CN200958129Y - 一种单晶炉移动热屏装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及生长单晶半导体材料的单晶炉的移动热屏装置。该装置由热屏、热屏拉杆、波纹管、滚珠丝杠座、伺服电机等组成。热屏通过支架与热屏拉杆连接固定，热屏拉杆和超高真空波纹管及滚珠丝杠座连接固定，两个伺服电机同步驱动两个滚珠丝杠，螺母与其固定在一起的滚珠丝杠座、热屏拉杆和超高真空波纹管一起上下运动，由此驱动热屏上下运动。热屏可在其行程范围内任意位置悬停，在硅单晶生长时也可将热屏搁置在保温筒上。水冷套固定在上炉体上端面上。可移动的热屏和固定的水冷套显著改善了热场的纵向温度梯度，使硅单晶生长速率提高了15％～20％，电源消耗功率降低了25％～30％。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种生长单晶半导体材料的单晶炉移动热屏装置。
背景技术
半导体硅单晶体的生长中，大都是利用切克劳斯基(Czochralski)法制造(简称CZ法)。在这种方法中，将高纯度的多晶硅按一定要求装入石英坩埚内，然后加热石英坩埚，将其中的多晶硅熔化，接下来将熔硅略微降温，给予一定的过冷度，等熔硅静定后，把一根特制的标准硅单晶体(通常叫籽晶)与熔硅接触进行引晶，引晶到适当长度后开始放肩(晶棒直径变大)，稍后即开始转肩，随后即进入等径生长阶段，这一阶段持续时间可以很长，视拉晶的长度而定，达到设计要求的长度后即可收尾，收尾完毕后晶棒冷却，取出单晶体，即完成一次拉晶。
上述拉晶过程中如何提高拉晶效率及降低能耗一直是此领域研究的重点。在已知的专利文献和实际使用的硅单晶炉中，多采用固定的热屏。专从实际使用的效果来看，仅靠固定的热屏(包括形状的变更)来提升拉晶的效率和降低能耗的效果并不是太好。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可提高拉晶速率和降低能耗的单晶炉热场屏蔽装置。
本实用新型提供的单晶炉热场屏蔽装置，由热屏(热场屏蔽板)、热屏拉杆、超高真空波纹管、导向杆、滚珠丝杠、滚珠丝杠座、热屏行程控制机构、伺服电机经连接组成。参见图1和图2所示。其中，热屏24位于上炉体22内，上炉体22两侧肩部可对称设置(与上炉体焊接固定)2个水平法兰27，法兰27中心处开有供热屏拉杆3上下运动的通孔，热屏拉杆3下端穿过法兰27上的通孔，并穿入上炉体22，与热屏24连接(两者可以直接螺纹连接，也可以通过支架23进行连接)，热屏拉杆3上端穿过超高真空波纹管4与滚珠丝杠座7固定；超高真空波纹管4下端与上炉体22的法兰27固定连接，上端与滚珠丝杠座7连接；导向杆5下端也固定于上炉体22上的法兰27上，上端与支撑安装伺服电机13用的电机座10连接；伺服电机13经过减速器14与滚珠丝杠轴联器12连接，减速器14通过螺钉固定于电机座10上；滚珠丝杠6设置于导向杆5旁侧，其上端部与滚珠丝杠座7固定连接，并穿过滚珠丝杠座7，通过滚珠丝杠轴承座11与滚珠丝杠联器12连接。
本实用新型中，热屏行程控制机构由连接于法兰27与电机座10之间的控制杆28、固定于控制杆28上端部且上下位置可调的上极限开关固定片16、设置在滚珠丝杠座7上端面的上感应片18，固定于控制杆28下端部且上下位置可调的下极限开关固定片20以及设置于超高真空波纹管4的上法兰的下端面的下感应片19组成。滚珠丝杠座7、超高真空波纹管4的上法兰及热屏拉杆3的上下移动均五个开关21控制。
本实用新型的工作原理如下：2个伺服电机13通电时同步旋转，驱动由滚珠丝杠联轴器12与滚珠丝杠轴承座11相连接的滚珠丝杠6旋转，由此滚珠丝杠6的螺母产生上下运动，从而驱动与其连接的滚珠丝杠座7上下运动；因此用螺丝固定于滚珠丝杠座7上的热屏拉杆3也就随滚珠丝杠座7一起运动，由此完成热屏拉杆3的上下运动。最终热屏拉杆3驱动热屏24作上下运动。而热屏24的上下运动行程由行程控制机构调节。
在拉晶的全过程中，热屏24可调整在其行程中的任何位置，具体由拉晶的情况决定，且易于实现控制。在实践中，在可移动的热屏24和水冷套25的共同作用下，大大提高了炉体内热场的纵向温度梯度，同时由于高速旋转的坩埚和籽晶以及高速的籽晶拉速的共同作用，还实现了高速拉晶的理想效果，拉制出了合格的硅单晶棒，能耗也大大降低。
本实用新型的优点如下：1)实现了硅单晶高速生长参数中的一个重要参数的调节，即显著增大了热场的纵向温度梯度，在其他参数的共同匹配作用下，比原来传统的硅单晶生长速率提高了15％～20％；2)大大降低了能耗(与无热屏和固定热屏相比)，电源消耗功率降低了25％～30％，尤其在当今能源供应紧张的环境下，达到了很好的节能效果，使得本产品极具市场竞争力；3)在CZ法拉晶中热屏任意时刻都可调整可移动，便于观察硅单晶的生长及取出晶棒；4)有效防止了硅单晶棒表面在高温下的氧化，提高了硅单晶棒的有效利用率；5)超高真空密封效果很好；6)很容易实现自动控制；7)炉体及机构高温冷却效果很好；8)零件加工、装配简单，易于拆卸和维修；9)外观造型美观。10)此机构还可运用于其他晶体生长的炉体上，通用性很好。
附图说明
图1为本实用新型结构图示。
图2为图1中A-A处的轴剖图示。
图中标号：1为热屏联接螺钉，2为热屏联接块，3为热屏拉杆，4为超高真空波纹管，5为导向杆，6为滚珠丝杠，7为滚珠丝杠座，8为真空密封O型圈，9为调整垫，10为电机座，11为滚珠丝杠轴承座，12为滚珠丝杠联轴器，13为伺服电机，14为减速器，15为机械固定挡块，16为上极限开关固定片，17为拉杆密封O型圈，18为上感应片，19为下感应片，20为下极限开关固定片，21为上下极限开关，22为上炉体，23为支架，24为热屏，25为水冷套，26为滑动轴承，27为焊接在炉体上的水平法兰，28为移动控制杆。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本实用新型。
见图1和图2所示，上炉体22上有两个焊接于本体上的一体化的水平法兰27，此水平法兰27中心处开有供热屏拉杆3上下运动的通孔，直通上炉体22内炉腔里面，此水平法兰下面还有与炉本体相通的冷却水；导向杆5固定于上炉体22的水平法兰27上，同时连接支撑电机座10，并由紧定螺钉紧定；超高真空波纹管4如弹簧一样可拉伸长和压缩短，其下法兰用螺丝固定于上炉体22的两水平法兰27上，其上法兰与滚珠丝杠座7用螺丝相连接；伺服电机13用螺丝连接减速器14，减速器14用螺丝连接于电机座10上。两个伺服电机13通电时同步旋转(同步精度较低，在3mm以内即可)，驱动由滚珠丝杠联轴器12与滚珠丝杠轴承座11相连接的滚珠丝杠6旋转，由此滚珠丝杠6的螺母产生上下运动，从而驱动与其连接的滚珠丝杠座7上下运动；滚珠丝杠座7的上下运动导向是由固定在滚珠丝杠座7的滑动轴承26沿导向杆5运动来完成；因此用螺丝固定于滚珠丝杠座7上的热屏拉杆3也就随滚珠丝杠座7一起运动，由此完成热屏拉杆3的上下运动。而热屏24由支架联结螺钉和支架联结螺母与支架23连接固定，支架23通过热屏联接螺钉1和热屏联接块2与热屏拉杆3连接固定，最终热屏拉杆3驱动热屏24作上下运动。热屏24上下运动的行程由上极限开关固定片16、上感应片18、下感应片19、下极限开关固定片20、上下极限开关21共同决定，行程的大小由设计人员自定，可以通过调节上极限开关固定片16和下极限开关固定片20的距离来实现。机械固定挡块15用螺丝夹紧于导向杆5上，既作机械挡块使用，也作为上极限开关固定片16和下极限开关固定片20的支撑座；上下极限开关21在上极限开关固定片16和下极限开关固定片20上的位置是可调的。水冷套25用螺丝固定于上炉体22的上端面上固定不动。上炉体22、水冷套25、热屏拉杆3里面均充有充分的冷却水，实践中冷却效果很好，外壁温度均在30℃左右。为保证上炉体22内腔里面的超高真空环境，在上炉体22的两个焊接于本体上的水平法兰27和超高真空波纹管4的下法兰之间装有真空密封O型圈8，在滚珠丝杠座7和超高真空波纹管4的上法兰之间装有拉杆密封O型圈17，在滚珠丝杠座7和热屏拉杆3之间装有拉杆密封O型圈17，在实践中以上三处的密封能很好的保证硅单晶炉内的超高真空环境。特别注意：热屏联接螺钉1、热屏联接块2、热屏拉杆3、支架23、热屏24和水冷套25均采用高纯度的特殊的耐高温材料。
Claims (6)
1、一种单晶炉移动热屏装置，其特征在于由热屏、热屏拉杆、超高真空波纹管、导向杆、滚珠丝杠、滚珠丝杠座、热屏行程控制机构、伺服电机经连接组成，其中，热屏(24)位于上炉体(22)内，上炉体(22)两侧肩部对称设置2个水平法兰(27)，法兰(27)中心处开有供热屏拉杆(3)上下运动的通孔，热屏拉杆(3)下端穿过法兰(27))上的通孔，并穿入上炉体(22)，与热屏(24)连接，热屏拉杆(3)上端穿过超高真空波纹管(4)与滚珠丝杠座(7)固定；超高真空波纹管(4)下端与上炉体(22)上的法兰(27)固定连接，上端与滚珠丝杠座(7)连接；导向杆(5)下端也固定于法兰(27)上，上端与支撑安装伺服电机(13)用的电机座(10)连接；伺服电机(13)经过减速器(14)与滚珠丝杠轴联器(12)连接，减速器(14)通过螺钉固定于电机座(10)上；滚珠丝杠(6)设置于导向杆(5)旁侧，其上端部与滚珠丝杠座(7)固定连接，并穿过滚珠丝杠座(7)、通过滚珠丝杠轴承座(11)与滚珠丝杠联轴器(12)连接。
2、根据权利要求1所述的单晶炉移动热屏装置，其特征在于热屏行程控制机构由连接于法兰(27)与电机座(10)之间的控制杆(28)、固定于控制杆(28)上端部且上下位置可调的上极限开关固定片(16)、设置在滚珠丝杠座(7)上端面的上感应片(18)、固定于控制杆(28)下端部且上下位置可调的下极限开关固定片(20)以及设置于超高真空波纹管(4)的上法兰的下端面上的下感应片(19)组成。
3、根据权利要求1所述的单晶炉移动热屏装置，其特征在于所述的热屏拉杆(3)与热屏(24)通过支架(23)连接，或者热屏拉杆(3)与热屏(24)直接螺纹连接。
4、根据权利要求1所述的单晶炉移动热屏装置，其特征在于所述热屏拉杆(3)中有冷却水进出进行冷却。
5、根据权利要求1所述的单晶炉移动热屏装置，其特征在于所述超高真空波纹管(4)与上炉体(22)、滚珠丝杠座(7)、热屏拉杆(3)三者之间的密封方式采用真空密封O型圈(8)和拉杆密封O型圈(17)。
6、根据权利要求1所述的单晶炉移动热屏装置，其特征在于在所述上炉体(22)的上端面上由螺丝固定有带有进出冷却水进行冷却的水冷套(25)。
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