晶体生长炉主要以提拉法和下降法晶体生长炉为主。
1,晶体生长炉主机部分:
●机架,双立柱
●双层水冷式结构炉体
●水冷式阀座
●晶体提升及旋转机构
●坩埚提升及旋转机构
●氩气系统
●真空系统及自动炉压检测控制
●水冷系统及多种安全保障装置
●留有二次加料口
2、加热器电源:
全水冷电源装置采用专利电源或原装进口IGBT及超快恢复二极管等功率器件。配以特效高频变压器,构成新一代高频开关电源。采用移相全桥软开关(ZVS)及CPU独立控制技术,提高了电能转换效率,不需要功率因数补偿装置。
3、计算机控制系统:
采用PLC和上位工业平板电脑PC机,配备大屏幕触摸式HMI人机界面、高像素CCD测径ADC系统和具有独立知识产权的“全自动CZ法晶体生长SCADA监控系统”,可实现从抽真空—检漏—炉压控制—熔料—稳定—溶接—引晶—放肩—转肩—等径—收尾—停炉全过程自动控制。
晶体生长炉工作原理:
首先,把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚,通过石墨加热器产生的高温将其熔化;然后,对熔化的硅液稍做降温,使之产生一定的过冷度,再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体(称作籽晶)插入熔体表面,待籽晶与熔体熔和后,慢慢向上拉籽晶,晶体便会在籽晶下端生长;接着,控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3~5mm的细颈,用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错,这个过程就是引晶;随后,放大晶体直径到工艺要求的大小,一般为75~300mm,这个过程称为放肩;接着,突然提高拉速进行转肩操作,使肩部近似直角;然后,进入等径工艺,通过控制热场温度和晶体提升速度,生长出一定直径规格大小的单晶柱体;最后,待大部分硅溶液都已经完成结晶时,再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体,称为收尾工艺。这样一个单晶拉制过程就基本完成,进行一定的保温冷却后就可以取出。
直拉法,也叫切克劳斯基(J.Czochralski)方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法,用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单,容易实现自动控制,生产效率高,易于制备大直径单晶,容易控制单晶中杂质浓度,可以制备低电阻率单晶。据统计,世界上硅单晶的产量中70%~80%是用直拉法生产的。
单晶炉产品特点
单晶炉的炉室采用3节设计。上筒和上盖可以上升并向两边转动,便于装料和维护等。炉筒升降支撑采用双立柱设计,提高稳定性。支撑柱安装在炉体支撑平台的上面,便于平台下面设备的维护。炉筒升降采用丝杠提升技术,简便干净。
全自动控制系统采用模块化设计,维护方便,可靠性高,抗干扰性好。双摄像头实时采集晶体直径信息。液面测温确保下籽晶温度和可重复性。炉内温度或加热功率控制方式可选,保证控温精度。质量流量计精确控制氩气流量。高精度真空计结合电动蝶阀实时控制炉内真空度。上称重传感器用于晶棒直径的辅助控制。伺服电机和步进电机的混合使用,即可满足转动所需的扭矩,又可实现转速的精确控制。质量流量计精确控制氩气流量。
自主产权的控制软件采用视窗平台,操作方便简洁直观。多种曲线和数据交叉分析工具提供了工艺实时监控的平台。完整的工艺设定界面使计算机可以自动完成几乎所有的工艺过程。
加热电源采用绿色纵向12脉冲直流电源。比传统直流电源节能近15%。
特殊的温场设计使晶体提拉速度提高20-30%。
设计与仿真
在直拉法生长硅单晶的过程中,硅单晶生长的成功与否以及质量的高低是由热场的温度分布决定的。温度分布合适的热场,不仅硅单晶生长顺利,而且品质较高;如果热场的温度分布不是很合理,生长硅单晶的过程中容易产生各种缺陷,影响质量,情况严重的出现变晶现象生长不出来单晶。因此在投资硅单晶生长企业的前期,一定要根据生长设备,配置出最合理的热场,从而保证生产出来的硅单晶的品质。在直拉硅单晶生长工艺中,一般采用温度梯度来描述热场的温度分布情况,其中在固液界面处的温度梯度最为关键。
数值模拟是在一个低成本的情况下,利用电脑计算提供的详尽资料,用以支持真正的(且昂贵)实验。由于数值模拟提供了一个近似真实的过程,利用这一技术可以很容易的对任何类型的变化(几何尺寸、保温材料、加热器、外围环境等)对晶体质量的影响做出容易的判断。数值仿真是用来获得廉价的,完整的和全面细节的结晶过程,以此方法用来预测晶体生长,改善晶体生长技术。举例来说,对于无经验人员,可以形象化展示熔体流动的历史点缺陷和热应力细节。所以数值仿真是一种达到较高生产率和较好满足市场对晶体直径,质量要求的最好办法。
面向过程的仿真软件FEMAG为用户提供了可以深入研究的数值工具,用户通过有效的计算机模拟可以设计和优化工作流程。通过对单晶炉热场的仿真计算,优化设计单晶炉的机械结构,在拉晶过程中以仿真结果设定合理的理论拉晶曲线,就可以在实际生产中是完全可以生长出合格的单晶硅棒。