单晶炉机械结构

文章编号:1004-2539(2005)06-0075-04单晶炉机械传动系统综述(西安理工大学, 陕西西安 710048) 高利强摘要 机械传动系统是单晶炉的重要组成部分,它主要包括坩埚升降与旋转系统、籽晶升降与旋转系统等等。

本文详细论述了这两种传动系统的典型方案及其传动机理,最后阐明各单晶体生长方法所要求的传动系统。

关键词 单晶炉 机械传动 升降与旋转绪论单晶炉是单晶体生长设备,按照晶体生长方法可分为提拉法单晶炉、坩埚下降法单晶炉、区熔法单晶炉等等。

无论哪种设备,机械传动系统都是重要的组成部分。

它一般包括坩埚升降与旋转、籽晶升降与旋转部件等等。

为了减少热的不对称性,籽晶和坩埚一般都要旋转。

1 坩埚的升降与旋转系统坩埚升降与旋转部件典型设计有以下形式。

1.1 方案A(如图1a)图1a示出了一种用导柱和直线运动轴承导向用丝杠副传动实现坩埚杆升降功能的传动系统。

正常拉晶时的传动链为18 22 21 20 19 16 15 23 24 9 6。

快速升降时的传动链为27 26 25 24 9 6。

手动升降时的传动链为1 2 4 5 23 24 9 6。

坩埚旋转传动链为11 10 14 12 13 6。

1.2 方案B(对方案A的改进变形)方案A对大多数炉型都适用,但它在速度特别低的时候,容易出现爬行现象。

为了克服上述缺点,可以用滚珠丝杠副代替滑动丝杠副。

然而,滚珠丝杠副的传动效率在90%,不能自锁,必须在丝杠轴上配置相应的自锁装置。

图1b所示方案中谐波减速器(20)可满足要求。

经过上述改动,再根据具体炉型适当变形就是方案B传动系统。

1.3 方案C(如图1b)图1b示出了一种用直线滚动导轨支承导向,精密滚珠丝杆副传动实现坩埚杆升降功能的传动系统。

正常拉晶时的传动链为19 20 23 18 6 3。

快速升降时的传动链为21 20 23 18 6 3。

手动升降时的传动链为1 12 10 11 9 20 23 18 6 3。

单晶炉工作原理
单晶炉是一种重要的工业设备，用于制备高纯度的单晶材料，如硅晶片和蓝宝石等。

它的工作原理基于熔融和凝固的过程。

首先，将原材料放入炉中，通常是固体多晶材料。

然后，通过加热将材料熔化，使其成为液态。

为了保持材料的纯度，通常需要在无氧或惰性气氛下进行。

接下来，需要将材料重新结晶为单晶体。

为了实现这一点，单晶炉会调整温度梯度，在炉内创建一个温度梯度。

通常，炉的底部较高温，而顶部较低温。

这种温度梯度会导致材料在较高温区域熔化，然后在较低温区域重新结晶为单晶体。

为了确保新生的单晶体具有所需的纯度和晶体质量，还会采取措施来减少杂质的引入。

例如，可以使用定向凝固方法，其中引入的单晶种子作为晶体生长的起始点。

通过控制晶体的生长速度，可以使杂质更有可能被排除在晶体的生长前沿。

此外，还有一些其他因素需要考虑，如搅拌、外部压力控制和炉内气氛的控制等。

这些因素都对最终单晶体的质量和晶体结构产生影响。

总之，单晶炉通过将材料熔化然后重新结晶为单晶体的过程，制备高纯度的单晶材料。

它的工作原理涉及温度梯度的创建、杂质控制和结晶生长的调控等多个方面。

通过对这些因素的控制，可以获得高质量的单晶材料，用于各种应用领域。

FT-CZ2208AE型单晶炉技术参数20101015单晶炉设备参数表（FT-CZ2208AE）1.概述:FT-CZ2208AE型单晶炉是根据Czochralski(CZ Method)原理，在惰性⽓体腔体中通过⽯墨电阻加热器以⾼温将⽯英坩埚内半导体材料（多晶硅）熔化、稳定，再通过籽晶与熔硅的接触，籍籽晶提升及旋转机构、坩埚提升及旋转机构、直径测定控制系统、温度测定控制系统等关键部件的精密配合，⽤于制备太阳能级,亦可以⽤于电路级单晶的设备系统。

本设备以以下规格为基准进⾏设计。

1）⽇本⼯业规格(JIS)2）⽇本电⽓⼯业规格(JEM)3）电⽓规格调查会标准规格(JEC)2．特点：2.1机械部分：整机结构美观，机械部件采⽤⾼精度数控加⼯，材质采⽤不锈钢和耐⾼温不锈钢。

1．炉⼦腔体内外层采⽤304L不锈钢。

双层⽔冷式结构。

2．真空旋转轴全部采⽤稳定的⼤型磁流体密封。

3．炉腔法兰为整体锻造件。

4．密封圈全部采⽤⾼质进⼝件。

5．氩⽓管路及其配套的电磁阀采⽤⾼质量进⼝件。

6．⾼品质的真空管路系统。

采⽤多种安全保障措施和安全装置。

例如：1．具有电源安全保护装置。

2．炉体⽔温报警系统。

3．冷却⽔流量过⼩报警（OP）。

4．炉压异常报警系统。

5．安装有安全减压阀。

6．炉盖采⽤浮动设计，在炉内压⼒过⾼时，⾃动泄压。

炉内压⼒配有⾼低真空检测系统，同时测量上、下炉体，测量精度⾼。

具有配套的节能热场和⼤装料量热场供客户选择(OP)。

2.2电器部分：1.针对太阳能级单晶硅的特点和运⾏数据专门设计，亦可以⽤于半导体级单晶硅制备。

2.融合多种当代新技术，实现全程⾃动控制和数据交换。

3.采⽤电脑控制系统和触摸式屏幕显⽰。

拉晶⼯艺全过程直观显⽰，互动性强。

4.PLC系统控制，抗⼲扰性好，可靠性⾼，维修⽅便。

5.多台FT-CZ2208AE型单晶炉的软件可相互之间复制。

因此，如果⼀台单晶炉的软件有故障，可以从另⼀台单晶炉复制过来。

这不仅解决了软件包⼀旦损坏和丢失的问题，⽽且也解决了⼀台单晶炉调试好了，其他单晶炉均可以⽤同⼀个软件包数据进⾏使⽤，免去了重复调试的⼯作。

1．用途：本设备为软轴提拉型单晶炉，是在惰性气体（氩气）环境中，用石墨电阻加热器将硅半导体材料溶化，用直拉法生长单晶的设备。

9001型炉采用18"热场，投料量60Kg，可拉制6"或8"的单晶。

（1201型炉，采用18”或20”热场，投料量最大120Kg,,可拉制6"~10"的单晶。

）2．设备的工作原理概述：本设备采用软籽晶轴提升机构，显著降低了单晶炉的高度，因而在一般厂房中即可安装使用，便于装配维修和拉晶操作，同时实现了籽晶轴转速稳定的效果。

本设备在性能和控制上都进行了改进。

在机械结构方面采用了先进的磁流体密封技术、拱形封头式炉盖结构以及合理的主、副室提升机构。

单晶的提升采用的是可承受190Kg的不锈钢丝绳。

炉室结构为顶开式，主炉室和副炉室开启时由螺母丝杠装置实现上移。

上升到位后对称旋出，便于机动取出晶体，拆除热场系统和清理炉内各部。

主炉室和副炉室之间，设有翻板阀，可在维持主炉室工艺条件不变的情况下取出晶体，更换籽晶。

3. 主要技术数据： 9001型 1201型3.1. 电源 3相380V±10%,50HZ 3相380V±10%,50HZ3.2. 变压器容量： 200KVA 230 KVA3.3. 加热器最大加热功率： 150KVA 150 KVA3.4. 加热器最高加热电压： 65V 65V3.5. 最高加热温度：1500℃1500℃3.6. 冷炉极限真空度： 3Pa 3Pa3.7. 晶体直径：φ6"/φ8"φ6"～φ10"3.8. 熔料量： 90Kg 1 20Kg3.9. 主炉室尺寸：φ850×1220mmφ900×1200mm3.10.旋阀通径：φ260mmφ300mm3.11.副炉室尺寸：φ260×2270mmφ300×2300mm3.12.籽晶拉速范围： 0～8mm/min 0～8mm/min3.13.籽晶快速：≥400mm/min≥400mm/m in3.14.籽晶转速范围： 0～48R/min 0～48R/min3.15.坩埚升速范围： 0～2mm/min 0～2mm/min3.16.坩埚快速：≥100mm/min≥100mm/min3.17.坩埚转速范围： 0～20R/min 0～20R/min3.18.籽晶提升有效行程： 2900mm 3000mm3.19.坩埚升降有效行程： 400mm 400mm3.20.主机占地面积： 2500mmX1500mm 2000mmX1500mm3.22.主机最大高度： 6300mm 6500mm4. 设备的安装与要求4.1.设备安装环境本设备应在清洁、减震的工作环境中运行，应放置在专用的混凝土基础上，环境条件应选在恒温、恒湿车间。

试分析单晶炉的设计优化
单晶炉是一种用于制备高质量单晶材料的关键设备，广泛应用于半导体、光电子、生物医学等领域。

在单晶炉的设计和优化方面，主要考虑以下几个方面：
1. 炉体结构：单晶炉的炉体结构应具有优良的热稳定性和机械稳定性，保证在高温下不会发生形变或破裂，同时能够承受复杂的载荷。

2. 发热元件：单晶炉的发热元件通常采用电阻加热或石墨加热，其设计应考虑到能量损失、热均匀性和寿命等因素。

同时，为了减少元件对单晶生长的干扰，发热器材料应具有较低的化学反应性和氧化性。

3. 气流控制：在单晶炉的运行过程中，需要对气体流动进行精确控制，以保证单晶材料的生长质量。

炉内气体流动的设计应考虑到炉内气体的流量、流速、温度和压力等因素，以确保气流对单晶的影响最小化。

4. 温度控制：单晶炉的温度控制是制备高质量单晶的关键因素之一。

温度控制需要考虑到炉内的热传导效应、热反射效应、辐射效应等因素，以保证单晶在生长过程中的温度分布均匀性和稳定性。

5. 晶体室密封性：为了保证单晶生长过程的稳定性和无菌性，单晶炉的晶体室需要具备良好的密封性，以防止外界气体或微生物的侵入。