CN118005266A - 降低石英坩埚切割边料高度的模具及制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提高一种降低石英坩埚切割边料高度的模具及制备装置，该模具包括内壁，内壁包括直壁、圆弧壁以及底壁，圆弧壁连接直臂和底壁，其中，圆弧壁到底壁之间为圆弧部，端口到直壁的预设位置为端口部，端口部与圆弧部之间为中间部，圆弧部的内径尺寸、中间部的内径尺寸、端口部的内径尺寸依次增加。通过模具的内径尺寸从底部到端口处依次增加，使得石英砂在融制过程中，从底部到端口处石英砂分布的厚度逐渐增加，从而可以减少熔制腔体在靠近端口处热量的散失，增加石英坩埚的端口厚度，提高石英坩埚直壁厚度均匀性，进而降低石英坩埚切割边料的高度，在保证产品合格率的基础上，提高石英砂的利用率，降低石英坩埚的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及石英坩埚制造技术领域，具体涉及一种降低石英坩埚切割边料高度的模具及制备装置。
背景技术
石英砂是一种具有特殊的用途，主要用于光学玻璃、电子材料、半导体材料、太阳能电池、光导纤维等高科技领域。其特点是化学成分单一、无污染、晶体度高、抗热性好、机械强度大等，因此在高科技领域有广泛应用。高纯石英砂市场需求呈现稳步增长趋势，市场规模不断扩大。
石英坩埚是拉制大直径单晶硅，发展大规模集成电路必不可少的基础材料，随着市场对石英砂需求的持续上涨，石英砂价格持续上涨，石英坩埚的制造成本也在持续上涨。石英坩埚目前主要采用高温电弧法熔制，石英坩埚熔制之前需要将高纯石英砂倒入模具内表面，利用离心力作用和成型棒手工成型，将已成坩埚形的旋转装置回转到电极棒处，然后将电极起弧并插入已成型的粉料腔内，使其快速融化成坩埚形状石英，经过冷却后取出，即完成一个石英坩埚的毛坯生产。但是在石英坩埚熔制过程中，熔制腔体里距离模具端口越近热量散失越快，导致产品端口偏薄，端口尺寸偏下限，为提高产品合格率，目前只能切割掉更高的边料来保证产品合格率，从而降低了石英砂的利用率，提高了石英坩埚的制造成本。
现有技术中，如申请号为CN200910207795.2的发明专利公开了一种石英坩埚制造用模具，该模具包括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，该环形绝热障壁材料设置于模具的对应于石英坩埚的上部区的上部开口部分的内周壁上，从而通过环形绝热障壁材料预先使模具形状呈现为对应于坩埚的上部的形状。但是该专利加入环形绝热障壁材料融制后，石英坩埚切割边料的高度仍然在120mm，故切割边料的高度仍然很高，无法满足当前对石英坩埚切割边料高度的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种降低石英坩埚切割边料高度的模具，以解决现有石英坩埚融制后切割边料高度过高的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种降低石英坩埚切割边料高度的模具，包括内壁，所述内壁包括直壁、圆弧壁以及底壁，所述圆弧壁连接所述直臂和所述底壁，其中，圆弧壁到底壁之间为圆弧部，端口到直壁的预设位置为端口部，所述端口部与所述圆弧部之间为中间部，所述圆弧部的内径尺寸、所述中间部的内径尺寸、所述端口部的内径尺寸依次增加。
优选地，所述端口部的端口处为第一位置，所述中间部的上端为第二位置，所述圆弧部的圆弧与直壁相切位置为第三位置，所述第三位置的内径尺寸、所述第二位置的内径尺寸、所述第一位置的内径尺寸依次增加。
优选地，所述第一位置与所述第二位置之间的间隔为200-270mm。
优选地，所述端口部与所述中间部之间的角度为W1，所述中间部与所述圆弧部之间的角度为W2，其中，W1>W2。
优选地，W1为0.4-1.9度。
优选地，W2为0-0.35度。
本发明还提供一种降低石英坩埚切割边料高度的制备装置。
一种降低石英坩埚切割边料高度的制备装置，包括如上述所述的模具以及成型治具，所述成型治具包括治具直臂、治具底壁、治具圆弧壁以及顶针，所述治具圆弧壁连接所述治具直臂和所述治具底壁，所述顶针安装在所述治具底壁的端处，所述成型治具通过所述顶针与所述模具连接。
优选地，所述成型治具竖直插入所述模具，与所述模具的直壁成预设角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过设计模具的圆弧部的内径尺寸、中间部的内径尺寸、端口部的内径尺寸依次增加，即模具的内径尺寸从底部到端口处依次增加，使得石英砂在融制过程中，从底部到端口处石英砂分布的厚度逐渐增加，从而可以减少熔制腔体在靠近端口处热量的散失，增加石英坩埚的端口厚度，提高石英坩埚直壁厚度均匀性，进而降低石英坩埚切割边料的高度，在保证产品合格率的基础上，提高石英砂的利用率，降低石英坩埚的制造成本。
附图说明
图1是本发明的降低石英坩埚切割边料高度的模具的结构示意图。
图2是本发明的成型治具的结构示意图。
图3是本发明的降低石英坩埚切割边料高度的制备装置的结构示意图。
图中：制备装置1、模具10、内壁100、端口部110、中间部120、圆弧部130、成型治具20、治具直壁210、治具底壁220、治具圆弧壁230、顶针240、石英砂300。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
请参看图1，一种降低石英坩埚切割边料高度的模具10，包括内壁100，内壁100包括直壁、圆弧壁以及底壁，圆弧壁连接直臂和底壁，其中，圆弧壁到底壁之间为圆弧部130，端口到直壁的预设位置为端口部110，端口部110与圆弧部130之间为中间部120，圆弧部130的内径尺寸、中间部120的内径尺寸、端口部110的内径尺寸依次增加。其中，预设位置可以是根据模具的尺寸对应设置，模具尺寸越小，预设位置离端口处越近。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
因为石英坩埚融制过程中，模具与水冷却装置直接接触，使得直接接触模具的石英砂热量散失较快，且越靠近端口处热量散失的越快，从而导致融制出的石英坩埚端口偏薄，为提高石英坩埚的合格率，目前只能切割掉更高的边料来保证产品合格率。本发明通过设计模具的圆弧部的内径尺寸、中间部的内径尺寸、端口部的内径尺寸依次增加，即模具的内径尺寸从底部到端口处依次增加，使得石英砂在融制过程中，从底部到端口处石英砂分布的厚度逐渐增加，从而可以减少熔制腔体在靠近端口处散失的热量，增加石英坩埚的端口厚度，提高石英坩埚直壁厚度均匀性，进而降低石英坩埚切割边料的高度，减少因边料过高损耗的石英砂，在保证产品合格率的基础上，可以有效提高石英砂的利用率，降低石英坩埚的制造成本。同时由于石英坩埚切割边料的高度降低，使得边料可以一次性切割，从而有效提升切割效率，实现降本增效的作用
其中，在一些实施方式中，圆弧部130的内径尺寸、中间部120的内径尺寸、端口部110的内径尺寸在依次增加时，可以采用不均匀的增加，即端口部110的内径尺寸相较于中间部120的内径尺寸增加的幅度，可以大于中间部120的内径尺寸相较于圆弧部130的内径尺寸增加的幅度，使得端口部110处的直壁的斜率与中间部120处的直壁的斜率不同（如图1所示）。这是由于在石英坩埚融制的过程中，融制腔体里越靠近端口处热量散失的越快，采用不均匀的增加可以使得端口部的内径尺寸更厚，而中间部的内径尺寸变化不多，从而可以使得端口处的热量散失减少，融制的石英坩埚的端口变厚，而中间部的尺寸变化不大，以更准确的解决现有石英坩埚端口偏薄的问题，进而降低石英坩埚切割边料的高度，提高石英坩埚的利用率，减少石英坩埚的制作成本。在另一些实施方式中，圆弧部130的内径尺寸、中间部120的内径尺寸、端口部110的内径尺寸依次增加，也可以是均匀增加，即圆弧部130底部的内径尺寸到端口部110的端口处的内径尺寸均匀的增加，每一处增加的幅度是一样的，使得端口部110处的直壁的斜率和中间部120处的直壁的斜率相同，从而可以降低石英坩埚切割边料的高度，同时还方便模具的制作。
其中，在一些实施方式中，设计模具内壁10的端口部110的内径尺寸、中间部120的内径尺寸以及圆弧部130的内径尺寸在依次增加时，对应的模具的外壁尺寸可以与现有的模具的外壁尺寸相同，仅内外壁之间的厚度跟随内壁的内径尺寸变化，及内径尺寸最大的端口处，端口处的内壁和外壁之间的厚度也相应最薄，从而可以节省制造模具的材料，降低模具的制作成本。在另一些实施方式中，设计模具内壁10的端口部110的内径尺寸、中间部120的内径尺寸以及圆弧部130的内径尺寸在依次增加时，而内外壁之间的厚度不变，使得外壁的尺寸跟随内壁的内径尺寸变化，从而使得模具受到的温度均匀，更有利于石英坩埚的融制。
进一步地，如图1所示，端口部110的端口处为第一位置D1，中间部120的上端为第二位置D2，圆弧部130的圆弧与直壁相切位置为第三位置D3，第三位置的内径尺寸为D3、第二位置的内径尺寸为D2、第一位置的内径尺寸为D1依次增加。其中，可以以圆弧部130的圆弧与直壁相切位置为基准内径尺寸D3，然后根据基准内径尺寸D3、模具的尺寸以及预先设置的对应表设计D2、D1的尺寸。
进一步地，第一位置D1与第二位置D2之间的间隔为200-270mm。
进一步地，端口部110与中间部120之间的角度为W1，中间部120与圆弧部130之间的角度为W2，其中，W1>W2。由于融制腔体内越靠近端口处热量散失的越快，而W1>W2可以使得端口部的内径尺寸与中间部的内径尺寸的差值，大于中间部的内径尺寸与圆弧部的内径尺寸的差值，使得端口处的内径尺寸变得更大，从而更适应端口处热量散失最快的问题，同时使得端口处的石英砂铺设的更厚，进而降低石英坩埚切割边料的高度，减少因边料过高而损耗的石英砂。其中，W1可以是第一位置与第二位置之间的角度，W2可以是第二位置与第三位置之间的角度。进一步地，W1可以为0.4-1.9度，W2可以为0-0.35度。
下面可以参看表1对应的参数
表1
通过表1，可以对应设计不同尺寸的模具的内径尺寸。通过表1，可以对应设计不同尺寸的模具的内径尺寸。作为一种示例，当要制作24英寸的模具时，模具可以以圆弧壁与直壁相切的位置，即第三位置的内径尺寸为基准内径尺寸D3，该尺寸与现有24英寸石英坩埚模具的内径尺寸一致，然后将离端口处200mm的位置作为第二位置，设计第二位置与第三位置之间的角度为0.09度，接着设计第一位置与第二位置之间的角度为0.6度，从而可以得到第三位置的内径尺寸、第二位置的内径尺寸、第一位置的内径尺寸是依次增加的，根据上述方式制作出的24英寸模具，用来融制石英坩埚，可以使得融制后的石英坩埚的切割边料高度小于或等于90mm。
请同时参看图2及图3，一种降低石英坩埚切割边料高度的制备装置1，如上述的模具10以及成型治具20，成型治具20包括治具直臂210、治具底壁220、治具圆弧壁230以及顶针240，治具圆弧壁230连接治具直臂210和治具底壁220，顶针240安装在治具底壁220的端处，成型治具20通过顶针240与模具连接10。
进一步地，成型治具20竖直插入模具10，与模具10的直壁成预设角度。
其中，模具10的底壁中心位置可以设置有定位孔，定位孔便于将顶针插入。成型治具20可以将顶针240竖直插入定位孔，以将成型治具20与模具10固定。从而使模具10直壁与成型治具20存在预设角度，由于成型治具20是竖直插入模具10，预设角度即为W1、W2，其中，W1为端口部110与中间部120之间的角度，W2为中间部120与圆弧部130之间的角度，并且W1＞W2。
其中，石英坩埚的制备方法包括如下过程：启动模具10旋转，将模具10倾斜60度，把石英砂300倒入模具10的直壁上，并继续保持模具10旋转；将成型治具20的顶针240竖直插入模具10的底壁的定位孔，通过成型治具20对模具10直壁上的石英砂300进行刮平，使石英砂300成型，其中，石英砂成型时的厚度如图3所示，阴影区域为石英砂的分布状态，即石英砂300在端口处的厚度为T1，石英砂300在中间部的上端的厚度为T2，石英砂300在圆弧与直壁相切位置的厚度为T3，且T1>T2>T3。石英砂成型后，模具10调整到90度，即竖直的位置，并将成型治具20从模具10中拿出。然后通过弧光放电产生高温使石英砂快速熔化。在上述过程中，模具10始终保持旋转。待高纯石英砂熔融完成后，模具10保持旋转，自然冷却后取出，即制得所述石英坩埚坯，初步检查石英坩埚坯无黑点气泡裂纹缺陷后，测量石英坩埚坯尺寸是否符合工艺要求，合格时进入冷加工。接下来，对石英坩埚坯进行喷砂、切断倒角加工，测量石英坩埚坯总厚度和透明层厚度，合格时进行超声清洗、高温烘干。最后，检测石英坩埚内外表面以及凸起有无黑点、气泡、划伤、压痕、异物等缺陷，合格后进行真空包装，制得石英坩埚成品。
从而在布石英砂过程中模具给定对应的速度转动，成型治具与模具内壁保持一定的距离不动，石英砂在成型治具的刮动下均匀、平整分布在模具内壁，由于模具内径尺寸D1>D2>D3，从而使得石英砂分布T1>T2>T3。由于融制腔体内越靠近端口处热量散失的越快，而石英砂的厚度从底部到端口处逐渐变厚，可以减少端口处热量的散失，使得最终石英坩埚的直壁厚度尺寸T1≈T2≈T3，从而提高产品直壁厚度均匀性，同时可以降低石英坩埚的切割边料高度，保证石英坩埚边料高度≤90mm，满足自动切割机一次性切割，大幅度提高切割效率，进而提高石英坩埚在生产时的石英砂利用率，降本增效效果明显，作业效率明显提升。并且模具内径尺寸从底部到端口依次增加，更加有利于石英坩埚脱模。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种降低石英坩埚切割边料高度的模具，其特征在于，包括内壁，所述内壁包括直壁、圆弧壁以及底壁，所述圆弧壁连接所述直臂和所述底壁，其中，圆弧壁到底壁之间为圆弧部，端口到直壁的预设位置为端口部，所述端口部与所述圆弧部之间为中间部，所述圆弧部的内径尺寸、所述中间部的内径尺寸、所述端口部的内径尺寸依次增加。
2.根据权利要求1所述的降低石英坩埚切割边料高度的模具，其特征在于，所述端口部的端口处为第一位置，所述中间部的上端为第二位置，所述圆弧部的圆弧与直壁相切位置为第三位置，所述第三位置的内径尺寸、所述第二位置的内径尺寸、所述第一位置的内径尺寸依次增加。
3.根据权利要求2所述的降低石英坩埚切割边料高度的模具，其特征在于，所述第一位置与所述第二位置之间的间隔为200-270mm。
4.根据权利要求1所述的降低石英坩埚切割边料高度的模具，其特征在于，所述端口部与所述中间部之间的角度为W1，所述中间部与所述圆弧部之间的角度为W2，其中，W1>W2。
5.根据权利要求4所述的降低石英坩埚切割边料高度的模具，其特征在于，W1为0.4-1.9度。
6.根据权利要求5所述的降低石英坩埚切割边料高度的模具，其特征在于，W2为0-0.35度。
7.一种降低石英坩埚切割边料高度的制备装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的模具以及成型治具，所述成型治具包括治具直臂、治具底壁、治具圆弧壁以及顶针，所述治具圆弧壁连接所述治具直臂和所述治具底壁，所述顶针安装在所述治具底壁的端处，所述成型治具通过所述顶针与所述模具连接。
8.根据权利要求7所述的降低石英坩埚切割边料高度的制备装置，其特征在于，所述成型治具竖直插入所述模具，与所述模具的直壁成预设角度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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