CN208440720U - 一种连续生产的区熔炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于悬浮区熔单晶炉技术领域，具体涉及一种连续生产的区熔炉。针对上述现有用于生产较长单晶棒的悬浮区熔单晶炉每生产一根晶体棒都需要进行一次抽真空和降真空，导致能耗及惰性气体的消耗较高，提高了工艺的成本，且生产效率较低的问题。本实用新型的技术方案是：包括炉室，炉室顶部设置有上轴，上轴的末端设置有夹具，炉室底部设置有保温室，保温室中设置有下轴，炉室侧面设置有原料切换室，原料切换室中设置有用于更换上轴上的原料晶体棒的原料切换装置；保温室侧面设置有产品存储室，产品存储室中设置有用于取走保温室中产品的产品拾取装置；下轴顶端设置有转盘Ⅰ，转盘Ⅰ上设置有多个籽晶安装装置。本实用新型适用于单晶生长工艺。

Description

一种连续生产的区熔炉

技术领域

本实用新型属于悬浮区熔单晶炉技术领域，具体涉及一种连续生产的区熔炉。

背景技术

悬浮区熔单晶炉用于悬浮区熔提纯与悬浮单晶生长的装置。主要用于区熔硅的提纯和单晶生长，已用于工业生产半导体材料。悬浮区熔单晶炉结构由两部分组成，即炉室和机械传动部分以及电气控制柜和高频发生器部分。炉室为一不锈钢水套式直立容器，可抽高真空或通入流动氩气。从炉室顶底端各插入上轴和下轴，上轴下端夹持一根多晶硅棒，下轴顶端夹持一籽晶。炉室中央装设一单匝高频加热线圈。上下轴可分别旋转和升降。电气控制柜上装有指示仪表、调速旋钮、按钮开关。柜内装有电机控制系统等。

现有的区熔炉通常将一根原料晶体棒安装在上轴下端后开始抽真空、通入惰性气体。在这一根原料晶体完成区熔提纯后，再降真空取出产品晶体棒并再次装入原料晶体棒以备下一次工艺。也即是说每进行一根晶体棒的区熔提纯，设备就要进行一次抽真空和降真空的操作。

这样的缺点是能耗及惰性气体的消耗较高，提高了工艺的成本。且抽真空需要较长的时间导致生产效率较低。

实用新型内容

针对上述现有用于生产较长单晶棒的悬浮区熔单晶炉每生产一根晶体棒都需要进行一次抽真空和降真空，导致能耗及惰性气体的消耗较高，提高了工艺的成本，且生产效率较低的问题。本实用新型提供一种连续生产的区熔炉，其目的在于：通过在真空环境下实现晶体棒的装入和取出，实现保持真空条件下的连续生产，从而降低能耗和惰性气体消耗、提高生产效率。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种连续生产的区熔炉，包括炉室，炉室顶部设置有上轴，上轴的末端设置有夹具，炉室底部设置有保温室，保温室中设置有下轴，炉室侧面设置有原料切换室，原料切换室中设置有用于更换上轴上的原料晶体棒的原料切换装置；保温室侧面设置有产品存储室，产品存储室中设置有用于取走保温室中产品的产品拾取装置；所述下轴顶端设置有转盘Ⅰ，转盘Ⅰ上设置有多个籽晶安装装置。

采用该技术方案后，预先在原料切换装置上装入多根原料晶体棒，并在转盘Ⅰ上装上相同数量的籽晶。在抽真空、通入惰性气体后，原料切换装置将第一根原料晶体棒装在上轴末端的夹具上，开始对第一根原料晶体棒进行区熔提纯，完成后，利用产品拾取装置将保温室中经过区熔工艺提纯的产品晶体棒取走。然后原料切换装置将第二根原料晶体棒装在上轴末端的夹具上，转盘Ⅰ将第二个籽晶送至与第二根原料晶体棒对应的位置，进行第二根原料晶体棒的区熔提纯。重复上述过程，直至原料切换装置上所有的原料晶体棒均完成区熔提纯，并被产品拾取装置转移到产品存储室中。降真空后，从产品存储室中一次取出所有的产品晶体棒。因而，采用本技术方案能够实现一次抽真空进行多根原料晶体棒的区熔提纯，避免了频繁的抽真空，从而降低了能耗和惰性气体的消耗，节约了成本。且节约了抽真空的时间，提高了生产的效率。

优选的，原料切换装置包括平行设置的转盘Ⅱ，所述转盘Ⅱ的侧面通过伸缩杆连接有多个夹持装置Ⅰ。

进一步优选的，原料切换室顶部设置有电机Ⅰ，电机Ⅰ通过转轴Ⅰ与转盘Ⅱ连接。

采用上述优选方案后，夹持装置Ⅰ夹持原料晶体棒，成一圈围绕在转盘Ⅱ周围，在向上轴输送原料晶体棒时，转盘Ⅱ转动使对应的夹持装置Ⅰ朝向上轴的位置，并通过对应的伸缩杆伸长将夹持装置Ⅰ上的原料晶体棒送至上轴下方，该方式方便控制和操作，有利于生产效率的进一步提高。

优选的，产品拾取装置包括平行设置的转盘Ⅲ，所述转盘Ⅲ的侧面通过伸缩杆连接有多个夹持装置Ⅱ。

进一步优选的，产品存储室顶部设置有电机Ⅱ，电机Ⅱ通过转轴Ⅱ与转盘Ⅲ连接。

采用上述优选方案后，在完成一根原料晶体棒的区熔提纯形成产品晶体棒后，一个夹持装置Ⅱ通过伸缩杆送至保温室中并夹取产品晶体棒。夹取产品晶体棒后，伸缩杆收回使夹持有产品晶体棒的夹持装置Ⅱ回到转盘Ⅲ旁，然后转盘Ⅲ转动使下一个未夹持产品晶体棒的夹持装置Ⅱ朝向保温室，以备下一次产品的夹取操作。该方式方便控制和操作，有利于生产效率的进一步提高。

优选的，籽晶安装装置以转盘Ⅰ的轴心为中心对称设置，所述下轴的轴心与转盘Ⅰ的轴心之间的距离等于籽晶安装装置与转盘Ⅰ的轴心之间的距离。采用该优选方案后，每完成一根原料晶体棒的区熔提纯后，只需要转盘Ⅰ旋转一定的角度即可使下一个籽晶与下轴的轴线对准(也即是与原料晶体棒对准)，以便进行下一根原料晶体棒的区熔提纯。

优选的，籽晶安装装置包括角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ，角度调节台Ⅱ上部设置有籽晶夹具。角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ能够分别向两个不同的方向旋转，从而实现旋转籽晶夹具上固定的籽晶，调整籽晶朝向正上方的方向。籽晶朝向正上方的方向决定了单晶棒轴向的晶体取向，因而该优选方案可以用于生产不同取向的单晶棒。

进一步优选的，角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ的角度调节轴的方向互相垂直。该优选方案中，角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ的转动方向相互垂直，方便通过晶体学的方法计算对于目标取向的单晶棒需要将籽晶转动多少角度。

优选的，保温室中设置有限位夹，所述限位夹通过伸缩杆连接在保温室的侧壁上。限位夹用于限定晶体棒的运动方向，减少发生晶体棒脱落等生产事故的可能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.采用本技术方案能够实现一次抽真空进行多根原料晶体棒的区熔提纯，避免了频繁的抽真空，从而降低了能耗和惰性气体的消耗，节约了成本。且节约了抽真空的时间，提高了生产的效率。

2.原料切换装置和产品拾取装置的设置方便控制和操作，有利于生产效率的进一步提高。

3.每完成一根原料晶体棒的区熔提纯后，只需要转盘Ⅰ旋转一定的角度即可使下一个籽晶与下轴的轴线对准(也即是与原料晶体棒对准)，以便进行下一根原料晶体棒的区熔提纯。

4.角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ能够分别向两个不同的方向旋转，从而实现旋转籽晶夹具上固定的籽晶，调整籽晶朝向正上方的方向。籽晶朝向正上方的方向决定了单晶棒轴向的晶体取向，因而设置角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ能够用于生产不同取向的单晶棒。

5.角度调节台Ⅰ和角度调节台Ⅱ的转动方向相互垂直，方便通过晶体学的方法计算对于目标取向的单晶棒需要将籽晶转动多少角度。

6.限位夹用于限定晶体棒的运动方向，减少发生晶体棒脱落等生产事故的可能。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型进行区熔提纯时的结构示意图；

图2是本实用新型进行原料晶体棒的安装和产品晶体棒的夹取时的结构示意图；

图3是本实用新型中转盘Ⅰ的俯视图；

图4是本实用新型中转盘Ⅲ的俯视图；

图5是本实用新型中转盘Ⅱ的俯视图。

其中：1-炉室，2-上轴，3-原料区，4-熔融区，5-加热线圈，6-单晶区，7-籽晶，8-籽晶夹具，9-角度调节台Ⅱ，10-角度调节台Ⅰ，11-下轴，12-保温室，13-转盘Ⅰ，14-夹持装置Ⅱ，15-产品存储室，16-转盘Ⅲ，17-转轴Ⅱ，18-电机Ⅱ，19-原料切换室，20-原料晶体棒，21-转盘Ⅱ，22-夹持装置Ⅰ，23-转轴Ⅰ，24-电机Ⅰ，25-限位夹，26-产品晶体棒。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1至图5对本实用新型作详细说明。

实施例1

一种连续生产的区熔炉，包括炉室1，炉室1顶部设置有上轴2，上轴2的末端设置有夹具。炉室1底部设置有保温室12，保温室12中设置有下轴11。上轴2和下轴11之间设置有加热线圈5。炉室1侧面设置有原料切换室19，原料切换室19中设置有用于更换上轴2上的原料晶体棒的原料切换装置；保温室12侧面设置有产品存储室15，产品存储室15中设置有用于取走保温室12中产品的产品拾取装置；所述下轴11顶端设置有转盘Ⅰ13，转盘Ⅰ13上设置有多个籽晶安装装置。炉室1、保温室12、原料切换室19和产品存储室15是相互连通的，因此抽真空和通入惰性气体的过程对上述四个腔室是同时进行的。

本实施例的工作过程为：预先在原料切换装置上装入多根原料晶体棒20，并在转盘Ⅰ13上装上相同数量的籽晶7。在抽真空、通入惰性气体后，原料切换装置将第一根原料晶体棒20装在上轴2末端的夹具上，开始对第一根原料晶体棒20进行区熔提纯，区熔过程中，原料晶体棒20的下部经过熔融提纯形成高纯度的单晶结构，此时的晶体棒从下至上由单晶区6、熔融区4和原料区3构成。完成后，利用产品拾取装置将保温室12中经过区熔工艺提纯的产品晶体棒26取走。然后原料切换装置将第二根原料晶体棒20装在上轴2末端的夹具上，转盘Ⅰ13将第二个籽晶7送至与第二根原料晶体棒20对应的位置，进行第二根原料晶体棒20的区熔提纯。重复上述过程，直至原料切换装置上所有的原料晶体棒20均完成区熔提纯，并被产品拾取装置转移到产品存储室15中。降真空后，从产品存储室15中一次取出所有的产品晶体棒26。

实施例2

在实施例1的基础上，原料切换装置包括平行设置的转盘Ⅱ21，所述转盘Ⅱ21的侧面通过伸缩杆连接有多个夹持装置Ⅰ22。原料切换室19顶部设置有电机Ⅰ24，电机Ⅰ24通过转轴Ⅰ23与转盘Ⅱ21连接。夹持装置Ⅰ22夹持原料晶体棒20，成一圈围绕在转盘Ⅱ21周围，在向上轴2输送原料晶体棒20时，转盘Ⅱ21转动使对应的夹持装置Ⅰ22朝向上轴2的位置，并通过对应的伸缩杆伸长将夹持装置Ⅰ22上的原料晶体棒20送至上轴2下方，然后上轴2下降至合适的位置，上轴2末端的夹具夹住原料晶体棒20，夹持装置Ⅰ22松开原料晶体棒20即可完成原料晶体棒20的输送。

产品拾取装置包括平行设置的转盘Ⅲ16，所述转盘Ⅲ16的侧面通过伸缩杆连接有多个夹持装置Ⅱ14。产品存储室15顶部设置有电机Ⅱ18，电机Ⅱ18通过转轴Ⅱ17与转盘Ⅲ16连接。在完成一根原料晶体棒20的区熔提纯形成产品晶体棒26后，一个夹持装置Ⅱ14通过伸缩杆送至保温室12中并夹取产品晶体棒26。夹取产品晶体棒26后，伸缩杆收回使夹持有产品晶体棒26的夹持装置Ⅱ14回到转盘Ⅲ16旁，然后转盘Ⅲ16转动使下一个未夹持产品晶体棒26的夹持装置Ⅱ14朝向保温室12，以备下一次产品的夹取操作。

本实施例中所用的夹持装置Ⅰ22和夹持装置Ⅱ14的结构选用现有技术中常用的工业机器人夹具，其优点是方便自动化控制。此外夹持装置Ⅰ22和夹持装置Ⅱ14分别与原料晶体棒20和产品晶体棒26贴合的部位应设置为圆弧状，避免尖锐的形状划伤原料晶体棒20和产品晶体棒26的表面。

实施例3

在实施例1的基础上，籽晶安装装置以转盘Ⅰ13的轴心为中心对称设置，所述下轴11的轴心与转盘Ⅰ13的轴心之间的距离等于籽晶安装装置与转盘Ⅰ13的轴心之间的距离。

所述籽晶安装装置包括角度调节台Ⅰ10和角度调节台Ⅱ9，角度调节台Ⅱ9上部设置有籽晶夹具8。角度调节台Ⅰ10和角度调节台Ⅱ10的角度调节轴的方向互相垂直。

本实施例能够通过在两个方向上旋转籽晶7，使得籽晶7具有特定的取向，从而生产出轴向具有特定取向的产品晶体棒26。

实施例4

在实施例1的基础上，保温室12中设置有限位夹25，所述限位夹25通过伸缩杆连接在保温室12的侧壁上。限位夹25用于限定晶体棒的运动方向，减少发生晶体棒脱落等生产事故的可能。本实施例中所用的限位夹25的结构与现有技术中常用的工业机器人夹具结构一致。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种连续生产的区熔炉，包括炉室(1)，炉室(1)顶部设置有上轴(2)，上轴(2)的末端设置有夹具，炉室(1)底部设置有保温室(12)，保温室(12)中设置有下轴(11)，其特征在于：炉室(1)侧面设置有原料切换室(19)，原料切换室(19)中设置有用于更换上轴(2)上的原料晶体棒的原料切换装置；保温室(12)侧面设置有产品存储室(15)，产品存储室(15)中设置有用于取走保温室(12)中产品的产品拾取装置；所述下轴(11)顶端设置有转盘Ⅰ(13)，转盘Ⅰ(13)上设置有多个籽晶安装装置。

2.按照权利要求1所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：所述原料切换装置包括平行设置的转盘Ⅱ(21)，所述转盘Ⅱ(21)的侧面通过伸缩杆连接有多个夹持装置Ⅰ(22)。

3.按照权利要求2所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：原料切换室(19)顶部设置有电机Ⅰ(24)，电机Ⅰ(24)通过转轴Ⅰ(23)与转盘Ⅱ(21)连接。

4.按照权利要求1所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：所述产品拾取装置包括平行设置的转盘Ⅲ(16)，所述转盘Ⅲ(16)的侧面通过伸缩杆连接有多个夹持装置Ⅱ(14)。

5.按照权利要求4所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：产品存储室(15)顶部设置有电机Ⅱ(18)，电机Ⅱ(18)通过转轴Ⅱ(17)与转盘Ⅲ(16)连接。

6.按照权利要求1所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：所述籽晶安装装置以转盘Ⅰ(13)的轴心为中心对称设置，所述下轴(11)的轴心与转盘Ⅰ(13)的轴心之间的距离等于籽晶安装装置与转盘Ⅰ(13)的轴心之间的距离。

7.按照权利要求1或6所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：所述籽晶安装装置包括角度调节台Ⅰ(10)和角度调节台Ⅱ(9)，角度调节台Ⅱ(9)上部设置有籽晶夹具(8)。

8.按照权利要求7所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：角度调节台Ⅰ(10)和角度调节台Ⅱ(9)的角度调节轴的方向互相垂直。

9.按照权利要求1所述的一种连续生产的区熔炉，其特征在于：所述保温室(12)中设置有限位夹(25)，所述限位夹(25)通过伸缩杆连接在保温室(12)的侧壁上。