硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉.ppt

第二节硅片制备中的热工设备--单晶炉和多晶硅铸锭炉一、单晶炉1.1切克劳斯基法（Czochralsik：CZ法）1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法现成为制备单晶硅的主要方法。把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。CZ法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法直拉单晶炉及其基本原理优缺点1.2悬浮区熔法（区熔法或FZ法）1.3基座法1.4片状单晶生长法（EFG法）1.5气相生长法1.7液相外延生长法硅单晶的生产方法以直拉法和区熔法为主，世界硅单晶产量，其中70～80%是直拉法生产，20～30%是区熔和其它方法生产的。我国目前生产的直拉硅单晶直径普遍水平Φ40～Φ50毫米，Φ75毫米直拉单晶也能生产，但比较少，国外一般直拉硅单晶直径为Φ75～Φ100毫米，特殊的生长Φ220毫米长1.5米的单晶。2直拉单晶炉结构2.1炉体炉顶盖：炉顶盖样式也比较多，一般由铸铁制成，主要支撑籽晶轴的提拉和旋转，装有标尺，显示籽晶轴的提拉位置和提拉长度。坩埚轴（下轴）由不锈钢制成，由双层管组成，通流动水冷却。它通过托杆、托碗支撑石英坩埚中的多晶硅，并且通过旋转、上升和下降调节热系统中坩埚内熔硅的位置使拉晶能顺利进行。籽晶轴也由不锈钢制成，能够旋转、上升和下降。它的结构和坩埚轴相同，但比坩埚轴长。它主要通过籽晶卡头装卡籽晶，并且边旋转，边向上运动，完成提拉单晶过程。随着单晶炉大型化，提拉行程的增长，近些年出现了以钢丝或铰链做籽晶轴的软轴，这是直拉单晶炉的一项重大改革，使直拉单晶炉结构简单，操作简便，高度降低，籽晶轴行程增长，使直拉单晶炉生产效率大大提高。光学等直径监测器装在炉膛的光学等直径监测孔上，它象照象机，一组光学镜头对准坩埚中心，硅单晶通过镜头将硅单晶横断面直径的正面影象反射在毛玻璃屏幕上，屏幕上有一个光敏二极管，影象变化作用在光敏二极管上，产生电信号，经过放大分压（或分流）处理，控制提拉或加热功率，保证硅单晶等径生长，通过调节光敏二极管位置可以控制生长硅单晶的粗细。观察窗装在直拉单晶炉膛上，由两层石英玻璃（或厚玻璃）组成，两层玻璃中间通水，它是观察拉硅单晶过程中各种情况的窗口。热电偶装在直拉单晶炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了使便于测量和测量灵敏准确，一般通过聚光镜，将光聚集于热电偶堆上。电极装在炉膛底部，它的作用是支撑加热器（石墨）和保温系统（或通过石墨电极支撑），把强大的电流传给加热器，使加热器产生高温，熔化多晶硅。电极一般由紫铜制成，两层铜管成环状，内部通水。单晶炉的机械传动部分，包括籽晶轴（上轴）、坩埚轴和驱动它们上升、下降或旋转的电机。籽晶轴和坩埚轴的旋转由力矩电机（或直流电机）分别经过皮带（或齿轮）变速后带动抱轮使其旋转。籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过通过两个力矩电机（或直流电机）驱动螺纹旋转完成。这四个运动各自独立，互不干扰，不同的是坩埚轴比籽晶轴有更缓慢上升或下降速度。2.2电器2.3热系统2.4水冷系统和真空系统2.5直拉单晶炉氩气净化装置3.直拉单晶炉热场单晶炉的热场在整个拉晶过程中是变化的，因此上面所说的热场，包括静态热场和动态热场两种形态。静态热场指多晶硅熔化后，引晶时的温度分布状况，由加热器、保温系统、坩埚位置及周围环境决定。动态热场指拉晶时的热场。拉晶时，由于晶体生长放出潜热，影响温度分布，熔体液面下降，使温度分布发生变化。这种不断变化的热场称为动态热场。动态热场是晶体生长时的实际热场，它是在静态热场的基础上补充变化而来，我们主要研究讨论静态热场。单晶硅是在热场中进行拉制的，热场的优劣对单晶硅质量有很大影响。单晶硅生长过程中，好的热场，能生产出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶变成多晶，甚至根本引不出单晶。有的热场虽然能生长单晶，但质量较差，有位错和其他结构缺陷。因此，找到较好的热场条件，配置最佳热场，是非常主要的直拉单晶工艺技术。热场主要受热系统影响，热系统变化热场一定变化。加热器是热系统的主体，是热系统的关键部件。因此，了解加热器内温度分布状况对配制热场非常重要。以加热器中心线为基准，中心温度最高，向上和向下温度逐渐降低，它的变化率称为纵向温度梯度，用dT/dy表示。加热器径向温度内表面，中心温度最低，靠近加热器边缘温度逐渐增加，成抛物线状，它的变化率为径向温度梯度，用dT/dx表示。单晶硅生长时，热场中存在着固体（晶体），熔体两种形态，温度梯度也有两种。晶体中的纵向温度梯度(dT/dy)s和径向温度梯度(dT/dx)s。熔体中的纵向温度梯度(dT/dy)L和径向温度梯度(dT/dx)L。是两种完全不同的温度分布。最能影响结晶状态是生长界面处的温度梯度(dT/dy)s