半導(dǎo)體工藝設(shè)備之單晶爐

單晶爐，全自動(dòng)直拉單晶生長(zhǎng)爐，是一種利用石墨加熱器熔化多晶硅等多晶材料，在惰性氣體（主要是氮?dú)夂秃猓┉h(huán)境中，通過(guò)直拉生長(zhǎng)而不錯(cuò)位單晶的設(shè)備。

單晶硅爐型號(hào)有兩種命名方式，一種是投料量，另一種是爐室直徑。例如 120、150 等型號(hào)是由投料量決定的， 85 爐子是指主爐筒的直徑。

單晶硅爐的主要組成部分有三個(gè)部分：主機(jī)、加熱電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

單晶硅片工藝流程

硅，Si，地球上有很多含硅的東西，好像90%以上都是晶硅，也就是單晶硅。太陽(yáng)能級(jí)硅純度在6N以上即可。

起初，它是一塊石頭（石頭含有硅）。將石頭加熱成液體，然后加熱成氣體。通過(guò)一個(gè)密封的大盒子將氣體加熱。盒子里有n多個(gè)子晶體，兩端用石墨夾住。當(dāng)氣體通過(guò)盒子時(shí)，子晶體會(huì)將氣體中的一個(gè)吸入符號(hào)放在子晶體上，子晶體會(huì)慢慢變厚。因?yàn)闅怏w變成固體，所以速度很慢，大約一個(gè)月后，盒子里有很多長(zhǎng)的本地多晶硅。

從而進(jìn)入單晶硅片的生產(chǎn)工藝：

1、酸洗：用稀硝酸HNO3清洗，去除表面雜質(zhì)，提煉過(guò)程中產(chǎn)生的四氯化硅。

2、清洗：清洗硅料酸洗后的殘留雜質(zhì)。

3、干燥單晶硅材料：去除水分。

4、挑料：區(qū)分P型、N型硅料。

5、配料：匹配拉晶硅材料的型號(hào)。

6、單晶爐拉晶：

7、硅棒檢測(cè)：檢查有無(wú)位錯(cuò)、棱線斷裂等現(xiàn)象。

8、斷開(kāi)：用帶鋸條將單晶硅棒切成四方體。

9、包裝：將斷裂的單晶硅棒包裝，送至下一道工序

10、磨圓：將單晶硅棒的四個(gè)直角磨圓。

11、多線切割：瑞士264，265。切割日本PV800，MDM442DM設(shè)備 0.33mm。

12、清洗：

13、單晶硅片檢測(cè)：

單晶爐的結(jié)構(gòu)

單晶爐體（包括爐底板、主爐室、爐蓋、隔離閥室、副爐室、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）由304L不銹鋼制成。所有腔體均通過(guò)有缺陷的爐室檢查和探傷，并通過(guò)0.6MPa水壓試驗(yàn)和氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏。

一、主爐體結(jié)構(gòu)

1、底座和爐底板

爐底板設(shè)計(jì)為平板式，雙層結(jié)構(gòu)，用水冷卻。四個(gè)電極穿過(guò)底板，在坩堝提升機(jī)構(gòu)的波紋管連接處有一個(gè)水冷法蘭區(qū)域。

2、主、下?tīng)t室

主下?tīng)t室為雙層圓柱形結(jié)構(gòu)，兩端為法蘭結(jié)構(gòu)，用水冷卻，并有隔水帶，確保冷卻均勻。主爐室設(shè)有溫度計(jì)窗口，用于測(cè)量加熱器的溫度。下?tīng)t室有抽真空和真空計(jì)接口（0）～100Torr和0～1torr)。在正常操作過(guò)程中，下?tīng)t室始終用壓板固定在爐底板上，通過(guò)氟橡膠O型圈實(shí)現(xiàn)真空密封。

3、爐蓋

爐蓋為爐體和隔離閥座提供了一個(gè)過(guò)渡區(qū)域。爐蓋由標(biāo)準(zhǔn)爐蓋制成，雙層通水冷卻。爐蓋上有一個(gè)操作員觀察窗口（橢圓形）和一個(gè)直徑控制窗口（圓形）。操作員觀察窗口，允許單晶直徑測(cè)量最大范圍為10”，氬氣入口設(shè)置在爐蓋喉部。

4、隔離閥座

隔離閥座為雙層水冷結(jié)構(gòu)，前圓后圓，前方設(shè)有圓門(mén)，便于拆卸和更換種子晶體夾頭。圓門(mén)中心設(shè)有圓形觀察窗。隔離閥座為隔離閥提供了安裝和移動(dòng)空間。隔離閥的功能是為種子晶體或單晶體提供進(jìn)入輔助爐室的通道，同時(shí)保持上下?tīng)t室的局部壓力和溫度。隔離閥為翻板閥結(jié)構(gòu)，閥板和閥體為固定雙層結(jié)構(gòu)，用水冷卻。隔離閥座側(cè)面有兩個(gè)種子晶體位置檢測(cè)窗口（激光定位），后面有一個(gè)氬氣入口，可以快速充電氬氣。

5、副爐室

輔助爐室為圓柱形腔體，雙層結(jié)構(gòu)，水冷。輔助爐室上部前面有一個(gè)圓形法蘭，可以用來(lái)清潔腔體上部。法蘭中心有一個(gè)圓形觀察窗。輔助爐室上部為水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)附件12），并設(shè)有氬氣入口（正常結(jié)晶時(shí)的氬氣通道）、抽真空接口(隔離閥關(guān)閉時(shí)，副爐室抽真空)和真空計(jì)接口(0)～1000Torr)。

二、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

種子晶體旋轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)通常稱為提升頭，主要由安裝板、減速器、種子晶體腔(真空腔)組成、其它部件，如劃線環(huán)、快速電機(jī)、慢速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、離合器、磁流體、鋼纜、籽晶稱重頭、軟波紋管等。

提升頭的主要功能是使籽晶旋轉(zhuǎn)提升，并保證勻速旋轉(zhuǎn)變速提升，并記錄單晶重量位移等數(shù)據(jù)。

種子晶體提升機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩卷筒提升鋼絲繩。整個(gè)提升裝置在中空軸上旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)靜平衡和動(dòng)平衡測(cè)試，該機(jī)構(gòu)可以在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)的平穩(wěn)運(yùn)行。磁流體密封用于旋轉(zhuǎn)密封和提升進(jìn)給密封。提升室、離合器室、稱重室和晶體提升底板由高強(qiáng)度鋁制成。

第三，輔助爐室旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用DC伺服電機(jī)，雙級(jí)蝸輪蝸桿減速，加強(qiáng)同步帶傳動(dòng)，可在輔助爐室提升到位時(shí)緩慢旋轉(zhuǎn)和快速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)取單晶過(guò)程的自動(dòng)動(dòng)作。

四、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

坩堝提升機(jī)構(gòu)的垂直方向采用滾珠直線導(dǎo)軌和高精度絲杠，在高負(fù)荷甚至電機(jī)斷電的情況下實(shí)現(xiàn)自鎖。坩堝旋轉(zhuǎn)由多帶驅(qū)動(dòng)，可承受高扭矩，從而消除齒帶驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)密封采用不銹鋼波紋管，可承受軸向力磁流體密封，垂直密封采用不銹鋼波紋管。坩堝提升機(jī)構(gòu)中的直線導(dǎo)軌座和底板為90°兩者之間用筋板支撐固定，以提高整體剛度，避免直線導(dǎo)軌和螺桿因側(cè)向力矩而變形。

硅氧化物會(huì)在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中形成（SiO）小顆粒并沉積在波紋管中。這些氧化物應(yīng)定期清除。將波紋管從坩堝軸密封并松開(kāi)。在適當(dāng)?shù)奈恢孟岛盟?，以防止它反彈。用真空吸塵器清除所有灰塵，包括磁流體密封座密封表面的灰塵，然后將其放回波紋管中。

五、真空系統(tǒng)

由不銹鋼制成的真空系統(tǒng)各部件，所有連接均采用法蘭式氟橡膠O型密封圈，真空閥采用高真空氣動(dòng)球閥。

1 主真空系統(tǒng)

主真空系統(tǒng)為每個(gè)腔體提供真空或隔離閥關(guān)閉時(shí)僅為上下?tīng)t室提供真空的閥門(mén)和管道。自動(dòng)壓力控制節(jié)流閥用于控制真空腔的獨(dú)立氣流壓力。

2 輔助(輔助爐室)真空系統(tǒng)

輔助真空系統(tǒng)提供閥門(mén)和管道，將輔助爐室從常壓泵送到與上下?tīng)t室相同的壓力。在隔離步驟中，它通常是第一個(gè)使用的。柔性波紋管為提升和旋轉(zhuǎn)輔助爐室提供柔性連接。

氬氣系統(tǒng)

氬氣系統(tǒng)由不銹鋼管、電磁截止閥、質(zhì)量流量控制器、減壓器、手動(dòng)截止閥和柔性波紋管組成，在爐子運(yùn)行過(guò)程中向爐子提供氬氣。爐子上有兩個(gè)氬氣入口（輔助爐室頂部和爐蓋喉部）由質(zhì)量流量控制器控制，另一個(gè)氬氣入口（隔離閥座后部）由快速充電端口控制，而不是由質(zhì)量流量控制器控制。氬氣由輔助爐室頂部的分流環(huán)分配，以減少輔助爐室的紊流。

1 質(zhì)量控制器

質(zhì)量控制器為氬氣進(jìn)入主爐體提供精確的流量控制。

2 密封和管路

氬氣系統(tǒng)用金屬夾套密封不銹鋼管、電磁截止閥和質(zhì)量流量控制器之間的連接，快速卸載法蘭氟橡膠O形密封圈用于柔性不銹鋼波紋管之間。整個(gè)氬氣系統(tǒng)通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)在范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏。

七、冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為爐子提供一個(gè)安全良好的運(yùn)行環(huán)境。上爐室和輔助爐室采用不銹鋼安全閥進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。如果溫度超過(guò)55，在腔體外部出水口設(shè)置安全溫度監(jiān)測(cè)°C，將警告操作員。冷卻水流量傳感器安裝在爐體總回水管中，其作用是在水流斷開(kāi)后30秒內(nèi)切斷加熱器電源。

單晶爐生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝：進(jìn)料→熔化→縮頸生長(zhǎng)→放肩生長(zhǎng)→等徑生長(zhǎng)→尾部生長(zhǎng)

(1)進(jìn)料:將多晶硅原料和雜質(zhì)放入石英坩堝中，雜質(zhì)類型取決于電阻的N或P型。雜質(zhì)類型包括硼、磷、銻和砷。

(2)熔化：在石英坩中加入多晶硅原料后，必須關(guān)閉長(zhǎng)晶爐