LDK单晶炉热场

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三、热场的温度梯度
(3)静态热场的温度分布 下图为静态热场的温度分布状况：沿着加热器中心轴线 测量温度的变化发现加热器的中心温度最高，向上向下 都是逐渐降低的，它的变化率称为纵向温度梯度，用 表示。 dT
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三、热场的温度梯度
然后沿着轴线上某点沿着径向测量，
发现温度是逐渐上升的，加热器中 dT 心温度最低，加热器温度最高，成 dr 抛物线变化，它的变化率称为径向
热 场 示 意 图
加热器


加热器是热场中很重要的部件， 是直接的发热体，温度最高的 时候可以达到1600℃以上。 常见的加热器有三种形状，筒 状、杯状、螺旋状。目前绝大 多数加热器为筒状，硅单晶分 厂CZ1#厂房使用的是直筒式形 状的加热器。右图为加热器。
加热器

一般情况下，加热器是高 纯石墨加工，每个半圆筒 各位一组，纵向开缝分瓣， 组成串联电阻，两组并联 后形成串并联回路。 右下图是倒立的加热器， 由图可知，在加热器下面 有两个清晰的连接孔，这 些孔是用来连接石墨电极。
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dT dT dr 单晶硅最初等直径生长时，生长界面的径向温度梯 dr S L
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度是正数，即 dT 随着单晶不断生长，ห้องสมุดไป่ตู้晶界面由凸向熔体逐渐变平， 0 dr 生长界面的径向 温度梯度 逐渐等于0。一般来说，单晶硅中部结 晶界面平坦，
二、热场的安装与煅烧
③保温罩和加热器对中：调整保温罩位置，做到 保温罩内壁与加热器外壁之间四周间隙一致。注 意可径向移动，不得转动，否则测温孔就对不准 了。 ④保温盖和加热器对中：升起托杆，让三瓣锅其 与保温盖水平，调整保温盖的位置，使得四周间 隙一致。 此外: ⑤下保温罩和电极之间的间隙前后一致，切不可 大意造成短路打火。 ⑥测温孔对一致。
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三、热场的温度梯度

热场的径向温度梯度，包括晶体 、熔体 、 固液交界面 dT 三种晶向温度梯度。 dr ①晶体的径向温度梯度 是由晶体的纵向、横向 热传导，表面辐射 以及在热场中新处的位置决定，一般来说，中心 dT dr 温度高高，晶体边缘温度低，即 ②熔体的径向温度梯度 主要是靠四周的加热 器决定的，所以中心温 度低， 靠近坩埚处温度高，径向温度梯度总是 正数，即
内容
1.热场结构
热场的结构示意图；各部件介绍
2.热场的安装和煅烧
热场的安装；热场水平与中心调整；热场的煅 烧
3.热场的温度梯度
热场的概念；温度梯度的概念； 静态热场的温度分布；动平衡态热场的分布 晶体生长的温度梯度：径向温度梯度与纵向温 度梯度
一、热场结构


热场的优劣对单晶硅的质量有很大影响。合适的热场， 能够生长出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶变 成多晶，或者根本无法引晶。有的热场虽然能够生长 单晶，但质量较差，有位错和其它结构缺陷。因此， 找到较好的热场条件，配置最佳的热场，是非常重要 的直拉单晶工艺技术。 热场有大有小，它是按照所用的石英坩埚的直径大小 来划分的，目前国内热场从￠12″～ ￠28 ″都有，但 以￠18″～ ￠22″居多。
二、热场的安装与煅烧
(4)煅烧 新的热场需要在真空下煅烧，煅烧 时间约10小时左右，煅烧3～5次， 方能投入使用。使用后，每拉晶 4～8炉后也要煅烧一次。 煅烧功率，不同的热场不一样，一 般要比引晶温度高，CZ1#炉子煅 烧最高功率一般在110KW。
三、热场的温度梯度
(1)热场的概念
热场也称温度场。热系统内的温度分布状态叫热场。 煅烧时，热系统内的温度分布相对稳定，称为静态 热场。在单晶生长过程中，热场是会发生变化，称 为动态热场。 单晶生长时，由于不断发生物相的转化(液相转化为 固相)，不断放出固相潜热，同时，晶体越拉越长， 熔体液面不断下降，热量的传导、辐射等情况都在 发生变化，所以热场是变化的，称为动态热场。
温度梯度，用 表示。
三、热场的温度梯度
(4)晶体生长时的温度梯度 单晶硅生长时，热场中存在固体、熔体 dT 两种形态。 dT
温度梯度也有两种： 晶体中的纵向温度梯度 度 。 dT dy 熔体中的纵向温度梯度 和径向温度梯 度 。
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压环
二、热场的安装与煅烧
(1)安装前 安装热场前，尤其是新热场，应仔细擦拭干净，去除 表面浮尘土，检查部件的质量，整个炉室在进行安装 热场前也必须擦拭完毕。 (2)安装 安装顺序一般是由下而上，由内到外。 石墨电极安装时，左右对齐，处在同一水平面上，不 可倾斜，同时要和托杆对中。 放上加热器之后，加热器的电极孔要与下面的电极板 的两孔对准。
盘

坩埚托杆、坩埚托盘共同构成 了石墨坩埚的支撑体，要求和 下轴结合牢固，对中性良好， 在下轴转动时，托杆及托盘的 偏摆度≤0.5mm。 支撑体的高度是可以调节的， 这样可以保证熔料时，坩埚有 合适的低埚位，而拉晶时，有 足够的埚跟随动行程。

保温罩



保温罩分为上保温罩、中保 温罩和下保温罩。 保温罩是由一个保温筒外面 包裹石墨碳毡而成。石墨碳 毡的包裹层数视情况而定。 下保温罩组成了底部的保温 系统，它的作用是加强埚底 保温，提高埚底温度，减少 热量损失。
保温罩

中、上保温罩的作用也是为了 减少热量的损失。只不过保温 罩外面的石墨碳毡的层数不一 样，这样使得温度梯度不一样。 排气的方式有上排气和下排气。 CZ1#厂房现在使用的比较多的 是上排气。这样，上保温罩上 面就存在几个排气孔，这些排 气孔保证在高温下蒸发的气体 的排出。

保温盖、导流筒


石 墨 螺 栓
石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托 盘


石墨坩埚，也就是所谓的三瓣 埚，主要是用来盛放石英坩埚。 它的内径加工尺寸与石英坩埚 的外形尺寸相配合，同时，石 墨坩埚本身也需要具有一定的 强度，来承受硅料和坩埚的重 量。 石墨坩埚，有单体，两瓣合体， 以及CZ1#所使用的三瓣合体等 不同形状。它们从节约成本、 使用方便来比较各有所长。右 图为三瓣埚的实物图。
三、热场的温度梯度
(2)温度梯度的概念 为了描述热场中不同点的温度分布 及分布状态，下面给大家介绍一个 “温度梯度”这个概念。 温度梯度是指热场中某点A的温度指 向周围邻近某点B的温度的变化率。 也即单位距离内温度的变化率。
三、热场的温度梯度
如下图所示，A点到B点的温度变化为T1T2 ，距离变化为r1-r2 。那么A点到B点的 温度梯度是：
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dT 三、热场的温度梯度 0 dy L
dT 晶体生长时，熔体的纵向温度梯度概括地说，离液 dy L
面越远温度越高。即
①温度梯度 较大时：离开液面越远，温度越高， 即使有较小的温度 dT 降低，生长界面以下熔体温度高于结晶温度，不 dy 会使局部生长较快，生长界面较平坦，晶体生正是 稳定的。 dT ②温度梯度 较小时，结晶界面以下熔体温度与 dy 结晶温度相差较少， 熔体温度波动可能产生新晶核，可能使单晶硅发 生晶变。单晶硅生长不稳定。 ③特殊情况下， 是负值，即离开结晶界面越远，
二、热场的安装与煅烧

安装电极→炉底碳毡→反射底板→下保温罩→石墨
环、石英环→加热器→中保温罩→石墨托杆→石墨
托盘→装三瓣埚→下降主炉室→上保温罩→导气孔
→保温盖板→装导流筒→压环
热场安装顺序示意图
二、热场的安装与煅烧
(3)对中顺序 在整个安装过程中，要求整个热系统对中良 好，同心度高，需要严格对中：
保温盖由保温上盖、保温碳 毡和保温下盖组成。即两层 环状石墨之间夹一层石墨碳 毡组成，其内径的大小与导 流筒外径相匹配，平稳的放 在保温罩面板上。 导流筒，由内外筒之间夹一 层石墨碳毡组成。导流筒主 要是为了控制热场的温度梯 度和引导氩气流。


压环，由几截弧形 环构成的一个圆形 环状石墨件，它放 置在盖板与炉壁接 触处，是为了防止 热量和气体从炉壁 与盖板的缝隙间通 过。 右上图是压环，右 下图为安装后的效 果图。
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总之，合理的热场的温度分布需要满足以下条件： ①晶体中纵向温度梯度 足够大，但不能过 大，保证晶体生长中有 dT dy L 足够散热能力，带走结晶潜热。 ②熔体中的纵向温度梯度 比较大，保证熔 dT 体内不产生新的晶核， dy 但是，过大容易产生位错，造成断苞。 dT ③结晶界面处的纵向温度梯度 适当的大， 0 dr 从而形成必要的过冷度 ，使单晶有足够的生长动力，不能太大，否则 会产生结构缺陷，而径
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单晶逐渐生长到尾部，生长界面由平逐渐凹向熔体， 越接近单晶尾部 ，生长界面越凹。这说明生长界面的径向温度梯度 由等于0变成<0，而且负值越来越小。 dT 0

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在坩埚里整个熔硅表面，由于熔硅传热，单晶硅散 热和结晶放出结晶潜热，单晶生长时，最初可近似 认为熔硅表面径向温度梯度 ， 生长到单晶中部时，近似可看作 ，单晶硅
① 坩埚轴与加热器的对中。将 托杆稳定的装在下轴上，将 下轴转动，目测是否偏摆。 然后将钢板尺平放在坩埚轴 上，观察两者之间的间隙， 间隙是否保持不变，加热器 圆心是否对中。接着装托盘 ，托盘的中心也要跟加热器 对中。
二、热场的安装与煅烧
②加热器与石墨坩 埚的对中：转动 托碗，调整埚位， 让石墨坩埚与加 热器口水平（此 时的埚位成为平 口埚位），再稍 许移动加热器电 极，与托碗对中， 这时石墨坩埚和 加热器口之间的 间隙四周都一致。
dT dr dT dy L 和径向温度梯 dr