单晶炉热场结构-LDK

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， 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。 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。 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， 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， 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。 的直拉单晶工艺技术。 热场有大有小， 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￠ 都有， 来划分的，目前国内热场从￠12″～ ￠28 ″都有，但 ～ 都有 居多。 以￠18″～ ￠22″居多。 ～ 居多
二、热场的安装与煅烧
(4)煅烧 煅烧 新的热场需要在真空下煅烧， 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～ 次 小时左右， 时间约 小时左右，煅烧 ～5次， 方能投入使用。使用后， 方能投入使用。使用后，每拉晶 4～8炉后也要煅烧一次。 炉后也要煅烧一次。 ～ 炉后也要煅烧一次 煅烧功率，不同的热场不一样， 煅烧功率，不同的热场不一样，一 般要比引晶温度高， 般要比引晶温度高，CZ1#炉子煅 炉子煅 烧最高功率一般在110KW。 烧最高功率一般在 。
保温罩
保温罩分为上保温罩、 保温罩分为上保温罩、中保 温罩和下保温罩。 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。 石墨碳毡而成 包裹石墨碳毡而成。石墨碳 毡的包裹层数视情况而定。 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， 系统，它的作用是加强埚底 保温，提高埚底温度，减少 保温，提高埚底温度， 热量损失。 热量损失。
三、热场的温度梯度
显然两点间的温度差越大， 越大， 显然两点间的温度差越大，则 越大，则温度梯度 越大，反之，两点间温度差越小， 越大，反之，两点间温度差越小，则 越小，则温度 dT d T 梯度越小， 梯度越小，如果 dr
d T >0 d r
d r
二、热场的安装与煅烧
②加热器与石墨坩 埚的对中： 埚的对中：转动 托碗，调整埚位， 托碗，调整埚位， 让石墨坩埚与加 热器口水平（ 热器口水平（此 时的埚位成为平 口埚位）， ），再稍 口埚位），再稍 许移动加热器电 与托碗对中， 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。 间隙四周都一致。
石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托 盘
坩埚托杆、坩埚托盘共同构成 坩埚托杆、坩埚托盘共同构成 了石墨坩埚的支撑体， 了石墨坩埚的支撑体，要求和 下轴结合牢固，对中性良好， 下轴结合牢固，对中性良好， 在下轴转动时， 在下轴转动时，托杆及托盘的 偏摆度≤0.5mm。 偏摆度 。 支撑体的高度是可以调节的， 支撑体的高度是可以调节的， 这样可以保证熔料时， 这样可以保证熔料时，坩埚有 合适的低埚位，而拉晶时， 合适的低埚位，而拉晶时，有 足够的埚跟随动行程。 足够的埚跟随动行程。
压环， 压环，由几截弧形 环构成的一个圆形 环状石墨件， 环状石墨件，它放 置在盖板与炉壁接 触处， 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， 右上图是压环，右 下图为安装后的效 果安装前 安装热场前，尤其是新热场，应仔细擦拭干净， 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， 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。 热场前也必须擦拭完毕。 (2)安装 安装 安装顺序一般是由下而上 由内到外。 由下而上， 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， 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。 可倾斜，同时要和托杆对中。 放上加热器之后， 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。 的两孔对准。
保温罩
中、上保温罩的作用也是为了 减少热量的损失。 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 这样使得温度梯度不一样。 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。 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 厂房现在使用的比较多的 上排气。这样， 是上排气。这样，上保温罩上 面就存在几个排气孔， 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。 的排出。
三、热场的温度梯度
(2)温度梯度的概念 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， 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”这个概念。 温度梯度是指热场中某点A的温度指 温度梯度是指热场中某点 的温度指 向周围邻近某点B的温度的变化率。 向周围邻近某点 的温度的变化率。 的温度的变化率 也即单位距离内温度的变化率 单位距离内温度的变化率。 也即单位距离内温度的变化率。
保温盖、导流筒
保温盖由保温上盖、 保温盖由保温上盖、保温碳 毡和保温下盖组成。 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， 毡组成，其内径的大小与导 流筒外径相匹配，平稳的放 流筒外径相匹配， 在保温罩面板上。 在保温罩面板上。 导流筒， 导流筒，由内外筒之间夹一 层石墨碳毡组成。 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。 度和引导氩气流。
加热器
一般情况下，加热器是高 一般情况下，加热器是高 纯石墨加工 加工， 纯石墨加工，每个半圆筒 各位一组，纵向开缝分瓣， 各位一组，纵向开缝分瓣， 组成串联电阻， 组成串联电阻，两组并联 后形成串并联回路。 后形成串并联回路。 右下图是倒立的加热器， 右下图是倒立的加热器， 由图可知， 由图可知，在加热器下面 有两个清晰的连接孔，这 有两个清晰的连接孔， 些孔是用来连接石墨电极 石墨电极。 些孔是用来连接石墨电极。
电 极 图
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 石墨坩埚，也就是所谓的三瓣 主要是用来盛放石英坩埚。 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， 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， 强度，来承受硅料和坩埚的重 量。 石墨坩埚，有单体，两瓣合体， 石墨坩埚，有单体，两瓣合体， 以及CZ1#所使用的三瓣合体等 以及 所使用的三瓣合体等 不同形状。它们从节约成本、 不同形状。它们从节约成本、 使用方便来比较各有所长。右 使用方便来比较各有所长。 图为三瓣埚的实物图。 图为三瓣埚的实物图。
一、热场结构
直拉单晶炉的热系统， 直拉单晶炉的热系统，也就是所谓的热 是指为了熔化硅料， 场，是指为了熔化硅料，并使单晶生长 保持在一定温度下进行的整个系统。 保持在一定温度下进行的整个系统。 热场一般包括压环、保温盖、 热场一般包括压环、保温盖、上中下保 温罩、石墨坩埚(三瓣埚 坩埚托杆、 三瓣埚)、 温罩、石墨坩埚 三瓣埚 、坩埚托杆、 坩埚托盘、电极、加热器、导流筒、 坩埚托盘、电极、加热器、导流筒、石 墨螺栓，且为了防止漏硅，炉底、 墨螺栓，且为了防止漏硅，炉底、金属 电极、托杆、都设置了保护板、保护套。 电极、托杆、都设置了保护板、保护套。
内容
1.热场结构 热场结构
热场的结构示意图； 热场的结构示意图；各部件介绍
2.热场的安装和煅烧 热场的安装和煅烧
热场的安装；热场水平与中心调整；热场的煅 热场的安装；热场水平与中心调整； 烧
3.热场的温度梯度 热场的温度梯度
热场的概念；温度梯度的概念； 热场的概念；温度梯度的概念； 静态热场的温度分布； 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 晶体生长的温度梯度： 度梯度
坩埚轴与加热器的对中。 ① 坩埚轴与加热器的对中。将 托杆稳定的装在下轴上， 托杆稳定的装在下轴上，将 下轴转动，目测是否偏摆。 下轴转动，目测是否偏摆。 然后将钢板尺平放在坩埚轴 观察两者之间的间隙， 上，观察两者之间的间隙， 间隙是否保持不变， 间隙是否保持不变，加热器 圆心是否对中。接着装托盘 圆心是否对中。接着装托盘 ，托盘的中心也要跟加热器 对中。 对中。
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 对中顺序 在整个安装过程中， 在整个安装过程中，要求整个热系统对中良 同心度高，需要严格对中： 好，同心度高，需要严格对中：
石墨电极
石墨电极的作用， 石墨电极的作用，一是平稳的 固定加热器 加热器， 固定加热器，二是通过它对加 输送电流， 热器输送电流 热器输送电流，因此要求电极 厚重，结实耐用，它与金属电 厚重，结实耐用， 极和加热器的接触面要光滑、 极和加热器的接触面要光滑、 平稳，保证接触良好， 平稳，保证接触良好，通电时 不打火。 不打火。石墨电极也是有高纯 石墨加工而成。 石墨加工而成。 右上图为石墨电极示意图、 右上图为石墨电极示意图、右 下图为连接石墨电极和加热器 石墨螺栓。 的石墨螺栓。
三、热场的温度梯度
如下图所示， 点到 点的温度变化为T 点到B点的温度变化为 如下图所示，A点到 点的温度变化为 1T2 ，距离变化为 1-r2 。那么 点到 点的 距离变化为r 那么A点到 点到B点的 温度梯度是： 温度梯度是：
dT dr
∆T T1 − T2 = ∆r r1 − r2
通常用
方向上的变化率。 表示在 r 方向上的变化率。
热 场 示 意 图
加热器
加热器是热场中很重要的部件， 加热器是热场中很重要的部件， 是热场中很重要的部件 是直接的发热体， 是直接的发热体，温度最高的 时候可以达到1600℃以上。 时候可以达到 ℃以上。 常见的加热器有三种形状， 常见的加热器有三种形状，筒 杯状、螺旋状。 状、杯状、螺旋状。目前绝大 多数加热器为筒状， 多数加热器为筒状，硅单晶分 厂房使用的是直筒式 厂CZ1#厂房使用的是直筒式形 厂房使用的是直筒式形 状的加热器。右图为加热器。 状的加热器。右图为加热器。
三、热场的温度梯度
(1)热场的概念 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。 热场也称温度场。热系统内的温度分布状态叫热场。 热场 煅烧时，热系统内的温度分布相对稳定，称为静态 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， 热场。在单晶生长过程中，热场是会发生变化，称 动态热场。 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 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， 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、 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。 发生变化，所以热场是变化的，称为动态热场。
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 保温罩和加热器对中：调整保温罩位置， 保温罩内壁与加热器外壁之间四周间隙一致。 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， 意可径向移动，不得转动，否则测温孔就对不准 了。 保温盖和加热器对中：升起托杆， 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， 与保温盖水平，调整保温盖的位置，使得四周间 隙一致。 隙一致。 此外: 此外 下保温罩和电极之间的间隙前后一致， 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。 大意造成短路打火。 测温孔对一致。 ⑥测温孔对一致。