CN205152389U - 一种大直径单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大直径单晶炉，属于单晶炉的制造领域。本实用新型包括副室、炉筒、晶体提升机构和底座，自动旋转机构包括立轴、副室旋转轴、轴套和电机，立轴位于侧开式副室的一侧，副室旋转轴通过连接件与侧开式副室固连；电机的输出轴与电机齿轮固连，副室旋转轴的上端固连传导齿轮；传导齿轮下表面固连有光电感应块一，传导齿轮下方的轴套上表面固连有光电限位开关一和光电限位开关二；炉筒位于侧开式副室的下方且炉筒内部与侧开式副室内部相连通，侧开式副室下部设有隔离阀，晶体提升机构安装于侧开式副室的上方；炉筒和立轴均设置于底座上。本实用新型主要解决了人力推动副室进行旋转时容易带来掉棒风险的问题。

Description

一种大直径单晶炉

技术领域

本实用新型涉及单晶炉的制造领域，更具体地说，涉及一种大直径单晶炉，特别是针对生产12英寸及以上半导体级硅晶圆的单晶炉。

背景技术

硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值，硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以生产大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆面积的2.25倍，而出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所追求的。然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样现有技术中就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。

根据SEMI发布的半导体材料市场信息，2013年全球全年硅片材料市场消耗约100亿平方英寸，其中300mm约占70％，折合12英寸硅片月消耗量为516万片。然而12英寸以上大直径硅片市场中，日本、德国、美国和韩国资本控制的6大硅片公司的销量占世界硅片销售额的90％，全球寡头垄断已经形成。国内每月硅片需求量：12英寸(约20万片/月)、8英寸(约50万片/月)、6英寸(约35万片/月)，其中8英寸及12英寸硅片基本依赖国外进口。

中国目前进口第一多的商品不是原油，是芯片，一年进口2500亿美元。我国集成电路产业处在世界的中下端，属于集成电路消费大国、制造大国，具有粗放型、高投入、低利润的缺陷。特别是晶圆制造行业，受限于国外对大直径单晶硅生长设备、工艺和检测设备的封锁，我国晶圆制造一直处于4～6英寸的工艺水平。因此，如何突破技术封锁，实现12英寸硅片的国产化，已经迫在眉睫。而要实现12英寸硅片的国产化，首先必须要解决的就是生产设备的国产化。

传统单晶炉的结构示意图如图1所示，该单晶炉的副室包括上部圆筒形的封闭式副室1-1和下部的副室隔离仓1-2，因为在对副室进行清洗时，只能打开下部较小的副室隔离仓1-2，所以不能有效地清理整个副室内的氧化物等尘埃污染物，使得单晶硅在生产过程中因沾污而影响其品质，特别是对于生产12英寸及以上半导体级的硅晶圆，其品质要求更高，如何有效地清理整个副室内的尘埃污染物显得尤为重要。

目前CZ晶体生长的工艺流程大致可以分为清炉→装料→抽空→检漏→熔料→穏温→引晶→放肩→等径→收尾→停炉→取棒等步骤，在清炉、装料和取棒工艺时，均会需要进行副室的旋转。传统的单晶炉中，其副室的旋转均是手动操作，即用人力推动副室进行旋转，缺点也很明显，人力推动往往在速度及用力方面都会存在差异，使得副室旋转的过程中不稳，特别是在取棒过程中，容易造成晶体在副室内晃动，带来掉棒的风险，且用人力推动副室进行旋转的工作效率也不高。

针对用人力推动副室进行旋转的不足，现有技术中已提出改进方案，例如专利公开号：CN102304759A，公开日：2012年1月4日，发明创造名称为：拉晶炉副室旋转机构，该申请案公开了一种可使得拉晶炉的副室转动平稳的拉晶炉副室旋转机构，该拉晶炉副室旋转机构，副室转动设置机座上，在机座上设置电机，电机输出轴通过齿轮传动机构与副室相连。但是，该申请案的拉晶炉副室旋转机构缺少自动控制副室旋转角度的功能，使用起来十分不便。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供了一种大直径单晶炉，主要解决了人力推动副室进行旋转时容易带来掉棒风险的问题。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的大直径单晶炉，包括副室、炉筒、晶体提升机构和底座，所述副室包括自动旋转机构和一体式结构的侧开式副室；

所述侧开式副室包括内部设有空腔的副室主体和门板，所述副室主体一侧面上设有开口，所述门板通过铰链转动连接在副室主体上，门板与副室主体侧面上的开口相配合；

所述自动旋转机构包括立轴、副室旋转轴、轴套和电机，所述立轴位于侧开式副室的一侧，所述副室旋转轴通过连接件与侧开式副室固连，副室旋转轴穿过轴套，轴套与立轴固连；所述电机的输出轴与电机齿轮固连，副室旋转轴的上端固连传导齿轮，所述电机齿轮与传导齿轮啮合传功；所述传导齿轮下表面固连有光电感应块一，传导齿轮下方的轴套上表面固连有光电限位开关一和光电限位开关二；

所述炉筒位于侧开式副室的下方且炉筒内部与侧开式副室内部相连通，侧开式副室下部设有隔离阀，所述晶体提升机构安装于侧开式副室的上方；所述炉筒和立轴均设置于底座上。

作为本实用新型更进一步的改进，所述副室旋转轴的下端设有用于升降副室旋转轴的副室升降气缸。

作为本实用新型更进一步的改进，所述副室旋转轴的下部设有光电感应块二，立轴的下部设有光电限位开关三。

作为本实用新型更进一步的改进，还包括正转开关和反转开关，其中，正转开关与控制电机正转的电路连锁控制，反转开关与控制电机反转的电路连锁控制。

作为本实用新型更进一步的改进，所述光电限位开关三一端与电源连接，另一端分为并联的两路，其中一路为串联的正转开关和光电限位开关二，另一路为串联的反转开关和光电限位开关一，所述并联的两路均与电机相连。

作为本实用新型更进一步的改进，所述正转开关和反转开关共同组成一个旋转开关，该旋转开关旋至一侧时正转开关闭合，旋至另一侧时反转开关闭合。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型中提供了自动旋转机构，该自动旋转机构采用电动控制的电机作为动力源，利用齿轮传动的方式来实现侧开式副室的自动旋转，实现了自动化操作、消除了安全隐患、生产效率明显提高；具体采用3个光电限位开关进行信号检测，通过光电限位开关一和光电限位开关二进行自动限位动作，通过光电限位开关三进行防误操作动作，以闭合正转开关或反转开关进行侧开式副室的“打开/关闭”动作，对晶体生长工艺的自动化及操作性都有很大的提升。

(2)本实用新型中采用光电限位开关作为信号检测装置，在电路设计过程中很好的采用信号进行断路，提高了操作的安全性和防呆效果，相比于普通的角度定位传感器，成本更低，灵敏性更高，防呆效果更明显；同时侧开式副室设计为自动匀速旋转，很好地解决了侧开式副室旋转过程中的抖动问题，特别是降低了取棒过程中抖动带来的掉棒风险，更符合大直径晶体生长的需求。

附图说明

图1为传统单晶炉的结构示意图；

图2为本实用新型中侧开式副室的门板打开时的主视结构示意图；

图3为本实用新型的大直径单晶炉的侧视结构示意图；

图4为本实用新型中电机齿轮与传导齿轮相配合时的仰视结构示意图；

图5为本实用新型中自动旋转机构的电路原理图。

示意图中的标号说明：

1-1、封闭式副室；1-2、副室隔离仓；2、侧开式副室；2-1、副室主体；2-2、门板；2-3、铰链；2-4、电机齿轮；2-5、立轴；2-6、副室升降气缸；2-7、副室旋转轴；2-8、轴套；2-9、电机；2-10、光电感应块一；2-11、光电感应块二；2-12、传导齿轮；3、炉筒；4、隔离阀；5、晶体提升机构；6、底座；SQ1、光电限位开关一；SQ2、光电限位开关二；SQ3、光电限位开关三；SB1、正转开关；SB2、反转开关。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

结合图2～5，本实施例的大直径单晶炉(此处大直径单晶炉是指生产12英寸及以上半导体级硅晶圆的单晶炉)，包括副室、炉筒3、晶体提升机构5和底座6，副室包括自动旋转机构和一体式结构的侧开式副室2。侧开式副室2包括内部设有空腔的副室主体2-1和门板2-2，副室主体2-1一侧面上设有开口，门板2-2通过铰链2-3转动连接在副室主体2-1上，门板2-2与副室主体2-1侧面上的开口相配合。

现有传统的单晶炉，其单晶炉的副室不是一体式结构，而是包括上部圆筒形的封闭式副室和下部的副室隔离仓，因为在对副室进行清洗时，只能打开下部较小的副室隔离仓，所以不能有效地清理整个副室内的氧化物等尘埃污染物，使得单晶硅在生产过程中因沾污而影响其品质，特别是对于生产12英寸及以上半导体级的硅晶圆，其品质要求更高，如何有效地清理整个副室内的尘埃污染物显得尤为重要。本实施例的大直径单晶炉，包括一体式结构的侧开式副室2，该侧开式副室2一侧面上设有开口，门板2-2通过铰链2-3转动连接在副室主体2-1上，门板2-2与副室主体2-1侧面上的开口相配合，因此打开侧开式副室2的门板2-2时保持了一个相对大的开放面积，可以提供大面积的开口用于炉体的日常清理，能够有效地清理副室结构内的氧化物等尘埃垃圾，有效降低了杂质沾污，避免因沾污影响单晶硅的品质。

传统的单晶炉中，其副室的旋转均是手动操作，即用人力推动副室进行旋转，往往在速度及用力方面都会存在差异，使得副室旋转的过程中不稳，特别是在取棒过程中，容易造成晶体在副室内晃动，带来掉棒的风险，另外，本实施例中采用一体式结构的侧开式副室2，整体重量往往在3～4吨，人力根本都无法推动，而且12英寸晶体重量也达到200～300kg，往往轻微的晃动可能就会掉棒，因此人力推动的方式已经无法适应大直径单晶炉的生产工艺了。

为了克服上述缺陷，本实施例中提供了自动旋转机构，该自动旋转机构包括立轴2-5、副室旋转轴2-7、轴套2-8和电机2-9(本实施例中的电机2-9与减速机相连，构成减速电机，减速机的比例及速度选择，根据需求调节减速机比例和设定齿轮比例，本装置采用1：600的减速机，控制侧开式副室2旋转90°为1.5分钟)，立轴2-5位于侧开式副室2的一侧，副室旋转轴2-7通过连接件与侧开式副室2固连，副室旋转轴2-7穿过轴套2-8，轴套2-8与立轴2-5固连；电机2-9的输出轴与电机齿轮2-4固连，副室旋转轴2-7的上端固连传导齿轮2-12，电机齿轮2-4与传导齿轮2-12啮合传功；传导齿轮2-12下表面固连有光电感应块一2-11，传导齿轮2-12下方的轴套2-8上表面固连有光电限位开关一SQ1和光电限位开关二SQ2，调节光电感应块一2-11与光电限位开关一SQ1、光电限位开关二SQ2的相对位置，以便于后续的限位动作。炉筒3位于侧开式副室2的下方且炉筒3内部与侧开式副室2内部相连通，侧开式副室2下部设有隔离阀4，该隔离阀4用于根据使用需要将炉筒3内部与侧开式副室2内部相互隔离，晶体提升机构5安装于侧开式副室2的上方，该晶体提升机构5主要用于实际生产时提升籽晶以拉制晶体，炉筒3和立轴2-5均设置于底座6上。

副室旋转轴2-7的下端设有用于升降副室旋转轴2-7的副室升降气缸2-6，副室旋转轴2-7的下部设有光电感应块二2-10，立轴2-5的下部设有光电限位开关三SQ3。本实施例的大直径单晶炉还包括正转开关SB1和反转开关SB2，其中，正转开关SB1与控制电机2-9正转的电路连锁控制(即正转开关SB1闭合后电机2-9在带电情况下保持正转)，反转开关SB2与控制电机2-9反转的电路连锁控制(即反转开关SB2闭合后电机2-9在带电情况下保持反转)。光电限位开关三SQ3一端与电源连接，另一端分为并联的两路，其中一路为串联的正转开关SB1和光电限位开关二SQ2，另一路为串联的反转开关SB2和光电限位开关一SQ1，上述并联的两路均与电机2-9相连。

如图5所示，当副室旋转轴2-7在副室升降气缸2-6的作用下升至上限时，光电限位开关三SQ3感应到副室旋转轴2-7下部设置的光电感应块二2-10，此时光电限位开关三SQ3自动变为闭合状态，此时方可进行侧开式副室2的“打开/关闭”动作，否则无法进行侧开式副室2的“打开/关闭”动作，防止因副室旋转轴2-7未升至上限就旋转侧开式副室2而引发的操作失误和设备故障。

准备“打开”侧开式副室2时，将正转开关SB1闭合，此时电机2-9与电源接通开始工作，由于正转开关SB1与控制电机2-9正转的电路连锁控制，此时电机2-9将保持正转，带动传导齿轮2-12以匀速逆时针转动进而旋转“打开”侧开式副室2，当侧开式副室2旋转至一定程度时，轴套2-8上表面固连的光电限位开关二SQ2感应到上方传导齿轮2-12下表面固连的光电感应块一2-11，此时光电限位开关二SQ2自动变为断开状态，电机2-9与电源断开停止工作，侧开式副室2的旋转立即停止，完成侧开式副室2“打开”动作。

准备“关闭”侧开式副室2时，将反转开关SB2闭合，此时电机2-9与电源接通开始工作，由于反转开关SB2与控制电机2-9反转的电路连锁控制，此时电机2-9将保持反转，带动传导齿轮2-12以匀速顺时针转动进而旋转“关闭”侧开式副室2，当侧开式副室2旋转至一定程度时，轴套2-8上表面固连的光电限位开关一SQ1感应到上方传导齿轮2-12下表面固连的光电感应块一2-11，此时光电限位开关一SQ1自动变为断开状态，电机2-9与电源断开停止工作，侧开式副室2的旋转立即停止，完成侧开式副室2“关闭”动作。

该自动旋转机构采用电动控制的电机2-9作为动力源，利用齿轮传动(电机齿轮2-4和传导齿轮2-12)的方式来实现侧开式副室2的自动旋转，实现了自动化操作、消除了安全隐患、生产效率明显提高；具体采用3个光电限位开关进行信号检测，通过光电限位开关一SQ1和光电限位开关二SQ2进行自动限位动作，通过光电限位开关三SQ3进行防误操作动作，以闭合正转开关SB1或反转开关SB2进行侧开式副室2的“打开/关闭”动作，对晶体生长工艺的自动化及操作性都有很大的提升。本实施例中采用光电限位开关作为信号检测装置，在电路设计过程中很好的采用信号进行断路，提高了操作的安全性和防呆效果，相比于普通的角度定位传感器，成本更低，灵敏性更高，防呆效果更明显；同时侧开式副室2设计为自动匀速旋转，很好地解决了侧开式副室2旋转过程中的抖动问题，特别是降低了取棒过程中抖动带来的掉棒风险，更符合大直径晶体生长的需求。

实施例2

本实施例的大直径单晶炉其结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：正转开关SB1和反转开关SB2共同组成一个旋转开关，该旋转开关分为三挡，中间一挡为不进行任何操作，旋转开关旋至左侧一档时正转开关SB1闭合，旋至右侧一档时反转开关SB2闭合。本实施例中旋转开关的设计方便了“打开/关闭”侧开式副室2的动作，用一个开关即可实现两个动作的操作，操作简便，工作效率更高。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种大直径单晶炉，其特征在于：包括副室、炉筒(3)、晶体提升机构(5)和底座(6)，所述副室包括自动旋转机构和一体式结构的侧开式副室(2)；

所述侧开式副室(2)包括内部设有空腔的副室主体(2-1)和门板(2-2)，所述副室主体(2-1)一侧面上设有开口，所述门板(2-2)通过铰链(2-3)转动连接在副室主体(2-1)上，门板(2-2)与副室主体(2-1)侧面上的开口相配合；

所述自动旋转机构包括立轴(2-5)、副室旋转轴(2-7)、轴套(2-8)和电机(2-9)，所述立轴(2-5)位于侧开式副室(2)的一侧，所述副室旋转轴(2-7)通过连接件与侧开式副室(2)固连，副室旋转轴(2-7)穿过轴套(2-8)，轴套(2-8)与立轴(2-5)固连；所述电机(2-9)的输出轴与电机齿轮(2-4)固连，副室旋转轴(2-7)的上端固连传导齿轮(2-12)，所述电机齿轮(2-4)与传导齿轮(2-12)啮合传功；所述传导齿轮(2-12)下表面固连有光电感应块一(2-11)，传导齿轮(2-12)下方的轴套(2-8)上表面固连有光电限位开关一(SQ1)和光电限位开关二(SQ2)；

所述炉筒(3)位于侧开式副室(2)的下方且炉筒(3)内部与侧开式副室(2)内部相连通，侧开式副室(2)下部设有隔离阀(4)，所述晶体提升机构(5)安装于侧开式副室(2)的上方；所述炉筒(3)和立轴(2-5)均设置于底座(6)上。

2.根据权利要求1所述的大直径单晶炉，其特征在于：所述副室旋转轴(2-7)的下端设有用于升降副室旋转轴(2-7)的副室升降气缸(2-6)。

3.根据权利要求1所述的大直径单晶炉，其特征在于：所述副室旋转轴(2-7)的下部设有光电感应块二(2-10)，立轴(2-5)的下部设有光电限位开关三(SQ3)。

4.根据权利要求3所述的大直径单晶炉，其特征在于：还包括正转开关(SB1)和反转开关(SB2)，其中，正转开关(SB1)与控制电机(2-9)正转的电路连锁控制，反转开关(SB2)与控制电机(2-9)反转的电路连锁控制。

5.根据权利要求4所述的大直径单晶炉，其特征在于：所述光电限位开关三(SQ3)一端与电源连接，另一端分为并联的两路，其中一路为串联的正转开关(SB1)和光电限位开关二(SQ2)，另一路为串联的反转开关(SB2)和光电限位开关一(SQ1)，所述并联的两路均与电机(2-9)相连。

6.根据权利要求4或5所述的大直径单晶炉，其特征在于：所述正转开关(SB1)和反转开关(SB2)共同组成一个旋转开关，该旋转开关旋至一侧时正转开关(SB1)闭合，旋至另一侧时反转开关(SB2)闭合。