机械设备 ５３ 直拉式单晶硅生长炉的关键技术探讨 李国琴（山西长治潞安职业技术学院基础部 山西 长治０４６２０４） 摘要：我国在直拉式单晶硅生长炉的设计和生产上还是缺乏一定的经验，从当前所使用的生长情况来看，基本都 是向国外一些先进国家采购。本文通过对直拉式单晶硅进行简单介绍后，对直拉式单晶硅的两大关键技术——全自动 控制系统和热场进行分析．从而希望能够为我国开发全自动的直拉式单晶硅做出一点理论参考。 关键词：直拉式单晶硅生长炉；关键技术；全自动控制 单晶硅是目前微电子行业运用最广泛的半导体材料，它是 由硅原子呈周期性排列而组成的单晶体。直拉法也可以成为ＣＺ 法．早在１９５０年就已经开始运用到单晶硅上，这也成为了后来 运用单直拉法生长单晶硅成为了可能。直拉法式单晶硅是从对 原材料高温溶解．再通过引晶、放肩、转肩过程，最终声场出单晶 硅主体，最后进行生长炉内冷却加工形成单晶硅。单晶硅的形成 离不开单晶硅生长炉，生长炉主要由炉体，晶体、气氛及炉压控 制、电气系统、热场五部分组成，其中电器系统是单晶硅生长炉 最为关键的部分．本文就电器系统的全自动控制系统和热场进 行关键技术探讨。 一、直拉式单晶硅全自动控制系统技术研究 单晶硅在生长炉的拉晶过程中必须依靠单晶晶向、氧碳含 量、型号和电阻率、位错和缺陷、漩涡滑移、寿命、金属含量、直径 偏差、径向电阻率等技术指标来控制晶体的生长和品质，品质的 好坏应有全自动操作操控，减少人为的干扰，保证生长炉的稳定 性和准确性。单晶硅品质与各个参数之间的关系．（表１所示） 想要实现晶体生长的全自动控制首先应该确保单晶硅生长 过程中应该保证期全自动化。全自动生长工艺包括抽真空、检 漏、压力化、熔料、稳定、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、停炉 『１１。单晶硅的生长需要一定的氧、碳含量，因为单晶硅生长炉需 要有１００小时的低压温，为了使得在这段时间漏气不至于发生， 就采取了真空、检漏和压力化处理。如果其他参数都已经满足， 那么就可以把全自动控制系统调节到单晶生长的压力。 晶体生长准备工艺完之后，熔态硅控制的工艺研究也是十 分必要的，在这一阶段，熔体的状态要保持一个合适的温度以及 条件以便使得晶体结晶并生长。这一阶段不可忽视的就是熔料、 稳定化、熔接这一至关重要的因素。熔料融化后成为液态硅，运 用液温度偏差来把握熔料是否已经熔化完成。 熔料熔化完毕后。单晶体就开始了全自动生长这一过程。硅 熔体经过为了减小籽晶直径这一引晶过程逐渐提高了籽晶的提 拉速度，从而产生无错位的晶体。当晶体直径逐渐缩小后，就开 始了放肩过程，这一过程市委了能够保证晶体在引晶中肩部形 状平整，实现肩部生长。放肩后就进人了转肩过程，转肩是为了 保证晶体过分长大而提高了提拉速度，从而合理的进行转肩参 数设置。实现晶体的平稳，以至于实现晶体的平稳生长。晶体在 转肩过后生长都是等径声场，当参数控制都十分到位时，就可以 产生出高品质的单晶硅。最后晶体生长的收尾过程则是把晶棒 的直径变小，最后与液面分离。 全自动控制技术其中最主要的两部分是单晶硅生长的自动 表１单晶硅品质和各个指标之间的关系 晶体质量参数 晶体品质相关参数 ｌ 电阻率均匀性 晶转 埚转 磁场 氧碳含量 氢气流量、压力 坩埚 磁场 微缺陷 晶体生长速度 界面处轴向温度梯度 磁场 晶体直径 熔体温度 晶体生长速度 坩埚上升速度 控制环设计和控制环链接技术。自动控制环采用ＰＩＤ控制酸和 和ＰＩＤ控制算法。全自动控制坏根据工艺的不同也呈现不同的 状态在引晶工艺控制环控制不多，放肩、转肩、等径这些影响单 晶体形成的步骤更多的都是闭环一起执行某一项指令。不仅时 间上的不同，控制环根据每一个工艺技术要求上也是不同的．比 如引晶采用相对于长度（１５０—３０ｒａｍ）的籽晶来拉制。控制拉链接 技术室各个闭环直接的相互连接，通过拉速Ｖ的方法来控制晶 体直径，并实现晶体生长速度的下降。从而来控制晶体生长额温 度。之后通过控制坏来控制生长速度，保证直径的均等，从而影 响生长速度。 二、单晶硅生长炉的热场 直拉式单晶硅生长炉收到了工业界的广泛关注，尤其是对 热场和温度场的研究更是影响单晶硅品质额重点。通过运用计 算机模拟这一技术，设计出的热场元件，更是使得温度得以控 制，晶体也就能够避免缺陷。 直拉式单晶硅生长炉内使用的热场包括了加热器、坩埚、支 座等等。每一个部分在热场起到作用的不同，构成它们的材质、 厚度、高度都不尽相同。直拉单晶硅生长炉的温度随着单晶硅的 生产产生变化，所以在生长过程中，需要静态热场和动态热场双 结合．形成稳定的温度分布，保证热场温度的改变，为晶体生长 所需要的实际温度进行调节，从而形成高品质的单晶硅。 根据热场的梯度不同，晶体形成的轴向温度梯度和径向温 度梯度都是不同的，最关键影响到单晶硅结晶的是生长界面处 的轴向和径向温度梯度。其中轴向温度梯度包括晶体、熔体、环 境变化。径向温度梯度则包括了晶体、熔体和固液交界面。熔体 的径向温度梯度都是》Ｏ。固液交界面则随着晶体的生产而产生 不同的变化。 晶体生长对热场的基本要求我们可以概括为ｉ个方面，其 中对于温度的控制必须以生长界面为限制，生长界面附近的熔 体温度低，而在外的温度必须高于熔点。其次，晶体生长过程中， 熔体的径向和轴向温度梯度随着变化而变化，径向逐渐减小，轴 向逐渐变大。最后则是要增加轴向温度梯度，有利于单晶硅生长 的速度。 直拉式单晶硅生长技术最主要的是全自动控制系统和热场 系统．本文从各个工艺出发，对如何形成良好品质的单晶硅进行 关键技术研究，对六大控制和闭环控制进行分析，之后对热场对 于单晶品质进行了温度梯度的说明。笔者认为，在以后的工作 中，应该要着重研究既能提高单晶硅生长速度，又能保证晶体品 质的新方法。 参考文献： 『１】曹建伟．直拉式单晶硅生长炉的关键技术研究．浙江大 学．２０１０．４ 『２１施正荣．晶体硅太阳能电池的现状与发展．中国第七届光 伏会议论文集ｆＣ】．杭州【出版者不详】，２０ｏ７ 作者简介：李国琴（１９８３一），女，山西长治人，山西省长治市 潞安职业技术学院基础部教师。研究方向：化工。