專利名稱：一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具及其切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直拉法生產(chǎn)單晶硅技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，本發(fā)明還涉及利用該切割模具進行石墨坩堝單瓣塊體再生利用的方法。
背景技術(shù)：
單晶硅的生長方法主要以Czochralski法(直拉法)為代表。組成直拉法單晶爐熱場主要部件有單瓣塊體拼成的石墨坩堝、隔熱體、加熱器、熱屏、保溫筒、堝托、保溫蓋等。以下文本中的單瓣塊體是指現(xiàn)有多瓣石墨坩堝所使用的能夠?qū)崿F(xiàn)拼接的圓周弧度為120°或90°或其他角度的單瓣塊體。石墨坩堝主要作用是支撐和保護盛裝多晶硅原料的石英坩堝，其形狀通常包括近似圓柱體形狀的側(cè)壁和適當角度的徑向斜切的底部，一般由2-6瓣等分塊體組成，多瓣塊體在接口處連接起來組成一套完整的坩堝，多瓣塊體內(nèi)壁連接處的彎曲部稱為R部位。在直拉法工藝中，單晶爐內(nèi)溫度高于1400°C，石英坩堝(成分為SiO2)在高溫下軟化，與多晶硅原料發(fā)生反應(yīng)由此生成SiO氣體。SiO氣體繼續(xù)與石墨坩堝反應(yīng)，生成一氧化碳、碳化硅等，從而造成對單瓣塊體的腐蝕。石英坩堝和單瓣塊體接觸部分發(fā)生氧化反應(yīng)， 其反應(yīng)方程式如下Si02+Si = 2Si0, Si0+2C = SiC+CO, Si02+C = Si0+C0。同時各瓣塊體的接縫處存有斷面，上述反應(yīng)產(chǎn)生的混合氣體和SiO從斷面中穿過，由于SiO會與石墨反應(yīng)，使得單瓣塊體接縫處的R部位嚴重減薄，當R部位厚度小于I 厘米時，為防止發(fā)生漏硅，就需要將石墨坩堝替換下來，使用壽命短，加大了生產(chǎn)成本。目前關(guān)于解決單瓣塊體R部位腐蝕的問題已有相關(guān)技術(shù)報道。比如專利號201020653402. 9，公開號CN201901726U,
公開日2011. 07. 20，公開了一種在單瓣塊體接縫上覆蓋石墨紙的方法延長石墨坩堝的壽命。專利號201110148718. 1，公開號 CN102168301A，
公開日2011. 08. 31，公開了一種由石墨粉和乙醇混合而成的石墨涂層，均勻涂在石墨堝塊體接縫處R部位，減輕R部位的腐蝕，延長石墨坩堝的使用壽命。專利號 201010583556. X，公開號CN102094235A,
公開日2011. 06. 15，公開了一種單瓣塊體接縫處打排氣孔的方式，將產(chǎn)生的一氧化硅、一氧化碳氣體等從氣孔排除，減少對R部位的腐蝕， 增加石墨樹禍使用壽命。上述現(xiàn)有的方法均是通過提前預(yù)防的方式減輕石墨坩堝的腐蝕，延長坩堝使用壽命，但使用效果有限，不能對減薄報廢的石墨坩堝進行回收利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，解決了現(xiàn)有技術(shù)中石墨坩堝單瓣塊體R部位腐蝕后直接報廢整個單瓣塊體，使得石墨坩堝單瓣塊體使用壽命短，生產(chǎn)成本較大的問題。本發(fā)明還公開了利用該切割模具進行石墨坩堝單瓣塊體再生利用的方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，在底板上固定設(shè)置有內(nèi)模與外模，所述外模與內(nèi)模圓心重合，內(nèi)模上安裝有多個微調(diào)銷釘緊固坩堝塊體。本發(fā)明采用的另一技術(shù)方案是，一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的方法，將單晶硅生產(chǎn)過程中因R部位腐蝕減薄報廢的石墨坩堝單瓣塊體的兩個連接斷面，沿圓心向內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)10° 30°角，從斷面平行方向?qū)部位減薄的豎直斷面切除，重新拼合組成一套 360°角的石墨坩堝，實現(xiàn)石墨坩堝的再生利用。本發(fā)明的有益效果是，通過將石墨坩堝的單瓣塊體侵蝕變薄的R部位豎直斷面切除，使得單瓣塊體之間的接縫處厚度變厚，繼續(xù)起到支撐石英坩堝的作用，能夠延長單瓣塊體使用壽命10 20爐。本發(fā)明方法操作簡單，實施方便，成本低廉；不受單瓣塊體結(jié)構(gòu)限制，適用于任何具有類似圓周結(jié)構(gòu)組合的石墨坩堝單瓣塊體；不受熱場尺寸限制，適用于任何尺寸熱場石墨坩堝單瓣塊體的切割。本發(fā)明方法所用的切割模具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。


圖I是本發(fā)明方法的單瓣塊體倒立狀態(tài)進行切割的示意圖；圖2是本發(fā)明的單瓣塊體切割模具示意圖；圖3是本發(fā)明方法對3瓣坩堝的單瓣塊體切除R部位示意圖；圖4是本發(fā)明方法將3瓣坩堝的單瓣塊體切除R部位后拼接為4瓣坩堝的組合示意圖；圖5是本發(fā)明方法將4瓣坩堝的單瓣塊體切除R部位后拼接為6瓣坩堝的組合示意圖。圖中，I. R部位，2.切除部位，3.切割刀具，4.豎直斷面，5.角度規(guī)，6.角度缺口槽，7.外模，8.內(nèi)模，9.微調(diào)銷釘，10.底板，11.單瓣塊體A，12.單瓣塊體B，13.單瓣塊體 D，R1. —側(cè)切除角度，R2.另一側(cè)切除角度。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明是一種主要用于直拉法生產(chǎn)單晶硅用石墨坩堝單瓣塊體再生利用的方法， 將單晶硅生產(chǎn)過程中因R部位腐蝕減薄報廢的石墨坩堝單瓣塊體的兩個連接斷面，沿圓心向內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)10° 30°角，從斷面平行方向?qū)部位減薄的豎直斷面切除，重新拼合組成一套360°角的石墨坩堝，實現(xiàn)石墨坩堝的再生利用。上述方法即通過將單晶硅生產(chǎn)過程中因R部位減薄報廢的石墨坩堝單瓣塊體，沿單瓣塊體連接斷面向內(nèi)側(cè)豎直方向切掉兩個連接斷面?zhèn)冗匯部位減薄的部分，兩個連接斷面?zhèn)冗吂睬谐?0°角，使得切除后的每個單瓣塊體圓周剩余弧度減少為90°角或60°角， 重新拼合組成一套圓周結(jié)構(gòu)完整的石墨坩堝。本發(fā)明方法的工作原理是通過將單瓣塊體兩端的接縫處R部位I (此處即為易腐蝕的部位)，沿單瓣塊體連接斷面向內(nèi)側(cè)豎直方向兩個側(cè)邊切除一定角度，將接縫處R部位變薄的切除部位2切除，重新按照組成圓周360°角拼合組成結(jié)構(gòu)完整的坩堝，實現(xiàn)報廢單瓣塊體的重新利用。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述方法可以配置如下的一套切割模具，包括底板10、內(nèi)模8、外模 7、角度規(guī)5、微調(diào)銷釘9。該切割模具的具體結(jié)構(gòu)是，在底板10上固定設(shè)置有內(nèi)模8與外模 7，外模7內(nèi)徑與待修理的單瓣塊體All外徑尺寸相同，內(nèi)模8的外徑設(shè)計比單瓣塊體12內(nèi)徑小I 2mm ;內(nèi)模8上安裝有多個微調(diào)銷釘9，外模7或內(nèi)模8上沿圓周一端間隔30°角加工有一個角度缺口槽6，在角度缺口槽6內(nèi)插有一角度規(guī)5。本發(fā)明的切割模具組裝時，因單瓣塊體在高溫下長期使用，外觀尺寸會發(fā)生變形， 內(nèi)表面與石英坩堝反應(yīng)變薄，外表面附著有一層碳化硅，外模7內(nèi)徑與單瓣塊體外徑尺寸相同，高度150-250mm，內(nèi)模8高度為100_250mm，其外徑設(shè)計比單瓣塊體內(nèi)徑小I 2mm，以適應(yīng)單瓣塊體的變形，同時方便單瓣塊體在外模7與內(nèi)模8之間的夾層自由轉(zhuǎn)動。將模具內(nèi)模8與外模7固定在底板10上，內(nèi)模8與外模7圓心重合，然后將組裝后的底板10用螺釘安裝在切割機床上。外模7或外模8上刻有角度刻度，以此調(diào)整切除的角度。外模7與內(nèi)模8組合后按照圓周方式，間隔30°角加工一個角度缺口槽6，以此角度缺口槽6確定單瓣塊體切除角度。使用本發(fā)明的切割模具進行工作時，將單瓣塊體倒立插在內(nèi)模8與外模7的夾層內(nèi)，角度規(guī)5插在角度缺口槽6內(nèi)，角度規(guī)5的尺寸設(shè)計應(yīng)與角度缺口槽6尺寸相匹配。坩堝單個單瓣塊體的一個側(cè)邊緊靠角度規(guī)5，用微調(diào)銷釘9緊固單瓣塊體，將單瓣塊體緊固貼附在外模7上，刀具從單瓣塊體另一邊進刀切割，將腐蝕減薄的R部位2切除。切割過程切割速度是保證切割成功率的關(guān)鍵因素。因單瓣塊體不同部位厚度和角度不同，各質(zhì)點受力不同。因此切割速度需要隨切割單瓣塊體不同部位進行調(diào)整。單瓣塊體倒立固定在模具上，刀具與單瓣塊體平行，從單瓣塊體豎直斷面4沿圓心向內(nèi)壁旋轉(zhuǎn) 10° 15°角處進刀切割，刀具從單瓣塊體徑向斜切的底部進刀。此時，單瓣塊體底部較厚，切割速度調(diào)整為20 30mm/min為宜。接近R部位時，因R部位最薄，應(yīng)力最大，也是決定切割成功的關(guān)鍵。因此在切割至接近R部位之前10 20mm處，將切割速度降低為10±5mm/ min。切單瓣塊體另一側(cè)邊時，刀具從坩堝塊體背部進刀，切割速度調(diào)整為10±5mm/min，當?shù)毒咔羞^R部10 20mm后，切割速度提升為20 30mm/min為宜。實施例I將三瓣的石墨坩堝結(jié)構(gòu)改造成四瓣的石墨坩堝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)再生利用。三瓣坩堝的每個待修理的單瓣塊體All的圓周弧度為120°。將模具內(nèi)模8與外模7固定在底板10上，將組裝后的底板10用螺釘安裝在切割機床上。將單瓣塊體All倒立插在內(nèi)模8與外模7的夾層內(nèi)，角度規(guī)5插在角度缺口槽6內(nèi)，單瓣塊體的一個側(cè)邊緊靠角度規(guī)5，用微調(diào)銷釘9緊固坩堝，將單瓣塊體All緊固貼附在外模7上，切割刀具3沿單瓣塊體Al I豎直斷面4向坩堝內(nèi)表面旋轉(zhuǎn)角度Rl (10 15°角)處進刀，沿單瓣塊體Al I豎直方向切割，直至將切除部位2(—側(cè)陰影部分)全部切除。將單瓣塊體All沿水平圓周方向旋轉(zhuǎn)90°角，重新調(diào)整角度規(guī)5角度，使得單瓣塊體All的另一個側(cè)邊緊靠角度規(guī)5，用微調(diào)銷釘9緊固坩堝，將單瓣塊體All緊固貼附在外模7上，然后切割刀具沿單瓣塊體All 另一豎直斷面4向圓心內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度R2 (10 15°角)處進刀，沿單瓣塊體All豎直方向切割，直至將切除部位2(另一側(cè)陰影部分)全部切透。整個切割過程保證切除角度Rl與切除角度R2角度之和共計30°角(圖3所示)。至此，單瓣塊體All圓周弧度減小為90° 角，成為修理好的單瓣塊體B12。取切割好的四瓣成品單瓣塊體B12拼合組裝，組成一套具有完整圓周結(jié)構(gòu)的四瓣坩堝結(jié)構(gòu)(圖4所示)，繼續(xù)投入單晶爐熱場使用，實現(xiàn)再生利用。實施例2將四瓣的石墨坩堝結(jié)構(gòu)改造成六瓣的石墨坩堝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)再生利用。四瓣單瓣塊體的每個待修理的單瓣塊體C圓周弧度為90°角。將模具內(nèi)模8與外模7固定在底板10上，將組裝后的底板10用螺釘安裝在切割機床上。將單瓣塊體C倒立插在內(nèi)模8與外模7的夾層內(nèi)，角度規(guī)5插在角度缺口槽6內(nèi)，單瓣塊體C的一個側(cè)邊緊靠角度規(guī)5，用微調(diào)銷釘9緊固坩堝，將單瓣塊體C緊固貼附在外模7上，切割刀具3沿單瓣塊體C豎直斷面4向坩堝內(nèi)表面旋轉(zhuǎn)角度Rl (10 15°角)處進刀，沿單瓣塊體C豎直方向切割，直至將切除部位2(—側(cè)陰影部分)全部切除。將單瓣塊體C沿水平圓周方向旋轉(zhuǎn)120°角，重新調(diào)整角度規(guī)5角度,單瓣塊體C的另一個側(cè)邊緊靠角度規(guī)5，用微調(diào)銷釘9 緊固坩堝，將單瓣塊體C緊固貼附在外模7上，然后切割刀具沿單瓣塊體C另一豎直斷面4 向圓心內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度R2(10 15°角)處進刀，沿單瓣塊體C豎直方向切割，直至將切除部位2 (另一側(cè)陰影部分)全部切透。整個切割過程保證切除角度Rl與切除角度R2角度之和共計30°角。至此，待修理的單瓣塊體C圓周弧度變?yōu)?0°角，成為修理好的單瓣塊體 D13。取切割好的六瓣成品單瓣塊體D13拼合組裝，組成一套具有完整圓周結(jié)構(gòu)的六瓣坩堝結(jié)構(gòu)(如圖5所示)，繼續(xù)投入單晶爐熱場使用，實現(xiàn)再生利用。本發(fā)明方法及裝置很好的解決了石墨坩堝的每個單瓣塊體彎曲部位R部位因氣流腐蝕減薄，無法起到支撐石英坩堝的作用，直接報廢的問題，通過沿單瓣塊體連接斷面處豎直方向兩個側(cè)邊共切除30°角，R部位邊緣切除后，得到的單瓣塊體接縫處R部位變厚， 拼合組裝成一套完整的坩堝后，繼續(xù)投入單晶爐熱場使用，起到支撐石英坩堝的作用，實現(xiàn)再生利用。本發(fā)明方法及裝置不受任何尺寸熱場用石墨坩堝限制，通用于具有圓周結(jié)構(gòu)或類似圓周結(jié)構(gòu)的石墨坩堝。
權(quán)利要求
1.一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，其特征在于在底板(10)上固定設(shè)置有內(nèi)模⑶與外模(7)，所述外模(7)與內(nèi)模⑶圓心重合，內(nèi)模⑶上安裝有多個微調(diào)銷釘(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，其特征在于所述的外模⑵與內(nèi)模⑶組合后沿圓周方向，每間隔30°角設(shè)有一個角度缺口槽(6)，在角度缺口槽(6)內(nèi)插有一角度規(guī)(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，其特征在于所述的外模⑵或內(nèi)模⑶上刻有角度刻度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，其特征在于 所述的外模(7)內(nèi)徑與石墨坩堝的單瓣塊體A(Il)的外徑相同，所述的內(nèi)模(8)的外徑比單瓣塊體A (II)內(nèi)徑小I 2mm。
5.一種利用上述切割模具實現(xiàn)石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割方法，其特征在于 將單晶硅生產(chǎn)過程中因R部位腐蝕減薄報廢的石墨坩堝單瓣塊體的兩個連接斷面，沿圓心向內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)10° 30°角，從斷面平行方向?qū)部位減薄的豎直斷面切除，重新拼合組成一套360°角的石墨坩堝，實現(xiàn)石墨坩堝的再生利用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割方法，其特征在于石墨坩堝單瓣塊體倒立固定在切割模具上，刀具與單瓣塊體平行，從單瓣塊體豎直斷面(4)沿圓心向內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)10° 15°角處進刀切割，刀具從單瓣塊體徑向斜切的底部進刀，此時， 單瓣塊體底部較厚，切割速度調(diào)整為20 30mm/min 在切割至接近R部位之前10 20mm處，將切割速度降低為10±5mm/min，切單瓣塊體另一側(cè)邊時，刀具從坩堝塊體背部進刀，切割速度調(diào)整為10±5mm/min，當?shù)毒咔羞^R部10 20mm后，切割速度提升為20 30mm/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨坩堝單瓣塊體再生利用的切割模具，在底板上固定設(shè)置有內(nèi)模與外模，所述外模與內(nèi)模圓心重合，內(nèi)模上安裝有多個微調(diào)銷釘緊固坩堝塊體。本發(fā)明還公開了利用上述裝置進行石墨坩堝單瓣塊體再生利用的方法，將單晶硅生產(chǎn)過程中因R部位腐蝕減薄報廢的石墨坩堝單瓣塊體的兩個連接斷面，沿圓心向內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)10°～30°角，從斷面平行方向?qū)部位減薄的豎直斷面切除，重新拼合組成一套360°角的石墨坩堝，實現(xiàn)石墨坩堝的再生利用。本發(fā)明的切割模具及方法，實現(xiàn)了減薄需要報廢的石墨坩堝單瓣塊體的再生利用。
文檔編號C30B15/10GK102586863SQ20121005931
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者秦秀珍, 陳海云 申請人:寧夏隆基硅材料有限公司, 無錫隆基硅材料有限公司, 西安隆基硅材料股份有限公司, 銀川隆基硅材料有限公司