CN218860570U - 一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉，包括；炉体，设有炉壁、与炉壁一体成型的炉底和可推拉的炉门；料盘，滑动设于炉体内部，与炉门下部固定连接；其中，料盘用于放置半导体石英玻璃；炉壁内侧间隔安装多组加热带，用于提供石英玻璃脱羟的高温环境；炉体与冷却组件连接，用于对炉体内部温度的循环冷却；炉体与真空系统连接，用于提供石英玻璃脱羟的真空环境。本发明达到脱羟大直径半导体石英玻璃的能力要求，在半导体领域能够更快更好的发展起到基础作用，同时改进后的脱羟炉更加节能，使用更加便捷，性能更加稳定。

Description

一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉

技术领域

本发明涉及石英制备技术领域，具体地涉及一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉。

背景技术

现有技术中，脱羟石英玻璃用的脱羟炉只具备脱光源级别产品及太阳能级别产品的能力。其炉体真空性能，脱羟后产品纯度情况及恒温均匀性均达不到脱羟高端半导体产品要求。特别是针对现阶段的大尺寸的半导体产品，现有的脱羟炉无法满足要求。

发明内容

为解决上述提出的技术问题，本发明提供了一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉，通过对设备的炉内材质、结构、加热系统、冷却系统及真空系统的改进，增加了炉内空间，达到脱羟大直径半导体石英玻璃的能力要求，在半导体领域能够更快更好的发展，起到基础作用，同时改进后的脱羟炉更加节能，使用更加便捷，性能更加稳定。

本发明提供了一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉，包括；炉体，设有炉壁、与炉壁一体成型的炉底和可推拉的炉门；料盘，滑动设于炉体内部，与炉门下部固定连接；其中，料盘用于放置半导体石英玻璃；炉壁内侧间隔安装多组加热带，用于提供石英玻璃脱羟的高温环境；炉体与冷却组件连接，用于对炉体内部温度的循环冷却；炉体与真空系统连接，用于提供石英玻璃脱羟的真空环境。

进一步的，炉壁内侧均匀设置加热区域；加热带安装于加热区域，用于加热炉内温度且保持不同加热区域之间的温差≤5℃。

进一步的，加热带通过石墨电极进行供电，石墨电极贯穿炉壁与加热带连接。

进一步的，炉体设有保温风门，分为出风保温风门和进风保温风门；冷却组件包括风机和与风机连接的热交换器，用于炉体内部温度的循环冷却；其中，热交换器的出风口通过保温管道与进风保温风门连接，热交换器的进风口通过输气管道与出风保温风门连接。

进一步的，真空系统包括分子增压泵、直联旋片泵和罗茨泵，通过传递式抽真空维持炉体内部的真空度达到10^-4Pa-10^-5Pa。

进一步的，炉门设有锁紧装置，与炉壁端面配合，实现对炉体的封闭。

进一步的，炉壁底部设有滑轨，与设于料盘底部的滑轮滑动配合，实现料盘滑动进出炉体。

进一步的，炉门外侧设有驱动装置，驱动装置电性连接滑轮，驱动滑轮带动炉门及料盘滑动。

进一步的，炉体外侧设有与料盘底部配合的可伸缩的支撑装置；支撑装置的顶板设有与滑轮配合的轨道，顶板下方设有可伸缩的支撑柱，用于对滑出的料盘进行支撑。

进一步的，炉壁内部为高纯石墨内胆，石墨的灰分≤20PPM。

采用本脱羟炉具有以下技术效果：

密闭的炉体保证了半导体石英玻璃制品能在一个密封洁净的环境中进行脱羟，内层高纯石墨的使用保证了制品的纯度要求；

采用外循环冷却系统，保证了设备在高温状态下的使用寿命，同时减少了冷却时间，提高了炉内空间，更加适应大尺寸半导体石英玻璃制品的脱羟；

采用递进式真空系统，提供高真空环境，满足脱羟的要求；

采用多组加热带、石墨电机及直流电源的电气控制加热系统，保证了整个设备的电力稳定及加热稳定性，在炉内空间增加一倍后，保持各加热区域的温差在5℃以下，可通过高温有效去除石英玻璃制品的羟基，满足半导体制品的要求；脱羟炉内的半导体石英玻璃制品受热均匀，热稳定性好，避免了石英玻璃制品在温差较大的环境下而引发的变形，保证了脱羟环境。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1是本实施例的脱羟炉的结构图；

图2是本实施例的脱羟炉的炉门打开后的结构图；

图3是本实施例的脱羟炉作业时的内部切面图；

图4是本实施例的现有脱羟炉内部的冷却循环管道示意图；

其中，图1-4中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

11炉壁，12炉底，13炉门，14锁紧装置，15滑轨，16保温风门；

20料盘，21滑轮，22搁物架；

30半导体石英玻璃制品；

41加热带，42石墨电极，43直流电源；

50冷却系统，51风机，52热交换器，53保温管道，54输气管道；

60真空系统，61真空阀；

70驱动装置；

81顶板，82支撑柱；

90台车。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参照图1和图2来描述本发明提供的一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉，包括；炉体，设有炉壁11、与炉壁11一体成型的炉底12和可推拉的炉门13；料盘20，滑动设于炉体内部，与炉门13下部固定连接；其中，料盘20用于放置半导体石英玻璃30；炉壁11内侧间隔安装多组加热带41，用于提供石英玻璃脱羟的高温环境；炉体与冷却组件50连接，用于对炉体10内部温度的循环冷却；炉体与真空系统60连接，用于提供石英玻璃脱羟的真空环境。本公开将原有脱羟炉在母材进出炉时采用炉门和炉底均可打开的对开门结构，改为炉底固定炉门可推拉的单开门轨道结构，不但提高了使用效率，在炉体加热及恒温过程中保温性能更好，在实际作业时，其较之前的结构节省近10％能耗。

在此实施例中，炉壁11采用三层结构，外层是不锈钢壳体(双层，中空处为循环冷却水，70mm)，内层是石墨内胆(10mm)，中间设有保温层(50mm)，将原有的脱羟炉内部空间增加了一倍，因炉内空间的增大，适应于大直径管棒的脱羟。由于大直径的半导体石英玻璃管棒对脱羟过程要求的特殊性，因此在炉体材质、内部结构、加热系统、冷却系统以及真空系统方面进行了改进，使其能够满足大直径半导体石英玻璃管棒的脱羟要求。

在上述实施例中，炉壁11内侧均匀设置加热区域；加热带41安装于加热区域，用于加热炉内温度且保持不同加热区域之间的温差≤5℃。加热带41是由电热材料和绝缘材料等组成的柔性加热带；炉壁11内侧划分成均匀设置的圆环状加热区域，每个加热区域之间独立不连接，将加热带41安装在加热区域内，将加热带41的两端处汇合到炉壁11顶部，便于与炉壁11外侧的电极相连。因加热空间的增加，如采用原脱羟炉内的三区或四区的加热，并不能使炉内温度均衡，不利于脱羟过程，因此将其改为六区加热或是八区加热，均匀设置在炉壁上，同时进行加热，使炉内整体温度均衡，使加热系统更加稳定，保持区与区之间的温差在5℃以下，从而提高热均匀性，提高半导体石英玻璃管棒的脱羟纯度。

在上述实施例中，加热带41通过石墨电极42进行供电，石墨电极42贯穿炉壁11与加热带41连接。每个加热带41单独设置一组石墨电极42，增加电极数量，降低加热电极电流大小，避免因电流过大产生打火，石墨电极42与加热带41端部进行连接固定；石墨电极42通过钼电极与直流电源43连接。采用直流电源43对每个加热带41进行单独的加热，提高了加热效率，同时也保证了加热系统的稳定性，从而有效保证了炉内温度的均匀性。采用石墨电极和钼电极取代原加热系统的铜电极，具有较高的高温强度、抗氧化性，有效提高了加热电极的使用寿命。因电极打火是目前脱羟炉易发生故障的主要原因之一，对设备正常运行及产品质量影响很大，因此将石墨电极和钼电极的对接方式由原始的电极插槽式改为双螺纹连接方式，避免电极间接触不良而发生打火，提高了电极热稳定性。同时将三相交流电源替换为单相直流电源，既提高了加热系统的稳定性，又能起到节能环保的效果。通过分区设置加热带41、加热带41与石墨电极42对应设置、石墨电极42通过钼电极与直流电源43连接的加热系统，这一系列改进均是为了保证加热的稳定性，从而保持炉内的温度均匀性，此温度均匀性是脱羟过程的一个重要指标，在此指标的基础上，才能保证脱羟的有效性。加热系统采用单相整流，通过IGBT整理后进行变压器降压处理，形成低电压大电流直流输出，保证使用安全，减少无功功率损耗，提高有功功率，节省安装无功功率补偿装置，提高电网质量。

在上述实施例中，炉体设有保温风门16，分为出风保温风门和进风保温风门；冷却组件50包括风机51和与风机51连接的热交换器52，用于炉体内部温度的循环冷却；其中，热交换器52的出风口通过保温管道53与进风保温风门连接，热交换器52的进风口通过输气管道54与出风保温风门连接。出风保温风门设置在炉底12的下部，进风保温风门设置在炉壁11上侧的靠近炉底12的一侧。启动风机时开启保温风门16，在加热过程中，关闭保温风门16封闭炉体，保持炉内温度的稳定性，在加热脱羟后，打开保温风门16进行循环冷却处理。热空气穿过输气管道54进入热交换器52进行冷热交换后，通过保温管道53从进风保温风门进入炉内，进行炉内温度的降温。保温管道53的使用是为了保持其冷度，避免与空气发生热交换，节能环保。

现有脱羟炉均采用的是内循环快冷模式，如图4所示，即在炉壁内设置一定厚度的冷却用循环管道，让冷热气均在炉壁内进行循环后，再与设置在炉外的热交换器连接，进行冷热交换实现炉内温度的降温。这种设计，就变向占用了大量的炉内空间。本公开将内循环快冷模式改为外循环快冷模式，直接在炉壁上设置保温风门16，通过外置的风机和热交换器，将炉内空间进行循环，不再占用炉壁的空间，从而扩大了作业空间，满足现阶段大直径大尺寸半导体石英玻璃制品的脱羟要求，同时也提高了生产效率。同时原有内循环快冷模式需要在加热后自然冷却至600℃时才能进行冷却，而采用外循环快冷模式可在自然冷却至1000℃时就可进行冷却，减少了冷却前的等待时间，提高了设备利用率。采用外置双风道的冷却系统，因其管道外置，风机、热交换器外置，相较以前的在炉壁内设置循环空间的内循环，更便于维修和保养。

在上述实施例中，真空系统60包括分子增压泵、直联旋片泵和罗茨泵，通过传递式抽真空，维持炉体内部的真空度达到10^-4Pa-10^-5Pa。采用分子增压泵、直联旋片泵和罗茨泵组成的三级真空系统，进行传递式抽真空，使真空系统更加稳定和高效，且通过此改进，可以进行连续抽真空的运行时间提升至100小时以上，如此长的工作时间正好满足半导体石英玻璃管棒在脱羟过程中对脱羟时间较长的要求，其是普通石英玻璃管棒脱羟时间的6-12倍。原有真空系统改进前是采用同时运行抽真空方式，电能消耗很大，而本发明通过对原有真空系统的管路、真空泵及布局优化等进行技术改进，得到本发明的三级真空系统，采用传递式抽真空，直联旋片泵抽至10Pa后，关闭能耗较大的粗抽罗茨泵系统，开启能耗较少的精抽分子增压泵系统。该改进后的真空系统在使用后与原有真空系统相较，每年节约用电5万度/炉，大大节省了能源消耗。

在此实施例中，如图1所示，在炉底12中部设置真空阀61，真空阀61为高真空阀，符合高真空技术要求，通过真空管道与真空系统60连接；真空系统60依次为分子增压泵、精抽直联旋片泵、罗茨泵和粗抽直联旋片泵；分子增压泵通过真空阀、螺纹管与精抽直联旋片泵连接；精抽直联旋片泵通过真空阀、螺纹管与罗茨泵连接，罗茨泵通过真空阀、螺纹管与粗抽直联旋片泵连接；具体的，高真空阀采用GDQJ200/250P；分子增压泵采用MDP1200；直联旋片泵采用2xz-18。

在上述实施例中，炉门13设有锁紧装置14，与炉壁11端面配合，实现对炉体的封闭。锁紧装置14可采用气动锁紧装置，其包括锁头和锁座，锁头安装在炉门13，由气缸控制锁头的运动；锁座安装在炉壁11端面上，待炉门13贴合炉壁11端面后，气缸气动，将锁头推进锁座进行锁死；待需要打开时，气缸泄气，锁头从锁座离开打开炉门13。锁紧装置14也可设置为电磁锁紧装置，根据需要设置多组，对称安装在炉门13和炉壁11上，炉门13和炉壁11的端面处均安装有密封条，保证在关闭炉门13时，炉内时密封空间。

在上述实施例中，炉壁11底部设有滑轨15，与设于料盘20底部的滑轮21滑动配合，实现料盘20滑动进出炉体。炉门13外侧设有驱动装置70，驱动装置70电性连接滑轮21，驱动滑轮21带动炉门13及料盘20滑动。为了便于半导体石英玻璃制品的更换，将原先采用对开门结构改换为单开门轨道结构。对开门结构是炉门13和炉底12均能打开，适用于一般的石英玻璃产品，一般的石英玻璃产品长度较短，可在两门同时进行装卸。单开门轨道结构是将炉门13整体拉出，因炉门13与料盘20固定安装，在炉门13拉开的同时连同料盘20一起拉出，通过叉车将已放置好多个半导体石英玻璃制品的搁物架22放置到料盘20上，将炉门13推进炉内即可，省时省力。驱动装置70外置于脱羟炉，电性连接滑轮21，驱动滑轮21在滑轨15上滑动前进后退，以实现料盘20进出炉体。炉门13外侧连接台车90，驱动装置70放置到台车上，利用台车90将炉门13拉开，无需多人参与，实现设备的自动化。同时采用单开门轨道结构且结合锁紧装置，不但提高了操作效率，较之前的双开门结构在进出炉速率上提升了20％-30％，同时在炉内加热及恒温过程中实现更好的密封性和保温性，相较以前的双开门结构节省了近10％-15％的能源。

在上述实施例中，炉体外侧设有与料盘20底部配合的可伸缩的支撑装置；支撑装置的顶板81设有与滑轮21配合的轨道，顶板81下方设有可伸缩的支撑柱82，用于对滑出的料盘20进行支撑。料盘20上放置半导体石英玻璃制品的搁物架22，搁物架可根据半导体石英玻璃制品的长度和数量进行设计，可为框架式，如图3所示，在起到支撑搁物的作用的同时，尽量保持炉内空间相通，满足冷热气的快速流转。当炉门13拉开，带动料盘20一起离开炉内时，因置物架22和料盘20自身的重力，此时需要在料盘20底部设置支撑装置，以保证料盘20可平稳的移出，增加设备的安全性。在作业中，脱羟炉安装于安装床或是地面，支撑装置内嵌于靠近脱羟炉的炉门一侧的安装床或是地面，具体的，支撑柱82采用伸缩气缸，内嵌在安装床或是地面内部，且支撑柱82底部固定在安装床或是地面。其中顶板81底部安装在支撑柱82的顶端，顶板81顶端设有与滑轮21配合的轨道，通过顶起的支撑柱82将顶板81顶起，到达料盘20底部，便于滑轮21在轨道上滑行，同时起到支撑料盘20的作用。支撑装置根据料盘20的长度设置多个，起到平稳支撑作用。当台车90越过支撑装置后，支撑装置的支撑柱81顶升，顶板81与滑轮21接触后停止顶升，起到支撑作用。

在上述实施例中，炉壁11内部为高纯石墨内胆，石墨的灰分≤20PPM。针对半导体级石英玻璃产品对其材料的纯度要求极高，对材料在使用过程的稳定性要求极高，改变了炉内加热材料及炉壁内胆材料，由之前的石墨的灰分为200PPM改为20PPM以下。内胆石墨纯度提升后，半导体级石英玻璃产品在高温过程中不会受到炉内挥发的杂质污染，保证了产品纯度。

使用上述的脱羟炉时，通过台车90将炉门13拉开，将放满半导体石英玻璃制品的搁物架22放置到料盘20上，通过台车90将炉门13关闭，启动锁紧装置14封闭炉体，启动真空系统进行抽真空，待真空度达到10^-4Pa-10^-5Pa时，启动加热系统进行加热，温度达到1000℃时停止加热，恒温保持2小时后，开启风机51，开启进风保温风门，输送氮气进行冷却，待氮气充满炉内时，开启出风保温风门，通过冷却系统进行快速冷却，冷却至100℃后开启炉门13，将搁物架22整体取出，换下一搁物架22进行脱羟。

本设计主要是针对现有的石英玻璃制品脱羟炉进行专门设计的适用于脱羟炉，在原有脱羟炉的基础上增加了炉内空间，由原来的4支/炉(炉内空间同时进行4支外径为430mm的半导体石英玻璃管棒)提升到9支/炉(炉内空间同时进行9支外径为430mm的半导体石英玻璃管棒)，如图3所示，提高了作业效率。

采用本脱羟炉具有以下技术效果：

密闭的炉体保证了半导体石英玻璃制品能在一个密封洁净的环境中进行脱羟，内层高纯石墨的使用保证了制品的纯度要求；

采用外循环冷却系统，保证了设备在高温状态下的使用寿命，同时减少了冷却时间，提高了炉内空间，更加适应大尺寸半导体石英玻璃制品的脱羟；

采用递进式真空系统，提供高真空环境，满足脱羟的要求；

采用多组加热带、石墨电机及直流电源的电气控制加热系统，保证了整个设备的电力稳定及加热稳定性，在炉内空间增加一倍后，保持各加热区域的温差在5℃以下，可通过高温有效去除石英玻璃制品的羟基，满足半导体制品的要求；脱羟炉内的半导体石英玻璃制品受热均匀，热稳定性好，避免了石英玻璃制品在温差较大的环境下而引发的变形，保证了脱羟环境。

在本发明说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本发明说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于半导体石英玻璃的脱羟炉，其特征在于，包括；

炉体，设有炉壁、与所述炉壁一体成型的炉底和可推拉的炉门；

料盘，滑动设于所述炉体内部，与所述炉门下部固定连接；

其中，

所述料盘用于放置半导体石英玻璃；

所述炉壁内侧间隔安装多组加热带，用于提供石英玻璃脱羟的高温环境；

所述炉体与冷却组件连接，用于对所述炉体内部温度的循环冷却；

所述炉体与真空系统连接，用于提供石英玻璃脱羟的真空环境。

2.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉壁内侧均匀设置加热区域；

所述加热带安装于所述加热区域，用于加热炉内温度且保持不同所述加热区域之间的温差≤5℃。

3.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述加热带通过石墨电极进行供电，所述石墨电极贯穿所述炉壁与所述加热带连接。

4.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉体设有保温风门，分为出风保温风门和进风保温风门；

所述冷却组件包括风机和与所述风机连接的热交换器，用于所述炉体内部温度的循环冷却；其中，

所述热交换器的出风口通过保温管道与所述进风保温风门连接，所述热交换器的进风口通过输气管道与所述出风保温风门连接。

5.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述真空系统包括分子增压泵、直联旋片泵和罗茨泵，通过传递式抽真空维持所述炉体内部的真空度达到10^-4Pa-10^-5Pa。

6.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉门设有锁紧装置，与所述炉壁端面配合，实现对所述炉体的封闭。

7.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉壁底部设有滑轨，与设于所述料盘底部的滑轮滑动配合，实现所述料盘滑动进出所述炉体。

8.根据权利要求7所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉门外侧设有驱动装置，所述驱动装置电性连接所述滑轮，驱动所述滑轮带动所述炉门及所述料盘滑动。

9.根据权利要求8所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉体外侧设有与所述料盘底部配合的可伸缩的支撑装置；

所述支撑装置的顶板设有与所述滑轮配合的轨道，所述顶板下方设有可伸缩的支撑柱，用于对滑出的所述料盘进行支撑。

10.根据权利要求1所述的脱羟炉，其特征在于，

所述炉壁内部为高纯石墨内胆，石墨的灰分≤20PPM。

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