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直拉单晶硅工艺技术
直拉单晶硅工艺技术
石油化工学院
1
第二章直拉单晶炉
直拉单晶炉是用于直拉法单晶生长的设备。
炉子分两部分组成:机械部分和电控系统。
炉体为一带水套的不锈钢炉室,其内装有由石
墨加热器和石墨保温套构成的热场。
籽晶轴和坩埚轴分别从炉室顶部和底部插入炉
内,两轴具有转动和升降的机械传动系统。
下轴顶端装有石英坩埚,埚内可装入多晶硅料
以供拉晶用
直拉单晶炉的需求
为了提高生产效率,降低成本,也为了保证器件参数
的一致性、可靠性,都希望直拉单晶大直径化,设备控制
高度自动化。目前世界上已制造出了装料量达400kg 以上,
单晶直径达300mm 以上,从抽空到拉晶结束全部自动化控
制,且稳定性、可靠性极好的大型直拉单晶设备。为了提
高单晶的内在质量或者某方面参数的特殊要求,也出现了
磁场法直拉单晶炉和具有两个主炉室的连续加料直拉单晶
炉等。
直拉单晶炉的改良
1.为了缩小设备高度、增加稳定
性,目前普遍采用软轴代替原来的硬
轴;
2. 为了实现重复加料及重复拉晶,
都采用一下一上两个炉室(主室和副
室);
直拉单晶炉的改良
3. 为了确保真空度和转动的稳定性,大
都在上、下轴的旋转部分安装磁流体密封。
4. 为了加大了投料量,在电源、水冷及
炉压监控上,采用了多种安全保障措施和安
全装置,电气上做到了全程自动控制和数据
交换,温度自控、等径自控和安全报警等。
国内最早生产直拉单晶炉的专业厂家是西
安理工大学工厂,该厂技术力量雄厚,机加工能
力很强,从事直拉单晶炉主要有TDR-70、TDR-
80、TDR-90、TDR-120等多种炉型。其中,
TDR-120炉是2007年面世的,设计装料量120kg ,
实现了全过程自动控制,设计上有较大的改进。
1961年,在中国科学院半
导体物理所林兰英院士的亲
自指导下,北京机械学院工
厂(西安理工大学工厂的前
身)的技术人员与半导体物
理所的技术人员共同研制出
了我国第一台人工晶体生长
设备,TDK-36型单晶炉,
并且成功拉制出了我国第一
根无位错的硅单晶,单晶质
量接近当时的国际先进水平。
20世界80年代后期,我国半导体材料工业迅速
发展,国内半导体材料制造厂家大量引进美国
KAYEX CG3000型软轴提拉单晶炉。为满足我国半
导体材料工业不断发展的需要,1988年西安理工大
学工厂承担了国家七五科技攻关项目,研制成功了
TDR -62 系列软轴单晶炉
TDR -62 系列软轴单晶炉,投料量增至30kg ,
拉制单晶直径125mm。该炉采用软轴提拉机构, 大大
降低了设备高度。等径控制采用IRCON 光学高温计、
计算机对直径信号进行控制。我国区熔硅单晶的发
展也非常快,特别是75~100mm 区熔硅单晶的需求量
在不断上升,为此,1989年年我们研制成功TDL-
FZ35型区熔炉。
TDL-FZ35型区熔炉,用以生产功率器件所需
75~100mm 的高质量硅单晶。该设备设置有晶体夹
持机构, 以保证稳定生长75~100mm单晶。在该设备
中首次采用了大直径焊接波纹管副室结构,传动部
件采用精密滚动丝杠、直线运动导轨、直流力矩机
等精密传动机构,提高了整机的运动稳定性。其各
项指标均达到国际先进水平,到目前为止仍是国内
75~100mm 区熔硅单晶主要生长设备。为了满足市
场对150~200mm的需求,
1996年开发生产了TDR-80型直拉硅单晶炉,该
单晶炉籽晶在炉内有效行程为2500mm ,坩埚行程
为400mm ,炉室内径800mm,投料量达到60kg ,拉
制单晶直径200mm 。炉盖为椭圆封头形式,副室炉
门的开启与闭合采用机械联动机构,以便快速准确
地启闭炉门。上下轴的密封采用了国际上先进的密
封技术磁流体密封,密封效果好,旋转扭矩小,提
高了整机运行的可靠性。籽晶提升采用了稳定可靠,
性能优异的卷扬提升机构。
计算机测控单元选用研华AWS-822工业级一体化
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