单晶硅生长炉

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。

中文名：单晶硅生长炉

驻澳部分：主机、加热电源和计算机控制系统

加热器电源：全水冷电源

国家：中国

1、组成

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

●坩埚提升及旋转机构

●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HMI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。

2、原理简介

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。

3、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氩气流量。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%。

4、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。