碳化硅炉专用坩埚升降旋转机构
阅读说明：本技术 碳化硅炉专用坩埚升降旋转机构 (Crucible lifting and rotating mechanism special for silicon carbide furnace ) 是由 夏孝平 贺贤汉 徐淑文 张城 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及半导体设备领域。碳化硅炉专用坩埚升降旋转机构,包括升降机构,升降机构的升降滑台上安装有旋转机构,旋转机构包括旋转轴,旋转轴通过磁流体旋转密封件与升降滑台转动连接；磁流体旋转密封件的外围与波纹管装置的下端相连,波纹管装置的上端为用于连接碳化硅炉底腔的波纹管上法兰；旋转轴的下端转动连接有旋转接头,旋转接头上设有进水口和出水口；旋转轴内设有冷却回路,冷却回路的一端与进水口导通,冷却回路的另一端与出水口导通。本专利通过增设有磁流体旋转密封件,起到旋转作用和高真空密封作用。便于实现了旋转处与碳化硅炉内腔的高密封性,进而可以保证碳化硅炉内腔的高真空度,适用于第三代半导体材料的加工生产。(The present invention relates to the field of semiconductor devices. The crucible lifting and rotating mechanism special for the silicon carbide furnace comprises a lifting mechanism, wherein a rotating mechanism is arranged on a lifting sliding table of the lifting mechanism, the rotating mechanism comprises a rotating shaft, and the rotating shaft is rotatably connected with the lifting sliding table through a magnetic fluid rotating sealing element; the periphery of the magnetic fluid rotary sealing element is connected with the lower end of a corrugated pipe device, and the upper end of the corrugated pipe device is provided with a corrugated pipe upper flange used for connecting a silicon carbide furnace bottom cavity; the lower end of the rotating shaft is rotatably connected with a rotating joint, and the rotating joint is provided with a water inlet and a water outlet; a cooling loop is arranged in the rotating shaft, one end of the cooling loop is communicated with the water inlet, and the other end of the cooling loop is communicated with the water outlet. This patent plays rotation effect and high vacuum seal effect through increasing the rotatory sealing member of magnetic current body. The high leakproofness of rotatory department and carborundum stove inner chamber has been realized conveniently, and then can guarantee the high vacuum degree of carborundum stove inner chamber, is applicable to the processing production of third generation semiconductor material.)
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，具体是升降旋转机构。
背景技术
坩埚升降旋转装置为碳化硅炉的核心传动部件之一。
随着半导体行业的蓬勃发展，半导体材料已经从第一代演变为现在的第三代。第一代半导体材料的代表硅，功率在100W左右，但是频率只有大约3GHz；第二代的代表砷化镓，功率不足100W，但频率却能达到100GHz。因此前两代半导体材料更多是互为补充的关系。而第三代半导体的代表氮化镓和碳化硅，功率可以在1000W以上，频率也可以接近100GHz，优势非常明显，因此未来有可能是取代前两代半导体材料的存在。第三代半导体的这些优势，很大程度上都得益于一点:它们相比前两台半导体具有更大的禁带宽度。甚至可以说，三代半导体之间的主要区分指标就是禁带宽度。因为具有上面这些优势，第三点半导体材料可以满足现代电子科技对高温、高压、高功率、高频以及高辐射等恶劣环境的要求，因此可以在航空、航天、光伏、汽车制造、通讯、智能电网等前沿行业中有大规模应用。目前主要是制造功率半导体器件。
随着半导体材料的变化，如若仍然采用传统的坩埚升降旋转装置，不利于保证拉单晶质量的提升。目前缺乏一种适用于第三代半导体材料的碳化硅的坩埚升降旋转装置。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供碳化硅炉专用坩埚升降旋转机构，以解决以上至少一个技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了碳化硅炉专用坩埚升降旋转机构，包括升降机构，所述升降机构的升降滑台上安装有旋转机构，其特征在于，所述旋转机构包括旋转轴，所述旋转轴通过磁流体旋转密封件与所述升降滑台转动连接；
所述磁流体旋转密封件的外围与波纹管装置的下端相连，所述波纹管装置的上端为用于连接碳化硅炉底腔的波纹管上法兰；
所述旋转轴的下端转动连接有旋转接头，所述旋转接头上设有进水口和出水口；
所述旋转轴内设有冷却回路，所述冷却回路的一端与所述进水口导通，所述冷却回路的另一端与所述出水口导通。
本专利通过优化升降旋转机构的结构，通过增设有磁流体旋转密封件，起到旋转作用和高真空密封作用。从而保证旋转稳定性，跳动小，在0.01mm以内。便于实现了旋转处与碳化硅炉内腔的高密性，进而可以保证碳化硅炉内腔的高真空度，适用于第三代半导体材料的加工生产。
此外，通过旋转轴内设有冷却回路，因为旋转轴与是热场中石墨轴联结，因为有高温，必须通水进行冷却，才能保证旋转轴不会产生损坏。
进一步优选地，所述旋转轴包括上下同轴设置的上轴体以及下轴体，所述上轴体与所述下轴体固定连接；
所述上轴体开设有开口朝下的凹槽，所述凹槽内固定有上导管，所述上导管的外壁与所述凹槽之间存有导流间隙，所述上导管的顶部与所述凹槽的顶部之间存有流通间隙；
所述旋转接头上固定有一导水内管，所述导水内管的底部与所述进水口对接导通，所述导水内管伸出所述旋转接头，且伸出所述下轴体，所述导水内管与所述下轴体之间存有排水间隙；
所述导水内管的顶部与所述上导管转动连接，
所述旋转接头与所述导水内管之间存有与所述出水口导通的间隙，所述间隙与所述排水间隙导通。
便于实现旋转接头向旋转轴内输送冷却水。
进一步优选地，所述上轴体的内壁焊接固定有一固定套，所述固定套上开设有上下导通的导流孔；
所述上导管与所述上轴体之间固定有所述固定套，所述固定套与所述上导管焊接固定。
便于实现上导管固定在上轴体内。
进一步优选地，所述固定套上开设有用于插接所述导水内管的插槽，且所述插槽与所述导水内管之间固定有特氟龙密封圈。
便于实现导水内管相对于固定套的转动的同时，保证密封性。
进一步优选，所述下轴体的外围开设有用于上限位磁流体旋转密封件的限位槽，所述下轴体上螺纹连接有下限位磁流体旋转密封件的螺母。
进一步优选地，所述升降滑台上开设有用于穿过所述旋转轴的穿孔；
所述升降滑台上安装固定有周向排布在所述旋转轴外围的调心机构，所述调心机构包括调整固定板以及压盘，所述压盘抵靠在所述调整固定板的上方，所述压盘压设在所述磁流体旋转密封件的外边缘的上方；
所述压盘上开设有并排设置的腰形孔，所述压盘通过穿过所述腰形孔的螺栓与所述升降滑台相连；
所述调整固定板竖直设置在穿孔的外围，所述调整固定板上螺纹连接有水平设置的调节螺栓，所述调节螺栓与所述磁流体旋转密封件的外边缘的侧壁相抵。
便于实现旋转轴位置的微调。进而保证装置的精度。
进一步优选地的，所述磁流体旋转密封件的外边缘设有凸台，所述凸台的外侧设有用于调节螺栓相抵的平面部；
所述调节螺栓上螺纹连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母与所述调整固定板相抵。
便于实现对旋转轴位置的微调。
进一步优选地，所述升降滑台上可拆卸连接有一减速器支座，所述减速器支座上安装有减速器，所述减速器的动力输入端连接旋转伺服马达，所述减速器的动力输出轴连接有主动带轮，所述主动带轮通过皮带与安装在所述旋转轴外围的从动带轮联动；
所述主动带轮的外径小于从动带轮的外径；
所述减速器上可拆卸连接有安装板，所述安装板上开设有穿过螺栓的腰形孔，所述安装板与一水平设置的螺杆转动连接；
所述减速器支座上固定有调节板，所述调节板上螺纹连接所述螺杆。
便于实现主动带轮位置的调整。
旋转伺服马达的转速范围为0-3000rpm。减速器的背隙为0。皮带轮大小进行二次减速，从而保证坩埚旋转需要旋转速度要求。
进一步优选地，所述升降机构包括升降伺服马达、离合减速器、一级球减速器、涡轮蜗杆减速器以及升降模组；
所述升降伺服马达的动力输出轴与所述离合减速器相连，所述离合减速器与所述一级球减速器通过安装板相连，所述一级球减速器安装在减速器支座上，所述一级球减速器通过第一联轴器与所述涡轮蜗杆减速器联动，所述涡轮蜗杆减速器的动力输出轴通过第二联轴器与所述升降模组的丝杆联动；
所述升降滑台为所述升降模组的升降滑台。
便于实现满足碳化硅炉高速以及低速的不同转速需求。伺服旋转伺服马达的旋转速度为0-3000rpm。离合减速器减速比最终选定为249时，才能保证升降速度0.002mm/h时的移定性和可靠性，为了减少减速器背隙的影响，从而选用了一级球减速器。升降模组采用高精度升降模组的传动精度0.005mm/300mm。通过光栅尺，可以实现全闭环控制，坩埚升降速度可以0.002mm/h，定位精度可以0.002mm以内。
进一步优选地，所述波纹管装置包括波纹管、固定在波纹管外围的波纹管上法兰、波纹管中间法兰以及波纹管下法兰；
所述波纹管上法兰、波纹管中间法兰以及波纹管下法兰的相对侧开设有导向孔；
所述波纹管上法兰的导向孔内固定有导向柱，所述导向柱与所述波纹管中间法兰以及波纹管下法兰上的导向孔滑动连接。
便于实现波纹管轴向膨胀。
进一步优选地，所述升降模组安装在坩埚支座上；
所述坩埚支座上安装有光栅尺；
所述升降滑台上安装有与所述光栅尺相匹配的光栅尺读取头，所述光栅尺读取头与所述光栅尺滑动连接。
从而保证运动速度和位置的精度更高。
进一步优选地，所述坩埚支座通过移动拖链与所述升降滑台相连，所述移动拖链通过拖链上支板安装在所述升降滑台上；
所述坩埚支座上安装有用于升降滑台机械限位的限位挡板。
附图说明
图1为本发明具体实施例1的一种结构示意图；
图2为本发明具体实施例1的一种侧视图；
图3为本发明具体实施例1A-A处的剖视图；
图4为本发明图3中的局部放大图。
其中：1、升降伺服马达，2、离合减速器，3、连接安装板，4、一级球减速器，5减速器支座，6、第一联轴器，7、第二联轴器，8、连接轴，9、锁紧螺母，10、涡轮蜗杆减速器，11、坩埚支座，12、升降模组，13、光栅尺连接板，14，光栅尺，15、升降滑台，16、调整固定板，17、压盘，18、旋转接头，19、带轮涨紧套，20、从动带轮，21、锁紧圆螺母，22、皮带，23、主动带轮，24、安装板，25、减速器支座，26、减速器，27、旋转伺服马达，28、磁流体旋转密封件，29、导水内管，30、固定套，31、波纹管装置，32、旋转轴，33、拖链上支板，34、拖链，35、拖链下支板，36、限位档板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1至图4，具体实施例1：碳化硅炉专用坩埚升降旋转机构，包括升降机构，升降机构的升降滑台15上安装有旋转机构，旋转机构包括旋转轴32，旋转轴32通过磁流体旋转密封件28与升降滑台15转动连接；磁流体旋转密封件28的外围与波纹管装置31的下端相连，波纹管装置31的上端为用于连接碳化硅炉底腔的波纹管上法兰；旋转轴32的下端转动连接有旋转接头18，旋转接头18上设有进水口和出水口；旋转轴32内设有冷却回路，冷却回路的一端与进水口导通，冷却回路的另一端与出水口导通。本专利通过优化升降旋转机构的结构，通过增设有磁流体旋转密封件28，起到旋转作用和高真空密封作用。从而保证旋转稳定性，跳动小，在0.01mm以内。便于实现了旋转处与碳化硅炉内腔的高密性，进而可以保证碳化硅炉内腔的高真空度，适用于第三代半导体材料的加工生产。
此外，通过旋转轴32内设有冷却回路，因为旋转轴32与是热场中石墨轴联结，因为有高温，必须通水进行冷却，才能保证旋转轴32不会产生损坏。
旋转轴32包括上下同轴设置的上轴体以及下轴体，上轴体与下轴体固定连接；上轴体开设有开口朝下的凹槽，凹槽内固定有上导管，上导管的外壁与凹槽之间存有导流间隙，上导管的顶部与凹槽的顶部之间存有流通间隙；旋转接头18上固定有一导水内管29，导水内管29的底部与进水口对接导通，导水内管29伸出旋转接头18，且伸出下轴体，导水内管29与下轴体之间存有排水间隙；导水内管29的顶部与上导管转动连接，旋转接头18与导水内管29之间存有与出水口导通的间隙，间隙与排水间隙导通。便于实现旋转接头18向旋转轴32内输送冷却水。
上轴体的内壁焊接固定有一固定套30，固定套30上开设有上下导通的导流孔；上导管与上轴体之间固定有固定套30，固定套30与上导管焊接固定。便于实现上导管固定在上轴体内。
固定套30上开设有用于插接导水内管29的插槽，且插槽与导水内管29之间固定有特氟龙密封圈。便于实现导水内管29相对于固定套30的转动的同时，保证密封性。
下轴体的外围开设有用于上限位磁流体旋转密封件28的限位槽，下轴体上螺纹连接有下限位磁流体旋转密封件28的锁紧圆螺母21。
升降滑台15上开设有用于穿过旋转轴32的穿孔；升降滑台15上安装固定有周向排布在旋转轴32外围的调心机构，调心机构包括调整固定板16以及压盘17，压盘17抵靠在调整固定板16的上方，压盘17压设在磁流体旋转密封件28的外边缘的上方；压盘17上开设有并排设置的腰形孔，压盘17通过穿过腰形孔的螺栓与升降滑台15相连；调整固定板竖直设置在穿孔的外围，调整固定板16上螺纹连接有水平设置的调节螺栓，调节螺栓与磁流体旋转密封件28的外边缘的侧壁相抵。便于实现旋转轴32位置的微调。进而保证装置的精度。
磁流体旋转密封件28的外边缘设有凸台，凸台的外侧设有用于调节螺栓相抵的平面部；调节螺栓上螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母与调整固定板16相抵。便于实现对旋转轴32位置的微调。
升降滑台15上可拆卸连接有一减速器支座25，减速器支座25上安装有减速器26，减速器26的动力输入端连接旋转伺服马达27，减速器26的动力输出轴连接有主动带轮23，主动带轮23通过皮带22与安装在旋转轴32外围的从动带轮20联动；减速器26上可拆卸连接有安装板24，安装板24上开设有穿过螺栓的腰形孔，安装板24与一水平设置的螺杆转动连接；减速器支座25上固定有调节板，调节板上螺纹连接螺杆。便于实现主动带轮23位置的调整。旋转轴与从动带轮之间安装有带轮涨紧套19。升降滑台设有向下延伸的套体。从动带轮以及主动带轮位于套体内。升降滑台的下方连接有用于支撑进水管路以及出水管路的支撑架。进水管路与旋转接头的进水口联通。出水管路与旋转接头的出水口联通。
旋转伺服马达的转速范围为0-3000rpm。减速器26的背隙为0。皮带轮大小进行二次减速，从而保证坩埚旋转需要旋转速度要求。
升降机构包括升降伺服马达1、离合减速器2、一级球减速器4、涡轮蜗杆减速器10以及升降模组；升降伺服马达1的动力输出轴与离合减速器2相连，离合减速器2与一级球减速器通过安装板3相连，一级球减速器安装在减速器支座上，一级球减速器4通过第一联轴器6与联动，涡轮蜗杆减速器10的动力输出轴通过第二联轴器7与升降模组12的丝杆联动。便于实现满足碳化硅炉高速以及低速的不同转速需求。涡轮蜗杆减速器10通过圆螺母与连接轴8相连，连接轴8通过第二联轴器7与升降模组12的丝杆相连。
便于实现满足碳化硅炉高速以及低速的不同转速需求。伺服旋转伺服马达的旋转速度为0-3000rpm。离合减速器2减速比最终选定为249时，才能保证升降速度0.002mm/h时的移定性和可靠性，为了减少减速器背隙的影响，从而选用了一级球减速器。升降模组采用高精度升降模组的传动精度0.005mm/300mm。
波纹管装置包括波纹管、固定在波纹管外围的波纹管上法兰、波纹管中间法兰以及波纹管下法兰；波纹管上法兰、波纹管中间法兰以及波纹管下法兰的相对侧开设有导向孔；波纹管上法兰的导向孔内固定有导向柱，导向柱与波纹管中间法兰以及波纹管下法兰上的导向孔滑动连接。便于实现波纹管轴向膨胀。
升降模组安装在坩埚支座上；坩埚支座11上安装有光栅尺14；升降滑台上安装有与光栅尺14相匹配的光栅尺读取头，光栅尺读取头与光栅尺滑动连接。从而保证运动速度和位置的精度更高。光栅尺读取头通过光栅尺连接板13与升降滑台相连。通过光栅尺，可以实现全闭环控制，坩埚升降速度可以0.002mm/h，定位精度可以0.002mm以内。
坩埚支座11通过移动拖链与升降滑台相连，移动拖链34通过拖链下支板35安装在坩埚支座上，移动拖链34通过拖链上支板33安装在升降滑台上；坩埚支座上安装有用于升降滑台机械限位的限位挡板36。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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