單晶爐保溫與熱屏優化的數值模擬與改造

耿博耘，劉 鋒，韓煥鵬

(中國電子科技集團第四十六研究所，天津300220)

硅材料具有技術成熟、價格低廉、氧化層穩定且容易獲得等優點，隨著集成電路和太陽能電池的大量需求，盡管硅作為第一代半導體材料已有60 多年的使用歷史，迄今仍然有著十分廣泛的市場應用。由于大尺寸的硅單晶具有明顯的成本優勢，直拉法作為硅單晶 最重要的方法之一，一直被廣泛的研究和報道。生長大尺寸的硅單晶需要更大型的直拉爐熱場，而大型的熱場必然導致熔體對流、氬氣氣流、固/ 液界面形態等影響硅單晶質量的關鍵因數變得更加復雜，直拉生長硅單晶也就更加難以控制。

生長硅單晶時，直拉爐的溫度很高，各項測試較為困難，無法直接獲得熱場中的各個參數，實驗數據均為間接數據。此外，由于大直徑硅生長所需電能和硅料較多，實驗成本較高。因此，國內外學者普遍采用數值模擬的方式來研究直拉硅單晶生長過程。STR 公司的CGSim 軟件是國際上專門用于熔體中晶體生長過程仿真和優化的數值模擬軟件，該軟件用于CZ 法和DSS 法生長數值模擬優化，所預測的生長速率、功率消耗、晶體缺陷等已經被大量實驗證實[1-3]。

本文在前人數值模擬的基礎上，結合現有的直拉單晶爐的特點和結構，對上述模擬的優化方案進行有效選取，改進了直拉爐的熱場，通過數值模擬獲得了直觀的熱場數據并對數據進行了分析，此外，還通過直拉爐單晶生長實驗驗證了數值模擬的結論，對數值模擬提供了真實的實驗數據作支撐，增強了熱場改善效果的說服力。

1 直拉單晶爐改造

本文所使用的直拉爐為Kayax 公司生產的CG6000 型單晶爐，其具有自動化程度高、可靠性好、性能穩定等優點，可以從抽真空到拉晶結束均采用全自動控制。該單晶爐采用軟軸，分為上下兩個爐室即主室和副室，采用圓月光環法控制拉晶直徑，在上下軸的旋轉部分采用磁流體密封，安全措施和報警措施完備。該單晶爐結構簡圖如圖1所示。

圖1 Kayax 公司CZ 單晶爐結構簡圖

通過對CG6000 型單晶爐進行結構測量，采用1:1 真實參數，簡化測溫孔、觀察孔等非對稱結構，采用對稱式結構，獲得了如圖2（a）所示改進前的單晶爐結構圖。參考文獻4 數值模擬的結果指出熱屏內部和爐體側壁的石墨炭氈的加厚可以提高拉晶速率，改善硅熱應力和氧含量。參考文獻5 數值模擬指出熱屏底端與晶體表面和熔體自由液面的距離拉近可以改善晶體生長時的固液界面，提高了拉晶速率。參考文獻6 指出增加額外的側面和底面保溫層可以大大降低功率和氬氣的消耗。結合單晶爐控制及熱場的特點，本文重點對導流筒和保溫裝置進行改造，獲得如圖2（b）所示改進后單晶爐結構圖。

改進后的熱場主要做了三方面的改善：（1）增加下保溫碳氈，填充加熱器與單晶爐底部的空隙，降低加熱器熱量損耗，降低拉晶時功率；（2）將一段式導流筒改為三段式導流筒，改善拉晶時氬氣氣流，使得固液界面氬氣氣流增大，提高固液界面晶體軸向溫度梯度，增大拉晶速度；（3）增加上保溫罩，填充加熱器與單晶爐頂部的空隙，加強頂部保溫，改善氬氣氣流流向，減少氬氣流中擾流成分。

2 數值模擬分析

2.1 數值模擬初始條件及參數

將改進前和改進后的單晶爐結構圖輸入到CGsim 軟件中，對比兩種熱場的模擬分析結果。兩次模擬均選取同樣的模擬初始條件，單晶爐的主要參數設置如下：加熱器直徑460 mm，石英坩堝內徑400 mm，外徑430 mm，爐內氣壓2 666 Pa(即20 Torr)，保護氣體為氬氣，氬氣流量3 500 L/h，晶體直徑125 mm，晶體總高度800 mm，拉晶速度1 mm/min，投料量35 kg，堝轉-10 r/min，晶轉15 r/min。主要進行晶體生長模擬，模擬參數如表1所示，無特殊說明參數由軟件自給定。

圖2 改進前與改進后熱場結構圖

表1 晶體生長模擬時使用的主要物理參數

2.2 數值模擬分析

在CP（等徑長度）=400 mm 時，模擬軟件給出了整個爐體的溫場和流場對比圖如圖3 所示。拉速為1 mm/min 時，模擬軟件給出總的建議功率為：P 改進前=65.3 kW，P 改進后=63.7 kW，改進后的功率要低于改進前功率。

從圖3 可以看出，改進后熔體的高溫區向下移動，低溫區則相對沒有變化，整個熔體的溫差降低，固液界面形狀有所改善，熔體對流無明顯變化。

圖3 改進前與改進后熔體對流模擬圖

圖4﹑5 給出了兩種不同熱腸結構的晶體﹑熔體軸向的溫度對比，若要提高結晶速率，則應增大，降低。由圖4﹑5 可以看出，改進后的熱場中固液界面晶體增大較為明顯，這可以有效提高拉晶速率，同時、改進后熱場中固液界面熔體雖也有一定上升，但并不如上升快。兩者效果相抵消后，改進后的熱場結晶速率仍有所提高。

圖4 晶體軸向上的溫度分布對比

圖5 熔體軸向上的溫度分布對比

3 直拉法實驗驗證

為了驗證模擬仿真的結果，本文進行了晶體生長的實驗，來檢驗改進后熱場對功率和拉速的改善效果。CG6000 型單晶爐在單晶生長時自動化控制先進，從抽空-穩壓-加熱-引晶-放肩-轉肩-等經-收尾-停爐整個拉晶過程均可自動化控制，其組成部分如圖6[7]。其典型的400 mm（16 英寸）熱場下準125 mm 單晶生長工藝如下表2 所示，其參數與模擬軟件仿真時是一致的。

表2 400 mm 熱場下 準125mm 單晶生長參數

圖6 單晶爐的組成部分

從圖7 中兩種熱場下功率關于時間變化的對比中可以看出，兩種熱場的功率變化均規律一致，即先下降后緩慢上升，這反映了熔體所受加熱器熱輻射的變化，即隨著坩堝不斷上升，熔體重心逐漸從加熱器底部進入加熱器中心隨后又進入加熱器上部。改進后的功率比改進前的功率有明顯的下降，平均功率下降10%以上，并且功率變化幅度更小，溫度控制更加穩定。改進后功率降低是由于增加下保溫碳氈和上保溫罩，增強了對熱場的保溫作用，熱場在上部和底部熱量流失更少。改進后功率變化幅度更小和尾部功率上升變小，這可以解釋為三段式導流筒增大了導流筒的熱反射面，增強了導流筒對熔體的熱量反射作用。由于這種熱量反射在整個拉晶過程中基本保持不變，因此在拉晶后段，隨著熔體所受加熱器熱輻射減少，熱反射作用更加明顯。

圖7 等徑功率關于時間的變化對比

圖8 則顯示了兩種熱場下等徑拉速關于時間的對比。從圖中可以得出，改進前拉速變化幅度較大，這可以解釋為熔體的溫度極不穩定，存在氬氣擾流。尾部拉速下降明顯這是由等徑后期熔體軸向梯度增大所導致。在改進后熱場中，拉速波動幅度變小，這是由于下保溫碳氈和上保溫罩對熱場起了很好的保溫作用，熱場的溫度更加穩定，而由于三段式導流筒對氬氣氣流的導向作用，氬氣擾流明顯減少。改進后的拉速有一定的提升，這是由于三段式導流筒縮小了氬氣通道橫截面，加強了氬氣對晶體的吹拂，提高了晶體的軸向溫度梯度，而這種改善在等徑尾部熔體受熱減少、熔體溫度梯度增高時更加明顯。

圖8 等徑拉速關于時間的變化對比

4 結 論

通過對兩種熱場的模擬可以看出，改進后的功率要低于改進前功率，熱場的保溫作用得到加強。改進后熱場中的和均有升高，但綜合作用后，其改進后的等徑拉速是提高的。通過實際的開爐實驗，本文也驗證了改進后熱場功率的降低和等徑拉速的提高，這種改善在等徑生長的后期更為明顯。

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