單晶爐教案[古柏特選]

1、單晶爐主要內(nèi)容：1、掌握單晶爐的長晶原理2、單晶爐的結(jié)構(gòu) 3、單晶爐操作流程4、單晶爐常見異常處理方法5、單晶檢測1、 單晶爐的長晶原理將預(yù)先合成好的多晶原料裝在坩堝中，并被加熱到原料的熔點以上，此時，坩堝內(nèi)的原料就熔化為熔體，在坩堝的上方有一根可以旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿，桿的下端帶有一個夾頭，其上裝有籽晶。降低提拉桿，使籽晶插入熔體中，只要溫度合適，籽晶既不熔掉也不長大，然后慢慢地向上提拉和轉(zhuǎn)動晶桿。同時，緩慢地降低加熱功率，籽晶就逐漸長粗，小心地調(diào)節(jié)加熱功率，就能得到所需直徑的晶體。整個生長裝置安放在一個可以封閉的外罩里，以便使生長環(huán)境中有所需要的氣氛和壓強。通過外罩的窗口，可以觀察到生長的情

2、況。2、 單晶爐的結(jié)構(gòu)爐子本體包括機架、坩堝驅(qū)動裝置、主爐室、翻板閥、副爐室、籽晶提升機構(gòu)、液壓驅(qū)動裝置、真空系統(tǒng)、沖氬氣系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)。機架由底座、上立柱和下立柱組成，是爐子的支撐裝置。坩堝驅(qū)動裝置安裝在底座內(nèi)的平臺上，主爐室（由爐底板、爐底、爐筒和爐蓋組成）安裝在底座的上平面上，上面與翻板閥密封聯(lián)結(jié)，副室放在翻板閥上，提拉頭安裝在副室上，坩堝驅(qū)動裝置與爐室通過波紋管密封聯(lián)結(jié)，液壓系統(tǒng)中提升油缸安裝在下立柱上。液壓泵放在主機附近的適當(dāng)位置，真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)固定在機架上，主爐室是爐子的心臟部位，熱場系統(tǒng)安裝在內(nèi)。另外還有電氣部分，控制柜、加熱系統(tǒng)等。3、 單晶爐操作流程操作流程主要有：裝料、

3、化料、安定、種晶、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑和收尾。操作需要做到：頸細(xì)、肩平、徑等、尾尖才能拉出很好的晶棒。3.1裝料首先清洗好爐體，將清理干凈的石墨三瓣鍋裝入單晶爐，調(diào)整石墨器件位置，使加熱器、保溫碳?xì)?、石墨托碗保持同心，調(diào)節(jié)石墨托碗，使它與加熱器上緣水平。在三瓣鍋中放入新的石英坩堝。其次由裝料員將稱好的多晶料和摻雜劑裝入坩堝內(nèi)。裝料時應(yīng)注意一下兩點：（1） 裝料時，不能使石英坩堝底部有過大的空隙，防止塌料時，上部未熔的多晶硅跌入硅液中，造成熔硅外漸。（2） 硅晶硅不能碰到石英坩堝的上邊沿，防止多晶硅粘著在上邊沿。裝料完成，檢查儀器。一切工作準(zhǔn)確無誤后，關(guān)好爐門，開動機械泵和低真空閥門抽真空，爐

4、內(nèi)真空達(dá)510-1乇時，打開冷卻水，開啟擴散泵，打開高真空閥。爐內(nèi)真空升到110-3乇時，即可加熱熔硅。在流動氣氛下和減壓下熔硅，單晶爐內(nèi)真空達(dá)到10-1乇時關(guān)閉真空泵，通入高純氬氣10分鐘，或者一邊通入高純氬氣，一邊抽空10分鐘，即可加熱熔硅。3.2化料打開功率進(jìn)行加熱，使?fàn)t體上升到1500左右。熔硅時，應(yīng)注意爐內(nèi)真空度的變化，一般說來，在流動氣氛下或在減壓下熔硅比較穩(wěn)定。熔硅溫度升到1000時應(yīng)轉(zhuǎn)動坩堝，使坩堝各部受熱均勻。3.3安定當(dāng)多晶硅會全部熔完后，將坩堝升到引晶位置，同時關(guān)閉擴散泵和高真空閥門，只開機械泵保持低真空。以一定流量通入高純氬氣，調(diào)整排氣閥門，使?fàn)t膛保持一定的正壓強。使熔

5、液溫度、流動和表面氣壓達(dá)到穩(wěn)定。3.4種晶當(dāng)多晶硅料完全熔化并安定后，將籽晶下降到距離熔硅3-5mm處烘烤兩三分鐘，使籽晶溫度接近熔硅溫度，減少對籽晶的熱沖擊，再下降與熔硅接觸。通過觀察坩堝邊液面的起伏情況，可以判斷熔體溫度的高低。若籽晶周圍不能形成一個穩(wěn)定的光圈，則此溫度不適合引晶。合適的引晶溫度是籽晶和熔硅接觸后，籽晶周圍逐漸出現(xiàn)穩(wěn)定的光圈，最后光圈變圓。光圈內(nèi)可以看到四個分散在四周并對稱的小白點。溫度合適后，提拉籽晶，開始緩慢提拉。3.5引晶（縮頸）種晶完后，籽晶應(yīng)快速向上提升，使晶體的生長速度加快，新結(jié)晶的單晶直徑比籽晶的小。籽晶直徑一般為5mm，引晶后的為3mm左右。同時縮頸后長度應(yīng)

6、為其直徑的6-10倍。由于拉出的單晶很重，縮頸時單晶的直徑不能太細(xì)，否則引晶部分容易提斷?？s頸是為了排除引出單晶中的位錯。下種時，由于籽晶和熔硅溫差大，高溫的熔硅對籽晶造成強烈的熱沖擊，籽晶頭部產(chǎn)生大量位錯，通過縮頸，使晶體在生長中將位錯“縮掉”，成為無位錯單晶。3.6放肩細(xì)頸達(dá)到規(guī)定長度后，如果晶棱不斷，立刻降溫，降拉速，使細(xì)頸逐漸長大到規(guī)定的直徑，此過程稱為放肩。此時晶體硅的生長速度大大放慢，晶體硅的直徑急速增大，從籽晶直徑增大到所需的長度（208mm左右），形成一個近180的夾角。3.7轉(zhuǎn)肩當(dāng)放肩達(dá)到所需晶體直徑時，突然提高拉晶速度進(jìn)行轉(zhuǎn)肩，使肩近似直角，進(jìn)入等直徑生長。3.8等徑等徑生

7、長是整個拉晶時間最長的，對于操作來說卻比較輕松。當(dāng)放肩后，晶體生長加快，并保持穩(wěn)定的速度生長，使晶體保持穩(wěn)定的直徑生長。在等徑期間要注意觀察外形上的四條棱線是否出現(xiàn)斷線。若出現(xiàn)斷線，則根據(jù)已拉出的晶棒長度確定是回熔重新引晶，還是直接拉斷再拉下一根。一般規(guī)定長度大于700mm則可以不必回熔。一般說來，單晶等直徑生長過程是緩慢降溫過程，在單晶等直徑生長過程中，為了減少降溫幅度或不降溫，逐步降低拉速，連續(xù)升高坩堝，可達(dá)到目的。坩堝升高快慢和拉晶速度降低的多少主要影響加熱功率的變化，坩堝上升速度快，保持單晶等直徑生長，可以少降溫，拉晶速度降低較快，可以不降溫甚至可以升溫。單晶爐一般都有溫度和單晶等直徑

8、控制系統(tǒng)。當(dāng)單晶進(jìn)入等直徑生長后，調(diào)整控制等直徑生長的光學(xué)系統(tǒng)，打開電氣自動部分，使其單晶爐自動等徑拉晶。3.9收尾當(dāng)熔硅較少后，單晶開始收尾。此時晶體硅生長速度再次加快，同時升高熔體溫度，使晶體硅的直徑不斷縮小，形成一個圓錐形，最終晶體硅離開液面，收尾完成。尾部收得好壞對單晶的成品率有很大影響。特別是對于晶向生長的單晶，單晶拉完后，由于熱應(yīng)力作用，尾部會產(chǎn)生大量位錯，沿著單晶向上延伸，延伸的長度約等于單晶尾部的直徑，單晶尾部直徑大，位錯向上延伸的長，單晶成品率會大大降低，因此盡量縮小單晶尾部的直徑。4、 單晶爐常見異常處理方法（1）熔料時常見異常掛邊、搭橋、跳硅掛邊指硅絕大部分熔完后，硅熔體

9、上面坩堝邊上粘有硅塊的現(xiàn)象。搭橋指塌料后，部分硅塊在硅熔體上面相互粘接在一起，形成一座“橋”。 對他們的處理方式是：首先將坩堝位置降至最低，快速升高溫度，開啟堝轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)。（可通過改變堝轉(zhuǎn)來處理掛邊）。一旦掛邊和搭橋消失，快速降溫，快速升高坩堝， 避免產(chǎn)生跳硅。 跳硅指熔硅在坩堝中沸騰現(xiàn)象。厲害的硅跳熔硅跳出坩堝外，飛濺在加熱器、保溫罩、石墨托碗和單晶爐壁上，使石墨器件損壞，嚴(yán)重硅跳會燒壞單晶爐底。 處理方式為：降低堝位，適當(dāng)降低溫度來控制 。為了避免熔硅時產(chǎn)生硅跳，應(yīng)仔細(xì)挑選多晶硅和石英坩堝，熔硅溫度不要太高，一般在15001600，最好在流動氣氛下熔硅。處理掛邊和搭橋時注意及時降溫，防止熔硅溫

10、度過高產(chǎn)生硅跳。（2）單晶爐停水單晶爐在運轉(zhuǎn)過程中，突然發(fā)生停水時，主要有兩種情況：一是 在三分鐘內(nèi)循環(huán)水無法通到單晶爐或設(shè)備原因長時間停水，都屬于長時間停水。二是 三分鐘內(nèi)循環(huán)水通到單晶爐內(nèi)屬于短時間停水。對于長時間停水 ：1）打開應(yīng)急水。 2）關(guān)閉加熱電源。 3）將坩堝的位置下降30-40mm。 4）待液面完全結(jié)晶后升到最高位置，注意導(dǎo)流筒不要和爐蓋相碰。 5）等完全冷卻后再拆爐。對于短時間停水：1） 打開應(yīng)急水。 2）如有發(fā)電系統(tǒng)的，須馬上通知發(fā)電，保證爐內(nèi)冷卻水循環(huán)正常。 3）對于因停水而停電的爐子須馬上開啟加熱電源，對于不能正常運行的爐子，根據(jù)晶體的長度取出或回熔。 4）待循環(huán)冷卻水

11、正常后關(guān)閉應(yīng)急水。 （3）放肩時坩堝邊結(jié)晶拉晶放肩時可能在坩堝邊產(chǎn)生結(jié)晶，不及時處理，結(jié)晶會逐漸長大，嚴(yán)重影響單晶生長。產(chǎn)生這種情況主要是熔硅表面過冷度太大，產(chǎn)生熔硅表面過冷度太大的原因主要是熱場縱向梯度小或放肩時降溫太大造成的。增大熱場縱向溫度梯度，降低拉速，小幅度降溫，可以避免放肩時坩堝邊結(jié)晶。一旦坩堝邊出現(xiàn)結(jié)晶，要適當(dāng)升高溫度，降低拉速，使結(jié)晶緩慢熔化，結(jié)晶熔完后，繼續(xù)進(jìn)行正常拉晶。（4）等徑是晶棒扭曲1) 檢查下堝位，要求液面離熱屏下沿20mm。2）將等徑自動控制關(guān)閉，減小拉速， 同時，加功率。每10分鐘加1KW，共加5KW。3）待晶體直徑放大15mm左右，再緩慢將晶體直徑縮小至目標(biāo)直

12、徑。 4）若晶體扭曲狀況改變不大，可重復(fù)作業(yè)一次。（5） 掉棒 1）將控制面板轉(zhuǎn)為手動。立即停止堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)。2）關(guān)閉加熱電源.保持真空泵運轉(zhuǎn)。 3）盡量開大氬氣流量，盡量開小碟閥開度。保持爐內(nèi)壓力盡量高，氬氣流通量盡量大.使?fàn)t內(nèi)溫度迅速下降 5、單晶檢測 單晶棒要先用數(shù)控金剛石帶鋸床去頭尾，再進(jìn)行以下檢測。（1）檢測流程：單晶棒直徑檢測導(dǎo)電類型檢測總長度檢測位錯檢測去頭尾標(biāo)示有效長度大于等于100mm電阻率檢測長度檢測少子壽命檢測。（2）硅片檢測：厚度檢測少子壽命檢測碳氧含量檢測。單晶由等徑直徑的長度分為一等品、二等品、三等品和等外品一等品：等徑直徑130mm，有效等徑直徑長度2400mm，產(chǎn)

13、品要求收尾，二等品：125mm等徑直徑130mm，有效等徑直徑長度2400mm，等徑直徑變化范圍+-5mm，產(chǎn)品要求收尾。三等品：125mm等徑直徑150mm，1800mm有效等徑直徑長度2400mm，等徑直徑變化范圍+-5mm，產(chǎn)品要求收尾。等外品：125mm等徑直徑150mm，1200mm有效等徑直徑長度1800mm，等徑直徑變化范圍+-6mm，產(chǎn)品要求收尾。少子壽命檢測儀，要求少子壽命2US，測量頭部和尾部，均測5個點，若發(fā)現(xiàn)少子壽命小于2US的部分要用線標(biāo)注好，后序切除。一般單晶棒少子壽命基本上是合格的，頭部比較大約10us，尾部相對較小一般是5-7us。單晶導(dǎo)電類型要求為P型或N型，N型退火后的電阻率要求5.，少子壽命要求為