直拉单晶硅

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4、炉体
炉体包括主架、主炉室、 副炉室等部件 。
主架由底座、立柱组成，是炉子的支撑机构。主 炉室和副炉室是单晶生长的地方。 主炉室是炉体的心脏，有炉底盘、下炉筒、上炉筒以 及炉盖组成，他们均为不锈钢焊接而成的双层水冷结 构，用于安装生长单晶的热系统、石英坩埚及原料等。 副炉室包括副炉筒、籽晶旋转机构、软轴提拉室等部 件，是单晶硅棒的接纳室。 籽晶旋转及提升机构，提供籽晶的旋转及提升的动力 和控制系统。 坩埚的旋转及提升机构，提供坩埚的旋转及上升的动 力和控制系统。 主、副炉室的升降机构，通过液压对炉室进行升降。
2、氩气系统
氩气系统包括液氩储罐，汽化器、气阀、 氩气流量计等部件。氩气纯度为5N，在单晶生 氩气流量计等部件。氩气纯度为5N，在单晶生 长过程中起保护作用，一方面及时携带熔体中的 挥发物经真空泵排出；另一方面又及时带走晶体 表面的热量，增大晶体的纵向温度梯度，有利于 单晶生长。
3、真空系统
真空系统主要分两部分：主炉室真空系统和副炉室 真空系统。 主炉室真空系统主要包括主真空泵、电磁截至阀、除尘 罐、安全阀、真空计、真空管道及控制系统等。其中除 尘罐对排气中的粉尘起到过滤作用，以便保护真空泵， 除尘罐内的过滤网要定期清理，使排气畅通，否则影响 成晶，另外要定期更换泵油。 副炉室真空系统除了无除尘罐外，与主炉室真空系统相 似。主要是在拉晶过程中需要关闭主、副炉室之间的翻 板阀取晶体或提渣时，必须用副炉室真空系统来对副炉 室进行抽真空。 拉晶过程中必要时应进行真空检漏。冷炉极限真空应达 到3Pa以下，单晶炉泄露率应该低于3Pa/10min。 3Pa以下，单晶炉泄露率应该低于3Pa/10min。
电气部分 桥 功 率 部 件 制 器 及 三 相 全 警 器 报 控 制 态 度 控 状 温 长 及 元 热 生 检 单 加 径 巡 制 等 温 控 水 电 继
1、水冷系统
• 水冷系统包括总进水管道、分水器、各路冷却水
管道以及回水管道。由循环水系统来保证水循环 正常运行。 • 水冷系统的正常运行非常重要，必须随时保持各 部位冷却水路畅通，不得堵塞或停水，轻者会影 响成晶率，严重会烧坏炉体部件，造成巨大损失。
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工艺过程
• 直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括：多晶硅的装
料和熔化、种晶、缩颈、放肩、等径和收尾。
加工工艺
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加料— 熔化— 缩颈生长— 放肩生长— 等径生长— 加料—→熔化—→缩颈生长—→放肩生长—→等径生长—→尾部生 长 • （１）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电 阻的Ｎ或Ｐ型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。 • （２）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，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。 电源，加热至熔化温度（１４２０℃ • （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
直拉单晶硅工艺技术 培训内容
组员：李章松、张溪、王波、李柄炎、黄杰林、 组员：李章松、张溪、王波、李柄炎、黄杰林、周江平
培训内容
1、工艺原理（由王波收集） 工艺原理（由王波收集） 2、工艺过程（由黄杰林收集） 工艺过程（由黄杰林收集） 3、工艺设备（由李章松收集） 工艺设备（由李章松收集） 4、设备的操作与维修(由周江平收集） 设备的操作与维修(由周江平收集） 5、工艺中出现的问题及解决措施（由李柄炎收集） 工艺中出现的问题及解决措施（由李柄炎收集） 6、最后由张溪汇总并做详细讲解
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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 热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。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。
• 外径磨削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶 外径磨削： • • • • • •
片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。 平边或Ｖ型槽处理：指方位及指定加工，用以单晶硅棒上的特定结晶 方向平边或Ｖ型。 切片： 切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。 倒角：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及 晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。 研磨： 研磨：指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效 改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理 的规格。 腐蚀： 腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的 损伤层，通常采用化学腐蚀去除： 腐蚀可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀两 种 抛光： 抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度晶片的抛 光： 抛光的方式有粗抛和精抛两种。
• 单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片
加工流程： 单晶生长— 切断— 外径滚磨— 平边或Ｖ型槽处理— 单晶生长—→切断—→外径滚磨—→平边或Ｖ型槽处理—→切片 倒角— 倒角—→研磨 腐蚀—→抛光—→清洗—→包装 腐蚀— 抛光— 清洗— 切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分， 将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒 的电阻率含氧量。
直拉单晶硅工艺原理
直拉单晶硅生长原理
直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法 直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石 英坩埚中， 再将一根直径只有10mm的棒状 英坩埚中，在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径只有10mm的棒状 晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下， 晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会 顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶， 顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为 单晶体。 单晶体。 控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。 控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约 1450℃ 拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。 为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测 必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。 必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。
热系统的安装与对中
• 热系统，特别是新系统在安装前，应仔细擦抹干净，去除表面的浮尘，检查 热系统，特别是新系统在安装前，应仔细擦抹干净，去除表面的浮尘， • • • • •
各部件质量，整个炉室也必须清擦干净，安装顺序一般是由下而上，由内到 各部件质量，整个炉室也必须清擦干净，安装顺序一般是由下而上， 在整个安装过程中，要求热系统对中良好。具体对中顺序如下： 外。在整个安装过程中，要求热系统对中良好。具体对中顺序如下： 1）托杆对中，先将托杆稳定地安装在下轴上，如紧上螺丝后，托杆还有晃动， 托杆对中，先将托杆稳定地安装在下轴上，如紧上螺丝后，托杆还有晃动， 需修磨托杆下面锥面，使托杆与下轴可以紧密配合安装。打开埚转， 需修磨托杆下面锥面，使托杆与下轴可以紧密配合安装。打开埚转，测量托 杆是否对中良好。 杆是否对中良好。 2）加热器与石墨坩埚对中，打开埚转，对平口（将石墨坩埚上沿与加热器上 加热器与石墨坩埚对中，打开埚转，对平口（ 沿处于同一平面），调整加热器位置，与石墨坩埚对中， ），调整加热器位置 沿处于同一平面），调整加热器位置，与石墨坩埚对中，保证石墨坩埚与加 热器之间的间隙四周都一致。最后紧电极螺丝，固定好加热器。 热器之间的间隙四周都一致。最后紧电极螺丝，固定好加热器。 3）保温罩与加热器对中，调整保温筒位置，做到保温筒内壁和加热器外壁之 保温罩与加热器对中，调整保温筒位置， 间间隙四周都一致，注意可径向移动，不可转动， 间间隙四周都一致，注意可径向移动，不可转动，否则取光孔和测温孔对不 上。 4）保证炉底护盘与电极之间间隙前后一致，否则可能造成打火。 保证炉底护盘与电极之间间隙前后一致，否则可能造成打火。 每次拆装炉时，都需检查同心度，这样既可保证热场的对称性， 每次拆装炉时，都需检查同心度，这样既可保证热场的对称性，又能避免短 路打火。 路打火。
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清洗：在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗 主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染 源。
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直拉单晶炉及热系统
一 、直拉单晶炉
直拉单晶炉的结构
直拉单晶炉
机械部分 水 冷 系 统 统 系 统 统 制 单 元 元 单 制 气 系 氩 空 真 体 统 系 控 控 炉 系 压 度 热 热 液 速 加
5、电气系统
电气系统主要包括电源控制系统以及单晶炉控制 系统。
直拉单晶炉主电源采用三相交流供电，电压 380V，频率50Hz。经变压器整流后，形成低电 380V，频率50Hz。经变压器整流后，形成低电 压，高电流的直流电源作为主加热电源。
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单晶炉控制系统主要包括速度控制单元、加热控制 单元、等径生长控制单元、水温和设备运行巡检及状态 报警、继电控制单元等部分。 1）速度控制单元对晶升、埚升、晶转、埚转的速度进 行控制。 2）温度传感器从加热器上取得的信号与等径控制器的 温度控制信号叠加后进入欧陆控制器，经分析调整控制 加热器电压，达到控制加热温度与直径的目的。 3）水温运行巡检及状态报警单元可以对单晶炉各路冷 却水温进行实时检测，当某路水温超过设定值时，相应 水路发出报警提示工作人员排除。同时本单元可以实时 检测单晶炉运行中的异常现象，给出相应报警。 4）继电控制单元包括液压系统继电控制，真空机组继 电控制及无水、欠水继电控制等部分。