CN113073380B - 一种节能型晶体生长单晶炉设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种节能型晶体生长单晶炉设备，单晶炉设备包括支架，支架上设有生长炉，生长炉包括固定在支架上的下炉体，下炉体的上方设有上炉盖，下方滑动设有下炉盖，上炉盖的上方固定有上炉体，支架上固定有用于控制下炉盖开合的第一控制机构，支架上设有用于控制上炉盖开合的第二控制机构，生长炉内设有石墨托盘，石墨托盘内放置有石英坩埚，下炉盖上设有用于控制石墨托盘拉升旋转的第三控制机构，下炉体内设有籽晶夹，上炉体的上固定有用于控制籽晶夹拉升旋转的第四控制机构。本发明单晶炉设备通过设置下炉盖，解决了传统的生长炉的石英坩埚取出不方便的问题，通过设置降温腔，加快了冷却速度，提高了晶体生长效率和硅晶体的产量。

Description

一种节能型晶体生长单晶炉设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种单晶炉设备，具体是一种节能型晶体生长单晶炉设及其使用方法。

背景技术

半导体单晶硅生长主要采用切克劳斯基法(Czochralski法，简称Cz法)。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后，将硅熔体略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定径向的硅单晶体(籽晶)与硅熔体接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速率，使籽晶体长大至近目标直径时，提高提拉速率，使晶体近恒直径生长。在生长过程的末期，此时坩埚内的硅熔体尚有残余，通过增加晶锭提拉速率和调整加热功率使晶锭直径渐渐缩小而形成一个锥形尾部，直至晶锭与页面脱离，从而完成晶锭的生长过程。因而单晶硅生长过程大致分为：装填多晶料、抽真空、气氛化、升温化料、引晶、缩颈、放肩、转肩、等径生长、收尾、降温、冷却、出炉等工艺步骤。

现有的单晶硅生长炉通常采用自然冷却，冷却效率低，单晶硅的产量底下，降温的过程中能量散失，得不到充分的利用，现有的生长炉石英坩埚取出不方便，不利于清理残渣。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能型晶体生长单晶炉设及其使用方法，通过设置下炉盖，解决了传统的生长炉的石英坩埚取出不方便的问题，通过设置降温腔，加快了冷却速度，提高了晶体生长效率和硅晶体的产量，通过在出气管的一侧设置风力发电装置，冷却所产生的蒸汽吹动风力发电装置的风车转动，储存电能。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种节能型晶体生长单晶炉设备，单晶炉设备包括支架，所述支架上设有生长炉，生长炉包括固定在支架上的下炉体，下炉体的上方设有上炉盖，下方滑动设有下炉盖，上炉盖的上方固定有上炉体，支架上固定有用于控制下炉盖开合的第一控制机构，支架上设有用于控制上炉盖开合的第二控制机构，生长炉内设有石墨托盘，石墨托盘内放置有石英坩埚。

所述下炉盖上设有用于控制石墨托盘拉升旋转的第三控制机构，下炉体内设有籽晶夹，上炉体的上固定有用于控制籽晶夹拉升旋转的第四控制机构，支架上设有上料机构。

所述下炉体的下方设有连接件，连接件与下炉盖之间连接有对称分布分连接杆，下炉体的内设有上料管道，上料管道贯穿下炉体的炉壁上料口位于外界，下炉体内设有降温腔，下炉体上设有与降温腔连通的进水管和出气管，进水管位于出气管的下方，出气管的一侧设有风力发电装置，下炉体内设有加热板。

进一步的，所述连接件包括第一气腔，第一气腔的下方设有转动腔，转动腔的内壁设有内螺纹。

进一步的，所述支架包括底板，底板的上方设有顶板，底板与顶板之间设有对称分布的竖直翼板，竖直翼板上设有滑轨，滑轨的一侧齿条。

进一步的，所述第一控制机构包括位于转动腔内转动的第一转动件，第一转动件与底板转动连接，支架上固定有第一驱动件。

所述第一驱动件包括固定在支架上的第一电机，第一电机的输出轴上固定有第一齿轮。

所述第一转动件包括连接轴，连接轴的上方穿过转动腔的外壁设有与转动腔配合的第一转动块，连接轴的下方固定有与第一齿轮啮合的第二齿轮，第一转动块上设有外螺纹，第二齿轮的下方设有与底板转动连接的第二转动块。

进一步的，所述第二控制机构包括固定在顶板上的第二电机，第二电机，第二电机的输出轴穿过顶板固定有第三齿轮，顶板上转动设有对称分布的第四齿轮，第四齿轮的下方固定有位于下炉体上转动的螺杆，第四齿轮之间连接有同步带，一侧的螺杆上固定有与第三齿轮啮合的第五齿轮。

进一步的，所述石墨托盘包括托盘本体，托盘本体的下方固定有第一滑杆，第一滑杆的下方固定有连接块。

进一步的，所述第三控制机构包括位于下炉盖上转动的第二转动件，第二转动件与第一滑杆滑动连接，下炉盖上固定有用于驱动第二转动件转动的第二驱动件，连接块上转动设有驱动轴，驱动轴与连接件之间滑动连接，连接件的一侧设有第三驱动件，第三驱动件与连接件之间通过连接管连接。

所述第二转动件包括转轴，转轴上固定有第九齿轮，第一滑杆贯穿转轴。

所述第二驱动件与第一驱动件的结构相同，第二驱动件通过第二驱动件上的第一齿轮与第九齿轮啮合。

所述驱动轴包括第二滑动轴，第二滑动轴的一端穿过连接件的外壁设有与第一气腔配合的活塞，另一端设有位于连接块上转动的第三转动块。

所述第三驱动件包括第二气腔，第二气腔侧壁上设有螺旋式水通道，连接管的一端与第二气腔连通，另一端与第一气腔连通，水通道远离连接管的一端设有第二进水管，靠近连接管的一端设有出水管，第二进水管上设有水温控制装置。

进一步的，所述第四控制机构包括位于上炉盖上转动的第三转动件，第三转动件上固定有第六齿轮，第三转动件上滑动设有第二滑杆，上炉体的上方固定有第一卷扬机，第一卷扬机的绳索的输出端贯穿上炉体和第二滑杆固定在籽晶夹上，上炉体的上方固定有第三电机，第三电机的输出轴贯穿上炉体设有与第六齿轮啮合的第七齿轮，第二滑杆的下方固定有阵列分布电磁吸盘。

进一步的，所述上料机构包括上料支架，上料支架上固定有对称分布的滑块，滑块与滑轨配合位于支架上滑动，竖直翼板之间设有运料仓，运料仓与滑块之间转动连接，运料仓的两侧均固定有与齿条啮合的第八齿轮，顶板上固定有对称分布的第二卷扬机，第二卷扬机的绳索的输出端固定在滑块上。

所述运料仓上滑动设有用于遮挡运料仓出料口的挡板，挡板的一端固定有出料管，出料管与运料仓之间固定有弹性件，上料支架的一侧固定有气缸，气缸的输出轴贯穿上料支架推动挡板移动。

一种节能型晶体生长单晶炉设备的使用方法，所述使用方法如下：

S1:上料

启动第一控制机构将下炉盖关闭，启动第二控制机构，将上炉盖关闭，启动上料机构向石英坩埚内加入晶硅原料和掺杂剂。

S2:抽真空

连接抽气装置，将生长炉中的空气抽出。

S3:平衡气压

向生长炉中通入氩气至与炉内气压与外界气压相同。

S4:熔化

启动加热板，加热至晶硅原料熔化。

S5:引晶

当硅溶液的温度稳定之后，通过启动第四控制机构控制籽晶向下慢慢移动移动籽晶浸入溶液之后，通过启动第四控制机构向上提拉并转动籽晶进行引晶。

S6:降温

引晶结束之后，向降温腔中通入冷水对硅溶液进行降温处理。

S7:放肩

降低对籽晶的提拉速度，进行放肩。

S8:等径生长

放肩结束后，通过控制降温腔中通水量调整炉内温度，通过第四控制机构调整对籽晶的提拉速度，进行等径生长。

S9:收尾

缓慢向上提拉籽晶至与硅溶液分离进行收尾。

本发明的有益效果：

1、本发明单晶炉设备通过设置下炉盖，解决了传统的生长炉的石英坩埚取出不方便的问题；

2、本发明单晶炉设备通过设置降温腔，加快了冷却速度，提高了晶体生长效率和硅晶体的产量；

3、本发明单晶炉设备通过在出气管的一侧设置风力发电装置，冷却所产生的蒸汽吹动风力发电装置的风车转动，储存电能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明单晶炉设备结构示意图；

图2是本发明单晶炉设备剖面结构示意图；

图3是图2的A处放大结构示意图；

图4是本发明第一控制机构结构示意图；

图5是本发明单晶炉设备部分零件爆炸结构示意图；

图6是本发明单晶炉设备部分零件断裂结构示意图；

图7是本发明上料机构结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种节能型晶体生长单晶炉设备，单晶炉设备包括支架1，如图1、图2所示，支架1上设有生长炉2，生长炉2包括固定在支架1上的下炉体21，下炉体21的上方设有上炉盖22，下方滑动设有下炉盖23，上炉盖22的上方固定有上炉体24，支架1上固定有用于控制下炉盖23开合的第一控制机构3，支架1 上设有用于控制上炉盖22开合的第二控制机构4，长炉2内设有石墨托盘5，石墨托盘5内放置有石英坩埚6。

下炉盖23上设有用于控制石墨托盘5拉升旋转的第三控制机构7，下炉体 21内设有籽晶夹8，上炉体24的上固定有用于控制籽晶夹8拉升旋转的第四控制机构9，支架1上设有上料机构10。

下炉体21的下方设有连接件25，连接件25与下炉盖23之间连接有对称分布分连接杆26，下炉体21的内设有上料管道27，上料管道27贯穿下炉体21 的炉壁上料口位于外界，下炉体21内设有降温腔28，下炉体21上设有与降温腔28连通的进水管210和出气管29，进水管210位于出气管29的下方，出气管29的一侧设有风力发电装置20，下炉体21内设有加热板211。

连接件25包括第一气腔251，第一气腔251的下方设有转动腔252，转动腔252的内壁设有内螺纹。

支架1包括底板11，底板11的上方设有顶板12，底板11与顶板12之间设有对称分布的竖直翼板13，竖直翼板13上设有滑轨14，滑轨14的一侧齿条 15。

第一控制机构3包括位于转动腔252内转动的第一转动件32，如图4所示，第一转动件32与底板11转动连接，支架1上固定有第一驱动件31。

第一驱动件31包括固定在支架1上的第一电机311，第一电机311的输出轴上固定有第一齿轮312。

第一转动件32包括连接轴321，连接轴321的上方穿过转动腔252的外壁设有与转动腔252配合的第一转动块322，连接轴321的下方固定有与第一齿轮 312啮合的第二齿轮323，第一转动块322上设有外螺纹，第二齿轮323的下方设有与底板11转动连接的第二转动块324。

第二控制机构4包括固定在顶板12上的第二电机41，第二电机41，第二电机41的输出轴穿过顶板12固定有第三齿轮42，顶板12上转动设有对称分布的第四齿轮43，第四齿轮43的下方固定有位于下炉体21上转动的螺杆45，第四齿轮43之间连接有同步带44，一侧的螺杆45上固定有与第三齿轮42啮合的第五齿轮46。

石墨托盘5包括托盘本体51，如图5所示，托盘本体51的下方固定有第一滑杆52，第一滑杆52的下方固定有连接块53。

第三控制机构7包括位于下炉盖23上转动的第二转动件71，第二转动件 71与第一滑杆52滑动连接，下炉盖23上固定有用于驱动第二转动件71转动的第二驱动件72，连接块53上转动设有驱动轴73，驱动轴73与连接件25之间滑动连接，连接件25的一侧设有第三驱动件74，第三驱动件74与连接件25之间通过连接管75连接。

第二转动件71包括转轴711，转轴711上固定有第九齿轮712，第一滑杆 52贯穿转轴711。

第二驱动件72与第一驱动件31的结构相同，第二驱动件72通过第二驱动件72上的第一齿轮312与第九齿轮712啮合。

驱动轴73包括第二滑动轴731，第二滑动轴731的一端穿过连接件25的外壁设有与第一气腔251配合的活塞，另一端设有位于连接块53上转动的第三转动块732。

第三驱动件74包括第二气腔741，如图3所示，第二气腔741侧壁上设有螺旋式水通道742 ，连接管75的一端与第二气腔741连通，另一端与第一气腔 251连通，水通道742 远离连接管75的一端设有第二进水管743，靠近连接管 75的一端设有出水管744，第二进水管743上设有水温控制装置76。

第四控制机构9包括位于上炉盖22上转动的第三转动件91，如图6所示，第三转动件91上固定有第六齿轮92，第三转动件91上滑动设有第二滑杆93，上炉体24的上方固定有第一卷扬机94，第一卷扬机94的绳索的输出端贯穿上炉体24和第二滑杆93固定在籽晶夹8上，上炉体24的上方固定有第三电机95，第三电机95的输出轴贯穿上炉体24设有与第六齿轮92啮合的第七齿轮96，第二滑杆93的下方固定有阵列分布电磁吸盘97。

上料机构10包括上料支架101，如图7所示，上料支架101上固定有对称分布的滑块102，滑块102与滑轨14配合位于支架1上滑动，竖直翼板13之间设有运料仓103，运料仓103与滑块102之间转动连接，运料仓103的两侧均固定有与齿条15啮合的第八齿轮104，顶板12上固定有对称分布的第二卷扬机 105，第二卷扬机105的绳索的输出端固定在滑块102上。

运料仓103上滑动设有用于遮挡运料仓103出料口的挡板106，挡板106的一端固定有出料管107，出料管107与运料仓103之间固定有弹性件108，上料支架101的一侧固定有气缸109，气缸109的输出轴贯穿上料支架101推动挡板 106移动。

一种节能型晶体生长单晶炉设备的使用方法，使用方法如下：

S1:上料

启动第一控制机构3将下炉盖23关闭，启动第二控制机构4，将上炉盖22 关闭，启动上料机构10向石英坩埚6内加入晶硅原料和掺杂剂。

S2:抽真空

连接抽气装置，将生长炉2中的空气抽出。

S3:平衡气压

向生长炉2中通入氩气至与炉内气压与外界气压相同。

S3:熔化

启动加热板211，加热至晶硅原料熔化。

S3:引晶

当硅溶液的温度稳定之后，通过启动第四控制机构9控制籽晶向下慢慢移动移动籽晶浸入溶液之后，通过启动第四控制机构9向上提拉并转动籽晶进行引晶。

S4:降温

引晶结束之后，向降温腔28中通入冷水对硅溶液进行降温处理。

S5:放肩

降低对籽晶的提拉速度，进行放肩。

S6:等径生长

放肩结束后，通过控制降温腔28中通水量调整炉内温度，通过第四控制机构9调整对籽晶的提拉速度，进行等径生长。

S7:收尾

缓慢向上提拉籽晶至与硅溶液分离进行收尾。

使用时，通过设置下炉盖23，解决了传统的生长炉的石英坩埚取出不方便的问题，通过设置降温腔28，加快了冷却速度，提高了晶体生长效率和硅晶体的产量，通过在出气管29的一侧设置风力发电装置20，冷却所产生的蒸汽吹动风力发电装置20的风车转动，储存电能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种节能型晶体生长单晶炉设备，单晶炉设备包括支架(1)，其特征在于，所述支架(1)上设有生长炉(2)，生长炉(2)包括固定在支架(1)上的下炉体(21)，下炉体(21)的上方设有上炉盖(22)，下方滑动设有下炉盖(23)，上炉盖(22)的上方固定有上炉体(24)，支架(1)上固定有用于控制下炉盖(23)开合的第一控制机构(3)，支架(1)上设有用于控制上炉盖(22)开合的第二控制机构(4)，生长炉(2)内设有石墨托盘(5)，石墨托盘(5)内放置有石英坩埚(6)；

所述下炉盖(23)上设有用于控制石墨托盘(5)拉升旋转的第三控制机构(7)，下炉体(21)内设有籽晶夹(8)，上炉体(24)的上固定有用于控制籽晶夹(8)拉升旋转的第四控制机构(9)，支架(1)上设有上料机构(10)；

所述下炉体(21)的下方设有连接件(25)，连接件(25)与下炉盖(23)之间连接有对称分布分连接杆(26)，下炉体(21)的内设有上料管道(27)，上料管道(27)贯穿下炉体(21)的炉壁上料口位于外界，下炉体(21)内设有降温腔(28)，下炉体(21)上设有与降温腔(28)连通的进水管(210)和出气管(29)，进水管(210)位于出气管(29)的下方，出气管(29)的一侧设有风力发电装置(20)，下炉体(21)内设有加热板(211)；

所述连接件(25)包括第一气腔(251)，第一气腔(251)的下方设有转动腔(252)，转动腔(252)的内壁设有内螺纹；

所述支架(1)包括底板(11)，底板(11)的上方设有顶板(12)，底板(11)与顶板(12)之间设有对称分布的竖直翼板(13)，竖直翼板(13)上设有滑轨(14)，滑轨(14)的一侧齿条(15)；

所述第一控制机构(3)包括位于转动腔(252)内转动的第一转动件(32)，第一转动件(32)与底板(11)转动连接，支架(1)上固定有第一驱动件(31)；

所述第一驱动件(31)包括固定在支架(1)上的第一电机(311)，第一电机(311)的输出轴上固定有第一齿轮(312)；

所述第一转动件(32)包括连接轴(321)，连接轴(321)的上方穿过转动腔(252)的外壁设有与转动腔(252)配合的第一转动块(322)，连接轴(321)的下方固定有与第一齿轮(312)啮合的第二齿轮(323)，第一转动块(322)上设有外螺纹，第二齿轮(323)的下方设有与底板(11)转动连接的第二转动块(324)。

2.根据权利要求1所述的一种节能型晶体生长单晶炉设备，其特征在于，所述第二控制机构(4)包括固定在顶板(12)上的第二电机(41)，第二电机(41)的输出轴穿过顶板(12)固定有第三齿轮(42)，顶板(12)上转动设有对称分布的第四齿轮(43)，第四齿轮(43)的下方固定有位于下炉体(21)上转动的螺杆(45)，第四齿轮(43)之间连接有同步带(44)，一侧的螺杆(45)上固定有与第三齿轮(42)啮合的第五齿轮(46)。

3.根据权利要求1所述的一种节能型晶体生长单晶炉设备，其特征在于，所述石墨托盘(5)包括托盘本体(51)，托盘本体(51)的下方固定有第一滑杆(52)，第一滑杆(52)的下方固定有连接块(53)。

4.根据权利要求3所述的一种节能型晶体生长单晶炉设备，其特征在于，所述第三控制机构(7)包括位于下炉盖(23)上转动的第二转动件(71)，第二转动件(71)与第一滑杆(52)滑动连接，下炉盖(23)上固定有用于驱动第二转动件(71)转动的第二驱动件(72)，连接块(53)上转动设有驱动轴(73)，驱动轴(73)与连接件(25)之间滑动连接，连接件(25)的一侧设有第三驱动件(74)，第三驱动件(74)与连接件(25)之间通过连接管(75) 连接；

所述第二转动件(71)包括转轴(711)，转轴(711)上固定有第九齿轮(712)，第一滑杆(52)贯穿转轴(711)；

所述第二驱动件(72)与第一驱动件(31)的结构相同，第二驱动件(72)通过第二驱动件(72)上的第一齿轮(312)与第九齿轮(712)啮合；

所述驱动轴(73)包括第二滑动轴(731)，第二滑动轴(731)的一端穿过连接件(25)的外壁设有与第一气腔(251)配合的活塞，另一端设有位于连接块(53)上转动的第三转动块(732)；

所述第三驱动件(74)包括第二气腔(741)，第二气腔(741)侧壁上设有螺旋式水通道(742)，连接管(75)的一端与第二气腔(741)连通，另一端与第一气腔(251)连通，水通道(742)远离连接管(75)的一端设有第二进水管(743)，靠近连接管(75)的一端设有出水管(744)，第二进水管(743)上设有水温控制装置(76)。

5.根据权利要求1所述的一种节能型晶体生长单晶炉设备，其特征在于，所述第四控制机构(9)包括位于上炉盖(22)上转动的第三转动件(91)，第三转动件(91)上固定有第六齿轮(92)，第三转动件(91)上滑动设有第二滑杆(93)，上炉体(24)的上方固定有第一卷扬机(94)，第一卷扬机(94)的绳索的输出端贯穿上炉体(24)和第二滑杆(93)固定在籽晶夹(8)上，上炉体(24)的上方固定有第三电机(95)，第三电机(95)的输出轴贯穿上炉体(24)设有与第六齿轮(92)啮合的第七齿轮(96)，第二滑杆(93)的下方固定有阵列分布电磁吸盘(97)。

6.根据权利要求1所述的一种节能型晶体生长单晶炉设备，其特征在于，所述上料机构(10)包括上料支架(101)，上料支架(101)上固定有对称分布的滑块(102)，滑块(102)与滑轨(14)配合位于支架(1)上滑动，竖直翼板(13)之间设有运料仓(103)，运料仓(103)与滑块(102)之间转动连接，运料仓(103)的两侧均固定有与齿条(15)啮合的第八齿轮(104)，顶板(12)上固定有对称分布的第二卷扬机(105)，第二卷扬机(105)的绳索的输出端固定在滑块(102)上；

所述运料仓(103)上滑动设有用于遮挡运料仓(103)出料口的挡板(106)，挡板(106)的一端固定有出料管(107)，出料管(107)与运料仓(103)之间固定有弹性件(108)，上料支架(101)的一侧固定有气缸(109)，气缸(109)的输出轴贯穿上料支架(101)推动挡板(106)移动。

7.基于权利要求1-6任意一项所述的一种节能型晶体生长单晶炉设备的使用方法，其特征在于，所述使用方法如下：

S1:上料

启动第一控制机构(3)将下炉盖(23)关闭，启动第二控制机构(4)，将上炉盖(22)关闭，启动上料机构(10)向石英坩埚(6)内加入晶硅原料和掺杂剂；

S2:抽真空

连接抽气装置，将生长炉(2)中的空气抽出；

S3:平衡气压

向生长炉(2)中通入氩气至与炉内气压与外界气压相同；

S4:熔化

启动加热板(211)，加热至晶硅原料熔化；

S5:引晶

当硅溶液的温度稳定之后，通过启动第四控制机构(9)控制籽晶向下慢慢移动籽晶浸入溶液之后，通过启动第四控制机构(9)向上提拉并转动籽晶进行引晶；

S6:降温

引晶结束之后，向降温腔(28)中通入冷水对硅溶液进行降温处理；

S7:放肩

降低对籽晶的提拉速度，进行放肩；

S8:等径生长

放肩结束后，通过控制降温腔(28)中通水量调整炉内温度，通过第四控制机构(9)调整对籽晶的提拉速度，进行等径生长；

S9:收尾

缓慢向上提拉籽晶至与硅溶液分离进行收尾。

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