单晶炉机械结构
6.直拉单晶炉及热系统
热系统的安装与对中
热系统，特别是新系统在安装前，应仔细擦抹干净，去除表面的 浮尘，检查各部件质量，整个炉室也必须清擦干净，安装顺序一 般是由下而上，由内到外。在整个安装过程中，要求热系统对中 良好。具体对中顺序如下： 1）托杆对中，先将托杆稳定地安装在下轴上，如紧上螺丝后， 托杆还有晃动，需修磨托杆下面锥面，使托杆与下轴可以紧密配 合安装。打开埚转，测量托杆是否对中良好。 2）加热器与石墨坩埚对中，打开埚转，对平口（将石墨坩埚上 沿与加热器上沿处于同一平面），调整加热器位置，与石墨坩埚 对中，保证石墨坩埚与加热器之间的间隙四周都一致。最后紧电 极螺丝，固定好加热器。 3）保温罩与加热器对中，调整保温筒位置，做到保温筒内壁和 加热器外壁之间间隙四周都一致，注意可径向移动，不可转动， 否则取光孔和测温孔对不上。 4）保证炉底护盘与电极之间间隙前后一致，否则可能造成打火。 每次拆装炉时，都需检查同心度，这样既可保证热场的对称性， 又能避免短路打火。
3、真空系统
真空系统主要分两部分：主炉室真空系统和副炉室 真空系统。 主炉室真空系统主要包括主真空泵、电磁截至阀、除尘 罐、安全阀、真空计、真空管道及控制系统等。其中除 尘罐对排气中的粉尘起到过滤作用，以便保护真空泵， 除尘罐内的过滤网要定期清理，使排气畅通，否则影响 成晶，另外要定期更换泵油。 副炉室真空系统除了无除尘罐外，与主炉室真空系统相 似。主要是在拉晶过程中需要关闭主、副炉室之间的翻 板阀取晶体或提渣时，必须用副炉室真空系统来对副炉 室进行抽真空。 拉晶过程中必要时应进行真空检漏。冷炉极限真空应达 到3Pa以下，单晶炉泄露率应该低于3Pa/10min。 3Pa以下，单晶炉泄露率应该低于3Pa/10min。
1、水冷系统
水冷系统包括总进水管道、分水器、各路冷却水 管道以及回水管道。由循环水系统来保证水循环 正常运行。 水冷系统的正常运行非常重要，必须随时保持各 部位冷却水路畅通，不得堵塞或停水，轻者会影 响成晶率，严重会烧坏炉体部件，造成巨大损失。
单晶炉机械传动系统综述
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
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。
单晶炉DRF95使用说明书(机械-最新)
机械部分目录
1．
1.1 1.2 1.3 1.4
综述〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃1
7.13 拉晶过程中速度记录曲线出现尖刺 7.14 欧陆表显示断偶（or） 7.15 非故障报警 7.16 加热过程中电流突然下降 7.17 加热电压加至 0V 突然回零 7.18 过流
〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃19
晶体直径（mm） 6″(φ154)
单晶等径尺寸（mm） 1900 1060 1400 900
20″(φ505×375)
90 8″(φ206) 8″(φ206) 10″(φ257)
22″(φ555×400)
120
3
2．设备安装与要求
2．1 设备的工作环境: 本设备应放臵在专用混凝土基础上, 环境条件应选择恒温、恒湿车间。应在清洁、减 振的工作环境中工作,也可选择在与空气中粉尘、振动和冲击波隔离的较好环境中工作。地 面应尽量平整,并有自然排水孔,使清理下的泄水能自然排放及回收处理。 外界突然较强烈的冲击振动,可能会影响晶体的内在质量。 因此, 厂房应尽量选择在避 开震源的地方。当条件限制不能避开时,则要作必要的隔振措施。其具体要求条件为: 室温 相对湿度 外界震源: 205℃ ≤65% 当大于 10HZ 时,振幅值应小于 0.10mm
直拉式单晶炉测温方案
最小测量目标1.2mm 测量距离：距离250~4000mm, 光谱范围：0.7~1.1μm 测量精度：0.5%测量值 重复精度：0.2%测量值 响应时间：5ms，可调直10s 比色系数（双色）：0.800~1.200 可通过软 件或测温仪上的按钮调节
炉缸控制 系统
输出信号：0/4~20毫安,温度线性
把加热功率降低并关闭，并充入氩气，提升气压至大气压。让铸锭硅在炉内自然 冷却8～13个小时。方可打开炉室，取出铸锭硅块。
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多晶硅液面 测温方案 PYROSPOT DSR10N
温度范围：700~1800℃
光学镜头：可变焦距，带石英玻璃保护窗，最小测量 目标1.2mm 测量距离：距离250~4000mm, 光谱范围：0.7~1.1μm 测量精度：0.5%测量值 重复精度：0.2%测量值 响应时间：5ms，可调直10s 比色系数（双色）：0.800~1.200 可通过软件或测温仪 上的按钮调节
多晶硅生产过程简介
1、装炉 将多晶硅料和掺杂剂放入炉内，给炉室抽真空并通氩气，保持气压为：400～
600mbar 2、加热熔化硅料
给炉室内的石墨加热器通电加热。先预热，使石英坩埚的温度达到1200～ 1300℃左右，保持4~5小时。然后逐渐增加加热功率，使石英坩埚内的温度达到 1500℃（大于硅熔点）左右，硅原料开始熔化。该时间约为9~11小时。 3、铸锭硅生长
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多晶硅炉基本构造（红外测温仪安装处）
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单晶炉多晶炉材料发射率
晶体：0.55 熔体：0.3 石英坩埚：0.5 石墨：0.8
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培训专用
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单晶炉技术说明书
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。
硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉
• 单晶硅生长时，热场中存在着固体 （晶体），熔体两种形态，温度梯度 也有两种。
• 晶体中的纵向温度梯度(dT/dy)s和径 向温度梯度(dT/dx)s 。熔体中的纵向 温度梯度(dT/dy)L和径向温度梯度 (dT/dx)L 。是两种完全不同的温度分 布。
• 最能影响结晶状态是生长界面处的温 度梯度(dT/dy)s-L ， (dT/dx)s-L ，它是 晶体、熔体、环境三者的传热、放热、 散热综合影响的结果，在一定程度上 决定看单晶质量。
2.3 热系统
• 直拉单晶炉热系统 由加热器、保温罩、 石墨电极、石墨托 碗、石墨托杆组成。 保温罩一般用高纯 石墨、钼片或碳毡 制成。强大电流通 过加热器，产生高 温，由保温罩保温， 形成热场。
石墨加热器 单晶炉加热器
2.4水冷系统和真空系统
• 用直拉单晶炉拉制硅单晶是在高温下进行 的，因此，炉膛、观察窗、籽晶轴、坩埚 轴、紫铜电极等于必须进行水冷。直拉单 晶炉都有庞大的水冷系统，它由进水管道、 水阀、水压继电器、分水箱、各冷却部分 水网、回水箱和排水管等组成水系。
–多晶硅电池效率比单晶硅低一些，但硅锭生产效率高， 在规模化生产上较有优势。
• 目前国际上以多晶硅硅锭生产为主，而国内由于 人工成本低，国产单晶炉价格低，因此国内单晶 硅硅锭的产能比多晶硅大得多。
1 太阳电池单晶硅锭生产技术
• 1.1 切克劳斯基法（Czochralsik： CZ 法） 1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法 现成为制备单晶硅的主要方法。
• 炉内的传热、传质、流体力 学、化学反应等过程都直接 影响到单晶的生长及生长成 的单晶的质量。
• 拉晶过程中可直接控制的参 数有温度场、籽晶的晶向、 坩埚和生长成的单晶的旋转 及提升速率，炉内保护气体 的种类、流向、流速、压力 等。
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2019/10/26
籽晶钢缆的对中
1、安放对中靶在坩埚轴的托盘上，保证其 位于托盘正中。 2、安装对中针在籽晶夹头的一端。 3、定位坩埚使对中靶在要求的熔体水平位 置。 4、抽空单晶炉且维持在20Torr静态压力。 5、降下籽晶夹头，使对中针几乎触及对中 靶。 6、从另一个观察窗观察对中针是否正对对 中靶中心。 7、如对中针没有正对对中靶中心，则松开 固定籽晶提升装置的三个压紧块。 8、调整压紧块侧面的顶紧螺钉使对中针正 对对中靶中心。 9、上紧三个压紧块，观察对中针是否有偏 差。 10、拆下对中靶和对中针。
炉体
整 体 结 电控柜 构 尺 电源柜 寸
总重
整体结构尺寸
接口尺寸
晶体提升机构
• 籽晶提升机构经 过静平衡和动平 衡测试
• 带称重传感器 • 快慢速双电机 • 外置限位调节 • 观测玻璃窗 • 光电编码计行程
晶体提升机构结构（主视）
晶体提升机构结构（俯视）
晶体提升腔拆装及调整
拆装钢丝绳时缆索管位置来自维修周期 每次运行 每个月
3个月 3个月 3个月 3个月
步骤 检查磨损、损坏情况 清洁并检查对中性 检查磨损/对中和张力
检查碳刷长度 检查紧固性
检查离合器间隙及动作
坩埚提升机构
• 滚珠直线导轨 • 精密丝杆，自锁 • 承受轴向力磁流
体密封 • 快慢速双电机 • 光电编码计行程
坩埚提升机构（主视）
16、拆下把铜螺母固定到盖端上的4颗螺钉，取下铜螺母。 17、重装时，首先铜螺母装回端盖，装回把铜螺母固定到
盖端上的4颗螺钉。 18、将右端盖装回提升腔，上紧固定螺钉。 19、将缆索管装入花键滑套，上紧固定螺钉。 20、装回花键轴左端的滚动轴承。 21、将花键轴、缆索管、右端盖以及晶转磁流体密封作为
晶体提升腔拆装及调整
取出压力辊子组件 左端盖
9 松开压力滚子组件固定到提升腔上的4颗螺钉，拆下 压力滚子组件。
10 拆下提升腔右端盖的4颗螺钉。 12 用小拉马取下花键轴左端的滚动轴承。
拆下提升腔左端盖的盖板，用铜棒敲击花键轴，将 其向
11 右端推出，同时顺时针旋转花键轴使得缆索管从铜螺母 的螺纹上脱开，将花键轴、缆索管、右端盖以及晶转磁 流体密封作为一个整体从提升腔内抽出。
晶升离合器的调整
1、使用0.2mm的塞尺塞入离合 器，当离合器通电时，固 定离合器右侧的定位螺钉。
2、离合器断电，取出塞尺， 重新通电，检查是否吸合。
3、离合器断电，用0.2mm的塞 尺检查间隙是否有变化。
4、反复测试几次，至离合器 吸合、分离正常。
晶体提升机构维护周期表
设备名称 籽晶钢缆 籽晶提升滑轮及卷丝轮 晶转和晶升皮带 晶转、晶升电机噪声、刷磨损 联轴器紧定螺钉 晶升离合器组件的调整
13 松开并取下把花键轴滑套固定到缆索管上的4颗螺钉。
14 将缆索管从花键滑套上拉出，小心，不要把滑套拉出花 键轴，否则，滚珠将会从滚槽中掉下来。
取出晶转磁流体
右端盖
取出右端盖
花键轴、缆索管
晶体提升腔拆装及调整
左端盖及铜螺母 对中针
缆索管的对中
15、拆下提升腔左端盖的4颗螺钉，将左端盖连同铜螺母 一起从提升腔内抽出。
晶体提升腔拆装及调整
25、提升腔垂直向下放到底板上，小心不要破坏提升腔的内孔以及晶转 磁流体密封的O型圈和轴。在O型圈上抹少量的真空脂将有助于提升腔 的装入。
26、装回把提升腔固定到底板上的两颗螺钉。 27、装回称重腔，拧紧铰链螺钉。 28、装回钢丝绳，并重新检查限位开关的设置。 29、装回刚性联轴器和卡环，确定联轴器上的十字块仍在正确位置。 30、在钢丝绳上装上籽晶夹头。 31、将称重传感器腔的航空插头重新插上。
籽晶提升 旋转机构
单晶棒 CCD
加热器 坩埚 坩埚提升 旋转机构
液面测 温仪 氩气 流量
籽晶
热场测 温仪
工艺过程
• 抽真空 • 检漏 • 调压 • 熔料 • 稳定 • 熔接 • 引晶 • 放肩 • 转肩 • 等径 • 收尾 • 停炉 • 氧化
熔料
引晶
放肩
等晶
收尾
TDR85A-ZJS全自动晶体生长炉
1、拔下称重传感器腔上的航空插头。 2、从钢丝绳上取下籽晶夹头。 3、将缆索管下降到如左图所示位置之后，取下
钢丝绳。 4、松开第二级蜗轮蜗杆减速箱输出轴上卡环的
内六角螺钉，松开刚性连轴器右侧的紧定螺 钉，将其向外滑出。小心不要把联轴器上的 十字块跌落。 5、松开行程块的2颗固定螺钉，卸下同步带。 6、拆下把提升腔固定到晶升底板上的两个螺钉。 螺钉是从底板下面向上旋进的。 7、把提升腔垂直平稳向上提起，小心不要破坏 提升腔的内孔以及晶转磁流体密封的O型圈和 轴。 8、松开2颗铰链螺钉，使称重腔与提升腔脱离。
TDR85A-ZJS单晶炉的机械 结构与维修
背景 — 半导体生产流程
石英砂－金属硅
多晶
拉制单晶棒 （本产品研究环节）
单晶硅片
单晶硅棒
集成电路
集成电路应用
太阳能电池
太阳能电池应用
设备简介
直拉式单晶硅生长炉是一种高效率制备硅单 晶体的设备。
将多晶硅原料放在炉体的石英坩埚内进行高 温熔化（大于1450℃），在低真空度和氩气保护下， 通过籽晶插入多晶硅熔体后，在籽晶周围形成过冷 态并进行有规律结晶生长，形成一根单晶棒体。
坩埚提升机构（俯视）
坩埚提升机构拆装及调整
拆旋转皮带
1、关掉坩埚轴冷却水的进水管阀门，将其回水管用扎带 扎起。
2、松开坩埚旋转电机齿轮箱组件并从坩埚轴上拆下旋转 皮带。
3、从坩埚轴组件上松开并取下旋转接头夹紧圈。 4、松开坩埚轴上的固定冷却管的3只紧定螺钉，向下取
出旋转接头和冷却管。 5、松开固定波纹管的螺钉，取下波纹管。 6、从坩埚轴磁流体密封的底部取下夹紧圈和旋转带轮。 7、从炉底板的上方将坩埚轴从埚转磁流体密封中抽出。
一个整体从提升腔右侧送入，逆时针旋转花键轴使得 缆索管拧入铜螺母，将右端盖完全压入提升腔，上紧4 颗固定螺钉。 22、装回提升腔左端盖的盖板，拧紧固定螺钉。 23、装回压力滚子组件，拧紧压力滚子组件固定到提升腔 上的4颗螺钉。 24、将对中针从提升腔下面晶转磁流体孔放入，检查钢缆 螺纹与磁流体孔中心的位置，保证磁流体孔中心与所 对应螺纹的中心的偏差不大于0.05mm。