水冷式模具制造技术

本发明专利技术提供一种用于制造石英坩埚且在内部具备供冷却水流动的间隙的水冷式模具，其包括由导热金属或合金材料制成的外部模具部分和紧密地排列在所述外部模具部分的内表面上且由耐热材料制成的内部模具部分。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于制造石英坩埚的水冷式模具，且更具体来说，涉及 一种具有最佳模具结构的水冷式模具。
技术介绍
石英玻璃坩锅用于提拉作为半导体材料的单晶硅、作为太阳能电池(solar battery)材料的硅晶体等。举例来说，单晶硅主要是通过如下方法来制造 通过加热使装入石英玻璃蚶锅中的多晶硅块(polycrystalline silicon lump )熔 化形成硅熔体，且接着将晶种浸入所述硅熔体中并由其提拉。虽然作为太阳 能电池材料的硅晶体与作为半导体材料的单晶硅相比单晶度 (single-crystallinity)较低，但其是通过相同提拉方法来制造。旋转冲莫具方法(rotating mold method)被认为是一种制造石英玻璃坩锅 的方法。在这种方法中，使用可旋转的碗状模具，且通过使用在旋转所述模 具期间所产生的离心力使石英粉原料以特定厚度沿模具的内表面沉积于内表 面上。随后，通过在模具上方且围绕模具的棟转中心轴安置的电极的电弧放 电将石英粉加热到高于熔点(熔化温度)的温度(约2000°C),从而使石英 粉熔化和玻璃化，以形成具有沿模具的内表面的形状的玻璃坩锅，且此后将 所得玻璃坩锅冷却并从模具中取出。迄今，水冷式模具已被认为是用于通过旋转模具方法来制造石英玻璃坩锅的模具。举例来说，JP-A-Hll-43394揭示将石英粉原料装入旋转不锈钢水 冷式模具中且通过电弧放电使其熔化以制造石英玻璃坩锅。类似地，JP-A-2002-1548卯揭示将石英粉装入旋转不锈钢水冷式模具中且在减压下通 过电弧放电使其成型以制造石英玻璃坩锅。在常规不锈钢水冷式模具中，通过在模具的底部和周壁部分内形成用于 冷却水流动的间隙且在以较高温度加热的环境中用冷却水冷却模具的底部和 周壁部分来防止模具的热损坏。通常将模具的内表面冷却到约IO(TC。另一 方面，通过电弧放电将沉积于模具内表面上的石英粉原料加热到高于熔点的 温度，从而使石英粉原料熔化和玻璃化。在常规水冷式模具的冷却结构中，通过在与模具的内表面相对的外表面 侧将沉积于模具内表面上的石英粉加热到高于熔点来使石英粉熔化和玻璃 化，而位于模具的内表面侧的大部分石英粉却保持未玻璃化的未熔化状态， 这是因为通过冷却所述模具移除了所述部分中的热。为了用常规水冷模具形 成具有目标厚度的玻璃化层，使用的石英粉数量比目标厚度所需的重量大约 2倍。因此，问题是用于形成产物的石英粉数量比所用数量少且石英粉数量 的损失较大。另一方面，已知存在全部由碳制成的碳模具。尽管碳的耐热性比不锈钢 高，但是如果在较高温度下使用延长的时间，那么由于氧化消耗，其会经受 热损坏。问题是热损伤的模具导致石英玻璃坩锅的形状失败且因此要用新模 具来替换整个昂贵的模具，这显著降低经济效益。
技术实现思路
本专利技术在于解决常规水冷式模具的上述问题，且提供一种通过优化水冷式才莫具的结构而具有足够耐热性且显著减少石英粉原料的未熔化部分的水冷 式模具。本专利技术提供一种具有以下结构的水冷式模具(1 )一种用于制造石英坩埚且在内部具备供冷却水流动的间隙的水冷式模具，其包括由导热金属或合金材料制成的外部模具部分和紧密地排列在所 述外部模具部分的内表面上且由耐热材料制成的内部模具部分。(2) 根据条目(l)的水冷式模具，其中通向模具的内表面的通气孔在 内部模具部分中形成。(3) 根据条目(1)或(2)的水冷式模具，其中内部模具部分是由多个 分离区段整体构成，所述分离区段包括置于外部模具部分的底部上的盘形下 分离区段和至少一个可拆卸地堆积于所述下分离区段上且紧密地排列在外部 模具部分的内表面上的环形上分离区段。(4) 根据条目(3)的水冷式模具，其中所述多个分离区段中的每一者 都由碳材料制成。(5) 根据条目(l)的水冷式模具，其中外部模具部分是以水冷夹套 (water-cooling jacket)形式构成。(6) 根据条目(l)的水冷式模具，其中模具具有带有向上开口部分的 有底圆柱体形状且用于通过旋转模具方法来制造石英坩埚，在所述方法中， 从底部的中心位置通到所述开口部分的中心位置的虚线作为旋转轴，所述才莫 具围绕旋转轴旋转。根据本专利技术的水冷式模具是一种用于制造石英坩埚的模具，其中构成模 具的外部模具部分在其内部具备用于冷却水流动的间隙且由导热金属或合金 材料制成，且内部模具部分是紧密地排列在外部模具部分的内表面上并由耐热材料制成，以致石英粉原料并不直接与外部模具部分的内表面接触。因此， 即使在以较高温度加热期间通过外部模具部分冷却模具，也会由于由耐热材 料制成的内部模具部分的绝热效应而使得通过模具的内表面从加热的石英粉 原料移除的热较少，且因此保持未熔化状态的石英^^原料的数量显著减少。附图说明本专利技术将参考附图加以描述，其中 图l是根据本专利技术的水冷式模具的纵剖面图。 图2是说明通过旋转模具方法制造坩锅的横截面图。 图3是显示当使用常规水冷式模具制造石英坩埚时加热的石英粉原料的 状态的横截面图。图4是显示当使用才艮据本专利技术的水冷式模具制造石英坩埚时加热的石英 粉原料的状态的横截面图。具体实施例方式在图1中显示根据本专利技术的水冷式才莫具的典型结构实例。所示的水冷式模具IO是一种用于制造石英坩埚的水冷式模具且主要包括 外部模具部分11和内部模具部分12。外部模具部分11在其内部具备用于冷却水流动的间隙且由导热金属或合 金材料制成，且提及水冷夹套作为其实例。作为外部模具部分ll的材料，优 选具有极佳冷却能力的导热且耐腐蚀金属或合金材料，其包含例如奥氏体不 锈钢(austenitic stainless steel )、耐大气腐蚀的钢、钬等。内部模具部分12是紧密地排列在外部模具部分的内表面上且由诸如碳材料的耐热材料制成，其与外部模具部分11整体构成水冷式模具10。此外， 水冷式模具1Q具有带有向上开口部分的有底圆柱体形状且用于通过旋转模 具方法来制造石英坩埚，在所述方法中模具围绕作为旋转轴的从底部的中心 位置通到开口部分的中心位置的虛线旋转。构成外部模具部分ll的水冷夹套由不锈钢制成，其中用于冷却水流动和 /或循环的间隙在所述夹套内部形成且连接用于将冷却水送到所述间隙的构 件(未图示)。由诸如碳材料(例如碳内衬)等耐热材料制成的内部模具部分12紧密地且整体地排列在外部模具部分11的整个内表面上。在内部才莫具部分12的内部形成多个通向内4十表面的通气孔13。这些通气 孔13与对应于旋转轴的在模具底部形成的集合孔14相通，且通过集合孔14 连接外压降低装置(未图示)。通过通气孔13向外部抽出沉积于内部模具部 分12的内表面上的石英粉原料层内的空气以保持石英粉原料层处于减压状 态。通过在加热熔化期间通过抽吸移除石英粉原料层内存在的空气来防止在 石英粉玻璃化时内部气泡的滞留，由此可形成实质上不含气泡的透明玻璃层。 构成水冷式模具10的内部模具部分12可由多个分离区段20到24可拆 卸地构成。举例来说，图1中所示的水冷式模具10由置于外部模具部分11 的底部上的盘形下分离区段20和至少一个可拆卸地堆积于下分离区段20上 且紧密地排列在外部模具部分ll的内表面上的环形上分离区段(图1中是4 个上分离区段21到24 )整体构成。这些分离区段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造石英坩埚且在内部具备供冷却水流动的间隙的水冷式模具，其中包括由导热金属或合金材料制成的外部模具部分和紧密地排列在所述外部模具部分的内表面上且由耐热材料制成的内部模具部分。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：志满津敦，
申请(专利权)人：日本特级石英株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]