CN102534754B - 一种改善区熔单晶炉热场的反射环提升装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非金属晶体的制造设备，旨在提供一种改善区熔单晶炉热场的反射环提升装置。该装置包括反射环和主炉室窗口法兰；反射环外侧环设空心冷却管，冷却管的两端接至窗口法兰上的金属密封接头；金属密封伸出窗口法兰的外壁作为冷却水进出口；冷却管固定在位于竖直光轴上的支架一端；支架上还设有啮合的竖直提升丝杆，传动轴与提升丝杆通过锥齿轮对实现连接。本发明实现了区熔炉炉膛内部反射环的升降运动，运动可靠平稳，并能实现前后调整，方便反射环和加热线圈的对心，能够在熔区下形成有利的热场，提高单晶质量。通过调整反射环位置能够对单晶起到保温作用，降低晶体内部热应力，防止单晶因过冷而出现裂纹等缺陷。

Description

一种改善区熔单晶炉热场的反射环提升装置

技术领域

本发明涉及非金属晶体的制造设备，尤其涉及一种改善区熔单晶炉热场的反射环提升装置。

背景技术

硅材料是现代信息社会的基础，它不仅是光伏发电等产业的主要功能材料，也是半导体产业，特别是电力电子器件的基础材料。区熔法(FZ)生产单晶硅是区别于直拉炉(CZ)的一种新型的单晶生长方法，它利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料料局部融化，熔区依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力而处于悬浮状态，然后从熔区的下方利用籽晶将熔硅拉制成单晶。由于没有坩埚污染，区熔炉生长的单晶硅纯度高，均匀性好，低微缺陷。特别是随着国家对能源、交通、大规模集成电路等影响国民经济发展的瓶颈行业的支持，对大电流的电力电子器件需要越来越大，要求也越来越高，要求硅单晶向大直径、大投料量、高纯度、高均匀性方向发展。

在区熔生长单晶硅的过程中，熔区下面的热场分布对单晶生长的速度和品质有重要的影响。在传统的区熔炉装备中，一般并无反射环装置或者反射环为固定安装形式，熔区下方的热场不可调整，使得生长单晶质量不高，不能满足现在高品质单晶的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种区熔单晶炉中反射环的提升装置，在区熔单晶生长的过程中，通过调整反射环尺寸、反射环和感应加热线圈的间距等以改善熔区下热场分布，达到提高单晶质量的目的。

为了解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种区熔单晶炉反射环提升装置，包括反射环和固定在主炉室法兰上的窗口法兰；在反射环的外侧环设空心的冷却管，冷却管的两端通过波纹管分别接至设于窗口法兰内壁上的金属密封接头；金属密封接头贯穿设置于窗口法兰，并伸出窗口法兰的外壁以作为冷却水的进出口；所述波纹管与冷却管相接的部位固定于支架的一端；支架的另一端活动安装有竖直的光轴；窗口法兰的内壁上设置固定座，光轴的上下两端固定于固定座上；所述支架上还设有竖直的提升丝杆，提升丝杆与支架之间为啮合关系；驱动电机通过减速器连接传动轴，传动轴与提升丝杆之间通过啮合的锥齿轮对实现连接。

作为一种改进，所述窗口法兰上开设贯通的孔，内置传动轴固定组件，包括右快卸法兰盘、左快卸法兰盘、中心支架、抱箍及密封件；右快卸法兰盘焊接于窗口法兰上，左快卸法兰盘套设于右快卸法兰盘中，传动轴通过角接触球轴承装在左快卸法兰盘内；中心支架位于右快卸法兰盘和左快卸法兰盘外延部位的中间，并由抱箍在外部实现固定；所述密封件位于传动轴及左快卸法兰盘之间，在左快卸法兰盘上还设置轴端盖板。

作为一种改进，所述角接触球轴承有2个，其固定方式为：传动轴上的卡环固定轴承内圈，左快卸法兰的轴肩固定轴承外圈。

作为一种改进，所述密封件为油封。

作为一种改进，所述的左快卸法兰盘壁厚为3.5～5mm，以同时适应区熔炉真空和较高炉膛压力的要求。

作为一种改进，所述锥齿轮对的减速比为1∶1。

作为一种改进，所述光轴有两根且相互平行。

作为一种改进，所述固定座的上下两端各有一个水平突出的连接端，光轴的下端嵌入固定座下侧的连接端；光轴的上端开设沟槽，光轴垫片嵌入沟槽中，并通过螺钉固定于固定座上侧的连接端。

作为一种改进，所述的反射环为外径100～350mm、径向宽度为2～5mm、厚度为30～100mm的环状紫铜片，在反射环的外侧环设空心的冷却管。

作为一种改进，不同尺寸的反射环具有相同的接口尺寸；这样，提升装置能够适应不同尺寸的反射环，满足不同尺寸单晶生产的要求。

本发明中，通过对提升装置的调整，实现反射环与感应加热线圈的配合使用。拉晶生产中，可以根据单晶生长情况调整线圈和反射环间距，从而优化热场分布。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明实现了区熔炉炉膛内部反射环的升降运动，运动可靠平稳，并能实现前后调整，方便反射环和加热线圈的对心，能够在熔区下形成有利的热场，提高单晶质量。反射环为安装在感应加热线圈下方、单晶外的环状紫铜片，能够感应高频电源产生热量。通过调整反射环位置能够在加热线圈下方的单晶周围形成特殊的热场，对单晶起到保温作用，降低晶体内部热应力，防止单晶因过冷而出现裂纹等缺陷。拉晶生产中，可以根据单晶生长情况调整线圈和反射环间距，从而优化热场分布。同时，不同尺寸的反射环具有相同的接口尺寸，能够适应不同尺寸单晶生产的要求。反射环和波纹管之间采用特殊的连接方式，方便反射环前后位置调整。反射环提升装置能够满足区熔炉单晶生长过程中既有真空状态也有较高炉膛压力状态的拉晶要求。采用快卸法兰、金属密封接头等接口，装置拆装方便。波纹管及冷却管内形成水循环，可随着反射环升降自由活动，且承受较高压力。采用金属密封接头可承受较高内外压力。波纹管采用成型波纹管。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明反射环提升机构结构示意图；

图3为本发明反射环提升机构俯视图；

图4为光轴固定结构示意图；

图5为反射环固定结构示意图；

图6为反射环和感应加热线圈配套使用的结构示意图。

图中：1驱动电机，2左快卸法兰盘，3中心支架，4抱箍，5角接触球轴承，6右快卸法兰，7传动轴、8窗口法兰，9油封，10轴端盖板，11锥齿轮对，12锥齿轮盖板，13固定座，14支架，15铜套，16光轴，17提升丝杆，18光轴垫片，19波纹管，20波纹管上固定块，21波纹管下固定块，22反射环，23多晶料，24多晶料感应加热线圈，25单晶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

如图2、3所示。区熔单晶炉反射环提升装置包括反射环22和固定在主炉室法兰上的窗口法兰8，反射环22为直径200～350mm、厚度为3～10mm的环状紫铜片。；在反射环22的外侧环设空心的冷却管，冷却管的两端通过波纹管19分别接至设于窗口法兰8内壁上的金属密封接头；金属密封接头贯穿设置于窗口法兰8，并伸出窗口法兰8的外壁以作为冷却水的进出口；所述波纹管19与冷却管相接的部位固定于支架14的一端；支架14的另一端活动安装有两根且相互平行、竖直的光轴16；窗口法兰8的内壁上设置固定座13，光轴16的上下两端固定于固定座13上；固定座13的上下两端各有一个水平突出的连接端，光轴16的下端嵌入固定座13下侧的连接端；光轴16的上端开设沟槽，光轴垫片18嵌入沟槽中，并通过螺钉固定于固定座13上侧的连接端。所述支架14上还设有竖直的提升丝杆17，提升丝杆17与支架14之间为啮合关系；驱动电机1通过减速器连接传动轴7，传动轴7与提升丝杆17之间通过啮合的锥齿轮对11实现连接。

窗口法兰8上开设贯通的孔，内置传动轴固定组件，包括右快卸法兰盘6、左快卸法兰盘2、中心支架3、抱箍4及油封9；右快卸法兰盘6焊接于窗口法兰8上，左快卸法兰盘2套设于右快卸法兰盘6中，传动轴7通过2个角接触球轴承5装在左快卸法兰盘2内，角接触球轴承的固定方式为：传动轴7上的卡环固定轴承内圈，左快卸法兰盘2的轴肩固定轴承外圈。中心支架3位于右快卸法兰盘6和左快卸法兰盘2外延部位的中间，并由抱箍4在外部实现固定；油封9位于传动轴及左快卸法兰盘之间，在左快卸法兰盘2上还设置轴端盖板10。

右快卸法兰6壁厚为3.5～5mm，以承受炉室内较高的炉膛压力。驱动电机1轴通过销或者紧定螺钉与传动轴7连接，带动传动轴7转动，传动轴7右端由两对角接触球轴承5作为支点。传动轴7轴端通过键槽或紧定螺钉与锥齿轮对11连接，通过锥齿轮对11进行减速比为1:1的90°换向，带动提升丝杆17转动，锥齿轮对11端设有锥齿轮盖板12。固定座13为一体式，通过螺钉固定在窗口法兰8上。支架14与提升丝杆17啮合，将沿着两根光轴16进行升降运动，其中光轴16通过光轴垫片18与固定座13相连。光轴16与支架14之间设有铝青铜铜套15，保证支架14升降运动平稳不卡死。反射环22通过波纹管上固定块20和波纹管下固定块21与支架14固定，和支架14一起升降运动。反射环22上设有空心通水的冷却管，通过金属密封接头与波纹管19连接。

在图4中，光轴16上端开有3mm宽的沟槽，光轴垫片18嵌入沟槽中，并通过螺钉与固定座13相连，保证光轴16不会与固定座13相互滑动，降低光轴16和固定座13之间的装配安装要求。

在图5中，波纹管19接冷却管端有一段空心钢管，与波纹管一体成型。波纹管下固定块21通过螺钉与支架14固定，波纹管上固定块20与波纹管下固定块21分别有两个半圆配合，通过之间螺钉，将2根波纹管固定。波纹管19和反射环22采用金属密封接头连接。采用这种连接方式，波纹管前后位置可通过如下方式调整：松开波纹管上固定块20与波纹管下固定块21之间的固定螺钉，调整波纹管19端空心钢管的位置，拧紧螺钉。

在图6中，反射环22与感应加热线圈24为配合使用，其间距和反射环尺寸为可优化的关键工艺参数。反射环可通过如下方式改善区熔单晶炉热场：感应加热线圈中施加高频电流，反射环会感应高频电流而发热，辐射到单晶上。这样在单晶头部外围形成均匀的保温层，可以起到晶体保温、降低晶体内部热应力的作用，防止单晶因为过冷而产生裂纹等缺陷。本发明提供的反射环提升装置能够实现左右对心调整和上下提升，可通过以下方式(但不限于以下方式)改善热场，提高单晶质量：

1.在单晶生产过程中，可以根据拉晶实际情况，利用反射环提升装置改变反射环和感应加热线圈的间距，达到优化热场的目的；

2.由于反射环采用相同的接口，在拉晶生产中，可通过调整反射环高度、反射环大小、反射环位置等工艺参数，以适应不同尺寸的单晶生产要求。

Claims (10)

1.一种改善区熔单晶炉热场的反射环提升装置，包括反射环和固定在主炉室法兰上的窗口法兰；其特征在于，在反射环的外侧环设空心的冷却管，冷却管的两端通过波纹管分别接至设于窗口法兰内壁上的金属密封接头；金属密封接头贯穿设置于窗口法兰，并伸出窗口法兰的外壁以作为冷却水的进出口；所述波纹管与冷却管相接的部位固定于支架的一端；支架的另一端活动安装有竖直的光轴；窗口法兰的内壁上设置固定座，光轴的上下两端固定于固定座上；所述支架上还设有竖直的提升丝杆，提升丝杆与支架之间为啮合关系；驱动电机通过减速器连接传动轴，传动轴与提升丝杆之间通过啮合的锥齿轮对实现连接。

2.根据权利要求1所述的提升装置，其特征在于，所述窗口法兰上开设贯通的孔，内置传动轴固定组件，包括右快卸法兰盘、左快卸法兰盘、中心支架、抱箍及密封件；右快卸法兰盘焊接于窗口法兰上，左快卸法兰盘套设于右快卸法兰盘中，传动轴通过角接触球轴承装在左快卸法兰盘内；中心支架位于右快卸法兰盘和左快卸法兰盘外延部位的中间，并由抱箍在外部实现固定；所述密封件位于传动轴及左快卸法兰盘之间，在左快卸法兰盘上还设置轴端盖板。

3.根据权利要求2所述的提升装置，其特征在于，所述密封件为油封。

4.根据权利要求2所述的提升装置，其特征在于，所述角接触球轴承有2个，其固定方式为：传动轴上的卡环固定轴承内圈，左快卸法兰盘的轴肩固定轴承外圈。

5.根据权利要求2所述的提升装置，其特征在于，所述的左快卸法兰盘壁厚为3.5～5mm。

6.根据权利要求1至4任意一项中所述的提升装置，所述锥齿轮对的减速比为1∶1。

7.根据权利要求1至4任意一项中所述的提升装置，所述光轴有两根且相互平行。

8.根据权利要求1至4任意一项中所述的提升装置，所述固定座的上下两端各有一个水平突出的连接端，光轴的下端嵌入固定座下侧的连接端；光轴的上端开设沟槽，光轴垫片嵌入沟槽中，并通过螺钉固定于固定座上侧的连接端。

9.根据权利要求1至4任意一项中所述的提升装置，其特征在于，所述的反射环为外径100～350mm、径向宽度为2～5mm、厚度为30～100mm的环状紫铜片。

10.根据权利要求9所述的提升装置，其特征在于，不同尺寸的反射环具有相同的接口尺寸。