單晶矽生長爐

單晶矽生長爐是通過直拉法生產單晶矽的製造設備。主要由主機、加熱電源和計算機控制系統三大部分組成。

基本介紹

• 中文名：單晶矽生長爐
• 駐澳部分：主機、加熱電源和計算機控制系統
• 加熱器電源：全水冷電源
• 國家：中國

基本介紹

1、主機部分：

●機架，雙立柱

●雙層水冷式結構爐體

●水冷式閥座

●晶體提升及旋轉機構

●坩堝提升及旋轉機構

●氬氣系統

●真空系統及自動爐壓檢測控制

●水冷系統及多種安全保障裝置

●留有二次加料口

2、加熱器電源：

全水冷電源裝置採用專利電源或原裝進口IGBT及超快恢復二極體等功率器件。配以特效高頻變壓器，構成新一代高頻開關電源。採用移相全橋軟開關（ZVS）及CPU獨立控制技術，提高了電能轉換效率，不需要功率因數補償裝置。

3、計算機控制系統：

採用PLC和上位工業平板電腦PC機，配備大螢幕觸摸式HMI人機界面、高像素CCD測徑ADC系統和具有獨立智慧財產權的“全自動CZ法晶體生長SCADA監控系統”，可實現從抽真空—檢漏—爐壓控制—熔料—穩定—溶接—引晶—放肩—轉肩—等徑—收尾—停爐全過程自動控制。

原理

首先，把高純度的多晶矽原料放入高純石英坩堝，通過石墨加熱器產生的高溫將其熔化；然後，對熔化的矽液稍做降溫，使之產生一定的過冷度，再用一根固定在籽晶軸上的矽單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和後，慢慢向上拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長；接著，控制籽晶生長出一段長為100mm左右、直徑為3～5mm的細頸，用於消除高溫溶液對籽晶的強烈熱衝擊而產生的原子排列的位錯，這個過程就是引晶；隨後，放大晶體直逕到工藝要求的大小，一般為75～300mm，這個過程稱為放肩；接著，突然提高拉速進行轉肩操作，使肩部近似直角；然後，進入等徑工藝，通過控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑規格大小的單晶柱體；最後，待大部分矽溶液都已經完成結晶時，再將晶體逐漸縮小而形成一個尾形錐體，稱為收尾工藝。這樣一個單晶拉制過程就基本完成，進行一定的保溫冷卻後就可以取出。

直拉法，也叫切克勞斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克勞斯基建立的一種晶體生長方法，用直拉法生長單晶的設備和工藝比較簡單，容易實現自動控制，生產效率高，易於製備大直徑單晶，容易控制單晶中雜質濃度，可以製備低電阻率單晶。據統計，世界上矽單晶的產量中70%～80%是用直拉法生產的。

江南公司介紹

江南電力光伏科技有限公司，公司引進消化吸收國外先進技術研發環保清潔可再生新能源產品——太陽能光伏發電站和風力發電站的相關設備。其中矽單晶生長爐設備有兩大系列三個品種，具有自主智慧財產權。生產的單晶矽生長爐（TDR85/95/105-JN）

單晶矽生長爐（TDR85/95/105-JN）

TDR—JN系列全自動晶體生長爐具有自主智慧財產權，是採用直拉法生長P型或N型單晶矽材料的專用設備。裝料量從95Kg～150Kg，可拉制6"～12"電路級和太陽能級單晶矽棒。

上虞公司介紹

上虞晶盛機電工程有限公司是一家專業從事半導體材料生產設備的設計、製造和調試的股份制企業。通過人才引進，公司擁有一批高、中級專業技術型的研發設計人員和經營管理人才，具有獨立自主的產品設計開發能力和相當規模的生產能力。

公司依託浙江大學機械電子控制工程研究所的高科技優勢，通過與浙江大學國家大學科技園杭州慧翔電液技術開發有限公司合作，共同開發出擁有自主智慧財產權的ZJS系列TDR80A，TDR80B，TDR85A，TDR95A型全自動晶體生長爐，並形成批量生產。

研究所

國內以西安理工大學的晶體生長設備研究所為代表，自61年起開始生產晶體生長設備。主要產品有TDR-62B、TDR-70B、TDR-80。上虞晶盛機電工程有限公司是國內單晶矽生長爐行業的後起之秀，自主研發了真正的全自動控制系統，產品迅速占領了IC級矽材料行業和高端太陽能行業，主要產品有TDR80A-ZJS、TDR80B-ZJS、TDR80C-ZJS、TDR85A-ZJS、TDR95A-ZJS、TDR112A-ZJS。

美國公司

國外以美國KAYEX公司為代表，生產全自動矽單晶體生長爐。KAYEX公司是目前世界上最大，最先進的矽單晶體生長爐製造商之一。KAYEX的產品早在80年代初就進入中國市場，已成為中國半導體行業使用最多的品牌。該公司生長的矽晶體生長爐從抽真空－檢漏－熔料－引晶－放肩－等徑－收尾到關機的全過程由計算機實行全自動控制。晶體產品的完整性與均勻性好，直徑偏差在單晶全長內僅±1mm。主要產品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分別為30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。

特點

HD系列矽單晶爐的爐室採用3節設計。上筒和上蓋可以上升並向兩邊轉動，便於裝料和維護等。爐筒升降支撐採用雙立柱設計，提高穩定性。支撐柱安裝在爐體支撐平台的上面，便於平台下面設備的維護。爐筒升降採用絲槓提升技術，簡便乾淨。

全自動控制系統採用模組化設計，維護方便，可靠性高，抗干擾性好。雙攝像頭實時採集晶體直徑信息。液面測溫確保下籽晶溫度和可重複性。爐內溫度或加熱功率控制方式可選，保證控溫精度。質量流量計精確控制氬氣流量。高精度真空計結合電動蝶閥實時控制爐內真空度。上稱重感測器用於晶棒直徑的輔助控制。伺服電機和步進電機的混合使用，即可滿足轉動所需的扭矩，又可實現轉速的精確控制。質量流量計精確控制氬氣流量。

自主產權的控制軟體採用視窗平台，操作方便簡潔直觀。多種曲線和數據交叉分析工具提供了工藝實時監控的平台。完整的工藝設定界面使計算機可以自動完成幾乎所有的工藝過程。

加熱電源採用綠色縱向12脈衝直流電源。比傳統直流電源節能近15%。

特殊的溫場設計使晶體提拉速度提高20-30%。

設計與仿真

在直拉法生長矽單晶的過程中，矽單晶生長的成功與否以及質量的高低是由熱場的溫度分布決定的。溫度分布合適的熱場，不僅矽單晶生長順利,而且品質較高；如果熱場的溫度分布不是很合理，生長矽單晶的過程中容易產生各種缺陷，影響質量，情況嚴重的出現變晶現象生長不出來單晶。因此在投資矽單晶生長企業的前期，一定要根據生長設備，配置出最合理的熱場,從而保證生產出來的矽單晶的品質。在直拉矽單晶生長工藝中,一般採用溫度梯度來描述熱場的溫度分布情況，其中在固液界面處的溫度梯度最為關鍵。

數值模擬是在一個低成本的情況下,利用電腦計算提供的詳盡資料，用以支持真正的（且昂貴）實驗。由於數值模擬提供了一個近似真實的過程，利用這一技術可以很容易的對任何類型的變化（幾何尺寸、保溫材料、加熱器、外圍環境等）對晶體質量的影響做出容易的判斷。數值仿真是用來獲得廉價的，完整的和全面細節的結晶過程，以此方法用來預測晶體生長,改善晶體生長技術。舉例來說，對於無經驗人員，可以形象化展示熔體流動的歷史點缺陷和熱應力細節。所以數值仿真是一種達到較高生產率和較好滿足市場對晶體直徑，質量要求的最好辦法。

面向過程的仿真軟體FEMAG為用戶提供了可以深入研究的數值工具,用戶通過有效的計算機模擬可以設計和最佳化工作流程。通過對單晶爐熱場的仿真計算，最佳化設計單晶爐的機械結構，在拉晶過程中以仿真結果設定合理的理論拉晶曲線，就可以在實際生產中是完全可以生長出合格的單晶矽棒。