單晶爐設(shè)備的保養(yǎng)與維修

韓永龍

（陽(yáng)光能源（青海）有限公司，青海西寧 810007）

0 引言

單晶爐是一種在惰性氣體（氮?dú)?、氦氣為主）環(huán)境中，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單晶的設(shè)備。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，單晶爐在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。為充分發(fā)揮設(shè)備能力，要明確了解設(shè)備運(yùn)行情況，做好設(shè)備日常保養(yǎng)與維護(hù)，確保設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，為生產(chǎn)提供便利條件。

1 單晶爐常見故障、原因及排除方法

1.1 真空抽不到指標(biāo)

故障原因主要有：①真空密封室密封達(dá)不到要求；②球閥發(fā)生松動(dòng)或者被破壞；③真空泵出現(xiàn)故障。

排除方法：①加強(qiáng)真空室分段檢驗(yàn)，準(zhǔn)確找出相應(yīng)漏點(diǎn)，及時(shí)排除故障。在磁流體密封的地方，應(yīng)該按照要求加注磁液；②對(duì)于球閥出現(xiàn)松動(dòng)的情況，要及時(shí)調(diào)整或者更換；③真空泵維修相對(duì)復(fù)雜，要結(jié)合真空泵說(shuō)明，及時(shí)查找故障原因，維護(hù)真空泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 堝升異常

故障原因主要有：①絲桿、螺母上面有雜物，潤(rùn)滑性能受到影響；②電磁閥離合器工作穩(wěn)定性差；③齒輪帶出現(xiàn)松動(dòng)或者齒合滿足不了要求；④給定電位器接觸達(dá)不到要求；⑤測(cè)速電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題。

排除方法：①定期清洗絲桿螺母，及時(shí)添加潤(rùn)滑油，確保絲桿潤(rùn)滑程度符合基本要求；②將電磁離合器的間隙控制在合理范圍，通常在0.4～0.6 mm，確保電磁閥運(yùn)行穩(wěn)定；③做好齒輪帶的調(diào)整，以提升其運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性；④定期更換電位器，避免出現(xiàn)接觸不良；⑤做好測(cè)速機(jī)刷頭的檢查，出現(xiàn)故障時(shí)要及時(shí)更換電機(jī)，確保測(cè)速電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 漏硅和滲硅

漏硅和滲硅的處理：拆爐時(shí)找到石英坩堝的初始漏點(diǎn)或裂紋，再根據(jù)漏點(diǎn)或裂紋情況（位置、形狀、異常發(fā)生時(shí)間等），仔細(xì)分析可能存在的情況，主要看石英坩堝在裝料結(jié)束之前是否受損。再確定原料的原因以及石英坩堝本身質(zhì)量原因。導(dǎo)致坩堝滲硅漏硅的因素不是很多，但在沒有明顯特征的情況下很難定性到底是什么原因，可能是其中一種也可能是其中幾種共同作用的結(jié)果。

故障原因主要有：①熔料的方法不當(dāng)，上部硅料熔化后，沿著坩堝內(nèi)壁下流，當(dāng)?shù)撞繙囟容^低時(shí)會(huì)形成二次結(jié)晶，在這種情況下，硅料會(huì)發(fā)生膨脹，引發(fā)石英堝破裂；②上部硅料熔完后，由于硅的液體密度比固體密度大，底部沒熔完的料往往會(huì)翻上來(lái)，上翻過(guò)程中有可能將堝拉破；③熔料溫度太高，加劇析晶程度，增大破裂的可能性；④原料內(nèi)雜質(zhì)太多對(duì)石英堝腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致漏硅；⑤新的石墨堝煅燒不徹底就使用，使石英坩堝外層嚴(yán)重析晶而破裂；⑥石英堝在使用時(shí)因操作不當(dāng)，如與石墨堝磕碰，裝料時(shí)與料磕碰，塌料時(shí)料與堝磕碰等原因，產(chǎn)生隱裂而導(dǎo)致漏硅；⑦當(dāng)石墨堝與加熱器打火時(shí)，有可能因打火將石墨件打穿，導(dǎo)致石英堝破裂漏硅。

排除方法：①要確保石英坩堝的生產(chǎn)質(zhì)量符合基本要求，主要涉及原材料選擇、各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制等；②在單晶生產(chǎn)階段，要嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行，減少其他材料對(duì)石英堝的碰撞，不得將大塊料尖角對(duì)準(zhǔn)底部，石英堝底部放小塊料，防止化料過(guò)程底部沒熔完的料翻上來(lái)拉破坩堝；③化料過(guò)程中加熱功率不能過(guò)高，堝位不能降得太低；④嚴(yán)格控制拉晶原料的純度，經(jīng)過(guò)酸、堿處理的原料，如果未徹底沖洗酸堿殘液或混入雜質(zhì)，易造成原料與坩堝起反應(yīng)，導(dǎo)致漏硅。

1.4 石墨件異常

石墨件是可反復(fù)使用的部件，同時(shí)石墨件不直接接觸原料，因此石墨件發(fā)生異常主要由人為操作不當(dāng)、石墨件質(zhì)量差兩個(gè)可能原因引起。表現(xiàn)出的現(xiàn)象主要為裂紋、打火。

故障原因主要有：①石墨件是否被磕碰過(guò)。在操作過(guò)程中，石墨件被磕碰而產(chǎn)生隱裂甚至裂紋；②若出現(xiàn)打火情況，也有可能由于打火起弧產(chǎn)生瞬間的高壓、高溫，導(dǎo)致裂紋；③存放環(huán)境，長(zhǎng)期不用后未煅燒就使用或未煅燒徹底；④升溫、降溫時(shí)的加熱功率是否按照工藝進(jìn)行，在冷卻降溫階段要嚴(yán)格進(jìn)行控制。如果降溫速率較快，由于內(nèi)外壁溫差會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，超出坩堝承受能力會(huì)引發(fā)破裂。

排除方法：①在安裝前，須認(rèn)真檢查石墨件是否出現(xiàn)裂紋。確認(rèn)無(wú)誤后，方可安裝；②升溫、降溫階段須嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行，特別是加熱化料階段，溫度變化大，可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋；③加熱器與石墨電極，石墨電極與銅電極，加熱器與加熱器螺栓之間必須緊密接觸。

1.5 拉制異常

主要包括晶棒高、低阻、晶棒裂紋。

故障原因主要有：①備料時(shí)，混入雜質(zhì)，料未洗凈；②裝料時(shí)，原料被污染（汗水、灰塵等）；③未放入母合金；④A 段冷卻時(shí)間未達(dá)到規(guī)定的3 h 或收尾未按規(guī)定冷卻5 h；⑤晶棒取出、搬運(yùn)或磕碰產(chǎn)生裂紋；⑥截?cái)鄷r(shí)由于各種原因產(chǎn)生裂紋。

排除方法：①在整個(gè)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照工藝規(guī)程認(rèn)真操作；②裝料應(yīng)勤換PVC 手套，盡快完成裝料；③裝料前先將合金放入石英堝，防止遺忘；④裝料時(shí)不要接觸其他物體，防止交叉污染；⑤應(yīng)在提斷后給定晶升拉速，通過(guò)提升單晶至導(dǎo)流筒中上部，然后根據(jù)其晶長(zhǎng)提升到導(dǎo)流筒上部；在這個(gè)過(guò)程中，要將提升速度控制在合理范圍內(nèi)。單晶提升到副室后，應(yīng)將晶升歸零并關(guān)閉電源；⑥收尾完成提斷后，晶升拉速調(diào)整到1.0 mm/min，使單晶自動(dòng)上升，晶轉(zhuǎn)設(shè)定為2 r/min，堝轉(zhuǎn)為0 r/min。18 寸熱場(chǎng)冷卻4 h，20 寸熱場(chǎng)冷卻5 h，22 寸熱場(chǎng)冷卻5.5 h。

2 單晶爐保養(yǎng)與維護(hù)策略

2.1 坩堝軸驅(qū)動(dòng)部件的維修

在單晶爐設(shè)備中，坩堝軸驅(qū)動(dòng)是核心部件，對(duì)于精度要求較高，要進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)。坩堝軸作為多晶硅料的支撐軸，工藝操作復(fù)雜程度較高，精度要求嚴(yán)格，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。主要涉及以下方面。

（1）做好冷卻水的檢查工作，避免冷卻水不充分造成影響。

（2）在坩堝軸驅(qū)動(dòng)裝置中，導(dǎo)柱和直線運(yùn)動(dòng)軸承十分關(guān)鍵，工作人員要確保導(dǎo)柱的清潔程度，防止雜物、灰塵附著物造成的負(fù)面影響，可以定期涂抹油脂，避免發(fā)生銹蝕。直線軸承出廠時(shí)，由于潤(rùn)滑比較充分，在應(yīng)用時(shí)要定期加注潤(rùn)滑脂，通常每年一次。加油時(shí)，要認(rèn)真清洗軸承，如果導(dǎo)柱和軸承出現(xiàn)磨損，可以微調(diào)軸承的角度，避開磨損的痕跡，提升運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性。

（3）要保證傳動(dòng)部件的清潔程度，例如，齒輪、渦輪、滾珠絲桿等，減少灰塵、雜物造成的影響，確保零部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）坩堝軸快速升降傳動(dòng)渦輪，要定期在渦輪齒加潤(rùn)滑脂，及時(shí)清除波紋管內(nèi)的雜物，確保坩堝軸安全、可靠工作。

2.2 籽晶提拉部件的維修

單晶爐運(yùn)行中，籽晶提拉部件是關(guān)鍵部件之一，要做好其保養(yǎng)與維護(hù)，主要從以下3 方面開展。

（1）卷輪箱上面有觀察孔，主要檢查內(nèi)部卷輪和軟軸鋼絲繩的狀態(tài)，卷輪箱通常設(shè)有限位裝置，其目的是避免卷輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)快，減速箱要定期加注潤(rùn)滑油，通常每3 個(gè)月加一次。

（2）不銹鋼絲軟軸承載能力有限，開爐后要嚴(yán)格檢查不銹鋼絲繩頭部。出現(xiàn)燒損時(shí)，應(yīng)及時(shí)剪除燒損部位，可以在外層打節(jié)，或者用氬弧焊進(jìn)行封頭。鋼絲繩修整后仍可以繼續(xù)使用，修整后要確保其長(zhǎng)期滿足基本要求，達(dá)不到要求應(yīng)及時(shí)更換。

（3）卷輪箱設(shè)有調(diào)整螺母，在正常情況下不能隨意拆動(dòng)。必須拆卸時(shí)，應(yīng)按照要求進(jìn)行調(diào)整，確保軟軸對(duì)中滿足要求，避免運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)。

2.3 水冷系統(tǒng)的維修

裝爐前要嚴(yán)格檢查各個(gè)水路的暢通情況，關(guān)鍵部位的水溫巡檢傳感器安裝是否正常。拉單晶時(shí)，如果水壓出現(xiàn)報(bào)警，要盡快處理。如漏水，應(yīng)及時(shí)采取措施，定期祛除水垢，可以使用醋酸，然后用清水沖洗干凈，最后清除里面的雜物。

2.4 隔離閥的維修

裝爐前要嚴(yán)格檢查隔離閥口密封圈的情況，確保隔離閥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)卡滯。隔離閥存在問(wèn)題時(shí)，要盡快排除故障。

2.5 管道的維修

真空管道可以起到聯(lián)結(jié)真空泵和主機(jī)的作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，工作人員要對(duì)此加以重視。例如，定期清理除塵器的過(guò)濾網(wǎng)和抽氣管道，管道溫升對(duì)于泵的壽命、抽氣速率和密封圈產(chǎn)生直接影響，要做好管道冷卻水的檢查，確保管道通暢。

2.6 諧波減速器的維修

作為一種由波發(fā)生器產(chǎn)生的機(jī)械波，諧波減速器在柔性齒輪的作用下，產(chǎn)生齒間相對(duì)位移，達(dá)到減速效果。諧波減速器使用時(shí)，通常不需要加油，不必拆卸，要確保各零件的清潔度。軸承按照要求涂抹潤(rùn)滑脂，齒面需要加特種脂，以提升系統(tǒng)運(yùn)行的整體效果。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著單晶爐在工業(yè)生產(chǎn)中的普及應(yīng)用，其保養(yǎng)與維護(hù)的重要性愈發(fā)凸顯，工作人員要明確單晶爐出現(xiàn)故障的原因，并及時(shí)采取有效的解決對(duì)策。在日常應(yīng)用中，要強(qiáng)化保養(yǎng)與維護(hù)，不斷提升技術(shù)人員的整體水平，確保單晶爐設(shè)備處于良好狀態(tài)，提升單晶生產(chǎn)的成品率，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的健康、平穩(wěn)發(fā)展。