针对大直径石英管拉制的扶轮机构

安城，刘晓光，薛志刚，王文玉，王帅，王欣

（久智光电子材料科技有限公司，河北 廊坊 065000）

现如今，半导体科学在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，由此而生的半导体行业也自20世纪以来取得了长足的发展，近几年，我国也一直在扶持国内的半导体行业，因此，半导体行业有着广阔的发展前景，同时，在日益严峻的市场竞争下国内半导体行业晶圆尺寸也越来越大，已由8寸向12寸发展，由此相应的石英器件也随之增大，因此，大直径管材有着强烈的市场需求。同时，如何降低大直径石英管的生产成本也成为各石英管生产企业的研究方向。

1 问题背景

本文主要是针对无接触拉管设备中扶轮机构的改造，无接触拉管设备简图如图1所示。无接触拉管法生产石英玻璃管时，要将石英玻璃砣做成空心石英玻璃锭，内外两个表面都要进行细磨。拉制时，要将空心内部通入气体，通过调节拉管速度及管心内气体的压力大小可以控制玻璃管内径和壁厚。

如图无接触拉管设备主要包括：（1）续料系统；（2）加热系统；（3）导拉系统以及配套的水路系统和气路系统。其中，导拉系统中扶轮位于炉口正下方，当融化的石英玻璃管从炉口流出时直径较细通过扶轮机构夹持，保证引料管与炉口同心避免产生弯管、斜管等现象，进而当管进入拉管机后才能保证拉管的正常进行。由于石英玻璃管的成型是一个缓慢的过程，直径由小逐渐增大，当拉制大直径石英玻璃管时更是要求扶轮机构能够有效加持直径范围更大的石英管材。

图1 无接触拉管

此外，由于扶轮机构还起到定心作用，故需要两扶轮能同时手动开启，自动同步闭合，在拉制过程中，能随石英玻璃管管径的变化自动变化夹持直径。

2 扶轮机构设计

扶轮机构结构图如图2所示。

图2 扶轮机构

2.1 扶轮机构的传动结构

该装置主要动力方式为2手轮丝杠滑块机构，通过11滑块连接板与3扶轮座相连，转动手轮可使扶轮座左右移动，扶轮座上固定有8齿条，当3扶轮座移动时带动8齿条运动齿条与7直齿轮啮合转动将动力传输至另一侧啮合的齿条，带动另一侧扶轮座同步相向运动，现代加工技术可以使齿轮齿条具有较高的配合精度，从使两扶轮而达到理想的同步开合目的。

2.2 扶轮机构的手动自动切换结构

如图2所示在11滑块连接板上安装有10自锁型分度销，在3扶轮座上开有与10自锁型分度销相配合的销孔，自锁型分度销结构如图3所示，当自锁型分度销复位时可与3扶轮座上的销孔配合，此时，2手轮丝杠滑块机构的动力可通过11滑块连接板传递到3扶轮座上，实现扶轮的手动开合；当不需要手动控制时，将10自锁型分度销帽拔起旋转90°，此时，自锁型分度销销头缩回并自锁，11滑块连接板与3扶轮座脱离在9拉簧的作用力下扶轮会自动抱紧石英管并随石英管径的变化而自动变化开合距离；当再次需要手动开合时，先用2手轮丝杠滑块机构将11滑块连接板移至分度销附近，拔起分度销并90度旋转复位，微调手轮使11滑块连接板上的销孔与分度销重新配合。此时，手动控制恢复。

图3 自锁型分度销

2.3 扶轮机构的使用

如图4所示，扶轮机构安装于可调节云台上，扶轮与炉口间吊线，通过调节云台上旋钮可以前后左右调节扶轮，目视将扶轮中心与炉口调整好对心，当拉制大直径石英玻璃管时，先手动打开扶轮，当料头通过扶轮后拔起分度销切换为自动模式。扶轮在拉簧的作用下自动收紧，此时，较细的引料通过扶轮机构后导正，实现较细直径的石英管材的有效夹持，直径逐渐变大扶轮之间距离也随着变大，并在拉簧的作用下始终保持有效的加持力，通过扶轮机构的有效加持导正，石英玻璃管可稳定拉制，当需要手动打开扶轮时，旋转手轮使滑块连接板上的销孔与分度销对其，旋转复位分度销切换为手动控制并将扶轮打开，由于丝杠的自锁效应此时扶轮锁定扶轮机构与石英玻璃管实现脱离。

3 扶轮设计

扶轮机构能否导正石英玻璃管，扶轮的设计至关重要，为保证石英玻璃管经过扶轮后导正，需要在扶轮上开v型槽；此种形状的槽口可以使石英玻璃管与扶轮接触为线接触，不仅可以将石英玻璃管稳定导正，而且减小了扶轮与石英管的接触面积，避免高温的石英管损坏扶轮，同时也减小了石英管的划伤风险。V型槽如图5所示。

图4 扶轮机构安装示意图

图5 扶轮v型槽

扶轮的开槽角度及扶轮扶轮半径可根据扶轮有效加持时的临界状态计算。

如图6当两扶轮接触时此时夹持石英管最细，由v型槽空隙中心向V型槽斜面做垂线，以V型槽间隙中心为圆心，新作垂线为半径画圆，此内切圆为V型槽能有效夹持的最小圆（即此V型槽所能夹持的最小石英管直径）此时有

如图7，当两扶轮轴距离等于扶轮机构的最大极限值L时，由V型槽间隙中心向V型槽斜面做垂线，以V型槽间隙中心为圆心，垂线为半径画圆则该圆为此v型槽所能效夹持的最大圆（即所能夹持最大石英管直径）此时，有

由图可以看出若想要夹持有效

则B＞r2xcosa

将（1）式代入（2）式得出

在设计v型槽时一般已知r1与r2（即扶轮需要加持石英管的最大和最小直径），L为辅助扶轮机构两扶轮轴的最大极限距离。

由式（3）可以看出V型槽角度与辅助扶轮半径为函数关系，设计时，可根据实际情况验算选择最优的R值与a值。实际设计计算时应给予裕量，保证实际使用的安全有效性。

图6 加持最小临界状态

图7 加持管径最大临界状态

4 结语

由于扶轮机构工作环境处于高热环境，该机构中轴承可选用陶瓷耐热轴承同时对较精密的配合部位可用不锈钢挡板或带水冷的挡板遮挡，避免因高热导致的金属热膨胀造成卡死或配合失效的情况。此外，扶轮可采用高纯石墨制作，一方面，石墨是良好的隔热体可保护扶轮轴避免损坏；另一方面，高纯石墨加工精度高，加工表面光滑，避免对石英管造成伤害。此种扶轮机构，解决了在大直径石英管材拉制开始时因引料直径细的加持问题，减少了引料浪费的现象；同时，能保证较拉制大直径的石英管整个拉制过程的顺利进行。该机构具有操作简单、占用空间小、工装加工成本低等优点，同时，通过合理设计扶轮槽的尺寸数值可实现较小直径石英管到大直径石英管的有效加持，为以后研发大直径石英管产品奠定了硬件基础。