CN212451169U - 大尺寸石英坩埚熔制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大尺寸石英坩埚熔制设备，利用电弧加热、离心真空成型的方法烧制石英坩埚，成品尺寸达到28寸以上，最大可熔制36寸石英坩埚产品，突破了多项传统坩埚熔制设备在制作大尺寸石英坩埚中遇到的工艺瓶颈，对石英坩埚制造行业及我国单晶、多晶硅制造行业均具有巨大的推动作用。

Description

大尺寸石英坩埚熔制设备

技术领域

本实用新型涉及石英坩埚熔制技术领域。

背景技术

目前国内绝大多数石英坩埚生产制造企业所采用的设备及工艺、技术均为上世纪70、80年代我国从国外引进的相关技术，由于近年来我国光伏及半导体行业的飞速发展，作为这两个行业的生产制造基础材料的石英坩埚行业对于28寸大尺寸以上石英坩埚产品的需求量也日益增长，多年来利用传统工艺、设备制作大尺寸石英坩埚存在诸多技术瓶颈，制造周期长、成本高、设备稳定性较差、成品率低、32寸以上产品无法制作等等。基于行业及市场需求导向的大环境，突破传统工艺设备思想禁锢已迫在眉睫。

发明内容

本实用新型所解决的技术问题是提供一种较为先进的，稳定性、自动化程度较高的，适合大尺寸石英坩埚制作的大尺寸石英坩埚熔制设备。

本实用新型采用的技术方案是一种大尺寸石英坩埚熔制设备,包括电极通电加热部分、隔热冷却系统和坩埚旋转成型部分，坩埚旋转成型部分的真空系统管路采用对接开闭方式，成型模具上的回路接口和移动式真空管路接头相适配，真空管路接头受动力部件驱动前后移动，真空管路接头连通于抽真空设备。

真空管路接头安装在真空对接法兰上，真空对接法兰受气缸驱动前后运动实现真空回路的接通和断开，真空对接法兰前后运动受导向机构的导引。

还包括水套模具行走机构，水套模具行走机构包括伺服驱动机构、传动机构和行走机构，行走机构包括互相适配的V型导轨和V型行走轮，传动机构驱动两侧的V型行走轮沿V型导轨移动。

V型导轨在水套模具行走机构下方两端各设一条，V型导轨安装在导轨预埋件上。

电极通电加热部分包括六支石墨电极，每个石墨电极都各自由一个电动升降驱动机构控制上下升降，电极由电极夹持机构夹紧并固定，电极夹持机构在动力装置的驱动下，沿导向机构上下移动。

电极和电极夹持机构之间设有绝缘材料。

所述隔热冷却系统包括遮热水冷板，遮热水冷板上设有用于电极穿过的长孔，长孔上设有遮挡机构，遮挡机构包括上下堆叠的至少两层滑动隔热块，每层滑动隔热块上均设有通孔用于电极穿过，当电极位于长孔两端的任意一处的状态下，最下层滑动隔热块均将长孔完全覆盖。

滑动隔热块的通孔和电极保持间隙，滑动隔热块为陶瓷材料。

滑动隔热块的面积由下至上逐渐缩小。

遮热水冷板上还连接有遮热板升降机构，采用丝杆升降机组驱动遮热水冷板上下升降，丝杠上设有防护套。

本实用新型的有益效果是，作为制作大尺寸石英坩埚专用设备，利用电弧加热、离心真空成型的方法烧制石英坩埚，成品尺寸达到28寸以上，最大可熔制36寸石英坩埚产品，突破了多项传统坩埚熔制设备在制作大尺寸石英坩埚中遇到的工艺瓶颈，对石英坩埚制造行业及我国单晶、多晶硅制造行业均具有巨大的推动作用。

附图说明

图1为本实用新型的大尺寸石英坩埚熔制设备总体结构示意图。

图2为六支电极通电加热机构。

图3为单支电极自动升降机构。

图4为真空系统管路对接机构。

图5为水套模具行走机构。

图6为水冷板长孔遮挡机构。

图7为遮热板升降机构示意图。

图中标记为：电极通电加热部10，隔热冷却系统20，坩埚旋转成型部分30，电极开闭机构1，遮热机构2，通电电极3，石墨电极4,电动升降驱动机构31，导向机构32，绝缘层33，电池夹持机构34，电极35，回转摆杆37,固定转座38,上支架11，下支架12。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1所示为本实用新型的大尺寸石英坩埚熔制设备。设备的工作原理：基于石英坩埚熔制的基本工艺流程，高纯石英砂装入旋转模具中，利用离心力成型，电极通电加热部分10六支电极通电后形成稳定高温电弧，通过自动程序控制，完成对模具中石英砂的加热过程，坩埚旋转成型部分30通过真空系统控制坩埚的成型状态，加热结束后，经冷却脱模得到熔制成型的大尺寸石英坩埚毛坯，待模具完全冷却后再次加入石英砂，如此完成整个熔制工作循环。现有技术熔制设备电极通电加热部分10与坩埚旋转成型部分30同处于一个熔制空间进行坩埚熔制，熔制环境与设备环境无明显分离。本申请的设备突破传统设计思路将这两部分机构设计在两独立空间，通过隔热冷却系统20将两部分进行充分空间隔离，不仅避免了电极通电加热部分10的机械结构受高温电弧光辐射影响造成过热损坏，更能提高熔制环境及设备的清洁度，熔制成功率得以大幅度提升。

如图2所示，本实用新型的电极通电加热部分采用六支电极35均具有升降开闭动作的机械结构，电极的开闭受电极开闭机构1控制，电极开闭机构1包括上支架11和下支架12，每个电极都由一个电极夹持机构34所夹持，每个电极夹持机构上都铰接有回转摆杆37和固定转座38，六个回转摆杆37与上支架11相铰接，六个固定转座38与下支架12固定连接，通电电极3下端向下穿过遮热机构上的长条孔并向中心聚拢。当上支架11和下支架12之间距离缩短，六个电极的回转摆杆37带动电极夹持机构34以固定转座为轴旋转，电极末端向中心收拢闭合，反之上支架11和下支架12之间距离加大，电极末端张开。电极包括上端的通电电极3和下端的石墨电极4两部分。相比传统三支电极加热的方式六支电极形成电弧热辐射范围更大，热量提供更高，理论上同比增长30％左右，生产同规格产品相比传统设备耗电量减少10％左右，更加节省制造成本，并且根据不同尺寸产品的不同工艺要求可对电极安装数量及尺寸可进行调整，尤其为生产大尺寸坩埚提供了更加高效、稳定、可靠的原料加热方式，并为石英坩埚生产企业进一步优化制造成本及制作工艺提供了有力保证。

如图3所示，每个单支电极具有自动升降功能，电动升降驱动机构31采用伺服电机驱动电极进行上下升降，升降过程中设计有导向机构32保证升降过程的精准和稳定性，并且设计采用上下两位置电极夹持机构34，其中上夹持臂41和下夹持臂42之间保持一定距离，更加确保了电极方向的精准性，避免出现由于电极振动引起的断弧、弧光不稳定等现象。电极夹持机构34和电极35之间设有绝缘部件，对于大尺寸坩埚生产过程中出现的电极烧损程度不一致的情况，可实现电极的自动补偿，每个电极单独升降可以弥补烧损程度不一致带来的偏差，使电话热辐射状况一直保持稳定。

如图4所示，真空系统管路系统采用对接开闭方式，机构简单稳定可靠。真空管路57连接于可前后移动的真空管路接头52上，气缸54驱动真空对接法兰55前后运动实现成型模具51抽真空回路的联通与断开，真空对接法兰55前后运动通过导向机构53导柱、导套结构保证对接稳定可靠。断开状态下，成型模具51可以脱离抽真空管路进出熔制室。连通状态下，真空管路接头52通过气缸54和真空对接法兰55可以保证抽连接处的高密封性、反复对接的稳定可靠性。

如图5所示，水套模具采用伺服驱动系统62，行走方式采用伺服驱动系统62、驱动齿轮齿条65作为驱动方式，其导向性及位置精度的控制性都相比传统设备链条牵引驱动方式更加可靠、稳定、精确，采用V型导轨610配合V型行走轮61相比过去设备方槽型轮行走方式具有清理方便，免维护的优点。伺服驱动机构62所在一侧为V型行走轮，伺服驱动机构62通过联轴器63、、传动轴64、驱动齿轮齿条65带动另一侧的行走轮66，行走轮66采用普通方槽型轮，一条V型导轨一条普通导轨的配合，使得整个设备的行走精度由V型导轨610和V型行走轮61决定，两条导轨安装的形位公差要求低，也避免了两个导轨之间的的导向干涉。还设有停车缓冲装置67，为行走装置的提供定位、缓冲作用，安装支座68为上部装置提供支撑、安装定位作用。

如图6所示，隔热冷却系统的遮热水冷板长孔与传统机构有很大改进，传统熔制设备电极处遮热板均设计有长孔，长孔的设计目的在于为电极的移动提供一定的自由度，因此长孔呈长条状，长度比电极直径大很多，熔制过程中产生的电极挥发物及电弧散发的热辐射均会从长孔向上窜出，进而对电极开闭机构1造成伤害。本申请的具有开合功能的遮挡机构装在设备电极下方的遮热水冷板23上，遮挡机构随着电极35一同动作，在滑动过程中可对长孔起到遮挡作用。有效降低大尺寸坩埚熔制过程中挥发物及电弧热量对设备的伤害，同时也不限制或干扰电极的移动。遮挡机构包括上下堆叠的多层滑动隔热块，每层滑动隔热块上均设有通孔用于电极穿过，并随着电极移动。滑动隔热块采用石英及陶瓷材料制造，优选方案为滑动绝缘陶瓷板24，因为其绝缘、耐高温、表面光滑摩擦力小，也可以采用其它满足隔热、表面光滑等要求的材料。

当电极开闭机构1进行升降及开闭动作时，电极35会在遮热水冷板上的长孔内移动，滑动绝缘陶瓷板24随着电极35一同在遮热水冷板上移动，整个遮挡机构22采用多层堆叠形式，无论电极移动到长孔哪个位置，至少其最下层的滑动绝缘陶瓷板24要能遮盖住长孔，在滑动过程中可对长孔起到遮挡作用。其中滑动隔热块的通孔和电极保持一定间隙，以方便电极相对于滑动绝缘陶瓷板24的灵活移动。多层堆叠，不但隔热性增强，而且每层滑动绝缘陶瓷板24水平方向可以自由滑动，时刻跟随电极移动，当电极角度有所变化，各层随电极角度变化而横向相对位置发生变化，不会对电极平移、转动造成任何阻碍，而且每层滑动绝缘陶瓷板与电极之间都保持较小间隙，一直保持良好的隔热效果。其中滑动绝缘陶瓷板4的面积由下至上逐层缩小，是为了减少下层滑动绝缘陶瓷板4之间的压力和摩擦阻力，保证每层滑动绝缘陶瓷板4之间滑动流畅性。

图7所示为遮热板升降机构，为满足生产不同规格大尺寸坩埚熔制工艺对于遮热板高度的不同要求，遮热水冷板23需要上下移动的幅度会变得更大，遮热板升降机构采用加丝杆防护套76的丝杆升降机组72驱动遮热水冷板23上下自动升降的形式，可以充分丝杆升降机组72较传统普通电机驱动方式控制精度高、更加稳定、可靠。

本申请的坩埚熔制设备自动化程度更高，生产熔制过程可实现除装料、出埚外全部自动化控制，大幅度降低劳动强度，提升产品生产质量的稳定性。

Claims (10)

1.大尺寸石英坩埚熔制设备,包括电极通电加热部分、隔热冷却系统和坩埚旋转成型部分，其特征在于：坩埚旋转成型部分的真空系统管路采用对接开闭方式，成型模具上的回路接口和移动式真空管路接头相适配，真空管路接头受动力部件驱动前后移动实现真空回路的接通和断开，真空管路接头连通于抽真空设备。

2.如权利要求1所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：真空管路接头安装在真空对接法兰上，真空对接法兰受气缸驱动前后运动，真空对接法兰前后运动受导向机构的导引。

3.如权利要求1所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：还包括水套模具行走机构，水套模具行走机构包括伺服驱动机构、传动机构和行走机构，行走机构包括互相适配的V型导轨和V型行走轮，传动机构驱动两侧的V型行走轮沿V型导轨移动。

4.如权利要求3所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：V型导轨在水套模具行走机构下方两端各设一条，V型导轨安装在导轨预埋件上。

5.如权利要求1所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：电极通电加热部分包括六支石墨电极，每个石墨电极都各自由一个电动升降驱动机构控制上下升降，电极由电极夹持机构夹紧并固定，电极夹持机构在动力装置的驱动下，沿导向机构上下移动。

6.如权利要求5所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：电极和电极夹持机构之间设有绝缘材料。

7.如权利要求1所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：所述隔热冷却系统包括遮热水冷板，遮热水冷板上设有用于电极穿过的长孔，长孔上设有遮挡机构，遮挡机构包括上下堆叠的至少两层滑动隔热块，每层滑动隔热块上均设有通孔用于电极穿过，当电极位于长孔两端的任意一处的状态下，最下层滑动隔热块均将长孔完全覆盖。

8.如权利要求7所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：滑动隔热块的通孔和电极保持间隙，滑动隔热块为陶瓷材料。

9.如权利要求7所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：滑动隔热块的面积由下至上逐渐缩小。

10.如权利要求7所述的大尺寸石英坩埚熔制设备，其特征在于：遮热水冷板上还连接有遮热板升降机构，采用丝杆升降机组驱动遮热水冷板上下升降，丝杠上设有防护套。

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