专利名称：一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具及其切割方法
技术领域：
本发明属于直拉法生产单晶硅技术领域，涉及一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，本发明还涉及利用该切割模具进行石墨坩埚单瓣块体再生利用的方法。
背景技术：
单晶硅的生长方法主要以Czochralski法(直拉法)为代表。组成直拉法单晶炉热场主要部件有单瓣块体拼成的石墨坩埚、隔热体、加热器、热屏、保温筒、埚托、保温盖等。以下文本中的单瓣块体是指现有多瓣石墨坩埚所使用的能够实现拼接的圆周弧度为120°或90°或其他角度的单瓣块体。石墨坩埚主要作用是支撑和保护盛装多晶硅原料的石英坩埚，其形状通常包括近似圆柱体形状的侧壁和适当角度的径向斜切的底部，一般由2-6瓣等分块体组成，多瓣块体在接口处连接起来组成一套完整的坩埚，多瓣块体内壁连接处的弯曲部称为R部位。在直拉法工艺中，单晶炉内温度高于1400°C，石英坩埚(成分为SiO2)在高温下软化，与多晶硅原料发生反应由此生成SiO气体。SiO气体继续与石墨坩埚反应，生成一氧化碳、碳化硅等，从而造成对单瓣块体的腐蚀。石英坩埚和单瓣块体接触部分发生氧化反应， 其反应方程式如下Si02+Si = 2Si0, Si0+2C = SiC+CO, Si02+C = Si0+C0。同时各瓣块体的接缝处存有断面，上述反应产生的混合气体和SiO从断面中穿过，由于SiO会与石墨反应，使得单瓣块体接缝处的R部位严重减薄，当R部位厚度小于I 厘米时，为防止发生漏硅，就需要将石墨坩埚替换下来，使用寿命短，加大了生产成本。目前关于解决单瓣块体R部位腐蚀的问题已有相关技术报道。比如专利号201020653402. 9，公开号CN201901726U,
公开日2011. 07. 20，公开了一种在单瓣块体接缝上覆盖石墨纸的方法延长石墨坩埚的寿命。专利号201110148718. 1，公开号 CN102168301A，
公开日2011. 08. 31，公开了一种由石墨粉和乙醇混合而成的石墨涂层，均匀涂在石墨埚块体接缝处R部位，减轻R部位的腐蚀，延长石墨坩埚的使用寿命。专利号 201010583556. X，公开号CN102094235A,
公开日2011. 06. 15，公开了一种单瓣块体接缝处打排气孔的方式，将产生的一氧化硅、一氧化碳气体等从气孔排除，减少对R部位的腐蚀， 增加石墨樹祸使用寿命。上述现有的方法均是通过提前预防的方式减轻石墨坩埚的腐蚀，延长坩埚使用寿命，但使用效果有限，不能对减薄报废的石墨坩埚进行回收利用。
发明内容
本发明公开了一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，解决了现有技术中石墨坩埚单瓣块体R部位腐蚀后直接报废整个单瓣块体，使得石墨坩埚单瓣块体使用寿命短，生产成本较大的问题。本发明还公开了利用该切割模具进行石墨坩埚单瓣块体再生利用的方法。
本发明采用的技术方案是，一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，在底板上固定设置有内模与外模，所述外模与内模圆心重合，内模上安装有多个微调销钉紧固坩埚块体。本发明采用的另一技术方案是，一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的方法，将单晶硅生产过程中因R部位腐蚀减薄报废的石墨坩埚单瓣块体的两个连接断面，沿圆心向内壁旋转10° 30°角，从断面平行方向将R部位减薄的竖直断面切除，重新拼合组成一套 360°角的石墨坩埚，实现石墨坩埚的再生利用。本发明的有益效果是，通过将石墨坩埚的单瓣块体侵蚀变薄的R部位竖直断面切除，使得单瓣块体之间的接缝处厚度变厚，继续起到支撑石英坩埚的作用，能够延长单瓣块体使用寿命10 20炉。本发明方法操作简单，实施方便，成本低廉；不受单瓣块体结构限制，适用于任何具有类似圆周结构组合的石墨坩埚单瓣块体；不受热场尺寸限制，适用于任何尺寸热场石墨坩埚单瓣块体的切割。本发明方法所用的切割模具结构简单，操作方便。
图I是本发明方法的单瓣块体倒立状态进行切割的示意图；图2是本发明的单瓣块体切割模具示意图；图3是本发明方法对3瓣坩埚的单瓣块体切除R部位示意图；图4是本发明方法将3瓣坩埚的单瓣块体切除R部位后拼接为4瓣坩埚的组合示意图；图5是本发明方法将4瓣坩埚的单瓣块体切除R部位后拼接为6瓣坩埚的组合示意图。图中，I. R部位，2.切除部位，3.切割刀具，4.竖直断面，5.角度规，6.角度缺口槽，7.外模，8.内模，9.微调销钉，10.底板，11.单瓣块体A，12.单瓣块体B，13.单瓣块体 D，R1. —侧切除角度，R2.另一侧切除角度。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明是一种主要用于直拉法生产单晶硅用石墨坩埚单瓣块体再生利用的方法， 将单晶硅生产过程中因R部位腐蚀减薄报废的石墨坩埚单瓣块体的两个连接断面，沿圆心向内壁旋转10° 30°角，从断面平行方向将R部位减薄的竖直断面切除，重新拼合组成一套360°角的石墨坩埚，实现石墨坩埚的再生利用。上述方法即通过将单晶硅生产过程中因R部位减薄报废的石墨坩埚单瓣块体，沿单瓣块体连接断面向内侧竖直方向切掉两个连接断面侧边R部位减薄的部分，两个连接断面侧边共切除30°角，使得切除后的每个单瓣块体圆周剩余弧度减少为90°角或60°角， 重新拼合组成一套圆周结构完整的石墨坩埚。本发明方法的工作原理是通过将单瓣块体两端的接缝处R部位I (此处即为易腐蚀的部位)，沿单瓣块体连接断面向内侧竖直方向两个侧边切除一定角度，将接缝处R部位变薄的切除部位2切除，重新按照组成圆周360°角拼合组成结构完整的坩埚，实现报废单瓣块体的重新利用。
本发明为实现上述方法可以配置如下的一套切割模具，包括底板10、内模8、外模 7、角度规5、微调销钉9。该切割模具的具体结构是，在底板10上固定设置有内模8与外模 7，外模7内径与待修理的单瓣块体All外径尺寸相同，内模8的外径设计比单瓣块体12内径小I 2mm ;内模8上安装有多个微调销钉9，外模7或内模8上沿圆周一端间隔30°角加工有一个角度缺口槽6，在角度缺口槽6内插有一角度规5。本发明的切割模具组装时，因单瓣块体在高温下长期使用，外观尺寸会发生变形， 内表面与石英坩埚反应变薄，外表面附着有一层碳化硅，外模7内径与单瓣块体外径尺寸相同，高度150-250mm，内模8高度为100_250mm，其外径设计比单瓣块体内径小I 2mm，以适应单瓣块体的变形，同时方便单瓣块体在外模7与内模8之间的夹层自由转动。将模具内模8与外模7固定在底板10上，内模8与外模7圆心重合，然后将组装后的底板10用螺钉安装在切割机床上。外模7或外模8上刻有角度刻度，以此调整切除的角度。外模7与内模8组合后按照圆周方式，间隔30°角加工一个角度缺口槽6，以此角度缺口槽6确定单瓣块体切除角度。使用本发明的切割模具进行工作时，将单瓣块体倒立插在内模8与外模7的夹层内，角度规5插在角度缺口槽6内，角度规5的尺寸设计应与角度缺口槽6尺寸相匹配。坩埚单个单瓣块体的一个侧边紧靠角度规5，用微调销钉9紧固单瓣块体，将单瓣块体紧固贴附在外模7上，刀具从单瓣块体另一边进刀切割，将腐蚀减薄的R部位2切除。切割过程切割速度是保证切割成功率的关键因素。因单瓣块体不同部位厚度和角度不同，各质点受力不同。因此切割速度需要随切割单瓣块体不同部位进行调整。单瓣块体倒立固定在模具上，刀具与单瓣块体平行，从单瓣块体竖直断面4沿圆心向内壁旋转 10° 15°角处进刀切割，刀具从单瓣块体径向斜切的底部进刀。此时，单瓣块体底部较厚，切割速度调整为20 30mm/min为宜。接近R部位时，因R部位最薄，应力最大，也是决定切割成功的关键。因此在切割至接近R部位之前10 20mm处，将切割速度降低为10±5mm/ min。切单瓣块体另一侧边时，刀具从坩埚块体背部进刀，切割速度调整为10±5mm/min，当刀具切过R部10 20mm后，切割速度提升为20 30mm/min为宜。实施例I将三瓣的石墨坩埚结构改造成四瓣的石墨坩埚结构，实现再生利用。三瓣坩埚的每个待修理的单瓣块体All的圆周弧度为120°。将模具内模8与外模7固定在底板10上，将组装后的底板10用螺钉安装在切割机床上。将单瓣块体All倒立插在内模8与外模7的夹层内，角度规5插在角度缺口槽6内，单瓣块体的一个侧边紧靠角度规5，用微调销钉9紧固坩埚，将单瓣块体All紧固贴附在外模7上，切割刀具3沿单瓣块体Al I竖直断面4向坩埚内表面旋转角度Rl (10 15°角)处进刀，沿单瓣块体Al I竖直方向切割，直至将切除部位2(—侧阴影部分)全部切除。将单瓣块体All沿水平圆周方向旋转90°角，重新调整角度规5角度，使得单瓣块体All的另一个侧边紧靠角度规5，用微调销钉9紧固坩埚，将单瓣块体All紧固贴附在外模7上，然后切割刀具沿单瓣块体All 另一竖直断面4向圆心内旋转角度R2 (10 15°角)处进刀，沿单瓣块体All竖直方向切割，直至将切除部位2(另一侧阴影部分)全部切透。整个切割过程保证切除角度Rl与切除角度R2角度之和共计30°角(图3所示)。至此，单瓣块体All圆周弧度减小为90° 角，成为修理好的单瓣块体B12。取切割好的四瓣成品单瓣块体B12拼合组装，组成一套具有完整圆周结构的四瓣坩埚结构(图4所示)，继续投入单晶炉热场使用，实现再生利用。实施例2将四瓣的石墨坩埚结构改造成六瓣的石墨坩埚结构，实现再生利用。四瓣单瓣块体的每个待修理的单瓣块体C圆周弧度为90°角。将模具内模8与外模7固定在底板10上，将组装后的底板10用螺钉安装在切割机床上。将单瓣块体C倒立插在内模8与外模7的夹层内，角度规5插在角度缺口槽6内，单瓣块体C的一个侧边紧靠角度规5，用微调销钉9紧固坩埚，将单瓣块体C紧固贴附在外模7上，切割刀具3沿单瓣块体C竖直断面4向坩埚内表面旋转角度Rl (10 15°角)处进刀，沿单瓣块体C竖直方向切割，直至将切除部位2(—侧阴影部分)全部切除。将单瓣块体C沿水平圆周方向旋转120°角，重新调整角度规5角度,单瓣块体C的另一个侧边紧靠角度规5，用微调销钉9 紧固坩埚，将单瓣块体C紧固贴附在外模7上，然后切割刀具沿单瓣块体C另一竖直断面4 向圆心内旋转角度R2(10 15°角)处进刀，沿单瓣块体C竖直方向切割，直至将切除部位2 (另一侧阴影部分)全部切透。整个切割过程保证切除角度Rl与切除角度R2角度之和共计30°角。至此，待修理的单瓣块体C圆周弧度变为60°角，成为修理好的单瓣块体 D13。取切割好的六瓣成品单瓣块体D13拼合组装，组成一套具有完整圆周结构的六瓣坩埚结构(如图5所示)，继续投入单晶炉热场使用，实现再生利用。本发明方法及装置很好的解决了石墨坩埚的每个单瓣块体弯曲部位R部位因气流腐蚀减薄，无法起到支撑石英坩埚的作用，直接报废的问题，通过沿单瓣块体连接断面处竖直方向两个侧边共切除30°角，R部位边缘切除后，得到的单瓣块体接缝处R部位变厚， 拼合组装成一套完整的坩埚后，继续投入单晶炉热场使用，起到支撑石英坩埚的作用，实现再生利用。本发明方法及装置不受任何尺寸热场用石墨坩埚限制，通用于具有圆周结构或类似圆周结构的石墨坩埚。
权利要求
1.一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，其特征在于在底板(10)上固定设置有内模⑶与外模(7)，所述外模(7)与内模⑶圆心重合，内模⑶上安装有多个微调销钉(9)。
2.根据权利要求书I所述的石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，其特征在于所述的外模⑵与内模⑶组合后沿圆周方向，每间隔30°角设有一个角度缺口槽(6)，在角度缺口槽(6)内插有一角度规(5)。
3.根据权利要求书I所述的石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，其特征在于所述的外模⑵或内模⑶上刻有角度刻度。
4.根据权利要求2或3所述的石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，其特征在于 所述的外模(7)内径与石墨坩埚的单瓣块体A(Il)的外径相同，所述的内模(8)的外径比单瓣块体A (II)内径小I 2mm。
5.一种利用上述切割模具实现石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割方法，其特征在于 将单晶硅生产过程中因R部位腐蚀减薄报废的石墨坩埚单瓣块体的两个连接断面，沿圆心向内壁旋转10° 30°角，从断面平行方向将R部位减薄的竖直断面切除，重新拼合组成一套360°角的石墨坩埚，实现石墨坩埚的再生利用。
6.根据权利要求5所述的石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割方法，其特征在于石墨坩埚单瓣块体倒立固定在切割模具上，刀具与单瓣块体平行，从单瓣块体竖直断面(4)沿圆心向内壁旋转10° 15°角处进刀切割，刀具从单瓣块体径向斜切的底部进刀，此时， 单瓣块体底部较厚，切割速度调整为20 30mm/min 在切割至接近R部位之前10 20mm处，将切割速度降低为10±5mm/min，切单瓣块体另一侧边时，刀具从坩埚块体背部进刀，切割速度调整为10±5mm/min，当刀具切过R部10 20mm后，切割速度提升为20 30mm/min。
全文摘要
本发明公开了一种石墨坩埚单瓣块体再生利用的切割模具，在底板上固定设置有内模与外模，所述外模与内模圆心重合，内模上安装有多个微调销钉紧固坩埚块体。本发明还公开了利用上述装置进行石墨坩埚单瓣块体再生利用的方法，将单晶硅生产过程中因R部位腐蚀减薄报废的石墨坩埚单瓣块体的两个连接断面，沿圆心向内壁旋转10°～30°角，从断面平行方向将R部位减薄的竖直断面切除，重新拼合组成一套360°角的石墨坩埚，实现石墨坩埚的再生利用。本发明的切割模具及方法，实现了减薄需要报废的石墨坩埚单瓣块体的再生利用。
文档编号C30B15/10GK102586863SQ20121005931
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者秦秀珍, 陈海云 申请人:宁夏隆基硅材料有限公司, 无锡隆基硅材料有限公司, 西安隆基硅材料股份有限公司, 银川隆基硅材料有限公司