单晶炉技术说明书.doc

单晶炉技术说明书ZM451.03SM第 7 页共 7 页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610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380V10%,50HZ 3相380V10%,50HZ 3.2. 变压器容量： 200KVA 230 KVA 3.3. 加热器最大加热功率： 150KVA 150 KVA 3.4. 加热器最高加热电压： 65V 65V 3.5. 最高加热温度： 1500 1500 3.6. 冷炉极限真空度： 3Pa 3Pa 3.7. 晶体直径： 6/8 610 3.8. 熔料量： 90Kg 120Kg 3.9. 主炉室尺寸： 8501220mm 9001200mm 3.10.旋阀通径： 260mm 300mm 3.11.副炉室尺寸： 2602270mm 3002300mm 3.12.籽晶拉速范围： 08mm/min 08mm/min 3.13.籽晶快速： 400mm/min 400mm/min 3.14.籽晶转速范围： 048R/min 048R/min 3.15.坩埚升速范围： 02mm/min 02mm/min 3.16.坩埚快速： 100mm/min 100mm/min 3.17.坩埚转速范围： 020R/min 020R/min 3.18.籽晶提升有效行程： 2900mm 3000mm 3.19.坩埚升降有效行程： 400mm 400mm 3.20.主机占地面积： 2500mmX1500mm 2000mmX1500mm 3.22.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。也可在能与空气中粉尘、振动和冲击波隔离的较好环境中工作，地面应尽量平整，并且有自然排水管孔，使回水能自然排放。 突然的外界较强烈的冲击振动，有可能影响晶体的内在质量。因此，厂房应尽量选择在避开振源的地方。当条件限制而不能避开时，则要做必要的隔振措施。其具体要求是： 室温 205 相对湿度 65 外界振源 当大于10HZ时，振幅应小于0.003mm 可腐蚀性气体尽量杜绝。本设备在氩气环境中工作，开炉时应通风使氩气扩散后再进行操作，厂房应保持良好的通风条件，防止氩气沉积。 4.2.冷却水源与排水 本设备主体的进水共分3路，一路冷却主机下部各冷却部位，一路冷却主机上部，一路冷却电缆及机械泵。水管与主机相连时，以软胶管连接，以防止振动干扰主机。排水相应地也有3路，连接管路终端为开式管路，以免炉室及各冷却部分水压过大而造成管路变形，排水管如为多台共用时，应为无压排水，总排水管应畅通无阻，水质应以软水质循环供水为好。其具体要求为： 压力： 0.10.2MPa 流量： 20m3 /h PH值： 79 电阻值： 104106/cm 硬度： 8de 氯离子： 10ppm 铁离子： 0.1ppm进水温度： 25本设备电源部分单独供水，要求水压0.20.3MPa，水质要求同设备主体部分。 4.3.电源 电压： 3相380V10%,50HZ 功率：大于150KW/台 配电盘应装有500V、400A的空气开关，及380V、400A的隔离开关。厂房内不应有会对单晶炉机电系统正常运行造成不良影响的射电干扰和电磁干扰。建议用户为本设备的“热场加热电源”配备谐波抑制装置,以利于提高电能利用效率,减少干扰。 4.4.氩气源 氩气应使用纯度99.999的氩气源，与设备连接部位应采用专用接口，管道为不锈钢材料。其具体要求为： 氩气纯度： 99.999% 氩气压力：0.050.2MPa 氩气流量： 100L/min 氩气管道泄漏率：0.01Pa/min 4.5.泵组系统 泵与主机之间设置有电动阀及除尘器，中间用波纹管连接，以减少振动传递。 泵与主机之间最好设隔断墙、并具备良好的废气排放及防污染工作环境。5. 炉子结构说明 单晶炉包括机架、坩埚驱动装置、主炉室、翻板阀、副炉室、籽晶提升机构、炉体升降驱动装置、真空系统、充气系统及水冷系统等组成。机架由型材焊接而成，是炉子的支撑装置。坩埚驱动装置安装在机架下部的平板上。主炉室固定机架的上平面上，翻板阀连接在主室与副室之间，籽晶提升机构安装在副室上。炉体升降驱动装置安装在机架后侧的立柱上。 5.1.坩埚驱动装置 坩埚轴为两段组装空心水冷结构，在轴的下部设有一水套可以引入冷却水。坩埚轴的旋转密封采用磁流体密封，升降密封采用焊接波纹管密封。 坩埚驱动装置包括坩埚的升降、快速升降、及坩埚的旋转驱动。坩埚的升降结构采用滚珠丝杠及双直线导轨导向的结构，系统刚性好，运动精度高。升降运动由直流伺服电机经蜗轮蜗杆减速器、齿形带、諧波减速器减速之后，通过牙嵌式电磁离合器驱动丝杠，由螺母带动升降架升降。快速电机通过蜗轮蜗杆减速后驱动丝杠转动，实现坩埚的快速升降。手动装置通过一对斜齿轮带动丝杠旋转，达到坩埚升降目的。安装在升降支架侧面的旋转电机通过楔形带实现坩埚轴的平稳转动。 5.2.主炉室 主炉室由炉底、下炉筒、上炉筒和炉盖组成。各部件均采用SUS304L不锈钢焊接而成，并采用双层水冷结构。炉底固定在机架上平面上，其中心孔是坩埚轴的找正基准，孔下端与坩埚驱动装置用波纹管密封连接。炉底上还设有两个电极孔，电极杆通过此孔与加热器连接。电极杆也为空心水冷结构。 下炉筒用压板压紧在炉底上，通常清炉时，下炉筒留在炉底上，特殊情况下才拆除下炉筒。下炉筒上有两个对称布置的真空抽口，交汇后与主真空管道相连。上炉筒放在下炉筒上，并留有一高温计接口。 炉盖为椭圆型封头结构，炉盖正面有水冷结构的观察窗，在该观察窗上可装测径仪，可直接测出晶体的直径。左侧设有圆形的取光孔，可以安装红外控径仪。通过控径仪支架可以调节控径仪的位置和角度。炉盖上设有一充气口，可以满足不同的工艺要求。 5.3.翻板阀 翻板阀固定在炉盖上，关闭此阀后，可在维持主炉室工艺气氛不变的情况下，打开副室，从而装卸籽晶或取晶。翻板阀上设有一抽空口和一压力变送器接口。抽空口与副真空管道连接，在主副炉室隔离时，可以抽空副室，使副室达到和主室相同的真空条件。翻板阀的阀杆和阀盖均采用水冷结构。5.4.副炉室 副室的顶部设有一充气环，在拉晶过程中氩气都由此充入。副室上部的观察窗用以观察重锤及充气环等处的情况。 5.5.籽晶旋转及提升装置 籽晶旋转机构由旋转轴、支撑座、集电环、磁流体及驱动电机组成。籽晶提升机构与旋转轴连接，旋转电机通过楔形带带动旋转轴，实现籽晶提升部件的整体旋转。籽晶提升组件经过动平衡试验以使籽晶旋转时振动降到最低。集电环用以提供籽晶提升机构的电能以及传递电信号。籽晶提升机构有快速和慢速两个驱动电机。籽晶慢速提升电机采用直流电机，闭环控制。电机通过谐波减速和两级蜗轮蜗杆减速后带动转轴旋转。转轴通过滚动花键与卷丝轮连接，卷丝轮的一端与牵引螺母连接，在卷丝轮旋转的同时带动卷丝轮平移，从而保证卷丝轮上的软轴钢丝绳始终处于对中位置。快速电机通过齿形带与蜗轮蜗杆减速器相连并通过电磁离合实现与慢速电机间的互锁。在第二级蜗轮蜗杆减速器的输出端装有旋转电位器，可以计算晶体的长度和位置。5.6.炉体升降装置 炉体升降包括主炉室的升降、副炉室升降及炉盖升降。副炉室和炉盖升降用一个升降电机。电机通过减速器带动螺母丝杠机构，炉盖和副炉室分别通过连接支臂与提升杆连接，实现升降。 主炉室有一套单独的提升机构，与副炉室升降机构对称置于立柱的两面。在炉盖上升并向右旋转偏离炉体后，主炉室才可上升。主炉室旋开后，可以对炉室内进行清理。 5.7.水冷系统 水冷系统分三路进水，分别用来冷却炉体下部各冷却部位、炉体上部各冷却部位、机械泵等。回水相应也有三路，各路水管通过软胶管与主机相连。电源柜采用单独水冷。水冷系统的主管路上装有水流开关、压力表，可以检测水压大小，在进水断流时，水流开关给出报警信号。回水各主要冷却部位的管路上均装有水温检测开关，当水温超过55时，给出报警信号。 5.8.真空及充气系统 真空系统的所有管路都采用不锈钢管，所有连接处采用“O”形橡胶密封圈。真空系统由主炉室真空系统和副炉室真空系统组成。主室真空系统包括滑阀泵、带放气真空电磁阀、除尘器、电动碟阀、压力变送器等。真空管道与炉体的连接采用波纹管连接，减少振动的传播，并补偿管路连接的位置误差。副炉室真空系统包括旋片式真空泵、带放气电磁阀、电磁截止阀等。副室的真空泵在旋阀关闭时对副室抽真空。在拉晶过程中，主室一面抽真空，一面充氩气。氩气系统由质量流量计与三路电磁阀组成，气源端设有可调进气阀及压力表，通过高压软管连接气源及炉体。氩气通过副室上部的充气环充入炉体以减少气体的紊乱。质量流量计可以精确设定充入炉体的氩气，三路电磁阀分别控制副室充气、主室充气和副室快速充气，满足不同的工艺要求。6. 设备的基本保养维护方法 单晶炉在使用时，炉体处于高温工作状态，并要求各运动部件的运动稳定可靠，精度高（尤其是坩埚驱动装置和籽晶旋转及提升机构），工作时间长。因此，在使用过程中，要注意设备的维护与保养。 6.1.坩埚驱动装置 坩埚驱动装置要求的运动精度比较高，是设备的核心运动部件，应重点维护。坩埚轴是石墨坩埚的支撑轴，应随时检查其冷却水的情况，以免烧损。 坩埚驱动采用滚珠丝杠和直线导轨结构，是坩埚驱动的关键部件，需保持清洁，严禁灰尘、杂物附着，并定期涂抹润滑脂。 6.2.籽晶旋转及提升机构的维修 籽晶旋转及提升机构也是单晶炉的关键部件，该部件运行的好坏直接影响单晶的生长。因此，也须重点维护。卷轮箱是籽晶提升的核心，卷轮箱内的零件