單晶硅生長爐

ontent">定義

　　單晶硅生長爐是通過直拉法制備單晶硅的制造設(shè)備。

原理簡介

　　首先，把高純度的多晶硅原料放入高純石英坩堝，通過石墨加熱器產(chǎn)生的高溫將其熔化；然后，對(duì)熔化的硅液稍做降溫，使之產(chǎn)生一定的過冷度，再用一根固定在籽晶軸上的硅單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便會(huì)在籽晶下端生長；接著，控制籽晶生長出一段長為100mm左右、直徑為3～5mm的細(xì)頸，用于消除高溫溶液對(duì)籽晶的強(qiáng)烈熱沖擊而產(chǎn)生的原子排列的位錯(cuò)，這個(gè)過程就是引晶；隨后，放大晶體直徑到工藝要求的大小，一般為75～300mm，這個(gè)過程稱為放肩；接著，突然提高拉速進(jìn)行轉(zhuǎn)肩操作，使肩部近似直角；然后，進(jìn)入等徑工藝，通過控制熱場(chǎng)溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑規(guī)格大小的單晶柱體；最后，待大部分硅溶液都已經(jīng)完成結(jié)晶時(shí)，再將晶體逐漸縮小而形成一個(gè)尾形錐體，稱為收尾工藝；這樣一個(gè)單晶拉制過程就基本完成，進(jìn)行一定的保溫冷卻后就可以取出。

　　直拉法，也叫切克勞斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克勞斯基建立的一種晶體生長方法，用直拉法生長單晶的設(shè)備和工藝比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率高，易于制備大直徑單晶，容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低電阻率單晶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上硅單晶的產(chǎn)量中70％～80％是用直拉法生產(chǎn)的。

現(xiàn)狀

　　目前國內(nèi)外晶體生長設(shè)備的現(xiàn)狀如下：

美國KAYEX公司

　　國外以美國KAYEX公司為代表，生產(chǎn)全自動(dòng)硅單晶體生長爐。KAYEX公司是目前世界上最大，最先進(jìn)的硅單晶體生長爐制造商之一。KAYEX的產(chǎn)品早在80年代初就進(jìn)入中國市場(chǎng)，已成為中國半導(dǎo)體行業(yè)使用最多的品牌。該公司生長的硅晶體生長爐從抽真空－檢漏－熔料－引晶－放肩－等徑－收尾到關(guān)機(jī)的全過程由計(jì)算機(jī)實(shí)行全自動(dòng)控制。晶體產(chǎn)品的完整性與均勻性好，直徑偏差在單晶全長內(nèi)僅±1mm。主要產(chǎn)品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分別為30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg?！?/p>

德國CGS GmbH公司

　　德國Crystal Growing Systems (CGS) GmbH公司成立于1999年8月，其前身為德國萊寶公司晶體生長部。目前其產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋生產(chǎn)6”到16”單晶硅棒的設(shè)備，設(shè)備主要有EKZ2700、 EKZ 3500/200、EKZ 3000/300，EKZ 3000/400型，投料量分別為60kg、150kg、300kg，400kg。

　　EKZ-2700 EKZ3500/200 EKZ3000/300 EKZ3000/400

　　圖6 德國CGS公司單晶爐圖（來自公司產(chǎn)品樣本）

中國西安理工大學(xué)研究所

　　國內(nèi)以西安理工大學(xué)的晶體生長設(shè)備研究所為代表，自61年起開始生產(chǎn)晶體生長設(shè)備。主要產(chǎn)品有TDR-62B、TDR-70B、TDR-80。上虞晶盛機(jī)電工程有限公司是國內(nèi)單晶硅生長爐行業(yè)的后起之秀，自主研發(fā)了真正的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，產(chǎn)品迅速占領(lǐng)了IC級(jí)硅材料行業(yè)和高端太陽能行業(yè)，主要產(chǎn)品有TDR80A-ZJS、TDR80B-ZJS、TDR80C-ZJS、TDR85A-ZJS、TDR95A-ZJS、TDR112A-ZJS。

晶體爐特點(diǎn)

　　HD系列硅單晶爐的爐室采用3節(jié)設(shè)計(jì)。上筒和上蓋可以上升并向兩邊轉(zhuǎn)動(dòng)，便于裝料和維護(hù)等。爐筒升降支撐采用雙立柱設(shè)計(jì)，提高穩(wěn)定性。支撐柱安裝在爐體支撐平臺(tái)的上面，便于平臺(tái)下面設(shè)備的維護(hù)。爐筒升降采用絲杠提升技術(shù)，簡便干凈。

　　全自動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便，可靠性高，抗干擾性好。雙攝像頭實(shí)時(shí)采集晶體直徑信息。液面測(cè)溫確保下籽晶溫度和可重復(fù)性。爐內(nèi)溫度或加熱功率控制方式可選，保證控溫精度。質(zhì)量流量計(jì)精確控制氬氣流量。高精度真空計(jì)結(jié)合電動(dòng)蝶閥實(shí)時(shí)控制爐內(nèi)真空度。上稱重傳感器用于晶棒直徑的輔助控制。伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的混合使用，即可滿足轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩，又可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制。質(zhì)量流量計(jì)精確控制氬氣流量。

　　自主產(chǎn)權(quán)的控制軟件采用視窗平臺(tái)，操作方便簡潔直觀。多種曲線和數(shù)據(jù)交叉分析工具提供了工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控的平臺(tái)。完整的工藝設(shè)定界面使計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)完成幾乎所有的工藝過程。

　　加熱電源采用綠色縱向12脈沖直流電源。比傳統(tǒng)直流電源節(jié)能近15%。

　　特殊的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)使晶體提拉速度提高20-30%。