专利名称：一种制作坩埚用金属模具的制作方法
技术领域：
本发明为一种坩埚用金属模具，特别涉及一种制作石英坩埚用金属模具，属高温熔炼模具技术领域。
背景技术：
用电弧法制的半透明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，是作为太阳能、半导体行业切克拉斯基法(cz)拉制单晶硅必不可少的容器。石英坩埚的质量直接影响到半导体材料的纯度和成本。在制作石英坩埚时，必须保持坩埚模具内腔为真空状态，由于石英砂(sio2)在高温下融化产生很多气体，如果真空度不够，气体在熔制坩埚时不能完全排出，在高倍显微镜观察下被制作的整个坩埚壁会有好多的微小气泡，由于坩埚壁的气泡很多，在拉制单晶时温度很高的情况下气泡会产生膨胀破裂，造成坩埚气泡破裂后的气体和杂质混入正在拉制的单晶棒中，使得单晶氧含量高，密度差，纯度受到影响，最终结果是单晶硅片使用寿命不长，转换率不达标。现在制作石英坩埚时，通常采用石墨坩埚模具，在高温熔融状态下易掉渣，使抽真空速度受到影响，也直接影响到石英坩埚的纯度和产品质量；石墨坩埚模具需要冷却水套，结构复杂；且石墨坩埚模具在高温下易损耗，使用寿命短。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中，石墨坩埚模具在在制作时，在高温熔融状态下易掉渣使抽真空速度受到影响，也直接影响到石英坩埚的纯度和产品质量，且结构复杂、高温下易损耗，使用寿命短的缺陷，提供了一种坩埚用金属模具，可达到高温下结构稳定、不掉渣，内部结构可确保抽真空速度，确保产品质量，组装简单，使用寿命长的目的。为了实现上述目的本发明采取的技术方案是一种制作坩埚用金属模具，包括外壁和内腔，所述外壁包括侧壁和底部，所述侧壁呈圆柱形，所述内腔的形状与坩埚外形相对应，所述圆柱形侧壁分为侧壁上部、侧壁下部，壁上部比侧壁下部厚，而底部又比侧壁上部厚；所述圆柱形侧壁内，纵向设置有抽真空大孔，所述抽真空大孔的上端为盲孔，抽真空大孔的下端与坩埚用金属模具侧壁底部外相通，并在金属模具侧壁底部成圆周形排列；圆柱形侧壁内，横向设置有抽真空小孔A，抽真空小孔A—端与内腔相通，另一端与抽真空大孔相通，所述坩埚用金属模具底部纵向设置有抽真空小孔B，抽真空小孔B的上端与内腔相通，其下端与坩埚外部相通；所述坩埚用金属模具内径尺寸与所制作的坩埚尺寸相对应，为 16-26英寸；所述坩埚用金属模具上部侧壁厚(s)为35-60mm ；所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的60% -90%;所述底部中心厚度(h)为40-80mm ；所述抽真空大孔的直径为Φ 1为7-18mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为3_9mm。坩埚用金属模具底部比较厚重，是保证其整体不易变形的重要条件；坩埚用金属模具的上部一般易变形，所以上部侧壁比下部侧壁厚，并且只有当上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的60% -90%时，才能最有效地防止上部侧壁变形；一般来说，当坩埚用金属模具直径较大时，所选上部侧壁厚度、抽真空大孔的直径和所述抽真空小孔A、B的直径，相对来说要比较大。因为坩埚用金属模具侧壁上部比侧壁下部厚，而其内腔的形状与坩埚外形相对应，所以，坩埚用金属模具侧壁下部的圆柱形直径小于侧壁上部的圆柱形直径， 在圆柱形侧壁上部与圆柱形侧壁下部之间形成一个环形台阶，其目的在于装配时，坩埚用金属模具底部易于同底托套合，使坩埚用金属模具安装稳固。所述坩埚用金属模具内径尺寸为16英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(S) 为35mm;所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为 40mm ；所述抽真空大孔的直径Φ 1为7mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为 3mm ο所述坩埚用金属模具内径尺寸为18英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(S) 为40mm;所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为 50mm ；所述抽真空大孔的直径Φ 1为8mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为 3. 5mmο所述坩埚用金属模具内径尺寸为20英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(S) 为45mm;所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为 60mm ；所述抽真空大孔的直径Φ 1为10mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为 4mm ο所述坩埚用金属模具内径尺寸为22英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(S) 为50mm;所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为 65mm ；所述抽真空大孔的直径Φ 1为12mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为 5mm ο所述坩埚用金属模具内径尺寸为24英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s) 为55mm;所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为 70mm ；所述抽真空大孔的直径Φ 1为15mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为 7mm ο所述坩埚用金属模具内径尺寸为26英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s) 为60mm;所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为 80mm ；所述抽真空大孔的直径Φ 1为18mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为 9mm ο所述抽真空大孔在圆柱形侧壁上互相平行设置，等距离分布；所述抽真空小孔A 在每一个纵向抽真空大孔上呈等距离分布；各个抽真空大孔上，从上至下相同序数的抽真空小孔A，分布在圆柱形侧壁的同一个与底面平行的环形截面上；所述抽真空小孔B，在坩埚用金属模具底部各个内径差相等的同心圆上，呈等距离分布。所述抽真空大孔、抽真空小孔A、B在坩埚用金属模具侧壁和底部的分布密度，一方面要在坩埚用金属模具的强度允许范围之内，另一方面要达到为确保产品质量而设计的抽真空的速度要求。所述坩埚用金属模具由球墨铸铁QT450-10、QT500-7、QT600-3或QT700-2制造。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)机械性能好，使用寿命长所述坩埚用金属模具由球墨铸铁QT450-10、QT500-7.QT600-3或QT700-2制造，球墨铸铁的熔点高，可耐高温，且具有较高的抗拉强度、 屈服强度、塑性、冲击韧性等综合机械性能，在常温下易打孔加工，而在坩埚熔炼的高温下又能保持一定的强度，不变形、不氧化。与原坩埚用石墨模具比较，坩埚的制造质量明显改善，避免了石墨融化所产生的杂质对坩埚产生的不利影响；并大大提高了坩埚用模具的使用寿命，坩埚用石墨模具只能使用50-100次，现坩埚用金属模具可使用500-1000次。(2)整体厚度设计合理，不易变形由于所述坩埚用金属模具结构设计合理，底部最厚，上部侧壁的厚度比下部厚，且其上部侧壁的高度达到坩埚用金属模具总高度的 60%-90%，从而确保了坩埚用金属模具在高温熔炼状态不易变形。(3)孔眼设置有利于抽取真空由于抽真空大孔和抽真空小孔A、B的出口均分布在坩埚用金属模具的底部，可使抽真空的结构简化，只要在坩埚用金属模具的底部设置一密封装置就可以了 ；同时，抽真空的效率也得到提高。(4)孔眼设置可起到隔热效果由于坩埚用金属模具的侧壁和底部，各密集分布有抽真空大孔、抽真空小孔A、B，在工作状态，抽真空大孔、抽真空小孔A、B内均呈真空状态，从而产生隔热效果，无需用水套冷却，就可使周围环境温度保持在工人操作的允许范围内。(5)孔眼设置考虑到整体强度的均勻性和简化工艺由于坩埚用金属模具侧壁内面，上、下、左、右4个相邻的抽真空小孔A呈正方形分布，及抽真空小孔B，在坩埚用金属模具底部各个内径差相等的同心圆上，呈等距离分布，这样，不仅使抽真空小孔A、B分布的形状美观，更重要的是可保证坩埚用金属模具强度的均勻性，增加其使用寿命，同时也使加工工艺简化。如果坩埚用金属模具侧壁内面，上、下、左、右4个相邻的抽真空小孔A呈有规律的平行四边形排列，那也属本发明的构思范围，也可保证坩埚用金属模具强度的均勻性，但必然会使加工工艺复杂化，所以是不可取的。
附图1 本发明主视图；附图2:本发明俯视图；附图3 图2的A-A剖视图；附图4:本发明仰视图；附图5 图3的B-B剖视图。附图标记说明1侧壁、101侧壁上部、102侧壁下部、103抽真空大孔、104抽真空小孔A、105环形台阶、2底部、201抽真空小孔B。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。实施例1 如图1-5所示，一种制作坩埚用金属模具，包括外壁和内腔，所述外壁包括侧壁1 和底部2，所述侧壁呈圆柱形，所述内腔的形状与坩埚外形相对应，所述圆柱形侧壁1分为侧壁上部101、侧壁下部102，壁上部101比侧壁下部102厚，而底部2又比侧壁上部101厚；所述圆柱形侧壁1内，纵向设置有抽真空大孔103，所述抽真空大孔103的上端为盲孔，抽真空大孔103的下端与坩埚用金属模具侧壁1底部外相通，并在金属模具侧壁1底部成圆周形排列；圆柱形侧壁1内，横向设置有抽真空小孔A104，抽真空小孔A104—端与内腔相通， 另一端与抽真空大孔103相通，所述坩埚用金属模具底部2纵向设置有抽真空小孔B201， 抽真空小孔B201的上端与内腔相通，其下端与坩埚外部相通；所述坩埚用金属模具内径尺寸为16英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部101厚(s)为35mm ；所述上部侧壁的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部2中心厚度(h)为40mm ；所述抽真空大孔的直径为 Φ 1为7mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为3mm。因为坩埚用金属模具侧壁上部101比侧壁下部102厚，而其内腔的形状与坩埚外形相对应，所以，坩埚用金属模具侧壁下部102的圆柱形直径小于侧壁上部101的圆柱形直径，在圆柱形侧壁上部101与圆柱形侧壁下部102之间形成一个环形台阶105。所述抽真空大孔103在圆柱形侧壁1上互相平行设置，等距离分布；所述抽真空小孔A104在每一个纵向抽真空大孔103上呈等距离分布；各个抽真空大孔103上，从上至下相同序数的抽真空小孔A104，分布在圆柱形侧壁1的同一个与底面平行的环形截面上，这样在实际上，使坩埚用金属模具侧壁1内面，上、下、左、右4个相邻的抽真空小孔A104呈正方形分布；所述抽真空小孔B201，在坩埚用金属模具底部2各个内径差相等的同心圆上，呈等距离分布。所述抽真空大孔103、抽真空小孔A104、B201在坩埚用金属模具侧壁1和底部2的分布密度，一方面要在坩埚用金属模具的强度允许范围之内，另一方面要达到为确保产品质量而设计的抽真空的速度要求。所述坩埚用金属模具由球墨铸铁QT450-10制造。实施例2-6 如图1-5所示，一种制作坩埚用金属模具，其内径、侧壁厚度(S)、底部中心厚度 (h)抽真空大孔直径Φ 1和抽真空小孔A、B直径Φ 2、Φ 3如下表所示
权利要求
1.一种制作坩埚用金属模具，包括外壁和内腔，所述外壁包括侧壁和底部，所述侧壁呈圆柱形，所述内腔的形状与坩埚外形相对应，其特征在于所述圆柱形侧壁分为侧壁上部、 侧壁下部，侧壁上部比侧壁下部厚，而底部又比侧壁上部厚；所述圆柱形侧壁内，纵向设置有抽真空大孔，所述抽真空大孔的上端为盲孔，抽真空大孔的下端与坩埚用金属模具侧壁底部外相通，并在金属模具侧壁底部成圆周形排列；圆柱形侧壁内，横向设置有抽真空小孔 A，抽真空小孔A—端与内腔相通，另一端与抽真空大孔相通，所述坩埚用金属模具底部纵向设置有抽真空小孔B，抽真空小孔B的上端与内腔相通，其下端与坩埚外部相通；所述坩埚用金属模具内径尺寸与所制作的坩埚尺寸相对应，为16-26英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为35-60mm ；所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的60% -90% ； 所述底部中心厚度(h)为40-80mm;所述抽真空大孔的直径为Φ 1为7_18mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为3-9讓。
2.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具内径尺寸为16英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为35mm ；所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为40mm ；所述抽真空大孔的直径 Φ 1为7mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为3mm。
3.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具内径尺寸为18英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为40mm;所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为50mm ；所述抽真空大孔的直径 Φ 1为8mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为3. 5mm。
4.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具内径尺寸为20英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为45mm;所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为60mm ；所述抽真空大孔的直径 Φ 1为10mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为4mm。
5.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具内径尺寸为22英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为50mm ；所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为65mm ；所述抽真空大孔的直径 Φ 1为12mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为5mm。
6.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具内径尺寸为24英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为55mm ；所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为70mm ；所述抽真空大孔的直径 Φ 1为15mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为7mm。
7.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具内径尺寸为26英寸；所述坩埚用金属模具侧壁上部厚(s)为60mm;所述侧壁上部的高度为坩埚用金属模具总高度的80% ；所述底部中心厚度(h)为80mm ；所述抽真空大孔的直径 Φ 1为18mm，所述抽真空小孔A、B的直径Φ 2、Φ 3相等，都为9mm。
8.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述抽真空大孔在圆柱形侧壁上互相平行设置，等距离分布；所述抽真空小孔A在每一个纵向抽真空大孔上呈等距离分布；各个抽真空大孔上，从上至下相同序数的抽真空小孔A，分布在圆柱形侧壁的同一个与底面平行的环形截面上；所述抽真空小孔B，在坩埚用金属模具底部各个内径差相等的同心圆上，呈等距离分布。
9.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述抽真空大孔、抽真空小孔A、B在坩埚用金属模具侧壁和底部的分布密度，一方面要在坩埚用金属模具的强度允许范围之内，另一方面要达到为确保产品质量而设计的抽真空的速度要求。
10.根据权利要求1所述的一种制作坩埚用金属模具，其特征在于所述坩埚用金属模具由球墨铸铁 QT450-10、QT500-7、QT600-3 或 QT700-2 制造。
全文摘要
一种制作坩埚用金属模具，属高温熔炼模具技术领域，包括外壁和内腔，所述外壁包括侧壁和底部，所述圆柱形侧壁分为侧壁上部、侧壁下部，侧壁上部比侧壁下部厚，而底部又比侧壁上部厚；所述圆柱形侧壁内，纵向设置有抽真空大孔，横向设置有抽真空小孔A，所述底部纵向设置有抽真空小孔B；所述坩埚用金属模具内径尺寸为16-26英寸，侧壁上部厚(s)为30-60mm，侧壁上部的高度为总高度的60％-90％，底部中心厚度(h)为40-80mm，抽真空大孔的直径φ1为8-18mm，抽真空小孔A、B的直径φ2、φ3相等，都为3-9mm。本发明的优点在于由球墨铸铁制造，在常温下易打孔加工，而在高温下又能保持一定的强度，不变形、不氧化，提高了使用寿命。
文档编号C03B20/00GK102219361SQ20111013458
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者王定永, 王文庆 申请人:宁波宝斯达坩埚保温制品有限公司