[发明专利]水冷式模具

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造石英坩埚的水冷式模具，且更具体来说，涉及一种具有最佳模具结构的水冷式模具。

背景技术

石英玻璃坩锅用于提拉作为半导体材料的单晶硅、作为太阳能电池(solarbattery)材料的硅晶体等。举例来说，单晶硅主要是通过如下方法来制造：通过加热使装入石英玻璃坩锅中的多晶硅块(polycrystalline silicon lump)熔化形成硅熔体，且接着将晶种浸入所述硅熔体中并由其提拉。虽然作为太阳能电池材料的硅晶体与作为半导体材料的单晶硅相比单晶度(single-crystallinity)较低，但其是通过相同提拉方法来制造。

旋转模具方法(rotating mold method)被认为是一种制造石英玻璃坩锅的方法。在这种方法中，使用可旋转的碗状模具，且通过使用在旋转所述模具期间所产生的离心力使石英粉原料以特定厚度沿模具的内表面沉积于内表面上。随后，通过在模具上方且围绕模具的旋转中心轴安置的电极的电弧放电将石英粉加热到高于熔点(熔化温度)的温度(约2000℃)，从而使石英粉熔化和玻璃化，以形成具有沿模具的内表面的形状的玻璃坩锅，且此后将所得玻璃坩锅冷却并从模具中取出。

迄今，水冷式模具已被认为是用于通过旋转模具方法来制造石英玻璃坩锅的模具。举例来说，JP-A-H11-43394揭示将石英粉原料装入旋转不锈钢水冷式模具中且通过电弧放电使其熔化以制造石英玻璃坩锅。类似地，JP-A-2002-154890揭示将石英粉装入旋转不锈钢水冷式模具中且在减压下通过电弧放电使其成型以制造石英玻璃坩锅。

在常规不锈钢水冷式模具中，通过在模具的底部和周壁部分内形成用于冷却水流动的间隙且在以较高温度加热的环境中用冷却水冷却模具的底部和周壁部分来防止模具的热损坏。通常将模具的内表面冷却到约100℃。另一方面，通过电弧放电将沉积于模具内表面上的石英粉原料加热到高于熔点的温度，从而使石英粉原料熔化和玻璃化。

在常规水冷式模具的冷却结构中，通过在与模具的内表面相对的外表面侧将沉积于模具内表面上的石英粉加热到高于熔点来使石英粉熔化和玻璃化，而位于模具的内表面侧的大部分石英粉却保持未玻璃化的未熔化状态，这是因为通过冷却所述模具移除了所述部分中的热。为了用常规水冷模具形成具有目标厚度的玻璃化层，使用的石英粉数量比目标厚度所需的重量大约2倍。因此，问题是用于形成产物的石英粉数量比所用数量少且石英粉数量的损失较大。

另一方面，已知存在全部由碳制成的碳模具。尽管碳的耐热性比不锈钢高，但是如果在较高温度下使用延长的时间，那么由于氧化消耗，其会经受热损坏。问题是热损伤的模具导致石英玻璃坩锅的形状失败且因此要用新模具来替换整个昂贵的模具，这显著降低经济效益。

发明内容

本发明在于解决常规水冷式模具的上述问题，且提供一种通过优化水冷式模具的结构而具有足够耐热性且显著减少石英粉原料的未熔化部分的水冷式模具。

本发明提供一种具有以下结构的水冷式模具：

(1)一种用于制造石英坩埚且在内部具备供冷却水流动的间隙的水冷式模具，其包括由导热金属或合金材料制成的外部模具部分和紧密地排列在所述外部模具部分的内表面上且由耐热材料制成的内部模具部分。

(2)根据条目(1)的水冷式模具，其中通向模具的内表面的通气孔在内部模具部分中形成。

(3)根据条目(1)或(2)的水冷式模具，其中内部模具部分是由多个分离区段整体构成，所述分离区段包括置于外部模具部分的底部上的盘形下分离区段和至少一个可拆卸地堆积于所述下分离区段上且紧密地排列在外部模具部分的内表面上的环形上分离区段。

(4)根据条目(3)的水冷式模具，其中所述多个分离区段中的每一者都由碳材料制成。

(5)根据条目(1)的水冷式模具，其中外部模具部分是以水冷夹套(water-cooling jacket)形式构成。

(6)根据条目(1)的水冷式模具，其中模具具有带有向上开口部分的有底圆柱体形状且用于通过旋转模具方法来制造石英坩埚，在所述方法中，从底部的中心位置通到所述开口部分的中心位置的虚线作为旋转轴，所述模具围绕旋转轴旋转。