1、,培訓(xùn)對(duì)象：硅單晶制取工 培訓(xùn)講師：詹文平 硅單晶分廠,單晶爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),內(nèi)容,1.熱場(chǎng)結(jié)構(gòu) 熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖；各部件介紹 2.熱場(chǎng)的安裝和煅燒 熱場(chǎng)的安裝；熱場(chǎng)水平與中心調(diào)整；熱場(chǎng)的煅燒 3.熱場(chǎng)的溫度梯度 熱場(chǎng)的概念；溫度梯度的概念； 靜態(tài)熱場(chǎng)的溫度分布；動(dòng)平衡態(tài)熱場(chǎng)的分布 晶體生長(zhǎng)的溫度梯度：徑向溫度梯度與縱向溫度梯度,熱場(chǎng)的優(yōu)劣對(duì)單晶硅的質(zhì)量有很大影響。合適的熱場(chǎng)，能夠生長(zhǎng)出高質(zhì)量的單晶。不好的熱場(chǎng)容易使單晶變成多晶，或者根本無(wú)法引晶。有的熱場(chǎng)雖然能夠生長(zhǎng)單晶，但質(zhì)量較差，有位錯(cuò)和其它結(jié)構(gòu)缺陷。因此，找到較好的熱場(chǎng)條件，配置最佳的熱場(chǎng)，是非常重要的直拉單晶工藝技術(shù)。 熱場(chǎng)有大有小，它是按

2、照所用的石英坩堝的直徑大小來(lái)劃分的，目前國(guó)內(nèi)熱場(chǎng)從12 28 都有，但以18 22居多。,一、熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),一、熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),直拉單晶爐的熱系統(tǒng)，也就是所謂的熱場(chǎng)，是指為了熔化硅料，并使單晶生長(zhǎng)保持在一定溫度下進(jìn)行的整個(gè)系統(tǒng)。 熱場(chǎng)一般包括壓環(huán)、保溫蓋、上中下保溫罩、石墨坩堝(三瓣堝)、坩堝托桿、坩堝托盤、電極、加熱器、導(dǎo)流筒、石墨螺栓，且為了防止漏硅，爐底、金屬電極、托桿、都設(shè)置了保護(hù)板、保護(hù)套。,熱 場(chǎng) 示 意 圖,加熱器,加熱器是熱場(chǎng)中很重要的部件，是直接的發(fā)熱體，溫度最高的時(shí)候可以達(dá)到1600以上。 常見(jiàn)的加熱器有三種形狀，筒狀、杯狀、螺旋狀。目前絕大多數(shù)加熱器為筒狀，硅單晶分廠CZ1#廠房使

3、用的是直筒式形狀的加熱器。右圖為加熱器。,加熱器,一般情況下，加熱器是高純石墨加工，每個(gè)半圓筒各位一組，縱向開(kāi)縫分瓣，組成串聯(lián)電阻，兩組并聯(lián)后形成串并聯(lián)回路。 右下圖是倒立的加熱器，由圖可知，在加熱器下面有兩個(gè)清晰的連接孔，這些孔是用來(lái)連接石墨電極。,石墨電極,石墨電極的作用，一是平穩(wěn)的固定加熱器，二是通過(guò)它對(duì)加熱器輸送電流，因此要求電極厚重，結(jié)實(shí)耐用，它與金屬電極和加熱器的接觸面要光滑、平穩(wěn)，保證接觸良好，通電時(shí)不打火。石墨電極也是有高純石墨加工而成。 右上圖為石墨電極示意圖、右下圖為連接石墨電極和加熱器的石墨螺栓。,石墨螺栓,電極圖,石墨坩堝、坩堝托桿和坩堝托盤,石墨坩堝，也就是所謂的三瓣

4、堝，主要是用來(lái)盛放石英坩堝。它的內(nèi)徑加工尺寸與石英坩堝的外形尺寸相配合，同時(shí)，石墨坩堝本身也需要具有一定的強(qiáng)度，來(lái)承受硅料和坩堝的重量。 石墨坩堝，有單體，兩瓣合體，以及CZ1#所使用的三瓣合體等不同形狀。它們從節(jié)約成本、使用方便來(lái)比較各有所長(zhǎng)。右圖為三瓣堝的實(shí)物圖。,坩堝托桿、坩堝托盤共同構(gòu)成了石墨坩堝的支撐體，要求和下軸結(jié)合牢固，對(duì)中性良好，在下軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，托桿及托盤的偏擺度0.5mm。 支撐體的高度是可以調(diào)節(jié)的，這樣可以保證熔料時(shí)，坩堝有合適的低堝位，而拉晶時(shí)，有足夠的堝跟隨動(dòng)行程。,石墨坩堝、坩堝托桿和坩堝托盤,保溫罩,保溫罩分為上保溫罩、中保溫罩和下保溫罩。 保溫罩是由一個(gè)保溫筒外面包

5、裹石墨碳?xì)侄?。石墨碳?xì)值陌鼘訑?shù)視情況而定。 下保溫罩組成了底部的保溫系統(tǒng)，它的作用是加強(qiáng)堝底保溫，提高堝底溫度，減少熱量損失。,中、上保溫罩的作用也是為了減少熱量的損失。只不過(guò)保溫罩外面的石墨碳?xì)值膶訑?shù)不一樣，這樣使得溫度梯度不一樣。 排氣的方式有上排氣和下排氣。CZ1#廠房現(xiàn)在使用的比較多的是上排氣。這樣，上保溫罩上面就存在幾個(gè)排氣孔，這些排氣孔保證在高溫下蒸發(fā)的氣體的排出。,保溫罩,保溫蓋、導(dǎo)流筒,保溫蓋由保溫上蓋、保溫碳?xì)趾捅叵律w組成。即兩層環(huán)狀石墨之間夾一層石墨碳?xì)纸M成，其內(nèi)徑的大小與導(dǎo)流筒外徑相匹配，平穩(wěn)的放在保溫罩面板上。 導(dǎo)流筒，由內(nèi)外筒之間夾一層石墨碳?xì)纸M成。導(dǎo)流筒主要是

6、為了控制熱場(chǎng)的溫度梯度和引導(dǎo)氬氣流。,壓環(huán),壓環(huán)，由幾截弧形環(huán)構(gòu)成的一個(gè)圓形環(huán)狀石墨件，它放置在蓋板與爐壁接觸處，是為了防止熱量和氣體從爐壁與蓋板的縫隙間通過(guò)。 右上圖是壓環(huán)，右下圖為安裝后的效果圖。,(1)安裝前 安裝熱場(chǎng)前，尤其是新熱場(chǎng)，應(yīng)仔細(xì)擦拭干凈，去除表面浮塵土，檢查部件的質(zhì)量，整個(gè)爐室在進(jìn)行安裝熱場(chǎng)前也必須擦拭完畢。 (2)安裝 安裝順序一般是由下而上，由內(nèi)到外。 石墨電極安裝時(shí)，左右對(duì)齊，處在同一水平面上，不可傾斜，同時(shí)要和托桿對(duì)中。 放上加熱器之后，加熱器的電極孔要與下面的電極板的兩孔對(duì)準(zhǔn)。,二、熱場(chǎng)的安裝與煅燒,安裝電極爐底碳?xì)址瓷涞装逑卤卣质h(huán)、石英環(huán)加熱器中保溫罩石墨

7、托桿石墨托盤裝三瓣堝下降主爐室上保溫罩導(dǎo)氣孔保溫蓋板裝導(dǎo)流筒壓環(huán),熱場(chǎng)安裝順序示意圖,二、熱場(chǎng)的安裝與煅燒,(3)對(duì)中順序 在整個(gè)安裝過(guò)程中，要求整個(gè)熱系統(tǒng)對(duì)中良好，同心度高，需要嚴(yán)格對(duì)中：, 坩堝軸與加熱器的對(duì)中。將托桿穩(wěn)定的裝在下軸上，將下軸轉(zhuǎn)動(dòng)，目測(cè)是否偏擺。然后將鋼板尺平放在坩堝軸上，觀察兩者之間的間隙，間隙是否保持不變，加熱器圓心是否對(duì)中。接著裝托盤，托盤的中心也要跟加熱器對(duì)中。,二、熱場(chǎng)的安裝與煅燒,加熱器與石墨坩堝的對(duì)中：轉(zhuǎn)動(dòng)托碗，調(diào)整堝位，讓石墨坩堝與加熱器口水平（此時(shí)的堝位成為平口堝位），再稍許移動(dòng)加熱器電極，與托碗對(duì)中，這時(shí)石墨坩堝和加熱器口之間的間隙四周都一致。,二、熱場(chǎng)

8、的安裝與煅燒,保溫罩和加熱器對(duì)中：調(diào)整保溫罩位置，做到保溫罩內(nèi)壁與加熱器外壁之間四周間隙一致。注意可徑向移動(dòng)，不得轉(zhuǎn)動(dòng)，否則測(cè)溫孔就對(duì)不準(zhǔn)了。 保溫蓋和加熱器對(duì)中：升起托桿，讓三瓣鍋其與保溫蓋水平，調(diào)整保溫蓋的位置，使得四周間隙一致。 此外: 下保溫罩和電極之間的間隙前后一致，切不可大意造成短路打火。 測(cè)溫孔對(duì)一致。,二、熱場(chǎng)的安裝與煅燒,(4)煅燒 新的熱場(chǎng)需要在真空下煅燒，煅燒時(shí)間約10小時(shí)左右，煅燒35次，方能投入使用。使用后，每拉晶48爐后也要煅燒一次。 煅燒功率，不同的熱場(chǎng)不一樣，一般要比引晶溫度高，CZ1#爐子煅燒最高功率一般在110KW。,二、熱場(chǎng)的安裝與煅燒,(1)熱場(chǎng)的概念

9、熱場(chǎng)也稱溫度場(chǎng)。熱系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布狀態(tài)叫熱場(chǎng)。煅燒時(shí)，熱系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布相對(duì)穩(wěn)定，稱為靜態(tài)熱場(chǎng)。在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，熱場(chǎng)是會(huì)發(fā)生變化，稱為動(dòng)態(tài)熱場(chǎng)。 單晶生長(zhǎng)時(shí)，由于不斷發(fā)生物相的轉(zhuǎn)化(液相轉(zhuǎn)化為固相)，不斷放出固相潛熱，同時(shí)，晶體越拉越長(zhǎng)，熔體液面不斷下降，熱量的傳導(dǎo)、輻射等情況都在發(fā)生變化，所以熱場(chǎng)是變化的，稱為動(dòng)態(tài)熱場(chǎng)。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,(2)溫度梯度的概念 為了描述熱場(chǎng)中不同點(diǎn)的溫度分布及分布狀態(tài)，下面給大家介紹一個(gè)“溫度梯度”這個(gè)概念。 溫度梯度是指熱場(chǎng)中某點(diǎn)A的溫度指向周圍鄰近某點(diǎn)B的溫度的變化率。也即單位距離內(nèi)溫度的變化率。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,如下圖所示，A點(diǎn)到B點(diǎn)的溫度變化

10、為T1-T2 ，距離變化為r1-r2 。那么A點(diǎn)到B點(diǎn)的溫度梯度是： 通常用 表示在 r 方向上的變化率。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,顯然兩點(diǎn)間的溫度差越大，則 越大，則溫度梯度越大，反之，兩點(diǎn)間溫度差越小，則 越小，則溫度梯度越小，如果 說(shuō)明由A點(diǎn)到B點(diǎn)溫度是升高的，如果 說(shuō)明由A點(diǎn)到B點(diǎn)的溫度是下降的。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,(3)靜態(tài)熱場(chǎng)的溫度分布 下圖為靜態(tài)熱場(chǎng)的溫度分布狀況：沿著加熱器中心軸線測(cè)量溫度的變化發(fā)現(xiàn)加熱器的中心溫度最高，向上向下都是逐漸降低的，它的變化率稱為縱向溫度梯度，用 表示。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,然后沿著軸線上某點(diǎn)沿著徑向測(cè)量，發(fā)現(xiàn)溫度是逐漸上升的，加熱器中心溫度最低，加熱

11、器溫度最高，成拋物線變化，它的變化率稱為徑向溫度梯度，用 表示。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,(4)晶體生長(zhǎng)時(shí)的溫度梯度 單晶硅生長(zhǎng)時(shí)，熱場(chǎng)中存在固體、熔體兩種形態(tài)。 溫度梯度也有兩種： 晶體中的縱向溫度梯度 和徑向溫度梯度 。 熔體中的縱向溫度梯度 和徑向溫度梯度 。 這是兩種完全不同的溫度分布，但是最能影響結(jié)晶狀 態(tài)的生長(zhǎng)界面處的溫度梯度 。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,晶體生長(zhǎng)時(shí)，單晶硅的縱向溫度梯度粗略的講：離生長(zhǎng)界面越遠(yuǎn)，溫 度越低，即 只有 足夠大： 才能使單晶硅生長(zhǎng)產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱及時(shí)傳走， 散掉，保持界面溫度穩(wěn)定。 如果 較?。壕w生長(zhǎng)產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱不能及時(shí)散掉，單晶硅溫 度增高，結(jié)晶界面溫度隨

12、著增高，熔體表面的過(guò)冷度減少，單晶硅的 正常生長(zhǎng)就會(huì)受到影響。 但是，如果 過(guò)大：則可能產(chǎn)生新的不規(guī)則晶核，使單晶變成 多晶，同時(shí)，熔體表面過(guò)冷度增大，單晶可能產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)缺陷。 總之，晶體的縱向溫度梯度要足夠大，但不能過(guò)大。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,晶體生長(zhǎng)時(shí)，熔體的縱向溫度梯度概括地說(shuō)，離液面越遠(yuǎn)溫度越高。即 溫度梯度 較大時(shí)：離開(kāi)液面越遠(yuǎn)，溫度越高，即使有較小的溫度 降低，生長(zhǎng)界面以下熔體溫度高于結(jié)晶溫度，不會(huì)使局部生長(zhǎng)較快，生長(zhǎng)界面較平坦，晶體生正是穩(wěn)定的。 溫度梯度 較小時(shí)，結(jié)晶界面以下熔體溫度與結(jié)晶溫度相差較少， 熔體溫度波動(dòng)可能產(chǎn)生新晶核，可能使單晶硅發(fā)生晶變。單晶硅生長(zhǎng)不穩(wěn)定。 特

13、殊情況下， 是負(fù)值，即離開(kāi)結(jié)晶界面越遠(yuǎn)，溫度越低，熔體內(nèi) 部溫度低于結(jié)晶溫度，從而產(chǎn)生新的自發(fā)晶核，單晶硅也會(huì)長(zhǎng)入熔體形成多晶，這種情況下，無(wú)法進(jìn)行單晶生長(zhǎng)。,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,熱場(chǎng)的徑向溫度梯度，包括晶體 、熔體 、固液交界面 三種晶向溫度梯度。 晶體的徑向溫度梯度 是由晶體的縱向、橫向熱傳導(dǎo)，表面輻射 以及在熱場(chǎng)中新處的位置決定，一般來(lái)說(shuō)，中心溫度高高，晶體邊緣溫度低，即 熔體的徑向溫度梯度 主要是靠四周的加熱器決定的，所以中心溫 度低， 靠近坩堝處溫度高，徑向溫度梯度總是正數(shù)，即,三、熱場(chǎng)的溫度梯度, 在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，結(jié)晶界面處的徑向溫度梯度 是變 化的，將晶體縱剖，作結(jié)晶界面顯示，如下圖所示。,晶體生正過(guò)程中 變化情況,三、熱場(chǎng)的溫度梯度,單晶硅最初等直徑生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)界面的徑向溫度梯度是正數(shù)，即 隨著單晶不斷生長(zhǎng)，結(jié)晶界面由凸向熔體逐漸變平，生長(zhǎng)界面的徑向 溫度梯度 逐漸等于0。一般來(lái)說(shuō)，單晶硅中部結(jié)晶界面平坦， 單晶逐漸生長(zhǎng)到尾部，生長(zhǎng)界面由平逐漸凹向熔體，越接近單晶尾部 ，生長(zhǎng)界面越凹。這說(shuō)明生長(zhǎng)界面的徑向溫度梯度 由等于0變成0，而且負(fù)值越來(lái)越小。 在坩堝里整個(gè)熔硅表面，由于熔硅傳熱，單晶硅散熱和結(jié)晶放出結(jié)晶潛熱，單晶生長(zhǎng)時(shí)，最初可近似認(rèn)為熔硅表面徑向溫度梯度 ， 生長(zhǎng)到單晶中部時(shí)，近似可看作 ，單晶硅尾部生長(zhǎng)時(shí)，