單晶爐的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        目前，單晶硅的生長(zhǎng)逐漸向高完整性、高均勻性和效率高方向發(fā)展，對(duì)單晶硅的質(zhì)量提出了更高的要求。多晶體材料中的其他雜質(zhì)和不均勻的混合物會(huì)影響單晶體的質(zhì)量。這些物質(zhì)會(huì)使材料的光學(xué)性能和電學(xué)性能分布不均勻，從而對(duì)半導(dǎo)體的光學(xué)性能和電學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。因此，有必要優(yōu)化制造單晶體硅的單晶爐，提高單晶爐的穩(wěn)定性，從而減少單晶體中的其他雜質(zhì)。

        1 目前單晶爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)狀

        由于單晶硅向高質(zhì)量方向發(fā)展，制造單晶硅的單晶爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能要求也有所提高，要求單晶爐具有穩(wěn)定性好、自動(dòng)化技術(shù)高、操作簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)。目前，單晶爐設(shè)備的技術(shù)只設(shè)計(jì)提高其自動(dòng)化技術(shù)、溫度、單晶爐的勾形磁場(chǎng)設(shè)備和橫向磁場(chǎng)，而不設(shè)計(jì)和優(yōu)化單晶爐設(shè)備的關(guān)鍵部件。因此，作為單晶硅的生產(chǎn)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)需要具有穩(wěn)定性、較大的強(qiáng)度和剛度特性，并在保證單晶硅生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

        2 優(yōu)化單晶爐的設(shè)計(jì)

        2．1 高溫度變形設(shè)計(jì)優(yōu)化

        單晶爐的主體部分是爐室、副爐室、爐蓋和翻板箱。爐室和爐蓋的外殼機(jī)構(gòu)屬于夾層水冷式，旨在起到隔熱保溫的作用。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原因是硅熔點(diǎn)高。單晶硅用單晶爐設(shè)備制造時(shí)，需要熔化相應(yīng)的材料，才能順利制造出單晶體。因此，單晶爐需要高溫才能滿(mǎn)足單晶體的生產(chǎn)要求。

        然而，較高的加熱溫度不僅會(huì)影響生產(chǎn)材料，還會(huì)影響單晶爐的爐室和爐蓋，從而降低單晶生產(chǎn)的進(jìn)度。當(dāng)溫度達(dá)到當(dāng)溫度為150℃時(shí)，爐室會(huì)變形；當(dāng)溫度達(dá)到單晶爐內(nèi)壁和爐蓋在300℃時(shí)會(huì)發(fā)生變形；而且爐體密封所承受的溫度要在低于70℃不會(huì)失效?；谶@種現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)單晶爐時(shí)，要考慮到爐體受熱溫度導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)部件變形，合理布置夾層水路的方向。

        因?yàn)槿绻麊尉t的結(jié)構(gòu)變形，會(huì)改變單晶爐設(shè)備的尺寸和形狀，直接影響生產(chǎn)出來(lái)的單晶硅的質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)工程師研究了將固定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為循環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，這將減輕單晶爐壁的溫度。雖然還是會(huì)有輕微的變形，但是會(huì)減少單晶爐組件之間的變形，從而增加組件之間的配合。

        2．2 設(shè)計(jì)優(yōu)化真空系統(tǒng)

        單晶爐真空系統(tǒng)的零件要注意螺紋和零件之間的連接，不能有死角、配合或尖角。真空系統(tǒng)的內(nèi)壁應(yīng)光滑，管道應(yīng)盡可能減少連接處的節(jié)點(diǎn)，以使管道運(yùn)行更加順暢，并幫助工人清潔內(nèi)壁。壓升率是指單晶爐內(nèi)的空氣在制作單晶體時(shí)應(yīng)按要求排出。當(dāng)達(dá)到真空狀態(tài)時(shí)，壓力開(kāi)始緩慢上升。

        它可以評(píng)估單晶爐的真空性能。因此，在單晶爐的抽空管道中，基于管道的對(duì)稱(chēng)排列，在管道中設(shè)置旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)構(gòu)，保持管道內(nèi)壁通暢，使氣流分布更加均勻穩(wěn)定，從而保證單晶硅的順利生長(zhǎng)，減少爐內(nèi)維護(hù)次數(shù)。

        2．3 優(yōu)化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        在設(shè)計(jì)單晶爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮系統(tǒng)的承載能力、精度和穩(wěn)定性。由于單晶爐的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的特點(diǎn)，但單晶爐的速度較低，影響了單晶爐的生長(zhǎng)速度，因此在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需要找到加速單晶體生長(zhǎng)速度的方法。因此，設(shè)計(jì)工程師在測(cè)試過(guò)程中調(diào)整系統(tǒng)的工藝參數(shù)，以加速單晶體的生長(zhǎng)速度，但與機(jī)電設(shè)備相比，速度仍然不夠快。

        此外，在單晶爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，也會(huì)影響單晶體的生長(zhǎng)速度。廣泛使用的訓(xùn)練系統(tǒng)可以使用，但訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度比較快，會(huì)在一定程度上降低訓(xùn)練系統(tǒng)的生長(zhǎng)速度。因此，需要調(diào)整訓(xùn)練系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的末尾級(jí)，可以使用高精度、小誤差的減速器，可以較好減少上級(jí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)造成的誤差，進(jìn)一步保證運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作精度。

        2．4 優(yōu)化節(jié)能降耗設(shè)計(jì)

        我國(guó)大力提倡節(jié)能理念，但是制造單晶硅需要太多的時(shí)間，會(huì)消耗大量的電能。因此，制造單晶體的單晶爐設(shè)備是一種高能耗設(shè)備，需要找到降低能耗、提高單晶爐工作效率的較好的方法。通過(guò)增加單晶爐設(shè)備的裝載面積，可以提高坩堝的利用率，提高拉晶速度，單次開(kāi)爐的拉晶次數(shù)和單個(gè)長(zhǎng)度，這樣就不會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)裝載和卸載材料，也不需要反復(fù)開(kāi)爐加熱、熔化和冷卻材料。( 它的冷卻過(guò)程還需要大量的能耗) ，還可以降低成本。

        因此，為了增加單晶爐的裝載能力，可以增加原有的工藝系統(tǒng)，但禁止超過(guò)設(shè)備的承載能力，否則會(huì)適得其反；還可以通過(guò)自動(dòng)冷卻功能增加爐內(nèi)的水冷部件來(lái)達(dá)到目的；還可以增加連續(xù)加料的機(jī)構(gòu)，無(wú)需打開(kāi)爐蓋即可進(jìn)行加料步驟。這些方法都可以增加單晶爐的裝載量。單晶爐底部的保溫性能和爐筒周?chē)谋匦阅芤部梢酝ㄟ^(guò)加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)降低橫向溫度，從而增加縱向溫度。進(jìn)一步降低能耗，提高單晶爐的工作效率。

        3 結(jié)語(yǔ)

        因?yàn)閱尉t對(duì)結(jié)構(gòu)的要求比較高，所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中要特別注意。為了提高單晶爐的機(jī)械性能，提高單晶爐的工作效率，進(jìn)一步提高單晶爐的質(zhì)量，可以?xún)?yōu)化單晶爐的加熱溫度承載能力、真空系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)和節(jié)能。