CN104250848A - 利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直拉硅单晶生长设备的辅助设备，旨在提供利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法。该种外部装料结构的主体包括籽晶系统和旋转机构，利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法，当单晶炉热场为18～24寸，上述各值需要满足以下公式：G1≥G2+G3，G/2≥G2+G3，F≥K(G2+G3)；其中，G为称重传感器的称重范围，G1为钢丝绳的载荷，G2为多晶硅原料的质量，G3为石英坩埚和真空罩的总质量，F为真空表上压力值P产生的压力，K为安全系数。本发明不需增加额外吊装辅助设备，利用了单晶炉固有的籽晶系统和副炉室旋转机构，能有效的实现坩埚炉外装料。

Description

利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法

技术领域

本发明是关于直拉硅单晶生长设备的辅助设备，特别涉及利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法。

背景技术

晶体硅材料常用于集成电路的初始材料，典型生产单晶硅的方法是直拉法。而单晶炉是多晶硅转化为单晶硅工艺的必需设备。单晶炉直拉法是将多晶硅原料熔化在石英坩埚中，在多晶硅完全熔化待温度达到平衡后，将棒状单晶硅缓慢放入液面，使一部分浸泡在溶液中，在合适的温度下，硅熔液的硅原子会在籽晶的影响下随着它的原子排列结构在溶液表面结晶，形成硅单晶。通过籽晶系统将单晶平稳的向上提起并加上合适的旋转，在稳定的环境下，硅溶液可以连续不断的结晶，最后形成一个主体圆柱状的硅单晶体。

装料大多采用将石英坩埚放入炉腔中，再用多晶原料放入石英坩埚中的方法。为防止损坏石英坩埚和原料碎屑掉入热场影响热场使用寿命，料必须缓慢轻放，导致装料过程耗时费力。为了减少装料时间，降低操作工的工作强度，市场上通常使用外加辅助机械车，在炉外装好硅料再把石英坩埚放入炉腔中。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供能缩短装料时间和装料过程操作简单安全的外部装料机构及其控制方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法，将装有多晶硅原料的石英坩埚吊装到单晶炉热场内时，设称重传感器的称重范围为G，将称重传感器组件看作定滑轮，钢丝绳的载荷为G1，装入多晶硅原料的质量为G2，石英坩埚和真空罩的总质量为G3，真空表上压力值P产生的压力为F(其中P为0.1个大气压)；

当单晶炉热场为18～24寸，上述各值需要满足以下公式：G1≥G2+G3，G/2≥G2+G3，F≥K(G2+G3)；K为安全系数，在生产过程中K取5。

提供用于实现所述控制方法的一种外部装料结构，用于将石英坩埚和真空罩连接密封后，整体吊装放入或取出单晶炉热场，其特征在于，真空罩上设有吊环和进出气口，进出气口连接有真空阀，真空阀的另一端连接口通过波纹管与真空泵连接，真空阀用于控制进出气口的开启和关闭；真空罩上设置有密封圈，并通过密封圈和石英坩埚密封连接，真空泵用于将石英坩埚和真空罩形成的密封腔体抽成真空；真空罩上还设有真空表，真空表用于测量石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的大气压力；

所述外部装料结构的主体为吊装机构，吊装机构包括单晶炉中的籽晶系统和旋转机构，吊装机构利用真空罩上的吊环，实现对连接密封后的石英坩埚和真空罩整体进行吊装；

所述籽晶系统安装在副炉室上，籽晶系统包括电机、带轮、离合器、编码器、称重传感器，籽晶系统利用钢丝绳与真空罩上的吊环连接，实现对连接密封后的石英坩埚和真空罩整体进行升降运动；所述电机设有两个，两个不同的电机用于提供两种不明的吊装速度，所述带轮和离合器用于进行电机选择，以达到不同的升降速度；所述编码器用于定位钢丝绳端部的位置(即指钢丝绳与吊环的连接处)并显示升降的距离，方便进行运动行程控制；所述称重传感器用于计算石英坩埚内所装载的多晶硅原料的质量；

所述旋转机构用于带动副炉室进行旋转运动，进而带动安装在副炉室上的籽晶系统进行旋转运动，实现吊装在籽晶系统上的连接密封后的石英坩埚和真空罩整体完成旋转运动和升降运动；旋转机构还设有限位开关，限位开关用于控制副炉室的旋转角度。

在本发明中，所述真空吸盘上的密封圈采用L形密封圈。

在本发明中，所述波纹管与真空阀上采用快卸法兰连接。

在本发明中，所述外部装料结构还包括运输装置，用于移动石英坩埚；运输装置采用装料小车，装料小车上设有挡块和减震装置，减震装置采用减震弹簧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明专利不需增加额外吊装辅助设备，利用了单晶炉固有的籽晶系统和副炉室旋转机构，能有效的实现坩埚炉外装料。

籽晶系统的快、慢速电机可以提供两种不同的升降速度；可以利用籽晶系统的称重装置读出吊装坩埚的总质量，计算出所加料的质量。

副炉室旋转机构可以完成坩埚从炉外转移到炉内，并通过其限位精确的定位在主炉室上方。

附图说明

图1为石英坩埚放在小车上装好料的示意图。

图2为利用籽晶系统拉起真空罩和坩埚的示意图。

图3为利用副炉室旋转机构和籽晶系统升降将石英坩埚吊入热场内的示意图。

图中的附图标记为：1真空泵；2波纹管；3真空阀；4吊环；5真空罩；6真空表；7密封圈；8石英坩埚；9装料小车；10籽晶系统；11旋转机构；12主炉室。

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：

如图1、图2、图3所示，一种外部装料结构用于将石英坩埚8和真空罩5连接密封后，整体吊装放入或取出单晶炉热场。真空罩5上设有吊环4和进出气口，进出气口连接有真空阀3，真空阀3的另一端连接口通过波纹管2与真空泵1连接，真空阀3用于控制进出气口的开启和关闭；真空罩5上设置有特制的L形密封圈7，并通过密封圈7和石英坩埚8密封连接，真空泵1用于将石英坩埚8和真空罩5形成的密封腔体抽成真空；真空罩5上还设有真空表6，真空表6用于测量石英坩埚8和真空吸盘形成的密封腔体内的大气压力。波纹管2与真空阀3上采用快卸连接方式，快卸连接方式优选快卸法兰。

外部装料结构的主体为吊装机构，吊装机构包括单晶炉固有的籽晶系统10和旋转机构11，吊装机构利用真空罩5上的吊环4，实现对连接密封后的石英坩埚8和真空罩5整体进行吊装。

所述籽晶系统10安装在副炉室上，籽晶系统10包括电机、带轮、离合器、编码器、称重传感器，籽晶系统10利用钢丝绳与真空罩5上的吊环4连接，实现对连接密封后的石英坩埚8和真空罩5整体进行升降运动。所述电机设有两个，两个不同的电机用于提供两种不明的吊装速度，所述带轮和离合器用于进行电机选择，以达到不同的升降速度满足生产工艺及提高工作效率，快速运动避免了速度过慢导致效率下降，慢速运动提高了放置时的安全系数。所述编码器用于定位钢丝绳端部的位置并显示升降的距离，可以使操作者了解升降的距离，在升降过程中有效的控制运动行程，进一步的提高了安全系数。所述称重传感器用于计算石英坩埚8内所装载的多晶硅原料的质量。

所述旋转机构11用于带动副炉室进行旋转运动，进而带动安装在副炉室上的籽晶系统10进行旋转运动，即相当于籽晶系统10同时旋转，实现吊装在籽晶系统10上的连接密封后的石英坩埚8和真空罩5整体完成旋转运动和升降运动。旋转机构11还设有限位开关，限位开关用于控制副炉室的旋转角度。石英坩埚8通过钢丝绳连接在籽晶系统10上，石英坩埚8在跟随旋转机构11运动时，由于单晶炉副炉室已校准在主炉室12上方限位点起作用，同理该位置石英坩埚8处于主炉室12正上方,无需再次确认竖直方向位置。

外部装料机构还包括用于移动石英坩埚8的运输装置，这里采用装料小车9作为运输装置。装料小车9上设有挡块和减震装置，可避免运输过程中因震动对石英坩埚8造成损坏。这里采用减震弹簧作为减震装置。

将装满多晶硅原料的石英坩埚8吊装到单晶炉热场内时，设称重传感器的称重范围为G，将称重传感器组件看作定滑轮，钢丝绳的载荷为G1，装入多晶硅原料的质量为G2，石英坩埚8和真空罩5的总质量为G3，真空表6上压力值P产生的压力为F(其中P为0.1个大气压)。

对于18～24寸的单晶炉热场，上述各值需要满足以下公式：

G1≥G2+G3；

G/2≥G2+G3；

F≥K(G2+G3)；K为安全系数，在生产过程中K取5。

以上公式证明称重传感器、钢丝绳和真空罩5与石英坩埚8的负压产生的作用力可以承受硅料与石英坩埚8、真空罩5的总质量。确保升降过程安全。

单晶炉籽晶钢丝绳与石英坩埚8处于同轴心，石英坩埚8通过副炉室旋转机构11旋转后无需调整石英坩埚8位置。二者配合可替换原有的吊装辅助设备。

炉外装料过程：

首先将石英坩埚8拆封检查好放置在装料小车9上，移动小车9至指定位置装料；往石英坩埚8里装多晶硅原料，装满之后在石英坩埚8上沿贴上密封圈7，将真空罩5盖在贴好密封圈7的石英坩埚8上，在手动真空阀3的连接口上连接波纹管2，波纹管2的另一端连接真空泵1，这时可以开启真空泵1，然后缓缓开启手动真空阀3，观察真空表6的指针变化，当指针接近-0.1MPa时关紧手动真空阀3，关闭真空泵1然后拆除手动真空阀3连接口上连接的波纹管2，放置10分钟，观察真空表6指针有无变化，以确认是否漏气。

确认石英坩埚8和真空罩5组成的密闭腔体不漏气后，将装料小车9推到需要装料的单晶炉11旁边的指定位置，用籽晶系统10快、慢速协调配合使吊装将真空吸盘5连同石英坩埚8以及其内部的多晶硅原料提升至高度在主炉室12高度上方时，通过副炉室旋转机构11旋转带动石英坩埚8旋转至主炉室12的正上方，再通过籽晶升降平稳的吊入主炉室12内的石墨埚中，此过程中可以通过籽晶系统10自带的编码器记录上升的高度与下降的距离，通过称重传感器可以计算此次所装料的质量，然后缓缓开启手动真空阀3开始向密闭腔体内充气，观察真空表6指针的变化，待其回到初始位置时，充气完成，然后用籽晶系统10将真空吸盘5吊起并移开，拿掉密封圈7，即完成整个单晶硅炉外部装料过程。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.利用外部装料结构进行多晶硅装料的控制方法，其特征在于，将装有多晶硅原料的石英坩埚吊装到单晶炉热场内时，设称重传感器的称重范围为G，将称重传感器组件看作定滑轮，钢丝绳的载荷为G1，装入多晶硅原料的质量为G2，石英坩埚和真空罩的总质量为G3，真空表上压力值P产生的压力为F(其中P为0.1个大气压)；

当单晶炉热场为18～24寸，上述各值需要满足以下公式：G1≥G2+G3，G/2≥G2+G3，F≥K(G2+G3)；K为安全系数，在生产过程中K取5。

2.用于实现权利要求1所述控制方法的一种外部装料结构，用于将石英坩埚和真空罩连接密封后，整体吊装放入或取出单晶炉热场，其特征在于，真空罩上设有吊环和进出气口，进出气口连接有真空阀，真空阀的另一端连接口通过波纹管与真空泵连接，真空阀用于控制进出气口的开启和关闭；真空罩上设置有密封圈，并通过密封圈和石英坩埚密封连接，真空泵用于将石英坩埚和真空罩形成的密封腔体抽成真空；真空罩上还设有真空表，真空表用于测量石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的大气压力；

所述外部装料结构的主体为吊装机构，吊装机构包括单晶炉中的籽晶系统和旋转机构，吊装机构利用真空罩上的吊环，实现对连接密封后的石英坩埚和真空罩整体进行吊装；

所述籽晶系统安装在副炉室上，籽晶系统包括电机、带轮、离合器、编码器、称重传感器，籽晶系统利用钢丝绳与真空罩上的吊环连接，实现对连接密封后的石英坩埚和真空罩整体进行升降运动；所述电机设有两个，两个不同的电机用于提供两种不明的吊装速度，所述带轮和离合器用于进行电机选择，以达到不同的升降速度；所述编码器用于定位钢丝绳端部的位置并显示升降的距离，方便进行运动行程控制；所述称重传感器用于计算石英坩埚内所装载的多晶硅原料的质量；

所述旋转机构用于带动副炉室进行旋转运动，进而带动安装在副炉室上的籽晶系统进行旋转运动，实现吊装在籽晶系统上的连接密封后的石英坩埚和真空罩整体完成旋转运动和升降运动；旋转机构还设有限位开关，限位开关用于控制副炉室的旋转角度。

3.根据权利要求2所述的一种外部装料结构，其特征在于，所述真空吸盘上的密封圈采用L形密封圈。

4.根据权利要求2所述的一种外部装料结构，其特征在于，所述波纹管与真空阀上采用快卸法兰连接。

5.根据权利要求2所述的一种外部装料结构，其特征在于，所述外部装料结构还包括运输装置，用于移动石英坩埚；运输装置采用装料小车，装料小车上设有挡块和减震装置，减震装置采用减震弹簧。