CN101768773A - 一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法及装置，该方法是通过夹持装置与运行中的单晶实体接触，对单晶提供支持力用于消除单晶运行时，晃动和倒伏的现象，所述的与运行中的单晶实体接触的是夹持针，该夹持针与夹持牵引系统、夹持基座组成夹持装置。本发明的优点是：增加设备运行中单晶的稳定性的同时，又不影响单晶体生长的外部环境和工艺条件，这就意味着该方法可以在整体流程不变的情况下，提高了单晶生长环节中的单晶体的稳定性以及单晶完整率。

Description

一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法及装置

技术领域

本发明涉及增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性方法及装置，通过提高单晶完整率达到提高生产实收效率，节约生产成本的目的。

背景技术

已有的FZ(区熔)单晶的制备流程：

原料处理——原料装炉——拉晶准备——晶体生长(引晶、放肩、等径生长、收尾)——停炉冷却——取出晶体

由以上流程可以看出，在FZ单晶的制备过程中，核心步骤为晶体生长环节，而晶体生长环节的核心在于单晶的等径生长，因此提高单晶体生长中等径环节的稳定性及增加单晶完整率，在整个FZ单晶制备周期中能够有效的提高生产效率，降低生产成本。

如图1-a无夹持装置状态图所示，原有单晶设备未对于单晶实体的稳定提供直接的保护措施，而是通过在设备的机械结构方面进行了减震处理如：设备基座设立减震隔离沟，设备框架安装减震垫，设备传动采用双光杠，设备转动轴承选用C级轴承等。这种处理方式在一定程度上降低了外界震动的传入，和设备运行中震动的产生，在拉制小直径(装料量在10公斤以下)FZ区熔单晶时能够满足生产要求。

但是随着FZ单晶拉制工艺、技术不断提高，区熔炉设备装料重量在不断增加，以FZ-20为例一般装炉重量已达到了25公斤左右；装炉重量的增加带来的必然结果是单晶的直径和拉制长度随之增加，以FZ-20为例φ4英寸单晶等径长度可达到1米左右。随着新的条件、变化的出现并与单晶生产工艺的必要条件(如：单晶引晶的要求：直径＜3.5mm  长度＞30mm)相结合；致使单晶炉原有的各项减震措施不再充分。

原因分析：

1.单晶重量增加，但是单晶引晶工艺条件不可改变，致使单晶对外界震动的敏感性和对震动反映有明显的加强。现有的设备机械减震措施效果明显下降甚至失效。

2.单晶生长长度增加，单晶体重心位置向远离籽晶夹头位置移动，单晶体自身稳定性、抗震能力有很大下降。

因此在原有条件下随着单晶重量、长度的增加，在大直径单晶(或装料量超过10公斤)拉制过程中，由于单晶晃动最终引发流熔区、倒伏的现象明显增加，单晶完整率大幅下降单晶实收率下降给生产带来很大的成本损失。

此外流熔区、倒伏的现象的频繁出现，对于设备安全也有很大的危害。

发明内容

本发明的目的是提供一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法及装置，其特点在于增加设备运行中单晶的稳定性的同时，又不影响单晶体生长的外部环境和工艺条件，这就意味着该方法可以在整体流程不变的情况下，为单晶生长环节中的单晶体的稳定性以及单晶完整率的提高提供帮助。

为达到上述目的本发明采用以下技术方案：

这种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法是通过夹持装置与运行中的单晶实体接触，对单晶提供必要的支持力用于消除单晶运行时，晃动和倒伏的现象。

所述的与运行中的单晶实体接触的是夹持针，该夹持针与夹持牵引系统、夹持基座组成夹持装置。

其通过调整夹持针与夹持基座上水平面夹角来调整夹持状态；通过传动钢丝的连接调整夹持针运动的同步一致性，和夹持针的初始位置以及启动位置设置。

所述的夹持装置，它由夹持基座、夹持针、夹持牵引系统三大部分组成，所述的夹持针通过连接轴与夹持基座相连；所述的牵引系统由牵引重坠块、重坠块保护筒、牵引钢丝、重坠块连接螺钉组成；通过传动钢丝将夹持针与重坠块连接，牵引重坠块位于重坠保护筒限制内。

其夹持针通过在加工时预留连接孔，来完成与传动钢丝的连接；重坠块是通过中心打眼的螺钉，完成与传动钢丝的连接。

其主体部件所有材质为可耐高温的高纯材料，例如钼或低碳钢。

附图说明

图1-a：单晶运行中无夹持装置状态图

图1-b：单晶运行中有夹持装置状态图

图2-a：本发明单晶夹持装置装配图

图2-b：本发明单晶夹持装置的上部主视图

图2-c：图2-a的俯视图

图2-d：图2-a中单晶夹持装置局部A-A放大图

图3a夹持针运行的初始状态图

图3b夹持针运行的启动状态图

图3c夹持针运行的夹持状态图

图1-a为无夹持装置的状态：1、单晶，2、引晶部分，3、籽晶夹头，4、内轴轴头，5、外轴，6、内轴，7、内轴定位套。

图1-b为加入夹持装置的状态：8、夹持针，9、夹持针连接轴，10、传动钢丝，11、启动重坠块，12、重坠套筒，13、夹持基座，14、夹持基座连接顶丝，15、就位重坠块。

图2a、b、c中，8、夹持针，9、夹持证连接轴，10、传动钢丝，11、启动重坠块，12、重坠套筒，13、夹持基座，15、就位重坠块。

图2-d中，8、夹持针，9、夹持证连接轴，10、传动钢丝，11、启动重坠块，16、夹持针连接环，17、重坠块连接螺钉。

具体实施方式

为了解决上述问题，我们设计了一套单晶夹持装置。其作用是在单晶实体等径100毫米长左右的位置，提供三个均匀分布的支撑点(每支撑点相差120度)；用来提高单晶运行过程中自身的稳定性和抗震能力，抑制摇摆、倒伏现象的发生。

如图1a、图1b、图2a、图2b、图2c、图2d、图3a、b、c中所示，装置包括：夹持基座、夹持针、牵引系统组成。夹持基座通过顶丝直接连接在FZ单晶炉的下轴的外轴上。

提供支持力的三个夹持针，通过连接轴与夹持基座相连。夹持针以连接轴为轴，自由转动。其动力是靠自身牵引机构中牵引重坠块势能的变化所得到的。

牵引系统由牵引重坠块，重坠块保护筒，牵引钢丝组成。通过钢丝将夹持针与重坠连接，实现夹持针的初始位置设置以及夹持针的运动。重坠保护筒限制和控制重坠的运动位置、轨迹。

夹持装置初始状态：夹持针与夹持装置上水平面夹角∠A≤30度。初始位置的角∠A的大小，直接影响投夹持投放的启动时间。角∠A越小夹持机构启动时间越晚，夹持针与单晶的接触点位置越高，夹持效果越好。

夹持装置启动状态：夹持针向晶体方向，以连接轴为转动轴转动，夹角∠A不断增大。角∠A变化的速率由下轴的外轴移动速度决定；三支夹持针的同步一致性通过牵引系统调节；一致性的好与差直接关系到夹持投放的成与败。所以在设备调试安装时必须精确且多次重复试验。

夹持装置夹持状态：夹持针与单晶接触，要求∠A≥135度。夹持针与晶体接触提供一个与晶体垂直方向夹角为(180-∠A)度的支持力。夹角∠A的大小直接影响夹持力的大小和效果，∠A＝135度时单晶得到的支持力最大。

本套夹持装置夹安装，初始位置设置、启动后运动的同步一致性以及夹持位置的设置，都是通过调节牵引系统的重坠块和钢丝的位置来完成，不需要另设传动机构。所以对原有设备没有改造要求，安装调试也比较简单方便。

实施例1

本夹持系统经FZ-20型单晶炉，拉制φ4寸单晶试验，使用效果良好：

单晶完整率：提高40％

单晶实收率：提高9％。

Claims (8)

1.一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法，其特征在于：通过夹持装置与运行中的单晶实体接触，对单晶提供必要的支持力用于消除单晶运行时，晃动和倒伏的现象。

2.权利要求1所述的一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法其特征在于：所述的与运行中的单晶实体接触的是夹持针，该夹持针与夹持牵引系统、夹持基座组成夹持装置。

3.根据权利要求2所述的一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法，其特征在于：支持力的接触点至少三点，各支持点均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法，其特征在于：支持力的接触点为三点，每点间圆心角相间120度。

5.根据权利要求2所述的一种增加区熔单晶炉运行时单晶稳定性的方法，其特征在于：其通过调整夹持针与夹持基座上水平面夹角来调整夹持状态；通过传动钢丝的连接调整夹持针运动的同步一致性，和夹持针的初始位置以及启动位置设置。

6.一种用于权利要求1所述方法的夹持装置，其特征在于：它由夹持基座、夹持针、夹持牵引系统三大部分组成，所述的夹持针通过连接轴与夹持基座相连；所述的牵引系统由牵引重坠块、重坠块保护筒、牵引钢丝、重坠块连接螺钉组成；通过传动钢丝将夹持针与重坠块连接，牵引重坠块位于重坠保护筒限制内。

7.根据权利要求6所述的夹持设备，其特征在于：其夹持针通过在加工时预留连接孔，来完成与传动钢丝的连接；重坠块是通过中心打眼的螺钉，完成与传动钢丝的连接。

8.根据权利要求6或7所述的夹持设备，其特征在于：其主体部件所有材质为钼或低碳钢。

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