針對(duì)大直徑石英管拉制的扶輪機(jī)構(gòu)

安城，劉曉光，薛志剛，王文玉，王帥，王欣

（久智光電子材料科技有限公司，河北 廊坊 065000）

現(xiàn)如今，半導(dǎo)體科學(xué)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，由此而生的半導(dǎo)體行業(yè)也自20世紀(jì)以來取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，近幾年，我國(guó)也一直在扶持國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體行業(yè)，因此，半導(dǎo)體行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)，在日益嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)晶圓尺寸也越來越大，已由8寸向12寸發(fā)展，由此相應(yīng)的石英器件也隨之增大，因此，大直徑管材有著強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求。同時(shí)，如何降低大直徑石英管的生產(chǎn)成本也成為各石英管生產(chǎn)企業(yè)的研究方向。

1 問題背景

本文主要是針對(duì)無接觸拉管設(shè)備中扶輪機(jī)構(gòu)的改造，無接觸拉管設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。無接觸拉管法生產(chǎn)石英玻璃管時(shí)，要將石英玻璃砣做成空心石英玻璃錠，內(nèi)外兩個(gè)表面都要進(jìn)行細(xì)磨。拉制時(shí)，要將空心內(nèi)部通入氣體，通過調(diào)節(jié)拉管速度及管心內(nèi)氣體的壓力大小可以控制玻璃管內(nèi)徑和壁厚。

如圖無接觸拉管設(shè)備主要包括：（1）續(xù)料系統(tǒng)；（2）加熱系統(tǒng)；（3）導(dǎo)拉系統(tǒng)以及配套的水路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)。其中，導(dǎo)拉系統(tǒng)中扶輪位于爐口正下方，當(dāng)融化的石英玻璃管從爐口流出時(shí)直徑較細(xì)通過扶輪機(jī)構(gòu)夾持，保證引料管與爐口同心避免產(chǎn)生彎管、斜管等現(xiàn)象，進(jìn)而當(dāng)管進(jìn)入拉管機(jī)后才能保證拉管的正常進(jìn)行。由于石英玻璃管的成型是一個(gè)緩慢的過程，直徑由小逐漸增大，當(dāng)拉制大直徑石英玻璃管時(shí)更是要求扶輪機(jī)構(gòu)能夠有效加持直徑范圍更大的石英管材。

圖1 無接觸拉管

此外，由于扶輪機(jī)構(gòu)還起到定心作用，故需要兩扶輪能同時(shí)手動(dòng)開啟，自動(dòng)同步閉合，在拉制過程中，能隨石英玻璃管管徑的變化自動(dòng)變化夾持直徑。

2 扶輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

扶輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 扶輪機(jī)構(gòu)

2.1 扶輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

該裝置主要?jiǎng)恿Ψ绞綖?手輪絲杠滑塊機(jī)構(gòu)，通過11滑塊連接板與3扶輪座相連，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可使扶輪座左右移動(dòng)，扶輪座上固定有8齒條，當(dāng)3扶輪座移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)8齒條運(yùn)動(dòng)齒條與7直齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)力傳輸至另一側(cè)嚙合的齒條，帶動(dòng)另一側(cè)扶輪座同步相向運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)代加工技術(shù)可以使齒輪齒條具有較高的配合精度，從使兩扶輪而達(dá)到理想的同步開合目的。

2.2 扶輪機(jī)構(gòu)的手動(dòng)自動(dòng)切換結(jié)構(gòu)

如圖2所示在11滑塊連接板上安裝有10自鎖型分度銷，在3扶輪座上開有與10自鎖型分度銷相配合的銷孔，自鎖型分度銷結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)自鎖型分度銷復(fù)位時(shí)可與3扶輪座上的銷孔配合，此時(shí)，2手輪絲杠滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力可通過11滑塊連接板傳遞到3扶輪座上，實(shí)現(xiàn)扶輪的手動(dòng)開合；當(dāng)不需要手動(dòng)控制時(shí)，將10自鎖型分度銷帽拔起旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)，自鎖型分度銷銷頭縮回并自鎖，11滑塊連接板與3扶輪座脫離在9拉簧的作用力下扶輪會(huì)自動(dòng)抱緊石英管并隨石英管徑的變化而自動(dòng)變化開合距離；當(dāng)再次需要手動(dòng)開合時(shí)，先用2手輪絲杠滑塊機(jī)構(gòu)將11滑塊連接板移至分度銷附近，拔起分度銷并90度旋轉(zhuǎn)復(fù)位，微調(diào)手輪使11滑塊連接板上的銷孔與分度銷重新配合。此時(shí)，手動(dòng)控制恢復(fù)。

圖3 自鎖型分度銷

2.3 扶輪機(jī)構(gòu)的使用

如圖4所示，扶輪機(jī)構(gòu)安裝于可調(diào)節(jié)云臺(tái)上，扶輪與爐口間吊線，通過調(diào)節(jié)云臺(tái)上旋鈕可以前后左右調(diào)節(jié)扶輪，目視將扶輪中心與爐口調(diào)整好對(duì)心，當(dāng)拉制大直徑石英玻璃管時(shí)，先手動(dòng)打開扶輪，當(dāng)料頭通過扶輪后拔起分度銷切換為自動(dòng)模式。扶輪在拉簧的作用下自動(dòng)收緊，此時(shí)，較細(xì)的引料通過扶輪機(jī)構(gòu)后導(dǎo)正，實(shí)現(xiàn)較細(xì)直徑的石英管材的有效夾持，直徑逐漸變大扶輪之間距離也隨著變大，并在拉簧的作用下始終保持有效的加持力，通過扶輪機(jī)構(gòu)的有效加持導(dǎo)正，石英玻璃管可穩(wěn)定拉制，當(dāng)需要手動(dòng)打開扶輪時(shí)，旋轉(zhuǎn)手輪使滑塊連接板上的銷孔與分度銷對(duì)其，旋轉(zhuǎn)復(fù)位分度銷切換為手動(dòng)控制并將扶輪打開，由于絲杠的自鎖效應(yīng)此時(shí)扶輪鎖定扶輪機(jī)構(gòu)與石英玻璃管實(shí)現(xiàn)脫離。

3 扶輪設(shè)計(jì)

扶輪機(jī)構(gòu)能否導(dǎo)正石英玻璃管，扶輪的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，為保證石英玻璃管經(jīng)過扶輪后導(dǎo)正，需要在扶輪上開v型槽；此種形狀的槽口可以使石英玻璃管與扶輪接觸為線接觸，不僅可以將石英玻璃管穩(wěn)定導(dǎo)正，而且減小了扶輪與石英管的接觸面積，避免高溫的石英管損壞扶輪，同時(shí)也減小了石英管的劃傷風(fēng)險(xiǎn)。V型槽如圖5所示。

圖4 扶輪機(jī)構(gòu)安裝示意圖

圖5 扶輪v型槽

扶輪的開槽角度及扶輪扶輪半徑可根據(jù)扶輪有效加持時(shí)的臨界狀態(tài)計(jì)算。

如圖6當(dāng)兩扶輪接觸時(shí)此時(shí)夾持石英管最細(xì)，由v型槽空隙中心向V型槽斜面做垂線，以V型槽間隙中心為圓心，新作垂線為半徑畫圓，此內(nèi)切圓為V型槽能有效夾持的最小圓（即此V型槽所能夾持的最小石英管直徑）此時(shí)有

如圖7，當(dāng)兩扶輪軸距離等于扶輪機(jī)構(gòu)的最大極限值L時(shí)，由V型槽間隙中心向V型槽斜面做垂線，以V型槽間隙中心為圓心，垂線為半徑畫圓則該圓為此v型槽所能效夾持的最大圓（即所能夾持最大石英管直徑）此時(shí)，有

由圖可以看出若想要夾持有效

則B＞r2xcosa

將（1）式代入（2）式得出

在設(shè)計(jì)v型槽時(shí)一般已知r1與r2（即扶輪需要加持石英管的最大和最小直徑），L為輔助扶輪機(jī)構(gòu)兩扶輪軸的最大極限距離。

由式（3）可以看出V型槽角度與輔助扶輪半徑為函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況驗(yàn)算選擇最優(yōu)的R值與a值。實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)給予裕量，保證實(shí)際使用的安全有效性。

圖6 加持最小臨界狀態(tài)

圖7 加持管徑最大臨界狀態(tài)

4 結(jié)語

由于扶輪機(jī)構(gòu)工作環(huán)境處于高熱環(huán)境，該機(jī)構(gòu)中軸承可選用陶瓷耐熱軸承同時(shí)對(duì)較精密的配合部位可用不銹鋼擋板或帶水冷的擋板遮擋，避免因高熱導(dǎo)致的金屬熱膨脹造成卡死或配合失效的情況。此外，扶輪可采用高純石墨制作，一方面，石墨是良好的隔熱體可保護(hù)扶輪軸避免損壞；另一方面，高純石墨加工精度高，加工表面光滑，避免對(duì)石英管造成傷害。此種扶輪機(jī)構(gòu)，解決了在大直徑石英管材拉制開始時(shí)因引料直徑細(xì)的加持問題，減少了引料浪費(fèi)的現(xiàn)象；同時(shí)，能保證較拉制大直徑的石英管整個(gè)拉制過程的順利進(jìn)行。該機(jī)構(gòu)具有操作簡(jiǎn)單、占用空間小、工裝加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)扶輪槽的尺寸數(shù)值可實(shí)現(xiàn)較小直徑石英管到大直徑石英管的有效加持，為以后研發(fā)大直徑石英管產(chǎn)品奠定了硬件基礎(chǔ)。