单晶炉图解
《单晶炉热场结构》PPT课件
保温盖、导流筒
保温盖由保温上盖、保温碳 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，其内径的大小与导 流筒外径相匹配，平稳的放 在保温罩面板上。
导流筒，由内外筒之间夹一 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。
压环
压环，由几截弧形环构成的 一个圆形环状石墨件，它放 置在盖板与炉壁接触处，是 为了防止热量和气体从炉壁 与盖板的缝隙间通过。
石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘
坩埚托杆、坩埚托盘共同构成了 石墨坩埚的支撑体，要求和下轴 结合牢固，对中性良好，在下轴 转动时，托杆及托盘的偏摆度 ≤0.5mm。
支撑体的高度是可以调节的，这 样可以保证熔料时，坩埚有合适 的低埚位，而拉晶时，有足够的 埚跟随动行程。
保温罩
保温罩分为上保温罩、中保 温罩和下保温罩。
dT
dy
足够大，但不能过大，保证晶体生长中有
S
足够散热能力，带走结晶潜热。
②熔体中的纵向温度梯度
dT dy
比较大，保证熔体内不产生新的晶核，
L
但是，过大容易产生位错，造成断苞。
③结晶界面处的纵向温度梯度
dT dy
适当的大，从而形成必要的过冷度
SL
，使单晶有足够的生长动力，不能太大，否则会产生结构缺陷，而径
保温罩是由一个保温筒外面 包裹石墨碳毡而成。石墨碳 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，它的作用是加强埚底 保温，提高埚底温度，减少 热量损失。
保温罩
中、上保温罩的作用也是为了减 少热量的损失。只不过保温罩外 面的石墨碳毡的层数不一样，这 样使得温度梯度不一样。
硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉幻灯片PPT
• 热电偶装在直拉单晶炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了使便于 测量和测量灵敏准确，一般通过聚光镜，将光聚集于热电偶堆上。
• 电极装在炉膛底部，它的作用是支撑加热器（石墨）和保温系统（或 通过石墨电极支撑），把强大的电流传给加热器，使加热器产生高温， 熔化多晶硅。电极一般由紫铜制成，两层铜管成环状，内部通水。
• 光学等直径监测器装在炉膛的光学等直径监测孔上，它象照象机，一 组光学镜头对准坩埚中心，硅单晶通过镜头将硅单晶横断面直径的正 面影象反射在毛玻璃屏幕上，屏幕上有一个光敏二极管，影象变化作 用在光敏二极管上，产生电信号，经过放大分压（或分流）处理，控 制提拉或加热功率，保证硅单晶等径生长，通过调节光敏二极管位置 可以控制生长硅单晶的粗细。
• 单晶炉的机械传动部分，包括籽晶轴（上 轴）、坩埚轴和驱动它们上升、下降或旋 转的电机。
• 籽晶轴和坩埚轴的旋转由力矩电机（或直 流电机）分别经过皮带（或齿轮）变速后 带动抱轮使其旋转。
• 籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过通过两 个力矩电机（或直流电机）驱动螺纹旋转 完成。
• 这四个运动各自独立，互不干扰，不同的 是坩埚轴比籽晶轴有更缓慢上升或下降速 度。
硅片制备--多晶硅铸锭炉 和单晶炉幻灯片PPT
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一、 单晶炉
• 目前在所有安装的太阳电池中，超过90%以上的 是晶体硅太阳电池，因此位于产业链前端的硅锭/ 片的生产对整个太阳电池产业有着很重要的作用。
直拉式单晶炉测温方案知识讲解
德国生产，品质保证
多晶硅铸锭炉
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德国生产，品质保证
多晶硅生产过程简介
1、装炉 将多晶硅料和掺杂剂放入炉内，给炉室抽真空并通氩气，保持气压为：400～
600mbar 2、加热熔化硅料
给炉室内的石墨加热器通电加热。先预热，使石英坩埚的温度达到1200～ 1300℃左右，保持4~5小时。然后逐渐增加加热功率，使石英坩埚内的温度达到 1500℃（大于硅熔点）左右，硅原料开始熔化。该时间约为9~11小时。 3、铸锭硅生长
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德国生产，品质保证
德国生产，品质保证
直拉式单晶硅炉热场示意图
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德国生产，品质保证
直拉式单晶炉测温应用
1、硅液液面温度的测量 单晶硅是在热场中进行拉制的，热场的优劣对单晶硅
质量有很大影响。单晶硅生长过程中，好的热场，能生产 出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶变成多晶，甚至 根本引不出单晶。有的热场虽然能生长单晶，但质量较差 ，有位错和其他结构缺陷。因此，配置最佳热场，对热场 的实时监测非常重要,特别是结晶处的硅液液面的温度监测 ，尤为重要。
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德国生产，品质保证
单晶炉多晶炉材料发射率
晶体：0.55 熔体：0.3 石英坩埚：0.5 石墨：0.8
培训专用
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把加热功率降低并关闭，并充入氩气，提升气压至大气压。让铸锭硅在炉内自然 冷却8～13个小时。方可打开炉室，取出铸锭硅块。
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德国生产，品质保证
多晶硅液面 测温方案 PYROSPOT DSR10N
坩埚加热器温度 测量方案 PYROSPOT DG40N
温度范围：700~1800℃ 光学镜头：可变焦距，带石英玻璃保护窗，最小测量 目标1.2mm 测量距离：距离250~4000mm, 光谱范围：0.7~1.1μm 测量精度：0.5%测量值 重复精度：0.2%测量值 响应时间：5ms，可调直10s 比色系数（双色）：0.800~1.200 可通过软件或测温仪 上的按钮调节 输出信号：0/4~20毫安,温度线性
硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉(2)幻灯片PPT
• 布里曼法则是在硅料熔化后，将坩埚或加 热元件移动使结晶好的晶体离开加热区， 而液硅仍然处于加热区，这样在结晶过程 中液固界面形成比较稳定的温度梯度，有 利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度 dT/dX 接近常数，生长速度受工作台下移 速度及冷却水流量控制趋近于常数，生长 速度可以调节。实际生产所用结晶炉大都 是采用热交换与布里曼相结合的技术。
• 但这种技术生长的多晶硅的晶粒 比较细小(约为3—5 mm)、大小 不均。且生长时固液界面是严重 的凹型，会引入较多的晶体缺陷。 因此，制备的多晶硅的少数载流 子寿命较低，所制的太阳能电池 效率也低。
• HEM/DSS: dominating process, • Pour Casting: • Bridgeman: • Electromagnetic Casting: continuous process, limited ingot size,
1.2 热交换法及布里曼法
• 热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中 （ 避免了二次污染），其中热交换法是将硅料在坩埚中 熔化后，在坩埚底部通冷却水或冷气体，在底部进行热 量交换，形成温度梯度，促使晶体定向生长。
• 下图为一个使用热交换法的结晶炉示意图。该炉型采用 顶底加热，在熔化过程中，底部用一个可移动的热开关 绝热，结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷 却台带走，从而形成温度梯度。
• 下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉 示意图。图中，工作台通冷却水，上置一个热开 关，坩埚则位于热开关上。硅料熔融时，热开关 关闭，结晶时打开，将坩埚底部的热量通过工作 台内的冷却水带走，形成温度梯度。
• 同时坩埚工作台缓慢下降，使凝固好的硅锭离开 加热区，维持固液界面有一个比较稳定的温度梯 度，在这个过程中，要求工作台下降非常平稳， 以保证获得平面前沿定向凝固。
《单晶炉热场结构》课件
温度梯度对单晶生长的影响：温度梯度是热场结构中的关键参数，对单晶生长的晶体取向、缺陷形成、应力分布等方面有决定性作用。
热场稳定性对单晶生长的影响：热场稳定性对单晶生长的均匀性和一致性有重要影响，是保证单晶生长质量的关键因素。
热场调控对单晶生长的影响：通过对热场的调控，可以实现对单晶生长过程的精确控制，提高单晶生长的效率和品质。
热场：指单晶炉内部的温度和热梯度分布
热场优化：指通过调整单晶炉的热场结构，提高单晶生长质量和效率的过程
热场分析：指对单晶炉热场进行建模、仿真和实验研究，以了解热场的分布和变化规律
热场结构对单晶生长的影响
热场结构对单晶生长的影响：热场结构是单晶炉的核心部分，对单晶生长的速度、质量、成本等方面都有重要影响。
保温层材料选择：采用高保温性能材料，减少热量损失
保温层厚度调整：根据热场结构需求，适当增加或减少保温层厚度
坩埚与支架改进案例
坩埚改进：采用新型材料，提高耐高温性能和热稳定性
支架改进：优化结构设计，提高支撑稳定性和散热效果
改进效果：提高单晶生长质量和效率，降低能耗和成本
案例分析：分析改进前后的效果对比，总结经验教训
保温层的结构：一般分为内外两层，中间填充保温材料
保温层的设计要求：既要保证热效率，又要防止热量过度集的容器
支架：用于支撑坩埚并保持其稳定性的结构
热场调控系统
热场调控系统的原理：通过加热器加热单晶炉内的硅料，同时控制气氛控制系统中的气体流量和成分，以及通过热场监测系统监测热场的温度分布和变化情况，实现单晶生长过程中的热场调控。
单晶炉热场结构设计原则
均匀性原则
稳定性原则
热场结构稳定：确保单晶炉热场结构稳定，避免热波动对单晶生长的影响
直拉单晶炉设备简介结构
直拉单晶炉设备简介结构单晶炉设备，也称为单晶生长炉，是一种用于生产高质量单晶材料的先进设备。
单晶材料在电子、光电子、光学和磁学等领域有着广泛的应用。
单晶炉设备通过熔融法或气相沉积法进行单晶生长，其结构一般包括炉体、加热元件、温度控制装置、控制系统和附件等部分。
一、炉体炉体是单晶炉设备的主体部分，一般由炉罐和炉盖两部分组成。
炉罐通常由耐高温、高膨胀系数的材料制成，如石墨、石英等。
炉罐的内部需要保持一定的真空度，以防止杂质的污染。
炉盖通常是一个单向旋转的结构，方便单晶生长过程中的试样的进出。
二、加热元件加热元件是单晶炉设备中起到加热作用的部分，一般由电阻丝、电阻板等构成。
加热元件的作用是提供足够的热量使试样内部达到熔点并保持一定的熔化状态。
加热元件通常布置在炉罐的外侧，通过电源供电控制加热温度。
三、温度控制装置温度控制装置是保证单晶生长过程中温度的稳定性和精确性的关键部分。
一般由温度传感器、温控仪和加热控制系统组成。
温度传感器通过测量试样的温度信号反馈给温控仪，温控仪根据设定的温度范围和精度，调节加热控制系统提供的热量，以实现稳定的温度控制。
四、控制系统控制系统是单晶炉设备的核心部分，主要包括温度控制系统、真空控制系统、气体流量控制系统和运行状态监测系统等。
温度控制系统通过控制加热元件的供电功率，实现对温度的控制。
真空控制系统通过控制抽气装置的工作状态，实现对炉罐内真空度的控制。
气体流量控制系统用于控制与单晶生长过程相关的气体的输入和排出。
运行状态监测系统可根据实际需要监测单晶炉设备的工作状态和性能，以提供参考和保障设备的正常运行。
五、附件单晶炉设备的附件包括保护屏、加热瓶、真空泵等。
保护屏是一种用于保护实验人员免受高温辐射的屏障。
加热瓶是单晶生长过程中用来加热试样的容器。
真空泵是单晶炉设备用于维持炉罐内真空度的设备，通常由机械泵和分子泵组成。
总结起来，单晶炉设备是一种结构复杂、功能完善的高精度设备，用于生产高质量单晶材料。
单晶炉热场结构
三、热场的温度梯度
(3)静态热场的温度分布 下图为静态热场的温度分布状况：沿着加热器中心轴线 测量温度的变化发现加热器的中心温度最高，向上向下 dT 都是逐渐降低的，它的变化率称为纵向温度梯度，用 dy 表示。
三、热场的温度梯度
然后沿着轴线上某点沿着径向测量，发现温度是 逐渐上升的，加热器中心温度最低，加热器温度 最高，成抛物线变化，它的变化率称为径向温度 梯度，用
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 的石墨螺栓。
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 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， 石墨坩埚本身也需要具有一定 的强度，来承受硅料和坩埚的 重量。 石墨坩埚，有单体，两瓣合体 ，以及CZ1#所使用的三瓣合体 等不同形状。它们从节约成本 、使用方便来比较各有所长。 右图为三瓣埚的实物图。
dT 0 dy S
散掉，保持界面温度稳定。
dT ②如果 较小：晶体生长产生的结晶潜热不能及时散掉，单晶硅温 dy S
度增高，结晶界面温度随着增高，熔体表面的过冷度减少，单晶硅的 正常生长就会受到影响。
dT ③但是，如果 过大：则可能产生新的不规则晶核，使单晶变成 dy S
石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘
坩埚托杆、坩埚托盘共同构成了 石墨坩埚的支撑体，要求和下轴 结合牢固，对中性良好，在下轴 转动时，托杆及托盘的偏摆度 ≤0.5mm。
支撑体的高度是可以调节的，这 样可以保证熔料时，坩埚有合适 的低埚位，而拉晶时，有足够的 埚跟随动行程。
保温罩
保温罩分为上保温罩、中保 温罩和下保温罩。
单晶炉机械结构(PPT38页)
坩埚提升机构（俯视）
坩埚提升机构拆装及调整
拆旋转皮带
1、关掉坩埚轴冷却水的进水管阀门，将其回水管用扎带 扎起。
2、松开坩埚旋转电机齿轮箱组件并从坩埚轴上拆下旋转 皮带。
3、从坩埚轴组件上松开并取下旋转接头夹紧圈。 4、松开坩埚轴上的固定冷却管的3只紧定螺钉，向下取
出旋转接头和冷却管。
5、松开固定波纹管的螺钉，取下波纹管。 6、从坩埚轴磁流体密封的底部取下夹紧圈和旋转带轮。 7、从炉底板的上方将坩埚轴从埚转磁流体密封中抽出。
籽晶钢缆的对中
1、安放对中靶在坩埚轴的托盘上，保证其 位于托盘正中。 2、安装对中针在籽晶夹头的一端。 3、定位坩埚使对中靶在要求的熔体水平位 置。 4、抽空单晶炉且维持在20Torr静态压力。 5、降下籽晶夹头，使对中针几乎触及对中 靶。 6、从另一个观察窗观察对中针是否正对对 中靶中心。 7、如对中针没有正对对中靶中心，则松开 固定籽晶提升装置的三个压紧块。 8、调整压紧块侧面的顶紧螺钉使对中针正 对对中靶中心。 9、上紧三个压紧块，观察对中针是否有偏 差。 10、拆下对中靶和对中针。
晶体提升腔拆装及调整
25、提升腔垂直向下放到底板上，小心不要破坏提升腔的内孔以及晶转 磁流体密封的O型圈和轴。在O型圈上抹少量的真空脂将有助于提升 腔的装入。
26、装回把提升腔固定到底板上的两颗螺钉。 27、装回称重腔，拧紧铰链螺钉。 28、装回钢丝绳，并重新检查限位开关的设置。 29、装回刚性联轴器和卡环，确定联轴器上的十字块仍在正确位置。 30、在钢丝绳上装上籽晶夹头。 31、将称重传感器腔的航空插头重新插上。
16、拆下把铜螺母固定到盖端上的4颗螺钉，取下铜螺母。 17、重装时，首先铜螺母装回端盖，装回把铜螺母固定到
盖端上的4颗螺钉。 18、将右端盖装回提升腔，上紧固定螺钉。 19、将缆索管装入花键滑套，上紧固定螺钉。 20、装回花键轴左端的滚动轴承。 21、将花键轴、缆索管、右端盖以及晶转磁流体密封作为
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Z单晶的生产流程如图:
CZ单晶的生产流程
本项目单晶硅棒主要的生产技术包括以下几个部分：
1）加料：将多晶硅原料及掺杂放入石英坩埚内，并根据导电类型而进行掺杂。
2）熔化：加完多晶硅原料于石英坩埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。
3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔
体中。
由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩颈生长使之消失掉。
缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。
4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。
5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。
单晶硅片取自于等径部分。
6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。
于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。
这一过程称之为尾部生长。
7）开炉取料：长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
8）晶体测试。
9）检验包装出厂。