金属和石墨模具以及制造坩埚的方法技术

一种用于制造熔融石英坩埚的模具，包括具有内孔的圆柱形罐。石墨内衬容纳于该孔内，并具有适合形成坩埚的下表面的上表面，该罐的内孔形成坩埚的侧壁。当模具旋转时，石英颗粒沉积在该模具中。在熔融过程中，形成在内衬之上的罐中和内衬中的孔抽吸空气通过石英。

【技术实现步骤摘要】
金属和石墨模具以及制造坩埚的方法
本专利技术涉及石英坩埚领域，尤其是制造这种坩埚的模具及其制造方法。
技术介绍
从单晶硅坯料制造半导体工业中所用的硅片。通常使用Czochralski（CZ）工艺制造这些坯料。在CZ工艺中，将金属硅装在安放在基座中的石英玻璃坩埚中，该基座容纳在晶体生长室中。围绕基座的加热器加热该装料，由此熔融硅。之后在硅的熔融温度或其附近从熔体中拉出单晶硅。用于该工艺的坩埚具有在CZ工艺期间通过基座支撑的圆形底部和圆柱形壁。使用旋转石墨模具制造坩埚，该模具具有在模具侧部和底部与模具内连通的空气通道。当模具旋转时，高质量石英颗粒分布在模具表面上并以已知方式成形。之后电极降到模具内，施加300KVA至1200KVA范围内的电力，由此产生等离子气体球。如此产生的热量熔融石英成形为适用于CZ工艺中的坩埚的形状。该用于制造这些坩埚的石墨模具或内衬容纳在金属容器中，该金属容器在工业中称为罐。该内衬形状上是圆柱形的，带有尺寸适合容纳于罐中的圆柱形外壁。该石墨内衬包括模具腔，该模具腔具有用于成形坩埚下端的圆形下部和用于成形直立坩埚壁的圆柱形内壁表面。上述空气通道与模具腔的表面连通。石墨内衬的制造是复杂且昂贵的。其通过将浆料纯化、热处理、并在等静压机中成形为圆柱形坯来制造。对于一些坩埚，坯必须具有36英寸直径。一些较大石墨模具所要求的高度受限于压机的容量。之后，加工这样形成的石墨坯以成形用于形成坩埚的腔和空气通道。在一方面，石墨是用作坩埚模具的适用材料，因为其可相对容易地成形为模制坩埚的所需形状。并且，相对于一些材料，石墨更为适用，因为其能够在熔融过程中耐受由等离子气体和石英产生的热量。另一方面，相对于金属，石墨磨损更快，因此其逐渐变得磨损并必须周期性更换。但金属很难成形为模制坩埚所需的形状。迄今已知的最好方法是采用容易加工的石墨，同时接受其由于高磨损速率而必须频繁更换。相对于金属而言，石墨的另一个缺点是石墨的冷却时间比金属长。这降低了坩埚的生产量并增加了生产成本。由于在石墨模具外部和罐之间存在空间，因此该空间内的空气可作为隔热体，其可保存热量，即，在熔融结束后减慢冷却。最后，坩埚的熔融从石英的径向最内层向径向最外层推移。在最内层熔融之前，通过真空泵吸取气体通过石英并进入石墨模具中的空气通道。一旦最内层熔融，真空只能通过成形的石英的最上部分围绕其周边吸取空气。这在熔融的坩埚表面和模具腔的表面之间的石英颗粒层中产生强烈的空气流。该流来自石英的顶部并进入形成在模具的侧部和底部的空气通道中。当需要该流如上所述移除气体并阻止气泡时，它还对石墨模具造成大量磨损。这种磨损发生在顶部的周边周围。此外，由于向下流到模具内的空气通道孔的气流，在模具表面形成通道。这些通道形成垂直凹槽，这些凹槽从形成在石墨模具的侧壁上的孔向上延伸。
技术实现思路
一种用于制造具有基本上圆柱形侧壁的熔融石英坩埚的模具，包括：具有内孔的圆柱形罐，所述内孔被构造并布置成形成基本上圆柱形的侧壁；容纳在所述罐内的石墨内衬，所述内衬具有适合形成所述坩埚下部的上表面；形成在所述内衬的下端和所述罐的底部之间的室；形成在所述罐的周边周围并与所述室连通的第一多个孔；形成在所述罐的周边周围并与所述罐的内衬上方的内部连通的第二多个孔；形成在所述上表面和所述室之间的内衬中的多个孔；将至少一些第一孔中的每一个与第二孔连接的导管，由此提供所述室和罐的内衬上方的内部之间的连通；和形成在所述内衬和所述罐之间的围绕所述内衬和所述罐的周边的密封。附图说明图1是在制造石英坩埚过程中的现有技术模具的横截面示意图。图2是依据本专利技术原理的模具的横截面透视图。图3是图2所示模具的正视图。图4是图3所示部分的横截面局部放大图。图5是图2所示的模具的横截面略微放大图，该模具中形成了一层石英。具体实施方式现在参考图1，总体以10表示的是用于熔融依据本专利技术的石英坩埚的现有技术系统。该系统包括具有内模具表面14的模具12。模具12容纳在圆柱形罐13中。设置在罐13底部的支柱11a、11b将模具12支撑并定位在罐内。在基本圆柱形垂直壁16上形成模具表面14。在图1所示的模具中，壁16限定了直径为约620mm的圆柱形腔，但本专利技术也可同样良好地应用在具有更小和更大直径的模具中。O形环在罐13和模具14之间围绕着其外周产生气体密封。多个空气通道，例如空气通道18、20与内模具表面14相通。每个空气通道包括圆柱形孔，该孔在模具表面14上产生圆形开口，例如开口22、24。每个空气通道，例如通道20，包括多孔石墨塞，例如塞26，其可防止石英从模具腔被拉入空气通道。空气通道，例如通道18、20，分别与集管28、30相连通。空气通道18、20形成围绕模具12的壁的空气通道圈的一部分。其余空气通道圈形成在包含通道18、20的圈的上方。其余空气通道，例如通道32、34形成在模具12的底部。类似其他空气通道，每个都包括塞，例如塞26，其可渗透气体但是阻挡石英颗粒。如图所示，空气通道32、34也包含在一个圈里（从模具12顶部看），其余空气通道包括在一个从包含通道34、34的圈径向向外的圈里，以及从其径向向内的圈里。与模具12的底部连通的空气通道，例如通道32、34，还与形成在模具12的下表面和罐13的底部38之间的集管36连通。集管28、30也与集管36连通。罐13还包括与形成在罐底部38中的孔42连通的管40。由此，集管28、30、38都与管40的内部连通。现在结束罐13的描述，凸缘44围绕罐的上周边延伸。该凸缘用于将罐13与常规水夹套（图中未示出）连接。水流动通过该夹套并接触罐13。这防止在熔融过程中模具12和罐13的温度变得过热。该水夹套填充有水并安装在可旋转平台（也未示出）上。在操作时，如图所示，模具12放入罐13内。之后，罐13下降到水在其中循环的水夹套中。管40与水夹套密封并从其延伸。其与真空泵（图中未示出）连接。该泵构造成从模具腔中抽出空气，该被抽出的空气通过空气通道、集管并最终通过孔并排出系统10。该泵通常具有每小时约80和350立方米之间的容量，当然也可依据通道、孔、集管、阀及设置在模具表面14和泵之间的其他结构的导通率，采用不在上述范围内的泵来实施本专利技术。可通过马达（图中未示出）围绕垂直轴线46旋转支撑罐13的平台（未示出）。一组常规电极48、50与常规DC电源52连接，该电源52可在约300KVA和1200KVA之间的可选择范围内向电极供应电力。当向电极48、50供应足够的电力时，在电极周围形成极热的等离子气体球。模具12包含成形为坩埚形状的石英层56。部分剖开显示层56以暴露模具表面14。当石英熔融时，层56的径向内表面57形成坩埚的径向内表面。总体地描述系统10的操作，当模具12围绕轴线46旋转时，天然石英颗粒被放置在模具12中。如本文所采用的，术语石英可以是天然或合成石英、无定形或晶体石英、掺杂任何掺杂物的石英、或任何可烧结或熔融成坩埚的颗粒材料。以已知方式将颗粒放在模具中，通过模具旋转产生的离心力保持颗粒附着在模具腔的内部。同样以已知方式，在电极48、50下降到模具腔中之前，如图所示，颗粒形成为坩埚形状。一旦所有颗粒接收在模具中并形成图1所示的形状，如图1所示地定位电极48、50，施加电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造具有基本上圆柱形侧壁的熔融石英坩埚的模具，包括：具有内孔的圆柱形罐，所述内孔被构造并布置成形成基本上圆柱形的侧壁；容纳在所述罐内的石墨内衬，所述内衬具有适合形成所述坩埚下部的上表面；形成在所述内衬的下端和所述罐的底部之间的室；形成在所述罐的周边周围并与所述室连通的第一多个孔；形成在所述罐的周边周围并与所述罐的内衬上方的内部连通的第二多个孔；形成在所述上表面和所述室之间的内衬中的多个孔；将至少一些第一孔中的每一个与第二孔连接的导管，由此提供所述室和罐的内衬上方的内部之间的连通；和形成在所述内衬和所述罐之间的围绕所述内衬和所述罐的周边的密封。

【技术特征摘要】
2011.07.25 US 13/1898971.一种用于制造具有圆柱形侧壁的熔融石英坩埚的模具，包括：具有内孔的金属圆柱形罐，所述内孔被构造并布置成形成圆柱形的侧壁，其中金属圆柱形罐用于形成坩埚的圆柱形上壁；容纳在所述罐内的石墨内衬，所述石墨内衬具有适合形成所述坩埚下部的上表面；形成在所述石墨内衬的下端和所述罐的底部之间的室；形成在所述罐的周边周围并与所述室连通的第一多个孔；形成在所述罐的周边周围并与所述罐的石墨内衬上方的内部连通的第二多个孔；形成在所述上表面和所述室之间的石墨内衬中的多个孔；将至少一些第一孔中的每一个与第二孔连接的导管，由此提供所述室和罐的石墨内衬上方的内部之间的连通；和形成在所述内衬和所述罐之间的围绕所述石墨内衬和所述罐的周边的密封。2.一种用于制造具有圆柱形侧壁的熔融石英坩埚的旋转模具，所述模具包括：具有形成圆柱形孔的壁的金属容器；和容纳在所述容器的下部的石墨内衬，所述石墨内衬形成所述坩埚的下部，容器壁形成所述坩埚的上部，在石墨内衬中的多个孔，至少一些这些孔中的每个的一端与所述内衬的上表面连通，且其另一端适合与真空泵连通；和在金属容器中的多个孔，至少一些这些孔中的每个的一端与孔壁连通，且另一端适合与所述真空泵连通，其中在石墨内衬中的多个孔和在金属容器中的多个孔被构造并布置成在坩埚熔融过程中抽吸气体通过石英。3.如权利要求2所述的旋转模具，其中，所述容器进一步包括与石墨内衬中的孔连通的室。4.如权利要求3所述的旋转模具，其中，所述模具进一步包括与所述室和所述金属容器中的孔连通的多个管。5.如权利要求4所述的旋转模具，其中，在形成熔融石英坩埚的过程中，所述真空泵对所述室施加真空，并且其中，所述石墨内衬和容器中的孔适于通过所述孔抽吸气体通过容纳在模具中的石英。6.如权利要求5所述的旋转模具，其中，所述金属容器进一步包括凸缘，所述凸缘适于连接到用于在坩埚熔融过程中冷却所述模具的液体容器。7.如权利要求6所述的旋转模具，其中，所述石墨内衬中的孔是垂直取向的。8.如权利要求7所述的旋转模具，其中，所述金属容器中的孔是水平取向的。9.一种用于制造熔融石英坩埚的旋转模具，包括：金属部分，该金属部分成形为用于形成坩埚的圆柱形的上壁，其中所述金属部分包括基本圆柱形的罐，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·克莫奇，L·E·巴尔，C·哈格斯特伦，
申请(专利权)人：赫罗伊斯石英玻璃股份有限两合公司，贺利氏信越美国有限公司，
类型：发明
国别省市：