单晶硅生长炉

定义

　　单晶硅生长炉是通过直拉法制备单晶硅的制造设备。

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。

　　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。

现状

　　目前国内外晶体生长设备的现状如下：

美国KAYEX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。　

德国CGS GmbH公司

　　德国Crystal Growing Systems (CGS) GmbH公司成立于1999年8月，其前身为德国莱宝公司晶体生长部。目前其产品已经覆盖生产6”到16”单晶硅棒的设备，设备主要有EKZ2700、 EKZ 3500/200、EKZ 3000/300，EKZ 3000/400型，投料量分别为60kg、150kg、300kg，400kg。

　　EKZ-2700 EKZ3500/200 EKZ3000/300 EKZ3000/400

　　图6 德国CGS公司单晶炉图（来自公司产品样本）

中国西安理工大学研究所

　　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。

晶体炉特点

　　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%。