单晶炉及拉棒培训内容

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1 硅的简介

1.1半导体材料

材料按其电阻率可分为超导体材料、导体材料、半导体材料和绝缘材料.半导体材料的电阻率一般介于导体和绝缘体之间,数值一般在10-4-108之间.

半导体的电阻率有如下特点:

(1)杂质对半导体电阻率的影响很显著,微量的杂质就能引起较大的变化.

(2)温度能引起电阻率较大的变化,一般金属材料的电阻率随温度的上升而增大.

半导体材料种类很多,最常见的是硅、锗、硒、砷化镓等.

半导体又分为本征半导体和杂质半导体.

1.2硅的物理性质及提炼过程

硅,又叫做矽,化学符号Si,熔点1412℃,固体密度(20℃)2.33g/cm3,液体密度(1420℃) 2.5g/cm3.硅原子按照一定的顺序排列就形成单晶硅,而局部有规则排列总体却无规则排列的是多晶硅.单晶硅是金刚石结构,具有很高的硬度,脆性高,经不起冲击.

硅是地壳中含量第二的元素,约占地壳的26%.

多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级：

（1）冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si 为90 - 95% 以上，高达99.8% 以上。

（2）太阳能级硅(SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si在99.99 %– 99.9999%（4～6个9）。

（3）电子级硅（EG）：一般要求含Si > 99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～11个9）。其导电性介于10-4– 1010欧厘米。

将石英砂用焦碳在碳电极的电弧炉中还原可制取金属硅,其反应式为:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

2SiC + SiO2 = 3Si + 2CO

金属硅的纯度一般小于98%,用西门子法可制得半导体级硅(99.999999999%),用西门子法也能制得99.9999%的太阳能级硅.西门子法制得的硅通过单晶炉提拉成单晶硅.

另外还有SiHCl3氢还原法(国内主要用此提炼法)、流化床法提炼硅.

太阳能级单晶硅经过切断、切方滚圆、切片、扩散、丝网印刷等工序就可制成电池片,然后进行封装、组件。

2 单晶炉的结构

DRJL—85/95型单晶炉,是在惰性气体环境中以石墨电阻加热将硅熔化,用软轴直拉法生长无位错单晶的专用设备。该设备使用石墨热系统投料85-130kg,生长直径150~200mm用于生产大规模集成电路所需要的高质量单晶材料。

2.1 主要技术规范:

参考炉子上出厂的标示

2.2 运动参数:

晶体拉速范围0·1~10mm/min

晶体转速范围1~50r/min

晶体快速≥400mm/min

坩埚升速范围0·02~2·5mm/min

坩埚转速范围1~30r/min

2.3结构组成及机械传动简述

DRJL—85/95型单晶炉主要由底座及立柱、坩埚传动部件、主炉室、副炉室、籽晶旋转及升降部件、主副液压升降部件、真空及充气系统、电控部分等组成。传动原理详见图1。

图1 单晶炉的构造图

坩埚升降机构:坩埚升降机构的铅垂运动采用双导柱直线轴承结构,由稀土永磁直流电机组通过齿形带、谐波减速器带动滚珠丝杆丝母副来完成,并使坩埚杆、双导柱、滚动丝杆之间的布置更加合理,使传动部件的刚性更好,传动更平稳、更精确。坩埚旋转电机同样采用了稀土永磁直流电机组,通过多楔带传动实现坩埚旋转,这样传递扭矩大,且减少了齿形带的振动,提高了传动稳定性。旋转密封采用磁流体密封,铅垂运动密封采用不锈钢波纹管实现之。与坩埚升降丝杆同轴安装的光电编码器精确显示坩埚位置。籽晶升降机构:籽晶升降机构中装有一个可以作水平随动的软轴卷扬轮。稀土永磁直流电机经过具有精密的大减速比减速箱带动滚动花键副,从而实现软轴卷扬轮的水平随动及旋转提升运动。并设置有卷轮水平随动限位功能,实现籽晶升降范围调整及籽晶升降机构的极限保护限位。整个提拉机构随一空心轴旋转,本机构经过平衡调整,使提拉机构在运动过程中避免振动。与卷扬轮同轴安装有精密的光电编码器,可给计算机提供精确的提升数量值,以便对其进行精确控制。旋转电机通过多楔带实现旋转运动,旋转密封采用磁流体密封。经过优化设计后的电刷部件安装在籽晶旋转支座的外侧,便于安装调试,新型电刷架的碳刷具有弹性补偿功能,保证了信号的精密传输。

2.4机械结构特点

DRJL—85/95型单晶炉的总体结构设计借鉴美国、德国等先进国家的先进单晶炉炉型,并结合我校单晶炉的成熟经验设计而成。首先在整体造形上,各部分的布局及操作等方面进行了优化设计。其次针对以前的单晶炉中存在的一些结构不合理的地方进行了改进,进一步提高了整机的稳定性、可靠性。

2.4.1主炉室结构

主炉室由炉底、上下炉筒及炉盖组成,均为双层螺旋水冷不锈钢(304L不锈钢)焊接结构,内壁采用双面焊,并经加热去应力处理,提高其抗腐蚀性能。炉底与下炉筒,下炉筒与上炉筒,上炉筒与炉盖之间均设有定位止口,以保证每次合炉的准确性。炉底上设有4个电极接口,安装4个电极,以满足工艺厂家进行两段式加热。下炉筒上有两个左右对称布置的真空抽口,真空管道通过两个侧管道汇合于主机后面与真空机组联接。这样就保证了拉晶过程中炉内气流的均匀流动,更有利于单晶生长。为改善炉盖的受力、热变形及冷却等情况,将炉盖设计为拱形结构。为减少尖角应力,提高使用寿命,主观察孔设计为田径跑道式,取信号孔及辅助观察孔均为圆形孔。

2.4.2副炉室结构

副炉室为开门式、圆筒造形、双层水冷结构、副室炉门的关闭和开启采用联动机构,由一个操作手柄完成操作,以便快速准确地关闭炉门。副炉室内设有隔离阀。副炉室上设有观察孔、气孔、掺杂孔及一个副室抽空孔,以满足不同的工艺需要。为维护炉室中的局部压力和温度设置了隔离阀。关闭此阀以后,可以打开副炉室,从而接近籽晶或单晶。此阀改变了传统结构形式,增加了浮动环节(浮动式翻板阀),操作灵活轻便,密封效果好。为了方便地调整籽晶轴的铅垂以及与坩埚轴的对中,在副炉室上部增加了过渡副室(如图2),通过水平调整螺母调整上传动部件的水平,从而消除因加工误差所造成的上下轴不对中的现象,提高其使用精度。