单晶硅生长炉 是通过直拉法生产单晶硅的制造设备。主要由主机、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。

基本介绍

1、主机部分：

●机架，双立柱

●双层水冷式结构炉体

●水冷式阀座

●晶体提升及旋转机构

●埚提升及旋转机构

●氩气系统

●真空系统及自动炉压检测控制

●水冷系统及多种安全保障装置

●留有二次加料口

2、加热器电源：

全水冷电源装置采用专利电源或原装进口IGBT及超快恢复二极管等功率器件。配以特效高频变压器，构成新一代高频开关电源。采用移相全桥软开关（ZVS）及CPU独立控制技术，提高了电能转换效率，不需要功率因数补偿装置。

3、计算机控制系统：

采用PLC和上位工业平板电脑PC机，配备大屏幕触摸式人机交互人机界面、高像素CCD测径ADC系统和具有独立知识产权的“全自动CZ法晶体生长SCADA监控系统”，可实现从抽真空—检漏—炉压控制—熔料—稳定—溶接—引晶—放肩—转肩—等径—收尾—停炉全过程自动控制。

原理

首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺。这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。

直拉法，也叫切克劳斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据统计，世界上硅单晶的产量中70%～80%是用直拉法生产的。

江南公司介绍

江南电力光伏科技有限公司，公司引进消化吸收国外先进技术研发环保清洁可再生新能源产品——太阳能光伏发电站和风力发电站的相关设备。其中硅单晶生长炉设备有两大系列三个品种，具有自主知识产权。生产的单晶硅生长炉（TDR85/95/105-JN）

TDR—JN系列全自动晶体生长炉具有自主知识产权，是采用直拉法生长P型或N型单晶硅材料的专用设备。装料量从95Kg～150Kg，可拉制6"～12"电路级和太阳能级单晶硅棒。

上虞公司介绍

上虞晶盛机电工程有限公司是一家专业从事半导体材料生产设备的设计、制造和调试的股份制企业。通过人才引进，公司拥有一批高、中级专业技术型的研发设计人员和经营管理人才，具有独立自主的产品设计开发能力和相当规模的生产能力。

公司依托浙江大学机械电子控制工程研究所的高科技优势，通过与浙江大学国家大学科技园杭州慧翔电液技术开发有限公司合作，共同开发出拥有自主知识产权的ZJS系列TDR80A，TDR80B，TDR85A，TDR95A型全自动晶体生长炉，并形成批量生产。

研究所

国内以西安理工大学的晶体生长设备研究所为代表，自61年起开始生产晶体生长设备。主要产品有TDR-62B、TDR-70B、TDR-80。上虞晶盛机电工程有限公司是国内单晶硅生长炉行业的后起之秀，自主研发了真正的全自动控制系统，产品迅速占领了IC级硅材料行业和高端太阳能行业，主要产品有TDR80A-ZJS、TDR80B-ZJS、TDR80C-ZJS、TDR85A-ZJS、TDR95A-ZJS、TDR112A-ZJS。

美国公司

国外以美国KAYEX公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。KAYEX公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一。KAYEX的产品早在80年代初就进入中国市场，已成为中国半导体行业使用最多的品牌。该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空－检漏－熔料－引晶－放肩－等径－收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性好，直径偏差在单晶全长内仅±1mm。主要产品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。

特点

HD系列硅单晶炉的炉室采用3节设计。上筒和上盖可以上升并向两边转动，便于装料和维护等。炉筒升降支撑采用双立柱设计，提高稳定性。支撑柱安装在炉体支撑平台的上面，便于平台下面设备的维护。炉筒升降采用丝杠提升技术，简便干净。

全自动控制系统采用模块化设计，维护方便，可靠性高，抗干扰性好。双摄像头实时采集晶体直径信息。液面测温确保下籽晶温度和可重复性。炉内温度或加热功率控制方式可选，保证控温精度。质量流量计精确控制气流量。高精度真空计结合电动蝶阀实时控制炉内真空度。上称重传感器用于晶棒直径的辅助控制。伺服电机和步进电机的混合使用，即可满足转动所需的扭矩，又可实现转速的精确控制。质量流量计精确控制氩气流量。

自主产权的控制软件采用视窗平台，操作方便简洁直观。多种曲线和数据交叉分析工具提供了工艺实时监控的平台。完整的工艺设定界面使计算机可以自动完成几乎所有的工艺过程。

加热电源采用绿色纵向12脉冲直流电源。比传统直流电源节能近15%。

特殊的温场设计使晶体提拉速度提高20-30%。

设计与仿真

在直拉法生长硅单晶的过程中，硅单晶生长的成功与否以及质量的高低是由热场的温度分布决定的。温度分布合适的热场，不仅硅单晶生长顺利，而且品质较高；如果热场的温度分布不是很合理，生长硅单晶的过程中容易产生各种缺陷，影响质量，情况严重的出现变晶现象生长不出来单晶。因此在投资硅单晶生长企业的前期，一定要根据生长设备，配置出最合理的热场，从而保证生产出来的硅单晶的品质。在直拉硅单晶生长工艺中，一般采用温度梯度来描述热场的温度分布情况，其中在固液界面处的温度梯度最为关键。

数值模拟是在一个低成本的情况下，利用电脑计算提供的详尽资料，用以支持真正的（且昂贵）实验。由于数值模拟提供了一个近似真实的过程，利用这一技术可以很容易的对任何类型的变化（几何尺寸、保温材料、加热器、外围环境等）对晶体质量的影响做出容易的判断。数值仿真是用来获得廉价的，完整的和全面细节的结晶过程，以此方法用来预测晶体生长，改善晶体生长技术。举例来说，对于无经验人员，可以形象化展示熔体流动的历史点缺陷和热应力细节。所以数值仿真是一种达到较高生产率和较好满足市场对晶体直径，质量要求的最好办法。

面向过程的仿真软件FEMAG为用户提供了可以深入研究的数值工具，用户通过有效的计算机模拟可以设计和优化工作流程。通过对单晶炉热场的仿真计算，优化设计单晶炉的机械结构，在拉晶过程中以仿真结果设定合理的理论拉晶曲线，就可以在实际生产中是完全可以生长出合格的单晶硅棒。

参考资料