CN114230139B - 提高石英坩埚品质的制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高石英坩埚品质的制备装置及方法，所述装置包括熔制室、熔制模具、起弧遮挡组件和石墨电极，起弧遮挡组件以转动的方式安装在熔制室上，熔制模具安装在熔制室内，石墨电极安装在熔制室上方并以升降的方式可伸入或退出熔制模具，起弧遮挡组件通过转动可移动至熔制模具的开口上方将石墨电极和熔制模具隔离，在石墨电极起弧预热阶段将石墨电极产生的残渣、灰粉收集在起弧遮挡组件内，避免了残渣和灰粉进入熔制模具内对石英砂造成污染，石墨电极预热完成后，转动起弧遮挡组件离开熔制模具的开口，将石墨电极伸入熔制模具内对成型的石英砂加热，制得石英坩埚内表面纯度提升，增加了石英坩埚制造的合格率，降低了石英坩埚的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅制造技术领域，特别涉及一种提高石英坩埚品质的制备装置及方法。
背景技术
石英玻璃坩埚目前主要靠高温电弧法熔制，加热方式采用高温电弧加热，加热材料选用纯度较高的石墨电极加热。在石英坩埚熔制之前需要将高纯石英砂倒入模具内表面，并且通过一定的成型装置成型结束。然后将模具开入到熔融室内，启动电源，三根或者六根石墨电极之间相互放电，形成高温弧光加热熔制模具内表面的石英砂至融化状态，此时模具在一定转速下旋转，由于离心力的作用，保证模具内的呈融化状的石英砂不跌落，经过冷却后取出，即完成一个石英坩埚的毛坯生产。
目前在制作石英坩埚制作过程程中，石墨电极直接插入旋转装置已成型的粉料腔体内，石墨电极电火起弧，温度达1500℃以上，高温溶解粉料，由于石墨电极起弧阶段，电流、电压等不稳定，容易出现断弧，导致石墨电极头部残渣，灰粉等掉入模具内已成型的粉料中，造成粉料污染，这种技术容易造成石英坩埚内表面纯度下降，表面白点，黑点等数量多不合格。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种提高石英坩埚品质的制备装置。
还有必要提供一种提高石英坩埚品质的制备方法
一种提高石英坩埚品质的制备装置，包括熔制室、熔制模具、起弧遮挡组件和石墨电极，起弧遮挡组件以转动的方式安装在熔制室上，熔制模具安装在熔制室内，石墨电极安装在熔制室上方并以升降的方式可伸入或退出熔制模具，起弧遮挡组件通过转动可移动至熔制模具的开口上方将石墨电极和熔制模具隔离，在石墨电极起弧预热阶段将石墨电极产生的残渣、灰粉收集在起弧遮挡组件内，石墨电极预热完成后，转动起弧遮挡组件离开熔制模具的开口，将石墨电极伸入熔制模具内对成型的石英砂加热。
优选的，起弧遮挡组件包括底座架、转动臂和收集件，底座架安装在熔制室上，转动臂的一端以转动的方式安装在底座架上，转动臂的另一端安装收集件，收集件随着转动臂的旋转可遮挡或离开熔制模具的开口上方。
优选的，转动臂为L状，转动臂的一端设置承接环，承接环用于放置收集件，承接环的外侧设置挂环，挂环上安装耐高温绳索，通过拉动绳索将转动臂移动至熔制模具开口上方，或者通过拉动绳索将转动臂从熔制模具开口上方转动移开。
优选的，收集件为石英坩埚，收集件的侧面设置缺口，收集件随着转动臂转动过程中石墨电极从缺口中进入或离开收集件。
优选的，底座架设置轴座，轴座包括固定件、套筒和转轴，转轴的上端设置第一法兰，固定件安装在底座架上，套筒安装在固定件上，转轴安装在套筒内并可与套筒相对转动，转动臂和第一法兰连接的一端设置第二法兰，第一法兰和第二法兰固定连接后将转动臂安装在轴座上。
优选的，底座架上设置调节件，调节件上设置多个调节孔，固定件可安装在不同位置的调节孔，通过安装在不同位置的调节孔而实现转动收集件能够盖住熔制模具的开口。
优选的，底座架包括左支撑部、右支撑部、以及连接左支撑部和右支撑部的连接部，左支撑部、右支撑部和连接部之间形成密闭的空腔，左支撑部上设置进水管，右支撑部上设置出水管，冷却水自进水管进入空腔后再从出水管流出，冷却水在流动过程中对底座架进行降温。
优选的，上述绳索、进水管、出水管采用特氟龙材料制作形成，用特氟龙材料制作形成的绳索、进水管、出水管具有韧性较高和耐温性能较好。
一种利用上述提高石英坩埚品质的制备装置制备石英坩埚方法，包括如下步骤：
步骤一，启动熔制模具旋转，将石英砂加入熔制模具内成型，将熔制模具保持旋转并移动至石墨电极正下方，保持熔制模具的正常旋转。
步骤二，旋转起弧遮挡组件的收集件，以使旋转起弧遮挡组件的收集件位于熔制模具开口的正上方，将石墨电极下降使石墨电极的头部进入起弧遮挡组件的收集件内，启动石墨电极点火起弧，石墨电极起弧后，保持石墨电极预热3-5分钟，通过观察熔融机控制台的显示屏幕呈现的电流曲线，在电流曲线稳定后，通过旋转的方式将起弧遮挡组件的收集件从熔制模具开口的正上方移开。
步骤三，将形成稳定电弧的石墨电极插入熔制模具内，对已成型的石英砂粉料经过电极弧光高温使石英砂快速熔化，此过程中模具的转速为120-300转每分钟。
步骤四，待高纯石英砂熔融完成后，模具保持在120-300转每分钟，自然冷却后取出，即制得所述石英坩埚坯，初步检查石英坩埚坯无黑点气泡裂纹缺陷后，测量石英坩埚坯尺寸是否符合工艺要求，合格时进入冷加工。
步骤五，对石英坩埚坯进行喷砂、切断倒角加工，测量石英坩埚坯总厚度和透明层厚度，合格时进行超声清洗、高温烘干。
步骤六，检测石英坩埚内外表面以及凸起有无黑点、气泡、划伤、压痕、异物等缺陷，合格后进行真空包装，制得石英坩埚成品。
优选的，在步骤二中，通过拉动绳索将起弧遮挡组件旋转移动至熔制模具开口的正上方，或者通过拉动绳索将起弧遮挡组件的收集件从熔制模具开口的正上方移开。
上述提高石英坩埚品质的制备装置中，在石墨电极起弧前先将起弧遮挡组件转动遮盖住熔制模具开口，再对石墨电极通电起弧，石墨电极起弧时产生的残渣、灰粉收集在起弧遮挡组件内，避免了石墨电极起弧时由于电弧不稳定而产生的残渣和灰粉进入熔制模具内对已成型的石英砂造成污染，使制得石英坩埚内表面纯度提升，增加了石英坩埚制造的合格率，降低了石英坩埚的制造成本。
附图说明
图1是本发明的提高石英坩埚品质的制备装置在起弧预热阶段时的结构示意图。
图2是本发明的提高石英坩埚品质的制备装置在起弧预热后阶段时的结构示意图。
图3是起弧遮挡组件的结构示意图。
图4是转动臂的结构示意图。
图5是收集件的结构示意图。
图6是底座架的结构示意图。
图中：提高石英坩埚品质的制备装置100、熔制室10、熔制模具20、起弧遮挡组件30、底座架31、轴座311、固定件312、套筒313、转轴314、第一法兰315、调节件316、调节孔3161、左支撑部317、进水管3171、右支撑部318、出水管3181、连接部319、转动臂32、承接环321、挂环322、绳索323、第二法兰324、收集件33、缺口331、石墨电极40。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对发明实施例的技术方案及技术效果做进一步的详细阐述。
请参阅图1和图2，提高石英坩埚品质的制备装置100包括熔制室10、熔制模具20、起弧遮挡组件30和石墨电极40，起弧遮挡组件30以转动的方式安装在熔制室10上，熔制模具20安装在熔制室10内，石墨电极40安装在熔制室10上方并以升降的方式可伸入或退出熔制模具20，起弧遮挡组件30通过转动可移动至熔制模具20的开口上方将石墨电极40和熔制模具20隔离，在石墨电极40起弧预热阶段将石墨电极40产生的残渣、灰粉收集在起弧遮挡组件30内，石墨电极40预热完成后，转动起弧遮挡组件30离开熔制模具20的开口，将石墨电极40伸入熔制模具20内对成型的石英砂快速加热熔制形成石英坩埚。上述提高石英坩埚品质的制备装置中，在石墨电极40起弧前先将起弧遮挡组件30转动遮盖住熔制模具20开口，再对石墨电极40通电起弧，石墨电极40起弧时产生的残渣、灰粉收集在起弧遮挡组件30内，避免了石墨电极在起弧时由于电弧不稳定而产生的残渣、灰粉进入熔制模具20内对已成型石英砂造成污染，使制得石英坩埚内表面纯度提升，增加了石英坩埚制造的合格率，降低了石英坩埚的制造成本。
请参阅图1和图2，起弧遮挡组件30包括底座架31、转动臂32和收集件33，底座架31安装在熔制室10上，转动臂32的一端以转动的方式安装在底座架31上，转动臂32的另一端安装收集件33，收集件33随着转动臂32的旋转可遮挡或离开熔制模具20的开口上方。
请参阅图1、图3和图4，转动臂32为L状，转动臂32的一端设置承接环321，承接环321--用于放置收集件33，承接环321的外侧设置挂环322，挂环322上安装耐高温绳索323，通过拉动绳索323将转动臂32移动至熔制模具20开口上方，或者通过拉动绳索323将转动臂32从熔制模具20开口上方转动移开。
请参阅图5，收集件33为石英坩埚，收集件33的侧面设置缺口331，收集件33随着转动臂32转动过程中石墨电极40从缺口331中进入或离开收集件33。
请参阅图3和图4，底座架31设置轴座311，轴座311包括固定件312、套筒313和转轴314，转轴314的上端设置第一法兰315，固定件312安装在底座架31上，套筒313安装在固定件312上，转轴314安装在套筒313内并可与套筒313相对转动，转动臂32和第一法兰315连接的一端设置第二法兰324，第一法兰315和第二法兰324固定连接后将转动臂32安装在轴座311上。
请参阅图3，底座架31上设置调节件316，调节件316上设置多个调节孔3161，固定件312可安装在不同位置的调节孔3161，通过安装在不同位置的调节孔3161而实现转动收集件33能够盖住熔制模具20的开口。
请参阅图3，底座架31包括左支撑部317、右支撑部318、以及连接左支撑部317和右支撑部318的连接部319，左支撑部317、右支撑部318和连接部319之间形成密闭的空腔，左支撑部317上设置进水管3171，右支撑部318上设置出水管3181，冷却水自进水管3171进入空腔后再从出水管3181流出，冷却水在流动过程中对底座架31进行降温。
其中，上述绳索323、进水管3171、出水管3181采用特氟龙材料制作形成，由于特氟龙具有韧性较高和耐温性能较好，进而延长绳索323、进水管3171、出水管3181的使用寿命。
本发明还提供一种利用上述提高石英坩埚品质的制备装置制备石英坩埚方法，包括如下步骤：
步骤一，启动熔制模具20旋转，将石英砂加入熔制模具20内成型，将熔制模具20保持旋转并移动至石墨电极40正下方，保持熔制模具20的正常旋转。
步骤二，旋转起弧遮挡组件30的收集件33，以使旋转起弧遮挡组件30的收集件33位于熔制模具20开口的正上方，将石墨电极40下降使石墨电极40的头部进入起弧遮挡组件30的收集件33内，启动石墨电极40点火起弧，石墨电极40起弧后，保持石墨电极40预热3-5分钟，通过观察熔融机控制台的显示屏幕呈现的电流曲线，在电流曲线稳定后，通过旋转的方式将起弧遮挡组件30的收集件33从熔制模具20开口的正上方移开。本实施方式中，为了便于转动起弧遮挡组件，采用拉动绳索的方式实现起弧遮挡组件的旋转。
步骤三，将形成稳定电弧的石墨电极40插入熔制模具20内，对已成型的石英砂粉料经过电极弧光高温使石英砂快速熔化，此过程中熔制模具20的转速为120-300转每分钟。
步骤四，待高纯石英砂熔融完成后，熔制模具20保持在120-300转每分钟，自然冷却后取出，即制得所述石英坩埚坯，初步检查石英坩埚坯无黑点气泡裂纹缺陷后，测量石英坩埚坯尺寸是否符合工艺要求，合格时进入冷加工。
步骤五，对石英坩埚坯进行喷砂、切断倒角加工，测量石英坩埚坯总厚度和透明层厚度，合格时进行超声清洗、高温烘干。
步骤六，检测石英坩埚内外表面以及凸起有无黑点、气泡、划伤、压痕、异物等缺陷，合格后进行真空包装，制得石英坩埚成品。
Claims (7)
1.一种提高石英坩埚品质的制备装置，其特征在于：包括熔制室、熔制模具、起弧遮挡组件和石墨电极，起弧遮挡组件以转动的方式安装在熔制室上，熔制模具安装在熔制室内，石墨电极安装在熔制室上方并以升降的方式可伸入或退出熔制模具，起弧遮挡组件通过转动可移动至熔制模具的开口上方将石墨电极和熔制模具隔离，在石墨电极起弧预热阶段将石墨电极产生的残渣、灰粉收集在起弧遮挡组件内，石墨电极预热完成后，转动起弧遮挡组件离开熔制模具的开口，将石墨电极伸入熔制模具内对成型的石英砂加热；起弧遮挡组件包括底座架、转动臂和收集件，底座架安装在熔制室上，转动臂的一端以转动的方式安装在底座架上，转动臂的另一端安装收集件，收集件随着转动臂的旋转可遮挡或离开熔制模具的开口上方；转动臂为L状，转动臂的一端设置承接环，承接环用于放置收集件，承接环的外侧设置挂环，挂环上安装耐高温绳索，通过拉动绳索将转动臂移动至熔制模具开口上方，或者通过拉动绳索将转动臂从熔制模具开口上方转动移开；收集件为石英坩埚，收集件的侧面设置缺口，收集件随着转动臂转动过程中石墨电极从缺口中进入或离开收集件。
2.如权利要求1所述的提高石英坩埚品质的制备装置，其特征在于：底座架设置轴座，轴座包括固定件、套筒和转轴，转轴的上端设置第一法兰，固定件安装在底座架上，套筒安装在固定件上，转轴安装在套筒内并可与套筒相对转动，转动臂和第一法兰连接的一端设置第二法兰，第一法兰和第二法兰固定连接后将转动臂安装在轴座上。
3.如权利要求2所述的提高石英坩埚品质的制备装置，其特征在于：底座架上设置调节件，调节件上设置多个调节孔，固定件可安装在不同位置的调节孔，通过安装在不同位置的调节孔而实现转动收集件能够盖住熔制模具的开口。
4.如权利要求3所述的提高石英坩埚品质的制备装置，其特征在于：底座架包括左支撑部、右支撑部、以及连接左支撑部和右支撑部的连接部，左支撑部、右支撑部和连接部之间形成密闭的空腔，左支撑部上设置进水管，右支撑部上设置出水管，冷却水自进水管进入空腔后再从出水管流出，冷却水在流动过程中对底座架进行降温。
5.如权利要求4所述的提高石英坩埚品质的制备装置，其特征在于：上述绳索、进水管、出水管采用特氟龙材料制作形成。
6.一种提高石英坩埚品质的制备方法，该制备方法是使用如权利要求1所述的提高石英坩埚品质的制备装置实现的，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，启动熔制模具旋转，将石英砂加入熔制模具内成型，将熔制模具保持旋转并移动至石墨电极正下方，保持熔制模具的正常旋转；
步骤二，旋转起弧遮挡组件的收集件，以使旋转起弧遮挡组件的收集件位于熔制模具开口的正上方，将石墨电极下降使石墨电极的头部进入起弧遮挡组件的收集件内，启动石墨电极点火起弧，石墨电极起弧后，保持石墨电极预热3-5分钟，通过观察熔融机控制台的显示屏幕呈现的电流曲线，在电流曲线稳定后，通过旋转的方式将起弧遮挡组件的收集件从熔制模具开口的正上方移开；
步骤三，将形成稳定电弧的石墨电极插入熔制模具内，对已成型的石英砂粉料经过电极弧光高温使石英砂快速熔化，此过程中模具的转速为120-300转每分钟；
步骤四，待高纯石英砂熔融完成后，模具保持在120-300转每分钟，自然冷却后取出，即制得所述石英坩埚坯，初步检查石英坩埚坯无黑点气泡裂纹缺陷后，测量石英坩埚坯尺寸是否符合工艺要求，合格时进入冷加工；
步骤五，对石英坩埚坯进行喷砂、切断倒角加工，测量石英坩埚坯总厚度和透明层厚度，合格时进行超声清洗、高温烘干；
步骤六，检测石英坩埚内外表面以及凸起有无黑点、气泡、划伤、压痕、异物等缺陷，合格后进行真空包装，制得石英坩埚成品。
7.如权利要求6所述的提高石英坩埚品质的制备方法，其特征在于：在步骤二中，通过拉动绳索将起弧遮挡组件旋转移动至熔制模具开口的正上方，或者通过拉动绳索将起弧遮挡组件的收集件从熔制模具开口的正上方移开。
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