【正文】 區(qū)熔法。 懸浮區(qū)熔法是將多晶硅棒用卡具卡住往上端，下端對準籽晶，高頻電流通過線圈與多晶硅棒耦合，產(chǎn)生渦流，使多晶棒部分熔化，接好籽晶，自下而上使 硅棒熔化和進行單晶生長，用此方法制得的單晶硅叫區(qū)熔單晶。 區(qū)熔法不使用坩堝，污染少，經(jīng)區(qū)熔提純后生長的單晶硅純度較高，含氧量和含碳量低。高阻單晶硅一般用此方法生長。 目前區(qū)熔單晶應(yīng)用范圍比較窄，不及直拉工藝成熟，單晶中一些結(jié)構(gòu)缺陷沒有解決。 直拉法 直拉法（ CZ法），也叫且克勞斯基（ Czochralsik）法，此法早在 1917 年由且克勞斯基建立的一 種晶體生長方法，后來經(jīng)過很多人的改進，成為現(xiàn)在制備單晶硅的主要方法。 用直拉法制備硅單晶時，把高純多晶硅放入高純石英坩堝，在 硅單晶爐內(nèi)熔化；然后用一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便在籽晶下端生長。 直拉單晶硅設(shè)備與工藝研究 2 直拉法設(shè)備和工藝比較簡單，容易實現(xiàn)自動控制；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，可以制備低阻單晶。 但用此法制單晶硅時，原料易被坩堝污染，單晶硅純度降低，拉制的單晶硅電阻率大于 50 歐姆厘米， 質(zhì)量很難控制。 直拉單晶硅的特點 單晶硅的生產(chǎn) 方法以直拉法和區(qū)熔法為主，世界單晶硅產(chǎn)量，其中 70～ 80%是直拉法生產(chǎn)， 20～ 30%是區(qū)熔和其他方法生產(chǎn)的。直拉仍是生產(chǎn)單晶硅的主要方法，它工藝成熟，便于控制晶體的外形和電學(xué)參數(shù)，容易拉制大直徑無位錯單晶 。直拉法；該法的簡單描述為：原料裝在一個坩堝中，坩堝上方有一可旋轉(zhuǎn)和升降的籽晶桿，桿的下端有一夾頭，其上捆上一根籽晶。原料被加熱器熔化后，將籽晶插入熔體之中，控制合適的溫度，邊轉(zhuǎn)動提拉，即可獲得所需單晶。根據(jù)生長晶體不同的要求， 加熱方式用高頻中頻感應(yīng)加熱或電阻加熱法。 直拉法單晶硅生長的優(yōu)點 可以方便地 觀察晶體生長過程 。 和自由表面處生長，而與坩堝接觸，可以減少熱應(yīng)力。 可以方便地使用定向籽品和籽晶細頸 ，以減小晶體重點缺陷，得到所需取向的晶體。 圖 直拉單晶硅設(shè)備與工藝研究 3 第 2 章 直拉單晶爐設(shè)備結(jié)構(gòu)及保養(yǎng)與維護 直拉單晶爐的結(jié)構(gòu) 單晶爐的主要構(gòu)成部件有提拉頭 、 副室 、 爐蓋 、 爐筒 、 下爐筒 、 底座機架 、坩堝下傳動裝置 、 分水器以及水路布置 、 氬氣管道布置 、 真空泵以及真空除塵裝置和電源以及電控柜。 提拉頭：只要由安裝盤 、 減速機籽晶腔劃線環(huán)電機磁流體籽晶稱重頭軟波紋管等其他部件組成。 副室：主要是 副室筒以及上下法蘭組成。 爐蓋：副室連接法蘭，翻板閥，觀察窗真空管道組成。 爐筒：包括取光孔。 下爐筒：包括抽真空管道。 底座機架：全鑄鐵機架和底座。 坩堝下傳動裝置：主要由磁流體電機坩堝支撐軸減速機軟波紋管立柱上下傳動支撐架導(dǎo)軌等部件組成。 電源以及電控柜：電控柜 、 濾波柜控制以及連接線。 圖 直拉單晶爐設(shè)備 直拉單晶硅設(shè)備與工藝研究 4 圖 直拉單晶設(shè)備中的各類裝置 1） 電源 電壓： 3相 380V177。 10%， 50HZ 功率：大于 150KW/臺 配電盤應(yīng)裝有 500V、 400A 的空 氣開關(guān) ，及 380V、 400A 的隔離開關(guān)。廠房內(nèi)不應(yīng)有會對單晶爐電系統(tǒng)正常運行造成不良影響的射電干擾和電磁干擾。建議用戶為本設(shè)備 的 “ 熱 場加熱電源”配備諧波抑制裝置，以利于提高電能利用效率，減少干擾。 2）氬氣源 氬氣應(yīng)使用純度 ≥ %的氬氣源，與設(shè)備連接部位應(yīng)采用專用接口，管道為不銹鋼材料。其具體要求為： 氬氣純度： % 氬氣壓力： ～ 氬氣流量： 100L/mim 氬氣管道泄漏率： 3）泵組系統(tǒng)泵 直拉單晶硅設(shè)備與工藝研究 5 泵與主機之間設(shè)置有電動閥及除塵器，中間用波紋管 連接，以減少振動傳遞。泵與主機之間最好設(shè)隔斷墻、并具備良好的廢棄排放及防污染工作環(huán)境。 4）爐子結(jié)構(gòu)說明 單晶爐包括機架、坩堝驅(qū)動裝置、主爐室、翻板閥、副爐室、籽晶提升機構(gòu)、 爐體升降驅(qū)動裝置、真空裝置、充氣體統(tǒng)及水冷系統(tǒng)等組成。機架由型材焊接而成，是爐子的支撐裝置。坩堝驅(qū)動裝置安裝在機架下部的平板上。主爐室固定機架的上平面上，翻板閥連接在主室與副室之間，籽晶提升機構(gòu)安裝在副室上。爐體升降驅(qū)動裝置安裝在機架后側(cè)的立柱上。 5）坩堝驅(qū)動裝置 坩堝軸為兩段組裝空心水冷結(jié)構(gòu)，在軸的下部設(shè)有一水套可以引入冷卻水。坩 堝軸的旋轉(zhuǎn)密封采用磁流體密封，升降密封采用焊接波紋管密封。坩堝驅(qū)動裝置包括坩堝的升降、快速升降、及坩堝的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。坩堝的升降結(jié)構(gòu)采用滾珠絲杠及雙直線導(dǎo)軌導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)，體統(tǒng)剛性好，運動精度高。升降運動由直流伺服電機經(jīng)蝸輪蝸桿減速器、齒形帶、諧波減速器減速之后，通過牙嵌式電磁離合器驅(qū)動絲桿，由螺母帶動 升降架升降?？焖匐姍C通過蝸輪蝸桿減速后驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)坩堝的快速升降。手動裝置通過一對斜齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，達到坩堝升降目的。安裝在升降支架側(cè)面的旋轉(zhuǎn)電機通過楔形帶實現(xiàn)坩堝軸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。 6）主爐室 主爐室由爐底、下 爐筒和爐蓋組成。各部件均采用 SUS304L 不銹鋼焊接而成，并采用雙層水冷結(jié)構(gòu)。爐底固定在機架上平面上，其中心控是坩堝軸的找正基準，孔下端與坩堝驅(qū)動裝置用波紋管密封連接。爐底上還舍友設(shè)有兩個電極孔 ，電極桿通過此孔與加熱器連接。電極桿也為空心水冷結(jié)構(gòu)。上爐筒放在下爐筒上，并留有一高溫計接口。爐蓋為橢圓形封頭結(jié)構(gòu)，爐蓋正面有水冷結(jié)構(gòu)的觀察窗，在該觀察窗上可裝測徑儀，可以直接測出晶體的直徑。左側(cè)設(shè)有圓形的取光孔，可以安裝紅外控徑儀。通過控徑儀支架可以調(diào)節(jié)控徑儀的位置和角度。爐蓋上設(shè)有一充氣口，可以滿足不同的工藝要求 7）翻板閥 翻板閥固定在爐蓋上，關(guān)閉此閥后，可在維持主爐室工藝氣氛不變的情況下，打開副室，從而裝卸籽晶或取晶。翻板閥上設(shè)有一抽空口和一壓力變送器接口。 直拉單晶硅設(shè)備與工藝研究 6 抽空口與副真空管道連接，在主副爐室隔離時，可以抽空副室，使副室達到和主室相同的真空條件。翻板閥的閥桿和閥蓋均采用水冷結(jié)構(gòu)。 8）副爐室 副室的頂部設(shè)有一充氣環(huán)，在拉晶過程中氬氣都由此充入。副室上部的觀察窗用以觀察重錘及充氣環(huán)等處的情況。 9)籽晶旋轉(zhuǎn)及提升裝置 籽晶旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸、支撐座、集電環(huán)、磁流體及驅(qū)動電機組成。籽晶提升機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)軸連接，旋轉(zhuǎn)電機通 過楔形帶帶動旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)籽晶提升部件的整體旋轉(zhuǎn)。籽晶 提升組件經(jīng)過動平衡實驗以使籽晶旋轉(zhuǎn)時振動降到最低。集電環(huán)用以提供籽晶提升機構(gòu)的電能以及傳遞電信號。籽晶提升機構(gòu)有快速和慢速兩個驅(qū)動電機。籽晶慢速提升電機采用直流電機，閉環(huán)控制。快速電機通過齒形帶與蝸輪蝸桿減速器相連 并通過電磁離合實現(xiàn)與慢速電機間的互鎖。在第二級蝸輪蝸桿減速器的輸出端裝有旋轉(zhuǎn)電位器，可以計算晶體的長度和位置。 10）爐體升降裝置 爐體升降包括主爐室的升降、副爐室升降及爐蓋升降。副爐室和爐蓋升降用一個升降電機。電機通過減速器帶動螺母絲杠機構(gòu)，爐 蓋和副爐室分別通過連接支臂與提升桿連接，實現(xiàn)升降。主爐室有一套單獨的提升機構(gòu)，與副爐室升降機構(gòu)對稱置于立柱的兩面。在爐蓋上升并向右旋轉(zhuǎn)偏離爐體后， 主爐室才可上升。主爐室旋開后，可以對路室內(nèi)進行清理。 11)水冷系統(tǒng) 水冷系統(tǒng)分三路進水，分別用來冷卻爐體下部各冷卻部位、爐體上部各冷卻部位、機械泵等?；厮鄳?yīng)也有三路，各路水管通過軟膠管與主機相連。電源柜采用單獨水冷。水冷系統(tǒng)的主管路上裝有水流開關(guān)、壓力表，可以檢測水壓大小，在進水?dāng)嗔鲿r，水流開關(guān)給出報警信號。回水各主要冷卻部位的管路上均裝有水溫檢測開關(guān)，當(dāng)水溫 超過 55℃ 時，給出報警信號。 12）真空及充氣系統(tǒng) 真空系統(tǒng)的所有管路都采用不銹鋼管，所有連接處采用“ O”形 橡膠密封圈。真空系統(tǒng)由主爐室真空系統(tǒng)和副爐室真