论单晶炉的设计优化

【摘要】文中基于笔者相关工作经验进行了单晶炉的设计优化分析，主要进行了热变形、真空获得、传动系统和高效节能4个方面的设计优化探讨，这一研究对于单晶炉生产的进一步高效发展具有一定的意义。

【关键词】热变形；真空获得；传动系统；高效节能

1、引言

单晶炉是用来制造人工晶体的，比如硅、砷化镓、YAG、锗等人工晶体都是用它加工出来的。它使用的时候要用到很多学科，比如电气、计算机、机械、液压、热动力、空气动力学、流体力学等，这些学科彼此联系。因为单个的单晶炉是不稳定的，不能满足人工晶体制造的要求。只有各系统科学合理地结合在一起，才使单晶炉成为成套设备，设备稳定了，人工晶体制造的要求也就得到了满足。

2、热变形设计优化

单晶炉内部由炉室、翻板箱、生长副炉室和炉盖等组成，炉室、炉盖均为双层水冷式结构，是用来隔热保温的。为什么要设置这样的结构呢？因为人工晶体的熔点都很高，而人工晶体在制作的时候还要进行材料熔化、晶体生长等过程才能制造出来，所以单晶炉内部的加热温度只有很高才能制造出来人工晶体。而温度很高都会使材料变形，更何况主炉室、炉盖了。主炉室内壁一般150℃以上就会变形，炉盖内壁一般超过300℃就会变形，其他部件如翻板箱、生长副炉室一般在50℃以上就会变形了。所以在制造的时候要考虑温度对单晶炉内部结构变形的影响。如果单晶炉内部变形就会影响设备零件的尺寸变化，也会影响设备零件的形状变化，导致制造出来的人工晶体不合格。工程师也想到了这一点，就把固定的结构设计成循环的结构，这样外壁温度就不是很高，基本上就不会变形。虽然还是会有一些变形，但是不影响制造出的零件的尺寸和形状，这样就减小了各部件之间的变形程度，各部件的配合就会很默契。

3、真空获得设计优化

真空系统内部零部件不要有螺纹连接界死角、配合死角、尖角等，要注意螺纹连接、零件之间的配合。真空系统内壁要光滑，管路要减少关节，尽可能光滑，这样管路才能顺畅，方便清理。这样生产人工晶体的时候，按要求排空单晶炉里的空气达到一定的真空状态后压力就回升的慢。这就是所谓的压升率，它是评价单晶炉真空性能的主要指标。目前硅单晶生长工艺抽空管道就采用了对称排列，这样气流分布才均匀，晶体生长区域才更大。还有一个指标也很重要，那就是抽空时间，就是在生产人工晶体的时候所要求的排空单晶炉里空气所需要的时间。如果你选择的真空泵组好，抽空时间就短，反之，抽空时间就长。

4、传动系统设计优化

许多工程师在设计单晶炉的运动系统的时候都不仅要考虑到承载能力，还要考虑到运动系统的精确程度和平稳程度的重要性。单晶炉传动系统的优点是精度高，缺点是速度低，这样单晶硅的生长速度也随之降低。所以现在很多工程师都在想办法调整单晶炉传动系统，使之速度变得快一些。例如调整工艺参数就是一个好的办法，但是和一些普通的机电一体化设备相比速度还是慢一些。有时候，运动系统在工作的时候还会晃动、震动、爬行，这些也都影响人工晶体的生长速度。现在普遍用的坩埚运动系统，是由直线导轨导向滚珠丝杠驱动、双导柱导向滚珠丝杠驱动等组成的运动系统。坩埚的工作运动速度很快，这样单晶体的生长速度就会减慢，所以要对它进行减速，最重要的是对驱动电机进行减速调速。而调速最好选择精度高、误差小的减速器作为最后一级的减速，减小前面一步传动产生的误差对工作运动精度的影响。

5、高效节能设计优化

我们国家现在大力提倡节能降耗，而人工晶体的制作要很长时间才能制造出来，而且要很大的功率，这样就会消耗很多的电，从而消耗了能源。据统计每公斤单晶生产需要消耗50°以上的电，那么生产人工晶体的单晶炉就是一个高耗能设备。怎么才能降低消耗增加效率呢？增大单晶炉的装料量就是一个很好的方法，这样就不用每次都费时间加料和卸料了，就不用每次开炉的时候加热化料，出炉的时候再降温，这样就会减少石英坩埚的的使用量，从而就减少了成本。增大单晶炉的装料量有三种方法，一是把以前小的工艺系统变大，但是也要考虑设备的能力，不要超载了，得不偿失；二是可以增加导流筒升降装置，这样可以自动降温；三是设备增加二次加料的装置，可以不用开炉盖就进行加料。

为了响应国家节能号召，工程师还进行了其他节能设计，例如硅单晶制造的时候底部保温及炉筒下部周边的保温都要加强，这样横向温度梯度就会减小，纵向温度梯度就会增大，保温效果才会好。