晶圓制造頭道工序設(shè)備——單晶爐，你了解多少？

  半導(dǎo)體設(shè)備在支撐整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)方面發(fā)揮著重要作用。由于半導(dǎo)體制造過(guò)程復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)所需的設(shè)備也不同。從工藝分類(lèi)的角度來(lái)看，半導(dǎo)體設(shè)備主要可分為晶圓制造設(shè)備（前一道工序）、包裝試驗(yàn)設(shè)備(后道工序)等。

本文是半導(dǎo)體設(shè)備專(zhuān)題欄目的第一部分 1 本文介紹了晶圓制造的第一道工序設(shè)備——單晶爐。

直拉式單晶硅生長(zhǎng)爐是一種高效制備單晶硅的設(shè)備。

   將多晶硅原料放入爐體的石英坩堝中進(jìn)行高溫熔化（1450℃以上）。在低真空度和氬氣的保護(hù)下，多晶硅熔體通過(guò)紫色晶體插入，在紫色晶體周?chē)纬蛇^(guò)冷狀態(tài)，并定期生長(zhǎng)，形成單晶棒。

單晶生產(chǎn)的基本過(guò)程是：將多晶硅原料放入單晶爐中，加熱熔化，逐步進(jìn)行頸部收縮生長(zhǎng)、肩部放置生長(zhǎng)、等徑生長(zhǎng)和尾部生長(zhǎng)，然后打開(kāi)爐子提取材料，進(jìn)行晶體測(cè)試，最后進(jìn)行包裝、儲(chǔ)存和交付。

單晶爐的基本結(jié)構(gòu)(如下圖1所示)由以下九部分組成：

   上爐室、下?tīng)t室、爐蓋、隔離閥室、觀察窗、晶體提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制柜、底座

提拉頭：主要由其他部件組成，如安裝盤(pán)、減速機(jī)、籽晶腔、劃線環(huán)電機(jī)、磁流體、籽晶稱(chēng)重頭、軟波紋管等。

輔助室：主要由輔助室筒和上下法蘭組成

爐蓋：輔助室連接法蘭，翻板閥，觀察窗，抽真空管組成

爐筒：包括取光孔

下?tīng)t筒：包括抽真空管道蒸循頌

底座機(jī)架：全鑄鐵機(jī)架和底座

坩堝下傳動(dòng)裝置:主要由磁流體、電機(jī)、坩堝支撐軸、減速機(jī)、軟波紋管海棄檔束、立柱、上下傳動(dòng)支撐架、導(dǎo)軌等部件組成。

水分離器已布置在水路上，包括水分離器、進(jìn)水管、若干膠管、水管卡套等

氬管布置：質(zhì)量流量計(jì)，3根以上柔性管，不銹鋼管三個(gè)壓力探測(cè)器，高密封性卡套等部件

真空泵及真空除塵裝置：油壓真空泵、水環(huán)真空泵、過(guò)濾器、真空管、硬波紋管等

電源及電控柜：電源柜、濾波柜、控制柜及連接線

單晶爐的主要控制方面：

晶體直徑(尺寸)

溫度(功率控制)

三、原材料(硅材料)

泄漏率、氬氣質(zhì)量等

單晶爐熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)與模擬

在生長(zhǎng)過(guò)程中，單晶的直徑可能受到溫度、提升速度和速度、坩堝跟蹤速度和速度、保護(hù)氣體流速等因素的影響。其中，溫度主要決定晶體是否可以形成，速度將直接影響晶體的內(nèi)在質(zhì)量，但這種影響只能通過(guò)單晶拉出后的檢測(cè)來(lái)了解。

溫度分布適當(dāng)?shù)臒釄?chǎng)不僅單晶生長(zhǎng)順利，而且質(zhì)量高；如果熱場(chǎng)的溫度分布不是很合理，很容易在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生各種缺陷，影響質(zhì)量。在嚴(yán)重的情況下，單晶無(wú)法生長(zhǎng)。因此，在投資單晶生長(zhǎng)企業(yè)的早期階段，我們必須根據(jù)生長(zhǎng)設(shè)備配置最合理的熱場(chǎng)，以確保單晶生產(chǎn)的質(zhì)量。

在晶體生長(zhǎng)分析與設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相輔相成，其過(guò)程可分為兩部分：

(1)在第一階段，通過(guò)引放定法晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)參戰(zhàn)捐匪數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬調(diào)整。

(2)在第二階段，使用數(shù)值模擬來(lái)確定晶體生長(zhǎng)的最佳工藝參數(shù)。

數(shù)值模擬是一種非常有用或必要的方法，用于獲得廉價(jià)、完整和全面的結(jié)晶過(guò)程，以預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng)并改善晶體生長(zhǎng)技術(shù)。數(shù)值模擬是一種非常有用或必要的方法，當(dāng)實(shí)驗(yàn)成本過(guò)高或無(wú)法定期進(jìn)行時(shí)。

例如，對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，熔體流動(dòng)的歷史缺陷和熱應(yīng)力細(xì)節(jié)可以直觀地顯示出來(lái)。因此，數(shù)值模擬是實(shí)現(xiàn)更高生產(chǎn)率、更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)晶體直徑和質(zhì)量要求的最佳方式。

FEMAG面向過(guò)程的模擬軟件為用戶(hù)提供了一個(gè)可以深入研究的數(shù)值工具，用戶(hù)可以通過(guò)有效的計(jì)算機(jī)模擬來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作流程。通過(guò)對(duì)單晶爐熱場(chǎng)的模擬計(jì)算，對(duì)單晶爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在拉晶過(guò)程中根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)置合理的理論拉晶曲線，可以在實(shí)際生產(chǎn)中生長(zhǎng)出合格的單晶棒。