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单晶硅炉的工艺流程简介、技术需求及方案的分析

2-1、单晶硅炉的工艺流程简介

单晶硅炉炉的组成组件可分成四部分

(1)炉体:包括石英坩埚,石墨坩埚,加热及绝热组件,炉壁

(2)晶棒及坩埚拉升旋转机构:包括籽晶夹头,吊线及拉升旋转组件

(3)气氛压力控制:包括气体流量控制,真空系统及压力控制阀

(4)控制系统:包括侦测感应器及电脑控制系统

加工工艺:

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。

(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劲生长使之消失掉。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,那么效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。

2-2、技术需求和方案分析

单晶硅炉上面共需要四个轴驱动,其中2个使用的是伺服控制系统,另外2个使用的是直流驱动装置实现;该设备根据工艺需要,设备分为炉架、主炉室、副室、提拉旋转机构,下随动机构及液压提升机构、真空及气路系统、水冷系统、光学测量系统、电加热和运动控制系统及计算机控制系统等诸多机构。通过系统优化,实现高科技产品的集成。其次设备采用了许多较新的机构。如上提拉旋转机构,通过花键轴配绕丝轮结合电刷环,在很小的体积上实现了稳定提拉和旋转,满足工艺需求且降低了设备高度,再有下随动机构设备采用精密滚珠丝杠配合坩埚的磁流体密封,运动保持部件置于真空室外,实现精密运动与真空密封的完美结合,使用稳定可靠,还有液压提升机构对副室翻板阀的保持采用无自锁,炉内有漏硅等压力骤增的紧急情况可以实现自动泄压提高了设备的安全可靠性等等。在电器控制上设备采用可编程操作,代替了传统的逻辑编程继电器。电器控制系统由国产机大多采用的单片机,提升到IRCON和CCD工控自动化控制三个类型,提高了设备的自动化控制水平。