直拉硅单晶生长工艺流程与原理ppt课件
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硅加工工艺PPT课件
43
硅加工工艺
3．曝光
• 曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后 的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光 刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显 影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应 的图形。
44
硅加工工艺
4．显影
• 显影是把曝光后的硅片放在显影液里，将应去 除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要 的抗蚀剂膜保护图形。
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
58
硅加工工艺
6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被 注入
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两
边裸露的硅被注入，这就确保了栅条与源-漏区的对
准。
多晶 硅
SiO2
SiO2
Si P-
59
硅加工工艺
由于栅的屏蔽作用，N型杂质不能进入栅的下面， 在栅的两边形成了独立的两块N型区域，这被称为硅 栅自对准。
13
硅加工工艺
离子注入的基本原理
14
硅加工工艺
离子注入设备
15
硅加工工艺
16
硅加工工艺
17
硅加工工艺
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
18
硅加工工艺
8）在退火的时候，源-漏区会由于扩散而稍稍进入到 栅下一点点，重叠很小。在退火的同时，还可以在表 面生长另一层二氧化硅。
SiO2
多晶 硅
Si P-
SiO2
硅加工工艺
3．曝光
• 曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后 的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光 刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显 影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应 的图形。
44
硅加工工艺
4．显影
• 显影是把曝光后的硅片放在显影液里，将应去 除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要 的抗蚀剂膜保护图形。
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
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硅加工工艺
6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被 注入
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两
边裸露的硅被注入，这就确保了栅条与源-漏区的对
准。
多晶 硅
SiO2
SiO2
Si P-
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硅加工工艺
由于栅的屏蔽作用，N型杂质不能进入栅的下面， 在栅的两边形成了独立的两块N型区域，这被称为硅 栅自对准。
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硅加工工艺
离子注入的基本原理
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硅加工工艺
离子注入设备
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硅加工工艺
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硅加工工艺
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硅加工工艺
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
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硅加工工艺
8）在退火的时候，源-漏区会由于扩散而稍稍进入到 栅下一点点，重叠很小。在退火的同时，还可以在表 面生长另一层二氧化硅。
SiO2
多晶 硅
Si P-
SiO2
直拉单晶硅工艺技术PPT课件
这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。有固定熔点， 各向异性。
Intensity/a.u.
◆ :CuAlO2 ▲:CuO ◆ 1200℃
◆ ▲
◆ ▲◆
1190℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1180℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1170℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1160℃
◆
◆◆ ▲ ▲◆
◆ 1150℃ ◆ ▲◆ ▲◆
20 30 40
◆◆◆
◆ ◆◆ ◆ ◆
◆◆ ◆
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◆◆
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◆◆
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◆◆ ◆◆
◆ ◆◆
◆◆ ◆
◆◆
◆ ◆◆
◆◆ ◆ ◆ ◆
50 60 70 80
2()
图1.5 食盐的空间点阵结构图
图1.6 不同烧结温度下通过陶瓷 的XRD图谱
紫锂辉石(Kunzite)
常林钻石 重158.786克拉 图1.7 常见的晶体
1.12晶体的几种晶面
同一个格点可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了 一个方向，称为晶向。
图1.13 立方晶系中的几个晶面及晶向
1.5晶体的熔化和凝固
晶体的分类： 1.离子晶体 2.分子晶体 3.原子晶体 4.金属晶体
图1.14晶体加热或冷却的理想曲线
1.6结晶过程的宏观特征
1.15冷却曲线
1.7晶核的形成
熔体里存在晶胚，晶胚长到一定的尺寸时，形成晶核。 过冷度越大，临界半径越小。非自发成核要容易多了。
1.8二维晶核的形成
一定数量的液体原子同时落在平滑界面上的临近位置，形 成一个具有单原子厚度并有一定宽度的平面原子集团。
直拉法单晶硅生长原理及工艺
直拉法单晶硅生长原理及工艺哎呀，说起直拉法单晶硅生长，这可真是个技术活儿。
咱们先得聊聊这单晶硅是个啥玩意儿。
简单来说，单晶硅就是纯度特别高的硅，纯到几乎不含杂质，这玩意儿在电子工业里可吃香了，尤其是做芯片的时候。
直拉法的基本原理直拉法，听起来是不是有点像拉面条？其实原理上还真有点类似。
咱们得把硅熔化了，然后慢慢拉出来，让它在冷却过程中形成单晶。
这个过程得在高温下进行，通常得上千度呢。
工艺流程咱们得从准备开始说起。
首先，得把高纯度的硅料放在一个坩埚里，这坩埚得耐高温，不然早就化了。
然后，把这坩埚放到一个巨大的炉子里，炉子里的温度得控制得恰到好处，太高了硅就烧没了，太低了又熔化不了。
接下来，就是最关键的一步了——拉晶。
咱们得用一个叫籽晶的东西，这籽晶就是一小块已经成型的单晶硅。
把这籽晶慢慢降下去，接触到熔化的硅液，然后慢慢往上拉。
这个过程中，籽晶会逐渐长大，形成一根细细的单晶硅棒。
温度控制你可能会问，这温度得怎么控制啊？这可是个技术活儿。
咱们得用电脑来控制炉子的温度，精确到每一度。
温度太高，硅液就不稳定，容易形成多晶；温度太低，硅液就凝固了，拉不出来。
拉速和冷却拉晶的速度也得控制好，太快了，硅棒就容易断；太慢了，硅棒就长得慢，效率低。
冷却也得恰到好处，太快了，硅棒容易裂；太慢了，硅棒就容易变形。
杂质控制最后，咱们还得控制杂质。
这单晶硅得纯，不能有杂质。
所以，整个过程中，咱们得用高纯度的气体来保护硅液，防止空气中的杂质进去。
结语你看，这直拉法单晶硅生长，听起来简单，实际上可是个精细活儿。
每一步都得小心翼翼，不然就前功尽弃了。
不过，一旦成功，那可是电子工业的宝贝啊，能做出好多好多厉害的玩意儿。
咱们这技术，可是越来越成熟了，未来肯定还能做得更好。
硅的直拉法单晶生长
直拉法单晶硅生长：凝固结晶的驱动力
• 在熔体长成晶体的过程中(Melt Growth)，藉由熔 体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化 (Phase Transformation)。这要从热力学观点来解 释。对于发生在等温等压的相变化，不同相之间 的相对稳定性，可有自由能G来决定。G=H—TS
• 其中H是焓，T是绝对温度，而S是熵。一个平衡 系统将具有最低的自由能。加入一个系统的自由 能△G高于最低值，它将设法降低△G以达到平衡 状态。因此我们可以将△G视为结晶的驱动力， 如图1．5所示。在温度T时，液固二相的自由能可 表示为： •
• 因此在温度T时 △G= △H-T△S • 另外在平衡的熔化温度Tm时，液固二相的 自由能是相等的，即△G=0，因此 • △G= △H-T△S=0 △S= △H／T • 其中△H即是所谓的结晶潜热。可得到 • △G= △H△T／T=△S△T • 其中△T=Tm- T，亦即所谓的过冷度，由于 凝固时，△S是个负值常数，所以△T可 • 被视为唯一的驱动力。
end
谢谢பைடு நூலகம்
• 直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理， 在固液界面处，藉由熔体温度下降，将 产生由液态转换成固态的相变化。当前 国际上供应单晶硅生长设备的主要著名 厂商是美国KAYEX公司和德国CGS公司。 这两个公司能供应生长不同直径的单晶 硅生长设备，尤其是生长直径大于 200ram的单晶硅生长设备系统。
• 为了生长质量合格(硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、 碳含量、金属杂质含量、缺陷等)的单晶硅棒，在采用直 拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技术要求， 选择使用合适的单晶生长设备；其次是要掌握一整套单 晶硅的制备工艺、技术，包括： (1)单晶硅系统内的热场 设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；(2)单晶硅 生长系统内的氩气气体系统设计； (3)单晶硅夹持技术系 统的设计；(4)为了提高生产效率的连续加料系统的设计； (5)单晶硅制备工艺的过程控制。
单晶硅的制备PPT课件
第13页/共54页
单晶工艺流程简介
（３）引晶生长：当硅 熔体的温度稳定之后， 将籽晶慢慢浸入硅熔体 中引晶生长是将籽晶快 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 ，位错便能排出晶体表 面，产生低位错的晶体 。
第14页/共54页
单晶工艺流程简介
第26页/共54页
熔体中的对流
相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对 流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。 所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会 造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂 质分布不均匀等。
实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍，晶体 和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相 对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域， 有利于晶体稳定生长。
冶金级硅（反应后蒸馏纯 化三氯硅烷） Si + 3Hcl → SiHcl3 +H2 ↑
MGS 98℅
三氯硅烷还原成硅 2SiHcl3 +2H2 →2 Si + 6Hcl
第6页/共54页
直拉法（cz法）制备单晶硅
直拉法即切克劳斯基 法（Czochralski简称 Cz法)
它是通过电阻加热， 将装在石英坩埚中的多 晶硅熔化，并保持略高 于硅熔点的温度，将籽 晶浸入熔体，然后以一 定速度向上提拉籽晶并 同时旋转引出晶体。
用太 空 中 单 晶 硅 的 应
单 晶 硅 太 阳 能 电 池 板
第2页/共54页
AMD 处 理 器
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能 利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展， 成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
单晶工艺流程简介
（３）引晶生长：当硅 熔体的温度稳定之后， 将籽晶慢慢浸入硅熔体 中引晶生长是将籽晶快 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 ，位错便能排出晶体表 面，产生低位错的晶体 。
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单晶工艺流程简介
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熔体中的对流
相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对 流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。 所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会 造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂 质分布不均匀等。
实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍，晶体 和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相 对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域， 有利于晶体稳定生长。
冶金级硅（反应后蒸馏纯 化三氯硅烷） Si + 3Hcl → SiHcl3 +H2 ↑
MGS 98℅
三氯硅烷还原成硅 2SiHcl3 +2H2 →2 Si + 6Hcl
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直拉法（cz法）制备单晶硅
直拉法即切克劳斯基 法（Czochralski简称 Cz法)
它是通过电阻加热， 将装在石英坩埚中的多 晶硅熔化，并保持略高 于硅熔点的温度，将籽 晶浸入熔体，然后以一 定速度向上提拉籽晶并 同时旋转引出晶体。
用太 空 中 单 晶 硅 的 应
单 晶 硅 太 阳 能 电 池 板
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AMD 处 理 器
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能 利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展， 成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
硅单晶的原理和成长工序(课堂PPT)
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ห้องสมุดไป่ตู้
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装料、熔料
▪ 装料、熔料阶段是CZ生长过程的第一个阶 段，这一阶段看起来似乎很简单，但是这一 阶段操作正确与否往往关系到生长过程的成 败。大多数造成重大损失的事故(如坩埚破裂) 都发生在或起源于这一阶段。
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3
籽晶与熔硅的接触
▪ 当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体的温度。一般情况下， 有两个传感器分别监测熔体表面和加热器保温罩石墨圆筒的温度，在热 场和拉晶工艺改变不大的情况下，上一炉的温度读数可作为参考来设定 引晶温度。按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。 硅料全部熔化后熔体必须有一定的稳定时间达到熔体温度和熔体的流动 的稳定。装料量越大，则所需时间越长。待熔体稳定后，降下籽晶至离 液面3～5mm距离，使粒晶预热，以减少籽经与熔硅的温度差，从而减 少籽晶与熔硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热后，下降籽晶至熔体 的表面，让它们充分接触，这一过程称为熔接。在熔接过程中要注意观 察所发生的现象来判断熔硅表面的温度是否合适，在合适的温度下，熔 接后在界面处会逐渐产生由固液气三相交接处的弯月面所导致的光环(通 常称为“光圈”)，并逐渐由光环的一部分变成完整的圆形光环，温度过 高会使籽晶熔断，温度过低，将不会出现弯月面光环，甚至长出多晶。 熟练的操作人员，能根据弯月面光环的宽度及明亮程度来判断熔体的温 度是否合适。
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10
谢谢
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CZ生长原理及工艺流程
小莫
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1
单晶生长原理
▪ CZ法的基本原理，多晶体硅料经加热熔化，待温度 合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转 肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。 炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都 直接影响到单晶的生长与生长成的单晶的质量，拉 晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、 坩埚和生长成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护 气体的种类、流向、流速、压力等。CZ法生长的具 体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、 转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。
直拉法单晶硅的工艺流程
直拉法单晶硅的工艺流程
直拉法生长单晶硅的主要工艺流程为:准备→开炉→生长→停炉。
准备阶段先清洗和腐蚀多晶硅,去除表面的污物和氧化层,放人坩埚内。
K4T51163QG-HCE6再准备籽晶,籽晶作为晶核,必须挑选晶格完整性好的单晶,其晶向应与将要拉制的单晶锭的晶向一致,籽晶表面应无氧化层、无划伤。
最后将籽晶卡在拉杆卡具上。
开炉阶段是先开启真空设各将单晶生长室的真空度抽吸至高真空,一般在102Pa以上,通入惰性气体(如氩)及所需的掺杂气体,至一定真空度。
然后,打开加热器升温,同时打开水冷装置,通入冷却循环水。
硅的熔点是1417℃,待多晶硅完全熔融,坩埚温度升至约14⒛℃。
生长过程可分解为5个步骤:引晶→缩颈→放肩→等径生长→收尾。
引晶又称为下种,是将籽晶与熔体很好地接触。
缩颈是在籽晶与生长的单晶锭之问先收缩出晶颈,晶颈最细部分直径只有2~3mm。
放肩是将晶颈放大至所拉制晶锭的直径尺寸,再等径生长硅锭.直至耗尽坩埚内的熔体硅。
最后收尾结束单晶生长。
晶体生长中,控制拉杆提拉速度和转速、坩埚温度及坩埚反向转速是很重要的,硅锭的直径和生长速度与上述囚素有关。
在坩埚温度、坩埚反向转速一定时,主要通过控制拉杆提拉速度来控制硅锭的生长。
即籽晶熔接好后先快速提拉进行缩颈,再渐渐放慢提拉度进行放肩至所需直径,最后等速拉出等径硅锭。
单晶硅生产技术.ppt
3．发展
(1)原因：
①甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的 ②修路成为中国人 (2)成果：1909年 权收归国有。 4．制约因素 政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入 修筑权 。
救亡图存 的强烈愿望。
京张铁路 建成通车；民国以后，各条商路修筑
正轨。
二、水运与航空
1．水运
(1)1872年,
学习目标
掌握：热系统的安装与对中、热场的调整 理解：温度梯度与单晶生长 了解：动态热场
3.1热系统
包括加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨 坩埚）、电极、热屏等。
直拉单晶炉的热系统材质 1）：高纯石墨 指标：灰分、抗压强度、硫含量、抗折强度、 体积密度、电阻率、真密度、气孔率、纯度。 2）：碳/碳复合材料
依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。
提示：特点：新旧交通工具并存(或：传统的帆船、独轮车， 近代的小火轮、火车同时使用)。 原因：近代西方列强的侵略加剧了中国的贫困，阻碍社会发 展；西方工业文明的冲击与示范；中国民族工业的兴起与发展；
政府及各阶层人士的提倡与推动。
[串点成面· 握全局]
轮船招商局 正式成立，标志着中国新式航运业的诞生。
(2)1900年前后，民间兴办的各种轮船航运公司近百家，几乎都是
在列强排挤中艰难求生。
2．航空 (1)起步：1918年，附设在福建马尾造船厂的海军飞机工程处开始 研制 。 (2)发展： 1918年，北洋政府在交通部下设“ 水上飞机
”；此后十年间，航空事业获得较快发展。
一、近代交通业发展的原因、特点及影响 1．原因 (1)先进的中国人为救国救民，积极兴办近代交通业，促
进中国社会发展。
(2)列强侵华的需要。为扩大在华利益，加强控制、镇压
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1、用高纯氩气保护（99.999%）； 2、带走氧气等泄露进炉内的杂质，并带走熔液表面蒸发
的SiO（流动性）； 3、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（保护性气体的流 向）； 4、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（过滤罐的作用）；
度就大
24
单晶生长界面变化过程 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。
dt/dx>0 dt/dx=0 dt/dx<0
25
单晶炉冷却系统
1、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；
2、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； 3、炉子各处设置了多个55℃超温开关，局部的过热会在
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单晶体/坩埚升降及旋转机构
1、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；
2、配重块合理配重： 保证了晶体旋转时的动态平衡；
3、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；
4、行程传感器： 长度的测量可把握剩料，做到及时收尾。
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单晶炉晶体提拉部分
单晶炉晶体提拉部分（功能结构示意）
称重部件
快速升降 电机
配重块
慢速
晶体/坩埚旋转传动机构调试重点
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。
10
直拉单晶炉下轴（坩埚轴）对环境的要求
1、坩埚通过一根约1m长的硬轴（石墨）支撑并旋 转上升，熔液盛在石英坩埚内；
2、石墨埚杆通过螺丝固定在单晶炉下轴上； （硬轴固定在坩埚提升机构上） 3、坩埚提升机构导轨和丝杠要平顺； 4、带动的硬轴旋转要平稳； 5、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（机械调试时的一个方法）；
1、真空泵不断的对炉子抽气，形成真空； 2、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； 3、每炉生长之前通过用真空泵对炉子抽极限真空，（抽真
空）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）
单晶炉的真空度及真空的泄漏率对单晶硅生长 至关重要！
6
直拉单晶炉内部的气氛环境特征
室）
主炉室 坩埚提升 旋转机构
晶体提升 旋转机构
炉盖
控制柜
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单晶炉的主要组成部分
1、炉体（基座、炉室、炉盖、液压系统） 2、晶体升降及旋转机构 3、坩埚升降及旋转机构 4、氩气和真空系统 5、加热系统（加热电源、热场） 6、冷却系统 7、控制系统
14
炉体
炉体（炉体由基座、炉室、炉盖及液压系统组成）
11
单晶炉底座及地基和震源的隔离
外界震源包含： 1、真空泵运行振动 （措施：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 （措施：基础四周挖减震槽隔离） 3、基础所处土壤深层振动 （措施：1、混凝土基础座在实土层2、混凝土基础不宜过高）
12
二、直拉单晶炉的基本结构
副炉室
隔离阀室 （翻板阀
18
氩气及真空系统部分
系统组成 1、氩气分流控制：三阀系统（氩气分流环（京运通 单晶炉只是转子流量计））； 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。
19
单晶炉加热系统示意图
20
单晶炉热系统
21
单晶炉热系统实物图
内（石英护套）/外（石墨护套）
直拉式单晶炉培训
（直拉法晶体硅生长流程与原理）
技术工艺部 报告人：丁永生 日期：2011.10.21
1
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
2
一、直拉硅单晶的生长环境
高温环境的形成
1、硅的熔点1420℃左右； 2、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
1、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； 2、主炉室是晶棒生长的地方；副炉室是晶棒冷却的地方； 3、通过炉盖观察窗（主视窗、CCD窗）监控晶体生长全过程； 4、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。
22
单晶炉热系统的材料构成及要求
1、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；
2、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； 3、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。
23
单晶炉热场
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； 3、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
3
直拉单晶炉主炉室及内部热系统概图
4
单晶炉热场不同系统温度分布对比
5
直拉单晶炉在气氛下拉晶
顺畅气流流动对单晶硅生长非常重要！
7
直拉单晶炉热系统及气氛流动示意图
8
单晶炉对外界环境的要求
9
直拉单晶炉上轴（软轴）对环境的要求
直拉单晶炉软轴长度约4-5m，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棒； 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；
1、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 。
2、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。
3、常用（温度梯度）从数量上描述热系统的温度分布情况。 4、温度梯度——指温度在某方向的变化率 5、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
的SiO（流动性）； 3、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（保护性气体的流 向）； 4、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（过滤罐的作用）；
度就大
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单晶生长界面变化过程 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。
dt/dx>0 dt/dx=0 dt/dx<0
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单晶炉冷却系统
1、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；
2、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； 3、炉子各处设置了多个55℃超温开关，局部的过热会在
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单晶体/坩埚升降及旋转机构
1、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；
2、配重块合理配重： 保证了晶体旋转时的动态平衡；
3、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；
4、行程传感器： 长度的测量可把握剩料，做到及时收尾。
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单晶炉晶体提拉部分
单晶炉晶体提拉部分（功能结构示意）
称重部件
快速升降 电机
配重块
慢速
晶体/坩埚旋转传动机构调试重点
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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直拉单晶炉下轴（坩埚轴）对环境的要求
1、坩埚通过一根约1m长的硬轴（石墨）支撑并旋 转上升，熔液盛在石英坩埚内；
2、石墨埚杆通过螺丝固定在单晶炉下轴上； （硬轴固定在坩埚提升机构上） 3、坩埚提升机构导轨和丝杠要平顺； 4、带动的硬轴旋转要平稳； 5、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（机械调试时的一个方法）；
1、真空泵不断的对炉子抽气，形成真空； 2、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； 3、每炉生长之前通过用真空泵对炉子抽极限真空，（抽真
空）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）
单晶炉的真空度及真空的泄漏率对单晶硅生长 至关重要！
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直拉单晶炉内部的气氛环境特征
室）
主炉室 坩埚提升 旋转机构
晶体提升 旋转机构
炉盖
控制柜
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单晶炉的主要组成部分
1、炉体（基座、炉室、炉盖、液压系统） 2、晶体升降及旋转机构 3、坩埚升降及旋转机构 4、氩气和真空系统 5、加热系统（加热电源、热场） 6、冷却系统 7、控制系统
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炉体
炉体（炉体由基座、炉室、炉盖及液压系统组成）
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单晶炉底座及地基和震源的隔离
外界震源包含： 1、真空泵运行振动 （措施：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 （措施：基础四周挖减震槽隔离） 3、基础所处土壤深层振动 （措施：1、混凝土基础座在实土层2、混凝土基础不宜过高）
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二、直拉单晶炉的基本结构
副炉室
隔离阀室 （翻板阀
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氩气及真空系统部分
系统组成 1、氩气分流控制：三阀系统（氩气分流环（京运通 单晶炉只是转子流量计））； 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。
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单晶炉加热系统示意图
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单晶炉热系统
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单晶炉热系统实物图
内（石英护套）/外（石墨护套）
直拉式单晶炉培训
（直拉法晶体硅生长流程与原理）
技术工艺部 报告人：丁永生 日期：2011.10.21
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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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一、直拉硅单晶的生长环境
高温环境的形成
1、硅的熔点1420℃左右； 2、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
1、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； 2、主炉室是晶棒生长的地方；副炉室是晶棒冷却的地方； 3、通过炉盖观察窗（主视窗、CCD窗）监控晶体生长全过程； 4、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。
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单晶炉热系统的材料构成及要求
1、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；
2、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； 3、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。
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单晶炉热场
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； 3、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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直拉单晶炉主炉室及内部热系统概图
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单晶炉热场不同系统温度分布对比
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直拉单晶炉在气氛下拉晶
顺畅气流流动对单晶硅生长非常重要！
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直拉单晶炉热系统及气氛流动示意图
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单晶炉对外界环境的要求
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直拉单晶炉上轴（软轴）对环境的要求
直拉单晶炉软轴长度约4-5m，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棒； 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；
1、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 。
2、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。
3、常用（温度梯度）从数量上描述热系统的温度分布情况。 4、温度梯度——指温度在某方向的变化率 5、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