CN103981567B - 一种用于区熔炉的载料装置及其自动载料方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非金属晶体的制造设备及其使用方法，旨在提供一种用于区熔炉的载料装置及其自动载料方法。该载料装置包括活动料盘、上固定夹料盘、下固定夹料盘、固定杆、旋转卡块、旋转轴、卡头、摄像镜头、机械臂、图像处理系统和用于夹持多晶料的多晶料夹头。利用所述载料装置的自动载料方法包括：用活动料盘与多晶料夹头夹住多晶料，机械臂抓起多晶料，通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂上下移动多晶料并带动卡头，直至完成多晶料的自动载料。本发明能够对多晶料实现稳定、可靠的夹持，自动载料则减轻了人工劳力的工作，减少了拉晶的准备时间，提高了生产效率，能够满足大直径区熔炉产业化的载料要求。

Description

一种用于区熔炉的载料装置及其自动载料方法

技术领域

本发明涉及非金属晶体的制造设备及其使用方法，特别涉及一种用于区熔炉的载料装置及其自动载料方法。

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，其优良的电学性能非常适合制作高反压、大电流、大功率的电力电子器件。

随着电力电子器件的高速发展，区熔单晶硅向大直径、批量化生产方向发展。在传统的小直径区熔单晶生长炉中，由于投料量较小，一般不超过20kg，采用人工装卸料可以满足生产要求。随着要求投料量的不断增大，在8寸区熔单晶的生产中，投料量需要增加到80～100kg以上，依靠人工载料不仅耗时且十分吃力，传统的靠人工挂载多晶料的方式无法满足大直径区熔炉的要求。

中国专利ZL201220116827.5公开了一种用于拉晶设备的多晶料夹持装置（本发明和此专利为同一申请人，本发明为在此专利基础上的改进方案），采用的技术路线为：采用卡槽式结构实现对多晶料的夹持，采用带球头的活动夹料盘与固定夹料盘的长槽配合的形式实现圆柱多晶料的挂载与定位。采用此装置能实现对不同直径多晶料的夹持，方便对中和水平调整，但此装置需采用人工对准、挂载，不方便实现自动载料，影响批量生产的工作效率。因此非常有必要开发一种适合大直径区熔单晶生产、投料量大、批量生产的多晶载料装置及其自动载料方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种投料量大、适合批量生产的多晶料挂载装置及其方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于区熔炉的载料装置，包括活动料盘，所述载料装置还包括上固定夹料盘、下固定夹料盘、固定杆、旋转卡块、旋转轴、卡头、摄像镜头、机械臂、图像处理系统和用于夹持多晶料的多晶料夹头；上固定夹料盘固定在区熔炉的上轴下端，下固定夹料盘通过固定杆固定在上固定夹料盘的下方，下固定夹料盘设有孔；旋转轴设置在下固定夹料盘的上端面，旋转卡块固定在旋转轴上，并可沿着旋转轴轴线旋转，旋转卡块上有开孔，且与下固定下料盘的孔垂直对应，旋转卡块上的开孔的直径小于下固定下料盘的孔的直径；所述卡头上端可穿过下固定下料盘的孔，卡头下端与活动料盘连接，活动料盘上设有多晶料夹头；摄像镜头设置在区熔炉的炉壁上，机械臂和图像处理系统设置在区熔炉的炉室外，摄像镜头用于观察区熔炉内载料情况，并将图像传输给图像处理系统，图像处理系统用于根据载料情况进行判断后给机械臂信号，机械臂用于接收到图像处理系统的信号后，（通过三个方向的运动）完成载料动作。

在本发明中，所述下固定夹料盘上设有至少两个调整螺钉。

在本发明中，所述旋转轴至少有两个，且对称布置在下固定夹料盘的上端面。

在本发明中，所述旋转卡块与旋转轴的数量一样，旋转卡块对称布置，且间距在0.2mm～1.0mm之间。

在本发明中，所述旋转卡块包括拨叉、旋转臂和卡块；旋转臂为圆筒型的旋转臂，旋转卡块通过旋转臂的内孔与旋转轴固定；卡块为矩形，卡块一端与旋转臂连接，另外一端的中心设有半圆形的开孔，且下端面设有矩形突起；拨叉设置在旋转臂另一侧，与卡块形成钝角。

在本发明中，所述开孔的上下端各有导向倒角。

在本发明中，所述卡头分为上下两部分，上部分为球体，下部分为圆柱体；球体的直径大于圆柱体的直径和两块旋转卡块拼合的开孔的直径，并且小于下固定下料盘上的孔的直径；圆柱体的直径小于两块旋转卡块拼合的开孔的直径。

提供一种利用权利要求1所述载料装置的自动载料方法，包括多晶料的夹持，具体步骤如下所述：

A、用活动料盘与多晶料夹头夹住多晶料，机械臂抓起多晶料；

B、通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂运送多晶料并带动卡头至旋转卡块的开孔下方，实现多晶料的位置定位；

C、通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂利用往上推动多晶料，使卡头向上运动，卡头穿过下固定下料盘的孔并顶起旋转卡块，直至卡头的球体穿过旋转卡块，旋转卡块落下重新和下固定夹料盘贴合；

D、通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂利用往下移动多晶料，使卡头向下运动，直至卡头的球部与旋转卡块上端面贴合，松开机械臂，从而完成多晶料的自动载料。

在本发明中，所述摄像镜头和图像处理系统的配合是指：摄像镜头观察炉内载料情况，并将图像传输给图像处理系统，图像处理系统根据载料情况进行判断后给机械臂信号，完成动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

能够对多晶料实现稳定、可靠的夹持，自动载料则减轻了人工劳力的工作，减少了拉晶的准备时间，提高了生产效率，能够满足大直径区熔炉产业化的载料要求。

附图说明

图1为本发明的载料装置结构示意图。

图2为本发明的自动载料方法实施过程图。

图3为本发明的自动载料方法实施过程图。

图4为本发明的自动载料方法实施过程图。

图5为本发明的自动载料方法实施过程图。

图6为本发明的自动载料方法实施过程图。

图7为本发明的载料装置中的旋转卡块示意图。

图中的附图标记为：1上固定夹料盘；2固定杆；3下固定夹料盘；4旋转卡块；5旋转轴；6调整螺钉；7卡头；8活动料盘；9多晶料夹头；10多晶料；11摄像镜头；12图像处理系统；13机械臂；401拨叉；402旋转臂；403卡块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1所示的用于区熔炉的载料装置，包括上固定夹料盘1、固定杆2、下固定夹料盘3、旋转卡块4、旋转轴5、调整螺钉6、卡头7、活动料盘8、摄像镜头11、图像处理系统12、机械臂13和用于夹持多晶料10的多晶料夹头9。上固定夹料盘1固定在区熔炉的上轴下端，通过固定杆2与下固定夹料盘3固定，下固定夹料盘3中心设有孔，下固定夹料盘3上还均布设有调整螺钉6，便于调整多晶料10的水平。两个旋转轴5对称布置在下固定夹料盘3的上端面，旋转卡块4可沿着旋转轴5的轴线旋转，旋转卡块4的数量与旋转轴5数量一样都是2个，两个旋转卡块4的间距控制在0.2mm～1.0mm为宜。卡头7的下端与活动料盘8固定连接，活动料盘8上设有多晶料夹头9，多晶料夹头9通过卡槽式结构实现对多晶料10的夹持。在区熔炉的炉壁上设有摄像镜头11，可观察炉内多晶料10的装载情况，在区熔炉的炉室外设有机械臂13和图像处理系统12，图像处理系统12可根据摄像镜头11提供的图像进行判断，给机械臂13动作信号，图像处理系统12能控制机械臂13完成三个方向的运动。

图7所示的旋转卡块4包括拨叉401、旋转臂402和卡块403。旋转臂402为圆筒型结构，旋转卡块4通过旋转臂402的内孔与旋转轴5固定。卡块403为矩形结构，卡块403的一端与旋转臂402连接，另外一端的中心设有半圆形的开孔，开孔的上下端各有导向倒角，下端面还设有矩形突起，使得旋转卡块4能与下固定夹料盘3贴合。拨叉401设置在旋转臂402的另一侧，并与卡块403形成钝角，拨叉401起到方便卸料的作用。

所述卡头7分为上下两部分，上部分为球体，下部分为圆柱体。球体的直径大于圆柱体的直径和两块旋转卡块4拼合的开孔的直径，并且小于下固定夹料盘3上的孔的直径；圆柱体的直径小于两块旋转卡块4拼合的开孔的直径。

图2至图6所示的利用用于区熔炉的载料装置的自动载料方法，具体包括以下步骤：

A、用活动料盘8与多晶料夹头9夹住多晶料10，机械臂13抓起多晶料10；

B、通过摄像镜头11和图像处理系统12配合，如图2所示，控制机械臂13运送多晶料10并带动卡头7至旋转卡块4的开孔下方，实现多晶料10的位置定位；

C、通过摄像镜头11和图像处理系统12配合，如图3所示，控制机械臂13利用往上推动多晶料10，使卡头7向上运动，卡头7穿过下固定夹料盘3的孔并顶起旋转卡块4；如图4所示，直至卡头7的球体穿过旋转卡块4，旋转卡块4落下重新和下固定夹料盘3贴合；

D、通过摄像镜头11和图像处理系统12配合，如图5所示，控制机械臂13利用往下移动多晶料10，使卡头7向下运动，直至卡头7的球部与旋转卡块4上端面贴合；如图6所示，松开机械臂13，从而完成多晶料10的自动载料。

其中摄像镜头11和图像处理系统12的配合是指：摄像镜头观察炉内载料情况，并将图像传输给图像处理系统，图像处理系统根据载料情况进行判断后给机械臂信号，完成上述动作。

在自动载料中，多晶料夹头9和多晶料10上端之间采用卡槽式结构连接固定，多晶料10下端设有台阶状突起，与多晶料10上端的卡槽相适应。

需要指出的是，以上实施案例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于区熔炉的载料装置，包括活动料盘，其特征在于，所述载料装置还包括上固定夹料盘、下固定夹料盘、固定杆、旋转卡块、旋转轴、卡头、摄像镜头、机械臂、图像处理系统和用于夹持多晶料的多晶料夹头；上固定夹料盘固定在区熔炉的上轴下端，下固定夹料盘通过固定杆固定在上固定夹料盘的下方，下固定夹料盘设有孔；旋转轴设置在下固定夹料盘的上端面，旋转卡块固定在旋转轴上，并可沿着旋转轴轴线旋转，旋转卡块上有开孔，且与下固定下料盘的孔垂直对应，旋转卡块上的开孔的直径小于下固定下料盘的孔的直径；所述卡头上端可穿过下固定下料盘的孔，卡头下端与活动料盘连接，活动料盘上设有多晶料夹头；摄像镜头设置在区熔炉的炉壁上，机械臂和图像处理系统设置在区熔炉的炉室外，摄像镜头用于观察区熔炉内载料情况，并将图像传输给图像处理系统，图像处理系统用于根据载料情况进行判断后给机械臂信号，机械臂用于接收到图像处理系统的信号后，完成载料动作。

2.根据权利要求1所述的一种用于区熔炉的载料装置，其特征在于，所述下固定夹料盘上设有至少两个调整螺钉。

3.根据权利要求1所述的一种用于区熔炉的载料装置，其特征在于，所述旋转轴至少有两个，且对称布置在下固定夹料盘的上端面。

4.根据权利要求3所述的一种用于区熔炉的载料装置，其特征在于，所述旋转卡块与旋转轴的数量一样，旋转卡块对称布置，且间距在0.2mm～1.0mm之间。

5.根据权利要求4所述的一种用于区熔炉的载料装置，其特征在于，所述旋转卡块包括拨叉、旋转臂和卡块；旋转臂为圆筒型的旋转臂，旋转卡块通过旋转臂的内孔与旋转轴固定；卡块为矩形，卡块一端与旋转臂连接，另外一端的中心设有半圆形的开孔，且下端面设有矩形突起；拨叉设置在旋转臂另一侧，与卡块形成钝角。

6.根据权利要求5所述的一种用于区熔炉的载料装置，其特征在于，所述开孔的上下端各有导向倒角。

7.根据权利要求5所述的一种用于区熔炉的载料装置，其特征在于，所述卡头分为上下两部分，上部分为球体，下部分为圆柱体；球体的直径大于圆柱体的直径和两块旋转卡块拼合的开孔的直径，并且小于下固定下料盘上的孔的直径；圆柱体的直径小于两块旋转卡块拼合的开孔的直径。

8.一种利用权利要求1所述用于区熔炉的载料装置的自动载料方法，包括多晶料的夹持，其特征在于，具体步骤如下所述：

A、用活动料盘与多晶料夹头夹住多晶料，机械臂抓起多晶料；

B、通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂运送多晶料并带动卡头至旋转卡块的开孔下方，实现多晶料的位置定位；

C、通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂利用往上推动多晶料，使卡头向上运动，卡头穿过下固定下料盘的孔并顶起旋转卡块，直至卡头的球体穿过旋转卡块，旋转卡块落下重新和下固定夹料盘贴合；

D、通过摄像镜头和图像处理系统的配合，控制机械臂利用往下移动多晶料，使卡头向下运动，直至卡头的球部与旋转卡块上端面贴合，松开机械臂，从而完成多晶料的自动载料。

9.根据权利要求8所述的自动载料方法，其特征在于，所述摄像镜头和图像处理系统的配合是指：摄像镜头观察炉内载料情况，并将图像传输给图像处理系统，图像处理系统根据载料情况进行判断后给机械臂信号，完成动作。