CZ晶体生长流程与原理培训

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化料
检漏合格后开加热器熔化硅料。该工艺可调节化料功率、 埚位、流量、炉压。 需要考量的因素：
• 功率过高，加剧了石英坩埚与硅料的 反应，缩短了石英坩埚使用寿命，增加 了进入熔硅的杂质； • 功率过低，化料时间加长，降低产能； • 根据投料量把握化料时间。一般120kg 以7-7.5小时为宜； • 塌料后及时开启埚转，观察塌料。
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直拉式单晶炉基本结构
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单晶炉的主要组成
炉体（基座、炉室、炉盖、液 压系统） 晶体升降及旋转机构 坩埚升降及旋转机构 氩气和真空系统 加热系统（加热电源、热场） 冷却系统 控制系统
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直拉法晶体生长流程
引晶 放肩
装料 放肩 转肩
抽真空 引晶
检漏 稳定化 收尾
调压
化料 停炉 拆炉
等径
等径
收尾
PLAY
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装料
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热场
静态热场——熔硅后引晶时的温度分布，由加热器、保 温系统、坩埚位置等因素决定 。

动态热场——拉晶时的热场，由结晶潜热、液面下降、 固体表面积增加等因素决定。

常用温度梯度从数量上描述热系统的温度分布情况。 温度梯度——指温度在某方向的变化率
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下轴需保持平稳
坩埚通过一根约1m长的硬轴支撑并 旋转上升，熔液盛在坩埚内； 硬轴固定在坩埚提升机构上； 坩埚提升机构导轨和丝杠要平顺； 带动的硬轴旋转要平稳； 冷炉时硬轴上端放一盆水，坩埚提 升机构运行时水面无明显波纹； 硬轴与炉子的旋转轴线重合。
直拉式单晶炉技术培训
直拉法晶体生长流程与原理
浙江晶盛机电股份有限公司 杭州慧翔电液技术开发有限公司
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培训内 容
一、直拉法单晶硅生长环境 二、直拉式单晶炉基本结构 三、直拉法单晶硅生长工艺步骤
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单晶硅应用
石英砂－金属硅
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氩气和真空系统
系统组成
1、氩气分流控制：三阀系统及氩气分流环 2、炉压控制：节流阀 3、真空测量：不同量程真空计检测真空 4、真空泵组：副泵用于隔离操作，主泵用 于正常拉晶（滤芯的影响）。
三阀系统
节流阀控制
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将多晶硅原料与掺杂剂小心装入石英坩埚内。装料技 巧避免挂边、气泡、搭桥等。
需要考量的因素：
装料一般原则； 掺杂剂类型及掺杂方法。
加料具体操作方法及注意点请参考操作说明书
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抽真空/检漏/调压
将单晶炉密闭后抽真空，并使用氩气冲洗2-3次，最后 抽极限真空，关闭所有阀门检测炉压上升速度，判断炉 子泄漏率。一般冷炉泄漏率小于30mTorr/hr，热炉泄漏 率小于3mTorr/hr认为合格。 炉子泄漏率合格之后开启真空阀和氩气阀，设定氩气流 量和炉压，使炉内达到单晶生长所需的气氛和压力条件。
炉子的真空密闭性对单晶硅生长至关重要！
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减压的流动惰性气体保护环境
用高纯氩气保护（99.999%） 带走氧气等泄露进炉内的杂质，并 带走熔液表面蒸发的SiO 顶上充入，用真空泵从炉底抽气 抽空管道上设置电动蝶阀以实现炉 内压力的闭环控制 气体进入真空泵之前经过过滤罐将 杂质粉尘分离，减少对泵油的污 染 顺畅气流对单晶硅生长非常重要！
化料具体操作方法及注意点请参考操作说明书
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引晶
硅料全熔后，降低功率，提高埚位到引晶位置，液面温度稳定到 引晶温度后，下降籽晶使籽晶与熔硅熔接完成，提拉籽晶引出 3~5mm直径的细长单晶的过程，生长<100>单晶，细晶长度大于一 倍等径直径。 开始引晶前，温度至少稳定了1个小时； CCD设置里引晶的直径信号增益固定，保证每台炉子细颈直径的一 致性； 引晶目的
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直拉法单晶硅生长环境
高温 真空密闭 减压 流动的惰性气体（Ar2）保护 上轴为钨钼合金软轴（钢丝绳） 下轴为金属轴 上下轴同时提升，并反向旋转 对机械振动敏感 避免软轴晃动 生长过程液面位置不变
提升装置 籽晶轴 晶种
加热器 石英坩埚
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高温环境的形成
硅的熔点1410℃ 主炉室内安装石墨加热器和保温 材料（热场），低压大电流流 过加热器产生高温，热量通过 辐射加热石墨坩埚，由石墨坩 埚加热石英坩埚和多晶硅料， 达到熔化和结晶所需的温度。 调节加热器功率以控制熔体温 度； 保温结构用于构成下热上冷的温 度梯度，以及隔绝加热器对炉 壁的热辐射。
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软轴所要求的安静环境
引晶时软轴长度约4m，直径2.5mm 在炉子顶上有一个旋转的缆车机 构（提拉头），拉晶时不停旋 转并缓慢的卷动钢缆提升单晶 要求： 1、提拉头安装在水平的炉顶上 2、提拉头自身旋转平稳，动平衡 3、炉子可靠的座在基础上，地脚 螺栓拉紧 4、基础四周隔震，无机械振动 5、软轴与炉子的旋转轴线重合
快速升降 电机
称重部件
慢速升降 电机 配重块 旋转伺服 电机
光电编码 计行程
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晶体/坩埚传动机构调试重点
1、晶体、坩埚慢速电机和旋转电机速度标定，方向正确； 2、晶体、坩埚快速电机方向正确； 3、依照热场高度调节晶体、坩埚限位； 4、调整提拉头水平； 5、调整坩埚轴上端面水平； 6、用对中套调整坩埚轴对中； 7、用对中尖和对中盘调整钢缆对中； 8、标定晶体、坩埚的计程； 9、标定称重。
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晶体/坩埚升降及旋转机构
快慢双电机结构： 提高拉速控制精度；实现易挥发杂质的掺杂； 配重块合理配重：保证了晶体旋转时的动态平衡；
上/下轴旋转的作用：固液界面热对称的获得；晶体断面良率的提高；

重量/行程传感器： 重量的测量可把握剩料，做到及时收尾。
一定距离内，某方向的温度相差越大，单位距离内的温 度变化越大，梯度就大。
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温度梯度与长晶界面形状
单晶的生长过程中，固液界面反映其径向温度梯度变化过程。
温度
dt/dx>0 界面凸向熔体
dt/dx=0
dt/dx<0 界面凹向熔体
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真空密闭环境的形成
真空泵不断的对炉子抽气，形成真空； 炉子各部件之间都有密封件，其中旋转部件之间 采用磁流体密封； 每炉生长之前通过用真空泵对炉子抽极限真空， （抽真空工艺）关闭抽空阀门，测量炉内压力 升高速度来判定炉子是否达到密闭要求；（检 漏工艺）
Vc/Vs=0.932Xd2/D2
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外界振动的隔离
外界震源包含： 1、真空泵运行振动 真空泵下用弹簧座主动隔震 真空泵远离炉子 2、基础所处土壤表层振动 基础四周挖减震槽隔离 3、基础所处土壤深层振动 混凝土基础座在实土层 混凝土基础不宜过高
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加热电源
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热系统
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热系统材料
加热器是热系统的主体，用高纯 石墨制成，它是系统的热源。保 温系统用石墨制成，也有碳素纤 维、碳毡、和高纯石墨混合组成 热场内要提供通畅的气流通道， 并使气流流过生长区域液面； 氧化物会在温度较低的热场零件 上沉积，应避免氧化物沉积在液 面以上的位置； 炭毡不能直接暴露在热场内部
控制器
设定温度
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冷却系统
炉壁都是夹层结构，夹层内有循环水道，保证炉子得到 均匀的水冷却； 炉子的总出水管上有流量开关；水冷套上有流量计； 断水后3分钟内控制系统会自动切断加热电源； 炉子各处设置了13个55℃超温开关，局部的过热会在控 制柜上直观显示； 进出水压差应大于2公斤，进水绝对压力不超过3公斤； 厂房应配备应急供水，在停电情况下对炉子进行紧急冷 却。
多晶
CFC PROFESSIONAL
单晶硅片
单晶硅棒
集成电路
集成电路应用
太阳能电池
太阳能电池应用
3
单晶硅主要生长方法
CFC PROFESSIONAL
区熔法可生长出纯度高均匀性 好的单晶硅，应用于高电压大 功率器件上，如可控硅、可关 断晶闸管。
直拉法生长单晶硅容易控制， 产能比区熔高，会引入杂质， 应用于半导体集成电路、二极 管、外延片衬底、太阳能电池。
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安全保障系统
机械限位保护
水压、气压防爆系统
软件限位保护 软件报警
应急操作界面
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直拉法单晶硅生长工艺步骤
0
x
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控制系统
拉速控径系统
驱动电机 测速反馈 A/D 放大调速电路 设定拉速
控制器 + PID运算 设定直径 D/A 直径测量 红外测温 D/A
+
控制器
温度控径系统
放大 A/D +
PID运算
A/D
输出功率
D/A
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生长过程中液面位置保持不变
热场内温度是不均匀的，所形成 的温度梯度是单晶硅生长的条 件； 单晶硅的生长界面位于液面附近 ，要求生长界面在热场内的位 置保持恒定； 由于硅的结晶，熔液体积减小， 所以要不停的把坩埚升起来； 根据质量守恒定律，推算出坩埚 与单晶提升速度的比值： 0.932是硅的固态与液态密度之 比值
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பைடு நூலகம்
直拉法单晶硅生长环境
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直拉法单晶硅生长过程
利用加热器将多晶硅原料熔化 在石英坩埚里； 降温到液面温度低于熔点； 将一根固定在夹头上的籽晶插 入熔体表面，待籽晶下端与 熔体形成熔区后，慢慢向上 提拉籽晶，单晶便在籽晶下 端生长； 生长完毕之后逐渐降温直至取 出单晶。
副炉室
晶体提升 旋转机构
隔离阀室
炉盖
主炉室
控制柜 坩埚提升 旋转机构
基座
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炉体
炉体由基座、炉室、炉盖及液压系统组成。
基座配合水平调整和防震设施为晶体提供良好的生长环境； 主炉室是晶棒生长的地方；副炉室是晶棒冷却的地方； 通过炉盖观察窗（主视窗、CCD窗）监控晶体生长全过程； 液压系统控制炉室打开与复位。 炉体调试重点： 1、炉子达到密闭性要求、极限真空和漏率合格； 2、调整调平垫块使炉底板达到水平度要求； 3、拧紧地脚螺栓； 4、液压系统运行平稳，限位调整，定位销检查。