直拉单晶工艺流程简介2011.3

• KAYEX压力化控制环
压力化控制环说明 在整个拉晶过程中，晶体必须在一个低压且 充满惰性气体的环境下生长。压力控制环就 是为此创造一个合适的生长环境。先打开压 力模块。然后输入设定值，单晶炉就会自动 调节氩气流量和节流阀开度来达到压力和氩 气流量都满足设定值。在全自动模式下（非 手动进入）设定值由SOP参数决定。压力化 模块在化料时打开并一直持续到拆炉取单晶 前关闭。
化料
• 由于加热器在中部的位置温度最高，导致在中部的硅料会首先熔化， 熔化后的硅料会沿着坩埚壁流到温度比较低的坩埚底部并二次结晶， 结晶后的硅料体积膨胀（液态硅的密度小于固态硅） ，如果不及时升 埚位使坩埚底部进入高温区，二次结晶的硅料就会越来越多的聚集在 埚底，膨胀后撑裂石英坩埚。 • 所以我们要分步骤进行化料，及时升埚位。由于难以预计何时塌料（ 塌料后才能升埚位），我们现在实行半自动化料，即开始时进行自动 化料，然后当功率升到100KW时退出到手动状态。 • 化料时，要注意观察： 1、埚转是否正常 2、是否有打火现象 3、塌料并及时升埚位
副泵按钮
炉盖液压升降按钮 主泵开关按钮 阀值检测器
KAYEX PV110单晶炉控制柜说明
触摸屏 应急开关 控制电源开关 加热功率显示 加热电源开关 磁场开关
主泵控制按钮
副泵控制按钮
副室升降按钮
炉筒炉盖磁场转换开关
应急操作区
总控开关 急停按钮 当总控开关打到 OFF档或者旋转 按下急停按钮时 整个电控柜电源 会马上关闭，用 于紧急情况，如： 停水、大量漏水。
是否热场安装完毕？
是否已装料？
合金是否放入？
籽晶是否安放妥当？
夹头与缆绳是否处于一条直线上？
炉盖是否与炉筒密封严实？
检漏
• 检漏就是通过测量一定时间内炉内压力的增加速度来确定 炉体是否漏气。 • 如果炉体密封不严就会导致外部空气进入炉体，从而使炉 内环境恶化，此时高温熔硅极易和空气中的多种成分发生 反应。从而无法生长单晶。 • 在自动检漏时，程序会自动关闭所有气动阀门使炉体处于 密闭状态。 • 操作者需要注意的是，在检漏时不能关闭真空泵，且氩气 屏幕被屏蔽，不可操作。
控制理念：通过控制测量值与设定值的差，控制输出
KAYEX加热器温度渐变
加热器温度渐变说明 在RAMP RATE中我们输入加热器温度增加/ 减少的速度。然后程序会自动增加或减少我 们在加热器温度控制环中的设定值。主要用 于扩肩时的降温处理。 （我们不能通过降低加热器功率来达到降温 的目的）
热场温升控制界面
具体判断参照《石英坩埚检查标准》 具体操作参考《石英坩埚检查表》
装石墨坩埚前检查其质量
1、石墨坩埚有无裂纹及破损
2、石墨坩埚使用 炉数
3、石墨坩埚壁厚均匀 原厚度
现厚度
装料
注意点： 1，原料，石英坩埚为高纯材料，禁止用手触摸。接 触料的一次性PE手套不要接触炉体，热场等。 2，合金放底部侧面，然后碎料铺底。 3，在石英坩埚底部弧度结束之前，不要贴边放太大 的料块。 4，在装料到石英坩埚壁2/3以上，尽量保证原料与 石英坩埚点接触。原料重心向内。 具体操作参照《装料作业指导书》
收尾
收尾目的：当晶体脱离液面时，机械热冲击会造成位错反延,收尾 的目的是减少机械热冲击避免位错反延。 收尾要求：具体参照《收尾暂行规定》-提高拉速，升高温度
理解：
尾部生长的目的。 停炉晶棒冷却过程的重要性： ①为了缓慢释放晶体热应力; ②避免位错产生。
停炉 收尾完毕，将晶体提起，约40mm，下降坩埚 约50mm，防止晶体尾部与液面粘结。 停晶升，停晶转，埚转，关闭加热电源
晶体
熔硅 石英坩埚
加热器 坩埚旋转 （顺时针）
直拉单晶设备主要组成
上炉室 晶体提升 旋转机构
隔离阀室 观察窗 炉盖
下炉室 控制柜 坩埚提升 旋转机构
基座
晶盛单晶炉电控柜说明
总控开关 触摸屏 急停按钮 电压表 电流表 应急操作区 主加热器功率表
底部加热器功率表
键盘盒 副室旋转开关 加热器开关
炉筒液压升降按钮
炉体控制主操作 选择
参数显示区
闭环控制
KAYEX触摸屏
工艺状态显示 信息提示栏
炉体控制主操作 选择
工艺参数切换显示区
参数显示区
闭环控制
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7大闭环控制系统： 等径控制系统 热场控制系统 温校控制系统（升温控制系统） 液面温控系统 生长控制系统 液位控制系统（坩埚跟踪） 氩气控制系统
直拉单晶工艺流程简介
晶体事业部 2011年3月
直拉单晶演示图
2
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生产单晶的方法 1、直拉法 2、区熔法 目前晶体事业部单晶生产制造部生产单晶 的方法主要为直拉法。
直拉法晶体生长概念
直拉法制备硅单晶过程：
籽晶轴 （钢缆） 晶体旋转 （逆时针）
提升装置
籽晶和夹头
把多晶硅放入石英坩埚， 在单晶炉内利用加热器将硅 原料熔化；然后用一根设定 晶向的籽晶插入熔体表面， 待籽晶与熔体充分熔接后， 慢慢向上提拉籽晶，晶体便 在籽晶下端生长。
4、埚位
5、晶体是否晃动
• 单晶的生长是一个不断调节温度和拉速而使直径 保持不变的一个连续的过程. • 我们考虑在工艺条件允许下尽量提高拉速来缩短 拉晶时间从而降低成本，增加产量，同时要考虑 成晶质量（如电阻率横向均匀性，位错多少等)。 • 工艺人员经过不断反复实验得出一个最佳的拉速 曲线。希望在整个保持过程中拉速都按照此曲线 变化。生长控制环就是为了这个目的设立的。它 通过不断调节加热器温度（HTR TEMP SP ）来 使实际拉速满足我们的设定拉速。
最后切换到“MANUAL”进行控制。
KAYEX直径控制环
直径控制环说明
A DIAMETER 显示实际直径
B SET POINT 当直径控制环开启时可以输入设定值
C SEED LIFT 当直径控制环开启时显示实际晶升速 度，关闭后可以输入数值 D TUNE 选择后就会显示 PID参数
LIMITS
E ON/OFF
KAYEX加热器温度控制环
加热器温度控制环说明
• 加热器温度控制环是一个闭循环，我们用它来稳定加热器 的温度，我们先开启此循环，然后输入我们的设定值。它 就会自动调节加热器功率，使加热器的实际温度逐渐趋于 我们的设定值。在融化完料后我们开启它来稳定融料的温 度。 此循环开启后HEATER POWER一栏禁止输入。 关闭时SET POINT一栏禁止输入。
抽空 稳温 转肩
检漏 粘渣 等径
压力化 化料
放肩
转肩
收尾
停炉
等径
收尾
装料前首先对石英坩埚质量进行检查
石英坩埚的检查中常见问题 1、坩埚内表面，不允许有开口的无光泽杂质点 2、壁厚中，不允许有直径2.5mm以上的的杂质点或闭口气 泡 3、石英坩埚底部不允许,有直径大于30mm的凹坑和凸坑。 4、不允许有明显划痕，裂纹.
压力控制界面
• 在整个拉晶过程中，晶体必 须在一个低压且充满惰性气 体的环境下生长。压力控制 环就是为此创造一个合适的 生长环境。先打开压力模块 。然后输入设定值，单晶炉 就会自动调节氩气流量和节 流阀开度来达到压力和氩气 流量都满足设定值。
氩气、真空控制
直拉法晶体生长流程
引晶
装料 引晶 放肩
选择后会显示系统允许的直径最大和 最小值 选择：打开/关闭选项
• 直径控制环说明： 直径控制环是一个简单的控制循环，基 本原理就是通过调节拉速来使晶体的直径 保持在设定值。当实际直径比设定值小的 时候。它会自动降低拉速。当实际直径比 设定点大的时候它会自动提高拉速。
KAYEX生长控制环
ຫໍສະໝຸດ Baidu
生长控制环说明
• GROWTH RATE为当前实际生长速率。 • SET POINT为生长速率的设定值，如果此循环开启，则此栏可以输入。 • HTR TEMP SP为加热器设定点，开启此循环后此栏不可输入。 单晶的生长是一个不断调节温度和拉速而使直径保持不变的一个连续的过程 ，但我们考虑在工艺条件允许下尽量希望提高拉速来缩短拉晶时间，从 而降低成本，增加产量。同时要考虑成晶质量。（如电阻率横向均匀性 ，位错多少等）。这样我们的工艺人员经过不断反复的实验得出一个最 佳的拉速曲线。希望在整个保持过程中拉速都按照此曲线变化。生长控 制环就是为了这个目的设立的。它通过不断调节加热器温度（调节HTR TEMP SP ）来使实际拉速满足我们的设定拉速。在有些时候此控制无法 继续保持单晶直径时，我们需要退出此循环进行手动干预。
加热器开关按钮：用于开关加热器，绿色按钮开 启状态，红色按钮关闭状态（30秒延时）。
开启状态
关闭状态
注：加热器必须在炉盖合上、冷却水充足、加热电 源无故障的条件下才可开启。如无法开启加热器 ，请检查以上开启条件是否满足。
晶盛触摸屏：作为主要人机界面，承担了拉晶过 程的绝大部分操作。
中英文切换 工艺状态显示 信息提示栏 工艺参数切换显示区
缩颈排除位错示意图 接触液面时产 生的位错线
晶种
放肩
放肩：适当降低温度与拉速，使晶体慢慢 放大至目标直径大小。
分析影响肩部生长的因素：
温度的影响 拉速的影响
转肩、等径
转肩:在扩肩直径快要达到目标直径时提高拉速，随着拉速的 提高，扩肩速度越来越慢。当扩肩速度为零时，即转肩过程完成. 合适的转肩直径和拉速的合理调节是转肩成功的关键. 等径：放肩到目标直径大小后，通过拉速、温度的控 制，将晶体直径控制在目标直径范围内。 等径时要看什么： 1、是否断苞 2、直径确认 3、拉速，加热温度是否变化异常
• 一般用于放肩和收尾，禁止 在等径时使用
KAYEX液面温度控制环
液面温度控制界面
• 此界面用来稳定熔液面温度 ，在熔接时作用。 • 程序通过调节热场温度达到 液面温度的控制。
KAYEX液面位置控制环
坩埚跟踪控制界面
在整个等晶保持阶段，我们希望液面一直保 持在同一位置。（相对于加热器上沿）。此 循环就是通过不断调节坩埚位置（应该是不 断上升）维持液面位置不变， 埚跟比= 晶体直径平方*固态密度 石英埚内径平方*液态密度 例：8寸单晶的埚跟比计算： 固态密度2.33g／cm3 液态密度2.53 g／cm3 22寸热场 205*205*2.33 =0.135 535*535*2.52
KAYEX导流筒升/降操作屏幕
手动控制
自动控制 开始
导流筒升/降操作说明
A B C D POSITION TARGET MANUAL/AUTO GO 导流筒的实际位置 导流筒的期望位置 手动/自动 执行操作
在触摸屏失控无法重启时，需要通过应急操作区进行控制。
首先确认当前的氩气阀运行状态，再确认加热功率是否一致，
稳温
• 籽晶与液面充分熔接 • 高温熔接低温引；拉速提起缓升温 • 稳温最高原则就是：温度一定要在相当长的时间内相当稳 定。可以通过液面温度图像来确定是否可以进入下一阶段 。 • 熔接的时候需要熔透，光圈要收进去，稍微降温开始引晶 ； • 因热场大，温度反应慢，当拉速提到较高值时，就要开始 升温， 为放肩做准备。细颈长度达到要求，且直径均匀拉速已降 下，可开始降拉速放肩
粘渣
粘渣 确认粘渣牢固，打开关闭翻板阀要确认籽晶位置 具体操作参考《粘渣工艺规定》
稳温 引晶
稳温：将液面温度稳定在1450℃。标准加热器温度1300sp。 埚位要求：低于导流筒15-25mm 引晶目的：随着细颈生长，位错会向晶体表面移动，从而排除 机械热冲击产生的位错。 引晶的过程就是通过调节拉速和温度使细颈保持均匀且直径大 小合适。 引晶要求：直径4.5-5.5mm，外表均匀，持续拉速控制在150250mm/hr间，点拉拉速控制在450mm内，长度大于1.5个晶体直 径。
• 有时我们需要进行置换，例如取第一段单 晶时，先把单晶提到上炉筒中，然后关闭 隔离阀（或叫翻板阀），这样我们就会用 到ISOLATION(隔离和充气使上炉筒内达到 大气压力)； • 当取出单晶并合上上炉筒后，我们要在打 开隔离阀前使上炉筒和副室达到和炉筒相 似的环境。这样就用到PURGE（三次抽气 ，充气）。
压力化
• 压力化的目的就是给单晶生长创造一个适宜的环境：低压 力且有惰性气体保护的环境。 • 我们设定的压力是20Torr(远远低于标准大气压760Torr)； • 我们使用的惰性气体是氩气。 • 压力化时程序会自动调整氩气流量和节流阀开度来保持一 定的氩气流量和压力，此时氩气屏幕被屏蔽，不可操作。