專利名稱：水冷式模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造石英坩堝的水冷式模具，且更具體來(lái)說，涉及 一種具有最佳模具結(jié)構(gòu)的水冷式模具。
背景技術(shù)：
石英玻璃坩鍋用于提拉作為半導(dǎo)體材料的單晶硅、作為太陽(yáng)能電池(solar battery)材料的硅晶體等。舉例來(lái)說，單晶硅主要是通過如下方法來(lái)制造 通過加熱使裝入石英玻璃蚶鍋中的多晶硅塊(polycrystalline silicon lump )熔 化形成硅熔體，且接著將晶種浸入所述硅熔體中并由其提拉。雖然作為太陽(yáng) 能電池材料的硅晶體與作為半導(dǎo)體材料的單晶硅相比單晶度 (single-crystallinity)較低，但其是通過相同提拉方法來(lái)制造。
旋轉(zhuǎn)沖莫具方法(rotating mold method)被認(rèn)為是一種制造石英玻璃坩鍋 的方法。在這種方法中，使用可旋轉(zhuǎn)的碗狀模具，且通過使用在旋轉(zhuǎn)所述模 具期間所產(chǎn)生的離心力使石英粉原料以特定厚度沿模具的內(nèi)表面沉積于內(nèi)表 面上。隨后，通過在模具上方且圍繞模具的棟轉(zhuǎn)中心軸安置的電極的電弧放 電將石英粉加熱到高于熔點(diǎn)(熔化溫度)的溫度(約2000°C),從而使石英 粉熔化和玻璃化，以形成具有沿模具的內(nèi)表面的形狀的玻璃坩鍋，且此后將 所得玻璃坩鍋冷卻并從模具中取出。
迄今，水冷式模具已被認(rèn)為是用于通過旋轉(zhuǎn)模具方法來(lái)制造石英玻璃坩鍋的模具。舉例來(lái)說，JP-A-Hll-43394揭示將石英粉原料裝入旋轉(zhuǎn)不銹鋼水 冷式模具中且通過電弧放電使其熔化以制造石英玻璃坩鍋。類似地，
JP-A-2002-1548卯揭示將石英粉裝入旋轉(zhuǎn)不銹鋼水冷式模具中且在減壓下通 過電弧放電使其成型以制造石英玻璃坩鍋。
在常規(guī)不銹鋼水冷式模具中，通過在模具的底部和周壁部分內(nèi)形成用于 冷卻水流動(dòng)的間隙且在以較高溫度加熱的環(huán)境中用冷卻水冷卻模具的底部和 周壁部分來(lái)防止模具的熱損壞。通常將模具的內(nèi)表面冷卻到約IO(TC。另一 方面，通過電弧放電將沉積于模具內(nèi)表面上的石英粉原料加熱到高于熔點(diǎn)的 溫度，從而使石英粉原料熔化和玻璃化。
在常規(guī)水冷式模具的冷卻結(jié)構(gòu)中，通過在與模具的內(nèi)表面相對(duì)的外表面 側(cè)將沉積于模具內(nèi)表面上的石英粉加熱到高于熔點(diǎn)來(lái)使石英粉熔化和玻璃 化，而位于模具的內(nèi)表面?zhèn)鹊拇蟛糠质⒎蹍s保持未玻璃化的未熔化狀態(tài)， 這是因?yàn)橥ㄟ^冷卻所述模具移除了所述部分中的熱。為了用常規(guī)水冷模具形 成具有目標(biāo)厚度的玻璃化層，使用的石英粉數(shù)量比目標(biāo)厚度所需的重量大約 2倍。因此，問題是用于形成產(chǎn)物的石英粉數(shù)量比所用數(shù)量少且石英粉數(shù)量 的損失較大。
另一方面，已知存在全部由碳制成的碳模具。盡管碳的耐熱性比不銹鋼 高，但是如果在較高溫度下使用延長(zhǎng)的時(shí)間，那么由于氧化消耗，其會(huì)經(jīng)受 熱損壞。問題是熱損傷的模具導(dǎo)致石英玻璃坩鍋的形狀失敗且因此要用新模 具來(lái)替換整個(gè)昂貴的模具，這顯著降低經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于解決常規(guī)水冷式模具的上述問題，且提供一種通過優(yōu)化水冷式才莫具的結(jié)構(gòu)而具有足夠耐熱性且顯著減少石英粉原料的未熔化部分的水冷 式模具。
本發(fā)明提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的水冷式模具
(1 )一種用于制造石英坩堝且在內(nèi)部具備供冷卻水流動(dòng)的間隙的水冷式
模具，其包括由導(dǎo)熱金屬或合金材料制成的外部模具部分和緊密地排列在所 述外部模具部分的內(nèi)表面上且由耐熱材料制成的內(nèi)部模具部分。
(2) 根據(jù)條目(l)的水冷式模具，其中通向模具的內(nèi)表面的通氣孔在 內(nèi)部模具部分中形成。
(3) 根據(jù)條目(1)或(2)的水冷式模具，其中內(nèi)部模具部分是由多個(gè) 分離區(qū)段整體構(gòu)成，所述分離區(qū)段包括置于外部模具部分的底部上的盤形下 分離區(qū)段和至少一個(gè)可拆卸地堆積于所述下分離區(qū)段上且緊密地排列在外部 模具部分的內(nèi)表面上的環(huán)形上分離區(qū)段。
(4) 根據(jù)條目(3)的水冷式模具，其中所述多個(gè)分離區(qū)段中的每一者 都由碳材料制成。
(5) 根據(jù)條目(l)的水冷式模具，其中外部模具部分是以水冷夾套 (water-cooling jacket)形式構(gòu)成。
(6) 根據(jù)條目(l)的水冷式模具，其中模具具有帶有向上開口部分的 有底圓柱體形狀且用于通過旋轉(zhuǎn)模具方法來(lái)制造石英坩堝，在所述方法中， 從底部的中心位置通到所述開口部分的中心位置的虛線作為旋轉(zhuǎn)軸，所述才莫 具圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的水冷式模具是一種用于制造石英坩堝的模具，其中構(gòu)成模 具的外部模具部分在其內(nèi)部具備用于冷卻水流動(dòng)的間隙且由導(dǎo)熱金屬或合金 材料制成，且內(nèi)部模具部分是緊密地排列在外部模具部分的內(nèi)表面上并由耐熱材料制成，以致石英粉原料并不直接與外部模具部分的內(nèi)表面接觸。因此， 即使在以較高溫度加熱期間通過外部模具部分冷卻模具，也會(huì)由于由耐熱材 料制成的內(nèi)部模具部分的絕熱效應(yīng)而使得通過模具的內(nèi)表面從加熱的石英粉 原料移除的熱較少，且因此保持未熔化狀態(tài)的石英^^原料的數(shù)量顯著減少。


本發(fā)明將參考附圖加以描述，其中 圖l是根據(jù)本發(fā)明的水冷式模具的縱剖面圖。 圖2是說明通過旋轉(zhuǎn)模具方法制造坩鍋的橫截面圖。 圖3是顯示當(dāng)使用常規(guī)水冷式模具制造石英坩堝時(shí)加熱的石英粉原料的 狀態(tài)的橫截面圖。
圖4是顯示當(dāng)使用才艮據(jù)本發(fā)明的水冷式模具制造石英坩堝時(shí)加熱的石英 粉原料的狀態(tài)的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1中顯示根據(jù)本發(fā)明的水冷式才莫具的典型結(jié)構(gòu)實(shí)例。
所示的水冷式模具IO是一種用于制造石英坩堝的水冷式模具且主要包括 外部模具部分11和內(nèi)部模具部分12。
外部模具部分11在其內(nèi)部具備用于冷卻水流動(dòng)的間隙且由導(dǎo)熱金屬或合 金材料制成，且提及水冷夾套作為其實(shí)例。作為外部模具部分ll的材料，優(yōu) 選具有極佳冷卻能力的導(dǎo)熱且耐腐蝕金屬或合金材料，其包含例如奧氏體不 銹鋼(austenitic stainless steel )、耐大氣腐蝕的鋼、鈥等。
內(nèi)部模具部分12是緊密地排列在外部模具部分的內(nèi)表面上且由諸如碳材料的耐熱材料制成，其與外部模具部分11整體構(gòu)成水冷式模具10。此外， 水冷式模具1Q具有帶有向上開口部分的有底圓柱體形狀且用于通過旋轉(zhuǎn)模 具方法來(lái)制造石英坩堝，在所述方法中模具圍繞作為旋轉(zhuǎn)軸的從底部的中心 位置通到開口部分的中心位置的虛線旋轉(zhuǎn)。
構(gòu)成外部模具部分ll的水冷夾套由不銹鋼制成，其中用于冷卻水流動(dòng)和 /或循環(huán)的間隙在所述夾套內(nèi)部形成且連接用于將冷卻水送到所述間隙的構(gòu) 件(未圖示)。由諸如碳材料(例如碳內(nèi)襯)等耐熱材料制成的內(nèi)部模具部分
12緊密地且整體地排列在外部模具部分11的整個(gè)內(nèi)表面上。
在內(nèi)部才莫具部分12的內(nèi)部形成多個(gè)通向內(nèi)4十表面的通氣孔13。這些通氣 孔13與對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)軸的在模具底部形成的集合孔14相通，且通過集合孔14 連接外壓降低裝置(未圖示)。通過通氣孔13向外部抽出沉積于內(nèi)部模具部 分12的內(nèi)表面上的石英粉原料層內(nèi)的空氣以保持石英粉原料層處于減壓狀 態(tài)。通過在加熱熔化期間通過抽吸移除石英粉原料層內(nèi)存在的空氣來(lái)防止在 石英粉玻璃化時(shí)內(nèi)部氣泡的滯留，由此可形成實(shí)質(zhì)上不含氣泡的透明玻璃層。 構(gòu)成水冷式模具10的內(nèi)部模具部分12可由多個(gè)分離區(qū)段20到24可拆 卸地構(gòu)成。舉例來(lái)說，圖1中所示的水冷式模具10由置于外部模具部分11 的底部上的盤形下分離區(qū)段20和至少一個(gè)可拆卸地堆積于下分離區(qū)段20上 且緊密地排列在外部模具部分ll的內(nèi)表面上的環(huán)形上分離區(qū)段(圖1中是4 個(gè)上分離區(qū)段21到24 )整體構(gòu)成。這些分離區(qū)段20到24形成覆蓋外部模 具部分ll的內(nèi)表面的內(nèi)部模具部分12。
在盤形下分離區(qū)段20中形成多個(gè)穿過內(nèi)部且在底部通向模具的內(nèi)表面的 通氣孔13和位于底部的中心處與外部相通的集合孔14。上分離區(qū)段21到23 也是具有相同內(nèi)徑和外徑的環(huán)形部件，所述區(qū)段中的每一者都具備從 表面通到下表面且通向模具的內(nèi)表面的通氣孔13。最上分離區(qū)段24是具有與其 他上分離區(qū)段21到23相同的內(nèi)徑和U形橫截面的環(huán)形部件且在其內(nèi)部具備 通氣孔13。最上分離區(qū)段24是通過固定構(gòu)件固定于外部模具部分11的上端， 所述固定構(gòu)件諸如與所述區(qū)段的向外打開凹口部分嚙合的固定部件25、螺釘 26等。盤形下分離區(qū)段20和上分離區(qū)段21到24是通過固定構(gòu)件整體地相 互固定，且可拆卸地連接到外部模具部分ll的內(nèi)表面上。
因此，內(nèi)部模具部分12是通過組裝多個(gè)分離區(qū)段20到24來(lái)構(gòu)造，由此 內(nèi)部模具部分可容易地連接到外部模具部分ll的內(nèi)表面上。另外，因?yàn)閮?nèi)部 模具部分12是可拆卸地連接到外部模具部分上，所以如果內(nèi)部模具部分12 經(jīng)受熱損壞，那么可容易地用新的內(nèi)部模具部分將其替換。在分離區(qū)段20 到24中，僅熱損傷的分離區(qū)段可部分地用新區(qū)段替換，以致模具維護(hù)成本可 保持較低，而且水冷式模具的使用壽命總體上也可大大改良。
如圖2中所示，才艮據(jù)本發(fā)明的水冷式模具10具有帶有向上開口部分的有 底圓柱體形狀且圍繞作為旋轉(zhuǎn)軸的從底部的中心位置通到開口部分的中心位 置的虛線旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生離心力，由此通過旋轉(zhuǎn)模具方法使石英粉原料以特定厚 度沉積于內(nèi)部模具部分12的內(nèi)表面上。隨后，通過在模具IO上方且圍繞模 具的旋轉(zhuǎn)中心軸安置的電極35的電弧放電將石英粉原料加熱到高于熔點(diǎn)的 溫度(約2000°C ),從而使石英粉原料熔化以形成熔化的石英層34。
如圖3中所示，常規(guī)水冷式模具不具備內(nèi)部模具部分，以致在加熱熔化 石英粉的步驟中使石英粉原料直接沉積于水冷式模具10的內(nèi)表面31上。將 水冷式模具的內(nèi)表面31冷卻到約IO(TC，同時(shí)將所得石英層30的內(nèi)表面32 加熱到高于熔點(diǎn)的溫度(約2000。C)。然而，因?yàn)槭?0的導(dǎo)熱性較小， 所以在石英層30的內(nèi)部出現(xiàn)從石英層30的內(nèi)表面32到水冷式才莫具10的內(nèi)表面31的大溫度梯度。因此，所沉積的石英層中對(duì)應(yīng)于不高于熔點(diǎn)的溫度區(qū) 域的部分增加，且因此石英層30中所含有的未熔化的石英層33的比率變大。 為了形成具有目標(biāo)厚度的熔化的石英層，因此有必要考慮到未熔化的石英層 33而沉積一定厚度的石英4分原料。
相反，當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的包括外部模具部分11和內(nèi)部模具部分12的 水冷式模具10時(shí)，如圖4中所示，使石英粉原料沉積于內(nèi)部模具部分12的 內(nèi)表面上，而不直接與外部模具部分ll的內(nèi)表面接觸。由于存在內(nèi)部模具部 分12，沉積于內(nèi)部模具部分12的內(nèi)表面上的石英層的溫度可保持較高，由 此留在石英層30中的未熔化的石英層33的厚度可大大降低。
權(quán)利要求
1、一種用于制造石英坩堝且在內(nèi)部具備供冷卻水流動(dòng)的間隙的水冷式模具，其中包括由導(dǎo)熱金屬或合金材料制成的外部模具部分和緊密地排列在所述外部模具部分的內(nèi)表面上且由耐熱材料制成的內(nèi)部模具部分。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水冷式模具，其中通向所述模具的內(nèi)表面的通 氣孔形成于所述內(nèi)部才莫具部分中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水冷式模具，其中所述內(nèi)部模具部分是由多 個(gè)分離區(qū)段整體構(gòu)成，所述分離區(qū)段包括置于所述外部模具部分的底部上的 盤形下分離區(qū)段和至少一個(gè)可拆卸地堆積于所述下分離區(qū)段上且緊密地排列 在所述外部才莫具部分的內(nèi)表面上的環(huán)形上分離區(qū)段。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水冷式模具，其中所述多個(gè)分離區(qū)段中的每一 者都由碳材料制成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水冷式模具，其中所述外部模具部分'是以水冷 夾套形式構(gòu)成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水冷式模具，其中所述模具具有帶有向上開口 部分的有底圓柱體形狀且用于通過旋轉(zhuǎn)模具方式來(lái)制造石英坩堝，在所述方 式中，從底部的中心位置通到所述開口部分的中心位置的虛線作為旋轉(zhuǎn)軸， 所述模具圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于制造石英坩堝且在內(nèi)部具備供冷卻水流動(dòng)的間隙的水冷式模具，其包括由導(dǎo)熱金屬或合金材料制成的外部模具部分和緊密地排列在所述外部模具部分的內(nèi)表面上且由耐熱材料制成的內(nèi)部模具部分。
文檔編號(hào)C03B20/00GK101613174SQ20091014229
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月28日
發(fā)明者志滿津敦 申請(qǐng)人:日本特級(jí)石英株式會(huì)社