一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构及工作方法

摘要

本发明公开了一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构及工作方法，主要包括电动推杆、单晶硅棒、电动滑块、夹持环机构、电动导轨、凸轴；炉壳上部设有套筒，所述凸轴设于所述电动导轨上部，所述电动推杆与所述凸轴通过螺纹连接；所述电动滑块一侧存在双层凹槽；所述夹持环机构分为夹持基座和夹持环，所述夹持基座侧部的旋块与双层凹槽嵌入配合；所述夹持环设有滚轮，两个夹持环通过插柱与凹槽配合对接。使用该装置时需将硅棒拉制出腰部，电动推杆推动凸轴，带动电动导轨从两侧向中心移动，使夹持环机构夹持住腰部，防止硅棒晃动，同时协助提拉线提拉，降低负载，并防止因单晶硅棒重量过大导致细颈断裂，有利于减小安全隐患并提升单晶硅质量。

权利要求

1.一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，包括炉壳（10）和单晶硅棒（13），其特征在于，所述炉壳（10）的两侧对称设置有套筒（25），所述炉壳（10）内侧设有两条电动导轨（24），所述电动导轨（24）上设有朝外的凸轴（26），所述凸轴（26）穿过所述套筒（25）后末端与电动推杆（11）通过螺纹连接，所述凸轴（26）与所述套筒（25）滑动副连接，从而依靠电动推杆（11）来推动所述电动导轨（24）水平移动；每条所述电动导轨（24）上安装有电动滑块（22），所述电动滑块（22）上安装有夹持基座（2301），所述夹持基座（2301）上固定有上下对称设置的两个夹持环（2302），两个夹持环（2302）之间安装有若干个转动滚轮（2303），所述单晶硅棒（13）位于所述转动滚轮（2303）的中间；所述电动滑块（22）的一侧设置有双层凹槽（2201），所述双层凹槽（2201）内层为扁圆柱形空间，所述双层凹槽（2201）外层设有边缘块（2202）；

所述夹持基座（2301）上固定设置旋块（2307），所述旋块（2307）具有扇形外层叶片（2308）和内层圆柱（2309），所述外层叶片（2308）厚度与所述双层凹槽（2201）的内层厚度相同，所述外层叶片（2308）外层外径与所述双层凹槽（2201）的内层直径相同，所述外层叶片（2308）轮廓与边缘块（2202）轮廓相贴合，所述内层圆柱（2309）直径与所述外层叶片（2308）内径相同，从而实现将所述旋块（2307）与所述双层凹槽（2201）嵌入配合在一起；每个所述夹持环（2302）由两个半圆环拼装而成，每个所述半圆环的圆环切端面上对应设置插柱（2305）和凹槽（2306），依靠插柱（2305）和凹槽（2306）的配合将两个半圆环拼装成整个夹持环（2302）；

上下两层夹持环（2302）上至少带有三对相互对称的圆孔，每对圆孔上均安装有中心螺柱（2304），所述滚轮（2303）通过中心螺柱（2304）固定安装在两个夹持环之间，所述夹持基座（2301）为V形结构，靠近夹持基座（2301）的滚轮（2303）在所述夹持基座（2301）的V形凹陷区，不影响滚轮（2303）转动；所述滚轮（2303）上侧具有斜面，斜面与垂直面的角度大于所述单晶硅棒（13）腰部斜面与垂直面的夹角，可承接所述单晶硅棒（13）的腰部斜面，滚轮（2303）中间为轴承结构，在夹持环（2302）提拉单晶硅时不影响硅棒转动，滚轮（2303）整体高度与所述夹持环（2302）两层间距相等，中间由中心螺柱（2304）穿过夹持环（2302），两端由螺帽固定。

2.根据权利要求1所述的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，其特征在于，所述电动滑块（22）底部设有夹持环限制块（2203），所述夹持环限制块（2203）一侧设有通孔，通孔内侧为光滑表面，所述电动滑块（22）底部设置有螺纹凸起（2204），所述螺纹凸起（2204）顶部存在螺纹，所述夹持环限制块（2203）套在所述螺纹凸起（2204）上，由螺帽进行固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，其特征在于，所述电动导轨（24）与所述电动滑块（22）为一体结构，共同连接外部电路来控制所述电动滑块的上下移动。

4.根据权利要求1所述的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，其特征在于，所述夹持基座（2301）、所述夹持环（2302）和所述滚轮（2303）均位于单晶炉副室。

5.根据权利要求1所述的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，其特征在于，所述夹持基座（2301）、所述夹持环（2302）和所述滚轮（2303）的材料为钼、钨、钛合金中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）单晶硅放肩阶段完成后，进入等径生长阶段，在拉制出一段长度的单晶硅后提高拉速拉制出单晶硅棒的腰部，并使腰部上部具有的斜面与垂直面的夹角应小于滚轮斜面与垂直面的夹角，防止单晶硅棒的斜面部分卡在两个夹持环机构配合形成的圆形夹持环上；单晶硅棒腰部圆柱部分直径不得大于两个夹持环机构合并后滚轮边缘形成的圆形范围内径，腰部圆柱部分高度与夹持环机构的厚度相同，避免夹持环机构无法完全夹持单晶硅棒或影响夹持机构的工作状态；拉制出腰部后再次放肩，进入等径生长阶段；

（2）夹持环机构在未夹持状态时，位于单晶炉副室的两侧，防止夹持环机构触碰到单晶硅棒，影响单晶硅棒的拉制；

（3）单晶硅棒的腰部中心提拉至夹持环机构水平位置时，两边的电动推杆推动凸轴，使电动导轨从两侧向中心移动；

通过控制电动滑块在电动导轨的轴向位置使滚轮与单晶硅棒的腰部紧密贴合，直至位于一侧的夹持环存在的插柱和凹槽与另一侧对应的插柱和凹槽配合对接，将单晶硅棒夹持在中间，且夹持环能载住单晶硅棒，不发生周向滑动；

（4）控制电动滑块在电动导轨上的移动速度直至与提拉线的速度一致，可协助提拉线提升单晶硅棒，减小提拉线的负载，延长提拉线的使用寿命，同时防止因单晶硅棒重量过大引起细颈断裂。

说明书

一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构及工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及单晶硅生产制备技术领域，尤其涉及一种直拉法单晶硅棒生产用提拉和夹持机构。

背景技术

[0002] 单晶硅是半导体电子材料与太阳能电池材料的主要来源。目前，单晶硅正朝着大尺寸、高效率，低成本的方向发展。

[0003] 直拉法（CZ）是生产单晶硅最常用的一种方法。在单晶炉中将原料放在坩埚中熔化，在合理的温场下，使装在籽晶杆上的单晶籽晶接触到熔体，在籽晶与熔体的固液界面上
因温度差形成过冷，于是熔体开始在籽晶表面凝固并生长成与籽晶具有相同晶体结构的单
晶，籽晶同时以极缓慢的速度被提拉线往上拉升，并伴随一定的转速旋转，随着籽晶的向上
拉升，熔体逐渐凝固在固液界面上，进而形成轴对称的单晶硅棒。整个工艺包括缩颈、放肩、
转肩、等径生长、收尾等几个阶段。

[0004] 目前国内外普遍采用软轴单晶炉进行直拉法单晶硅的制备，随着直拉法单晶硅直径以及长度的不断增加，提拉线长度与晶体重量也在随之增加，导致单晶硅棒晃动的风险
增大，同时提拉线的负载增大和溅料的发生还容易引起提拉线强度降低，并且重量过大的
单晶硅棒还可能会引发细颈断裂。

[0005] 坩埚旋转、籽晶提升旋转机构运行不平稳，冷却水的不稳定流动过程中产生的振动，以及由单晶炉外部因素引发的单晶硅棒晃动等，会引发严重的安全性问题且不利于提
高单晶硅材料的质量。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是克服目前直拉法单晶硅生产过程中现有技术的问题与不足，提供一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构及工作方法，使夹持机构可以夹持正在
提拉的单晶硅棒，在防止单晶硅棒晃动的同时不影响单晶硅棒的旋转，并可协助提拉线提
升单晶硅棒，减小提拉线的负载，延长提拉线的使用寿命，同时还有利于保留细颈排出位
错。

[0007] 为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明提出的解决方案是：一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，包括炉壳和单晶硅棒，所述炉壳的两侧对称设置有套筒，所述炉壳内
侧设有两条电动导轨，所述电动导轨上设有朝外的凸轴，所述凸轴穿过所述套筒后末端与
电动推杆通过螺纹连接，所述凸轴与所述套筒滑动副连接，从而依靠电动推杆来推动所述
电动导轨水平移动；每条所述电动导轨上安装有电动滑块，所述电动滑块上安装有夹持基
座，所述夹持基座上固定有上下对称设置的两个夹持环，两个夹持环之间安装有若干个转
动滚轮，所述单晶硅棒位于所述转动滚轮的中间。

[0008] 上述方案中，所述电动滑块的一侧设置有双层凹槽，所述双层凹槽内层为扁圆柱形空间，所述双层凹槽外层设有边缘块；所述夹持基座上固定设置旋块，所述旋块具有扇形
外层叶片和内层圆柱，所述外层叶片厚度与所述双层凹槽的内层厚度相同，所述外层叶片
外层外径与所述双层凹槽的内层直径相同，所述外层叶片轮廓与边缘块轮廓相贴合，所述
内层圆柱直径与所述外层叶片内径相同，从而实现将所述旋块与所述双层凹槽嵌入配合在
一起。

[0009] 上述方案中，所述电动滑块底部设有夹持环限制块，所述夹持环限制块一侧设有通孔，通孔内侧为光滑表面，所述电动滑块底部设置有螺纹凸起，所述螺纹凸起顶部存在螺
纹，所述夹持环限制块套在所述螺纹凸起上，由螺帽进行固定。

[0010] 上述方案中，所述电动导轨与所述电动滑块为一体结构，共同连接外部电路来控制所述电动滑块的上下移动。

[0011] 上述方案中，每个所述夹持环由两个半圆环拼装而成，每个所述半圆环的圆环切端面上对应设置插柱和凹槽，依靠插柱和凹槽的配合将两个半圆环拼装成整个夹持环。

[0012] 上述方案中，上下两层夹持环上至少带有三对相互对称的圆孔，每对圆孔上均安装有中心螺柱，所述滚轮通过中心螺柱固定安装在两个夹持环之间，所述夹持基座为V形结
构，靠近夹持基座的滚轮在所述夹持基座的V形凹陷区，不影响滚轮转动。

[0013] 上述方案中，所述滚轮上侧具有斜面，斜面与垂直面的角度大于所述单晶硅棒腰部斜面与垂直面的夹角，可承接所述单晶硅棒的腰部斜面，滚轮中间为轴承结构，在夹持环
提拉单晶硅时不影响硅棒转动，滚轮整体高度与所述夹持环两层间距相等，中间由中心螺
柱穿过夹持环，两端由螺帽固定。

[0014] 上述方案中，所述夹持基座、所述夹持环和所述滚轮均位于单晶炉副室。

[0015] 上述方案中，所述夹持基座、所述夹持环和所述滚轮的材料为钼、钨、钛合金中的任意一种。

[0016] 本发明还提供了一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构的工作方法，包括以下步骤：（1）单晶硅放肩阶段完成后，进入等径生长阶段，在拉制出一段长度的单晶硅后提高拉
速拉制出单晶硅棒的腰部，并使腰部上部具有的斜面与垂直面的夹角应小于滚轮斜面与垂
直面的夹角，防止单晶硅棒的斜面部分卡在两个夹持环机构配合形成的圆形夹持环上；单
晶硅棒腰部圆柱部分直径不得大于两个夹持环机构合并后滚轮边缘形成的圆形范围内径，
腰部圆柱部分高度与夹持环机构的厚度相同，避免夹持环机构无法完全夹持单晶硅棒或影
响夹持机构的工作状态；拉制出腰部后再次放肩，进入等径生长阶段。（2）夹持环机构在未
夹持状态时，位于单晶炉副室的两侧，防止夹持环机构触碰到单晶硅棒，影响单晶硅棒的拉
制。（3）单晶硅棒的腰部中心提拉至夹持环机构水平位置时，两边的电动推杆推动凸轴，使
电动导轨从两侧向中心移动。通过控制电动滑块在电动导轨的轴向位置使滚轮与单晶硅棒
的腰部紧密贴合，直至位于一侧的夹持环存在的插柱和凹槽与另一侧对应的插柱和凹槽配
合对接，将单晶硅棒夹持在中间，且夹持环能载住单晶硅棒，不发生周向滑动。（4）控制电动
滑块在电动导轨上的移动速度直至与提拉线的速度一致，可协助提拉线提升单晶硅棒，减
小提拉线的负载，延长提拉线的使用寿命，同时防止因单晶硅棒重量过大引起细颈断裂。

[0017] 本发明所具有的有益效果有：本发明设计了以电动导轨电动滑块为传动机构的夹持机构，不会发生晃动，可实现平滑稳定的提拉单晶硅棒。夹持环机构采用圆形构造，贴合
单晶硅棒的腰部轮廓，实现横向固定，防止单晶硅棒在干扰因素下发生晃动，且单晶硅棒在
提拉过程中拉制出所夹持腰部，避免了直接夹持大直径单晶硅棒出现的周向滑动现象从而
失去提拉作用。夹持环之间设有滚轮结构，使夹持机构夹持单晶硅棒进行提拉的同时，不影
响单晶硅棒的旋转。可协助提拉线提升单晶硅棒，减小提拉线的负载，延长提拉线的使用寿
命，同时防止因单晶硅棒重量过大引发细颈断裂。旋块和双层凹槽的设计，易于安装和拆
卸，方便更换夹持环机构。电动滑块底部的夹持环限制块结构，构造简单，操作方便，仅需拨
动夹持环限制块，拧紧螺帽，便可防止安装后的夹持环机构发生周向转动。

附图说明

[0018] 图1是本发明所涉及的带有一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构的单晶炉结构剖视图。

[0019] 图2是本发明所涉及的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构结构示意图。

[0020] 图3是本发明所涉及的一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构结构剖视图。

[0021] 图4是本发明所涉及的两个所述夹持环机构与所述电动滑块配合后的结构示意图。

[0022] 图5是本发明所涉及的两个所述夹持环机构与所述电动滑块配合后的结构剖视图。

[0023] 图6是本发明所涉及的所述夹持环机构与所述电动滑块的结构示意图。

[0024] 图7是本发明所涉及的所述夹持环机构的结构示意图。

[0025] 图8是本发明所涉及的所述夹持基座的结构示意图。

[0026] 图9是本发明所涉及的所述滚轮的剖视图。

[0027] 图10是本发明所涉及的所述滚轮斜面与垂直面的角度α示意图。

[0028] 图11是所述单晶硅腰部上部斜面与垂直面的夹角β示意图。

[0029] 图中各标记分别是：10‑炉壳、11‑电动推杆、12‑籽晶、13‑单晶硅棒、14‑保温碳毡、15‑热屏、16‑石墨坩埚、17‑石英坩埚、18‑硅熔体、19‑底部支撑柱、20‑石墨坩埚支撑、21‑石
墨加热器、22‑电动滑块、2201‑双层凹槽、2202‑边缘块、2203‑夹持环限制块、2204‑螺纹凸
起、23‑夹持环机构、2301‑夹持基座、2302‑夹持环、2303‑滚轮、2304‑中心螺柱、2305‑插柱、
2306‑凹槽、2307‑旋块、2308‑外层叶片、2309‑内层圆柱、24‑电动导轨、25‑套筒、26‑凸轴。

具体实施方式

[0030] 为更好理解本发明的技术方案与设计目的，结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

[0031] 本实施例所基于的单晶炉结构如图1至图9所示，包括炉壳10、籽晶12、单晶硅棒13、保温碳毡14、热屏15、石墨坩埚16、石英坩埚17、硅熔体18、底部支撑柱19、石墨坩埚支撑
20、石墨加热器21以及一种可提拉的直拉法单晶硅夹持机构，包括电动推杆11、电动滑块
22、夹持环机构23、电动导轨24、套筒25、凸轴26。

[0032] 所述夹持环机构23包括夹持基座2301与夹持环2302，所述夹持环2302带有滚轮2303，所述夹持环2302半圆剖面处存在插柱2305和凹槽2306，所述夹持基座2301为V字型结
构中间存在V形凹陷，所述夹持基座2301一侧存在旋块2307，所述夹持环2302共有两个，每
个夹持环2302存在两层半圆形环，每层半圆形环存在三个通孔，两层共六个通孔；滚轮2303
中间为轴承机构，所述滚轮2303中间孔隙部分对准两层夹持环的通孔，中心螺柱2304透过
两层夹持环通孔并穿过所述滚轮2303，所述中心螺柱2304两端带有螺纹，上下两端延伸出
的部分由螺帽旋紧固定，对于靠近所述夹持基座2301的滚轮2303，由于所述夹持基座2301
存在V形凹陷，不影响所述滚轮2303的转动。以此为例，其他的滚轮同样按照以上步骤进行
装配。

[0033] 所述电动滑块22一侧存在双层凹槽2201，所述旋块2307与所述双层凹槽2201嵌入配合，具体的，所述双层凹槽2201的第一层存在边缘块2202，所述边缘块2202具有四块，分
别位于周向的0°、90°、180°、270°四个位置，所述旋块2307的外层叶片2308同样具有相同的
周向位置，需将所述夹持机构23旋转一定角度使所述外层叶片2308轮廓与所述边缘块2202
轮廓贴合，再将所述外层叶片2308深入所述双层凹槽2201的第二层，旋转所述夹持环机构
23与所述电动滑块22使上下表面重合以限制所述夹持环机构23的横向移动；旋转所述电动
滑块22底部的夹持环限制块2203，所述夹持环限制块2203拨至所述夹持环机构23底部表
面，拧紧所述夹持环限制块2203底部的螺帽，可限制所述夹持环机构23在提拉过程中发生
周向转动。在拆卸或者更换新的夹持环机构23时，需先拧松螺帽，旋转底部所述夹持环限制
块2203，拨至远离所述夹持环机构23位置，此时可旋转所述夹持环机构23，将所述旋块2307
拖出所述双层凹槽2201。

[0034] 所述炉壳10上部对称两侧各设有套筒25，所述电动导轨23上具有凸轴26，所述电动推杆11位于炉壳10外部，所述凸轴26穿过所述套筒25与所述电动推杆11通过螺纹连接，
所述电动推杆11外接电路，所述电动滑块22与所述电动导轨23一体连接，并外接电路控制。

[0035] 本发明在实施例中的单晶硅生长阶段，单晶硅放肩阶段完成后，进入等径生长阶段，在进入等径生长阶段一段时间后得到一定长度的单晶硅，随后提高拉速拉制出所述单
晶硅棒13的腰部，同时所述滚轮2303斜面与垂直面的夹角α应大于腰部上部具有的斜面与
垂直面的夹角β（如图10和图11所示），防止所述单晶硅棒13的斜面部分卡在两个所述夹持
环机构23配合形成的圆形夹持环2302上，所述单晶硅棒13腰部圆柱部分直径不得大于两个
所述夹持环机构23合并后所述滚轮2303边缘形成的圆形范围内径，腰部圆柱部分高度与所
述夹持环机构23的厚度相同，避免所述夹持环机构23无法完全夹持所述单晶硅棒13或影响
夹持机构的工作状态；拉制出腰部后再次放肩，进入等径生长阶段。

[0036] 携有所述夹持环机构23在未夹持状态时，位于单晶炉副室两侧，避免所述夹持环机构23在此时触碰到所述单晶硅棒13，影响所述单晶硅棒13的拉制。

[0037] 所述单晶硅棒13的腰部中心提拉至所述夹持环机构23水平位置时，两边的所述电动推杆11在外部电路的控制下推动所述电动导轨23向中心移动，通过控制所述电动滑块22
在所述电动导轨23的轴向位置使所述滚轮2303与所述单晶硅棒13的腰部紧密贴合，直至位
于一侧的所述夹持环2302存在的所述插柱2305和所述凹槽2306与另一侧对应的所述插柱
2305和所述凹槽2306配合对接，将所述单晶硅棒13紧紧夹持在中间，防止所述单晶硅棒13
在拉制过程中发生晃动，同时保证所述夹持机构23能托载住所述单晶硅棒13，不发生周向
滑动。

[0038] 控制所述电动滑块22在所述电动导轨23上的移动速度与提拉线的速度一致，可协助提拉线提升所述单晶硅棒13，减小提拉线的负载，延长提拉线的使用寿命，同时防止细颈
难以承受重量过大的单晶硅棒而发生断裂。

[0039] 以上对本发明结合实施例对结构以及工作方法做了详细介绍，需理解的是，本发明通过变形还具有其他的实施方式，并不限于以上实施例，同时，本发明示意图中的零件数
量仅为示意但不限于所示意数量，本领域的普通技术人员能够从本发明书所公开的内容中
实现多种替代与变形形式，并加以执行，均认为是本发明的专利保护范围之内。