1、培訓對象：硅單晶制取工培訓對象：硅單晶制取工培訓講師：扈榮培訓講師：扈榮 硅單晶分廠硅單晶分廠內容內容1.熱場結構熱場結構 熱場的結構示意圖；各部件介紹熱場的結構示意圖；各部件介紹2.熱場的安裝和煅燒熱場的安裝和煅燒 熱場的安裝；熱場水平與中心調整；熱場的煅燒熱場的安裝；熱場水平與中心調整；熱場的煅燒3.熱場的溫度梯度熱場的溫度梯度 熱場的概念；溫度梯度的概念；熱場的概念；溫度梯度的概念； 靜態熱場的溫度分布；動平衡態熱場的分布靜態熱場的溫度分布；動平衡態熱場的分布 晶體生長的溫度梯度：徑向溫度梯度與縱向溫度梯度晶體生長的溫度梯度：徑向溫度梯度與縱向溫度梯度熱場的優劣對單晶硅的質量有很大影響。

2、合適的熱場熱場的優劣對單晶硅的質量有很大影響。合適的熱場，能夠生長出高質量的單晶。不好的熱場容易使單晶，能夠生長出高質量的單晶。不好的熱場容易使單晶變成多晶，或者根本無法引晶。有的熱場雖然能夠生變成多晶，或者根本無法引晶。有的熱場雖然能夠生長單晶，但質量較差，有位錯和其它結構缺陷。因此長單晶，但質量較差，有位錯和其它結構缺陷。因此，找到較好的熱場條件，配置最佳的熱場，是非常重，找到較好的熱場條件，配置最佳的熱場，是非常重要的直拉單晶工藝技術。要的直拉單晶工藝技術。熱場有大有小，它是按照所用的石英坩堝的直徑大小熱場有大有小，它是按照所用的石英坩堝的直徑大小來劃分的，目前國內熱場從來劃分的，目前國

3、內熱場從12 28 都有，但都有，但以以18 22居多。居多。一、熱場結構一、熱場結構一、熱場結構一、熱場結構直拉單晶爐的熱系統，也就是所謂的熱場，是指為了熔直拉單晶爐的熱系統，也就是所謂的熱場，是指為了熔化硅料，并使單晶生長保持在一定溫度下進行的整個系化硅料，并使單晶生長保持在一定溫度下進行的整個系統。統。熱場一般包括壓環、保溫蓋、上中下保溫罩、石墨坩堝熱場一般包括壓環、保溫蓋、上中下保溫罩、石墨坩堝(三瓣堝三瓣堝)、坩堝托桿、坩堝托盤、電極、加熱器、導流、坩堝托桿、坩堝托盤、電極、加熱器、導流筒、石墨螺栓，且為了防止漏硅，爐底、金屬電極、托筒、石墨螺栓，且為了防止漏硅，爐底、金屬電極、托桿

4、、都設置了保護板、保護套。桿、都設置了保護板、保護套。熱場示意圖加熱器加熱器加熱器加熱器是熱場中很重要的部件是熱場中很重要的部件，是直接的發熱體，溫度最高，是直接的發熱體，溫度最高的時候可以達到的時候可以達到1600以上。以上。常見的加熱器有三種形狀，筒常見的加熱器有三種形狀，筒狀、杯狀、螺旋狀。目前絕大狀、杯狀、螺旋狀。目前絕大多數加熱器為筒狀，硅單晶分多數加熱器為筒狀，硅單晶分廠廠cz1#廠房使用的是廠房使用的是直筒式直筒式形形狀的加熱器。右圖為加熱器。狀的加熱器。右圖為加熱器。加熱器加熱器一般情況下，加熱器是一般情況下，加熱器是高純高純石墨石墨加工，每個半圓筒各位加工，每個半圓筒各位一組

5、，縱向開縫分瓣，組成一組，縱向開縫分瓣，組成串聯電阻，兩組并聯后形成串聯電阻，兩組并聯后形成串并聯回路。串并聯回路。右下圖是倒立的加熱器，由右下圖是倒立的加熱器，由圖可知，在加熱器下面有兩圖可知，在加熱器下面有兩個清晰的連接孔，這些孔是個清晰的連接孔，這些孔是用來連接用來連接石墨電極石墨電極。石墨電極石墨電極石墨電極的作用，一是平穩的石墨電極的作用，一是平穩的固定固定加熱器加熱器，二是通過它對加，二是通過它對加熱器熱器輸送電流輸送電流，因此要求電極，因此要求電極厚重，結實耐用，它與金屬電厚重，結實耐用，它與金屬電極和加熱器的接觸面要光滑、極和加熱器的接觸面要光滑、平穩，保證接觸良好，通電時平穩

6、，保證接觸良好，通電時不打火。石墨電極也是有高純不打火。石墨電極也是有高純石墨加工而成。石墨加工而成。右上圖為石墨電極示意圖、右右上圖為石墨電極示意圖、右下圖為連接石墨電極和加熱器下圖為連接石墨電極和加熱器的的石墨螺栓石墨螺栓。石墨螺栓電極圖石墨坩堝、坩堝托桿和坩堝托盤石墨坩堝、坩堝托桿和坩堝托盤石墨坩堝，也就是所謂的石墨坩堝，也就是所謂的三瓣三瓣堝堝，主要是用來盛放石英坩堝，主要是用來盛放石英坩堝。它的內徑加工尺寸與石英坩。它的內徑加工尺寸與石英坩堝的外形尺寸相配合，同時，堝的外形尺寸相配合，同時，石墨坩堝本身也需要具有一定石墨坩堝本身也需要具有一定的強度，來承受硅料和坩堝的的強度，來承受硅

7、料和坩堝的重量。重量。石墨坩堝，有單體，兩瓣合體石墨坩堝，有單體，兩瓣合體，以及，以及cz1#所使用的三瓣合體所使用的三瓣合體等不同形狀。它們從節約成本等不同形狀。它們從節約成本、使用方便來比較各有所長。、使用方便來比較各有所長。右圖為三瓣堝的實物圖。右圖為三瓣堝的實物圖。坩堝托桿、坩堝托盤坩堝托桿、坩堝托盤共同構成了共同構成了石墨坩堝的支撐體，要求和下軸石墨坩堝的支撐體，要求和下軸結合牢固，對中性良好，在下軸結合牢固，對中性良好，在下軸轉動時，托桿及托盤的偏擺度轉動時，托桿及托盤的偏擺度0.5mm。支撐體的高度是可以調節的，這支撐體的高度是可以調節的，這樣可以保證熔料時，坩堝有合適樣可以保證

8、熔料時，坩堝有合適的低堝位，而拉晶時，有足夠的的低堝位，而拉晶時，有足夠的堝跟隨動行程。堝跟隨動行程。石墨坩堝、坩堝托桿和坩堝托盤石墨坩堝、坩堝托桿和坩堝托盤保溫罩保溫罩保溫罩分為上保溫罩、中保保溫罩分為上保溫罩、中保溫罩和下保溫罩。溫罩和下保溫罩。保溫罩是由一個保溫筒外面保溫罩是由一個保溫筒外面包裹包裹石墨碳氈石墨碳氈而成。而成。石墨碳石墨碳氈的包裹層數視情況而定。氈的包裹層數視情況而定。下保溫罩組成了底部的保溫下保溫罩組成了底部的保溫系統，它的作用是加強堝底系統，它的作用是加強堝底保溫，提高堝底溫度，減少保溫，提高堝底溫度，減少熱量損失。熱量損失。中、上保溫罩的作用也是為了減中、上保溫罩的

9、作用也是為了減少熱量的損失。只不過保溫罩外少熱量的損失。只不過保溫罩外面的石墨碳氈的層數不一樣，這面的石墨碳氈的層數不一樣，這樣使得溫度梯度不一樣。樣使得溫度梯度不一樣。排氣的方式有上排氣和下排氣。排氣的方式有上排氣和下排氣。cz1#廠房現在使用的比較多的是廠房現在使用的比較多的是上排氣上排氣。這樣，上保溫罩上面就。這樣，上保溫罩上面就存在幾個排氣孔，這些排氣孔保存在幾個排氣孔，這些排氣孔保證在高溫下蒸發的氣體的排出。證在高溫下蒸發的氣體的排出。保溫罩保溫罩保溫蓋、導流筒保溫蓋、導流筒保溫蓋由保溫上蓋、保溫碳保溫蓋由保溫上蓋、保溫碳氈和保溫下蓋組成。即兩層氈和保溫下蓋組成。即兩層環狀石墨之間夾

10、一層石墨碳環狀石墨之間夾一層石墨碳氈組成，氈組成，其內徑的大小與導其內徑的大小與導流筒外徑相匹配，流筒外徑相匹配，平穩的放平穩的放在保溫罩面板上。在保溫罩面板上。導流筒，由內外筒之間夾一導流筒，由內外筒之間夾一層石墨碳氈組成。導流筒主層石墨碳氈組成。導流筒主要是為了控制熱場的溫度梯要是為了控制熱場的溫度梯度和引導氬氣流。度和引導氬氣流。壓環壓環壓環，由幾截弧形環構成的壓環，由幾截弧形環構成的一個圓形環狀石墨件，它放一個圓形環狀石墨件，它放置在蓋板與爐壁接觸處，是置在蓋板與爐壁接觸處，是為了防止熱量和氣體從爐壁為了防止熱量和氣體從爐壁與蓋板的縫隙間通過。與蓋板的縫隙間通過。右上圖是壓環，右下圖為

11、安右上圖是壓環，右下圖為安裝后的效果圖。裝后的效果圖。 (1)安裝前安裝前 安裝熱場前，尤其是新熱場，應仔細擦拭干凈，去除安裝熱場前，尤其是新熱場，應仔細擦拭干凈，去除表面浮塵土，檢查部件的質量，整個爐室在進行安裝熱表面浮塵土，檢查部件的質量，整個爐室在進行安裝熱場前也必須擦拭完畢。場前也必須擦拭完畢。 (2)安裝安裝 安裝順序一般是安裝順序一般是由下而上，由內到外。由下而上，由內到外。 石墨電極安裝時，左右對齊，處在同一水平面上，不石墨電極安裝時，左右對齊，處在同一水平面上，不可傾斜，同時要和托桿對中。可傾斜，同時要和托桿對中。 放上加熱器之后，加熱器的電極孔要與下面的電極板放上加熱器之后，

12、加熱器的電極孔要與下面的電極板的兩孔對準。的兩孔對準。二、熱場的安裝與煅燒二、熱場的安裝與煅燒安裝電極安裝電極爐底碳氈爐底碳氈反射底板反射底板下保溫罩下保溫罩石墨環石墨環、石英環、石英環加熱器加熱器中保溫罩中保溫罩石墨托桿石墨托桿石墨托盤石墨托盤裝三瓣堝裝三瓣堝下降主爐室下降主爐室上保溫罩上保溫罩導氣孔導氣孔保溫蓋板保溫蓋板裝導流筒裝導流筒壓環壓環熱場安裝順序示意圖熱場安裝順序示意圖二、熱場的安裝與煅燒二、熱場的安裝與煅燒 (3)對中順序對中順序 在整個安裝過程中，要求整個熱系統對中良好，同心度高，需在整個安裝過程中，要求整個熱系統對中良好，同心度高，需要嚴格對中：要嚴格對中： 坩堝軸與加熱器

13、的對中。將坩堝軸與加熱器的對中。將托桿穩定的裝在下軸上，將托桿穩定的裝在下軸上，將下軸轉動，目測是否偏擺。下軸轉動，目測是否偏擺。然后將鋼板尺平放在坩堝軸然后將鋼板尺平放在坩堝軸上，觀察兩者之間的間隙，上，觀察兩者之間的間隙，間隙是否保持不變，加熱器間隙是否保持不變，加熱器圓心是否對中。接著裝圓心是否對中。接著裝托盤托盤，托盤的中心也要跟加熱器，托盤的中心也要跟加熱器對中。對中。二、熱場的安裝與煅燒二、熱場的安裝與煅燒 加熱器與石墨坩堝的對中加熱器與石墨坩堝的對中：轉動托碗，調整堝位，：轉動托碗，調整堝位，讓石墨坩堝與加熱器口水讓石墨坩堝與加熱器口水平（此時的堝位成為平口平（此時的堝位成為平口

14、堝位），再稍許移動加熱堝位），再稍許移動加熱器電極，與托碗對中，這器電極，與托碗對中，這時石墨坩堝和加熱器口之時石墨坩堝和加熱器口之間的間隙四周都一致。間的間隙四周都一致。二、熱場的安裝與煅燒二、熱場的安裝與煅燒 保溫罩和加熱器對中：調整保溫罩位置，做到保保溫罩和加熱器對中：調整保溫罩位置，做到保溫罩內壁與加熱器外壁之間四周間隙一致。注意溫罩內壁與加熱器外壁之間四周間隙一致。注意可徑向移動，不得轉動，否則測溫孔就對不準了可徑向移動，不得轉動，否則測溫孔就對不準了。 保溫蓋和加熱器對中：升起托桿，讓三瓣鍋其與保溫蓋和加熱器對中：升起托桿，讓三瓣鍋其與保溫蓋水平，調整保溫蓋的位置，使得四周間隙保溫

15、蓋水平，調整保溫蓋的位置，使得四周間隙一致。一致。此外此外: 下保溫罩和電極之間的間隙前后一致，切不可大下保溫罩和電極之間的間隙前后一致，切不可大意造成短路打火。意造成短路打火。 測溫孔對一致。測溫孔對一致。二、熱場的安裝與煅燒二、熱場的安裝與煅燒 (4)煅燒煅燒 新的熱場需要在真空下煅燒，煅燒時間約新的熱場需要在真空下煅燒，煅燒時間約10小時小時左右，煅燒左右，煅燒35次，方能投入使用。使用后，每次，方能投入使用。使用后，每拉晶拉晶48爐后也要煅燒一次。爐后也要煅燒一次。 煅燒功率，不同的熱場不一樣，一般要比引晶溫煅燒功率，不同的熱場不一樣，一般要比引晶溫度高，度高，cz1#爐子煅燒最高功率

16、一般在爐子煅燒最高功率一般在110kw。二、熱場的安裝與煅燒二、熱場的安裝與煅燒 (1)熱場的概念熱場的概念 熱場也稱溫度場。熱系統內的溫度分布狀態叫熱場也稱溫度場。熱系統內的溫度分布狀態叫熱場熱場。煅燒時，熱系統內的溫度分布相對穩定，稱為煅燒時，熱系統內的溫度分布相對穩定，稱為靜態靜態熱場熱場。在單晶生長過程中，熱場是會發生變化，稱。在單晶生長過程中，熱場是會發生變化，稱為為動態熱場動態熱場。 單晶生長時，由于不斷發生物相的轉化單晶生長時，由于不斷發生物相的轉化(液相轉化為液相轉化為固相固相)，不斷放出固相潛熱，同時，晶體越拉越長，不斷放出固相潛熱，同時，晶體越拉越長，熔體液面不斷下降，熱量

17、的傳導、輻射等情況都在熔體液面不斷下降，熱量的傳導、輻射等情況都在發生變化，所以熱場是變化的，稱為動態熱場。發生變化，所以熱場是變化的，稱為動態熱場。三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度 (2)溫度溫度梯度的概念梯度的概念 為了描述熱場中不同點的溫度分布及分布狀態，下為了描述熱場中不同點的溫度分布及分布狀態，下面給大家介紹一個面給大家介紹一個“溫度梯度溫度梯度”這個概念。這個概念。 溫度梯度是指熱場中某點溫度梯度是指熱場中某點a的溫度指向周圍鄰近某的溫度指向周圍鄰近某點點b的溫度的變化率。也即的溫度的變化率。也即單位距離內溫度的變化單位距離內溫度的變化率。率。三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯

18、度 如下圖所示，如下圖所示，a點到點到b點的溫度變化為點的溫度變化為t1-t2 ，距離變化為，距離變化為r1-r2 。那么。那么a點到點到b點的溫度梯度是：點的溫度梯度是： 通常用通常用 表示在表示在 r 方向上的變化率。方向上的變化率。dtdr1212tttrrr三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度 顯然兩點間的溫度差越大，則顯然兩點間的溫度差越大，則 越大越大，則溫度梯度越，則溫度梯度越大，反之，兩點間溫度差越小，則大，反之，兩點間溫度差越小，則 越越小，則溫度梯小，則溫度梯度越小，如果度越小，如果 說明由說明由a點到點到b點溫度是升高的，如果點溫度是升高的，如果 說明由說明由a點到點到b

19、點的溫度是下降的。點的溫度是下降的。dtdr三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度dtdr0dtdr0dtdr(3)靜態熱場的溫度分布靜態熱場的溫度分布下圖為靜態熱場的溫度分布狀況：沿著加熱器中心軸線下圖為靜態熱場的溫度分布狀況：沿著加熱器中心軸線測量溫度的變化發現加熱器的測量溫度的變化發現加熱器的中心溫度最高中心溫度最高，向上向下向上向下都是逐漸降低的都是逐漸降低的，它的變化率稱為，它的變化率稱為縱向溫度梯度縱向溫度梯度，用，用 表示。表示。三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度dtdy 然后沿著軸線上某點沿著徑向測量，發現溫度是然后沿著軸線上某點沿著徑向測量，發現溫度是逐漸上升的，逐漸上升的，

20、加熱器中心溫度最低加熱器中心溫度最低，加熱器溫度，加熱器溫度最高最高，成拋物線變化，它的變化率稱為，成拋物線變化，它的變化率稱為徑向溫度徑向溫度梯度梯度，用，用 表示。表示。dtdr三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度(4)晶體生長時的溫度梯度晶體生長時的溫度梯度 單晶硅生長時，熱場中存在單晶硅生長時，熱場中存在固體、熔體固體、熔體兩種形態。兩種形態。溫度梯度也有兩種：溫度梯度也有兩種：晶體中的縱向溫度梯度晶體中的縱向溫度梯度 和徑向溫度梯度和徑向溫度梯度 。熔體中的縱向溫度梯度熔體中的縱向溫度梯度 和徑向溫度梯度和徑向溫度梯度 。 這是兩種完全不同的溫度分布，但是最能影響結晶狀這是兩種完全不

21、同的溫度分布，但是最能影響結晶狀 態的生長界面處的溫度梯度態的生長界面處的溫度梯度 。ldtdy三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度sdtdrsdtdys ldtdyldtdr晶體生長時，晶體生長時，單晶硅的縱向溫度梯度單晶硅的縱向溫度梯度粗略的講：離生長界面越遠，溫粗略的講：離生長界面越遠，溫 度越低，即度越低，即 只有只有 足夠大足夠大： 才能使單晶硅生長產生的結晶潛熱及時傳走，才能使單晶硅生長產生的結晶潛熱及時傳走， 散掉，保持界面溫度穩定。散掉，保持界面溫度穩定。 如果如果 較小較小：晶體生長產生的結晶潛熱不能及時散掉，單晶硅溫：晶體生長產生的結晶潛熱不能及時散掉，單晶硅溫 度增高，結

22、晶界面溫度隨著增高，熔體表面的過冷度減少，單晶硅的度增高，結晶界面溫度隨著增高，熔體表面的過冷度減少，單晶硅的 正常生長就會受到影響。正常生長就會受到影響。 但是，如果但是，如果 過大過大：則可能產生新的不規則晶核，使單晶變成：則可能產生新的不規則晶核，使單晶變成 多晶，同時，熔體表面過冷度增大，單晶可能產生大量結構缺陷。多晶，同時，熔體表面過冷度增大，單晶可能產生大量結構缺陷。 總之，晶體的縱向溫度梯度要足夠大，但不能過大。總之，晶體的縱向溫度梯度要足夠大，但不能過大。0sdtdysdtdysdtdysdtdy三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度晶體生長時，晶體生長時，熔體的縱向溫度梯度熔體

23、的縱向溫度梯度概括地說，離液面越遠溫度越高。即概括地說，離液面越遠溫度越高。即 溫度梯度溫度梯度 較大較大時：離開液面越遠，溫度越高，即使有較小的溫度時：離開液面越遠，溫度越高，即使有較小的溫度 降低，生長界面以下熔體溫度高于結晶溫度，不會使局部生長較快，生降低，生長界面以下熔體溫度高于結晶溫度，不會使局部生長較快，生長界面較平坦，晶體生正是穩定的。長界面較平坦，晶體生正是穩定的。 溫度梯度溫度梯度 較小較小時，結晶界面以下熔體溫度與結晶溫度相差較少，時，結晶界面以下熔體溫度與結晶溫度相差較少， 熔體溫度波動可能產生新晶核，可能使單晶硅發生晶變。單晶硅生長不熔體溫度波動可能產生新晶核，可能使單

24、晶硅發生晶變。單晶硅生長不穩定。穩定。 特殊情況下，特殊情況下， 是是負值負值，即離開結晶界面越遠，溫度越低，熔體內，即離開結晶界面越遠，溫度越低，熔體內 部溫度低于結晶溫度，從而產生新的自發晶核，單晶硅也會長入熔體形部溫度低于結晶溫度，從而產生新的自發晶核，單晶硅也會長入熔體形成多晶，這種情況下，無法進行單晶生長。成多晶，這種情況下，無法進行單晶生長。0ldtdyldtdyldtdyldtdy三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度熱場的徑向溫度梯度，包括晶體熱場的徑向溫度梯度，包括晶體 、熔體、熔體 、固液交界面、固液交界面 三種晶向溫度梯度。三種晶向溫度梯度。 晶體的徑向溫度梯度晶體的徑向溫

25、度梯度 是由晶體的縱向、橫向熱傳導，表面輻射是由晶體的縱向、橫向熱傳導，表面輻射 以及在熱場中新處的位置決定，一般來說，中心溫度高高，晶體邊緣以及在熱場中新處的位置決定，一般來說，中心溫度高高，晶體邊緣溫度低，即溫度低，即 熔體的徑向溫度梯度熔體的徑向溫度梯度 主要是靠四周的加熱器決定的，所以中心溫主要是靠四周的加熱器決定的，所以中心溫 度低，度低， 靠近坩堝處溫度高，徑向溫度梯度總是正數，即靠近坩堝處溫度高，徑向溫度梯度總是正數，即sdtdrldtdrs ldtdrsdtdrldtdr三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度 在晶體生長過程中，結晶界面處的徑向溫度梯度在晶體生長過程中，結晶界面處的徑向溫度梯度 是變是變 化的，將晶體縱剖，作結晶界面顯示，如下圖所示。化的，將晶體縱剖，作結晶界面顯示，如下圖所示。晶體生正過程中晶體生正過程中 變化情況變化情況s ldtdrs ldtdr三、熱場的溫度梯度三、熱場的溫度梯度單晶硅最初等直徑生長時，生長界面的徑向溫度梯度是正數，即單晶硅最初等直徑生長時，生長界面的徑向溫度梯度是正數，即 隨著單晶不斷生長，結晶界面由凸向熔體逐漸變平，生長界面的徑向隨著單晶不斷生長，結晶界面由凸向熔體