一种适配深腔式碳化硅长晶炉的清扫方法与流程

本发明涉及一种适配深腔式碳化硅长晶炉的清扫方法，具体为一种用于碳化硅晶体生长炉内部清洁的专用工具及作业工艺。碳化硅单晶作为第三代半导体材料的代表，因其优异的禁带宽度、热导率和击穿电场强度特性，在新能源汽车、智能电网、5g通信等领域展现出广阔的应用前景。随着大尺寸碳化硅晶圆需求的快速增长，大尺寸碳化硅长晶炉的工业量产技术成为推动产业发展的关键环节。然而，碳化硅单晶的物理气相传输（pvt）生长工艺对炉腔洁净度提出了极为严苛的要求，这是因为炉腔内部的任何微小污染物都会在晶体生长过程中演变为致命的结构性缺陷。在碳化硅长晶炉的实际运行过程中，每炉次晶体生长结束后，炉腔内部会残留大量固体颗粒物与高温裂解产物。具体而言，石墨加热元件在长期高温环境下产生的石墨微粉、碳化硅粉料升华与沉积形成的微粉尘、热场材料高温裂解产生的残碳物质、以及保温结构中脱落的絮状保温棉颗粒，均会附着于炉腔内壁、保温桶表面以及热场组件的各个角落。这些残留物若在下一炉次开眼前未被彻底清除，将直接导致新生晶体产生微管缺陷、位错增殖、包裹物污染以及多型转换等严重质量问题，进而大幅降低单晶良品率，造成巨大的生产浪费和经济损失。现有技术中，针对碳化硅长晶炉的炉腔清理主要依赖人工操作方式完成。操作人员需要借助简易工具对可见区域进行擦拭清扫，然而这种传统方式在面对深腔式长晶炉时面临突出的技术瓶颈。深腔式碳化硅长晶炉普遍具有腔体深度大、纵深长、内部空间狭窄的的结构特点，其炉腔深度通常可达800毫米至1200毫米，保温桶内壁高位区域以及顶部转角、底部环形死角等位置人手根本无法触及。即便操作人员探身入炉或使用加长杆状工具进行作业，也仅能覆盖有限的直线区域，对于炉腔内壁的圆弧曲面、保温桶上下沿交角、排气口周边凹陷区域等复杂几何特征，清扫作业存在明显的盲区和遗漏。经检索，公开号为cn114411257b的专利技术公开了一种炉顶盘升降旋转机构，该方案通过电缸推动炉盖提升轴上移并带动炉盖旋转移开，从而为炉腔内部检测和清扫提供作业通道。然而，该技术方案本质上仅解决了炉盖的自动开启与旋转定位问题，其核心发明点在于炉盖升降机构的结构设计，并未涉及炉腔内部特别是深腔区域的专业清扫装置和方法。虽然该方案为操作人员进入炉腔提供了通道条件，但操作人员仍需使用传统的简易工具依靠手臂长度和身体姿态调整来完成擦拭作业，这不仅存在人体工程学层面的作业困难，更无法克服清扫过程中产生的二次扬尘问题以及金属工具对石墨热场构件的壁面刮伤风险。经检索，公开号为cn122061246a的专利技术公开了一种生长碳化硅晶体的设备，其通过设置伸缩组件使坩埚组件和保温组件整体随下炉盖同步升降，以期在不清拆加热组件的前提下实现沉积物与挥发物的清扫。然而，该技术方案的设计关注点主要集中于热场组件的升降结构创新，其清扫功能仅能对部分可移动部件表面的沉积物进行有限程度的清理，对于炉腔内壁、顶部圆弧转角、底部环形死角等固定区域无法实现全面彻底的清除。更为关键的是，该方案缺乏针对深腔结构特点的专用清扫工具设计，无法解决炉腔深度超过800毫米至1200毫米所带来的清扫盲区问题，同时其也不具备擦拭作业与负压吸尘功能的一体化集成能力。随着碳化硅晶体向大尺寸、高质量方向发展的产业趋势不断加速，炉腔洁净度对晶体良率的影响日益凸显。现有技术方案在应对深腔式碳化硅长晶炉的清扫需求时暴露出深层次的内在矛盾：从作业可达性角度而言，传统工具的物理长度和工作姿态无法覆盖深腔内部的全域几何空间，必然存在高位盲区和底部死角；从作业效果角度而言，缺乏负压吸尘功能的单纯擦拭方式不可避免地会产生二次扬尘和粉尘回落现象，导致洁净度无法达标；从作业安全性角度而言，金属材质工具直接接触石墨热场构件存在刮伤、磕碰风险，可能造成昂贵的热场部件损坏。综上所述，如何针对深腔式碳化硅长晶炉的特殊结构特点，开发一种能够实现全深度覆盖、万向角度无死角清扫、擦拭与负压吸尘一体化功能、且对热场构件无损伤的专用清扫方法，已成为本领域技术人员当前面临的关键技术挑战和亟待解决的技术难题。

背景技术：

技术实现思路

1、本发明涉及一种适配深腔式碳化硅长晶炉的清扫方法，旨在解决现有技术中存在的炉腔深位区域清扫盲区、擦拭与负压吸尘功能分离、二次扬尘污染以及热场构件损伤等技术问题。

2、为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种适配深腔式碳化硅长晶炉的清扫方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、第一步为治具准备阶段，操作人员根据待清扫碳化硅长晶炉的腔体深度选择适配的清扫治具，并将治具的伸缩刚性杆体总成调节至与炉腔深度相匹配的工作长度，随后使用快速锁紧抱箍将调节后的杆体长度进行锁紧固定，以使杆体在后续清扫作业过程中保持无晃动、无偏移的稳定状态；所述伸缩刚性杆体总成采用多段嵌套式无级伸缩结构，杆体材质选用轻质高强度航空铝合金，单根杆体的最小收缩长度不大于300毫米，最大伸展长度不大于1300毫米，对于深度超过1300mm的炉腔，通过更换加长规格的杆体段可适配至2000mm深度，杆体壁厚为2毫米至3毫米，内层杆体外径为20毫米至25毫米，外层杆体内径为26毫米至32毫米，相邻两段杆体之间的间隙配合精度为0.05毫米至0.15毫米，以确保伸缩过程顺畅且无弯曲抖动。

5、第二步为擦拭组件选择与安装阶段，根据炉腔内部残留物的类型和附着强度，选择适配的无尘擦拭组件并安装至万向角度调节机头的工作端；当待清扫表面为炉腔内壁、保温桶内壁或石墨构件表面且残留物主要为石墨微粉、碳化硅微粉尘等松散颗粒物时，选择超细纤维无尘软布头；当待清扫表面为炉腔边角、排气口周边、保温层接缝位置且残留物为高温裂解形成的顽固残碳、结块粉尘或硬质附着物时，选择高密度柔性石墨清洁毛刷；所述无尘擦拭组件通过卡扣快拆结构与万向角度调节机头实现可拆卸连接，卡扣快拆结构包括设置于机头工作端的安装座以及设置于擦拭组件背面的卡接槽，安装座两侧设置有弹性卡扣臂，卡扣臂前端设有外向凸起的卡钩，卡接槽侧壁设有与卡钩配合的卡位缺口，当擦拭组件沿安装座轴线推入时，卡扣臂受压向内收缩，当卡钩越过卡位缺口后弹性复位并卡入卡位缺口，实现擦拭组件的快速定位和锁紧，拆卸时只需按压卡扣臂外侧使卡钩脱离卡位缺口，即可沿轴线方向拔出擦拭组件，整个更换过程无需使用任何工具，单次更换时间不超过3秒。

6、第三步为机头角度调节阶段，操作人员根据待清扫炉腔内壁的几何形状和空间走向，调节安装在伸缩刚性杆体总成顶端的万向角度调节机头，使机头的工作端面与待清扫表面形成预设的贴合角度；所述万向角度调节机头包含水平旋转机构和高低俯仰机构两个自由度，水平旋转机构设置于机头基座与杆体顶端连接处，实现360度全周向连续旋转，俯仰机构设置于机头工作端与机头基座之间，实现工作头工作面法线相对于杆体轴线在0°至90°范围内的单侧摆动。当需要清扫杆体轴线另一侧的表面时，操作人员可在炉外先将机头绕杆体轴线水平旋转180°，使俯仰摆动方向指向待清扫侧，以此实现相对于杆体轴线正负90°的全方位覆盖，无需在深腔内进行翻转操作，机头内部设置有弹簧加载的阻尼定位结构，该阻尼定位结构由压缩弹簧、定位钢珠和设置于旋转定位套筒或俯仰铰接座上的定位凹槽或定位齿组成；压缩弹簧将定位钢珠始终压向定位凹槽或定位齿，当机头旋转或俯仰至任意角度时，定位钢珠在弹簧力作用下嵌入对应的定位凹槽或卡入定位齿间隙中，自动产生定位摩擦力矩，使机头在不受外力作用下保持当前位置不变。

7、第四步为负压吸尘系统连接阶段，将负压集尘吸尘机构的进气管路通过快速接头与伸缩刚性杆体总成尾部的真空外接接口实现可靠连接，并确认连接处的气密性符合要求；所述负压集尘吸尘机构包括设置于治具本体内部的贯穿式吸尘风道，该风道沿着伸缩刚性杆体总成的轴线方向设置，风道内径为8毫米至12毫米，风道入口设置于无尘擦拭组件的内部或背面，风道出口设置于杆体尾端并通过快速接头与外部真空负压设备连接；无尘擦拭组件的表面均匀开设有若干吸尘微孔，微孔孔径为0.3毫米至0.8毫米，微孔呈矩阵式排列，列间距为5毫米至10毫米，行间距为5毫米至10毫米，微孔总面积与擦拭组件有效接触面积的比值为15%至25%，以确保负压吸力能够均匀作用于整个擦拭面。

8、第五步为清扫作业执行阶段，通过握持手柄上的电源开关开启外部真空负压设备,使吸尘系统达到工作负压状态，通常为15千帕至25千帕，随后操作人员手持治具的握持手柄，将擦拭组件的作业面与待清扫表面施加接触压力并保持相对运动，实现对炉腔内部各区域的擦拭清扫；作业过程中，擦拭组件与炉腔壁面摩擦产生的松散粉尘、脱落微粉以及擦拭产生的扬尘，在负压作用下通过吸尘微孔被即时吸入贯穿式风道，并最终输送至外部集尘装置进行收集，整个擦拭过程与负压吸尘过程同步进行，产生的粉尘在离开壁面后的飞行距离不超过50毫米即被吸走，确保粉尘无机会回落至已清扫表面或飘散至周围环境。

9、第六步为区域覆盖清扫阶段，按照预设的清扫路径依次完成炉腔内部各功能区域的全面清扫，具体包括：炉腔竖直内壁区域，调节万向角度调节机头使擦拭组件的工作面与竖直内壁平行贴合，操作人员自上而下或自下而上匀速移动治具，单次往复行程覆盖宽度为100毫米至150毫米，往复速度控制在每秒20毫米至50毫米；炉腔顶部圆弧转角区域，调节机头俯仰角度使擦拭组件能够与顶部圆弧面实现面接触，操作人员沿圆弧转角线方向往复移动，对转角两侧各30度扇形区域进行覆盖清扫；炉腔底部环形台阶区域，调节机头俯仰角度使擦拭组件能够俯伸至底部平台下方，对底部环形台阶的上表面、下表面以及侧面进行擦拭；保温桶上下沿死角区域，调节机头旋转角度使擦拭组件的工作面能够与保温桶上沿内侧面或下沿外侧面形成有效贴合，对沿口周边5毫米至20毫米范围内的区域进行重点擦拭；炉口倒角盲区区域，将治具倾斜插入炉口，使擦拭组件能够触及炉口内侧壁面与炉盖密封面之间的倒角区域。

10、第七步为残碳专项清理阶段，当炉腔内部存在难以用软布头清除的顽固残碳或结块粉尘时，更换为高密度柔性石墨清洁毛刷并执行专项清理作业；操作人员调节万向角度调节机头使毛刷的工作面与待清理表面的凹凸形态相适配，对准残碳附着位置施加适度压力并沿表面方向进行往复刷扫，刷扫频率控制在每秒2至4次，单点累计刷扫时间不少于10秒；刷扫过程中产生的硬质颗粒物在负压作用下同步被吸走，收集至外部集尘装置。

11、第八步为作业结束阶段，关闭外部真空负压设备，拆卸负压吸尘管路连接，将治具从炉腔内取出，对使用后的擦拭组件进行一次性更换或清洁处理，整理收纳治具及辅助设备，完成整个清扫作业流程。

12、在本发明的一个优选实施方式中，所述万向角度调节机头的水平旋转机构具体包括：机头基座，该机头基座为圆筒状结构，其一端通过螺纹连接与伸缩刚性杆体总成的顶端固定连接，另一端设置有开口朝上的旋转轴承安装座；旋转轴承，该旋转轴承为深沟球轴承或角接触球轴承，其内圈与机头基座的旋转轴颈过盈配合，外圈与旋转轴承安装座的内孔间隙配合，轴承的径向额定动载荷不低于500牛，额定转速不低于10000转每分；旋转定位套筒，该旋转定位套筒套装于旋转轴承外圈外部，其内壁与轴承外圈外壁过盈配合，外壁与旋转轴承安装座内孔保持0.1毫米至0.2毫米的间隙，旋转定位套筒的外圆表面沿周向均匀设置有若干定位齿，定位齿的数量为24个至48个，相邻两定位齿之间的角度间隔为7.5度至15度；旋转锁紧螺母，该旋转锁紧螺母为带手柄的蝶形螺母或星形螺母，其内螺纹与机头基座尾部的外螺纹配合，当旋转锁紧螺母旋紧时，其端面压紧旋转定位套筒，使定位齿与设置于旋转轴承安装座内侧的弹性卡销产生摩擦锁紧，实现水平旋转角度的任意位置锁止。

13、在本发明的一个优选实施方式中，所述万向角度调节机头的高低俯仰机构具体包括：俯仰铰接座，该俯仰铰接座为“u”形叉状结构，其底部与旋转定位套筒的顶端固定连接，“u”形叉的两臂内侧分别设置有俯仰轴孔；俯仰转轴，该俯仰转轴为圆柱形硬化钢轴，其两端分别插装于两俯仰轴孔内并可相对于轴孔自由转动，俯仰转轴的中段设置有花键段或扁平段以传递转矩；俯仰工作头，该俯仰工作头为盒状结构，其一端设置有与俯仰转轴配合的轴座，另一端设置有用于安装擦拭组件的快拆安装座，俯仰工作头通过俯仰转轴与俯仰铰接座实现铰接连接；俯仰角度限位块，该俯仰角度限位块设置于俯仰铰接座的两臂外侧，用于限制俯仰工作头的最大俯仰角度，限位块的位置设置使得俯仰工作头的工作面与水平面的夹角范围为0度至90度；俯仰阻尼垫片，该俯仰阻尼垫片为聚四氟乙烯或石墨填充尼龙材质，其设置于俯仰铰接座两臂与俯仰工作头侧壁之间的接触面上，阻尼垫片的厚度为0.5毫米至1.5毫米，摩擦系数为0.1至0.3，以提供稳定的阻尼定位效果。

14、在本发明的一个优选实施方式中，所述超细纤维无尘软布头包括以下结构层次：基底层，该基底层为厚度2毫米至4毫米的闭孔泡沫塑料板材，材质为聚乙烯发泡泡沫或聚氨酯发泡泡沫，密度为30千克每立方米至50千克每立方米，硬度为邵氏a硬度15度至25度；中间层，该中间层为厚度3毫米至6毫米的高膨松polyester纤维絮片，纤维细度为0.5分特至1.5分特，纤维长度为30毫米至80毫米，单位面积重量为150克每平方米至300克每平方米；表层，该表层为厚度0.5毫米至1.5毫米的超细纤维机织物，纤维细度不超过0.3分特，织物组织为缎纹组织或斜纹组织，单位面积重量为150克每平方米至250克每平方米；表层超细纤维织物经过亲水拒油后整理处理，接触角为30度至60度，既能有效吸附微粉又能避免液体吸附。

15、在本发明的一个优选实施方式中，所述高密度柔性石墨清洁毛刷的刷毛材质为碳化石墨纤维或碳纤维与聚酰胺纤维的混合纤维，刷毛丝径为0.1毫米至0.3毫米，刷毛长度为8毫米至15毫米，刷毛密度为每平方厘米1500根至3000根，刷毛的硬度为邵氏a硬度60度至80度，刷毛的弯曲恢复率不低于85%；由于碳化石墨纤维自身的硬度显著低于石墨热场构件的硬度，且碳化石墨纤维具有自润滑特性，因此在刷擦过程中不会对石墨热场构件表面造成划伤或磨损；毛刷的基体为柔性橡胶或硅胶材质，厚度为3毫米至6毫米，硬度为邵氏a硬度30度至50度，基体背面设置有与快拆安装座配合的金属连接板，连接板厚度为1毫米至2毫米，材质为不锈钢或铝合金。

16、在本发明的一个优选实施方式中，所述贯穿式吸尘风道在伸缩刚性杆体总成的每段杆体内部均设置有一段独立的风道管，相邻两段杆体的风道管之间通过柔性密封连接件实现对接，柔性密封连接件为伸缩橡胶套管或波纹管，其内径与风道管外径过盈配合，外径与杆体内径保持间隙，压缩状态下长度为15毫米至25毫米，伸展状态下长度为40毫米至80毫米，密封连接件在伸展和压缩两种状态下均能保持气密性，气密性测试压力不低于30千帕，漏气量不大于每分钟5升。

17、在本发明的一个优选实施方式中，所述快速锁紧抱箍包括以下组成部分：抱箍主体，该抱箍主体为对开式圆环形结构，由两个半圆形的抱箍瓣组成，抱箍瓣的一端通过铰接轴活动连接，另一端设置有相互配合的锁紧螺孔和锁紧螺栓；锁紧螺栓，该锁紧螺栓为内六角圆柱头螺栓或星形手柄螺栓，螺纹规格为m6至m8，旋入锁紧螺孔后其前端顶紧在相邻两段杆体的搭接部位；锁紧弹簧，该锁紧弹簧为压缩弹簧，设置于抱箍主体内部，当锁紧螺栓未旋紧时，弹簧的预紧力使抱箍瓣保持对杆体的抱紧状态；锁紧手柄，该锁紧手柄设置于锁紧螺栓的外端，便于操作人员施力旋转，锁紧手柄的直径为30毫米至50毫米。

18、在本发明的一个优选实施方式中，所述防磕碰缓冲保护结构为圆环形硅胶护圈，包裹设置于擦拭组件的外周边缘，护圈的截面形状为矩形或t形，护圈的厚度为3毫米至8毫米，护圈的材质为硅橡胶，硬度为邵氏a硬度20度至40度，密度为1.1克每立方厘米至1.25克每立方厘米，使用温度范围为-60摄氏度至200摄氏度；护圈的内壁与擦拭组件的外壳过盈配合，外壁呈光滑圆弧面过渡，护圈在受到外力挤压时能够产生弹性变形，吸收冲击能量，冲击力吸收率不低于60%。

19、在本发明的一个优选实施方式中，所述手持控制总成包括：控制手柄，该控制手柄为人体工程学设计的握持结构，长度为150毫米至250毫米，最大截面直径为30毫米至45毫米，手柄表面设置有防滑纹理，防滑纹理为硅胶注塑成型的颗粒状或条纹状凸起；真空调节阀，该真空调节阀为旋钮式针阀，设置于控制手柄内部，与贯穿式吸尘风道串联，通过旋转阀芯改变流道截面积，实现真空负压的无级调节，调节范围为5千帕至25千帕；气管接头，该气管接头为快换接头，设置于控制手柄的尾部，用于连接外部真空负压设备的吸尘管路，接头规格为标准卡扣式接头，公称通径为12毫米至20毫米；电源开关，该电源开关为按钮式或拨动式开关，设置于控制手柄上，用于控制外部真空负压设备的启停。

20、在本发明的一个优选实施方式中，清扫作业的负压吸尘系统采用三级过滤结构：第一级为旋风分离器，设置于吸尘管路的主管路上端入口处，用于分离和收集粒径大于10微米的粗颗粒粉尘，旋风分离器的筒体直径为80毫米至150毫米，高度为150毫米至300毫米，处理风量为每分钟50升至200升；第二级为布袋除尘器，设置于旋风分离器的出口管路上，用于捕集粒径为1微米至10微米的中等粒径粉尘，布袋材质为覆膜聚酯或覆膜聚丙烯，过滤精度为f7至f9级；第三级为高效过滤器，设置于布袋除尘器的出口管路上，用于捕集粒径小于1微米的超细颗粒粉尘，高效过滤器的滤芯材质为玻璃纤维或ptfe覆膜滤纸，过滤效率为h13至h14级。

21、本发明的清扫方法具有以下有益效果：

22、通过伸缩刚性杆体总成的多段嵌套式无级伸缩结构，实现了300毫米至1300毫米行程范围内的任意长度调节，能够完全覆盖现有各规格深腔式碳化硅长晶炉的全纵深腔体，操作人员无需探身进入炉腔内部，无需伸手触及高位区域，彻底解决了炉腔深度超过800毫米至1200毫米导致的清扫盲区问题。

23、通过万向角度调节机头的360度水平旋转与正负90度俯仰摆动的复合自由度设计，配合阻尼定位结构实现任意角度的精确锁止，使擦拭组件的工作面能够与炉腔竖直内壁、顶部圆弧转角、底部环形台阶、保温桶上下沿死角、炉口倒角盲区等复杂几何表面实现全面贴合，覆盖了传统直杆工具无法触及的死角区域，实现了真正的万向无死角清扫。

24、通过贯穿式吸尘风道与擦拭组件表面吸尘微孔的一体化集成设计，配合外部真空负压设备实现了边擦拭、边吸尘的同步作业功能，擦拭过程中产生的松散粉尘、脱落微粉和二次扬尘在离开壁面后的极短时间内即被负压吸走，彻底杜绝了粉尘回落和洁净度不达标的问题，一次性清扫即可达到高洁净度要求。

25、通过快速锁紧抱箍的锁紧机制和杆体的高精度间隙配合，确保了长杆作业状态下治具的刚性保持，在擦拭作业过程中杆体不产生可见的晃动、摆动或弯曲变形，擦拭压力能够均匀稳定地传递至擦拭组件的工作面，保证了全区域清扫效果的一致性和可重复性。

26、通过防磕碰缓冲保护结构的硅胶柔性护圈设置，使擦拭组件的外周与炉腔石墨热场构件之间形成软质隔离层，作业时金属杆体、硬质机头和擦拭组件本身不会与石墨保温层、石墨坩埚等贵重热场构件发生直接刚性碰撞，彻底消除了刮伤、磕碰和撞裂风险，保护了昂贵的热场部件，降低了生产成本。

27、通过卡扣快拆结构的模块化设计，使不同类型的擦拭组件能够在数秒内完成快速更换，无需使用任何工具，满足了半导体高洁净作业对工具通用性和更换效率的要求，单人操作即可在20分钟至40分钟内完成整炉全域清扫，作业效率较传统人工方式提升3倍以上。

28、通过手持控制总成的人体工程学设计和真空负压无级调节功能，使操作人员能够根据不同清扫区域的污染程度和表面特性灵活调整吸尘力度，在保证有效清洁的同时避免对脆弱表面造成损伤，同时降低了操作人员的劳动强度和作业疲劳度。