CN104428455A - 碳制坩埚及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供碳制坩埚及其制造方法，其采用为了防止坩埚的破裂而将直躯干部与托盘部分割开的构造，并且制造成本低廉且能够缩短交货期。碳制坩埚(1)采用具备直躯干部(9)和托盘部(10)且被上下分割的结构。直躯干部(9)为碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)制，托盘部(10)为石墨制。在托盘部(9)的上端面设有外周侧比内周侧高的台阶部(11)。直躯干部(9)与台阶部(11)嵌合，并且在该嵌合的状态下，在台阶部(11)的内周面(11a)与直躯干部(9)的外周面(9a)之间设有间隙(A)。间隙(A)优选为直躯干部的直径的0.1％～1.0％。

Description

碳制坩埚及其制造方法
技术领域
本发明涉及在用于保持在硅等金属单晶体提取装置中使用的石英坩埚的碳制坩埚及其制造方法。
背景技术
在单晶生长法(以下，称作“CZ法”。)中使用的坩埚采用了用于使硅熔融的石英坩埚和收容该石英坩埚的石墨坩埚的双重构造。近年来，为了以高收率获得硅单晶体，从而制造大型尺寸的单晶体。与之相伴，石墨坩埚也需要变得大型化。然而，随着石墨坩埚的容量变大，由石英坩埚与石墨坩埚的热膨胀率的差异引起的热变形也变大，在直躯干部尤其是其上缘部、以及从底部与直躯干部相连的曲面部(以下，称作圆角部)产生应力集中而使石墨坩埚变得容易破裂。为了解决该问题，提出有直躯干部与托盘部被分割的、直躯干部使用碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)而托盘部使用石墨材料的复合坩埚(参照以下的专利文献1)、以及直躯干部使用薄型的碳纤维增强碳基复合材料的复合坩埚(参照以下的专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本实公平03-43250号公报
专利文献2：日本特开平08-73292号公报
发明要解决的课题
然而，上述的专利文献1所公开的坩埚通过在直躯干部与托盘部上分别设置阶梯差，并使该阶梯差啮合，由此来实现固定。因此，在直躯干部的真圆度并非如设计那样而产生尺寸误差的情况、将直躯干部从制作场所向组装场所搬运的过程中直躯干部发生变形的情况等中，难以直接使直躯干部与托盘部各自的阶梯差啮合，因此需要矫正直躯干部的变形。若想要解决上述问题，为了提高直躯干部的真圆度，需要高精度的加工，成本升高。另外，必须高精度地进行直躯干部的变形矫正，变形矫正需要花费相当多的劳力，从而导致交货期变长。
另外，上述的专利文献2所公开的坩埚中，直躯干部使用薄型的碳纤维增强碳基复合材料，而未进行考虑到圆筒部的尺寸精度的设计。因此，与上述的专利文献1所公开的坩埚相同地，存在因直躯干部的变形等而无法固定直躯干部和托盘部这样的课题。另外，为了将圆筒部(直躯干部)从内侧压入而需要环状隔离物。因此，该专利文献2所公开的坩埚中也存在成本升高、交货期变长这样的课题。
对此，一直以来，期望采用为了防止坩埚的破裂而将直躯干部和托盘部分割的构造、并且低成本且能够缩短交货期的碳制坩埚及其制造方法。
发明内容
本发明是鉴于上述的实际情况而提出的。其目的在于提供采用为了防止坩埚的破裂而将直躯干部和托盘部分割的构造、并且低成本且能够缩短交货期的碳制坩埚及其制造方法。
解决方案
为了实现上述目的，本发明的主旨在于，一种具备直躯干部和托盘部且被上下分割的碳制坩埚，在所述托盘部的与所述直躯干部相接的上端面设有内周侧或者外周侧中的任一方比另一方高的台阶部，所述直躯干部与所述台阶部嵌合，并且在该嵌合的状态下，在所述台阶部与所述直躯干部之间设有间隙。
根据上述结构，当在客户处组合直躯干部和托盘部时，即便在因直躯干部的真圆度而使尺寸并非如设计那样的情况下，通过使间隙成为空隙来实现顺畅的嵌合。另外，直躯干部有时也在输送过程中发生变形，即便在该情况下也能够通过使间隙成为空隙来将矫正变形等的工作量降至最低限度内而进行嵌合。其结果是，能够缩短交货期。此外，不需要现有例那样的从内侧压入圆筒部(直躯干部)的环状隔离物这样的构件。其结果是，能够实现低成本化。
在本发明的基础上，优选的是，在所述托盘部的与所述直躯干部相接的上端面设有外周侧比内周侧高的台阶部，所述直躯干部与所述台阶部嵌合，并且在该嵌合的状态下，在所述台阶部内周面与所述直躯干部外周面之间设有间隙。若采用上述结构，直躯干部存在于更接近石英坩埚的位置，能够与石英坩埚的变形相应地进行迅速保持。
在本发明中，优选的是，所述台阶部至少沿着周向设有多个。与台阶部沿着整周设置的结构相比，能够缩短加工时间。
在本发明中，优选的是，所述台阶部沿着整周设置。若采用上述结构，与托盘部嵌合的直躯干部的稳定性进一步提高。
在本发明中，优选的是，所述直躯干部由碳纤维增强碳基复合材料形成。若采用上述结构，具有容易形成圆筒状且在保管时以及加工时均不易产生破裂、缺口这样的优点。
在本发明中，优选的是，所述间隙的大小为所述直躯干部的直径的0.1％～1.0％。如此限制是因为，当低于0.1％时，难以进行顺畅的嵌合，当超过1.0％时，在直躯干部与托盘之间产生松动，需要将台阶部设计得更大。需要说明的是，在该0.1％～1.0％的范围内，无问题地实现嵌合是通过实验进行过确认的。
另外，本发明的主旨在于，一种具备直躯干部和托盘部且被上下分割的碳制坩埚的制造方法，其包括：第一步骤，其中，预先准备用于制作直躯干部的圆筒产品和用于制作托盘部的石墨块；第二步骤，其中，根据订单内容将所述圆筒产品切断为期望的长度而制作直躯干部，并且将所述石墨块加工为托盘部；第三步骤，其中，在出货地组装所述直躯干部和所述托盘部。
根据上述结构，仅是将圆筒产品切断为期望的长度而成为直躯干部，并且对托盘部进行切削加工，便能够迅速且容易地制作满足顾客的具体要求的碳制坩埚。另外，不用说直躯干部、在托盘部中通过切削来除去的部分也较少，因此能够高效地使用材料。
在本发明中，优选的是，所述直躯干部为碳纤维增强碳基复合材料制。若采用上述结构，存在容易形成圆筒状且在保管时以及加工时均不易产生破裂、缺口这样的优点。
在本发明中，优选的是，所述石墨块为预先与直躯干部匹配的尺寸的圆柱状产品。若采用上述结构，无需加工石墨块的外周部分，从而能够进一步缩短交货期。
在本发明中，优选的是，将用于制作所述直躯干部的圆筒产品与坩埚的尺寸匹配地准备有多个种类。若采用上述结构，能够迅速且容易地制作满足顾客的具体要求的碳制坩埚。
发明效果
根据本发明，当在客户处组合直躯干部和托盘部时，即便在因直躯干部的真圆度而使尺寸并非如设计那样的情况下，通过使间隙成为空隙来实现顺畅的嵌合。另外，直躯干部有时也在输送过程中发生变形，即便在该情况下也能够通过使间隙成为空隙来将矫正变形等的工作量降至最低限度内而进行嵌合。其结果是，能够缩短交货期。此外，不需要现有例那样的从内侧压入圆筒部(直躯干部)的环状隔离物这样的构件。其结果是，能够实现低成本化。
附图说明
图1是具备本发明所涉及的碳制坩埚的硅单晶体提取装置的主要部分剖视图。
图2是本发明所涉及的碳制坩埚的立体图。
图3是本发明所涉及的碳制坩埚的主视图。
图4是本发明所涉及的碳制坩埚的纵剖视图。
图5是将图4的一部分放大后的剖视图。
图6是用于说明碳制坩埚的制造方法的图。
图7是碳制坩埚的变形例的剖视图。
具体实施方式
以下，基于实施方式对本发明进行详细说明。需要说明的是，本发明并不限于以下的实施方式。
(实施方式1)
以下，基于实施方式对本发明进行详细说明。需要说明的是，本发明并不限于以下的实施方式。
(金属单晶体提取装置的结构)
图1是具备本发明所涉及的碳制坩埚的硅单晶体提取装置的主要部分剖视图。在图1中，附图标记1是单晶体提取装置，附图标记2是转轴，附图标记4是收容硅融液3的石英坩埚，附图标记5是保持石英坩埚4的碳制坩埚。在碳制坩埚5的外周配置有加热器6，利用该加热器6经由碳制坩埚5以及石英坩埚4而加热硅融液3，提取结晶块7并制作硅单晶体。
图2是本发明所涉及的碳制坩埚的立体图，图3是本发明所涉及的碳制坩埚的主视图，图4是本发明所涉及的碳制坩埚的纵剖视图，图5是将图4的一部分放大后的剖视图。碳制坩埚5具备大致圆筒状的直躯干部9和托盘部10，并将直躯干部9和托盘部10分割。直躯干部9为碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)制，托盘部10为石墨制。
在托盘部10的上端面设有外周侧比内周侧高的台阶部11。该台阶部11沿着整周设置，直躯干部9嵌合于台阶部11。如此，利用直躯干部9嵌合于台阶部11的构造，能够降低直躯干部9从托盘部10脱落、直躯干部9在横向上产生位置偏移的可能性。
在此，在直躯干部9嵌合于台阶部11的状态下，在台阶部11的内周面11a与直躯干部9的外周面9a之间设有间隙A。该间隙A在组合直躯干部9和托盘部10时作为空隙而发挥功能。由此，在组合直躯干部9和托盘部10时，能够将直躯干部9与托盘部10顺畅地嵌合。具体说明，即便在直躯干部9的真圆度并非如设计那样而产生尺寸误差的情况、将直躯干部9从制作场所向组装场所的搬运过程中发生变形的情况等，也能够通过使间隙A成为空隙来实现顺畅的嵌合，另外，即便修正直躯干部9的变形，也能够将矫正变形等的工作量降低至最小限度而进行嵌合。
在此，适当的间隙A的大小L2(参照图5)[mm]根据直躯干部9的直径L1(参照图4)[mm]而进行变动，因此间隙A的大小L2优选为直躯干部9的直径L1的0.1％～1.0％。限定为上述值是因为，当低于0.1％时，难以进行顺畅的嵌合，当超过1.0％时，在直躯干部与托盘之间产生松动或需要将台阶部11设计得更大。
(碳制坩埚的制造方法)
图6是用于说明碳制坩埚的制造方法的图。
直躯干部9以及托盘部10以如下方式制作。接着，组合直躯干部9和托盘部10而成为最终形状。需要说明的是，在直躯干部9以及托盘部10的设计阶段，在组合直躯干部9和托盘部10时，预先设定直躯干部9以及托盘部10的尺寸，以便在台阶部11的内周面11a与直躯干部9的外周面9a之间产生间隙A。
(1)直躯干部9的制作
根据缠绕成形法，制作外径以及厚度恒定的前驱体，烧制该前驱体并设为C/C复合材料而获得圆筒产品。圆筒产品的外径以及厚度恒定，因此即便根据顾客的具体要求而将任一部位切断，也能够获得恒定的直躯干部9，因此实现交货期的缩短化。
接着，如图6所示，将上述圆筒产品切断而获得满足顾客的具体要求的恒定的直躯干部9。
需要说明的是，作为圆筒产品的直径，优选与坩埚的尺寸匹配而准备多个种类。因而能够迅速地获得满足顾客的具体要求的直躯干部9。
(2)托盘部10的制作
对石墨块粗切出与托盘部的尺寸对应的尺寸并进行精加工，如图6所示形成托盘部10。如此使用石墨块而制作托盘部10的原因在于，托盘部10因顾客的需求不同而形状不同，因此从块形状加工能够减少材料的浪费。
需要说明的是，石墨块优选为圆柱状的块且准备外周与直躯干部9的尺寸对应的多个种类的块。这是因为，无需加工石墨块的外周部分，仅通过剖面方向的切断就完成粗加工，因此能够实现交货期的缩短化。
另外，粗加工时优选将中央加工为凹陷的形状。这是因为能够进一步高效地加工材料。
(3)坩埚的制作
单独地对由上述方法制作的直躯干部9和由上述方法制作的托盘部10进行捆包，搬运至客户处，在客户处组合而制作图6所示的最终形状的碳制坩埚5。需要说明的是，预先设计为当在客户处组合为最终形状时存在间隙A，由此能够实现顺畅的嵌合。
(其他事项)
(1)在上述实施方式中，台阶部11沿着整周设置，但也可以在周向上隔开间隔地设有多个。在该情况下，多个台阶部11优选在周向上隔开等间隔地设置。这是为了使嵌合于托盘部10的直躯干部9的稳定性提高。
(2)在上述实施方式中，在托盘部10的上端面设有外周侧比内周侧高的台阶部11，直躯干部9嵌合于台阶部11，并且在该嵌合的状态下，在台阶部11的内周面11a与直躯干部9的外周面9a之间设有间隙A，但本发明并不限于此，如图7所示，也可以是在托盘部10的上端面设有内周侧比外周侧高的台阶部11，直躯干部9嵌合于台阶部11，并且在该嵌合的状态下，在台阶部11的外周面11b与直躯干部9的内周面9b之间设有间隙A。
实施例
利用与上述实施方式的制造方法相同的制造方法，制作直躯干部直径L1以及间隙A的大小L2不同的四种碳制坩埚(实施例1、实施例2、实施例3、实施例4)，调查嵌合的程度并将其结果表示在表1中。需要说明的是，在表1中，除了间隙A的大小L2相对于直躯干部直径L1的比例处于0.1％～1.0％的范围外的情况以外，也对于利用与上述制造方法相同的制造方法制作出的3种碳制坩埚(比较例1、比较例2、比较例3)而调查嵌合的程度，并将其结果一并记载。
[表1]
由表1可知，间隙A的大小L2相对于直躯干部直径L1的比例处于0.1％～1.0％的范围内的实施例1～实施例4均没有问题而能够实现顺畅的嵌合。与此相对，在间隙A的大小L2相对于直躯干部直径L1的比例低于0.1％的比较例1、2中，比较例1的嵌合存在相当大的困难，而比较例2无法嵌合。在间隙A的大小L2相对于直躯干部直径L1的比例超过1.0％的比较例3中，存在落入一部分内侧的部分，松动较大而不合适。由此可知，间隙A的大小L2优选为直躯干部9的直径L1的0.1％～1.0％。
工业实用性
本发明应用于碳制坩埚及其制造方法，该碳制坩埚用于保持在硅等金属单晶体提取装置中使用的石英坩埚。
附图标记说明：
1：单晶体提取装置
4：石英坩埚
5：碳制坩埚
9：直躯干部
9a：直躯干部9的外周面
10：托盘部
11：台阶部
11a：台阶部11的内周面
A：间隙A

Claims (10)

1.一种碳制坩埚，其具备直躯干部和托盘部且将所述直躯干部和所述托盘部分割为上下部分，
所述碳制坩埚的特征在于，
在所述托盘部的与所述直躯干部相接的上端面设有内周侧或者外周侧中的任一方比另一方高的台阶部，
所述直躯干部与所述台阶部嵌合，并且在该嵌合的状态下，在所述台阶部与所述直躯干部之间设有间隙。
2.根据权利要求1所述的碳制坩埚，其特征在于，
在所述托盘部的与所述直躯干部相接的上端面设有外周侧比内周侧高的台阶部，
所述直躯干部与所述台阶部嵌合，并且在该嵌合的状态下，在所述台阶部内周面与所述直躯干部外周面之间设有间隙。
3.根据权利要求1或2所述的碳制坩埚，其特征在于，
所述台阶部至少沿着周向设有多个。
4.根据权利要求1或2所述的碳制坩埚，其特征在于，
所述台阶部沿着整周设置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的碳制坩埚，其特征在于，
所述直躯干部由碳纤维增强碳基复合材料形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的碳制坩埚，其特征在于，
所述间隙的大小为所述直躯干部的直径的0.1％～1.0％。
7.一种碳制坩埚的制造方法，其是具备直躯干部和托盘部且将所述直躯干部和所述托盘部分割为上下部分的碳制坩埚的制造方法，
所述碳制坩埚的制造方法的特征在于，
在该碳制坩埚的制造方法中包括：
第一步骤，其中，预先准备用于制作直躯干部的圆筒产品和用于制作托盘部的石墨块；
第二步骤，其中，根据订单内容将所述圆筒产品切断为期望的长度而制作直躯干部，并且将所述石墨块加工为托盘部；以及
第三步骤，其中，在出货地组装所述直躯干部和所述托盘部。
8.根据权利要求7所述的碳制坩埚的制造方法，其特征在于，
所述直躯干部为碳纤维增强碳基复合材料制。
9.根据权利要求7或8所述的碳制坩埚的制造方法，其特征在于，
所述石墨块是预先与直躯干部匹配的尺寸的圆柱状产品。
10.根据权利要求7所述的碳制坩埚的制造方法，其特征在于，
将用于制作所述直躯干部的圆筒产品与坩埚的尺寸匹配地准备有多个种类。
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