直拉法單晶爐隨動式加熱器設計

張西亞,高德東,王 珊,郭 冰,宋生宏

(1.青海大學機械工程學院，西寧 810016；2.陽光能源(青海)有限公司，西寧 810000)

0 引 言

從20世紀進入“信息時代”以來，人們的經濟生活信息化水平不斷提升，信息技術已經成為社會各個領域發展的必備條件[1]。而作為信息技術產業核心的集成電路產業，是引導國民經濟發展的先導產業，而作為集成電路產業先導基礎的半導體材料，是集成電路技術的持續創新與產業的可靠發展中必不可少的基石。盡管集成電路一直在尋求更加優良的材料，但硅仍是一種應用最廣的半導體材料。據統計，全球范圍內99%以上的集成電路和95%以上的半導體器件的基礎材料都是單晶硅[2]。而隨著半導體集成電路技術的不斷發展，單晶硅的缺陷分布以及外形尺寸都需要進一步提高,品質更高和尺寸更大的單晶硅,不僅能夠在一定范圍內減少單晶硅的內部缺陷,而且還能減少集成電路生產成本以及后期加工浪費[3]。

雖然硅在地殼中的含量僅次于氧居第二位，但是自然界中的硅主要是晶向不固定的多晶硅或以化合物的形式存在，半導體行業只需要晶向特定的單晶硅。單晶硅是指硅原子按照特定的晶格形成晶核，所有晶核形成的晶面方向相同，按照晶面方向可分為三種晶向的單晶硅，按等級可分為半導體級和太陽能級，用于制備半導體器件的單晶硅要求更低的雜質濃度和晶體缺陷,太陽能電池板的材料中晶硅類占據了90%以上的份額[4],太陽能級的單晶硅則對品質的要求較低,最重要的是降低單晶棒的成本。天然單晶硅數量極少，無法滿足半導體行業和光伏產業的需求。因此需要人工制備特定晶向的單晶硅。在科研人員不斷探索中，總結出了許多制備方法如直拉法(Czochralski method，Cz法)、區熔法、水熱法等。其中，直拉法以其生長完整性高、成晶速度快、便于觀察生長過程等優點已經成為主流的單晶硅制備方法,而單晶爐作為直拉法生產單晶硅的設備,如何降低其在拉晶過程中的能耗以及提高其拉晶速度是其發展趨勢。

在降低單晶爐能耗以及提高拉晶速度和晶體質量方面，國內外研究人員做了大量研究。在對單晶爐的優化方面,呂菲等[5]對加熱器進行優化以改變拉晶過程中的固液界面,從而提高了拉晶過程中等晶階段的穩定性和拉晶速度；高農農等[6]通過減小坩堝與加熱器間的距離,降低了晶體中的氧含量并提高了加熱器的效率；于寧等[7]研究了用于單晶爐反射和吸收紅外輻射涂料，減小了單晶爐內輻射散熱，降低了單晶爐能耗；吳世海等設計了熱屏提升機構，以增大單晶爐投料量進而提高拉晶效率；李巨曉等[8]對直拉法晶體生長過程中晶棒晃動進行了分析，并提出了減小晃動的措施；耿博耘等[9]對單晶爐保溫桶以及熱屏做了優化，降低了熱場散熱；關小軍等[10]利用CGSim軟件對直拉單晶硅生長過程進行了模擬,探究了熱屏位置對直拉硅熔體和固液界面的影響，對提高單晶爐拉晶質量做出一定的貢獻；Lee等[11]設計了鍍有不同涂層的鉬和石墨熱屏,增加了額外的側面和底面保溫層,降低了加熱功率和氬氣的消耗；Gao等[12]通過改變加熱器形狀和隔熱材料，有效提高了晶體生長速度，降低了拉晶能耗；Smirnova等[13]采用了一種新的爐體結構,使晶體生長速率增加了15%～30%。

對于直拉法單晶爐的改造，大多數研究人員聚焦于保溫桶、保溫碳氈、保溫蓋、熱屏、保溫材料和加熱器形狀等方面[14-20]，而這些部分的改造潛力已幾乎殆盡，因此本文分析了直拉法單晶爐的機械結構對降低能耗和提升拉晶速度的影響，并且提出了一種單晶爐優化結構，以期能夠為單晶爐的設計提供參考。

1 坩堝上升帶來的問題

圖1為單晶爐熱場結構簡圖，其中包括了爐壁、上保溫蓋、熱屏、保溫桶、加熱器、排氣孔、坩堝、三瓣堝幫、堝底、電極柱和坩堝連桿等主要部件。

在晶體生長過程中，使籽晶和坩堝反向旋轉,減少對流所產生的熱不對稱性;使坩堝上升,消除硅溶液不斷地由液態轉化為固態被籽晶提起時所造成的硅液面位置下降。坩堝上升雖然能夠提高單晶爐拉晶過程的穩定性，但是也在一定程度上成為了制約單晶爐能耗降低和拉晶速度提升的瓶頸。

在采用直拉法生長單晶硅的過程中,節能降耗一直是研究的重點，其中采用熱屏就是降低能耗并改善熱系統的一種非常有效的措施，它是通過改變單晶爐結構來實現節能降耗，在熱屏誕生以后，單晶爐的結構沒有重大改動,只在熱屏、保溫層和隔熱材料等方面進行了優化。

圖2為拉晶開始和結束階段,坩堝與加熱器的相對位置示意圖，從圖中可以看出，坩堝高度小于加熱器高度，這是因為在晶體生長過程中，硅溶液不斷地由液態轉化為固態而被籽晶提起，液面在坩堝中的位置不斷下降，而為了使固液界面相對于熱屏的位置保持不變，單晶爐用坩堝上升與籽晶上升來實現動平衡；坩堝上升而加熱器固定不動，為了使坩堝內溶液始終處于加熱器內部，以及加熱器更充分地對坩堝加熱，所以目前使用的加熱器高度都大于坩堝高度。從圖2中還可以看出，在拉晶開始階段坩堝位于加熱器下部，加熱器上部的區域一對坩堝的加熱效果不明顯，且對拉晶液面上部的晶棒進行烘烤，即對結晶潛熱的散發造成阻礙作用，降低拉晶速度；而隨著拉晶過程的進行，坩堝緩慢上移，區域一不斷減小,加熱器下部的區域二不斷增大,對坩堝的加熱效果越來越差，所產生的熱量大部分被惰性氣體及冷卻水帶走，造成能量浪費；因此通過上述分析可知，在拉晶過程中利用坩堝上升所帶來的拉晶溫度場動平衡，將會成為單晶爐降低能耗和提高拉晶速度的巨大阻礙。

圖1 單晶爐熱場結構簡圖Fig.1 Schematic structure of thermal field in single crystal furnace

圖2 加熱器與坩堝相對位置Fig.2 Relative position of heater and crucible

2 單晶爐優化設計

2.1 設計思路

針對上述因單晶爐坩堝上升所造成的額外能耗和拉晶速度下降現象，提出“熱隨堝動”設計思路，即在設計單晶爐時，設計加熱器升降裝置，利用升降裝置使加熱器在拉晶過程中隨坩堝上升，進而實現降低能耗和提高拉晶速度的目的。

2.2 單晶爐結構改造

圖3為單晶爐坩堝升降、旋轉機械傳動示意圖。它是一種用直線滾動導軌支承導向，精密滾珠絲桿副傳動實現坩堝桿升降功能，以及通過帶傳動實現坩堝桿旋轉的傳動系統。

圖3 坩堝升降與旋轉機構Fig.3 Mechanism of crucible lifting and rotating

從圖3中可以看出，實現坩堝升降和旋轉的機械結構較復雜且占據了較大的空間，如果再另行設計一套加熱器升降裝置，不僅會造成額外的機械復雜性、占據更大的空間，而且還要一套加熱器操縱系統對加熱器升降進行控制，將增加單晶爐的生產成本和能耗，得不償失；此外加熱器與坩堝只有保持相同的升降速度，才能使二者之間無相對位移，進而減小加熱器尺寸降低能耗，使坩堝始終處于相同的加熱狀態,提高熱場穩定性。

經上述分析，為了實現加熱器升降裝置結構最簡化、成本最低化，本次設計使加熱器與坩堝共用一套升降裝置。通過圖3可知坩堝的升降和旋轉是由不同電機帶動的,在拉晶過程中坩堝上升是由慢速電機帶動絲杠轉動,在滾珠絲杠副的作用下帶動滑座上升,滑座上固定有支撐坩堝的連桿,進而實現滑座與坩堝同步上升,而坩堝旋轉是由旋轉電機帶動楔形帶, 楔形帶帶動坩堝連桿再傳遞給坩堝來實現坩堝旋轉,因此旋轉與升降是分開的,故只需對原支撐坩堝桿的升降滑座4(見圖3)進行改造，使其能為加熱器升降的提升桿提供支撐，即可實現坩堝與加熱器同步升降。

圖4是圖3中滑座4的改進圖，通過在坩堝連桿孔的上部增加一個向兩側延伸的頂板，即可為加熱器的提升桿提供支撐且能夠在拉晶過程中使加熱器與坩堝始終處于同一水平位置，從而減小加熱器尺寸，并消除坩堝上升使加熱器與坩堝之間產生相對位移所造成的拉晶速度降低和能量浪費現象。

圖5是加熱器升降裝置，包括滑座、波紋管、提升桿，其中滑座是由坩堝升降滑座改造而來，為加熱器升降提供動力；波紋管分別通過上、下法蘭與爐底、滑座連接，且為耐高溫的不銹鋼波紋管，能夠保證加熱器升降過程中單晶爐的整體密封性；提升桿為陶瓷提升桿，既能耐高溫又能保證在與加熱器連接時完全絕緣。

圖4 改進后的滑座Fig.4 Optimized slider

圖5 加熱器升降裝置Fig.5 Lifting device of heater

圖6 加熱器優化圖Fig.6 Heater optimization

由于本設計使加熱器與坩堝同步升降，因此加熱器的高度不再需要大于坩堝的高度，以保證坩堝上升過程中坩堝內液面始終在加熱器內部，即加熱器與坩堝的高度一致，具體的加熱器相對于坩堝的優化如圖6所示。

3 熱場模擬

3.1 熱場模擬初始條件及參數

通過對CL120-97單晶爐進行結構測量，使用1∶1真實參數，簡化測量孔、測溫孔、觀察窗等非對稱結構，采用對稱式結構并且使用三維仿真模型代替常規二維仿真模型，使數據可靠性更高，即利用CATIA作圖軟件對單晶爐進行三維作圖，然后分別將改進前、后單晶爐的三維圖導入到ANSYA中進行有限元全局熱仿真。

將改進前和改進后的單晶爐結構圖導入到ANSAY中，對比兩種熱場的模擬分析結果。兩種單晶爐模擬均采用相同的模擬初始條件，單晶爐的主要參數設置如下：加熱器直徑625 mm，石英坩堝內徑533 mm，外徑555 mm，爐內氣壓3 000 Pa，保護氣為氬氣，氬氣流量3 800 L/h，晶體直徑200 mm，晶體總高度800 mm，投料量120 kg。有限元模擬所使用的主要物性參數如表1所示。

表1 模擬中使用的主要物性參數Table 1 Physical parameters of the materials used in simulation

3.2 熱場模擬分析

在等徑長度為60 cm時，對改進前、后單晶爐的晶棒和熔體進行溫度提取。圖7為等徑階段硅晶體軸向和徑向溫度提取位置圖,圖8為由其得出的兩種不同熱場結構的晶體徑向和軸向的溫度對比圖，由圖8中的(a)和(b)可以看出，改進后單晶爐晶體的軸向、徑向溫度梯度都小于改進前溫度梯度,且溫度變化更加平緩，可以有效減小晶體熱應力，提高拉晶穩定性，這說明改進后的單晶爐對晶棒加熱更加均勻，在一定程度上提高了拉晶穩定性。

圖7 等徑階段單晶棒徑向和軸向溫度提取圖Fig.7 Radial and axial temperature extraction of single crystal rod at equal diameter stage

圖8 改進前、后晶體徑向和軸向的溫度對比圖Fig.8 Comparison of radial and axial temperature of crystal before and after the optimization

圖9 等徑階段熔體溫度提取圖Fig.9 Melt temperature extraction at equal diameter stage

在單晶爐拉晶過程中,熔體自由表面的溫度分布對晶體質量有較大影響，其原因是如果熔體自由表面溫度降低幅度過大,會引起熔體過冷,導致胞狀晶或樹枝晶生長。圖9為等徑階段熔體徑向溫度提取位置圖,圖10為由其得出的改進前、后熔體的自由表面溫度分布，由圖可以看出,改進前、后兩種熱場下熔體的自由表面溫度變化規律一致，即都成W型，且改進后單晶爐的自由表面溫度梯度小于改進前溫度梯度，可以有效避免熔體過冷，提高拉晶穩定性。

經上述分析，可以得出在等徑階段,無論是晶體還是溶液中，改進后單晶爐的溫度梯度都小于改進前單晶爐的溫度梯度，因此只需要在拉晶過程中改變加熱器的功率及其他拉晶參數，就能更容易的保證固液界面的溫度穩定性，進一步提高拉晶穩定性。

由于本文熱場仿真是在準靜態的條件下分段進行的，無法直接得出拉晶過程中的拉晶速度，因此將改進前、后單晶爐在拉晶過程中晶體軸向溫度梯度的比值，近似作為改進前、后等徑階段拉晶速度比。圖11為改進前、后等徑階段拉晶速度比值圖，曲線與比值1.00虛線所圍區域的上部面積明顯大于下部面積，由定積分知識可知，改進后單晶爐的平均拉晶速度高于改進前單晶爐的平均拉晶速度，通過計算可以近似求出改進后單晶爐的拉晶速度提升11.14%。

圖10 改進前、后等徑階段熔體溫度對比圖Fig.10 Comparison of melt temperature at equal diameter stage before and after optimization

圖11 改進前、后等徑階段拉晶速度比值曲線Fig.11 Ratio curve of crystal pulling speed at equal diameter stage before and after optimization

由于單晶爐熱仿真加熱器上施加的是熱生成率，無法直接得出在拉晶過程中的功率變化，因此將拉晶過程中整個等徑階段所施加的熱生成率，除以加熱器體積即可得到加熱器的加熱功率。圖12為改進前、后等徑階段加熱器功率對比圖。從圖中可以看出,改進前單晶爐在拉晶等徑階段的加熱功率變化是先降低再增大，而改進后單晶爐在拉晶等徑階段的加熱功率變化是一直下降，且改進后單晶爐功率一直小于改進前功率，因此改進后單晶爐能夠有效降低拉晶能耗,通過計算可以近似求出改進后單晶爐能耗降低10.67%。

圖12 改進前、后等徑階段加熱器功率對比圖Fig.12 Comparison of heater power at equal diameter stage before and after optimization

4 結 論

本文為了克服坩堝上升所造成的拉晶速度降低和額外能耗問題，提出了“熱隨堝動”的設計思路，即在拉晶過程中使加熱器和坩堝同步上升的單晶爐結構優化方法，通過對單晶爐傳動系統進行分析，對使坩堝上升的傳動滑塊進行改造，以及設計提升桿與密封裝置，利用有限元數值模擬對改進前、后單晶爐的晶體生長過程進行熱場仿真。模擬結果顯示，改進后與改進前相比：(1)改進后單晶爐晶體的軸向、徑向溫度梯度減小,且溫度變化更加平緩，可以有效減小晶體熱應力，提高拉晶穩定性；(2)改進后單晶爐熔體的自由表面溫度梯度減小,可以有效避免熔體過冷，提高拉晶穩定性；(3)改進后單晶爐拉晶速度提升11.14%，拉晶能耗降低10.67%。