单晶硅生产技术课件.ppt

1、学习目标掌握：热系统的安装与对中、热场的调整理解：温度梯度与单晶生长了解：动态热场 3.1热系统包括加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨坩埚）、电极、热屏等。直拉单晶炉的热系统材质1）：高纯石墨 指标：灰分、抗压强度、硫含量、抗折强度、体积密度、电阻率、真密度、气孔率、纯度。2）：碳/碳复合材料 加热器是热系统中最重要的部件，在直接的发热体，温度最高时达到1600以上，采用“等静压成型法” （CIP）生产的高纯石墨加工制作，形状为直筒式，每个半园筒各为一组，纵向开缝分瓣，形成串联电阻；两组并联后形成串并联回路。两组加在一起的总瓣数为4的整倍数,常用的有16、20、24或28瓣等。 石墨托碗分为上

2、体和下体，上体又有单辫（即只开一条缝）、两瓣合体（平分为二、两条缝）及三瓣合体（等分三条缝）的区别；从节约成本、使用方便来比较，各有所长。 石墨托碗是用来盛装石英坩埚的，具有一定的强度，来承受硅料及坩埚的重量。硅料熔化完以后，石英坩埚的高度应该高于石墨托碗的高度（10-20mm），如果石英坩埚低于石墨托碗，容易造成掉渣影响成晶率。 托杆以及托座共同组成了托碗的支撑体，要求和下轴结合牢固，对中性良好，在下轴转动时，托杆及托座偏摆度0.5mm。 保温罩由保温罩内筒、外筒、面板及支撑环（托盘）组成的，内、外筒之间整齐地包裹着石墨毡。托盘放置应平稳，不得径向串动，也不得转动，同时保证保温罩内壁、外壁垂

3、直并对中。石墨托碗有平底（杯形）和半球形，目前趋向于采用平底托碗。托碗厚薄影响热场稳定性。厚托碗热惯性大，热场反应慢，温度较稳定，薄托碗热惯性小，热场反应快，温度容易调整。 保温盖一般由两层环状石墨板之间夹一层石墨毡组成。 下保温筒由保温碳毡组成了托碗的底部保温系统，它的作用是加强埚底保温，提高埚底温度，减少热量散失。 石墨电极由电极连接块、电极拄和固紧螺钉共同组成的。作用：一是平稳地支撑加热器，二是通过它对加热器加热。 热屏：作用：1）：导入氩气 2）：阻止热量向上辐射、降低能耗。 材质：粗石墨、细石墨、木材料。CZ150单晶炉可适用的坩埚北京有色金属院从美国Ferrofluidics公司购

4、买美国KAYEX公司是世界上最大，最先进的硅单晶炉制造商。3.2热系统的安装与对中 1：安装前的准备工作 1)：仔细擦抹干净，去除表面浮尘 2)：检查部件质量，整个炉室在进行热系绕安装前也要清擦完毕。 2：安装 一般是由下而上，由内到外。3：对中1）首先安装两个石墨电极：石墨电极分左右两只，安装时，左右对齐，处在同一水平面上，不可倾斜，同时要和托杆对中。放上加热器后，加热器的电极孔和下面电极板的两孔应该能对准2）托碗与坩埚轴对中：先将托杆稳定地装在下轴上，将下轴转动起来，目测托杆是否偏摆，然后将钢板尺平放在石墨电极板上，并使钢板尺端部靠近托杆外壁。观察两者之间的间隙，间隙保持不变，说明己对中，

5、可以接着装托座和托碗，每装一件，用钢板尺靠近该件检查一次，如果发现间隙变化大，说明该件装配不合理或者老化，变形，应换新，最终目的是保证托碗平正，转动偏心度1.0mm。以后的对中，均以此为基准。所以，仔细调整托碗对中是很重要的。3）加热器与托碗对中：转动托碗，调整埚位，让托碗口和加热器口水平（记下这个埚位称为平口埚位），再同时稍许移动加热器两极，与托碗对中，这时托碗口和加热器口之间的间隙四周都一致。最后适当拧紧石墨连接螺钉，不可太紧，否则在加温中会断裂，可以每次折炉时检查一下螺钉，有松动者可稍紧。4）保温罩与加热器对中：调整保温罩位置，做到保温罩内壁和加热器外壁之间四周间隙一致。注意可径向移动，

6、不得转动。5）保温盖和加热器对中：升起托碗，让其与保温盖水平，调整保温盖位置，使得四周间隙一致。6）下保温板和电极之间的间隙前后一致，切不可大意造成短路打火。每次拆炉后，都要例行检查同心度。 4：注意事项 新的热系统必须在真空下煅烧10小时，接着在减压状态下煅烧10小时，方能投入使用，在使用中每拉晶5-8炉后也要煅烧一次。煅烧功率以不同热场而定，一般要和熔料温度一致或稍高一点。目前普遍采用较大的热场，氩气流量比较大，炉膛内壁比较干净，煅烧的时间和间隔周期可灵活掌握。3.3 热场热场的概念及温度梯度的表示 热场即为温度场。 拉晶时的热场为动态热场；煅烧时为静态热场。 温度梯度的表示 ： 两点间的

7、温度差越大，则 越大，则温度梯度大；反之，两点间的温度差越小，即 越小，说明温度梯度小，如果 0，说明由A点到B点温度是升高的，如果 0，说明由A点到B点温度是下降的。 晶体中的纵向温度梯度（ ）S、径向温度梯度（ ）S；熔体中的纵向温度梯度（ ）L、径向温度梯度（ ）L；生长界面处的温度梯度（ ）S-L。3.3 温度梯度与单晶生长直拉单晶中的热传递 晶体生长过程中固液界面径向温度变化情况讨论 1）晶体中纵向温度梯（ ）S足够大，但不能过大，保证晶体生长中有足够散热能力，带走结晶潜热。 2）熔体中的纵向温度梯度（ ）L比较大，保证熔体内不产生新的晶核，但是，过大则容易产生位错，造成断苞。 3）

8、结晶界面处的纵向温度梯度，（ ）S-L适当的大，使单晶有足够的生长动力，不能太大，否则会产生结构缺陷，径向温度梯度尽可能小，即（ ）S-L 0，使结晶界面趋于平坦。图图3-6 加热器温度分布示意图加热器温度分布示意图图图3-7 晶体的纵向温度梯度晶体的纵向温度梯度图图3-8 各种不同温度梯度及晶体生长情况各种不同温度梯度及晶体生长情况3.5热场的调整热场控制和测试系统热场控制和测试系统企业中常用的经验 总体说来，调整热场就是调整系统的温度梯度，也就是调整固液界面的形状。 平坦液面：有利于单晶体无位错生长和杂质径向分布的均匀性。位错长时间维持。 凹凸界面：容易产生热应力。 对凸面的调整：加强供热

9、、减少散热、提高拉速。对凹面的调整：加强散热、降低电压、降低拉速。 几种常用的调整方法 1）：改变成晶埚位：适当提高引晶埚位，可增加纵向温度梯度，同时径向温度梯度稍有增加；降低埚位，作用相反。 2）：改变拉速：影响结晶潜热的释放。 3）：改变晶转速度：调整热量从中心向外散发。 热系统的改进讨论 1）：改变形状：例如可以适当增加保温罩的高度。 2）：增加厚度或改为双层，增加一层保温盖，会减小径向温度梯度，而纵向上却有所增加；可减小熔体径向温度梯度；增加加热器的厚度会减小熔体径向温度梯度对晶体径向温度梯度，稍有减小；反之减小总厚度，作用相反。 3）：改变材质：利用钼材质取代石墨用于热屏。（保温性能更好） 4）：调整位置等等 5）：氩气流量的大小、炉内压力的高低、晶体直径的不同，都会影响到温度梯度。