CN201873776U - 一种单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种单晶炉和抑制单晶炉的软轴摆动的方法。公开的单晶炉包括炉体、提拉装置、坩埚和软轴；还包括控制器、位置监测器和位于炉体外的至少一个磁场发生器；软轴的上端与坩埚形成直流导电回路；控制器输入端与位置监测器相连，位置监测器获取软轴的位置信息；控制器的输出端与磁场发生器相连，或/和与所述的直流导电回路相连。与现有技术中被动地对软轴施加作用力不同，本实用新型提供的技术方案不依赖于软轴实际的摆动幅度，可以主动地对软轴施加作用力，从而更好地抑制软轴的摆动；更重要地是，利用本实用新型提供的单晶炉还能够对软轴下端的单晶直接施加作用力，从而能够从根本上降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

Description

一种单晶炉

技术领域

本实用新型涉及一种单晶体生成技术，特别涉及一种单晶炉，还涉及一种抑制单晶炉的软轴摆动的方法。

背景技术

单晶炉是单晶体生成的设备。目前公知的单晶炉包括炉体和软轴。炉体内设置有坩埚，坩埚内可装入多晶物料。软轴上端与预定的提拉装置相连，下端装有籽晶。在生成单晶体时，加热坩埚，使坩埚内的多晶物料形成多晶融体；软轴下端的籽晶伸入多晶融体中；通过提拉装置提拉软轴，使软轴旋转并上升；在软轴上升过程中，多晶融体在籽晶基础上生成单晶体。为了保护生成的单晶体不被从多晶融体中挥发出来的杂质污染，通常在炉体顶部设置氩气通道，并通入氩气气流，使氩气气流从上往下流动，将从多晶融体中挥发出来的杂质带走。

在生成单晶体过程中，受软轴旋转运动、氩气气流扰动及地球自转运动的共同影响，软轴在水平面方向的摆动很难避免；软轴在水平面方向上的摆动，特别是其下端的、正在形成的单晶在水平面内的摆动会影响单晶体的生成，造成单晶体生长控制困难、单晶体直径误差增大和单晶体内部缺陷增多等一系列问题，导致使单晶体产品合格率降低，生产成本增加。为了减小软轴摆动对单晶体生成的不利影响，现有技术中已经提供了相应的技术方案。

中国专利文献CN1844490A公开一种防止单晶体炉软轴摆动的技术方案。该技术方案是在软轴上部的中心位置设置由电磁铁吸合的有孔阻尼片，并使软轴穿过电磁铁与阻尼片组成的中心通道。该技术方案利用电磁铁对阻尼片的吸合力，通过阻尼片对软轴的预定位置的摆动进行干涉，以减小软轴的摆动。该技术方案虽然能够实现减小软轴的抖动幅度的目的，但由于电磁铁与阻尼片仅能够在摆动幅度大于相应数值时，才能被动地对软轴的预定位置施加作用力，抑制软轴的摆动；在软轴的预定位置的摆动幅度小于相应数值时，就无法对软轴的运动进行干涉，无法抑制软轴的摆动。

中国专利文献CN201473621U公开技术方案中，在软轴的靠近上端的部分设置包括两个阻尼套的旋转空心轴，在阻尼套上设置空腔，软轴穿过两个阻尼套的空腔。该技术方案通过阻尼套限制软轴的摆动；同样，由于结构的限制，该技术方案也仅能够在摆动幅度大于相应数值时，才能被动地对软轴的预定位置施加作用力，导致该技术方案抑制软轴摆动的效果有限。

另外，现有技术中，承受作用力的软轴的预定位置一般设置在靠近软轴上端的部分，软轴的长度一般有XX米长；在软轴上部预定位置的摆动幅度很小时，软轴下端还会将该预定位置的摆动幅度放大，从而使得该技术方案抑制软轴摆动效果有限，无法从实质上降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

因此，如何更好地抑制软轴的摆动，降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响是当前本领域技术人员需要解决的技术问题。

而且，现有技术提供的技术方案并不能直接对软轴下端的单晶施加作用力，从而无法在根本上降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

发明内容

因此，本实用新型解决的技术问题在于，提供一种单晶炉，该单晶炉能够以主动的方式对软轴施加作用力，以更好地抑制软轴的摆动，降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

基于上述单晶炉，还提供一种抑制单晶炉的软轴摆动的方法，该方法能够以主动的方式对软轴施加作用力，更好地抑制软轴的摆动，降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

为此，本实用新型提供的单晶炉包括炉体、提拉装置、坩埚和软轴，所述坩埚位于炉体形成的炉腔内，所述软轴上端与提拉装置相连，下端伸入坩埚中；还包括控制器、位置监测器和位于炉体外的至少一个磁场发生器；所述软轴的上端与坩埚形成直流导电回路；所述控制器的输入端与所述位置监测器相连，所述位置监测器获取软轴的位置信息；所述控制器的输出端与磁场发生器相连，或/和，与所述的直流导电回路相连。

可选的，所述炉体的壁上设置有监测窗口，所述位置监测器位于监测窗口外。

可选的，所述炉体包括位于下部的主炉和位于上部的副炉，所述副炉横截面积小于主炉的横截面积，所述磁场发生器位于所述副炉外。

可选的，所述主炉的炉体壁上设置有监测窗口，所述位置监测器位于所述监测窗口外，所述位置监测器的监测头与所述软轴的下端的位置相对。

可选的，所述位置监测器包括图像采集单元和处理单元；所述图像采集单元获取包括软轴位置的图像，所述处理单元对包括软轴位置的图像进行处理获得软轴的位置信息。

可选的，所述坩埚由导电陶瓷制造，或者，所述坩埚的表面涂有导电涂层。

可选的，所述单晶炉还包括与炉体相对固定的、在重力方向上延伸的滑轨，所述磁场发生器具有滑块，所述滑块与所述滑轨相配合。

本实用新型提供的抑制单晶炉的软轴摆动的方法是，使位于单晶炉的炉体外的磁场发生器产生磁场，通过磁场发生器产生的磁场对通直流电的软轴或通直流电的位于软轴下端的单晶施加作用力。

可选的，并通过改变磁场发生器输入电流的方向和大小改变磁场发生器产生的磁场的方向和强度。

可选的，并通过改变通过软轴的电流的方向和大小，改变磁场对软轴或软轴下端的单晶施加的作用力。

与现有技术不同，本实用新型提供的单晶炉还包括控制器、位置监测器和位于炉体外的至少一个磁场发生器；所述软轴的上端与坩埚形成直流导电回路；所述控制器输入端与位置监测器相连，所述位置监测器用于获取软轴的位置信息；所述控制器的输出端与磁场发生器相连，或者与所述直流导电回路相连。在采用所述控制器的输出端与磁场发生器相连的技术方案时，在单晶体生成过程中，可以使软轴的上端与坩埚形成的直流导电回路保持预定的直流电流；位置监测器在获取软轴的位置信息后，并将获取的软轴的位置信息传输给控制器；在软轴幅度超过预定范围时，使控制器根据预定的策略及软轴的位置信息产生预定的控制信号，并通过输出端将该控制信号输出给磁场发生器，使磁场发生器产生预定方向和强度的磁场；磁场与通过软轴的直流电相互作用，以主动的方式产生抑制软轴摆动的作用力。在采用所述控制器的输出端与所述直流导电回路相连的技术方案时，可以使磁场发生器产生适当的磁场；在软轴幅度超过预定范围时，使控制器根据预定的策略及软轴的位置信息产生预定的控制信号，通过输出端将控制信号输出给直流导电回路，使直流导电回路中通过预定直流电流，或者使直流电的电流产生方向变化，或者使直流电的电流大小变化；通 过磁场与直流电的相互作用，对软轴施加预定作用力，以主动的方式抑制软轴摆动。与现有技术中通过适当的结构被动地对软轴施加作用力不同，本实用新型提供的技术方案不依赖于软轴实际的摆动幅度，可以根据实际需要设定或选择范围，主动地对软轴施加作用力，从而更好地抑制软轴的摆动，降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响；更重要地是，利用本实用新型的提供的单晶炉还能够对软轴下端的单晶直接施加作用力，抑制软轴的摆动，从而能够从根本上降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

在进一步的技术方案中，所述炉体的壁上设置有监测窗口，所述位置监测器位于监测窗口外；该技术方案能够避免炉腔内高温对位置监测器的不利影响，不仅能够提高位置监测的可靠性，还能够延长位置监测器的使用寿命。

在进一步的技术方案中，将所述磁场发生器设置于横截面积较小的副炉外；这样可以减小磁场发生器与软轴之间的距离，提高磁场发生器产生的磁场与软轴通过电流的之间的相互作用，增加对软轴干涉作用。

在进一步的技术方案中，所述位置监测器的监测头与软轴下端的位置相对；这样可以直接根据软轴下端摆动幅度或下端单晶摆动的幅度对软轴施加预定作用力；进而可以提高抑制软轴摆动的效果。

在进一步的技术方案中，所述位置监测器包括图像采集单元和处理单元；所述图像采集单元用于获取包括软轴位置的图像，所述处理单元用于对包括软轴位置的图像进行处理并获得软轴的位置信息。该技术方案可以更加精确在获得软轴的位置信息，为精确控制对软轴施加的作用力的方向和大小提供良好前提。

在进一步的技术方案中，所述坩埚由导电陶瓷制造，或所述坩埚的表面涂有导电涂层。该技术方案中，通过对坩埚进行特定处理，减小直流导电回路的电阻，可以强化对软轴的抑制效果。

在进一步的技术方案中，单晶炉还包括与炉体相对固定的、在重力方向延伸的滑轨，所述磁场发生器具有滑块，所述滑块与所述滑轨相配合。这样，可以使磁场发生器相对于炉体上重力方向上移动，以根据实际需要，对软轴的适当的位置施加作用力，进而提高对软轴摆动的抑制效果，提高单晶炉的适应性能。

与上述单晶炉的技术效果相对应，本实用新型提供的抑制单晶炉的软轴摆 动的方法也能够以主动的方式对软轴施加作用力，更好地抑制软轴的摆动，降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的单晶炉的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二提供的单晶炉的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

请参考图1，该图是本实用新型实施例一提供的单晶炉的结构示意图。

实施例一提供的单晶炉包括炉体8、提拉装置1、软轴3和坩埚7。为了描述的方便，图中还示出了生成的部分单晶体及位于坩埚7内的多晶融体71，为了与生成后的单晶体相区别，本文件中，部分单晶体称为单晶5。本例中，炉体8包括位于上部的副炉81和位于下部的主炉82。副炉81的横截面积小于主炉82的横截面积，8炉体在整体上形成一个上部较细，下部较粗的瓶状结构。坩埚7位于主炉82内的炉腔中，并通过升降座83安装在炉腔的底面上。提拉装置1位于炉体8的上部端口，即副炉82上端口内。软轴3上端与提拉装置1相连。本例中，提拉装置1具体为提拉轮，软轴3上端缠绕在该提拉轮上。软轴3下端的部分还具有重锤31，以保证软轴3的稳定。在生成单晶体过程中，坩埚7内的多晶融体71形成的单晶5悬挂于软轴3的下端。

与现有技术的不同之处在于：单晶炉还包括第一接线端子21、第二接线端子22、控制器9、位置监测器6和磁场发生器4。第一接线端子21与软轴3的上端电连接，第二接线端子22与坩埚7电连接，第一接线端子21通过软轴3、单晶5、多晶融体71和坩埚7与第二接线端子22形成直流导电回路。控制器9的输入端与位置监测器6相连，输出端与磁场发生器4相连；位置监测器6用于监测软轴3的位置，并将获得的软轴3的位置信息传输给控制器9；控制器9能够根据获得的软轴3的位置信息及预定的策略向磁场发生器4输出相应的控制信号，使磁场发生器4产生相应磁场，或者改变磁场的强度，或者改变磁场的方向。磁场发生器4位于炉体8外，以使其产生的磁场磁力线可以与上述直 流导电回路中的电流相互作用，优选技术方案中，磁场发生器4位于横向截面积较小的副炉81外，以使磁场发生器4与软轴3之间的距离更小，增强对软轴3干涉作用。

上述单晶炉的抑制软轴3摆动的工作原理如下：

在单晶体生成过程中，使上述直流导电回路中保持预定的直流电流；通过位置监测器6获取软轴3的位置信息，并将获取的软轴3的位置信息传输给控制器9；控制器9可以将软轴3的位置信息与预置的软轴3的位置信息数据进行对比，在判断软轴3的摆动幅度超过预定范围时，产生预定的控制信号，通过其输出端输出给磁场发生器4；根据控制器9产生的控制信号，磁场发生器4内电流产生相应变化，或者产生预定方向和强度的磁场，或者改变磁场的方向，或者改变磁场的强度。磁场发生器4产生的磁场与通过软轴3直流电相互作用，对软轴3施加预定作用力，以抑制或抵消软轴3的摆动；这样，该单晶炉就能够以主动的方式产生抑制软轴3摆动的作用力，从而更好地抑制软轴3的摆动，降低软轴3摆动对单晶体生成的不利影响。

可以理解，在生成单晶体过程中，软轴3在提拉装置1作用下，不断上升，生成的单晶5也随软轴3的下端不断向上移动；在移动过程中，在软轴3与磁场发生器4距离会增加，单晶5与磁场发生器4的距离会减小；此时，磁场主要对通过单晶5的电流相互作用，这样，磁场就会直接对单晶5施加作用力，并通过单晶5的抑制实现对软轴3摆动的抑制。因此，相对于现有技术，通过对软轴3下端的单晶5直接施加作用力，对软轴3进行抑制可以更好地减小软轴3下端单晶5摆动对单晶体生成的不利影响；为提高单晶体的质量提供前提。

本例中，第一接线端子21通过提拉装置即提拉轮与软轴3电连接，并保持与炉体8之间的绝缘，防止直流导电回路与炉体8电连接；第二接线端子22通过升降座83与坩埚7相连电连接。根据单晶炉具体结构的不同，第一接线端子21可以通过其他具体结构与软轴3电连接，第二接线端子22可以通过其他具体结构与坩埚7电连接；只要软轴3的上端与坩埚7能够形成直流导电回路，能够使适当的直流电通过软轴3和坩埚7就可以为实现本实用新型的目的提供基础。

本例中，在主炉82上设置有监测窗口，所述位置监测器6安装在监测窗口外，并通过监测窗口对软轴3的位置进行监测，以获得软轴3的位置信息。如 图1中箭头所示，优选技术方案是：使位置监测器6的监测头与软轴3的下端的位置相对；这样可以直接根据软轴3下端摆动幅度或下端单晶5摆动的幅度改变磁场发生器4产生的磁场，以对软轴3或单晶5施加合适的预定作用力，以提高抑制软轴摆动的效果。在特定情形下，位置监测器6可以安装在炉体8内的适当位置，只要能够实现对软轴3的位置监测就可以实现本实用新型的目的。为了更准确地确定软轴3的位置，获得更准确的软轴3的位置信息，可以设置两个或更多个位置监测器6，以在不同的方位或位置对软轴3的位置进行监测。

本例中，位置监测器6包括相连的图像采集单元和处理单元，处理单元与控制器9相连；图像采集单元可以是摄像头或照相机等设备，以用于获取炉体8内预定位置的图像，获取的图像应当包括软轴3的位置，以为处理单元确定软轴3的位置信息提供前提。处理单元用于对包括软轴位置的图像进行处理获得软轴的位置信息；处理单元可以包括预置的图像信息，并通过对比确定软轴3的位置变化以获取软轴3的位置信息。当然，位置监测器6不限于上述结构，还可以是其他的位置传感器，根据实际需要可以选用适当种类的位置传感器；比如：电感式位置传感器，电容式位置传感器，光电式位置传感器，超声波式位置传感器，霍尔式位置传感器或激光位置传感器等等。

根据上述描述，软轴3与坩埚7形成的直流导电回路需要通过软轴3、单晶5、多晶融体71和坩埚7。虽然在高温下，坩埚7具有相应的导电性能，能够形成直流导电回路，但其电阻较大，不利于节能降耗：为了减小直流导电回路的电阻，还可以对坩埚7进行相应处理，以减小多晶融体71与第二接线端子22之间的电阻。对坩埚7进行处理的方式有多种，比如可以改变坩埚7的材料，用导电陶瓷制作坩埚7，中国专利文献CN1591702就公开一种导电陶瓷的制造技术；还可以在坩埚7的表面涂有导电涂层，使多晶融体71通过导电涂层与第二接线端子22电连接。

根据上述描述可以了解：在单晶体生成过程中，软轴3在提拉装置1的拉动上不断上移，软轴3下端的单晶5也不断上移。为了能够对软轴3或单晶5的预定位置施加作用力，单晶炉还可以设置与炉体8相对固定的、且在重力方向延伸的滑轨；并在磁场发生器4上设置滑块，使滑块与滑轨相配合。这样可以使磁场发生器4在滑轨方向上移动，以在预定的位置产生磁场；进而可以使 磁场发生器4相对于炉体8在重力方向上移动，根据实际需要，对软轴3的适当的位置施加作用力，进而提高对软轴3摆动的抑制效果，提高单晶炉的适应性能。在水平面内，也可以根据实际需要设置多个在炉体8周围布置的磁场发生器4，以在不同的方向对软轴3或单晶5施加作用力；为了保证抑制效果，并降低成本，优选技术方案是设置两个磁场发生器4，一个磁场发生器4布置在第一方向上，以在第一方向对软轴3或单晶5施加作用力；另一个磁场发生器4布置在第二方向上，以在第二方向对软轴3或单晶5施加作用力，上述第一方向和第二方向可以相互垂直，并均与水平面平行。

请参考图2，该图是本实用新型实施例二提供的单晶炉的结构示意图。与实施例一相比，实施例二提供的单晶炉的不同之处在于：控制器9的输出端与第一接线端子21和第二接线端子22相连。

该单晶炉抑制软轴3摆动的工作原理如下：

在单晶体生成过程中，使磁场发生器4保持产生适当的磁场；位置监测器6获取软轴3的位置信息后，将获取的软轴3的位置信息传输给控制器9；控制器9将软轴3的位置信息与预置的软轴3的位置信息数据进行对比，在判断软轴3的摆动幅度超过预定范围时，产生预定的控制信号，通过其输出端输出给第一接线端子21和第二接线端子22；根据控制器9产生的控制信号，第一接线端子21和第二接线端子22之间产生相应的直流电流，或者使直流电流产生相应变化，或者使直流电流的方向改变。磁场发生器4的磁场与通过软轴3直流电相互作用，对软轴3施加预定作用力，以抑制或抵消软轴3的摆动；这样，该单晶炉也能够以主动的方式产生抑制软轴3摆动的作用力，更好地抑制软轴3的摆动，降低软轴3摆动对单晶体生成的不利影响。

可以理解，在软轴3下端的单晶5与磁场发生器4相对时，磁场主要与通过单晶5电流相互作用；这样也可以通过单晶5对软轴3摆动进行抑制。同样，通过对软轴3下端的单晶5直接施加作用力，可以更好地抑制软轴3的摆动，降低软轴3摆动对单晶体生成的不利影响，为提高单晶体的质量提供前提。

同样，只要软轴3的上端与坩埚7形成直流导电回路，就能够为实现本实用新型的目的提供基础；因此，控制器9的输出端不限于同时与第一接线端子21和第二接线端子22相连，只要是控制器9的输出端与上述直流导电回路相连，并通过控制信号控制电流导电回路的电流，就可以实现本实用新型的目的。

根据上述描述，还可以将实施例一和实施例二提供的技术方案相结合，使控制器9的输出端与磁场发生器4相连，同时，使控制器9的输出端与上述的直流导电回路相连；这样，控制器就可以同时控制磁场发生器4产生的磁场和直流导电回路中电流，使软轴3承受预定的作用力，实现对软轴3摆动的抑制。

另外，本实用新型还提供的一种抑制单晶炉的软轴摆动的方法，单晶炉可以是上述实施例中的单晶炉，也可以是其他单晶炉。该方法具体是：使位于单晶炉的炉体外的磁场发生器产生磁场，使产生的磁场对通直流电的软轴施加作用力，以主动地对软轴施加作用力；通过对软轴的主动干涉，能够更好地抑制软轴的摆动，降低软轴摆动对单晶体生成的不利影响。根据实际情况，还可以对干涉作用力进行调整，调整的方式可以是通过改变磁场发生器输入电流的方向和大小改变磁场发生器产生的磁场的方向和强度，或者通过改变通过软轴的电流的方向和大小，改变磁场对软轴施加的作用力。其工作原理与上述单晶炉的工作原理相同，此处不再赘述。另外，磁场不限于与通直流电的软轴相互作用，也可以与通直流电的、位于软轴上端的单晶相互作用，通过对单晶施加作用力对软轴摆动进行抑制。上述方法不限通过本实用新型提供的单晶炉实现，也可以通过其他部件实现。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如：为了减小炉体8对磁场的不利影响，可以用奥氏体不锈钢制作炉体8；控制器9的控制策略可以根据实际需要进行选择，比如可以根据软轴3摆动频率确定是否对软轴3进行干涉，还可以根据软轴3下端单晶5的状态对软轴3的摆动进行干涉，还可以根据软轴3摆动幅度大小进行不同的干涉，等等；这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种单晶炉，包括炉体、提拉装置、坩埚和软轴，所述坩埚位于炉体形成的炉腔内，所述软轴上端与提拉装置相连，下端伸入坩埚中；其特征在于，还包括控制器、位置监测器和位于炉体外的至少一个磁场发生器；所述软轴的上端与坩埚形成直流导电回路；所述控制器的输入端与所述位置监测器相连，所述位置监测器获取软轴的位置信息；所述控制器的输出端与磁场发生器相连，或/和，与所述的直流导电回路相连。

2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述炉体的壁上设置有监测窗口，所述位置监测器位于监测窗口外。

3.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述炉体包括位于下部的主炉和位于上部的副炉，所述副炉横截面积小于主炉的横截面积，所述磁场发生器位于所述副炉外。

4.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，所述主炉的炉体壁上设置有监测窗口，所述位置监测器位于所述监测窗口外，所述位置监测器的监测头与所述软轴的下端的位置相对。

5.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述位置监测器包括图像采集单元和处理单元；所述图像采集单元获取包括软轴位置的图像，所述处理单元对包括软轴位置的图像进行处理获得软轴的位置信息。

6.根据权利要求1-5任一项所述的单晶炉，其特征在于，所述坩埚由导电陶瓷制造，或者，所述坩埚的表面涂有导电涂层。

7.根据权利要求1-5任一项所述的单晶炉，其特征在于，还包括与炉体相对固定的、在重力方向上延伸的滑轨，所述磁场发生器具有滑块，所述滑块与所述滑轨相配合。 

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