CN109371460B - 一种籽晶杆的可调式稳定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种籽晶杆的可调式稳定装置，套装于晶体生长炉内的籽晶杆上，关键在于：包括套装在籽晶杆上的胀紧套，胀紧套外周面上均布有3‑6根螺杆，每个螺杆上螺纹连接有旋套，旋套的顶端设置有滚珠，滚珠与圆筒形炉腔内壁接触形成籽晶杆的支撑、稳定结构。通过在籽晶杆上加装胀紧套，并在胀紧套上设置可调式支撑稳定装置，使籽晶杆的运动平稳、同心度高。

Description

一种籽晶杆的可调式稳定装置
技术领域
本发明涉及半导体材料的晶体生长用籽晶杆，具体涉及在晶体生长时用于保持籽晶杆在静止或运动中稳定的装置。
背景技术
大规模集成电路、高频电子器件、光电器件，甚至军品级集成模块，都离不开高品质的单晶材料。提拉法生长晶体，其生长周期短，生产效率高，是目前最常用的晶体生长方式。提拉法的基本原理是将原料在坩埚中加热溶化，缓慢将籽晶与熔体接触，通过精确控制温度和晶体的拉速与转速，使得固液界面处熔体不断凝固而生长出晶体。晶体生长过程中，籽晶安装在籽晶杆下端头，籽晶需要接触到材料的熔体中心并稳定的旋转及上升，晶体生长过程中固液界面的相对稳定性对于获得高质量的晶体尤为关键。籽晶的提拉和旋转通过籽晶杆的升降和旋转来实现，籽晶杆运动的稳定性直接影响晶体的生长质量。当籽晶杆进行机械运动时，顶端传动、连接装置的细微震动通过籽晶杆传导到籽晶处时，会导致籽晶摆动，影响籽晶在熔体中的稳定性及旋转同心度，使得籽晶扰乱所接触熔体的局部热场和温度梯度，对引晶产生很大的影响，从而影响晶体生长的质量，甚至无法生长出合格的单晶。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定籽晶杆的装置，通过在籽晶杆上加装胀紧套，并在胀紧套上设置可调式支撑稳定装置，使籽晶杆的运动平稳、同心度高。
本发明为实现上述发明目的采用的技术方案为：一种籽晶杆的可调式稳定装置，套装于晶体生长炉内的籽晶杆上，关键在于：包括套装在籽晶杆上的胀紧套，胀紧套外周面上均布有3-6根螺杆，每个螺杆上螺纹连接有旋套，旋套的顶端设置有滚珠，滚珠与圆筒形炉腔内壁接触形成籽晶杆的支撑、稳定结构。
该发明中，将籽晶杆穿在胀紧套中，通过旋拧旋套调整滚珠与籽晶杆的距离，多个旋套均衡调整，各滚珠均与炉腔内壁接触时，使籽晶杆稳定于旋转中心。当籽晶杆升降、旋转时，借助稳定装置的支撑，可使籽晶杆运动平稳，同心度高，进而避免籽晶晃动、偏离。采用胀紧套，拆装方便，无需对籽晶杆进行加工、改造，联接紧密，稳定性好、同轴度高。旋套和螺杆结构便于调距，并可适用于各种炉体。滚珠的设计，摩擦力小，既实现了稳定籽晶杆，又避免阻碍籽晶杆的升降和旋转运动。
为了便于控制晶体的直径，常常采用称重提拉法生长晶体。称重提拉法是在提拉旋转机构下方安装弹簧式称重装置，弹簧式称重装置下方连接籽晶杆，籽晶杆下端再安装籽晶。因提拉旋转机构设置在炉腔外部，要将运动传导至炉内籽晶处，籽晶杆需要穿过炉盖，并通过密封机构与炉盖动密封。因密封机构的阻力很大，为了减少密封圈对称重的影响，通常是将弹簧式称重装置安装于炉内，弹簧式称重装置上端通过连接杆与提拉旋转机构连接，连接杆穿过炉盖伸出炉腔，并通过密封机构与炉盖动密封。重量传感装置可以粗略的显示所提拉出晶体的重量，从而对拉出晶体的重量及体积进行估判，随后可以参照估判值，进行相应的工艺调整。受弹簧式称重传感器的影响，称重提拉法的籽晶稳定性较差，该装置可显著的提高籽晶的稳定性，提高晶体生长质量，且摩擦力小，因摩擦产生的称重误差几乎可以忽略不计，可在提高晶体生长质量的基础上合理控制晶体的直径。
称重提拉法的晶体生长炉，为了便于安装弹簧式称重传感器，通常在炉体上端具有一段较细的炉颈，该可调式稳定装置优选安装在炉颈处，以缩短螺杆和旋套的长度。
进一步的，所述螺杆上还螺纹连接有反锁螺母，反锁螺母抵在旋套的内侧、靠近胀紧套端。反锁螺母用于防止旋套回旋，保持稳定支撑状态。
进一步的，为了使对中度好，稳定性高，各螺杆在胀紧套上的轴向位置位于同一平面上。既各螺杆安装在胀紧套的同一高度平面上。
为了进一步提高籽晶杆运动的稳定性，可调式稳定装置在籽晶杆上设置有1-3组，各组的胀紧套上均具有锁紧螺栓。锁紧螺栓可便于拆装和调整锁紧程度。
进一步的，所述旋套包括主套和限位套，主套为三段复合式结构，包括中间隔挡段和两端的中空段，两中空段一端空腔加工有内螺纹，另一端空腔内具有与滚珠适配的球碗，限位套固定在外壁上，滚珠前端伸出限位套具有万向旋转自由度。旋套的三段复合式结构便于加工螺纹和安装滚珠，限位套卡装或套装或螺纹连接在旋套上，用于限位滚珠，限位套端面上具有小于滚珠直径的通孔，以使滚珠前端伸出限位套与炉腔滚动接触。
进一步的，所述球碗与中间隔挡段之间设置有压簧。压簧的设置可以在籽晶杆运动时保持滚珠与炉腔内壁接触，缓冲炉腔内壁的细微不平整造成的机械震动，以避免籽晶杆晃动。为了便于安装弹簧，球碗的底部可以开设中孔，弹簧塞装在中孔内，并压紧在中间隔挡段上，也可以将球碗的底部设计的较细，底部与上部之间形成台阶，弹簧套装在底部，压紧在台阶与中间隔挡段之间。弹簧的弹力调节适中，要避免弹力过大造成滚珠与炉腔的摩擦力过大，或弹力过小起不到缓冲作用。
进一步的，所述炉腔内壁光滑，平整度误差小于0.05mm。炉体一般为耐热耐腐的金属材质，平整度高，利于稳定籽晶杆。
进一步的，所述螺杆固定在套筒上，套筒套装在胀紧套上。为了避免直接对胀紧套进行加工、改造，可以利用胀紧套便于联接轴和轮毂、同轴度高、锁紧可靠的特性，在胀紧套外部套装套筒，在套筒上焊接或螺纹连接螺杆，这样设计便于更换、维修套筒和螺杆，避免更换或维修成本较高的胀紧套。
进一步的，为了便于平衡各旋套的调整程度，所述螺杆外周面上具有凹于螺纹面的平面，平面的宽度小于螺杆直径的三分之一，平面上具有刻度。平面将螺纹分断了，但是并不影响旋套的旋移。
进一步的，所述籽晶杆、胀紧套、锁紧螺栓、螺杆、旋套、滚珠及反锁螺母为耐腐蚀耐高温金属材质。比如耐热钢、合金，还可以在钢或合金外表面涂覆或镀耐腐涂层。
本发明的有益效果为：该可调式稳定装置适用于多种尺寸的炉体，可以使籽晶杆底端的籽晶进入熔体中心，并使籽晶稳定的提拉旋转，避免晃动，旋转同心度高，以保持籽晶所接触熔体的局部热场和温度梯度稳定，从而提高晶体生长的质量。
附图说明
图1为稳定装置在籽晶杆上的安装结构示意图；
图2为实施例一中旋套和螺杆的分布示意图；
图3为实施例二中旋套的结构示意图；
图4是螺杆的结构示意图；
附图中，1代表籽晶杆，11代表称重装置，12代表连接杆，13代表籽晶，2代表胀紧套，3代表锁紧螺栓，4代表反锁螺母，5代表旋套，51代表主套，52限位套，53代表压簧，54代表球碗，6代表滚珠，7代表炉颈，71代表炉盖，8代表螺杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一，一种籽晶杆的可调式稳定装置，该稳定装置安装于晶体生长炉炉颈7处的籽晶杆1上，设置有1组。籽晶杆1上端连接弹簧式称重装置11、下端安装籽晶13，弹簧式称重装置11上端通过连接杆12与提拉旋转机构连接，连接杆12穿过炉盖71伸出炉腔，并通过密封机构与炉盖71动密封。
籽晶杆1上套装有胀紧套2，胀紧套2上焊接有4根螺杆8，每个螺杆8上螺纹连接有旋套5，旋套5的顶端设置有滚珠6。螺杆8外周面上具有凹于螺纹面的平面，平面的宽度小于螺杆8直径的三分之一，平面上具有刻度。螺杆8上还螺纹连接有反锁螺母4，反锁螺母4抵在旋套5的内侧、靠近胀紧套2端。胀紧套2上具有锁紧螺栓3。圆筒状炉颈7内壁光滑，平整度误差小于0.05mm。籽晶杆1、胀紧套2、螺杆8、旋套5、滚珠6及反锁螺母4为耐腐蚀不锈钢材质。胀紧套2根据籽晶杆1尺寸选择，旋套5采用带有滚珠和内螺纹的万向球。
具体使用时，在晶体生长之前，将胀紧套2安装在炉颈7腔处的籽晶杆1上，调节锁紧螺栓3固定，借助螺杆8刻度均衡调节四个旋套5至滚珠接触炉颈7腔内壁，刻度保持一致，使籽晶杆1位于炉腔中心，与上端旋转提拉装置同轴，旋拧反锁螺母4锁定旋套5。
实施例二，该实施例与实施例一不同的是：在胀紧套2外套装套筒，螺杆8焊接在套筒上。套筒根据胀紧套2尺寸加工。旋套5定制加工，包括主套51和限位套52，主套51为三段复合式结构，包括中间隔挡段和两端的中空段，两中空段一端空腔加工有内螺纹，另一端空腔内具有与滚珠6适配的球碗54，限位套52螺纹连接在外壁上，滚珠6前端伸出限位套52具有万向旋转自由度。球碗54的底部较细，底部与上部之间形成台阶，弹簧套装在底部，压紧在台阶与中间隔挡段之间。该实施例均衡调节四个旋套5时，滚珠接触炉腔内壁后需继续调整一点，再旋拧反锁螺母4锁定旋套5，以保证压簧受压，也可根据螺杆刻度调节。

Claims (8)

1.一种籽晶杆的可调式稳定装置，套装于晶体生长炉内的籽晶杆（1）上，其特征在于：包括套装在籽晶杆（1）上的胀紧套（2），胀紧套（2）外周面上均布有3-6根螺杆（8），每个螺杆（8）上螺纹连接有旋套（5），旋套（5）的顶端设置有滚珠（6），滚珠（6）与圆筒形炉腔内壁接触形成籽晶杆（1）的支撑、稳定结构；
所述旋套（5）包括主套（51）和限位套（52），主套（51）为三段复合式结构，包括中间隔挡段和两端的中空段，两中空段一端空腔加工有内螺纹，另一端空腔内具有与滚珠（6）适配的球碗（54），限位套内侧与主套固定，带滚珠的外侧，限位套（52）固定在外壁上，滚珠（6）前端伸出限位套（52）具有万向旋转自由度；
所述球碗（54）与中间隔挡段之间设置有压簧（53）。
2.根据权利要求1所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：所述螺杆（8）上螺纹连接有反锁螺母（4），反锁螺母（4）抵在旋套（5）的内侧、靠近胀紧套（2）端。
3.根据权利要求1所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：各螺杆（8）在胀紧套（2）上的轴向位置位于同一平面上。
4.根据权利要求1所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：所述可调式稳定装置在籽晶杆上设置有1-3组，各组的胀紧套（2）上均具有锁紧螺栓（3）。
5.根据权利要求1所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：所述炉腔内壁光滑，平整度误差小于0.05mm。
6.根据权利要求1所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：所述螺杆（8）固定在套筒上，套筒套装在胀紧套（2）上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：所述螺杆（8）外周面上具有凹于螺纹面的平面，平面的宽度小于螺杆（8）直径的三分之一，平面上具有刻度。
8.根据权利要求7所述的籽晶杆的可调式稳定装置，其特征在于：所述籽晶杆（1）、胀紧套（2）、锁紧螺栓（3）、螺杆（8）、旋套（5）、滚珠（6）及反锁螺母（4）为金属材质。
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