородном пламени, затем производят остекловывание. Для формирования ламинарного пограничного слоя пламени после соприкосновения с напыляемой поверхностью траекторию движения продуктов сгорания при напылении корпуса тигля направляют через аэродинамический канал реактора. Канал реактора выполнен в виде продольной щели с одинаковым секционным разделением перегородками по высоте аэродинамического канала.

Недостатком указанного технического решения является сложное аппаратурное оформление, энергоемкость процесса, возможность загрязнения получаемого кварцевого стекла примесями из конструкционных материалов в ходе высокотемпературного гидролиза.

Задачей изобретения является разработка технологичного низкотемпературного способа нанесения покрытия диоксида кремния на кварцевом изделии, осуществляемого с малыми затратами энергии и рациональным расходом исходных реагентов.

Указанный технический результат достигается тем, что формирование покрытия SiO₂ осуществляется введением в реакционную зону паров тетрахлорида кремния и воды в потоке осушенного воздуха при объемном соотношении SiCl₄ и H₂O, равном 1:(2÷4). Гидролиз паров тетрахлорида и осаждение гидратированного слоя диоксида кремния на стенки кварцевого контейнера осуществляют при температуре 23°C и атмосферном давлении в течение 10-30 мин. После нанесения покрытия проводят термообработку при 1150°C в течение 30 мин в атмосфере воздуха. Толщина полученного покрытия составляет 10-30 мкм.

Уменьшение соотношения количества паров SiCl₄ и H₂O приводит к повышению расхода SiCl₄ и снижению скорости образования покрытия. Увеличение соотношения количества паров SiCl₄ и H₂O приводит к образованию слоя гидратированного диоксида кремния с большим содержанием физико-химически связанной влаги, что при термической обработке приводит к значительной усадке образующегося слоя диоксида кремния и его растрескиванию.

Получение покрытия толщиной менее 10 мкм приводит к снижению срока его службы. Увеличение толщины покрытия более 30 мкм приводит к снижению адгезионной прочности и образованию трещин.

При снижении температуры термообрабоки <1150°C не происходит упрочнения покрытия. Повышение температуры >1150°C приводит к появлению кристаллических фаз в составе покрытия, что приводит к его разрушению, вызванному фазовыми переходами.

Термическая обработка покрытия SiO₂ в течение времени <30 мин не приводит к достаточному упрочнению покрытия и его адгезии к подложке. Увеличение времени термической обработки не целесообразно, поскольку изменений в свойствах покрытия при этом не происходит.

Формирование покрытия аморфного диоксида кремния происходит в результате взаимодействия паров воды и тетрахлорида кремния вследствие протекания реакции гидролиза с образованием гидратированного слоя диоксида кремния полидисперсного состава. В течение отжига происходит удаление влаги и образование плотного, однородного покрытия диоксида кремния толщиной 10-30 мкм.

Ниже приводятся примеры, иллюстрирующие новый способ.

Пример 1

На предварительно подготовленный кварцевый контейнер наносят покрытие по заявленному способу. Предварительная подготовка включает в себя: пескоструйную обработку поверхности, травление разбавленной фтористоводородной кислотой в течение 15 мин, промывку деионизованной водой, сушку контейнера при 140°C. На высушенный контейнер при комнатной температуре наносят гидратированное покрытие SiO₂ введением в реакционную зону паров тетрахлорида кремния и воды в потоке осушенного воздуха при объемном соотношении SiCl₄ и H₂O, равном 1:2. Гидролиз паров тетрахлорида и осаждение покрытия на стенки кварцевого контейнера осуществляют при температуре 23°C и атмосферном давлении в течение 10 мин. После обработки контейнер подвергается термообработке при 1150°C в течение 30 мин в атмосфере воздуха. Полученное однородное плотное покрытие диоксида кремния имеет толщину 10 мкм.

Пример 2

На предварительно подготовленный кварцевый контейнер наносят покрытие по заявленному способу. Предварительная подготовка включает операции, приведенные в примере 1. Нанесение покрытия SiO₂ осуществляется введением в реакционную зону паров тетрахлорида кремния и воды в потоке осушенного воздуха при объемном соотношении SiCl₄ и H₂O, равном 1:4 в течение 15 мин. После нанесения покрытия контейнер подвергается термообработке при 1150°C в течение 30 мин в атмосфере воздуха. Полученное однородное плотное покрытие диоксида кремния имеет толщину 20 мкм.

Пример 3

На предварительно подготовленный кварцевый контейнер наносят покрытие по заявленному способу. Предварительная подготовка включает стадии, приведенные в примере 1. Нанесение покрытия осуществляется при объемном соотношении паров SiCl₄ и H₂O, равном 1:6. После термообработки при 1150°C в течение 30 мин полученное покрытие диоксида кремния имеет толщину 30 мкм, на поверхности наблюдается образование трещин.

Основные отличия заявляемого способа, по сравнению с прототипом, заключаются в следующем:

- низкая температура синтеза 23°C;

- простота аппаратурного оформления и экономичное расходование исходных реагентов.