T46X型硒镓银单晶炉的研制

出处：computer00 发布于：2007-04-29 10:30:09

(西安理工大学，陕西西安 710048)

摘要：介绍了TDR-46X型单晶炉的设计思路及工作原理，结合拉制单晶的特殊工艺要求,分析了其主要结构及特点。

关键词：单晶炉；结构； BS法；炉室上升

中图分类号：TF806．9 文献标识码：B 文章编号：1004-4507(2005)03-0004-28

晶体生长设备(俗称单晶炉)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。坩埚下降法单晶炉可简称为下降炉。坩埚下降法简称BS法，是将盛有熔体的坩埚在具有一定温度梯度的生长炉内缓慢下降，使熔体转化为单晶体。这个过程可以是坩埚下降，也可以是结晶炉沿着坩埚上升。在国产单晶炉中，仅有两种炉型T46X和SJ91—9型硒镓银单晶炉采用第二种过程，即结晶炉沿着坩埚上升。其中T46X型无论从功能或者传动方面讲都优于SJ91—9型，所以，下面以T46X型硒镓银单晶炉为例，简要介绍炉室上升式坩埚下降法单晶炉的研制。

1 主要技术要求

T46X型单晶炉，是在大气环境条件下采用三温区、以坩埚下降法生长硒镓银等单晶体的设备。

本设备由机械、电气两部分组成。工作过程中，机械运动采用稀土永磁直流伺服电机和谐波减速系统驱动，可在全部工作范围内无级调速，运动平稳可靠，长时间运行无爬行、振动小；电气部分可使温度和速度稳定。

2 设备结构及机械传动

T46X型硒镓银单晶炉主要由底座、立柱、炉室、加热系统、配重系统、炉室升降系统、坩埚旋转系统等组成。立柱安装在底座上。炉室升降系统的顶板固定在立柱上表面，其支座安装在立柱前侧面，滑座、导柱、滚珠丝杠副安装在顶板与支座之间。炉室固定在滑座上。坩埚旋转系统的上面部分安装在顶板上，下面部分安装在底座上。坩埚杆安装在坩埚旋转系统上、下部分之间，由坩埚杆上夹套、下支撑固定。配重系统支撑结构固定在顶板上，并由护罩进行部分封装。加热系统的下加热器固定在下炉筒中，中、上加热器固定在上炉筒中。

(1)炉室：炉室由上炉室和下炉室组成，他们的炉底、炉筒、炉盖分别用1Crl8Ni9Ti不锈钢制成。上炉室和下炉室固联成一个整体。统一用拉紧带固定在支撑板上。然后这部分结构通过支撑板安装在滑座上。炉室的左前侧面装有导线槽，用于固定加热器电缆。右前侧面开3个圆孔，装热电偶检测不同温区的温度。

(2)加热系统：加热系统由电源、电缆、控制器、加热器、热电偶等组成。加热器包括上、中、下三个，与热电偶一起装在炉筒上。下加热器固定在下炉筒中，中、上加热器固定在上炉筒中。 (3)配重系统：配重系统由吊环螺钉、钢丝绳、滑轮及其支撑结构、配重块等组成。吊环螺钉固定在上炉室的炉盖上。滑轮及其支撑结构固定在顶板上。钢丝绳通过滑轮连接吊环螺钉和配重块。该部分可以任意控制炉室及其内载重量对滑座的作用力，甚至可使作用力几乎为零。

(4)炉室升降系统：炉室升降系统由快速电机、慢速电机、谐波减速器、手轮及其支撑结构、直齿轮减速器、滚珠丝杠副、导柱、直线运动球轴承、滑座、顶板、支座、行程开关等组成。正常拉晶时的传动链为：慢速电机一谐波减速器一滚珠丝杠副一滑座。炉室快速升降时的传动链为：快速电机→谐波减速器→滚珠丝杠副→滑座

炉室手动升降时的传动链为：手轮→链条→直齿轮减速器→联轴器→谐波减速器→滚珠丝杠副一滑座。

由此可见，谐波减速器是多机驱动的协调装置，在设计时，以机械和电气组合的方法使慢速电动机、快速电动机、手轮形成互锁。具体要求为：

手轮前推用手转动的时候分二种情况。①若快、慢速电动机正在旋转时，则对当前运动状态不产生影响。②若快、慢速电动机均为停止状态时，则炉室随手动而升降。

快速电机工作时也分二种情况。①若慢速电动机正在旋转时，则对当前运动状态不产生影响。②若慢速电动机为停止状态时，按下快速电动机按钮，快速电动机便通电运转，松开快速电动机按钮，快速电动机便断电停止。慢速电动机工作时的情况。按下慢速电动机按钮，慢速电动机便通电运转。

两个行程开关无论哪个动作，快速电动机或慢速电动机便断电停止。

(5)坩埚旋转系统：坩埚旋转系统分上、下两部分。上面部分为主动旋转部分，主要由旋转电机、蜗轮蜗杆减速器、悬臂、坩埚旋转机构等组成。坩埚旋转机构通过轴承安装在悬臂上，它的下端设有坩埚杆上夹套。传动链为：旋转电机一蜗轮蜗杆减速器一楔形带一坩埚旋转机构。下面部分为被动旋转部分，主要由支柱、坩埚旋转机构等组成。坩埚旋转机构的上端设有坩埚杆下支撑。

3 电气控制
3．1 速度控制系统

包括炉室慢速提升速度控制和坩埚旋转速度控制系统，控制方式均相同，都是采用美国进口速度控制器宋直接驱动直流伺服电机。控制框图如所示：

3．2 旋转方向控制系统

该部分解决主要技术指标第14项所要求的功能。由于电机方向由给定信号的正负决定，因此可以通过改变给定电位器的电源正负，来改变正反方向。而定时时间的改变，考虑到定时的和可变要求，还是用单片机实现比较好。

3．3 硬件组成

(1)ADUC812单片机，该芯片具有8K的FLASH程序区；

(2)模拟开关ADG202，可以无触点切换给定电位器的正负电源，从而避免了用继电器时，使用寿命的限制。

(3)显示采用MAX7219芯片驱动四位共阴极数码管，用以每段工作时间。

硬件电路框图如所示。

软件主程序见附录。

4 本设备特点

综上所述，T46X单晶炉具有以下特点：

本设备炉室设有三段加热区，以三温区的形式在空间建立温度的数量场，以满足生长条件所要求的各点梯度向量的分布规律。另外温度自动控制系统采用三套uGU的AI系列人工智能工业调机器／温度控制器，可控制炉内三温区温度，保证晶体生长界面所需的温度梯度。

炉室升降机构使用直线运动滚珠轴承导向，精密滚珠丝杠副传动，导向，运动平稳可靠。该机构设有限位和超程报警装置。它包括晶体生长升降、快速升降和应急手动升降三部分，并设有配重装置，能使传动部件运动性能更趋平稳。

坩埚杆具有上夹套和下支撑结构，对炉筒都可以对中调节。上夹套能够电动旋转，下支撑能够从动旋转。

各主要控制参数，如坩埚杆转动速度、炉室快慢升降速度等均用数显表显示。

另外，由于硒镓银单晶体生长工艺仍在摸索改进过程中，所以该设备目前处于试验室应用阶段。

附录:软件主程序。 while(1)
{
if(flagModify) ／／编程过程中进行数据显示。
{ ／／ucKey为按键键值寄存器。
switch(ucKey) ／／P2．0，P2．1，P2．2
{
case6： //+1
modifyAdd(600)；／／定时时间增加0．1min
break；
case 5： //-1
modifySub(600)：／／定时时间减少0．1min
break；
case 3：／／display
dModify(ucSectweiSht)；//更新该段在内存中的定时数据
if(ucSectweight==4){ucSectweight=1；)
else{ucSectweight++；} ／／切换下一段数据
uiTread(ucSectweight)；
break；
caseox86：//+10
modifyAdd(6000);／／定时时间增加0．1min
break；
case 0x85：//-10
modifySub(6000)；／／定时时间减少0．1min
break；
caseox83：／／turn over P/R
if((P2&0x07)==0x07) ／／当按一下P/R键
{
time Write(0)；
ucKey=0;//按键标志清为非
uiKey_1=0;
flagModify=0;//编程到运行状态的功能切换。
}
default:break;
}
if(ucKey!=0x83){ucKey=0;}
x16Todisp(uiTime)； //
dDisplay(ucSectweight)；／／显示定时时间
}
WDR1=1；／／复位看门狗
WDR2=1；
while(!flagModify) ／／有按键并且停止修改时才运行。
{ ／／运行时，伴随着状态的显示。
tOpration(ucSectweight)；／／正反向控制输出；
x16Todisp(uiTime)；／／运行时显示当前运动状态和所余时间
dDisplay(ucSectweight)；／／显示段和相应的时间．
WDRI=I；／／复位看门狗
WDR2=1：
}
}