用于单晶炉的外部装料机构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及直拉硅单晶生长设备的辅助设备，旨在提供用于单晶炉的外部装料机构。该用于单晶炉的外部装料机构包括石英坩埚、真空吸盘、手动真空阀、真空表、密封圈和真空泵，真空吸盘上设有至少两个气咀，分别连接有手动真空阀和真空表，手动真空阀通过气咀与真空泵连接，真空吸盘通过密封圈和石英坩埚密封连接。本发明能在拉晶的任何时候将多晶硅料装入石英坩埚内，不需要等待擦炉完毕，再将石英坩埚先放入热场内再进行。使装料过程由全人工转变为机械化，节约了装料的时间，使操作更简单、便捷，同时也避免了装料过程中多晶硅原料碎屑掉入热场内带来必要的损失。
【专利说明】用于单晶炉的外部装料机构【技术领域】
[0001]本发明是关于直拉硅单晶生长设备的辅助设备，特别涉及用于单晶炉的外部装料机构。
【背景技术】
[0002]直拉单晶硅生长炉是目前世界上最主要的单晶硅生产设备。采用直拉单晶制造法生产出高质量的硅晶体。根据单晶硅的原子排列和结晶规律，将原料多晶硅块放入石英坩埚中，在单晶炉内加热使其融化，控制温度，确保融化后的硅溶液可以在液面结晶。再将一个直径10_左右的棒状单晶硅(籽晶)缓慢的放入液面，使其一部分浸泡在溶液中，在合适的温度下，硅溶液的硅原子会在籽晶的影响下随着它的原子排列结构在溶液表面结晶，形成硅单晶。通过籽晶夹头将单晶平稳的向上提起并加上合适的旋转，在稳定的环境下，硅溶液可以连续不断的结晶，最后形成一个主体圆柱状的硅单晶体。
[0003]装料是直拉单晶炉生产过程中非常重要的一步。目前直拉硅单晶炉装料的方法大都采用采用全手工操作，其操作步骤包括原料运输到炉前，把坩埚放入炉内热场，将原料一点点从炉体外转移到坩埚内。整个过程非常缓慢，而且装料过程中要避免硅料碎屑落入热场内，因此操作起来较繁琐。自从直拉法硅单晶生长炉投入使用直到现在，这样的状况始终未能得到有效改进。此外，直拉单晶炉是将其他准备工作做好，待坩埚放入炉体内以后才可以往坩埚内装料，不可以在其他时间装料。节省装料时间，使装料的过程操作简单安全，一直是相关生产企业想要突破的一个技术难点。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供能缩短装料时间和装料过程操作简单安全的外部装料机构。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0005]提供用于单晶炉的外部装料机构，包括用于装多晶硅原料的石英坩埚，还包括真空吸盘、手动真空阀、真空表、密封圈和真空泵，真空吸盘上设有至少两个气咀，一个气咀连接有手动真空阀，另外一个气咀连接有真空表，手动真空阀上设有气咀，手动真空阀上的气咀通过波纹管与真空泵连接，且波纹管与手动真空阀上的气咀采用快卸连接方式；真空吸盘上设置有密封圈，并通过密封圈和石英坩埚密封连接，真空泵用于将石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体抽成真空，真空表用于测量石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的大气压力。
[0006]作为进一步的改进，所述真空吸盘上的密封圈采用L形密封圈。
[0007]作为进一步的改进，所述波纹管与手动真空阀上的气咀采用快卸法兰连接。
[0008]作为进一步的改进，所述真空吸盘是金属材质的真空吸盘。
[0009]作为进一步的改进，所述真空吸盘上的气咀设有三个，用于变换手动真空阀的连接位置。
[0010]作为进一步的改进，所述外部装料机构还包括运输装置，用于移动石英坩埚；运输装置采用装料小车，装料小车上设有挡块和减震装置，减震装置采用减震弹簧。[0011]作为进一步的改进，所述外部装料机构还包括用于将石英坩埚和真空吸盘整体吊装放入单晶炉热场内的起吊装置，真空表上设有一个吊环，起吊装置通过吊环对石英坩埚和真空吸盘整体进行起吊和移动操作，起吊装置与吊环之间设有提升缓冲弹簧。
[0012]作为进一步的改进，所述起吊装置采用全自动液压吊车。
[0013]提供基于所述的用于单晶炉的外部装料机构的控制方法，全自动液压吊将装满多晶硅原料的石英坩埚吊装到单晶炉热场内时，将真空吸盘和石英坩埚看作是两个半球，当其内部的空气被抽出时，在大气压P。的作用下，真空吸盘和石英坩埚紧紧吸合在一起，吊装过程满足公式:F ^ KXmg, F= (P0-p) * Ji d2/4，其中K为安全系数，m为石英坩埚和多晶硅原料的总质量，g为重力加速度，F为真空吸盘对石英坩埚的吸力，P。为大气压，P为石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的气压，d为石英坩埚的直径；单晶炉热场为18~24寸，多晶硅原料的最大装料量不大于200Kg，石英坩埚质量不大于20Kg，即m不大于220Kg，d不小于450mm，大气压P。的值为1.013 X IO5Pa,安全系数K的值取6.5，得出吊装过程中，石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的气压值P小于IXlO4Pa,即保证吊装时真空表的读数小于 IXlO4Pa0
[0014]本发明的工作原理:使用一个真空吸盘和一个特制的密封圈与装满多晶硅原料的石英坩埚密封，可以通过手动真空阀的气嘴对其抽真空，运输装置用来运输装好多晶硅原料的石英坩埚，全自动液压吊车用来将装好的多晶硅原料和石英坩埚一起吊入单晶炉的热场内。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0016]能在拉晶的任何时候将多晶硅料装入石英坩埚内，不需要等待擦炉完毕，再将石英坩埚先放入热场内再进行。使装料过程由全人工转变为机械化，节约了装料的时间，使操作更简单、便捷，同时也避免了装料过程中多晶硅原料碎屑掉入热场内带来必要的损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明用于单晶炉的外部装料机构工作时的三维示意图。
[0018]图2为本发明用于单晶炉的外部装料机构装好料抽真空时的示意图。
[0019]图3为本发明用于单晶炉的外部装料机构为单晶炉装料时的示意图。
[0020]图4为本发明用于单晶炉的外部装料机构的原理计算公式示意图。
[0021]图中的附图标记为:1全自动液压吊车；2提升缓冲弹簧；3真空表；4手动真空阀；5真空吸盘；6L形密封圈；7石英坩埚；8多晶硅原料；9装料小车；10波纹管；11真空泵；12单晶炉；13手持操作开关。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0023]图1、图2中的用于单晶炉的外部装料机构包括石英坩埚7、真空吸盘5、手动真空阀4、真空表3和真空泵11。真空吸盘5是金属材质制作而成的，并利用特制的L形密封圈6和石英坩埚7密封连接。真空吸盘5上设有三个气咀，一个气咀连接有手动真空阀4，用来控制石英坩埚7内部与外界的气体通气口，另外一个气咀连接有真空表3，通过真空表3的读数来判断石英坩埚7内部的真空情况，这里三个气咀的设计可以灵活多变地选择两个气咀进行使用。手动真空阀4上设有气咀，手动真空阀4上的气咀通过波纹管10与真空泵11连接，真空吸盘5和石英坩埚7密封后可以利用真空泵11对其进行抽真空，使它们紧密吸合。波纹管10与手动真空阀4上的气咀采用快卸连接方式，快卸连接方式优选快卸法兰。
[0024]外部装料机构还包括用于移动石英坩埚7的运输装置，这里采用装料小车9作为运输装置。装料小车9上设有挡块和减震装置，可避免运输过程中因震动对石英坩埚7造成损坏。这里采用减震弹簧作为减震装置 。
[0025]如图3所示，外部装料机构还设有起吊装置，用于将装有多晶硅原料8的石英坩埚7和真空吸盘5整体吊装放入单晶炉12热场内。真空吸盘5的真空表3上设有一个吊环，起吊装置通过吊环与安装有真空吸盘5的石英坩埚7连接，且起吊装置与吊环之间设有提升缓冲弹簧2。这里采用全自动液压吊车I作为起吊装置。
[0026]全自动液压吊将装满多晶硅原料8的石英坩埚7吊装到单晶炉12热场内时，如图4所示，将真空吸盘5和石英坩埚7看作是两个半球，当其内部的空气被抽出时，在大气压P。的作用下，真空吸盘5和石英坩埚7紧紧吸合在一起。吊装过程满足公式:F≥KXmg, F=(Ρ0-ρ) * π d2/4,其中K为安全系数，m为石英坩埚7和多晶娃原料8的总质量，g为重力加速度，F为真空吸盘5对石英坩埚7的吸力，P0为大气压，P为石英坩埚7和真空吸盘5形成的密封腔体内的气压，d为石英坩埚7的直径。单晶炉12热场为18~24寸，多晶硅原料8的最大装料量不大于200Kg，石英坩埚7质量不大于20Kg，即m不大于220Kg，d不小于450mm,大气压P。的值为1.013 X IO5Pa,安全系数K的值取6.5，得出吊装过程中，石英坩埚7和真空吸盘5形成的密封腔体内的气压值P小于I X IO4Pa,即保证吊装时真空表3的读数小于I X IO4Pa,外部装料过程中石英坩埚7不会与真空吸盘5脱开，发生意外。此原理说明外部装料机构适用于任何规格石英坩埚7的单晶炉12。
[0027]使用时，利用本发明为单晶炉12进行装料的具体方法为:
[0028]首先将石英坩埚7拆封检查好放置在装料小车9上，往石英坩埚7里装多晶硅原料8，装满之后在石英坩埚7上沿贴上L形密封圈6，将真空吸盘5盖在贴好L形密封圈6的石英坩埚7上，在手动真空阀4的气咀上连接波纹管10，波纹管10的另一端连接真空泵
11。记录此时真空表3的初始读数，然后开启真空泵11，并缓缓开启手动真空阀4，观察真空表3的指针变化。当指针接近-0.1MPa时，关紧手动真空阀4，关闭真空泵11，拆除手动真空阀4气咀上连接的波纹管10。接着放置10分钟，观察真空表3的指针有无变化，以确认是否漏气。
[0029]确认石英坩埚7和真空吸盘5组成的密闭腔体不漏气后，将装料小车9推到需要装料的单晶炉12旁边的指定位置。用全自动液压吊车I将真空吸盘5连同石英坩埚7以及其内部的多晶硅原料8 —起吊入单晶炉12内的石墨埚中，待装满多晶硅原料8的石英坩埚7安全平稳的放入石墨埚后，缓缓开启手动真空阀4开始向密闭腔体内充气，观察真空表3指针的变化，待其回到一开始记录的初始读数时，充气完成。最后用全自动液压吊车I将真空吸盘5吊起并移开，拿掉L形密封圈6，即完成整个单晶炉12外部装料过程。
[0030]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.用于单晶炉的外部装料机构，包括用于装多晶硅原料的石英坩埚，其特征在于，还包括真空吸盘、手动真空阀、真空表、密封圈和真空泵，真空吸盘上设有至少两个气咀，一个气咀连接有手动真空阀，另外一个气咀连接有真空表，手动真空阀上设有气咀，手动真空阀上的气咀通过波纹管与真空泵连接，且波纹管与手动真空阀上的气咀采用快卸连接方式；真空吸盘上设置有密封圈，并通过密封圈和石英坩埚密封连接，真空泵用于将石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体抽成真空，真空表用于测量石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的大气压力。
2.根据权利要求1所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述真空吸盘上的密封圈采用L形密封圈。
3.根据权利要求1所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述，波纹管与手动真空阀上的气咀采用快卸法兰连接。
4.根据权利要求1所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述真空吸盘是金属材质的真空吸盘。
5.根据权利要求1所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述真空吸盘上的气咀设有三个，用于变换手动真空阀的连接位置。
6.根据权利要求1所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述外部装料机构还包括运输装置，用于移动石英坩埚；运输装置采用装料小车，装料小车上设有挡块和减震装置，减震装置采用减震弹簧。
7.根据权利要求1所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述外部装料机构还包括用于将石英坩埚和真空吸盘整体吊装放入单晶炉热场内的起吊装置，真空表上设有一个吊环，起吊装置通过吊环对石英坩埚和真空吸盘整体进行起吊和移动操作，起吊装置与吊环之间设有提升缓冲弹簧。
8.根据权利要求7所述的用于单晶炉的外部装料机构，其特征在于，所述起吊装置采用全自动液压吊车。
9.基于权利要求8所述的用于单晶炉的外部装料机构的控制方法，其特征在于，全自动液压吊将装满多晶硅原料的石英坩埚吊装到单晶炉热场内时，将真空吸盘和石英坩埚看作是两个半球，当其内部的空气被抽出时，在大气压P。的作用下，真空吸盘和石英坩埚紧紧吸合在一起，吊装过程满足公式:F≥KXmg，F= (Ptj-P)* d2/4，其中K为安全系数，m为石英坩埚和多晶硅原料的总质量，g为重力加速度，F为真空吸盘对石英坩埚的吸力，P。为大气压，P为石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的气压，d为石英坩埚的直径；单晶炉热场为18~24寸，多晶硅原料的最大装料量不大于200Kg，石英坩埚质量不大于20Kg，即m不大于220Kg，d不小于450mm，大气压P。的值为1.013 X IO5Pa,安全系数K的值取6.5，得出吊装过程中，石英坩埚和真空吸盘形成的密封腔体内的气压值P小于IX IO4Pa,即保证吊装时真空表的读数小于I X IO4Pa0
【文档编号】C30B15/00GK103643285SQ201310643320
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】朱亮, 曹建伟, 王巍, 孙明, 沈兴潮 申请人:杭州慧翔电液技术开发有限公司, 浙江晶盛机电股份有限公司