CN101723574A - 石英坩埚制造用模具 - Google Patents

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Abstract

提供一种石英坩埚制造用模具，其可减少由于小直径薄化而需要通过切割来移除的不可避免的部分，且其可降低材料成本。用于通过在石英粉附着到旋转模具的内壁上的状态下将所述石英粉热熔化来制造石英坩埚的模具，其具有比所述模具的内直径小且比所述石英坩埚的内直径大的内直径的环形绝热障壁材料设置于所述模具的对应于所述石英坩埚的上部区的上部开口部分的内周壁上。

Description

石英坩埚制造用模具
技术领域
本发明涉及一种石英坩埚制造用模具。特定来说，本发明是针对于通过在模具的开口部分的上部内壁形状增加设计而有利地减少原材料成本。
背景技术
近来，硅晶片作为半导体装置的衬底的使用迅速增加。通常通过形成单晶硅锭(ingot)并随后对其切片而制造所述硅晶片。
举例来说，一般通过提拉方法(pulling method)(例如，CZ方法等)来制造所述单晶硅锭。而且，石英坩埚用于提拉所述单晶硅。
制造石英坩埚的典型方法被称为旋转模具方法(rotating mold method)。此旋转模具方法是一种将石英粉(quartz powder)附着到旋转模具的内壁，即，模具的底表面和侧表面，且随后通过电弧加热而熔化，从而制成石英坩埚的方法。
近来，随着对硅晶片的需求的快速增长，需要具有更大直径的单晶硅锭。
当通过提拉方法制造所述大直径单晶硅锭时，将要使用的石英坩埚也需要具有更大直径。
通常，为了通过提拉方法制造所述单晶硅锭，需要使用具有对应于所述锭的直径的约三倍大的直径的石英坩埚。
当通过上文所提及的旋转模具方法制造石英坩埚时，在石英坩埚的上部会产生具有较小外直径和较薄厚度的部分(下文称作小直径薄化部分(small-diameter thinned portion))，且因此需要通过切割来移除所述小直径薄化部分。
因为当在用于将Si填充和熔化在石英坩埚中以提拉Si单晶的步骤中将石英坩埚加热到高温时，石英的粘度随着温度升高而变小，且因此石英坩埚容易变形。尤其当石英坩埚的上部为小直径薄化部分时，石英坩埚的上部易于向内倒塌且容易变形。
形成所述小直径薄化部分的起因是归因于以下事实：由于热量容易在模具的开口部分处逸离，所以石英粉不易被电弧加热熔化，且因此石英坩埚的上部处的外直径变小，且其厚度变薄。在制造过程中形成所述小直径薄化部分是不可避免的。
因此，在通过旋转模具方法制造石英坩埚时，在预期形成小直径薄化部分的情况下，制造出具有比产品规格的高度高出小直径薄化部分的坩埚高度的石英坩埚，且随后通过切割来移除所述小直径薄化部分以获得产品。
而且，可在相同模具中制造具有不同高度的石英坩埚。尽管在制造具有较高高度的石英坩埚的过程中不存在问题，但在制造具有较低高度的石英坩埚的过程中将要通过切割而移除的部分变得较大。为了解决此问题，可提供专用于具有较低高度的产品的模具，但当所制造的石英坩埚的数目较小等情况时，存在新模具的制造成本和管理变得棘手的缺点。
如上文所描述，当通过旋转模具方法制造石英坩埚时，形成小直径薄化部分是不可避免的，使得制造出具有比产品规格的高度高出小直径薄化部分的坩埚高度的石英坩埚，且随后通过切割来移除所述小直径薄化部分以获得产品。
然而，如上文所述，近来在单晶硅锭具有大的直径的情况下，石英坩埚也需要具有大的直径。当使坩埚的直径增大时，由于小直径薄化而需要通过切割来移除的不可避免的部分也增加，其在材料成本方面且因此在制造成本方面造成严重问题。
举例来说，在制造具有18英寸的外直径和8mm的厚度的坩埚时，则每10mm的切割移除高度会额外使用约0.3kg的石英粉(作为绝对量)。
另一方面，在制造具有32英寸的大的外直径的石英坩埚时，则厚度增加到约15mm，且因此每10mm的切割移除高度会额外使用约1.0kg的石英粉(作为绝对量)。
因此，在制造大的外直径的石英坩埚的过程中，在制造一个坩埚中每切割移除高度所使用的石英粉的浪费量增加到在制造小的外直径的石英坩埚的情况中的三到四倍。
发明内容
本发明是鉴于上述情形而研发出，且提出一种用于制造石英坩埚的模具，其能够减少在石英坩埚的上部的由于小直径薄化而通过切割来移除的部分，以有效地减少材料成本。
也就是说，本发明的概要和构造如下：
1.一种用于通过在石英粉附着到旋转模具的内壁上的状态下将所述石英粉热熔化来制造石英坩埚的模具，其特征在于，具有比模具的内直径小且比石英坩埚的内直径大的内直径的环形绝热障壁材料设置于所述模具的对应于所述石英坩埚的上部区的上部开口部分的内周壁上。
2.根据项目1所述的用于制造石英坩埚的模具，其特征在于所述障壁材料是石英、碳、碳化硅或氮化硅。
3.根据项目1或2所述的用于制造石英坩埚的模具，其特征在于环形障壁材料的内表面的从模具的内周壁突出的厚度t1由以下等式表示：
t1＝(模具内直径-障壁材料内直径)/2，
t1是石英粉的附着厚度t2的20％到80％。
4.根据项目1至3中任何一项所述的用于制造石英坩埚的模具，其特征在于所述障壁材料的所述内表面具有6.3到25μm的表面粗糙度作为算术平均粗糙度Ra。
根据本发明，与常规技术相比，可减少由于小直径薄化而将要通过切割来移除的部分，且因此，可减少材料成本以及制造成本。
附图说明
图1是说明通过旋转模具方法的石英坩埚的制造要领的横截面图。
图2是使用普通模具所制造的石英坩埚的横截面图。
图3是根据本发明的在模具的上部开口部分设置环形障壁材料的模具的横截面图。
1  模具
2  排气管线
3  电弧电极
4  石英粉
5  坩埚
6  小直径薄化部分
7  障壁材料
t1、t2  厚度
H  高度
具体实施方式
以下，将具体描述本发明。
图1中示意性地绘示通过旋转模具方法的石英坩埚的普通制造要领。在图中，标号1是模具，标号2是排气管线，标号3是电弧电极，且标号4是附着到模具的内壁上的石英粉。
在旋转模具方法中，可通过电弧加热熔化将附着到旋转模具1的内壁上的石英粉4玻璃化，以成形为坩埚形状。
图2中绘示通过使用常规普通模具而制造石英玻璃坩埚时，坩埚5的横截面形状。
如图2中所示，石英玻璃坩埚5的上部在外直径上变小且在厚度上变薄，而产生小直径薄化部分6。
现在，本发明通过使用图3中所示的模具而解决以上问题。
本发明是基于以下技术想法：如果在制造坩埚的过程中，坩埚的上部不可避免地在外直径上变小且在厚度上变薄，则在此部分中使用障壁材料以预先使模具形状呈现为对应于坩埚的上部的形状的形状，藉此可减少浪费使用的石英粉的量。
在图3中，主要结构部分与图1中所示的常规模具中相同，且由相同标号表示。标号7是设置于模具的上部开口部分的障壁材料。
如图3中所示，障壁材料是环形的，其内直径比模具的内直径小且比石英坩埚的内直径大。
此处，障壁材料7从开口部分的内周壁突出的厚度t1优选为石英粉的附着厚度t2的20％到80％。
当突出厚度t1相对于附着厚度t2的比率小于20％时，减少所使用的石英粉的效果以及因此的降低成本效果较小，而当所述比率超过80％时，产生障壁材料被氧化消耗的担忧。
而且，障壁材料7的高度H可等于小直径薄化部分的高度。顺便提一下，当制造具有32英寸的外直径和15mm的厚度的坩埚时，小直径薄化部分的高度为30到100mm。
此外，在本发明中，障壁材料的内表面优选具有6.3到25μm的表面粗糙度作为算术平均粗糙度Ra。
当作为Ra的障壁材料中的内表面的粗糙度小于6.3μm时，石英粉容易在石英粉的附着或热熔化时移动，且因此导致坩埚准确度的降低，而当所述粗糙度超过25μm时，从障壁材料的表面掉落的颗粒成为石英坩埚的杂质。
在本发明中，障壁材料优选在绝热性质和耐热度上是优良的，且热膨胀和随着时间的变化较小，其优选示范如下。
(1)石英(导热性：5到10W/mk，热膨胀系数：约5.6×10-7/℃)
(2)碳(导热性：约140W/mk，热膨胀系数：约5×10-6/℃)
(3)碳化硅(导热性：100到350W/mk，热膨胀系数：约6.6×10-6/℃)
(4)氮化硅(导热性：200W/mk，热膨胀系数：3.5×10-6/℃)
实例1
当用具有图1中所示的常规结构的模具来制造石英坩埚时，由以下等式表示用于坩埚的上部处的切割部分的石英粉的重量。
所使用的石英粉的重量＝{(模具的内半径)2-(模具的内半径-附着厚度)2}×3.14×切割高度×石英粉的整体比重(bulk specific gravity)(B值)
另一方面，当用具有图3中所示的根据本发明的结构的模具来制造石英坩埚时，可将石英粉的使用量减少由以下等式表示的量。
石英粉的减少量＝{(障壁材料的内半径+突出厚度)2-(障壁材料的内半径)2}×3.14×障壁材料的高度×石英粉的整体比重(A值)
因此，根据本发明，与常规情况相比，额外使用的石英粉的量可减少(A/B)×100(％)所示的量。
实际上，当用具有图3中所示的根据本发明的结构的模具来制造具有810mm的外直径和15mm的厚度的石英坩埚时，B值＝14.5kg且A值＝6.2kg，且因此与常规情况相比，额外使用的石英粉的量可减少43％(然而，坩埚的上部的切割高度为120mm；障壁材料的内半径为780mm；障壁材料的高度H为100mm；障壁材料的突出厚度t1为20mm；且石英粉的附着厚度t2为40mm)。

Claims (4)

1.一种石英坩埚制造用模具，其为用于通过在石英粉附着到旋转模具的内壁上的状态下将所述石英粉热熔化来制造石英坩埚的模具，其特征在于，具有比所述模具的内直径小且比所述石英坩埚的内直径大的内直径的环形绝热障壁材料设置于所述模具的对应于所述石英坩埚的上部区的上部开口部分的内周壁上。
2.根据权利要求1所述的石英坩埚制造用模具，其特征在于所述障壁材料是石英、碳、碳化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1或2所述的石英坩埚制造用模具，其特征在于所述环形障壁材料的内表面的从所述模具的所述内周壁突出的厚度t1由以下等式表示：
t1＝(模具内直径-障壁材料内直径)/2，
t1石英粉的附着厚度t2的20％到80％。
4.根据权利要求1或2所述的石英坩埚制造用模具，其特征在于所述障壁材料的所述内表面具有6.3到25μm的表面粗糙度作为算术平均粗糙度Ra。
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