CN109666969A - 一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术中人工操作易掉棒的问题，本发明提供一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置及使用方法，包括壳体、设置在壳体内的控制组件、设置在壳体上的方向确定组件、位置确定组件以及抓取定位组件；方向确定组件包括用于向炉门侧壁上投射辅助夹爪调平的辅助线的标线器；位置确定组件包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉门之间距离的左侧测距器和右侧测距器；抓取定位组件包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉内壁之间距离的左定位器和右定位器；左侧测距器和右侧测距器之间的距离大于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体面向炉门的一侧。本发明可靠性高，使用后，大大提升了可靠性，减少了企业的生产成本。

Description

一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置及使用方法

技术领域

本发明涉及硅单晶生产领域，尤其涉及一种在生产中用于单晶炉夹取晶棒时的辅助对中的对中装置及其夹取晶棒的方法。

背景技术

硅单晶是制造IC集成电路和太阳能电池的关键材料，随着中国半导体产业的快速发展，中国将成为仅次于美国的世界第二大半导体市场。

直拉单晶炉是制备硅单晶的主要设备，将多晶硅加热融化，通过旋转提拉得到单晶晶棒，由籽晶将晶棒悬挂于上炉室。由于籽晶较细，材质较脆，且晶棒质量较大，籽晶容易断裂，导致晶棒跌落，损伤晶棒及下炉室，造成巨大经济损失，因此单晶炉取棒是要求较高且复杂度较高的操作。

现有的取棒方法通常为叉车加装机械夹爪，通过人工操作取棒车进行取棒，夹爪定位难度较大，存在较大的掉棒风险。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有技术中人工操作易掉棒的问题，本发明提供一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置及使用方法。本发明通过多组传感器，辅助加装夹爪的移动载具，如叉车，与炉门对中，实现准确对中，有效的解决了夹爪定位难的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置，包括与用于取晶棒的夹爪可拆卸连接的壳体、设置在壳体内的控制组件、设置在壳体上的方向确定组件、位置确定组件以及抓取定位组件；其技术方案在于：方向确定组件包括用于向炉门侧壁上投射辅助夹爪调平的辅助线的标线器；位置确定组件包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉门之间距离的左侧测距器和右侧测距器；抓取定位组件包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉内壁之间距离的左定位器和右定位器；其中，左侧测距器和右侧测距器之间的距离大于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体面向炉门的一侧；

其中，左定位器和右定位器之间的距离等于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体面向炉门的一侧；其中，左侧测距器和右侧测距器和右定位器均与控制组件电连接。

一种如权利要求1所述对中装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

A. 夹爪水平设置在移动载具上，并将壳体设置在夹爪上，并壳体与夹爪的竖直方向的中线重合；

B. 启动标线器，利用标线器投影到炉门上的标线，辅助人工调整移动载具，使夹爪与炉门初步对齐；

C.在夹爪与炉门初步对齐后，进入位置确定步骤：

具体的，控制组件采集左侧测距器和右侧测距器的距离信号，辅助人工调整移动载具，使壳体面向炉门的平面与炉门面平行，从而使夹爪正对炉门平面；

D.在位置确定步骤完成后，进入抓取定位步骤：

具体的，控制组件采集左定位器和右定位器的距离信号，辅助人工调整移动载具，使壳体正对炉门，从而使夹爪正对炉门；

其中，抓取定位步骤中的壳体与炉门对中的判断方法是：当夹爪对准炉门中心时，左定位器测得数值D1为左定位器到左侧炉门的距离，右定位器测得数值D2为右定位器到炉门内部某区域的距离，此时|D1-D2|≤θ，θ=0.1mm；由于人工操作无法避免误差，无法控制两侧距离D1、D2绝对相等，所以将两侧距离之差|D1-D2|限定在θ以内，即可认为夹爪正对炉门，减少人为主观判断形成的误差。

E.在夹爪正对炉门后，进入对中抓取过程：

具体的，控制组件判断左侧测距器和右侧测距器数值，若其等于夹爪的中心到壳体的距离L1与晶棒中心到炉门的距离L2的差值，夹爪中心与晶棒中心重合，在显示器显示“OK”，指示对中完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明首先根据方向确定组件辅助操作人员调整移动载具，保证夹爪与地面平行。然后，再利用位置确定组件，辅助操作人员将夹爪与炉门平行，最后利用抓取定位组件将夹爪与炉门正对。再夹爪伸入炉内抓取时，时刻关注夹爪与内炉壁的距离，在夹爪中心与晶棒中心重合时，提醒操作人员可以夹持，从而保证夹持准确率。本发明可靠性高，使用后，大大提升了可靠性，降低了企业的生产成本。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为图1的部分视图。

图3为本发明使用示意图。

图4为控制组件中的嵌入式微控制器的电路图。

图5为控制组件中的制组件中的RS232通信电路。

图6为控制组件中的左定位器、左侧测距器与嵌入式微控制器连接的电路图。

图7为控制组件中的右定位器、右侧测距器与嵌入式微控制器连接的电路图。

图8为控制组件中的WIFI模块与嵌入式微控制器连接的电路图。

图9为电源模块电路图。

需要明确的是：为了表述清楚，图4中的方向确定组件、位置确定组件以及抓取定位组件均凸出壳体表面显示。其实际中为了测量精准，方向确定组件、位置确定组件以及抓取定位组件均通过粘贴或者螺栓紧固等方式固定在壳体上，与壳体的表面平齐。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

所述的一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置，包括与用于取晶棒6的夹爪8可拆卸连接的壳体1、设置在壳体1内的控制组件2、设置在壳体1上的用于辅助操作人员将夹爪8调整至与地面平行的程度的方向确定组件3。其中，夹爪8调整至与地面平行是指如图1中所示的夹爪8，其两个用于夹持的爪平行地面设置。方向确定组件3包括用于向炉门侧壁上投射辅助夹爪调平的辅助线的标线器。

在实际生产中，标线器可以采用一字激光器，投射一条宽度1mm左右的激光束，用于在炉门两壁上分别投射竖线，两个标线器水平间距等于炉门两壁中线间距。辅助夹爪8定位。可选用5mW绿色激光，激光等级安全，无需特殊安全防护。夹爪8本身与地面是平行的，载具是从远端开过来，先通过标线器使夹爪8方向粗略的、初步的对准炉门，如果没有标线器，夹爪8方向是任意的，操作人员无法确定是否对准炉门。

所述对中装置还包括用于辅助操作人员将夹爪8调整至与炉门平行的位置确定组件4。位置确定组件4包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉门之间距离的左侧测距器401和右侧测距器402；左侧测距器401和右侧测距器402，用于测量壳体1到炉门的距离，进而判断夹爪8方向是否与炉门方向一致。左侧测距器401和右侧测距器402之间的距离大于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体1面向炉门的一侧，优选的，左侧测距器401和右侧测距器402水平间距等于炉门两壁中线间距。左侧测距器401和右侧测距器402均可选用ZX1-LD600激光位移传感器，量程20cm~1m，对应输出4~20mA，串联电阻将电流信号转化为电压信号，接入控制组件2ADC即可完成数据采集。

所述对中装置还包括用于辅助操作人员将夹爪8调整至正对炉门的位置，抓取定位组件5包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉内壁之间距离的左定位器501和右定位器502；左定位器501和右定位器502之间的距离等于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体1面向炉门的一侧；如图6~7，左定位器501和右定位器502均可选用HG-C1400激光位移传感器，量程20cm~60cm，对应输出0~5V，串联电阻分压，接入控制组件2ADC即可完成数据采集。

所述对中装置还包括控制组件2，如图4，该控制组件2与左侧测距器401和右侧测距器402和右定位器502均电连接，采集以上部件的距离信息。

所述的对中装置还包括显示器7；控制组件2与显示器7电连接，用于显示辅助操作工人操作的指示信号，如右箭头“→”，指示操作人员向右移动夹爪8。显示器7包括驱动器和LED单元板，如图5，驱动器通过RS232接口与控制组件2连接，由控制组件2向驱动器发送控制字，驱动器将信息刷新至LED单元板。

所述的对中装置还包括通信模块8；控制组件2与通信模块8电连接，用于将位置确定组件4、抓取定位组件5的信号无线传输至远端上位机。如图8，通信模块8可以是WIFI，通过天线8A与控制组件2连接，将控制组件2发送的数据传输至上位机。可用于远程监控取棒状态，记录取棒过程数据。可选用友人USR-C215模块，3.3V供电，实现串口数据透传，该模块可与控制组件2直接连接。当然，通信模块8也可以是蓝牙模块。

需要明确的是：如图4~9，本文所述的控制组件2包括嵌入式微控制器、存储器及外围接口电路，外围接口电路包括方向确定组件3的开关电路，显示器7的通信接口电路，位置确定组件4、抓取定位组件5的信号采集电路，通信模块8的通信接口电路。嵌入式微控制器能够可选用STM32F103RET6单片机，64引脚，72MHz主频，49个GPIO端口，三路USART，16通道12bit A/D转换器。控制组件2还包括为控制组件2、方向确定组件3、位置确定组件4以及抓取定位组件5供电的电源模块。

需要明确的是：炉门是指：单晶炉上炉室炉门，晶棒6位于炉门中，由夹爪8取出晶棒6。

需要明确的是：夹爪8位于移动载具如叉车上，也可以叫做取棒车，可进行上下左右移动、抱紧、松开等动作。本发明所述的夹爪8型号为：MiMA(米玛)前移式叉车TFA15-30叉车，由杭州金弘昌新能源设备有限公司改装机械夹爪。本发明的壳体1安装于夹爪8后方，与夹爪8形成一体，跟随夹爪8共同进行方位移动。

针对上述对中装置，发明总的工作过程是：

1.初始化程序：每次上电，电源模块进行电源稳压为控制组件2、方向确定组件3、位置确定组件4以及抓取定位组件5供电；控制组件2进行自动复位、初始化内部寄存器。初始化位置确定组件4以及抓取定位组件5的采集频率、采集精度，使能方向确定组件3输出，设定显示器7的初始显示内容，配置通信模块8的信道、目标地址和端口并建立初始化。控制组件2定时读取位置确定组件4以及抓取定位组件5的输出信号，将输出信号转化为相应数值，并将数值刷新至显示器7，同时将数据发送至通信模块8。完成初始化，进入方向判断程序。

2.方向判断程序：当位置确定组件4测量的数值相差较大时，即|S1-S2|＞ε，其中ε取0.1mm，循环判断，直到：

当位置确定组件4测量的数值|S1-S2|≤ε，其中ε取0.1mm，并且距离S1小于夹爪8长度L与距离阈值T0之和时，即S1＜L＋T0，则装置到炉门两壁的距离相等并且处于炉门前方一定距离，认为此时夹爪方向与炉门方向一致，进入位置判断程序；其中，T0为夹爪8的前端到炉门的最小安全距离，可设为5cm；

其中，左侧测距器401与炉门之间的距离为S1；右侧测距器402与炉门之间的距离为S2；夹爪8的长度为产品已知数据。

3.位置判断程序：当左定位器501和右定位器502测量的数值相差较大时，返回方向判断程序，否则根据如下原则作判断：

当夹爪8向左偏离炉门中心时，左定位器501测得数值D1为装置到左侧炉门的距离，右定位器502测得数值D2为装置到炉门内部某区域的距离，此时D1＞D2；

当夹爪8向右偏离炉门中心时，左定位器501测得数值D1为左定位器501到炉门内部某区域的距离，右定位器502测得数值D2为右定位器502到右侧炉门的距离，此时D1＜D2；

当夹爪8对准炉门中心时，左定位器501测得数值D1为左定位器501到左侧炉门的距离，右定位器502测得数值D2为右定位器502到炉门内部某区域的距离，此时|D1-D2|≤θ，θ=0.1mm；

根据如下规则进行指示：

当读取D1>D2且D1-D2>θ时，此时夹爪8向左偏离炉门，则在显示器7中指示右箭头“→”，指示操作工向右移动夹爪8；

当读取D1<D2且D2-D1>θ时，此时夹爪8向右偏离炉门，则在显示器7中指示左箭头“←”，指示操作工向左移动夹爪8；

当读取|D1-D2|≤θ时，此时夹爪8对准炉门，则在显示器7中指示横线“--”，指示操作工已经对准炉门，进入中心判断程序。

4.中心判断程序：当左侧测距器401和右侧测距器402数值不相等或左定位器501、右定位器502数值不相等时，返回位置判断程序。

当左侧测距器401和右侧测距器402数值相等且左定位器501、右定位器502数值满足|D1-D2|≤θ时，继续判断左侧测距器401和右侧测距器402数值，若其等于夹爪8的中心到壳体1的距离L1与炉门中心即晶棒中心到炉门的距离L2的差值，即S1=S2=L1－L2时，夹爪8中心与晶棒6中心重合，在显示器7显示“OK”，指示对中完成。

本发明能够辅助机械夹爪8进行精确定位，有效提高定位精度，能够保证快速、稳定、可靠取棒，降低掉棒风险。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置，包括与用于取晶棒（6）的夹爪可拆卸连接的壳体（1）、设置在壳体（1）内的控制组件（2）、设置在壳体（1）上的方向确定组件（3）、位置确定组件（4）以及抓取定位组件（5）；其特征在于：

方向确定组件（3）包括用于向炉门侧壁上投射辅助夹爪调平的辅助线的标线器；位置确定组件（4）包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉门之间距离的左侧测距器（401）和右侧测距器（402）；抓取定位组件（5）包括用于分别测量夹爪的左右两侧与炉内壁之间距离的左定位器（501）和右定位器（502）；

其中，左侧测距器（401）和右侧测距器（402）之间的距离大于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体（1）面向炉门的一侧；

其中，左定位器（501）和右定位器（502）之间的距离等于炉门的宽度并水平的对称设置在壳体（1）面向炉门的一侧；

其中，左侧测距器（401）和右侧测距器（402）和右定位器（502）均与控制组件（2）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于单晶炉夹取晶棒时的对中装置，其特征在于：还包括显示器（7）；控制组件（2）与显示器（7）电连接，用于显示辅助操作工人操作的指示信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于单晶炉夹取晶棒（6）时的对中装置，其特征在于：还包括通信模块；控制组件（2）与通信模块电连接，用于将位置确定组件（4）、抓取定位组件（5）的信号无线传输至远端上位机。

4.一种如权利要求1所述对中装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

A. 夹爪（8）水平设置在移动载具上，并将壳体（1）设置在夹爪（8）上，并壳体（1）与夹爪（8）的竖直方向的中线重合；

B. 启动标线器，利用标线器投影到炉门上的标线，辅助人工调整移动载具，使夹爪（8）与炉门初步对齐；

C.在夹爪（8）与炉门初步对齐后，进入位置确定步骤：

具体的，控制组件（2）采集左侧测距器（401）和右侧测距器（402）的距离信号，辅助人工调整移动载具，使壳体（1）面向炉门的平面与炉门面平行，从而使夹爪（8）正对炉门平面；

D.在位置确定步骤完成后，进入抓取定位步骤：

具体的，控制组件（2）采集左定位器（501）和右定位器（502）的距离信号，辅助人工调整移动载具，使壳体（1）正对炉门，从而使夹爪（8）正对炉门；

其中，抓取定位步骤中的壳体（1）与炉门对中的判断方法是：当夹爪（8）对准炉门中心时，左定位器（501）测得数值D1为左定位器（501）到左侧炉门的距离，右定位器（502）测得数值D2为右定位器（502）到炉门内部某区域的距离，此时|D1-D2|≤θ，θ=0.1mm；

E.在夹爪（8）正对炉门后，进入对中抓取过程：

具体的，控制组件（2）判断左侧测距器（401）和右侧测距器（402）数值，若其等于夹爪（8）的中心到壳体（1）的距离L1与晶棒中心到炉门的距离L2的差值，夹爪（8）中心与晶棒（6）中心重合，在显示器（7）显示“OK”，指示对中完成。