CN108866620A - 一种制备区熔单晶的线圈对中装置 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供一种制备区熔单晶的线圈对中装置，该对中装置设置于区熔炉内；区熔炉包括了由上至下固定连接的上炉室、中炉室和下炉室，其中，所述中炉室内固设有一线圈，所述线圈的上表面设有一对中片；所述对中片为透明片体结构，其正中心开设有一圆形孔洞；所述下炉室内设有下轴，所述下轴可以在区熔炉内上下升降，所述下轴的顶部固设有一激光发生器，所述激光发生器的激光竖直向上。本发明创造采用激光发生器取代原有的机械式对中器，可以使下轴只上升到线圈附近，无需与线圈硬性接触，避免了机械对中器的磨损和对设备的损坏；同时激光对中的精度和效果较机械式对中更高更好，提高了对中工序的效率。
Description
技术领域
本发明创造属于非金属的制造设备领域，尤其是涉及一种制备区熔单晶的线圈对中装置。
背景技术
用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品，区熔法又称Fz法，即悬浮区熔法。区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶，调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料生长成一根单晶，其晶向与籽晶的相同。
区熔炉炉体构造由上中下三个炉室构成，其中作为区熔炉关键部件之一的线圈在正式生产前(开炉拉晶前)需要与下炉室内的下轴中心进行安装校准，这样做的目的是保证下轴中心与线圈的中心同心，从而更好地保证单晶生长方向一致性。传统的对中装置为机械对中，即在下轴的顶部固设有一对中器，对中器顶部为倒锥形结构；在线圈上表面安装有一对中片，所述对中片为透明材质制作；对中时上升下轴，使对中器顶端的锥尖与对中片中心重合，操作人员可以通过中炉室的窗口(对中过程中炉室窗口开启，方便操作者观察对中情况)观察重合情况，如果二者恰好重合，则对中完成；如果对中器顶端的锥尖与对中片中心偏离，则需校准线圈。
但这种对中方法由于靠人眼目测，机械式的锥尖与对中片的重合情况不好观察，存在一定的测量误差，而且纯机械的对中过程对于设备也存在一定的磨损，例如，在对中过程中如果线圈相对下轴有所偏离，对中器就会冲撞到线圈上造成设备备件不必要的损坏，后续的对中效果也会受到明显的影响。
在对中完成后进行单晶区熔时，对于单晶形成时的夹持至关重要，不然无法保证单晶的生长的一致性，现有技术中的夹持器结构过于简单，无法实现对单晶稳定和持续地夹持，影响了区熔效率和成功率。
发明创造内容
本发明创造要解决的技术问题是提供一种制备区熔单晶的线圈对中装置，能够做到线圈与下轴的高效对中，解决了传统机械对中装置中对中器对设备的磨损，提供对中准确度；同时，本发明创造还提供一种新型夹持器，对单晶区熔成型时进行夹持，实现单晶生长的一致性。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
一种制备区熔单晶的线圈对中装置，该对中装置设置于区熔炉内；区熔炉包括了由上至下固定连接的上炉室、中炉室和下炉室，三者轴线相互重合；
所述中炉室内固设有一线圈，所述线圈的中心开设有一阶梯型的圆形通孔，所述圆形通孔上卡接有一对中片，所述对中片为圆形的透明片体结构，所述对中片侧壁为与所述阶梯型的圆形通孔匹配的阶梯状结构；所述对中片的正中心开设有一圆形孔洞；所述线圈、对中片以及孔洞的轴线与中炉室轴线重合；
所述下炉室内设有下轴，所述下轴的轴线与下炉室轴线重合；所述下轴的顶部固设有一激光发生器，所述激光发生器发出的激光竖直向上。
进一步，所述下轴包括有中空的轴体、套设于轴体顶部的夹持器、设于轴体和夹持器内的轴尖部，所述轴尖部包括有轴尖本体、固设于轴尖本体顶部的轴尖顶针；
所述轴尖部还包括有一夹头，所述夹头与轴尖顶针卡接；所述夹头包括有由下至上固定连接的卡座和固定座，所述固定座的上表面开设有一凹槽，所述凹槽尺寸与所述激光发生器尺寸相当，所述凹槽的侧壁上还开设有一螺纹孔，紧固螺丝深入螺纹孔中，将设于凹槽内的激光发生器固定在夹头上。
进一步，所述卡座下表面开设有卡接槽，则所述卡接槽与所述轴尖顶针通过锥度配合进行卡接。
进一步，所述轴体、轴尖本体和轴尖顶针的轴线均相互重合，所述夹头、凹槽以及激光发生器的轴线均与轴尖顶针的轴线重合。
进一步，所述夹持器包括有底部的夹持器大盘，固设于夹持器大盘上表面的夹持器本体，所述夹持器大盘和夹持器本体均为中空结构，使得所述轴尖部由所述轴体内向上伸出夹持器设置；
所述夹持器本体包括有由下至上固定连接的第一环状体、中空连接柱和第二环状体，所述第一环状体固设于夹持器大盘上表面。
进一步，所述夹持器大盘上表面固设有若干组拨片支撑架，所述拨片支撑架上部转动设有销子拨片；
所述第二环状体上通过销子棍设有一道销子，具体地，所述第二环状体的上表面为斜向下设置，所述第二环状体的上表面上周向均匀设有若干销孔，所述销孔内插设有销子棍，所述一道销子呈圆形片体结构，其表面开设有弧形凹槽；所述一道销子与销子棍柱通过螺纹固定连接；
所述一道销子与销子拨片一一对应设置，所述销子拨片为长条形结构，该销子拨片的一端位于一道销子正下方，另一端固设有一道绳柱，所述一道绳柱上绕设有一组钢丝绳，通过所述钢丝绳的夹紧和松弛实现销子拨片的转动，进而改变一道销子的夹持范围。
进一步，每两个所述拨片支撑架之间还固设有二道销子支撑架，所述二道销子支撑架上部转动设有二道销子，所述二道销子包括有销子本体、固设于销子本体前端的两个顶针、固设于销子本体后端的二道绳柱，所述二道绳柱上绕设有一组钢丝绳，通过所述钢丝绳的夹紧和松弛实现二道销子的转动，进而改变二道销子的夹持范围。
本发明创造具有的优点和积极效果是：
(1)本发明创造采用激光发生器取代原有的机械式对中器，可以激光发生器只上升到线圈附近，无需与线圈硬性接触，避免了机械对中器的磨损和对设备的损坏；
(2)本发明创造利用激光发生器发射竖直的激光柱进行对中校准，由于光是沿直线传播的，因此激光的垂直度要明细高于机械式对中器的垂直度，使得激光对中的精度更高，激光柱发射到线圈的对中片上后形成光点，若该光点与对中片中心的圆形孔洞恰好重合，则线圈和下轴对中完成；如果激光柱与对中片中心的孔洞偏离，则需校准线圈和下轴直至对中成功；
(3)本发明创造提供的夹持器采用一道销子和二道销子双重作用实现对单晶的夹持，保证单晶区熔下拉时的同轴性，即保证单晶生长的一致性。
附图说明
图1为实施例中区熔炉的整体示意图；
图2为实施例中对中装置的剖视图；
图3为实施例中对中装置下轴部分的剖视图；
图4为实施例中对中装置下轴部分的俯视图。
图中：1-上炉室；2-中炉室；21-线圈；22-对中片；3-下炉室；31-下轴；311-轴体；312-夹持器；3121-夹持器大盘；3122-夹持器本体；3123-销子拨片；3124-二道销子；3125-一道销子；313-轴尖本体；314-轴尖顶针；315-夹头；3151-卡座；3152-固定座；3153-紧固螺丝；316-铜棒；317-防烫杯；318-导向环；32-激光发生器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如附图所示，本实施例在于提供一种制备区熔单晶的线圈对中装置，该对中装置设置于区熔炉内；区熔炉包括了由上至下固定连接的上炉室1、中炉室2和下炉室3，三者轴线相互重合。
所述中炉室2内设有一线圈21，所述线圈21的中心开设有一阶梯型的圆形通孔，所述圆形通孔上正好卡接有一对中片22，所述对中片22为圆形的透明片体结构，采用有机玻璃制造，所述对中片22侧壁为与所述阶梯型的圆形通孔匹配的阶梯状结构，使得对中片22正好可以放置在线圈21上；所述对中片22的正中心开设有一圆形孔洞，所述线圈21、对中片22以及孔洞的轴线与中炉室2轴线重合；所述下炉室3内设有下轴31，所述下轴31的轴线与下炉室3轴线重合；所述下轴31的顶部固设有一激光发生器32，该激光发生器32可选择市面上常见的激光笔，如惠斯特303D型号的激光笔，将该笔竖直固定于下轴31的顶部。
具体地，所述下轴31包括有中空的轴体311、套设于轴体311顶部的夹持器312、设于轴体311和夹持器312内的轴尖部，所述轴尖部包括有轴尖本体313、固设于轴尖本体313顶部的轴尖顶针314，以上部件的轴线均相互重合；所述下轴31内设有一铜棒316，所述轴尖本体313套设于所述铜棒316外围并通过螺丝紧固，所述铜棒316可由相应的电机带动轴尖本体313及整个轴尖部上下运动；所述轴尖本体313自所述轴体311内部竖直向上伸出夹持器312设置；所述轴尖部还包括有固设于轴尖本体313和轴尖顶针314外围的防烫杯317，所述轴尖本体313伸入防烫杯317内设置，所述轴尖顶针314伸出防烫杯317顶部设置；其中，防烫杯317的作用是防止在单晶在流融状态下损坏轴尖部，对轴尖部起到一定的保护作用；所述轴尖本体313位于防烫杯317和夹持器312中间部分的外围还套设有导向环318，该导向环318采用四氟材质或者陶瓷材质制作，在所述轴尖部在下轴31中上下移动时，导向环318起到了一定的支撑导向作用。
所述轴尖部还包括有一夹头315，所述夹头315与轴尖顶针314伸出防烫杯317的部分通过锥度配合完成卡接；所述夹头315包括有由下至上固定连接的卡座3151和固定座3152，所述卡座3151下表面开设有卡接槽，则所述卡接槽与所述轴尖顶针314通过锥度配合进行卡接，实现夹头315与轴尖顶针314的卡接；所述固定座3152的上表面开设有一凹槽，所述凹槽尺寸与所激光笔尺寸相当，所述凹槽的侧壁上还开设有一螺纹孔，将激光笔放入该凹槽内后，可利用紧固螺丝3153深入螺纹孔中，将所述激光笔紧固至所述固定座3152上，进而激光笔被固定在了下轴31上方，所述夹头315、凹槽以及激光笔的轴线均与轴尖顶针314的轴线重合。
所述激光发生器32发射的激光光束竖直向上；当需要进行对中时，利用铜棒316带动轴尖部向上运动，位于轴尖部顶部的的激光发生器32也向上运动，直至上升至线圈21附近；激光发生器32发出竖直向上的激光，激光打到线圈21上的对中片22上映射成光点，操作人员可以通过中炉室2的窗口(对中过程中炉室2窗口开启，方便操作者观察对中情况)观察光点与孔洞的重合情况，如果线圈21与下轴31为同轴心的，则光点与对中片22中心的空洞相互重合，如果不重合，需要调节线圈21沿着X、Y轴的移动(有相应的电机驱动线圈21移动)，从而达到光点与孔洞对中的目的。
所述夹持器312包括有底部的夹持器大盘3121，固设于夹持器大盘3121上表面的夹持器本体3122，所述夹持器大盘3121和夹持器本体3122均为中空结构，使得所述轴尖部由所述轴体311内向上伸出夹持器312设置；所述夹持器本体3122包括有由下至上固定连接的第一环状体、中空连接柱和第二环状体，所述第一环状体固设于夹持器大盘3121上表面；
所述夹持器大盘3121上表面通过螺栓固设有若干(3组)组拨片支撑架，所述拨片支撑架上部设有卡槽，所述卡槽内设有销子拨片3123，螺栓依次穿过卡槽一侧侧壁和销子拨片3123从卡槽另一侧侧壁伸出，所述螺栓的螺杆底部设有一定长度的螺纹，螺母拧入螺栓使得螺栓固设于卡槽内，但所述销子拨片3123可以相对于拨片支撑架转动；
所述第二环状体上通过销子棍设有一道销子3125，具体地，所述第二环状体的上表面为斜向下设置，所述第二环状体的上表面上周向均匀设有若干销孔，所述销孔内插设有销子棍，所述销子棍为柱状体结构，包括有下部的插接柱和上部的螺纹柱，所述插接柱插入所述销孔内，所述螺纹柱的尺寸比插接柱小，所述螺纹柱的外壁上设有螺纹；所述一道销子3125呈圆形片体结构，其表面开设有弧形凹槽，用于对单晶进行夹持；所述一道销子3125中间开设有螺纹孔，通过一道销子3125和螺纹柱的螺纹连接，使一道销子3125设于插接柱上方，并用螺母拧入螺纹柱进行固定；所述一道销子3125与销子拨片3123是一一对应设置的，所述销子拨片3123为长条形结构，销子拨片3123的一端位于一道销子3125正下方，另一端通过螺纹连接固设有一道绳柱(绳柱一般为柱状体结构，用于缠绕钢丝绳，通过该钢丝绳的释放和夹紧控制销子的夹持范围)；所述一道绳柱上绕设有一组钢丝绳，当钢丝绳处于拉紧或者松弛状态时，可带动一道绳柱及销子拨片3123相对于螺栓转动，进而上下拨动其上方的一道销子3125，由于与一道销子固定连接的销子棍可以在销孔内上下移动，因此通过拨动可以改变一道销子3125的夹持范围；
每两个所述拨片支撑架之间还固设有二道销子支撑架，所述二道销子支撑架上部也设有卡槽，该卡槽内通过螺栓设有二道销子3124，该螺栓的结构与销子拨片3123的相同，所述二道销子3124同样可相对所述二道销子支撑架转动，所述二道销子3124包括有销子本体、固设于销子本体前端的两个顶针、通过螺纹连接固设于销子本体后端的二道绳柱，钢丝绳绕设于该二道绳柱上，当该钢丝绳拉紧或者松弛状态时，可带动二道绳柱及二道销子3124相对二道销子支撑架转动，进而改变二道销子3124前端顶针的夹持范围；以上所述的钢丝绳与销子都是一一对应的，每一个销子对应一组钢丝绳。
在开始单晶区熔之前，首先需将籽晶安装至区熔炉内的籽晶夹头上，然后调整夹持器312，通过钢丝绳长度的调整使销子之间能的动作同步、顺畅的释放；随后将多晶料放入相应的多晶料夹具中，最后进行封炉、抽空、充气和预热，进入单晶区熔过程；
在单晶区熔时，多晶料尖端熔化，使籽晶与多晶料熔区接触，之后籽晶头部开始变红、熔化，直至引出单晶，随后通过上轴、下轴的下降速度等其他参数的控制，完成单晶的拉细颈和扩肩工序，当单晶的肩部即将接触一道销子3125时，通过钢丝绳释放所述夹持器312的两个销子，直至一道销子3125和二道销子3124夹上单晶，单晶在夹持器312的作用下逐步成型，直至最后完成收尾。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，该对中装置设置于区熔炉内；区熔炉包括了由上至下固定连接的上炉室、中炉室和下炉室，三者轴线相互重合；
所述中炉室内固设有一线圈，所述线圈的中心开设有一阶梯型的圆形通孔，所述圆形通孔上卡接有一对中片，所述对中片为圆形的透明片体结构，所述对中片侧壁为与所述阶梯型的圆形通孔匹配的阶梯状结构；所述对中片的正中心开设有一圆形孔洞；所述线圈、对中片以及孔洞的轴线与中炉室轴线重合；
所述下炉室内设有下轴，所述下轴的轴线与下炉室轴线重合；所述下轴的顶部固设有一激光发生器，所述激光发生器发出的激光竖直向上。
2.如权利要求1所述的一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，所述下轴包括有中空的轴体、套设于轴体顶部的夹持器、设于轴体和夹持器内的轴尖部，所述轴尖部包括有轴尖本体、固设于轴尖本体顶部的轴尖顶针；
所述轴尖部还包括有一夹头，所述夹头与轴尖顶针卡接；所述夹头包括有由下至上固定连接的卡座和固定座，所述固定座的上表面开设有一凹槽，所述凹槽尺寸与所述激光发生器尺寸相当，所述凹槽的侧壁上还开设有一螺纹孔，紧固螺丝深入螺纹孔中，将设于凹槽内的激光发生器固定在夹头上。
3.如权利要求2所述的一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，所述卡座下表面开设有卡接槽，则所述卡接槽与所述轴尖顶针通过锥度配合进行卡接。
4.如权利要求2所述的一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，所述轴体、轴尖本体和轴尖顶针的轴线均相互重合，所述夹头、凹槽以及激光发生器的轴线均与轴尖顶针的轴线重合。
5.如权利要求2所述的一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，所述夹持器包括有底部的夹持器大盘，固设于夹持器大盘上表面的夹持器本体，所述夹持器大盘和夹持器本体均为中空结构，使得所述轴尖部由所述轴体内向上伸出夹持器设置；
所述夹持器本体包括有由下至上固定连接的第一环状体、中空连接柱和第二环状体，所述第一环状体固设于夹持器大盘上表面。
6.如权利要求5所述的一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，所述夹持器大盘上表面固设有若干组拨片支撑架，所述拨片支撑架上部转动设有销子拨片；
所述第二环状体上通过销子棍设有一道销子，具体地，所述第二环状体的上表面为斜向下设置，所述第二环状体的上表面上周向均匀设有若干销孔，所述销孔内插设有销子棍，所述一道销子呈圆形片体结构，其表面开设有弧形凹槽；所述一道销子与销子棍柱通过螺纹固定连接；
所述一道销子与销子拨片一一对应设置，所述销子拨片为长条形结构，该销子拨片的一端位于一道销子正下方，另一端固设有一道绳柱，所述一道绳柱上绕设有一组钢丝绳，通过所述钢丝绳的夹紧和松弛实现销子拨片的转动，进而改变一道销子的夹持范围。
7.如权利要求6所述的一种制备区熔单晶的线圈对中装置，其特征在于，每两个所述拨片支撑架之间还固设有二道销子支撑架，所述二道销子支撑架上部转动设有二道销子，所述二道销子包括有销子本体、固设于销子本体前端的两个顶针、固设于销子本体后端的二道绳柱，所述二道绳柱上绕设有一组钢丝绳，通过所述钢丝绳的夹紧和松弛实现二道销子的转动，进而改变二道销子的夹持范围。
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