[發明專利]金屬和石墨模具以及制造坩堝的方法

有效

• 申請號: 201210323953.2
• 申請日: 2012-07-24
• 公開（公告）號: CN102898004B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: K·克莫奇;L·E·巴爾;C·哈格斯特倫
• 申請（專利權）人: 赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司;信越石英株式會社
• 主分類號: C03B20/00
• 分類號: C03B20/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 代易寧

技術領域

本發明涉及石英坩堝領域，尤其是制造這種坩堝的模具及其制造方法。

背景技術

從單晶硅坯料制造半導體工業中所用的硅片。通常使用Czochralski(CZ)工藝制造這些坯料。在CZ工藝中，將金屬硅裝在安放在基座中的石英玻璃坩堝中，該基座容納在晶體生長室中。圍繞基座的加熱器加熱該裝料，由此熔融硅。之后在硅的熔融溫度或其附近從熔體中拉出單晶硅。

用于該工藝的坩堝具有在CZ工藝期間通過基座支撐的圓形底部和圓柱形壁。使用旋轉石墨模具制造坩堝，該模具具有在模具側部和底部與模具內連通的空氣通道。當模具旋轉時，高質量石英顆粒分布在模具表面上并以已知方式成形。之后電極降到模具內，施加300KVA至1200KVA范圍內的電力，由此產生等離子氣體球。如此產生的熱量熔融石英成形為適用于CZ工藝中的坩堝的形狀。

該用于制造這些坩堝的石墨模具或內襯容納在金屬容器中，該金屬容器在工業中稱為罐。該內襯形狀上是圓柱形的，帶有尺寸適合容納于罐中的圓柱形外壁。該石墨內襯包括模具腔，該模具腔具有用于成形坩堝下端的圓形下部和用于成形直立坩堝壁的圓柱形內壁表面。上述空氣通道與模具腔的表面連通。

石墨內襯的制造是復雜且昂貴的。其通過將漿料純化、熱處理、并在等靜壓機中成形為圓柱形坯來制造。對于一些坩堝，坯必須具有36英寸直徑。一些較大石墨模具所要求的高度受限于壓機的容量。之后，加工這樣形成的石墨坯以成形用于形成坩堝的腔和空氣通道。

在一方面，石墨是用作坩堝模具的適用材料，因為其可相對容易地成形為模制坩堝的所需形狀。并且，相對于一些材料，石墨更為適用，因為其能夠在熔融過程中耐受由等離子氣體和石英產生的熱量。另一方面，相對于金屬，石墨磨損更快，因此其逐漸變得磨損并必須周期性更換。但金屬很難成形為模制坩堝所需的形狀。迄今已知的最好方法是采用容易加工的石墨，同時接受其由于高磨損速率而必須頻繁更換。

相對于金屬而言，石墨的另一個缺點是石墨的冷卻時間比金屬長。這降低了坩堝的生產量并增加了生產成本。由于在石墨模具外部和罐之間存在空間，因此該空間內的空氣可作為隔熱體，其可保存熱量，即，在熔融結束后減慢冷卻。

最后，坩堝的熔融從石英的徑向最內層向徑向最外層推移。在最內層熔融之前，通過真空泵吸取氣體通過石英并進入石墨模具中的空氣通道。一旦最內層熔融，真空只能通過成形的石英的最上部分圍繞其周邊吸取空氣。這在熔融的坩堝表面和模具腔的表面之間的石英顆粒層中產生強烈的空氣流。該流來自石英的頂部并進入形成在模具的側部和底部的空氣通道中。

當需要該流如上所述移除氣體并阻止氣泡時，它還對石墨模具造成大量磨損。這種磨損發生在頂部的周邊周圍。此外，由于向下流到模具內的空氣通道孔的氣流，在模具表面形成通道。這些通道形成垂直凹槽，這些凹槽從形成在石墨模具的側壁上的孔向上延伸。

發明內容

一種用于制造具有基本上圓柱形側壁的熔融石英坩堝的模具，包括：具有內孔的圓柱形罐，所述內孔被構造并布置成形成基本上圓柱形的側壁；容納在所述罐內的石墨內襯，所述內襯具有適合形成所述坩堝下部的上表面；形成在所述內襯的下端和所述罐的底部之間的室；形成在所述罐的周邊周圍并與所述室連通的第一多個孔；形成在所述罐的周邊周圍并與所述罐的內襯上方的內部連通的第二多個孔；形成在所述上表面和所述室之間的內襯中的多個孔；將至少一些第一孔中的每一個與第二孔連接的導管，由此提供所述室和罐的內襯上方的內部之間的連通；和形成在所述內襯和所述罐之間的圍繞所述內襯和所述罐的周邊的密封。

附圖說明

圖1是在制造石英坩堝過程中的現有技術模具的橫截面示意圖。

圖2是依據本發明原理的模具的橫截面透視圖。

圖3是圖2所示模具的正視圖。

圖4是圖3所示部分的橫截面局部放大圖。

圖5是圖2所示的模具的橫截面略微放大圖，該模具中形成了一層石英。

具體實施方式

現在參考圖1，總體以10表示的是用于熔融依據本發明的石英坩堝的現有技術系統。該系統包括具有內模具表面14的模具12。模具12容納在圓柱形罐13中。設置在罐13底部的支柱11a、11b將模具12支撐并定位在罐內。在基本圓柱形垂直壁16上形成模具表面14。在圖1所示的模具中，壁16限定了直徑為約620mm的圓柱形腔，但本發明也可同樣良好地應用在具有更小和更大直徑的模具中。O形環17a、17b在罐13和模具14之間圍繞著其外周產生氣體密封。