单晶炉热场设计.pdf

§2 合理热场单晶硅是在热场中进行拉制的， 热场的优劣对单晶硅质量有很大影响单晶硅生长过程中， 好的热场， 能生产出高质量的单晶 不好的热场容易使单晶变成多晶，甚至根本引不出单晶有的热场虽然能生长单晶，但质量较差，有位错和其他结构缺陷因此，找到较好的热场条件，配置最佳热场，是非常主要的直拉单晶工艺技术热场主要受热系统影响， 热系统变化热场一定变化 加热器是热系统的主体，是热系统的关键部件因此，了解加热器内温度分布状况对配制热场非常重要从示意图看出， 以加热器中心线为基准， 中心温度最高， 向上和向下温度逐渐降低，它的变化率称为纵向温度梯度，用 dydT表示加热器径向温度内表面，中心温度最低， 靠近加热器边缘温度逐渐增加，成抛物线状， 它的变化率为径向温度梯度，用dxdT表示单晶硅生长时，热场中存在着固体（晶体），熔体两种形态，温度梯度也有两种晶体中的纵向温度梯度SdydT和径向温度梯度LdydT熔体中的纵向温度梯度LdydT和径向温度梯度LdxdT是两种完全不同的温度分布但是，最能影响结晶状态是生长界面处的温度梯度LSdxdT，LSdydT，它是晶体、熔体、环境三者的传热、放热、散热综合影响的结果，在一定程度上决定看单晶质量。

晶体生长时单晶硅的温度梯度粗略的讲：离结晶界面越远，温度越低即SdydT>0只有SdydT足够大时，才能单晶硅生长产生的结晶潜热及时传走，散掉，保持结晶界面温度稳定若SdydT较小，晶体生长产生的结晶潜热不能及时散掉，单晶硅温度会增高， 结晶界面温度随着增高， 熔体表面的过冷度减小， 单晶硅的正常生长就会受到影响SdydT过大，结晶潜热随着及时散掉，但是，由于晶体散热快，熔体表面一部分热量也散掉，结晶界面温度会降低，表面过冷度增大，可能产生新的不规则的晶核，使晶体变成多晶，同时，熔体表面过冷度增大，单晶可能产生大量结构缺陷 总之，晶体的纵向温度梯度SdydT要足够大， 但不能过大晶体生长时熔体的温度梯度概力地说，离液面越远温度越高，LdydT>0温度梯度LdydT较大时，如图（ a）离开液面越远温度越高即使有较小的温度降低， 生长界面以下熔体温度高于结晶温度，不会使晶体局部生长较快， 生长界面较平坦的，晶体生长是稳定的温度梯度LdydT较小时，如图（b） ，结晶界面以下熔体温度与结晶温度相差较少熔体温度波动时可能生成新晶核，凝结在单晶硅界面使单晶硅发生晶变晶体生长不稳定当熔体表面较厚的一层处于实际结晶温度（低于熔点温度），单晶硅生长更不稳定。

特殊情况下，LdydT是负值，即离开结晶界面越远，温度越低，熔体内部温度低于结晶温度，单晶硅会长入熔体，无法得到单晶热场的径向温度梯度，包括晶体SdxdT，熔体LdxdT和固液交界面LSdxdT三种径向温度梯度 由于熔体由加热器周围供热，一般说来， 熔体的径向温度梯度总是正数，LdxdT>0但整个单晶硅生长界面的变化说明，结晶界面的温度梯度由大于零等于零，变到小于零从图中可以看出：单晶硅最初等直径生长时，生长界面的径向温度梯度是正数，即LSdxdT大于零，随着单晶不断生长， 结晶界面由凸向熔体逐渐变平，生长界面的径向温度梯度LSdxdT逐渐等于零一般说来，单晶硅中部结晶界面平坦，LSdxdT等于零单晶逐渐生长到尾部， 生长界面由平逐渐凹向熔体，越接近单晶尾部， 生长界面越凹这说明单晶生长界面的径向温度梯度由等于零变为负值，而且负值越来越小在坩埚里整个熔硅表面， 由于熔硅传热， 单晶硅散热和结晶放出结晶潜热，单晶生长时， 最初可近似认为熔硅表面径向温度梯度LdxdT小于零，生长到单晶中部时， 近似看作熔硅表面径向温度梯度LdxdT等于零，单晶硅在尾部生长时，熔硅表面的径向温度梯度由LdxdT小于零转为大于零， 温度梯度的变化成倒人字形，如图。

综上所述：一个热系统，合理的热场温度分布应该是：（1）结晶界面纵向温度梯度尽可能大，才能使单晶生长有足够的动力，LSdydT不能很大，既能使单晶良好生长，又不使单晶产生结构产生结构缺陷，尽量使纵向温度梯度变化缓慢，不形成温度突变，使单晶受到较大的热冲击2）径向温度梯度尽量接近于零，即LSdxdT=0，保证结晶界面平坦§3 热场配制和调试热场配置是将加热器、保温罩、保温盖、石墨托碗等组成一些几何形式，改变单晶炉内的温度分布状况 主要改变熔硅和熔硅上部空间的温度分布状况不同的加热器、保温罩、保温盖等器件组成不同的几何形状，形成不同热场热场的组合形状，通常分为内梯形罩，外梯形短平保温罩热场如图（下页）目前的热场配置大部分为内梯形，内梯形又有高罩和矮罩之分 保温罩绝大部分采用高纯石墨制成， 也可在第二层加一层钼薄板 国外通常采用短平罩热场，加保温盖，两层石墨中间放碳毡碳毡保温性能好，节省能源热场组成比较简单，操作方便石墨托碗有平底（杯形）和半球形，目前趋向于采用平底托碗托碗厚薄影响热场稳定性厚托碗热惯性大，热场反应慢，温度较稳定，薄托碗热惯性小，热场反应快，温度容易调整好的热场正拉晶过程顺利， 拉出的单晶电阻率均匀性好，结构缺陷少， 质量高。

不好的热场下拉晶操作复杂，拉出的单晶电阻率均匀性差，结构缺陷较多，质量较差在不好的热场下拉晶， 还很不容易成单晶或在拉晶中途产生大量结构缺陷或变成多晶这都是由于热场纵向梯度过小造成的增大生长界面纵向温度梯度最简便的办法是提高坩埚位置，或者适当降低保温罩的高度（尤其第一层保温罩高度） 还可降低盖板高度或升高盖板高度（要看盖板离加热器的距离而定） ，加大盖板孔或缩小盖板孔 （看实际情况而定）当然，石墨器件在长时间生产中会老化， 性能有所变化，也会使纵向温度梯度降低纵向温度梯度过大也会引不出单晶（这种情况较少），即使引出单晶，很快会发生晶变径向温度梯度LSdxdT小，对形成单晶无多大影响，对单晶质量影响较大由热系统组成的热场是一个有机的整体，调整纵向温度梯度时， 径向温度梯度也会变化 同样的热场， 在不同拉晶条件下纵向温度梯度也不相同；真空条件下，纵向温度梯度较小的热场， 气氛条件下纵向温度梯可能很大，流动气氛下更大减压拉晶时可能适合总之，热场温度梯度大小不但决定于热系统影响，还决定于拉晶条件§4 热场的选择生长高质量单晶， 一个很重要的条件就是有一个合适的热场生长系统中的温度分布（等温面的状况） 或者说晶体中， 熔体中以及固液界面上的温度梯度对单晶的质量有决定性的影响， 然而不同参数的单晶， 对热场的要求也不同。

所谓较好的热场， 并没有严格的界限 一般说来， 掺杂量大的单晶需要较大的温度梯度（特别是界面附近） ，而掺杂量较少的单晶采用比较小的温度梯度一般采用平的或微凹的界面生长单晶时，则有助于改善单晶的性能 当然，任何品种单晶生长都需要径向对称总之， 对于某种确定参数的单晶， 合适的热场条件只能根据单晶参数的要求，作出初步判断，具体较佳热场形式只有通过实验才能确定为克服拉制高杂质浓的单晶的组分过冷，需要有大的纵向温度梯度， 为了提高单晶质量要求有较小的径向温度梯度而温度梯度的大小很大程度上决定于装置的结构，包括加热方式、加热器、坩埚、保温罩、托碗的形状和尺寸，决定于它们之间的相对位置 界面附近熔体， 温度梯度大， 意味着晶体散热量快， 因此，增大温度梯度，可以适当地提高坩埚的位置，或者提高液面位置（多装料），可达到增大温度梯度的目的，使单晶散热加快也是提高纵向温度梯度的有效办法单晶的散热和晶体所处的环境温度密切相关，设法增大熔体和熔体上部空间温差，就能增大纵向温度梯度； 增大熔体中心部分和周围温差就能增大径向温度梯度向单晶炉内充氩气，改变单晶炉内气体流动路线，也可增加单晶散热，增大热场纵向温度梯度。

单晶炉内温场随着单晶生长不断变化， 随着单晶长度的增加，单晶表面增加了， 散热加快了， 因此纵向温度梯度有增大的趋势，然而随着熔体液面的降低，单晶进入坩埚底部，使纵向温度梯度有减小的趋势，因此，当单晶生长到一定长度之后，纵向温度梯度反而开始减小§5 硅单晶生长方向和热场晶体各向异性， 不同的生长方向生长速度不同因此，直拉单晶硅按不同方向生长，热场的纵向温度梯度不同拉晶向单晶的热场用来拉晶向单晶，一般说来，晶体很难拉成单晶，即使拉成单晶，单晶缺陷也较多单晶各晶面原子排列密度不同，每个晶面族的原子面密度也不一样 但是，晶体中原子的总数一定， 面间距比较小的面族，晶面间距短，晶面排列较密，每个晶面上的原子少些；面间距较大的面族，晶面间距长， 晶面排列较稀， 每个晶面上的原子数目多些，这样才能保证二者原子总数相等总之，面间距较小的面族，原子面密度也小；面间距较大的面族，面密度也大晶体生长时，各晶面的法向生长速度不同，面密度大的晶面，面间距也大，晶面间原子的吸引力小， 形成新的晶面困难， 因此生成这种晶面需要的动力—过冷度大些这种晶面上，由于原子的面密度大，间距小，原子之间吸引力大，晶面的横向生长速度快， 放出的结晶潜热多。

为了保持单晶稳定生长， 只有比较大的纵向温度梯度才能及时散掉这些热量，达到温度平衡 面密度小的晶面， 面间距也小，晶面间的吸引力大， 生成这种晶向需要的动力—过冷度就小些，新晶面容易生成在晶面上，由于原子的间距大，原子之间的吸引力小，晶向的横向生长速度慢， 放出的结晶潜热少， 为了保持晶体稳定生长， 比较小的温度梯度就将这些热量及时散掉，达到温度平衡硅单晶各晶面之间的间距是不同的， 各晶面上的原子密度也不同 我们知道，（100）的面间距小于（ 110）的面间距， （111）的面间距最大；所以，（100）的面密度小于（ 110）的面密度，（111）的面密度最大因此，直拉法生长单晶硅的热场，沿 [111]晶向生长的纵向温度梯度大于沿[110]晶向生长的纵向温度梯度，沿[100]晶向生长的纵向温度梯度最小§6 加热器的设计常见的加热器有三种形状，筒形、杯形、螺旋形，目前绝大多数加热器为筒形，如图螺旋形加热器加工工艺复杂， 早已淘汰 杯形加热器对于半球形的坩埚，底部熔体温度较均匀，由于加工工艺较难，早已不用现在，绝大多数用筒形加热器筒形加热器不但加工简单， 而且和直拉单晶炉大量采用平底坩埚有关。

不同的单晶炉加热器的大小可能相同，也可能不同加热器是根据直拉单晶炉的大小和所拉制单晶的参数等条件确定的，一般设计成并联电路形式， 并且下列几个参数一、加热器的形状二、加热器的内直径三、加热器的有效长度四、加热器的片数五、加热器的厚度并给出加热器外径确定这些参数依据直拉单晶炉的参数和所拉单晶的直径主要依据单晶炉加热功率变压器参数： 最大输出功率、 最大输出电压和最大输出电流，坩埚的直径和高度设计加热器有以下几个步骤：一、选材和确定加热器形状加热器一般用高纯石墨制成，高纯石墨的电阻率厘米欧姆3103 .1，加热器目前通常做成筒形二、确定石墨托碗壁厚石墨托碗壁厚一般为3 毫米— 6 毫米三、确定加热器内径根据给定坩埚直径和石墨托碗壁厚，算出加热器内径Φ内=石英坩埚外径 +2倍石墨托碗壁厚 +2 倍石墨托碗和加热器的间隙若石墨托碗壁厚为a，石墨托碗与加热器的间隙为b（b=5毫米） ，Φ内=Φ外坩+2a+2b=Φ外坩+2（a+b）四、确定加热器有效高度经过长期实践，加热器有效长度为石英坩埚高的1.6 倍至 1.8 倍若加热器高为 H，石英坩埚高为h H=（1.6～1.8）h 一般取 H=1.7h 五、确定加热器片数，算出片宽。

加热器一般为 16 片、20 片、24 片三种形式，目前一般为20 片若加热器片宽为l，片与片的间隙为2 毫米2 20内l六、确定加热器厚度加热器采用并联电路形式导电，加热器总电阻为R，每联的电阻为R1，加热器的壁厚为 d 11111RRRRR21输出输出 最大输出电流最大输出电压IVRdlHSLR20211每片的截面积一联加热器片的长度lIVHRlHRlHlRHd输出输出5521010131。