专利名称：区熔单晶炉下轴运动机构的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于非金属晶体的制造设备，特别涉及一种区熔单晶炉的下轴运动机构。
背景技术：
硅材料是现代信息社会的基础，它不仅是光伏发电等产业的主要功能材料，也是半导体产业，特别是电力电子器件的基础材料。区熔法(FZ)生产单晶硅是区别于直拉炉(CZ)的一种新型的单晶生长方法，它利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料局部融化，熔区依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力而处于悬浮状态，然后从熔区的下方利用籽晶将熔硅拉制成单晶。由于没有坩埚污染，区熔炉生长的单晶硅纯度高，均匀性好，低微缺陷。特别是随着国家对能源、交通、大规模集成电路等影响国民经济发展的瓶颈行业的支持，对大电流的电力电子器件需要越来越大，要求也越来越高，要求硅单晶向大直径、大投料量、高纯度、高均匀性方向发展。由于区熔法生长单晶硅的熔区的特殊性，硅单晶的籽晶引晶、晶体生长和旋转运动均由下轴系统提供，使 得区熔单晶炉对下轴旋转升降的稳定性要求很高，下轴的轻微震动都可能对硅单晶质量造成影响，甚至造成溢流而损坏设备。特别是随着拉制的单晶尺寸变大，区熔直径变大，对下轴运动的要求更高。由于区熔炉下轴运动机构运动较为复杂，而且对稳定性要求较高，普通直拉单晶炉坩埚轴或者相类似的结构不能满足区熔单晶炉生长的要求。文献I (陈应斗.FZ115型区熔炉的设计和特点.北京:有色金属，1997，4:11-14)中公开了一种区熔炉下传动机构，针对的是生产3-4英寸区熔单晶的小型区熔炉，其下轴行程只有1.3米，内、外轴升降运动分别由单独的丝杆和托盘驱动。在区熔单晶生长的等径过程中，内、外轴需同步升降和旋转，该机构内外轴同步性只能靠两组独立运动的丝杆的同步性保证，易出现因意外造成内外轴升降不同步而导致熔区坍塌的情况。特别是随着6-8英寸大直径区熔单晶炉的发展，外轴行程的加长，该机构中内外轴的同心度及稳定性也难以保证。针对6-8英寸的大直径区熔单晶炉的下轴机构尚未有见报道，实有必要开发一种用于区熔单晶炉的下轴运动机构。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用内、外轴联动的形式，可实现外轴的旋转和升降运动、内轴的升降运动和与外轴同步的旋转运动的区熔单晶炉下轴运动机构。为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是:提供一种区熔单晶炉下轴运动机构，包括外轴，所述下轴运动机构还包括支撑框、驱动丝杆、丝杆驱动电机、驱动托盘、花键轴、花键轴驱动电机、外轴旋转皮带轮组、外轴轴承、轴承仓组件和轴承仓旋转皮带轮组；所述支撑框上端和下端分别设有支撑顶板和支撑底板，支撑顶板和支撑底板之间设有驱动丝杆、花键轴和导向光轴，支撑顶板上设有丝杆定位套，所述驱动丝杆与支撑底板下端固定的丝杆驱动电机连接，所述花键轴与固定在支撑框上端侧面的花键轴驱动电机连接；在支撑框内部设有驱动托盘，驱动丝杆、花键轴和导向光轴分别贯穿驱动托盘，外轴下端连接驱动托盘；所述花键轴分为外轴旋转花键轴和内轴升降花键轴，外轴旋转花键轴通过外轴旋转皮带轮组带动外轴旋转；所述外轴旋转皮带轮组和外轴轴承之间设有外轴轴承定位套，在外轴轴承下端设有轴承压板，轴承压板固定在驱动托盘上；支撑顶板与下炉室连接处设有轴承仓组件，所述轴承仓组件与外轴旋转花键轴之间通过轴承仓旋转皮带轮组实现连接。作为进一步的改进，所述外轴是空心圆轴,外轴下端内置内轴传动组件,包括内轴升降皮带轮组、内轴丝杆、内轴轴承、内轴支撑套、外轴旋转套、内轴支撑套固定板和内轴传动轴；所述外轴旋转套与外轴下端内侧固定，在外轴旋转套内设有内轴支撑套，内轴支撑套通过内轴支撑套固定板与驱动托盘实现固定，内轴丝杆内置在内轴支撑套内，内轴丝杆与内轴轴承连接，所述内轴升降花键轴与内轴丝杆之间通过内轴升降皮带轮组实现连接，内轴传动轴贯穿于内轴支撑套，且下端与内轴丝杆固定，内轴传动轴上端与内轴下端连接。作为进一步的改进，所述外轴旋转套与外轴之间设有密封件，外轴旋转套与内轴支撑套之间设有密封件与耐磨件，在内轴传动轴与内轴支撑套之间还设有密封件和耐磨件。作为进一步的改进，所述内轴轴承之间设有内轴轴承轴套，内轴升降皮带轮组下端设有皮带轮端盖板，在外轴上端内与内轴之间还设有内轴定位套。作为进一步的改进，所述内轴传动轴上端通过万向轴承连接轴、万向轴承与内轴下端实现连接。作为进一步的改进，所述驱动丝杆和花键轴各有两根，导向光轴有四根，且相互之间平行安装。作为进一步的改进，所述支撑框为多层连接，在支撑顶板和上炉室、支撑顶板和支撑框、支撑框各层、支撑框与支撑底板之间均采用质口或者销钉定位，并采用螺钉实现连接。作为进一步的改进，所述外轴旋转皮带轮组包括外轴旋转主动轮、同步带、外轴旋转从动轮，外轴旋转主动轮与外轴旋转花键轴之间采用销钉连接，外轴旋转从动轮与外轴采用键槽或定位销连接。作为进一步的改进，所述轴承仓旋转皮带轮组包括轴承仓旋转主动轮、同步带、轴承仓旋转从动轮，轴承仓旋转主动轮与外轴旋转花键轴之间采用定位销连接，轴承仓旋转从动轮与轴承仓之间采用螺钉连接。作为进一步的改进，所述内轴升降皮带轮组包括内轴升降主动轮、同步带、内轴升降从动轮，内轴升降主动轮与内轴升降花键轴之间采用销钉连接，内轴升降从动轮与内轴丝杆采用键槽或定位销连接。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:采用内、外轴联动的形式，可实现外轴的旋转和升降运动、内轴的升降运动和与外轴同步的旋转运动，能够满足区熔单晶炉籽晶引晶、晶体生长和旋转运动等生长要求，且运动可靠平稳，密封性能好，为区熔炉稳定拉制单晶提供保证。
图1为本实用新型的立体图。图2为本实用新型去掉支撑框的立体示意图。图3为本实用新型的剖视图。图4为本实用新型图3中H部的局部放大图。图5为本实用新型中花键与皮带轮固定示意图。图6为本实用新型中内、外轴同步旋转机构。图中的附图标记为:1支撑顶板；2支撑框；3外轴；4支撑底板；5驱动丝杆；6丝杆驱动电机丝杆定位套；8驱动托盘；9外轴旋转花键轴；10内轴升降花键轴；11导向光轴；12花键轴驱动电机；13外轴旋转皮带轮组；14外轴轴承；15外轴轴承定位套；16轴承压板；17轴承仓旋转皮带轮组；18内轴升降皮带轮组；19皮带轮端盖板；20内轴丝杆；21内轴轴承；22内轴轴承轴套；23内轴支撑套；24外轴旋转套；25内轴支撑套固定板；26内轴传动轴；27万向轴承；28万向轴承连接轴；29内轴；30内轴定位套；31籽晶；32密封件；33耐磨件；34自制圆弧端紧定螺钉；35晶体夹持组件；36轴承仓组件；37下炉体底板；
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述:如图1、2、3、4所示，区熔单晶炉下轴运动机构包括与下炉室固定的支撑框2及外轴3，在支撑框2上端和下端分别设有支撑顶板I和支撑底板4，支撑顶板I和支撑底板4之间，对称设有两根驱动丝杆5，分别通过固定在支撑底板4下端的两组丝杆驱动电机6驱动，在支撑顶板I上还设有丝杆定位套7，使得驱动丝杆5两端均有定位或固定。在支撑框2内部设有驱动托盘8，所述两根驱动丝杆5贯穿于驱动托盘8，其丝杆螺母固定在驱动托盘8上，驱动托盘8可在支撑框2内完成升降运动，并且不与支撑框2干涉。外轴3下端通过外轴轴承14连接到驱动托盘8上，可随驱动托盘8完成外轴3的升降运动。而在拉晶过程中，晶体通过固定在外轴3上端的晶体夹持组件35实现夹持，外轴3的升降运动满足了晶体向下生长的要求。在支撑顶板I与支撑底板4之间还设有两根贯穿驱动托盘8的花键轴:外轴旋转花键轴9和内轴升降花键轴10，还有四根贯穿于驱动托盘8的导向光轴11，花键轴螺母和导向光轴轴承分别固定在驱动托盘8上，在支撑框2上端侧面还分别设有两组花键轴驱动电机12带动花键轴旋转，所述外轴旋转花键轴9通过外轴旋转皮带轮组13带动外轴3旋转，从而完成外轴3的旋转运动。在外轴旋转皮带轮组13和外轴轴承14之间设有外轴轴承定位套15，并通过卡环实现外轴轴承14和外轴旋转皮带轮组13定位。在外轴轴承14下端设有轴承压板16，轴承压板16通过螺钉固定在驱动托盘8上。在支撑顶板I与下炉室连接处还设有轴承仓组件36，实现外轴3的移动密封，在所述轴承仓组件36与外轴旋转花键轴9之间通过轴承仓旋转皮带轮组17实现连接，由于轴承仓组件36和外轴3采用同一根花键轴驱动，可实现轴承仓组件36与外轴3同步旋转，可消除外轴与轴承仓组件36之间的摩擦，从而保证下轴旋转的稳定性较好，从而完成轴承仓组件36与外轴3的同步旋转。在一般的晶体生长过程中，晶体以及原料需要反向旋转，这是因为通过反向旋转可以消除一些因热场等不均而引起的晶体各向均匀性的缺陷，而本发明中外轴3稳定可靠的旋转运动，为单晶稳定生长提供保证。上述晶体的升降和旋转运动是一般晶体生长设备都需要满足的要求，而作为FZ法生长单晶硅的区熔单晶炉，利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料局部融化，从熔区的下方利用籽晶将熔硅拉制成单晶，是一种“边熔化边生长”的晶体生长方式，而无坩埚作为依托，这就要求需要在外轴3上有晶体夹持组件35。由于尺寸的限制和晶体夹持的要求，外轴3上已经再无法安装籽晶31，这就要求还需有另外一根内轴29来完成籽晶31的安装和引晶的功能。而且内轴29要能够相对于外轴3完成升降运动，而晶体是由内轴29上的籽晶31引出，最终通过外轴3上的晶体夹持组件35固定，因此内轴29和外轴3之间需保持同步旋转。如图3、4所示，在外轴3下端内置内轴传动组件，包括内轴升降皮带轮组18、皮带轮端盖板19、内轴丝杆20、内轴轴承21、内轴轴承轴套22、内轴支撑套23、外轴旋转套24、内轴支撑套固定板25、内轴传动轴26、万向轴承27、万向轴承连接轴28、内轴29、内轴定位套30、密封件32和耐磨件33。在外轴3下端内侧设有外轴旋转套24，通过螺钉实现与外轴3的固定，在外轴旋转套24内设有内轴支撑套23，内轴支撑套23可相对于外轴旋转套24和外轴3旋转，同时内轴支撑套23通过内轴支撑套固定板25与驱动托盘8实现固定，夕卜轴旋转套24与外轴3之间设有密封件32，外轴旋转套24与内轴支撑套23之间设有密封件32与耐磨件33。内轴丝杆20内置于内轴支撑套23内，并通过内轴轴承21实现之间连接和旋转，内轴轴承21之间还设有内轴轴承轴套22。所述内轴升降花键轴10与内轴丝杆20之间通过内轴升降皮带轮组18实现连接，内轴升降皮带轮组18端还设有皮带轮端盖板19。内轴传动轴26贯穿于内轴支撑套23，且下端与内轴丝杆螺母固定，内轴传动轴26上端通过万向轴承连接轴28、万向轴承27与内轴29下端实现连接。在内轴29上端安装有籽晶31，从而通过花键轴驱动电机12—内轴升降花键轴10—内轴升降皮带轮组18—内轴丝杆20—内轴传动轴26—万向轴承27—内轴29—籽晶31，实现内轴29和籽晶31相对于外轴3的升降运动。所示内轴传动组件的巧妙在于，利用内轴支撑套固定板25将内轴支撑套23和驱动托盘8固定，而内轴支撑套23可相对于内轴丝杆20和外轴3旋转，从而将内轴丝杆20的旋转和外轴3的旋转隔离，外轴3的旋转不会影响到内轴丝杆20的旋转。如图6所示，在外轴3内部上端设有内轴定位套30，内轴定位套30与外轴3为紧配合，内轴29为正方形杆件，内轴定位套30中心设有相配的方形孔，可实现内轴29在内轴定位套30中的升降运动，同时还可通过外轴3带动内轴定位套30，从而带动内轴29，实现内轴29与外轴30的同步旋转，同时，内轴定位套30还可作为内轴29的定位。外轴旋转运动是通过外轴旋转花键轴9通过外轴旋转皮带轮组13带动外轴3旋转的，而同时外轴3还需有升降运动，这就意味着外轴旋转皮带轮组13也需随着外轴3 —起升降。如图5所示，外轴旋转花键轴9为截面开有数个圆弧形长槽的细长轴，外轴旋转皮带轮组13中的主动轮与外轴旋转花键轴9采用自制圆弧端紧定螺钉34紧定，自制圆弧段紧定螺钉34端部与外轴旋转花键轴9的沟槽配合，而外轴旋转皮带轮组13中的从动轮与外轴3之间采用键槽连接。这样既可保证外轴旋转花键轴9和外轴旋转皮带轮组13的主动轮同步旋转，传递动力，同时外轴旋转皮带轮组13还可沿着外轴旋转花键轴9随外轴3一起升降。所述外轴旋转皮带轮组13包括外轴旋转主动轮、同步带、外轴旋转从动轮，外轴旋转主动轮与外轴旋转花键轴9之间采用销钉连接，外轴旋转从动轮与外轴3采用键槽或定位销连接。采用同步带不容易出现打滑现象，便于精确定位，同时采用具有一定柔性的同步带能够隔离因电机等引起的震动而不传递到外轴3上。同时外轴旋转主动轮采用与花键轴沟槽相适应的紧定螺钉固定，可实现外轴旋转主动轮与花键同步旋转，并可沿花键随着外轴3进行升降运动。在区熔单晶炉生产过程中，利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料局部融化，从熔区的下方利用籽晶31将熔硅拉制成单晶，采用内轴29、外轴3联动的形式，外轴3可带动晶体完成旋转运动和升降运动，满足晶体生长的要求，内轴29可独立于外轴3完成升降运动，且内轴29与外轴3旋转运动始终保持一致，能够满足籽晶31引晶的要求。当然，此区熔单晶炉下轴运动机构并不仅限于上述实施例，在本实用新型的启示下，不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相类似的技术方案，均在其保护范围之内。
权利要求1.一种区熔单晶炉下轴运动机构，包括外轴，其特征在于，所述下轴运动机构还包括支撑框、驱动丝杆、丝杆驱动电机、驱动托盘、花键轴、花键轴驱动电机、外轴旋转皮带轮组、夕卜轴轴承、轴承仓组件和轴承仓旋转皮带轮组； 所述支撑框上端和下端分别设有支撑顶板和支撑底板，支撑顶板和支撑底板之间设有驱动丝杆、花键轴和导向光轴，支撑顶板上设有丝杆定位套，所述驱动丝杆与支撑底板下端固定的丝杆驱动电机连接，所述花键轴与固定在支撑框上端侧面的花键轴驱动电机连接；在支撑框内部设有驱动托盘，驱动丝杆、花键轴和导向光轴分别贯穿驱动托盘，外轴下端连接驱动托盘；所述花键轴分为外轴旋转花键轴和内轴升降花键轴，外轴旋转花键轴通过外轴旋转皮带轮组带动外轴旋转； 所述外轴旋转皮带轮组和外轴轴承之间设有外轴轴承定位套，在外轴轴承下端设有轴承压板，轴承压板固定在驱动托盘上；支撑顶板与下炉室连接处设有轴承仓组件，所述轴承仓组件与外轴旋转花键轴之间通过轴承仓旋转皮带轮组实现连接。
2.根据权利要求1所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述外轴是空心圆轴，外轴下端内置内轴传动组件，包括内轴升降皮带轮组、内轴丝杆、内轴轴承、内轴支撑套、外轴旋转套、内轴支撑套固定板和内轴传动轴；所述外轴旋转套与外轴下端内侧固定，在外轴旋转套内设有内轴支撑套，内轴支撑套通过内轴支撑套固定板与驱动托盘实现固定，内轴丝杆内置在内轴支撑套内，内轴丝杆与内轴轴承连接，所述内轴升降花键轴与内轴丝杆之间通过内轴升降皮带轮组实现连接，内轴传动轴贯穿于内轴支撑套，且下端与内轴丝杆固定，内轴传动轴上端与内轴下端连接。
3.根据权利要求2所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述外轴旋转套与外轴之间设有密封件，外轴旋转套与内轴支撑套之间设有密封件与耐磨件，在内轴传动轴与内轴支撑套之间还设有密封件和耐磨件。
4.根据权利要求2所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述内轴轴承之间设有内轴轴承轴套，内轴升降皮带轮组下端设有皮带轮端盖板，在外轴上端内与内轴之间还设有内轴定位套。
5.根据权利要求2所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述内轴传动轴上端通过万向轴承连接轴、万向轴承与内轴下端实现连接。
6.根据权利要求2所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述驱动丝杆和花键轴各有两根，导向光轴有四根，且相互之间平行安装。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述支撑框为多层连接，在支撑顶板和上炉室、支撑顶板和支撑框、支撑框各层、支撑框与支撑底板之间均采用质口或者销钉定位，并采用螺钉实现连接。
8.根据权利要求1至6任意一项所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述外轴旋转皮带轮组包括外轴旋转主动轮、同步带、外轴旋转从动轮，外轴旋转主动轮与外轴旋转花键轴之间采用销钉连接，外轴旋转从动轮与外轴采用键槽或定位销连接。
9.根据权利要求1至6任意一项所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述轴承仓旋转皮带轮组包括轴承仓旋转主动轮、同步带、轴承仓旋转从动轮，轴承仓旋转主动轮与外轴旋转花键轴之间采用定位销连接，轴承仓旋转从动轮与轴承仓之间采用螺钉连接。
10.根据权利要求2至6任意一项所述的区熔单晶炉下轴运动机构，其特征在于，所述内轴升降皮带轮组包括内轴升降主动轮、同步带、内轴升降从动轮，内轴升降主动轮与内轴升降花键轴之间采用销钉连接 ，内轴升降从动轮与内轴丝杆采用键槽或定位销连接。
专利摘要本实用新型涉及非金属晶体的制造设备，旨在提供一种区熔单晶炉的下轴运动机构。该下轴运动机构包括外轴、支撑框、驱动丝杆、丝杆驱动电机、驱动托盘、花键轴、花键轴驱动电机、外轴旋转皮带轮组、外轴轴承、轴承仓组件和轴承仓旋转皮带轮组。本实用新型采用内、外轴联动的形式，可实现外轴的旋转和升降运动、内轴的升降运动和与外轴同步的旋转运动，能够满足区熔单晶炉籽晶引晶、晶体生长和旋转运动等生长要求，且运动可靠平稳，密封性能好，为区熔炉稳定拉制单晶提供保证。
文档编号C30B13/32GK202968741SQ201220480809
公开日2013年6月5日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者欧阳鹏根, 石刚, 傅林坚, 曹建伟, 陈明杰, 王丹涛, 邱敏秀 申请人:浙江晶盛机电股份有限公司