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(diǎn)以上，此時(shí)，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(gè)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(dòng)晶桿。同時(shí)，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(gè)生長裝置安放在一個(gè)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(qiáng)。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(jī)架、坩堝驅(qū)動(dòng)裝置、主爐室、翻板閥、副爐室、籽晶提升機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、真空系統(tǒng)、沖氬氣系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)。機(jī)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(dòng)裝置安裝在底座內(nèi)的平臺(tái)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(dòng)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(jī)附近的適當(dāng)位置，真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)固定在機(jī)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)帧⑹型氡３滞?，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(shí)應(yīng)注意一下兩點(diǎn)：（1） 裝料時(shí)，不能使石英坩堝底部有過大的空隙，防止塌料時(shí)，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(dòng)機(jī)械泵和低真空閥門抽真空，爐

4、內(nèi)真空達(dá)510-1乇時(shí)，打開冷卻水，開啟擴(kuò)散泵，打開高真空閥。爐內(nèi)真空升到110-3乇時(shí)，即可加熱熔硅。在流動(dòng)氣氛下和減壓下熔硅，單晶爐內(nèi)真空達(dá)到10-1乇時(shí)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(shí)，應(yīng)注意爐內(nèi)真空度的變化，一般說來，在流動(dòng)氣氛下或在減壓下熔硅比較穩(wěn)定。熔硅溫度升到1000時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝，使坩堝各部受熱均勻。3.3安定當(dāng)多晶硅會(huì)全部熔完后，將坩堝升到引晶位置，同時(shí)關(guān)閉擴(kuò)散泵和高真空閥門，只開機(jī)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(qiáng)。使熔

5、液溫度、流動(dòng)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(gè)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(gè)分散在四周并對稱的小白點(diǎn)。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(shí)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(shí)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(cuò)。下種時(shí)，由于籽晶和熔硅溫差大，高溫的熔硅對籽晶造成強(qiáng)烈的熱沖擊，籽晶頭部產(chǎn)生大量位錯(cuò)，通過縮頸，使晶體在生長中將位錯(cuò)“縮掉”，成為無位錯(cuò)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(shí)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(gè)近180的夾角。3.7轉(zhuǎn)肩當(dāng)放肩達(dá)到所需晶體直徑時(shí)，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(gè)拉晶時(shí)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(dòng)部分，使其單晶爐自動(dòng)等徑拉晶。3.9收尾當(dāng)熔硅較少后，單晶開始收尾。此時(shí)晶體硅生長速度再次加快，同時(shí)升高熔體溫度，使晶體硅的直徑不斷縮小，形成一個(gè)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(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，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(cuò)向上延伸的長，單晶成品率會(huì)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(shí)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(huì)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(shí)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(dòng)氣氛下熔硅。處理掛邊和搭橋時(shí)注意及時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中，突然發(fā)生停水時(shí)，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(shí)間停水，都屬于長時(shí)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(shí)間停水。對于長時(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)坩堝邊結(jié)晶拉晶放肩時(shí)可能在坩堝邊產(chǎn)生結(jié)晶，不及時(shí)處理，結(jié)晶會(huì)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(shí)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(shí)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(dòng)控制關(guān)閉，減小拉速， 同時(shí)，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(dòng)。立即停止堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)。2）關(guān)閉加熱電源.保持真空泵運(yùn)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(cuò)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(gè)點(diǎn)，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