TW201002874A - Crucible holding member and method for producing the same - Google Patents

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201002874 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 :發明係有關於_種用以固持一坩堝之坩堝固持裝 置藉以合納一南溫融化物如金屬、破離或矽，及其製造 方法将別疋有關於一種以碳/碳複合材料（c/c 製成之坩堝固持裝置藉以固持一石英坩堝（quartz cnnble)’而用於一單晶矽拉晶製程中，及其製造方法。 【先前技術】 目前為止，碳材料已普遍使用於單晶矽之拉晶製程 中，其係由於碳材料具有高熱阻及高熱震（thermal sh〇cI〇 之特性，以及碳材料極少污染矽之原因。更特別的是，等 向性石墨（isotropic graphite)材料極少會與製程中由於 其高密度而產生之反應氣體如氧化矽（Si〇)發生反應，且用 於容納矽融化物之石英坩堝之等向性石墨材料其與二氧化 矽（Si〇2)之反應率亦非常小。因此，石墨材料廣泛地用作 掛竭固持裝置藉以固持石英掛禍之周圍。 近年來，矽晶圓在直徑的增加已發展成為了增加良率 及改善產量，因此直徑30〇mm的晶圓被建立，而直徑更進 一步超過400mm的晶圓亦是被期待的。基於晶圓直徑的增 加，單晶矽之拉晶裝置的尺寸亦相對變大，而用於裝置中 的坩堝固持元件其重量亦變得非常重，使得在操作上如設 置裝置時變得困難。更進一步，茸命w =里^ & ^ 寻向性石墨材料的製造程 序中需要一在流體靜壓力（hydrostMk 、 i Pressure)下之加 7042-10542-PF 4 201002874 壓程序’且需要具有直徑為石墨產品約1.5倍之冷均壓 a〇1d isostatic Press，CIP )裝置。—般的冷均屋裳置 其直徑都不足夠用於使用大尺寸坩堝固持元件之等向& 墨材料，因此大尺寸的裝置變得更為必要。 當一種製造大尺寸石墨掛禍固持元件的技術不需使用 冷均壓裝製時，便期望有一技術其包括利用纏繞製程 (filament winding process)以形成特定外型之碳纖維， ('使其浸滿樹脂或用以為基材（matrix)，並使其燃燒以製造 出由碳/碳纖維複合材料（以下稱為碳/碳複合材料）（如曰 本專利JP-A-1 0-1 52391或日本專利JP—A_u_6〇373)製成 之坩堝固持元件，以及一技術包括將碳纖維布料黏附至成 型模（forming die)，執行造模（m〇lding)及硬化（⑶^叫） 程序以完成一碳纖維強化塑膠，接著，執行浸浴 (impregnating)及燃燒加熱（burning)程序以完成由碳/碳 ^ 複合材料製成之坩堝固持元件（如日本專利 〇 JP-A-10-245275)。 同時，在單晶矽拉晶裝置中，單，晶錠（singie ingot)是由融化的矽所製成，因此裝置的内部是必須加熱 到等於或间於矽的融點（meltingp〇int，當矽融 化時，被插置入其中坩堝固持元件及石英坩堝將被軟化 (softened)並彼此黏附。 石央玻璃的熱膨脹係數為0. 6x1 (r6ct，而碳/碳複合材 料亦大致相同，據此，當裳置在石夕融液圓滿完成拉晶程序 U製成單晶键並幾乎完成移除後而冷卻時，二者會-起被

7042-10542-PF 5 201002874 冷卻而不會彼此限制。然而’當石夕融液之凝結發生問題時， 如開始拉晶之後立即的電源中斷，矽具有膨脹的特性（約膨 脹9. 6%)會隨著凝結而發生，據此，上述之膨脹將導致石 英坩場與坩堝固持元件的尺寸亦一同放大。 在一用以拉出小直徑單晶錠之裝置的例子中，即使當 上述之問題發生時，冷卻已被執行一短既定時間，然其未 凝結的融化物洩露出的量也非常少。然而，在—用以拉出 大直徑單駿之裝置的例子中，當同樣的問題發t時，將 會冷卻-段時間’ i一旦融化物開始、茂露，非常大量的融 化物將流出至裝置的底部，此將造成嚴重的損壞。 由上述之日本專利抒^〇-15239 1或JP —a_u_6〇373 利用纏繞製程製造以碳/碳複合材料製作之坩堝固持元件 具有非常高的強度’是因為其具有大量的碳纖維平行地纏 ^在其0周方向上’使得此㈣固持元件非常適合製作成 大尺寸…固持元件。然當上述之問題發生時，排 ==元件圓周方向上的碳織維會由”融化物在 產生的膨脹而被非常大的力量拉 維可能會斷裂而造成掛禍固持元件的損壞。 厌纖 、更進一步’同樣地以上述之曰本專利JP-A-10-245275 ;由黏附錢維布料以製作…固持元件，亦存在大量 的碳纖維排列於其圓周方向 丌存在大里 因如上所述之—方向的拉力:=持元件亦可能 製財’碳織::纒作一持元件之 ’、、’布料係黏附於成型模以

7042-10542-PF 201002874 衣以出外型，基材前驅體（ma1;rix precurs〇r)如樹脂係滲 入充滿著碳纖維或碳纖維布料’而熱硬化（heat curing) 及燃燒碳化（burning carbonization)程序係連同外型模 一起執行，接著再由外型模上移除。在上述步驟中，由於 外型模與由碳/碳i合材料製作之坩堝固持元件之間熱膨 脹係數的不同’強大的拉力亦施加於碳纖維上，此亦可能 會造成碳纖維的斷裂。

另外，即使碳/碳複合物係具有絕佳強度之材料，但在 需要製作具有更高之強度時其仍具有其結構限制 al Iimit)’此係由於習知之以碳/碳複合材料 ^掛瑪固持元件具有單層結構（職。Μ咖㈣） 在石英坩堝持續增加尺寸的情況下，且隨著i尺 亦可以想見非常大的力量將作用於_固持元 件上’基於此’便更希望掛瑪固持元件的強度能夠更加改 =二既然習知之以碳/碳複合材料製作之_固持元 仵具有早層的結構，Ρ丨丨石穿Μ 山 、j厌纖維或呶纖維布料的一端即在門 口口P之周圍處形成一斷裂 幵 強度嚴重地降低。端^成㈣’造成在開口部的 固# 一個 。因 以支 即使 义之缺點並不限於用於單晶梦拉晶裝置之 几件中，同樣的問題亦發生在上述的其他領域中 -件容納了不同熱膨脹係數的容納物在其 此，希望發展出一種掛竭固持元 撐且有妒舌舌θ 、八有足夠之 重重！之容器，並阻止、避免

疋在拉力發生於圓周方向的情況下日夺。 -7042-] 0542-PF 7 201002874 【發明内容】 本發明的現況已在上述的說明中描述，因此本發明之 -目的係要提供-坩堝固持元件其具有改進之強度，其即 使當強大的張力施加於圓周方向時仍能有穩定的外型，更 進-步，在開口部能減少其強度，使得磨損邊緣能夠盡可 能的不會發生。 ~ K I六—裡咁堝固符元 y M: ㈣狀本體’藉由編，織相對於網狀本體之 m係斜向排狀複數個股而製成U包括複數個 碳纖維，網狀本體具有一雙層開口部，其中網狀本體之一 ::沿-圓周部朝内或朝外翻折以與網狀本體之另一側相 皆，以及-基材’浸入網狀本體之碳纖維之間的縫隙中。 根據此坩堝固持元.件，ώ b 由於叔疋斜向地編織，因此即 使當強大的張力係施加於 雜垃， 於®周方向時，其外型仍可穩定的 田’。網狀本體藉由將_側翻摺以重疊 因此，相對於單層結構來說盆強择^ 有又層，'、口構 磨損邊緣被減少發生或根本被避免發生了。 ㈣ 括在⑴所述之㈣固持元件中，其網狀本體可以包 括.複數個第一股，相對於軸線係：二 列；以及複數個第二股，相對於μ、'方向而斜向排 排列，其中，第一方向 '，，、以一第二方向而斜向 °目對於軸線係相反於第二方向。 根據此坩堝固持元件， 此即使當力量在圓周方周方向其剛性是較小，因 網狀本體在圓周方向 力㈣固持兀件時， 將因由弟一股i5A與第二股ΐ5β構

7042-] 0542-PF 201002874 形狀格子o^bQld_shapedlatti㈣的歪斜而放 大，藉以吸收在圓周方向上的張力。 (3)在（1)或（2)所述之坩 批尚固持几件中，其網狀本體可

更包括複數個縱向股沿著轴線而排列。 T 根據此掛禍固持元件，_的負重係施加於垂直 上，相同於縱向股的延伸方向，因此，網狀本體在垂直方 向上的負載此力（意即承载堆禍的強度）被增加了。 "' ⑷在⑴至（3)所述任—之掛禍固持元件中，i網狀本 體可以為似球體狀，> 彻_、脚 ，、網狀本 ㈣w 主轴沿圓周方向對半朝内 翻折’使件網狀太體沾 /Hl t 狀本體的一側與網狀本體的另一側相重疊。 根據此掛禍固袒女丛 1 i 口持70件，可輕易地準備具有環形/益邊譬 層結構之碗狀網狀本體，f …、雙 網㈣… Μ更進-步，相對於分別製作兩個 網狀體再將其互相重辱夾％ 里®果呪，以上述之方法可具有 的準確性，因此可.以使網狀本體整體的強度增加特二 、以’可形成高強度之開口部23而盡量減少或甚= ’ 磨損邊緣（fraying)的發生。 (5) 在（1)至（4)所述任_ 坪叮、，3之坩堝固持兀件中，其網狀本 肢可以呈圓柱狀，在轴線方 ^ … 至）一側之一末端係開放 的’而上述末端係朝内或朝外知 次朝外翻折以形成雙層開口部。 根據此掛竭固持元杜，问t t 丹疋件，囫柱狀之網狀本體的開放 部係被翻轉回折的，因此扁P ^ U此在開口部係為雙層結構 口部的強度被增加，且避务了 πο 幵 避免了在早層結構時其股的 在開口部的位置所造成之磨損邊緣的發生。 、 (6) 在（5)所述之掛识间杜„ 竭固持凡件中，被朝内或朝外翻折

7042-] 0542-PF 201002874 之側之末端可以黏著劑而黏附至網狀本體的另一側。 根據此坩堝固持元件，舉例來說，當網狀本體是具有 封閉端之圓柱形時，即一側是開放而另一側是封閉時，上 iii 1木鸲。卩的一側是被往回翻折至鄰近於底部，並藉由 黏著劍而黏附於此，因此使得網狀本體從開口部至一 ^ 除底部外係具有警异社错_ 雙層，、構的，此可以產生高強度以抵括絲 加在圓周方向上的茫六，、，门士 也 勺張力亚同％避免開口部磨損邊緣的 生。 ，⑺根據本發明之—形態，本發明提供—種㈣固持元 件的製造方法，包括：形成一 σ ' 双、.码狀本體，主中空似球

並具有一主車由，蕤由结》嫉：ki4kL —猎由編織相對於主轴係斜向排列之複數個 衣成’母一股包括複數個碳纖維；依主軸的一半况一 圓周部朝内翻折折疊網狀本體，使得網狀本體的一侧：另 一側相重疊；lit » if交：_L_L 〜力 隙中。 及將基材Μ網狀本體之碳纖維之間的縫 根據此掛禍固持元件的製造方&， 相斟於主4 對具相同外型且 相對於主轴係相對稱之碗 相杳蟲—、 蒞丨係彼此以内側及外側互 重且’藉以形成具雙層社羞 又曰、、。構之她狀網狀本體。 (8)在（7)所述之坩堝固持元件的 股係由編織在_砂芯的... 化方法中，複數個 /心的—外表面上以张士/ ^ 本體，之後，砂芯係被移除以形成中:u體狀之網狀 根據此掛瑪固持元件的製造工/罔狀本體。 在—似球體狀之砂芯的-圓周外表複數個股係由編織 由可輕易破壞以移除的材料製作：方法可舉例來說’係藉 可以為沿著主軸之

7〇42-l〇542-PF 10 201002874 一末側而鋪設（overlaid)於砂芯，因此可形成外形相似於 砂芯的網狀本體，接著，將砂芯破壞至可以取出的尺寸並 將之移除，舉例來說，經由未編織處或網眼而移除，藉此 可輕易的製成具中空空間的似球體狀網狀本體，且具高度 之準確度。 根據上述之掛瑪固持元件中，由包括複數個碳纖維以 斜向編織股所形成之中空網狀本體的一侧係朝内或朝外沿 〇 ®周部翻折而與另一側重疊，藉以形成雙層結構，據此， 相對於單層結構來說，其強度可容易的被改進，因此，即 使當強大的張力係施加於圓周方向時，其外型仍可穩定的 維持’且開口部的磨損邊緣可被減少發生或根本被避免發 生。 ，根據上述之製作掛竭固持元件之方法令，複數個股係 斜向編織以形成中空網狀本體，且網狀本體係對半朝内翻 折使得網狀本體的一側係與網狀本體的另—側相重疊，據 此，環形/無邊雙層結構之掛塌固持元件具有高強度且在 張力施加於圓周方向時在外形上具高穩定冑，更進一步， 相較於準#兩㈣狀本體再將其互相重疊㈣況來說，可 輕易地達到開σ部的磨損邊緣被避免並具高準確度。 【貫施方式】 ::將配合圖示說明依據本發明之掛禍固持元件及 二广種實施例。第1圖係顯示依據本發明之-也中構成_固持元件之網狀本體的剖面圖1 2圖係

7042-10542-PF 201002874 不第1圖中的網狀本體之部份放大前視圖。在本實施例中 掛場固持元件1〇〇包括網狀本體13,其告碳纖維'u以及 填充於網狀本體13之碳纖維丨丨之縫隙中的基材所構成， 網狀本體13大體上係為籃網狀（bUsket —Uke)且具有封 閉端，更明確的來說，網狀本體13包括大體上為圓柱型 (CylindriCal)之本體部 12 及碗狀（b〇w：l-Shaped)底部 14。此網狀本體13係利用三軸向織造（triaxiai 以由稷數個碳纖維丨丨交錯編織綑綁而成的束帶狀股 (i*ibb〇n-likestands)所製成，意即，網狀本體丨3具有三 軸向織這構造（tnaxiai weave structure)包括第一股（Μ 係以相對於網狀本體13之軸線L具有一傾斜之角度+ θ(〇 < Θ <90)之方式排列，第二股15β係以具有—傾斜之角度 -Θ之方式排列，以及縱向股15(：係在同一平面上沿著轴 線L排列。換句話說，第一股15A係相對於轴線l以第一 角度排列在第一方向上，第二股15B係相對於軸線L以第 一角度（大小與第一角度相同）排列在第二方向，且第—方 向及第二方向相對軸線L係互相對稱的’附帶一提，在上 述的結構中，第一股15A與第二股15β係相對於網狀本體 1 3之軸線L以相同的傾斜角度彼此相對地排列，然而，在 ::明中’是不一定需要以同樣的角度來排列的。但是， 虽弟一股15A與第二股ί5β係以相同的傾斜角度排列時對 ^程來說是較容易的，且同時之機械強度平衡亦較容易 違戚。 網狀本體13可確保具有高強度係因為第—股與第

7042-10M2-：PF 12 201002874 二股1 5 B係以編織狀彼此編造在一起，可牢固地支撑著容 器。更者，第一股1 5A與第二股1 5B是相對於網狀本體i 3 之軸線L傾斜地排列，且不是排列在垂直於中心軸的方向 上（意即網狀本體1 3的圓周方法），因此得到了在圓周方向 剛性（rigidity)較低之結構。基於此，即使在因某些原因 而使得力量作用在坩堝固持元件100上進而分布在圓周方 向時，由第 •---'咐从〜殳开夕狀粉于

(rhomboid-shaped lattices)將會歪斜，藉此網狀本體13 在圓周方向上會變大以吸收在圓周方向上的擴大，據此， 碳纖維的斷裂將較不易發生，且外型大體上可以被保持 住，因此坩堝固持元件即具有較佳之外型穩定度。 更進一步，在網狀本體13中，第一股15A與第二股 15B相對於軸線L之傾斜角& θ可以適度地更改，視坩堝 固持元件100每一部份(位置)所需之剛性而定。網狀本體 13在圓周方向的剛性可藉由改變傾斜角度θ而調整，因 此圓周方向的剛性可視實用性或依網狀本體Μ 份（位置）而改變。 ° 淋J狀尽體 =广，成平面)的方向而排列’網狀本體具有·縱向股 因此^成複數個具㈣隨面之集合體，每—個集 。糸由母個股15Α、⑽及15c所構成，以增 :於垂直方向上的負載能力(意即承 強 此’具較“量之石英料可以確實的被據 供適用於大；e + 牙’因此可提 大尺寸早晶石夕拉晶裝置之掛禍固持元件1〇〇。

7042-] 0542-PF 13 201002874 每一股15係由編織約數以萬計（tens 〇if th〇usands) 之碳纖維11而製成，當以碳纖維丨丨製成股丨5時，可使用 瀝青系（P1 tch-basecn碳纖維、聚丙烯晴系（pAN_based)碳 纖維或類似物。構成第一股15A、第二股15B及縱向股15(： 的碳纖維Π可以是相同的材料或不同的材料。股丨5的外 型可以為桿狀（rod form)或其他類似形狀，例如為條帶狀 (^bb〇n form)。更者，當股需要被浸浴在樹脂或類似物以 製成股15時，適度的彈性是需要的，使得在纏繞成近乎圓 形時是較容易的’即使是以手工纏繞的情況下。 被覆於網狀本體13之基材前驅體（matrix precurs〇r) 可以是各種類，只要其可因燃燒而形成碳化或石墨基材。 因為基材前驅體係因燃燒而碳化或石墨化，因此可使用由 石油、煤或類似物所取得之瀝青，和熱固性樹腊 (thermosetting resin )—樣具有高碳化度，如c〇pNA樹 脂、酚樹脂（phenol resin)、夫喃樹脂（furan resin)或聚 酿亞胺樹腊（polyimide resin)。更者，基材可以由化學氣 相滲入（Chenucal Vapor Impregnati〇n)之熱解碳 (pyrolytic carbon)、碳化矽（SiC)或類似物而製成。 在根據本實施例中之坩堝固持元件1〇〇中，一（上）側 1 7在網狀本體丨3之一軸線方向上是朝内或朝外翻轉的（在 本圖示中是朝内翻轉），在圓周部份1 9是將一側丨7與另— (底）側21互相重疊的，藉此形成雙層開口部2 3 ,因护 網狀本體13 —開始是做成似球體狀（spher〇idal sha奸）， 接著依圓周部份1 9的中心沿著當成主軸之軸線L對半朝内 7042-10542-PF 14 201002874 摺疊（翻轉）以將一側]7备· ^ J1 、 重®至另一側21。具有環狀/盔邊 (endless)之雙層結構 ’’、 毒的^狀之網狀本體13可以輕易地被 製造’更者，相對於公 、刀別製作兩個網狀體再將其互相重 來說’以上述製造可1古s ^ ”有更鬲度的準確性。因此可以使綢 狀本體整體的強度姆知， s ’更特別的是’可形成高強度之開 口部2 3而沒有磨損邊 . 貝建緣（fraying)的發生。至此，網狀本 體1 3的原始外型可u么 、 』以為任何形狀，只要網狀本體13可以

被做成具環形/益邊 、透雙層結構之碗狀，且在折疊之前的原於 形狀亦不限制於似球壯 以坺粗狀。因此，網狀本體丨3在折疊前之 原始形狀可以是球狀、兩端以平行底面封住之圓柱狀或兩 端以半球狀底面封住之圓柱狀，更甚者，係圓柱狀其—端 為開口端’將於之後說明。 以下將配合第3圖及第4圖說明依據本實施例之坩禍 固持兀件之製造方法的一個示範例。帛3圖係顯示根據本 實施例之製造方法步驟之流程圖，第4圖係顯示根據本實 施例之製造方法步驟之示意圖。依據本實施例之坩堝固持 元件1〇〇大致上可由五個步驟製造：也就是纏繞（weaving) 步驟S卜浸入（impregnation)步驟S2、硬化（curing)步驟 S3、碳化步驟（carbonizatiorOSd以及高度淨化 (highly-purifying)步驟 S5。 A)纏繞（weaving)步驟 S1 首先’準備用以製作三軸向織造網狀本體13(請見第i 圖）之如第4A圖之球狀成型模（砂芯core)25，雖然砂;^ 25 的材質並沒有特別的限制，但因為之後的移除步驟，故最 7042-10542-PF 15 201002874 好使用可輕易移除的砂芯。砂芯25可以是由彈性薄片 (elashc sheet)製成之袋狀體（bag让邛幻，其中壓縮空 氣係被密封的，就如同一成型產品其材料具有好的外型/ 可破壞uestructlng)特性，如石墨（graphite)或沙 (sand)。當欲製作大尺寸的網狀本體時，大尺寸的砂芯π 可由黏著或類似方式連接複數個石墨材料塊而《，更進_ 步，當砂芯25係中空時，可具有較輕之重量，且可較容易 控制及移除。 ◊心25準備完成後，條帶狀股1 5係由捆束複數個 碳纖維而製成，之後，股丨5 奴i ΰ係以二軸向織造方式編織纏繞 於石少芯25的外圓周，如第 弟4B圖所不’藉以形成網狀本體 1 3。上述之以二轴向堪；生古也/二 门織&方式製作之網狀本體13可由已知 的方法製造。 勒蟬可機（如Howa Machinery公司 生產之 TWM-32C，TRI-ΑΧ 笙、7、 專）可以用來製作編織股1 5。當 自動織布機在市場上不ι θ 方犬制1 ρ , 易取侍日守，網狀本體13亦可以編織 方式製造。更進一步，铜曲 σ1 體1 3可以由準備好三維編織 口口，其股15係編織成平 並以黏著劑或類似物連二了芯25環繞成圓柱型， 12,接著，連接至以二:網狀本體〗3之本體部 —維編造法形成之底部14。 在網狀本體U覆蓋於砂 — 出，以形成如第4C圖所干…後，…5被破壞並取 芯25是被破评成可白 中二空間27。在本例中，砂 被破-成可自網狀本體 例中，彈性薄片材 出6尺寸。在本貫施 科疋在排出•縮氣體後被取出的。料

7042-10542-PF 201002874 25是從未編織部份（nonwoven portion)或網眼（meshs)處 被取出’藉以容易地製造具有中空空間27之球狀網狀本體 13並具有高度的正確性。

接著’如第4D1及4D2圖所示，網狀本體係依著網狀 本體13之中心圓周部份19沿著主軸對半朝内折疊，使得 一側1 7與另一側21重疊，據此，碗狀網狀本體i 3具有環 形/無邊雙層結構，其係由一對具相同外形之碗狀網狀本體 彼此依主軸而對稱，且由内側及外側相互重疊。 當網狀本體13準備好利用股15卩塗佈大量的環氧樹 脂或類似#時’ 成接下來之以樹脂為基材前驅體之浸 入步驟的困難性，在網狀本體移出如環氧樹脂之塗料材料 時’將導人脫脂（defatting treatlnent)程序，脫脂程序一 般是加熱至約15吖至4〇rc在無氧化氣壓(_如…π at_Ph:?)下執行’有利的是，此脫脂程序將只會於股以 大量的％氧樹脂或類似物塗佈時才會被導入。 B)反入（impregnation)步驟 S2 二第4E圖所示，在纏繞步驟S1所製作之網狀本體13 ' 未、，二處理（uncured)之基材前驅體中，其中包括樹 脂化合物或_ h l # ，、丁匕祜树 浸浴於美材广物，猎以形成初始材料’其網狀本體13係 壓情況下執行 ^可"在-般氣堡下或增 驅體1可'、。"碳纖維是薄的且相對於欲浸入之基材前 /、σ濕性係較小時，則增加壓 步，杏 &刀疋較有效的。更進一 藉由或：驅體是足夠浸濕碳纖維時，基材前驅體可僅 ’的方式充份參入股中。另外，若是在浸入

7042-10542-PF 17 201002874 程序前先抽真空的話，則股1 5之間就不會產生縫隙。據 此’同質性（homogeneous)初始材料便製作完成。 C) 硬化（curing)步驟S3 接著’如第4F圖所示，浸入基材前驅體的網狀本體（初 始材料）1 3係被加熱以硬化。雖然加熱的溫度可視基材前 驅體或類似物的種類適當地設定，其設定是在凝化反應 Cgelation reacti〇n)會伴隨著硬化而發生的溫度（約略是 在l〇〇DC至15(TC ) ’其對減缓在既定溫度附近之溫度增加 率來說是重要的’藉以充份地排出所產生之氣體，因此可 使得氣體得以充份地滲出。 D) 碳化步驟（carbonization)S4 如第4G圖所示，在硬化步驟S3中產出之初始材料所 包含的有機材料將被碳化以形成主要由碳構成之坩竭固持 元件1 00 ’在此碳化步驟的溫度至少約6〇(Tc (此係排出之 有機氣體開始沈降（s u b s i d e)的溫度），更好的是9 〇 〇 (此 係尺寸開始壓縮且氣體產生沈降的溫度）’或者是更高的溫 度。 E) 高度淨化（highly-purifying)步驟 S5 如第4H圖所示，經碳化步驟S4取得之坩堝固持元件 1〇〇現經過高度淨化程序以去除雜質（iffipurities)，此高 度淨化程序可以已知的方式執行，特別的是，其可以在秩 準氣體（atmosphere gas)29中被執行加熱，例如在齒素 (halogen)氣體或鹵化烴（halogena ted hydrocarbon)中以 1，50 (Tc至3, 0 00 °c加熱一小時或以上。 7042-] 0542-PF 18 201002874 在上述說明的製造範例中，網狀本體13係在其準備好 之後才浸入基材前驅體中’然而，股15可以預先浸入基材 月ίι驅體中’而網狀本體1 3可以用浸過基材前驅體的股1 5 製作’意即’掛堝固持元件可以由浸入步驟名2、纏繞步驟 S1、硬化步驟S3、碳化步驟S4以及高度淨化步驟S5的順 序製作。無論在哪一種順序中，硬化步驟S3最好是接著冥 入步驟S2及纏繞步驟S1執行，因為基材黏附至股15的表 面時會與股上的黏著劑發生反應’此黏著劑可以使用由石 油（petroleum)、煤（coal)或類似物中取得之瀝青 (pitch) ’ 只要其為具高碳化率（high carb〇nizatiyield' 之熱固性樹脂（thermosetting resin)，例如為c〇PNA樹 脂、酚樹脂（phenol resin)、夫喃樹脂（furan 或聚 醯亞胺樹脂（？〇141^化1^5;111)，其可以允許如同基材黏著 劑以黏附在股的表面，或可以在返轉時重新利用。 根據本製作掛禍固持元件1〇〇的方法，股15係斜對的 (diag〇naily)編織纏繞以形成中空之網狀本體13，且網狀 本體13係對半朝内折疊使得網狀本體13之一側17盘其另 :側重疊’據此，環形/.無邊之㈣固持元件⑽& 間易地被製作，其具有高強度及穩定的㈣，藉以對抗 周方向的張力，更進_井_甘、圓 步，、避免磨知邊緣的開口部2 3 ,相 對於準備兩個網狀本體爯 ♦骽再彼此重疊來說，本方法不只 且具有高準確度。 约 接著說明利用根據太私&制& 龈本發明所製作之坩堝固持元 範例，本例中坩堝固接 /' 寺π件係使用於單晶矽拉晶裝置中，

7042-10542-PF 19 201002874 將利用第5圖說明。第5圖係顯示利用根據本實_ Μ 之坩堝固持元件之單晶矽拉晶裝置的剖面-圖，此單晶矽拉 晶裝置31裝設有石英坩堝35用以承載矽融化物％以及具 封閉端（closed-end)之籃網狀堝固持^ 件100用以支撐石英_ 35之—外周緣表面，其係由外側 環繞包圍著。上述構件係放置於支撐架37上，加熱裝置 39係裱繞著坩堝固持元件1〇〇而設置，而錠是當加熱 裝置39透過石英坩堝35及坩堝固持元件1〇〇而加熱矽融 化物33時漸漸地被拉起，藉此形成單晶矽。在上述中，即 使力量是在圓周方向擴張時，使用在此敘述的堆網固持元 件100將可承受此施力。據此，破裂的發生以及伴隨著破 袈發生所產生的未凝結融化物的溢流將可以被阻止，因此 可以改進可靠度。 矽融化物33施加於坩堝固持元件1 〇〇上側的負載是較 小的’因為矽融化物33 一開始發生凝結是在單晶矽拉晶裝 置31冷卻時，當矽融化物在拉伸開始而凝結時，上述之上 側會直接接收到矽融化物33體積的膨脹，因此，其傾斜的 傾角度Θ最好是減少的，以減低其剛性，也就是說，石夕融 化物33施加於底部側的負載是較大的，然而，即使當石夕融 化物在拉伸初始而凝結時，底部側是較難直接接收二夕融 化物33體積的膨脹，因為石英坩堝的底部是被環繞著的， 因此’其傾斜的傾角度Θ最好是增加的，以增加其剛性。 在傾角度Θ纟角度是減少的例子中，即使切融化物π 的膨脹張力是發生在橫向方向（laterai心⑴

7〇42-l〇542-PF 20 t 201002874 :=向)時，也可輕易地承受此橫向方向的張 緃向方向（l〇ngltudinal directlon， 因為在 少、 在回度方向）其減 /(*lnkage)的角度相對於在橫向方向的張力或 而，在傾角声甘Α ^的。然 33的膨脹張力是發生在μ 卩使“夕融化物 此户… 方向時，則不可能輕易地承受 Γ!向=張力’因此會造成強大的力量施加於個别的 r 縱向方向其肖度的減少相對於在橫向方向的 浪力疋增加的，攄此，筮— 龈此第一股或第二股將會斷裂，或者 向股將容易變為彎曲變形（buckle)。 $早曰b矽拉晶裝置31的尺寸較大以製作大直徑之 %，增堝固持元件j 〇;〇 在上（叩 direction)及下（d〇wri /咖咖）的方向上其熱傳導性（the·〗 e〇nductivi ty) :好是較低的’藉以產生-溫度梯度，使得在矽融化物33 在上部的溫度是較高而在下部的溫度是較低的。當單晶 夕拉曰曰裝置31具有大尺寸時，拉晶所需時間相對來說就合 較長，因此使得容納在石英㈣35中的石夕融化物33會二 續一較長之既定時間，切融化物33放置在石英㈣35 中較長之既定時間時1融化物33較容易被石英掛瑪35 的氧氣(。™)所污染。然而，氧氣的污染可以藉由禁止 石夕融化物33的對 「rrmvc^+ .、 丁爪（convection)而盡可能的避免。構成股 的碳纖維具有低熱傳導性舉例來說包括一般的碳質 (eai'bonaeeous)碳纖維（相較於石墨（㈣邮仏）纖維）以 及類似物。 另外田坩堝固持元件1 〇〇的網眼（mesh)尺寸較大

7042-10542-PF 21 201002874 時’插置於掛塌固持元件100中的石英坩堝35是較鬆動 (softened)的，且在一些例子中可能會切入（cut int〇)網 眼中而使得在移除時會發生困難。為了避免上述情況發 生最好疋使用碳質或石墨薄板（shee t)例如是展開的石墨 薄板或碳纖維造紙板（carb〇n shee1;) 插入掛塌固持元件100及石英甜瑪35之間。更進一步，當 此類妷質或石墨薄板插入其間時，石英坩堝35與坩堝固持 一件100將不會彼此直接接觸，使得掛禍固持元件因 : '掛瑪35產生反應而發生的惡化（deteri〇ration)將 難θ發生。據此，此即為坩堝固持元件l⑽得以重覆使 用之優點，只要更換類碳質或石墨薄板即可。 在利用上述之實施例時，以下將敘述坩堝固持元件應 用於早Β曰石夕拉晶裝置之石英掛竭固持元件的例子。然而， 依據本發明之掛禍固持元件其應用將不限於此，其可以應 —i、他的使用上’舉例來說，可使用在只要是用以固持 容納^屬、玻璃或其他融化物之容納物的固持元件。更特 別的$ ’可用於固持—容納物’其間的熱膨服係數是不同 的時候’即可運用之前所述之優點。 ^至Κ圖係顯示網狀本體之雙層結構之示範例的 二’第7圖係顯示無縱向股之編織結構示範例的部份 的’而第8圖係顯示具有複數個斜向股之編織結構示 放大圖。本發明並不限於上述之示範例，可以 如=離本發明精神範圍做許多外型之修改。舉例來說，

或6Β圖所示，上述之網狀本體13係由形成封閉端 7042-] 0542-PF 201002874 (closed-end)之圓柱體13Α或13Β所構成，其中一側17之

ϋ 至少一末端43在軸線l的方向上是開放的，而另一側21 疋封閉的，接著，翻轉末端43朝内即如第6Α圖所示，或 翻轉末端43朝外即如第6Β圖所示，根據此網狀本體i 3Α 或13Β，網狀本體13Α或13β之開放末端43係被往回翻轉 以形成圓柱形’藉此’開口部23即變成具有雙層結構，因 此可加強開口部的強度’且因為在本例中股的斷裂端位在 開°卩係為單層結構，因而不會有磨損邊緣的發生。 更進—步，上述之網狀本體13可以是如第6C圖所示 之網狀本體13C，一側17的末端43係朝内或朝外翻轉(在 本圖例中係朝内翻轉）並以黏著劑黏附在另一側Μ，根據 此網狀本體13C ’ 一側17之開放末端43係往回翻轉至底 部14的附近’並以黏著劑黏附至該處，據此，從開口部 23之本體部12除了底部14之外形成了雙層結構。即使較 低之底部14係為單層結構’在強大的熱膨脹發生時，對本 ㈣12來說強度仍是足夠的。因此’即使是這樣的結構亦 是足约的’這種結構既可產生高強度以承受施加於圓周方 向上的張力’亦可以避免開口部23之磨損邊緣的發生。 _更進一步’在上述的實施例中’說明了網狀本體13係 由三轴向織造方式製成。㈣，根據本發明之網狀本體並 不限於以三軸向織造方法製&，亦可以是僅由相對於轴線 L來說是傾斜的股15A及15β所構成，如第7圖所示。意 即，此網狀本體在垂直於軸線L(第7圖之橫向方向)的： 面上、在圓周方向上是沒有股的。由於壓力不會集中在部

7042-10542-PF 23 201002874 份的股上，藉此，即使當力量是 ,^ ^ π 疋、1甲於圓周方向作用時， 由於在圓周方向上並沒有股的存在，因 壞(breakage)會發生。 砘不會有股的損 更進一步，如第8圖所示，亦可以 .7 K田—種或更多稀 的傾斜的股去構成本發明之網狀本體。 [示範例] 外以下將介紹根據本發明之㈣固持元件具更特別結構 之乾例’以及其製造方法。本發明並不限於此製造方法， 任何方法皆可使用，只要根據本發明之_固持元件得以 製造。 〈例一 > 首先，準備用以製造網狀本體之砂芯，此砂怒係呈似 球體狀（直徑u⑽公厘以及高度45G公厘），以及其兩端 在軸線方向上係呈碗狀（b〇wl shape)，可以藉由將彈性薄 片材料壓入袋型（bag shape)模而成形，並將壓縮空氣密封 於其中。接著’每個第第二及縱向股皆使用14〇個束 帶狀股（ribbon-like s1;ands)編織，因此三維織造之網狀 本體便形成於砂芯之外圓周表面上’每一股均包含了 24,000 個碳細線（carb〇n filaments)(由 Toray Industries公司製造，名稱為T8〇〇S24K)。在砂芯的外圓 周表面歲乎被其覆盖時，砂这將被破壞（destructed)且砂 芯（即彈性薄片材料）將被經由未覆蓋之開口處被取出，三 維織造將在未覆蓋之開口處被封閉時而完成，股的末端將

7O42-10542-PF 24 201002874 被黏住以形成内部係中空之似球體/橢球體之網狀本體。接 著’網狀本體之上半部將朝内翻摺以與其之下半部相重 疊’藉以形成具有環形/無邊雙層結構之籃網狀外形。 上述之網狀本體係浸入以驗樹脂（ph e η ο 1 r e s i η )形成 材料（由 Asahi Organic Chemical 公司製造之 KL-4000 ) 為基材前驅體中，接著，在裝,設有排風系統（exhaust system)之乾燥裝置（drier equipped)中以每小時2°C的速 (S 率升高至20〇C ’接著允許其樹立在其中3小時以硬化之， 接著’在無氧化氣壓（nonoxidative atmosphere)下以每小 時10C提升至1，〇〇〇以執行硬化’執行高溫程序 (high-temperature treatment)至 2,00(TC，之後，高度 淨化程序更好的是與氣氣（chl〇rine gas) —起執行4小 時’以製造出具有直徑約丨，230公厘及高度約550公厘的 坩堝固持元件。 〈例一對照組〉 首先準備用以製造網狀本體之成型模，以石墨（寬6〇〇 公厘、長850公厘以及厚度200公厘）製做六側平板，每個 個別之侧面板所夾角度為6(rc，並以石墨材料（c〇pNA樹脂） 作為黏著劑將每個侧板相連連接，以形成中空之六角形柱 體接著’準備兩個石墨底板（寬736公厘、長丨，7〇〇公厘 以及厚度200公厘），用石墨材料（c〇PNA樹脂）作為黏著劑 將其連接至中空六角形柱體的兩側端，以形成原始成形 模。此原始成形模之本體部的外圓周表面係修磨（gr〇und)

7042-10542-PF 25 201002874 成a柱形而底部的外圓周表面係為碗狀’以形成成 徑u。。公厘及高度_公歷)。上述成形模係以如例：相 同的肊而製作之平針（Plain)編織布覆蓋，在本例中，股係 射:成對齊縱向方向及圓周方向白,’更進_步，浸入盼樹 月:元成材料中’以如同例一所述之方式執行硬化、碳化及 同度淨化程序。據此，製作出坩堝固持元件，其並不具有 如上述例—中之傾斜向排列的股’而是具有橫向排列的股 (以下將稱之為橫向股）。 〈測試例一 > 當壓力同時施加於如例一所述具三維編造環形/無邊 雙層結構之坩堝固持元件之本體部的兩個方向時，其壓力 分佈的狀態係以Solid Works公司製作之s〇Ud界⑽“ 20〇7 (註冊商標）軟體模擬分析，而靜力分析係以

Structural Research & Analysis 公司製作之

Works 10公厘 徑3公 (註冊商標）軟體模擬分析，其中股的寬度設定為 ，厚度為2公厘，且三維織造重疊的部份視為以直 厘的針所固定，據此得到三維織造物的最小元件單 元模型。壓力施加於橫向方向的總量為〇3%，股的彈性 係數為400Gpa，泊松比（p〇isson，s rati〇)為〇 2，基於 上述條件的壓力分析結果如第9圖所示。由此可知，施加 於橫向方向上的壓力將經由斜向排列之第—股72a及第二 股72B傳遞至縱向股72C，使得對整體來說其施加的壓力 是平均的。 7042-10542-PF 26 201002874 〈測試例二〉 相同的’當壓力施加於如例—對照組所述在縱向股（高 度方向）及橫向股（圓周方向）係平面織造網狀本體的掛堝 固持元件之網狀本體的圓周方㈣，其壓力分佈的狀態件 以如測試例一同樣的方法進行壓力分析，纟中股的寬度設 定為^公厘’厚度為2公厘三維織造重疊的部份視為 、。彳1 3 A厘的針所固定，據此得到三維織造物的最小元

件單7L杈型。壓力施加於橫向方向的總量A 〇. ，股的 彈性係數為4_a ’泊松比（Poisson，s ratiQ)為0.2, 基於上述條件的壓力分析結果如第10圖所示。由此可知， 施：於橫向方向上的張力僅會施加在橫向I _上，而幾 乎/又有傳遞至縱向I 82c上，因此可以想見的是，相當大 的壓力(張力)係施加在橫向股82A上，因而相同容易發生 斷裂的情形。 【圖式簡單說明】 第1圖係'顯不根據本發明之一實施例之姆瑪固持元件 其網狀本體的剖面圖； 圖係顯TF第1圖中之網狀本體的部份放大圖； 圖係顯不根據本發明之一實施例之製造方法流程 圖； 第 4 A圖-¾ λ υ ^ 乐圖係顯示根據本發明之一實施例之製 造方法示意圖； 弟5圖係顯示利用根據本發明之一實施例之坩堝固持

7042-10542-PF 27 201002874 元件之單晶石夕拉晶裝置的剖面圖； 第6A圖至第6C圖係顯示網狀本體之雙層結構數個示 範例的剖面圖； 第7圖係顯示不具有縱向轴之編織結構示範例的部份 放大圖； 第8圖係顯示具複數個斜向股之編織結構示範例的部 份放大圖， 第9圖係顯示根據例一之坩堝固持元件的壓力分佈分 析結果；以及 第1 0圖係顯示根據例一對照組之坩堝固持元件的壓 力分佈分析結果。 【主要元件符號說明】 11 碳纖維 12 本體部 13 13C 網狀本體 13A 13B 圓柱形網狀本體 14 底部 15 股 15A 72A 第一股 15B 72B 第二股 15C 72C 82C 縱向股 17 一侧 19 圓周部份 7042-10542-PF 28 201002874 21 一側 23 雙層開口部 25 砂芯 27 中空空間 29 標準氣體 31 單晶矽拉晶裝置 33 融化物 35 石英坩堝 37 支撐架 39 加熱裝置 41 錠 43 末端 82A 橫向股 100 坩堝固持元件 L 軸線 SI 纏繞（weaving)步驟 S2 浸入（impregnation)步驟 S3 硬化（cur i ng)步驟 S4 石炭化步驟（carbonization) S5 高度淨化（highly-purifying) Θ 角度 7042-10542-PF 29

Claims (1)

1. 201002874 七、申請專利範圍： 1. 一種坩堝固持元件，包括： 一中空網狀本體，获a ^ , 藉由編織相對於該網狀本體之一軸 線係斜向排列之複數個股而制 ^ 衣成，母一股包括複數個碳纖 維’該满狀本體包括一雙岸 x s開口部’其中該網狀本體之一 側係沿一圓周部朝内或_卜 朝外翻折以與該網狀本體之另一側 相重豎；以及 一基材’浸入該網狀本體 [之該等奴纖維之間的縫隙中。 2. 如申請專利蘇（II笛] π 圍弟1項所述之坩堝固持元件，並 該網狀本體包括： 〃 複數個第-股，相對於該 列 以及 承万向而斜向排 列 複數個第二股’相對於該軸線以一第二 其中’該第-方向相對於該軸線係相反於該第-:排 3. 如中請專利範圍^或2項所述之_固=牛: ，、中，該網狀本體更包括複數個縱向股沿該轴線排列。 1中4\如Λ請專利Λ圍第1或2項所述之㈣固持元件， 狀之-主轴之一半…， 囫周部以似球體 釉之丰朝内翻折，使得該網狀本I*少 網狀本體之另一側相重疊。 —側與該 5.如申請專利範圍第…項所述之掛 其中’該網狀本體係呈圓柱狀，在軸線方向上至少―疋件’ -末端係開放的，該末端係朝内或朝外翻折 二側之 層開口部。 $成該雙 7042-10542-ΡΡ 30 201002874 6.如申請專利範園第 中，朝内或朝外翻折之= 項所述之坩堝固持元件，其 該網狀本體之另一側。之該末端係以~黏著劑黏附至 ::-種_固持元件的製造方 形成一網狀本體，匕括· 由編織相對於該主轴係;^似球體狀並具有一主抽，藉 股包括複㈣列之複數個股而製成，每一 ί 折疊該網狀本體，#佑 糸依該主軸的一半沿一圓周部朝内 翻折’使得該網狀本體的—側與另一侧相重疊；以及 浸入一基材中，該基材係填滿該網狀本體之該碳纖維 的縫隙。 8.如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，該 等股係由編織在一砂芯的一外表面上以形成似球 八歷狀之該 網狀本體，之後，該砂芯係被移除以形成中空 人 琢網狀本 體。 7042-10542-PF 31