单晶硅生长之收尾工艺分析

实际收尾操作中的应用
在实际收尾过程中，我们没有办法看到结晶面产热与散热的变化，也就 没有办法确定收尾的温度与拉速是否合适。这就需要找到一个能反映结晶面 热态变化的参照点来评估温度和拉速是否有过。。 1、看倒影 收尾时一般看不到光圈，这时只有通过倒影的亮暗来判断直径变化趋势， 如果最里面一层倒影较白亮，则说明光圈直径缩的非常快；相反，如果倒影 较暗淡，则说明温补不足，光圈直径缩的慢，甚至会长大，这时就需要补温， 或者将拉速。 2、看埚底液面边缘与坩埚相接处 见埚边或者在埚底料很少时收尾，容易导致液面结晶，晶棒提前拉断。如 何判断液面温度偏低，是否将要结晶呢?收尾时，随着尾长的增加，余料会越 来越少，如果硅液温度足够，表面会显示金黄明亮的颜色， 液面边缘与坩埚相接处也会呈现出圆润光滑的形态。如果温度不够，表面则 较暗淡，此时液面边缘会呈现锯齿状，硅液热量不够，边缘硅料不能向中间 聚拢，这时应尽快补温。 3、液面明亮度 如上所述，温度不够则液面暗淡，温度过高则液面明亮。
收尾不良的原因分析
--拉速偏高、温补不足
相同的收尾参数，初速不 同，实际收尾速度相差非 常明显。而收尾过快容易 导致收尾收断。
收尾参数不变，不同收尾初速的实 际收尾速度对比
收尾过程的深入分析
结晶面热态平衡：
在等径过程中，晶棒从上到下存在不同的温度梯度，结晶面所产生的 热量能够被及时传递并散掉，因为产热与散热始终保持动态平衡，从而 保证结晶面的处于稳定状态与晶体的等直径生长。 因此，在收尾过程中也存在这一平衡，即结晶面所产生的热量与被带 走散掉的热量处于动态平衡状态。热态平衡一旦被打破，结晶面会即时 崩溃，宏观上会出现晶棒脱离液面造成尾巴收断的现象。
L S/L(%) V-0.7 V-0.8 L T
1
5 6 10 30 60 90
100
170 75 80 85 100 120
0.70
1.19 0.53 0.56 0.60 0.70 0.84
0.80
1.36 0.60 0.64 0.68 0.80 0.96
10
30 60 90 120 150 160
尾长＜150mm 反切长度(160-L)mm
尾长为零，反切 长度200mm
尾巴扭曲，易造成 收尾收断或结晶
车间收尾状况Leabharlann Baidu
状况分析：前期因新热场改良及长晶工艺更改，造成原收尾参数与实际 情况不相匹配，主要反映在以下几个方面： 热场更改后，平均等径速度有所提升，收尾前的平均等径速度高于 0.75mm/min，收尾初速切入0.65mm/min后，导致晶棒尾部放大，锅底 余料不足 ，很容易收尾收断或者结晶提断; 收尾过程中突发情况较多，如锅底料或晶棒结晶 、收尾过快易断等 情况。如果操作工较忙或看炉较多，则难免应付不过来，造成收尾不良； 直径控制不理想，剩余锅底料不足。 前期解决方案：车间的解决方案是在严格控制直径外，更新收尾工艺。 要求操作工在收尾开始阶段手动提速至1.3mm/min持续3min左右，光圈 拉下去后再投入初始拉速0.65mm/min。新工艺基本解决尾部放大锅底 料不足的问题，但是由于前期生产紧张，人数不能满足生产需求，经常 出现忘记回降拉速导致收尾收断的情况。另外，尾部扭曲、温补不够的 情况未得到改善。 根本原因：原收尾参数已不适用于新热场收尾工艺。
直径控制
影响直径大小的因素及处理办法
单倍镜误差：1-2mm左右，个别炉子误差较大，如57#，实际要比目测小2.5-3mm左右。 相机浓淡度：90~110；XY轴补正系数：引晶0.220、放肩及转肩0.248、等径0.338 等径子参数：一般设置在210左右 转肩直径：实测肩直径过大的改为198，一般都设为199 等径埚位：高则小，低则大 大清炉后：液位高度、同心度都会有所偏移
速度设定参数与实际值对比
对大量的记录数据分析发现，汉虹炉收尾程序中的收尾初始切入 速度是以收尾前5mm的平均长晶速度来确定的。
以手动干预收尾的AFYH1343023晶棒为例， 对设定的温补、拉速参数与实际值进行对 比分析。晶棒尾巴如右图所示：
原始设定速度明显偏高
温补设定参数与实际值对比
手动干预后的 实际补温曲线
新开炉台直径控制参数修正：
1、相机是否安装正确：相机高度是否等于一个4号内六角的高度；左边相机较粗短，右边较细长；
2、相机各工序参数是否设置正确：引晶0.220，放/转肩0.248，等径0.338； 3、等径相机校正：浓淡度（一般90-110）：白圈宽度是否偏大（2-3mm），清晰度：能看见棱线 及两层光圈 4、测量直径是否在206-208之间
2013年8月8日 单晶车间
内容概要
1 3 2 3 3 4 5 3 4 7 3 车间收尾状况及工艺水平
造成收尾不良的原因分析
收尾结晶面的热平衡 收尾扭曲、收断的原因
一般性收尾注意事项
特殊情况下的收尾
合理的收尾参数
车间收尾水平
随机对现场102根晶棒进行统计，收尾不良的（尾长＜150mm）有27根， 尾长小于50mm的有5根，其中3根尾长为零。收尾不良率为26.47%，其 中完全未收尾的发生率有2.94%。 为某公司代工的417炉，按25%的收尾不良率，平均反切50mm的长度计 算，损失长度约为5212.5mm，超过三根整棒的长度，成品率损失0.7%。
如何维持结晶面的热态平衡
—-造成尾巴扭曲的根本原因
单位时间内结晶界面产生的热量等于散出 的热量，即Q产=Q散，Q散只与晶棒尾部的温度梯 度∆T有关，单位时间内∆T 不变则Q散不变。 ∆T、 Q产、Q散与结晶面积S之间有如下关系： Q产=Q散 ∆T↑→ Q散↑→ S↑→ Q产↑
收尾不良的原因分析
在实际收尾过程中，速度与温度都是由参数或者手动控制的， 只有结晶面积是根据产热和散热状态相应 尾部温度梯度 自动调整变化的。它们之间有如下关系： 增加∆T↑ + + 温补过快，尾部温度梯度增加， 单位时间内散热量减小，反则反之； 速度过快，单位时间内结晶量 增加，则产热量相应增加， 结晶面产热量 结晶面散热 Q产=Q散 反则反之。 增大Q产↑ 增加Q散↑ 由此，可解释以下几种 收尾中常见现象： 尾巴直径快速减小： 结晶面积 + + ① 温补过快时，尾部温度梯度减小， 变大S↑ 散热能力减小，这时，会通过减小 结晶面来降低产热量，使结晶面的产热与散热达到平衡； ② 拉速过快时，单位时间内产热量增加，而温度梯度和散热能力不变，这时，光圈 直径快速减小，结晶面积减小，产热量相应减少，产热与散热保持平衡。 尾巴直径快速增大： ① 温补过慢，温度梯度减小，散热量增加，结晶面积增大，光圈直径变大； ② 拉速过慢，单位时间内结晶量减少，产热量减小（散热不变），结晶面积增大， 产热量增加，光圈直径增大。
收尾问题分析
存在的问题:
1、直径控制过大，导致收尾时埚底余料不足； 2、收尾初速不同，需要的温补和速度参数不同； 3、头部降拉速收尾，尾巴会长粗，导致锅底料不足； 4、收尾初始阶段，需手动提拉速至1.4mm/min并维持3min。
需要解决的问题：
۞ 如何控制好晶棒直径，保证锅底料重量在2-3kg； ۞ 如何设定参数保证不同收尾初速下需要的温补和速度； ۞ 如何将手动提速缩直径这一过程参数化。
收尾数据--标准收尾
由以上数据可知：完全收尾的晶棒，收尾一般耗时3小时，功率增幅20kw，温补67。
收尾数据--收尾扭曲
由以上数据可知：锅底料在2-4KG内，温补和功率差距很小，故可排除温补因素，炉台 号也没有明显规律，可排除设备和热场因素。
收尾数据--收尾收断
收尾状况对比分析
标准收尾、收断、扭曲三种状况的相关数据对比：
比较后得出以下结论： 1、锅底料在2-4kg范围内，收尾参数对收尾结果影响不大； 2、锅底料越少，要补足同样的温度需要的功率增幅越大； 3、初速的快慢对收尾影响最大，是决定能否收好的关键： ① 初速低（0.7左右）可以自动标准收尾（原收尾工艺较适用）； ② 初速较大（0.75-0.8）则需要手动干预，尾巴易扭曲； ③ 初速大于0.8mm/min，参数偏差较大，尾巴收断概率最高。
4
6 8 10 14 18 8
120
150 160
142
172 230
0.99
1.20 1.61
1.14
1.38 1.84
小计
68
收尾速度与温补曲线
合理的收尾参数应该能最大限度的涵盖不同收尾切入速度，保证收尾成功。
直径控制
相关数据及计算方法
每公斤拉晶长度=546719/D2，参考下表: 直径（mm） 203 204 205 206 207 硅料质量分布： 投料量 130kg 头部平均重量 尾部平均重量 锅底料平均重量 2kg 5.0kg 3kg 平均晶棒 重量 127kg 去头尾 圆棒重量 120kg 拉制长度 (mm/kg) 13.18 13.05 12.92 12.80 12.67 可拉制长度 /mm 1581.21 1565.74 1550.51 1535.49 1520.69 130等径长度 设定/mm 1580 1570 1560 1545 1530
注意：1、相机浓淡度已调试好就不需要修改，如果在放肩阶段经常有报警，可以直接复位， 也可关闭报警提示音。 2、发现测量值小于206时，不要急于更改子参数，先查看直径反馈表，看历史测量值与实际值 误差，若206对应的实际值大于204，则不要更改任何参数，切记。
收尾参数（试用）
下列收尾参数是通过大量收尾数据提炼出来的，收尾初始切入速 度在0.7-0.8之间基本可以实现参数控制下自动收尾。
设定温补曲线
43023收尾分析总结
43023收尾特点是初始切入速度较高，手动干预后，先降拉速后加 温补。结合以上分析，可以发现： 1、收尾初速越高，晶体温度梯度大，散热快，收尾时温补不足，容易 引起液面结晶； 2、收尾参数是相对于0.7左右的初速设定的，当初速高于0.75，实际 收尾速度会被原参数放大，导致收尾过快而收断。 3、遇到这种情况，手动干预的原则是，适当降低收尾速度，适当补温。