區熔單晶爐下軸運動機構的製作方法

2023-11-06 01:52:57 1

專利名稱：區熔單晶爐下軸運動機構的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於非金屬晶體的製造設備，特別涉及一種區熔單晶爐的下軸運動機構。
背景技術：
矽材料是現代信息社會的基礎，它不僅是光伏發電等產業的主要功能材料，也是半導體產業，特別是電力電子器件的基礎材料。區熔法(FZ)生產單晶矽是區別於直拉爐(CZ)的一種新型的單晶生長方法，它利用高頻感應加熱線圈將高純度的多晶料局部融化，熔區依靠熔矽的表面張力和加熱線圈提供的磁託浮力而處於懸浮狀態，然後從熔區的下方利用籽晶將熔矽拉製成單晶。由於沒有坩堝汙染，區熔爐生長的單晶矽純度高，均勻性好，低微缺陷。特別是隨著國家對能源、交通、大規模集成電路等影響國民經濟發展的瓶頸行業的支持，對大電流的電力電子器件需要越來越大，要求也越來越高，要求矽單晶向大直徑、大投料量、高純度、高均勻性方向發展。由於區熔法生長單晶矽的熔區的特殊性，矽單晶的籽晶引晶、晶體生長和旋轉運動均由下軸系統提供，使 得區熔單晶爐對下軸旋轉升降的穩定性要求很高，下軸的輕微震動都可能對矽單晶質量造成影響，甚至造成溢流而損壞設備。特別是隨著拉制的單晶尺寸變大，區熔直徑變大，對下軸運動的要求更高。由於區熔爐下軸運動機構運動較為複雜，而且對穩定性要求較高，普通直拉單晶爐坩堝軸或者相類似的結構不能滿足區熔單晶爐生長的要求。文獻I (陳應鬥.FZ115型區熔爐的設計和特點.北京:有色金屬，1997，4:11-14)中公開了一種區熔爐下傳動機構，針對的是生產3-4英寸區熔單晶的小型區熔爐，其下軸行程只有1.3米，內、外軸升降運動分別由單獨的絲杆和託盤驅動。在區熔單晶生長的等徑過程中，內、外軸需同步升降和旋轉，該機構內外軸同步性只能靠兩組獨立運動的絲杆的同步性保證，易出現因意外造成內外軸升降不同步而導致熔區坍塌的情況。特別是隨著6-8英寸大直徑區熔單晶爐的發展，外軸行程的加長，該機構中內外軸的同心度及穩定性也難以保證。針對6-8英寸的大直徑區熔單晶爐的下軸機構尚未有見報導，實有必要開發一種用於區熔單晶爐的下軸運動機構。

實用新型內容本實用新型的主要目的在於克服現有技術中的不足，提供一種採用內、外軸聯動的形式，可實現外軸的旋轉和升降運動、內軸的升降運動和與外軸同步的旋轉運動的區熔單晶爐下軸運動機構。為解決上述技術問題，本實用新型的解決方案是:提供一種區熔單晶爐下軸運動機構，包括外軸，所述下軸運動機構還包括支撐框、驅動絲杆、絲杆驅動電機、驅動託盤、花鍵軸、花鍵軸驅動電機、外軸旋轉皮帶輪組、外軸軸承、軸承倉組件和軸承倉旋轉皮帶輪組；所述支撐框上端和下端分別設有支撐頂板和支撐底板，支撐頂板和支撐底板之間設有驅動絲杆、花鍵軸和導向光軸，支撐頂板上設有絲杆定位套，所述驅動絲杆與支撐底板下端固定的絲杆驅動電機連接，所述花鍵軸與固定在支撐框上端側面的花鍵軸驅動電機連接；在支撐框內部設有驅動託盤，驅動絲杆、花鍵軸和導向光軸分別貫穿驅動託盤，外軸下端連接驅動託盤；所述花鍵軸分為外軸旋轉花鍵軸和內軸升降花鍵軸，外軸旋轉花鍵軸通過外軸旋轉皮帶輪組帶動外軸旋轉；所述外軸旋轉皮帶輪組和外軸軸承之間設有外軸軸承定位套，在外軸軸承下端設有軸承壓板，軸承壓板固定在驅動託盤上；支撐頂板與下爐室連接處設有軸承倉組件，所述軸承倉組件與外軸旋轉花鍵軸之間通過軸承倉旋轉皮帶輪組實現連接。作為進一步的改進，所述外軸是空心圓軸,外軸下端內置內軸傳動組件,包括內軸升降皮帶輪組、內軸絲杆、內軸軸承、內軸支撐套、外軸旋轉套、內軸支撐套固定板和內軸傳動軸；所述外軸旋轉套與外軸下端內側固定，在外軸旋轉套內設有內軸支撐套，內軸支撐套通過內軸支撐套固定板與驅動託盤實現固定，內軸絲杆內置在內軸支撐套內，內軸絲杆與內軸軸承連接，所述內軸升降花鍵軸與內軸絲杆之間通過內軸升降皮帶輪組實現連接，內軸傳動軸貫穿於內軸支撐套，且下端與內軸絲杆固定，內軸傳動軸上端與內軸下端連接。作為進一步的改進，所述外軸旋轉套與外軸之間設有密封件，外軸旋轉套與內軸支撐套之間設有密封件與耐磨件，在內軸傳動軸與內軸支撐套之間還設有密封件和耐磨件。作為進一步的改進，所述內軸軸承之間設有內軸軸承軸套，內軸升降皮帶輪組下端設有皮帶輪端蓋板，在外軸上端內與內軸之間還設有內軸定位套。作為進一步的改進，所述內軸傳動軸上端通過萬向軸承連接軸、萬向軸承與內軸下端實現連接。作為進一步的改進，所述驅動絲杆和花鍵軸各有兩根，導向光軸有四根，且相互之間平行安裝。作為進一步的改進，所述支撐框為多層連接，在支撐頂板和上爐室、支撐頂板和支撐框、支撐框各層、支撐框與支撐底板之間均採用質口或者銷釘定位，並採用螺釘實現連接。作為進一步的改進，所述外軸旋轉皮帶輪組包括外軸旋轉主動輪、同步帶、外軸旋轉從動輪，外軸旋轉主動輪與外軸旋轉花鍵軸之間採用銷釘連接，外軸旋轉從動輪與外軸採用鍵槽或定位銷連接。作為進一步的改進，所述軸承倉旋轉皮帶輪組包括軸承倉旋轉主動輪、同步帶、軸承倉旋轉從動輪，軸承倉旋轉主動輪與外軸旋轉花鍵軸之間採用定位銷連接，軸承倉旋轉從動輪與軸承倉之間採用螺釘連接。作為進一步的改進，所述內軸升降皮帶輪組包括內軸升降主動輪、同步帶、內軸升降從動輪，內軸升降主動輪與內軸升降花鍵軸之間採用銷釘連接，內軸升降從動輪與內軸絲杆採用鍵槽或定位銷連接。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:採用內、外軸聯動的形式，可實現外軸的旋轉和升降運動、內軸的升降運動和與外軸同步的旋轉運動，能夠滿足區熔單晶爐籽晶引晶、晶體生長和旋轉運動等生長要求，且運動可靠平穩，密封性能好，為區熔爐穩定拉制單晶提供保證。
圖1為本實用新型的立體圖。圖2為本實用新型去掉支撐框的立體示意圖。圖3為本實用新型的剖視圖。圖4為本實用新型圖3中H部的局部放大圖。圖5為本實用新型中花鍵與皮帶輪固定示意圖。圖6為本實用新型中內、外軸同步旋轉機構。圖中的附圖標記為:1支撐頂板；2支撐框；3外軸；4支撐底板；5驅動絲杆；6絲杆驅動電機絲杆定位套；8驅動託盤；9外軸旋轉花鍵軸；10內軸升降花鍵軸；11導向光軸；12花鍵軸驅動電機；13外軸旋轉皮帶輪組；14外軸軸承；15外軸軸承定位套；16軸承壓板；17軸承倉旋轉皮帶輪組；18內軸升降皮帶輪組；19皮帶輪端蓋板；20內軸絲杆；21內軸軸承；22內軸軸承軸套；23內軸支撐套；24外軸旋轉套；25內軸支撐套固定板；26內軸傳動軸；27萬向軸承；28萬向軸承連接軸；29內軸；30內軸定位套；31籽晶；32密封件；33耐磨件；34自製圓弧端緊定螺釘；35晶體夾持組件；36軸承倉組件；37下爐體底板；
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述:如圖1、2、3、4所示，區熔單晶爐下軸運動機構包括與下爐室固定的支撐框2及外軸3，在支撐框2上端和下端分別設有支撐頂板I和支撐底板4，支撐頂板I和支撐底板4之間，對稱設有兩根驅動絲杆5，分別通過固定在支撐底板4下端的兩組絲杆驅動電機6驅動，在支撐頂板I上還設有絲杆定位套7，使得驅動絲杆5兩端均有定位或固定。在支撐框2內部設有驅動託盤8，所述兩根驅動絲杆5貫穿於驅動託盤8，其絲杆螺母固定在驅動託盤8上，驅動託盤8可在支撐框2內完成升降運動，並且不與支撐框2幹涉。外軸3下端通過外軸軸承14連接到驅動託盤8上，可隨驅動託盤8完成外軸3的升降運動。而在拉晶過程中，晶體通過固定在外軸3上端的晶體夾持組件35實現夾持，外軸3的升降運動滿足了晶體向下生長的要求。在支撐頂板I與支撐底板4之間還設有兩根貫穿驅動託盤8的花鍵軸:外軸旋轉花鍵軸9和內軸升降花鍵軸10，還有四根貫穿於驅動託盤8的導向光軸11，花鍵軸螺母和導向光軸軸承分別固定在驅動託盤8上，在支撐框2上端側面還分別設有兩組花鍵軸驅動電機12帶動花鍵軸旋轉，所述外軸旋轉花鍵軸9通過外軸旋轉皮帶輪組13帶動外軸3旋轉，從而完成外軸3的旋轉運動。在外軸旋轉皮帶輪組13和外軸軸承14之間設有外軸軸承定位套15，並通過卡環實現外軸軸承14和外軸旋轉皮帶輪組13定位。在外軸軸承14下端設有軸承壓板16，軸承壓板16通過螺釘固定在驅動託盤8上。在支撐頂板I與下爐室連接處還設有軸承倉組件36，實現外軸3的移動密封，在所述軸承倉組件36與外軸旋轉花鍵軸9之間通過軸承倉旋轉皮帶輪組17實現連接，由於軸承倉組件36和外軸3採用同一根花鍵軸驅動，可實現軸承倉組件36與外軸3同步旋轉，可消除外軸與軸承倉組件36之間的摩擦，從而保證下軸旋轉的穩定性較好，從而完成軸承倉組件36與外軸3的同步旋轉。在一般的晶體生長過程中，晶體以及原料需要反向旋轉，這是因為通過反向旋轉可以消除一些因熱場等不均而引起的晶體各向均勻性的缺陷，而本發明中外軸3穩定可靠的旋轉運動，為單晶穩定生長提供保證。上述晶體的升降和旋轉運動是一般晶體生長設備都需要滿足的要求，而作為FZ法生長單晶矽的區熔單晶爐，利用高頻感應加熱線圈將高純度的多晶料局部融化，從熔區的下方利用籽晶將熔矽拉製成單晶，是一種「邊熔化邊生長」的晶體生長方式，而無坩堝作為依託，這就要求需要在外軸3上有晶體夾持組件35。由於尺寸的限制和晶體夾持的要求，外軸3上已經再無法安裝籽晶31，這就要求還需有另外一根內軸29來完成籽晶31的安裝和引晶的功能。而且內軸29要能夠相對於外軸3完成升降運動，而晶體是由內軸29上的籽晶31引出，最終通過外軸3上的晶體夾持組件35固定，因此內軸29和外軸3之間需保持同步旋轉。如圖3、4所示，在外軸3下端內置內軸傳動組件，包括內軸升降皮帶輪組18、皮帶輪端蓋板19、內軸絲杆20、內軸軸承21、內軸軸承軸套22、內軸支撐套23、外軸旋轉套24、內軸支撐套固定板25、內軸傳動軸26、萬向軸承27、萬向軸承連接軸28、內軸29、內軸定位套30、密封件32和耐磨件33。在外軸3下端內側設有外軸旋轉套24，通過螺釘實現與外軸3的固定，在外軸旋轉套24內設有內軸支撐套23，內軸支撐套23可相對於外軸旋轉套24和外軸3旋轉，同時內軸支撐套23通過內軸支撐套固定板25與驅動託盤8實現固定，夕卜軸旋轉套24與外軸3之間設有密封件32，外軸旋轉套24與內軸支撐套23之間設有密封件32與耐磨件33。內軸絲杆20內置於內軸支撐套23內，並通過內軸軸承21實現之間連接和旋轉，內軸軸承21之間還設有內軸軸承軸套22。所述內軸升降花鍵軸10與內軸絲杆20之間通過內軸升降皮帶輪組18實現連接，內軸升降皮帶輪組18端還設有皮帶輪端蓋板19。內軸傳動軸26貫穿於內軸支撐套23，且下端與內軸絲杆螺母固定，內軸傳動軸26上端通過萬向軸承連接軸28、萬向軸承27與內軸29下端實現連接。在內軸29上端安裝有籽晶31，從而通過花鍵軸驅動電機12—內軸升降花鍵軸10—內軸升降皮帶輪組18—內軸絲杆20—內軸傳動軸26—萬向軸承27—內軸29—籽晶31，實現內軸29和籽晶31相對於外軸3的升降運動。所示內軸傳動組件的巧妙在於，利用內軸支撐套固定板25將內軸支撐套23和驅動託盤8固定，而內軸支撐套23可相對於內軸絲杆20和外軸3旋轉，從而將內軸絲杆20的旋轉和外軸3的旋轉隔離，外軸3的旋轉不會影響到內軸絲杆20的旋轉。如圖6所示，在外軸3內部上端設有內軸定位套30，內軸定位套30與外軸3為緊配合，內軸29為正方形杆件，內軸定位套30中心設有相配的方形孔，可實現內軸29在內軸定位套30中的升降運動，同時還可通過外軸3帶動內軸定位套30，從而帶動內軸29，實現內軸29與外軸30的同步旋轉，同時，內軸定位套30還可作為內軸29的定位。外軸旋轉運動是通過外軸旋轉花鍵軸9通過外軸旋轉皮帶輪組13帶動外軸3旋轉的，而同時外軸3還需有升降運動，這就意味著外軸旋轉皮帶輪組13也需隨著外軸3 —起升降。如圖5所示，外軸旋轉花鍵軸9為截面開有數個圓弧形長槽的細長軸，外軸旋轉皮帶輪組13中的主動輪與外軸旋轉花鍵軸9採用自製圓弧端緊定螺釘34緊定，自製圓弧段緊定螺釘34端部與外軸旋轉花鍵軸9的溝槽配合，而外軸旋轉皮帶輪組13中的從動輪與外軸3之間採用鍵槽連接。這樣既可保證外軸旋轉花鍵軸9和外軸旋轉皮帶輪組13的主動輪同步旋轉，傳遞動力，同時外軸旋轉皮帶輪組13還可沿著外軸旋轉花鍵軸9隨外軸3一起升降。所述外軸旋轉皮帶輪組13包括外軸旋轉主動輪、同步帶、外軸旋轉從動輪，外軸旋轉主動輪與外軸旋轉花鍵軸9之間採用銷釘連接，外軸旋轉從動輪與外軸3採用鍵槽或定位銷連接。採用同步帶不容易出現打滑現象，便於精確定位，同時採用具有一定柔性的同步帶能夠隔離因電機等引起的震動而不傳遞到外軸3上。同時外軸旋轉主動輪採用與花鍵軸溝槽相適應的緊定螺釘固定，可實現外軸旋轉主動輪與花鍵同步旋轉，並可沿花鍵隨著外軸3進行升降運動。在區熔單晶爐生產過程中，利用高頻感應加熱線圈將高純度的多晶料局部融化，從熔區的下方利用籽晶31將熔矽拉製成單晶，採用內軸29、外軸3聯動的形式，外軸3可帶動晶體完成旋轉運動和升降運動，滿足晶體生長的要求，內軸29可獨立於外軸3完成升降運動，且內軸29與外軸3旋轉運動始終保持一致，能夠滿足籽晶31引晶的要求。當然，此區熔單晶爐下軸運動機構並不僅限於上述實施例，在本實用新型的啟示下，不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本實用新型相同或相類似的技術方案，均在其保護範圍之內。
權利要求1.一種區熔單晶爐下軸運動機構，包括外軸，其特徵在於，所述下軸運動機構還包括支撐框、驅動絲杆、絲杆驅動電機、驅動託盤、花鍵軸、花鍵軸驅動電機、外軸旋轉皮帶輪組、夕卜軸軸承、軸承倉組件和軸承倉旋轉皮帶輪組； 所述支撐框上端和下端分別設有支撐頂板和支撐底板，支撐頂板和支撐底板之間設有驅動絲杆、花鍵軸和導向光軸，支撐頂板上設有絲杆定位套，所述驅動絲杆與支撐底板下端固定的絲杆驅動電機連接，所述花鍵軸與固定在支撐框上端側面的花鍵軸驅動電機連接；在支撐框內部設有驅動託盤，驅動絲杆、花鍵軸和導向光軸分別貫穿驅動託盤，外軸下端連接驅動託盤；所述花鍵軸分為外軸旋轉花鍵軸和內軸升降花鍵軸，外軸旋轉花鍵軸通過外軸旋轉皮帶輪組帶動外軸旋轉； 所述外軸旋轉皮帶輪組和外軸軸承之間設有外軸軸承定位套，在外軸軸承下端設有軸承壓板，軸承壓板固定在驅動託盤上；支撐頂板與下爐室連接處設有軸承倉組件，所述軸承倉組件與外軸旋轉花鍵軸之間通過軸承倉旋轉皮帶輪組實現連接。
2.根據權利要求1所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述外軸是空心圓軸，外軸下端內置內軸傳動組件，包括內軸升降皮帶輪組、內軸絲杆、內軸軸承、內軸支撐套、外軸旋轉套、內軸支撐套固定板和內軸傳動軸；所述外軸旋轉套與外軸下端內側固定，在外軸旋轉套內設有內軸支撐套，內軸支撐套通過內軸支撐套固定板與驅動託盤實現固定，內軸絲杆內置在內軸支撐套內，內軸絲杆與內軸軸承連接，所述內軸升降花鍵軸與內軸絲杆之間通過內軸升降皮帶輪組實現連接，內軸傳動軸貫穿於內軸支撐套，且下端與內軸絲杆固定，內軸傳動軸上端與內軸下端連接。
3.根據權利要求2所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述外軸旋轉套與外軸之間設有密封件，外軸旋轉套與內軸支撐套之間設有密封件與耐磨件，在內軸傳動軸與內軸支撐套之間還設有密封件和耐磨件。
4.根據權利要求2所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述內軸軸承之間設有內軸軸承軸套，內軸升降皮帶輪組下端設有皮帶輪端蓋板，在外軸上端內與內軸之間還設有內軸定位套。
5.根據權利要求2所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述內軸傳動軸上端通過萬向軸承連接軸、萬向軸承與內軸下端實現連接。
6.根據權利要求2所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述驅動絲杆和花鍵軸各有兩根，導向光軸有四根，且相互之間平行安裝。
7.根據權利要求1至6任意一項所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述支撐框為多層連接，在支撐頂板和上爐室、支撐頂板和支撐框、支撐框各層、支撐框與支撐底板之間均採用質口或者銷釘定位，並採用螺釘實現連接。
8.根據權利要求1至6任意一項所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述外軸旋轉皮帶輪組包括外軸旋轉主動輪、同步帶、外軸旋轉從動輪，外軸旋轉主動輪與外軸旋轉花鍵軸之間採用銷釘連接，外軸旋轉從動輪與外軸採用鍵槽或定位銷連接。
9.根據權利要求1至6任意一項所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述軸承倉旋轉皮帶輪組包括軸承倉旋轉主動輪、同步帶、軸承倉旋轉從動輪，軸承倉旋轉主動輪與外軸旋轉花鍵軸之間採用定位銷連接，軸承倉旋轉從動輪與軸承倉之間採用螺釘連接。
10.根據權利要求2至6任意一項所述的區熔單晶爐下軸運動機構，其特徵在於，所述內軸升降皮帶輪組包括內軸升降主動輪、同步帶、內軸升降從動輪，內軸升降主動輪與內軸升降花鍵軸之間採用銷釘連接 ，內軸升降從動輪與內軸絲杆採用鍵槽或定位銷連接。
專利摘要本實用新型涉及非金屬晶體的製造設備，旨在提供一種區熔單晶爐的下軸運動機構。該下軸運動機構包括外軸、支撐框、驅動絲杆、絲杆驅動電機、驅動託盤、花鍵軸、花鍵軸驅動電機、外軸旋轉皮帶輪組、外軸軸承、軸承倉組件和軸承倉旋轉皮帶輪組。本實用新型採用內、外軸聯動的形式，可實現外軸的旋轉和升降運動、內軸的升降運動和與外軸同步的旋轉運動，能夠滿足區熔單晶爐籽晶引晶、晶體生長和旋轉運動等生長要求，且運動可靠平穩，密封性能好，為區熔爐穩定拉制單晶提供保證。
文檔編號C30B13/32GK202968741SQ201220480809
公開日2013年6月5日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者歐陽鵬根, 石剛, 傅林堅, 曹建偉, 陳明傑, 王丹濤, 邱敏秀 申請人:浙江晶盛機電股份有限公司