用于生产硅石坩埚的设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于生产用于在硅单晶体(silicon single crystal)的提拉(pulling)中使用的玻璃状硅石(vitreous silica)(硅石玻璃(silicaglass))的坩埚的设备，尤其涉及一种用于生产适合于在电弧加热期间在坩埚的外壁部分上形成半熔化态的烧结层(sintered layer)的硅石坩埚的设备。
背景技术
在硅单晶体的提拉中，使用硅石坩埚，其中放置着硅熔体(silicon melt)。在硅石坩埚中，内壁部分(内表面层)与硅熔体接触且由实质上不含有气泡(airbubble)的硅石玻璃层构成，而外壁部分(外表面层)由含有许多气泡的烧结层构成，所述气泡用于散发外部辐射的热量以均匀地传递到模具内部。
常规上已知一种旋转模具方法，其作为生产硅石坩埚的方法。此生产方法是以下方法：通过从模具的间隔侧(spacing side)进行加热使沉积到旋转模具的内面上的硅石粉末成玻璃状，以生产坩埚。在此情况下，通过在热熔化期间在减小的压力下从模具的所述侧吸取硅石粉末的沉积层中的空气，以实行用于移除沉积层中的气泡的真空处理(vacuuming)，而形成由实质上不含有气泡的硅石玻璃层制成的内壁部分(例如，见JP-A-S56-149333和JP-A-H01-148782)。
最近，随着坩埚的大小变大，坩埚在提拉期间的温度趋向于较高。随着坩埚温度升高，玻璃的粘性减小，且会担心使用中使坩埚变形。作为对策，已知一种方式：将玻璃结晶加速器(glass crystallization accelerator)应用到坩埚表面上或使其包含在坩埚表面中以使形成坩埚的玻璃在高温下结晶，借此增强坩埚的强度。
举例来说，JP-A-H08-2932揭示将结晶加速器(碱金属、碱土金属或类似物)应用到硅石坩埚的内壁部分的表面上，或使结晶加速器包含在内壁部分中，以便将结晶加速器用作核心(nucleus)使坩埚的内壁部分迅速结晶。而且，JP-A-H11-199370揭示玻璃状硅石层，其是通过在由硅石玻璃(侧部外壁部分)制成的内壁部分的较低侧上形成含有结晶加速器的层而获得，以便防止结晶加速器与硅熔体接触。此外，JP-A-2003-95678揭示将结晶加速器附着在坩埚的外壁部分以及内壁部分上以增强坩埚的内壁部分的尺寸稳定性。
然而，当将结晶加速器应用在坩埚的内壁部分的表面上时，会担心结晶加速器由于与硅熔体接触而并入到硅熔体中而增加了硅单晶体中的杂质浓度。另一方面，当将结晶加速器应用在坩埚的外壁部分的表面上时，由于结晶加速器在提拉期间处于与和坩埚一起安装的碳容器接触的状态，所以碳在较高温度下与结晶加速器反应以产生气体，所述气体可能使硅单晶体的质量恶化。此外，当使结晶加速器包含到坩埚的玻璃中时，需要在生产坩埚的过程中采取措施将结晶加速器并入到硅石或石英粉(quartz powder)中，其使坩埚的生产变复杂。
【发明内容】
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种用于生产硅石坩埚的设备，其中可通过达到碳模具的优化(optimization)，而使在硅石坩埚的生产(电弧加热)期间处于半熔化状态(semi-molten state)并在较高温度下结晶以增加强度的烧结层有效地形成在硅石坩埚的外表面(外壁部分)上。此外，本文所使用的术语“烧结层”是当硅石坩埚由由硅石玻璃层制成的内表面(内壁部分)以及由处于烧结硅石或石英粉的状态的烧结层制成地外表面(外壁部分)两层构成时的烧结层，且意味着晶体层保持在烧结层中所存在的微粒形式的内部且微粒形式的表面部分为非晶的状态。顺便提一句，如通过X射线衍射方法(X-ray diffraction method)在坩埚的生产过程中留下的硅石玻璃层、烧结层以及硅石或石英粉层上测量到的X射线强度为以下次序：硅石或石英粉层＞烧结层＞硅石玻璃层。
为了实现以上目的，本发明的概要和构成如下：
(1)一种用于生产硅石坩埚的设备，其包括用于通过旋转模具方法(rotating mold method)生产硅石坩埚的碳模具，所述设备的特征在于，碳模具具有不大于125W/(m·K)的导热性。
(2)根据项目(1)所述的用于生产硅石坩埚的设备，其中碳模具具有不小于70W/(m·K)的导热性。
(3)根据项目(1)或(2)所述的用于生产硅石坩埚的设备，其中碳模具具有不大于1.6g/cm3的毛体积比重(bulk specific gravity)。
(4)根据项目(3)所述的用于生产硅石坩埚的设备，其中碳模具具有不小于1.3g/cm3的毛体积比重。
在根据本发明的用于生产硅石坩埚的设备中，可通过达到碳模具的优化，而使在硅石坩埚的生产(电弧加热)过程中处于半熔化状态并在较高温度下结晶以增加强度的烧结层有效地形成在硅石坩埚的外表面(外壁部分)上。
特别地，构成根据本发明的生产设备的碳模具与常规碳模具相比导热性较低，使得有可能甚至在所使用的硅石或石英粉的量与常规生产设备相比减少的情况下，在坩埚的外表面上容易地形成具有给定厚度的烧结层。
具有烧结层的硅石坩埚具有以下优点：由于烧结层容易在较高温度下结晶，所以坩埚的强度较高且坩埚几乎不变形。因此，有可能在使用以根据本发明的生产设备生产的硅石坩埚提拉硅单晶体时获得具有较高单结晶速率的硅单晶体铸块(ingot)。
【附图说明】
将参看附图描述本发明，附图中：
图1是概念上显示本发明实例与常规实例之间硅石玻璃层、烧结层以及未熔化硅石或石英粉层的厚度比率的曲线图，此时从模具的间隔侧加热以沉积在构成用于生产硅石坩埚的设备的旋转模具中的硅石或石英粉层。
图2所示为碳模具中的毛体积比重与导热性之间的关系的实例的曲线图。
【具体实施方式】
下文将具体描述本发明的实施例。
根据本发明的用于生产硅石坩埚的设备是一种包括用于通过旋转模具方法生产硅石坩埚的碳模具的设备。碳模具优选具有不大于125W/(m·K)但不小于70W/(m·K)的导热性。此外，为了使碳模具的导热性进入以上范围，碳模具的毛体积比重优选不大于1.6g/cm3且更优选地不小于1.3g/cm3。
旋转模具方法是以下方法：将硅石或石英粉沉积在旋转模具的内表面上，并通过在经由电弧放电或类似手段从模具的间隔侧进行加热下熔化而使硅石或石英粉成玻璃状，以生产熔融的硅石坩埚。通常使用碳模具作为模具。在此情况下，硅石或石英粉以给定厚度沉积在模具的内表面上且接着在加热下熔化。
通过电弧加热从硅石或石英粉沉积层的表面侧熔化以逐渐促进朝向模具的内表面的熔化玻璃化(molten vitrification)，而使沉积在模具的内表面上的硅石或石英粉成玻璃状。另一方面，将模具的内表面控制为略低于玻璃化温度的温度，使得硅石或石英粉沉积层的接近模具内表面的部分处于半熔化状态，且此外，硅石或石英粉的薄的未熔化部分仍保持在与模具内表面接触的部分中。从模具中取出熔化玻璃化的步骤之后冷却的硅石坩埚，且接着通过机械研磨或类似手段从坩埚的外表面移除未熔化部分，借此获得具有双层结构的熔融的(fused)硅石坩埚，坩埚的内表面由熔融的硅石层制成，且半熔化层存在于坩埚的外表面侧中。
图1中显示以上熔化玻璃化的步骤中硅石或石英粉的熔化状态。如图中所示，熔化成玻璃状的硅石层1形成在坩埚的内壁部分侧处，而半熔化状态的烧结层3形成在模具2的一侧处。在使用具有高冷却效率的模具的情况下，模具的内表面6的温度较低，使得熔化期间，从硅石或石英粉(沉积)层的内表面侧(待熔化成玻璃状的一侧)朝其与模具2接触的外表面侧的热梯度变大(图1中的常规实例)。当热梯度较大时，占据在硅石或石英粉层的低于玻璃化温度(熔化温度)Tg的部分4中的半熔化状态的硅石或石英粉层的位于半熔化温度范围Mh内的一部分(具体来说，烧结层3)的厚度比率(thickness ratio)较小，且因此保留为硅石或石英粉的未熔化状态的硅石或石英粉层5的比率变大。
另一方面，当使用具有良好热绝缘特性以使得导热性低至不大于125W/(m·K)(如本发明中所界定)的模具时，模具内表面6的温度变得相对较高，如图1中的粗实线所示，使得在熔化期间，从硅石或石英粉层的内壁侧朝其与模具2接触的外壁侧的热梯度变小(图1中的本发明实例)。因此，占据在硅石或石英粉层的低于玻璃化温度(熔化温度)Tg的部分4中的半熔化状态的硅石或石英粉层的位于半熔化温度范围Mh内的一部分(具体来说，烧结层30)的厚度比率较大，且因此保留为硅石或石英粉的未熔化状态的硅石或石英粉层50的比率变小，且因此形成较厚的烧结层30。因此，为了较厚地形成构成硅石坩埚的烧结层30，有必要使熔化期间从硅石或石英粉层中的内壁侧朝外壁侧的热梯度尽可能小。
图2显示碳模具的毛体积比重与导热性之间的关系的实例。硅石坩埚的生产设备中使用的常规碳模具具有1.7到1.8g/cm3的毛体积比重和约140到160W/(m·K)的导热性，如图2中黑色圆圈所示，其与用于根据本发明的生产设备的碳模具的毛体积比重和导热性相比毛体积比重较大且导热性较高。如从图2的结果看出，碳模具的导热性和毛体积比重呈线性比例关系。
因此，由于常规碳模具与本发明的碳模具相比导热性较高且热绝缘特性较低，所以沉积在模具内表面上的硅石或石英粉(硅石或石英粉沉积层)应形成为较厚以使热梯度较小。举例来说，为了相对于具有32英寸(812.8mm)直径的坩埚形成具有约0.5mm厚度的烧结层，有必要以对应于由硅石玻璃层和烧结层组成的最终坩埚的厚度的三到四倍的厚度在模具内部沉积硅石或石英粉层，其具有所使用的硅石或石英粉量变大的问题。
另一方面，根据本发明的生产设备中所使用的碳模具的导热性不大于125W/(m·K)，优选不小于70W/(m·K)，如图2中白色圆圈所示，其低于常规碳模具的导热性。此外，为了使碳模具的导热性呈现为不大于125W/(m·K)，模具的毛体积比重优选不大于1.6g/cm3且更优选为1.3到1.6g/cm3，其小于常规碳模具的毛体积比重。因此，在熔化期间，从硅石或石英粉层的内壁侧朝其外壁侧的热梯度较小，且因此可在不使硅石或石英粉层与常规方法中一样厚的情况下形成厚的半熔化层。
此外，本文所使用的术语“毛体积比重”指示根据JIS R 7222-1997中界定的“石墨材料的物理特性的测试方法”中的“7-毛体积比重的测试方法”所测量的值。此外，作为调节毛体积比重的具体手段，提到(例如)一种方式：根据毛体积比重适当选择用于生产模具的过程中实行烧结的焦碳粉(cokepowder)的微粒大小。在根据本发明的模具中，可使用具有比用于常规模具大的微粒大小的焦碳粉。
当碳模具的导热性超过125W/(m·K)时，与常规碳模具的导热性上的差异太小，且因此所使用的硅石或石英粉的量变大以在坩埚的外表面上较厚地形成烧结层，与使用常规碳模具的情况相同。而当碳模具的导热性小于70W/(m·K)时，热梯度变得充分小，但构成模具的碳的消耗显著增加，且坩埚的使用寿命显著缩短。
在根据本发明的生产设备中，为了针对具有32英寸(812.8mm)直径的坩埚形成具有约0.5mm厚度的烧结层，可以对应于最终坩埚的厚度的约2.4到2.8倍的厚度在模具内部沉积硅石或石英粉层。因此，与使用常规生产设备的情况相比，可将所使用的硅石或石英粉量控制为约一半。
接下来，将与一比较性实例一起描述本发明的实例。
用包括具有表1中所示的毛体积比重的碳模具的生产设备通过旋转模具方法生产硅石坩埚。使用电弧加热作为加热手段，且在加热情况下在熔化期间减小模具中沉积的硅石或石英粉层内部的压力以吸出内部空气，借此在坩埚的内壁部分中形成硅石玻璃层，且在坩埚的外壁部分中形成烧结层。坩埚具有32英寸(812.8mm)的直径和15mm的平均厚度，且位于外壁部分侧的烧结层为0.5mm。表1中显示结果。
表1
1号 2号 3号 4号 5号 6号 模具的毛体积比重(g/cm3) 1.2 1.3 1.5 1.6 1.7 1.1 硅石或石英粉沉积层的厚度 与坩埚的厚度的比率 2.60 2.65 2.75 2.80 3.00 2.50 所使用的硅石或石英粉量 小 小 小 小 大 小 烧结层的厚度(mm) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 模具消耗的程度 略大 小 小 小 小 显著 实例1 实例2 实例3 实例4 比较性实 例 比较性实 例
如表1所示，在使用具有1.7g/cm3的毛体积比重的常规碳模具的常规实例(5号)中，用于形成具有0.5mm的厚度的烧结层的硅石或石英粉量较大。另一方面，在利用具有1.2到1.6g/cm3的毛体积比重的碳模具的本发明的实例1到4中，用于形成具有0.5mm的厚度的烧结层的硅石或石英粉量较小。此外，在使用具有1.1g/cm3的毛体积比重的碳模具的比较性实例(6号)中，所使用的硅石或石英粉量较小，但模具的消耗剧烈，且使用寿命较短且在经济方面较差。
在根据本发明的用于生产硅石坩埚的设备中，可通过达到碳模具的优化，而使在硅石坩埚的生产(电弧加热)过程中处于半熔化状态并在较高温度下结晶以增加强度的烧结层有效地形成在硅石坩埚的外表面(外壁部分)上。
特别地，构成根据本发明的生产设备的碳模具与常规碳模具相比导热性较低，使得有可能甚至在所使用的硅石或石英粉的量与常规生产设备相比减少的情况下，在坩埚的外表面上容易地形成具有给定厚度的烧结层。
具有烧结层的硅石坩埚具有以下优点：由于烧结层容易在较高温度下结晶，所以坩埚的强度较高且坩埚几乎不变形。因此，有可能在使用通过根据本发明的生产设备生产的硅石坩埚提拉硅单晶体时，获得具有较高单结晶速率的硅单晶体铸块。