直拉单晶培训

公司人事简介总经理：张溪副总经理：李炳炎工艺部长：黄杰林后勤部长：周江平人事部长：李章松技术总监：王波直拉单晶硅工艺技术培训内容1、工艺原理2、工艺过程3、工艺设备4、设备的操作与维修5、工艺中出现的问题及解决措施直拉单晶硅工艺原理直拉单晶硅生长原理直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。此处资料由王波负责收集工艺过程•直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括：多晶硅的装料和熔化、种晶、缩颈、放肩、等径和收尾。加工工艺•加料—→熔化—→缩颈生长—→放肩生长—→等径生长—→尾部生长•（１）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的Ｎ或Ｐ型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。•（２）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（１４２０℃）以上，将多晶硅原料熔化。•（３）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩颈生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（４－６ｍｍ）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。•（４）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。•（５）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负２ｍｍ之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。•（６）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。•单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片加工流程：单晶生长—→切断—→外径滚磨—→平边或Ｖ型槽处理—→切片倒角—→研磨腐蚀—→抛光—→清洗—→包装切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。•外径磨削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。•平边或Ｖ型槽处理：指方位及指定加工，用以单晶硅棒上的特定结晶方向平边或Ｖ型。•切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。•倒角：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。•研磨：指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。•腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除：腐蚀可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀两种•抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度晶片的抛光：抛光的方式有粗抛和精抛两种。•清洗：在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。单晶成品一、直拉单晶炉直拉单晶炉的结构直拉单晶炉机械部分电气部分水冷系统氩气系统真空系统炉体热系统液压系统速度控制单元加热控制单元加热温度控制器及三相全桥功率部件等径生长控制器水温巡检及状态报警继电控制单元直拉单晶炉及热系统4、炉体炉体包括主架、主炉室、副炉室等部件。主架由底座、立柱组成，是炉子的支撑机构。主炉室和副炉室是单晶生长的地方。主炉室是炉体的心脏，有炉底盘、下炉筒、上炉筒以及炉盖组成，他们均为不锈钢焊接而成的双层水冷结构，用于安装生长单晶的热系统、石英坩埚及原料等。副炉室包括副炉筒、籽晶旋转机构、软轴提拉室等部件，是单晶硅棒的接纳室。籽晶旋转及提升机构，提供籽晶的旋转及提升的动力和控制系统。坩埚的旋转及提升机构，提供坩埚的旋转及上升的动力和控制系统。主、副炉室的升降机构，通过液压对炉室进行升降。1、水冷系统•水冷系统包括总进水管道、分水器、各路冷却水管道以及回水管道。由循环水系统来保证水循环正常运行。•水冷系统的正常运行非常重要，必须随时保持各部位冷却水路畅通，不得堵塞或停水，轻者会影响成晶率，严重会烧坏炉体部件，造成巨大损失。2、氩气系统氩气系统包括液氩储罐，汽化器、气阀、氩气流量计等部件。氩气纯度为5N，在单晶生长过程中起保护作用，一方面及时携带熔体中的挥发物经真空泵排出；另一方面又及时带走晶体表面的热量，增大晶体的纵向温度梯度，有利于单晶生长。3、真空系统真空系统主要分两部分：主炉室真空系统和副炉室真空系统。•主炉室真空系统主要包括主真空泵、电磁截至阀、除尘罐、安全阀、真空计、真空管道及控制系统等。其中除尘罐对排气中的粉尘起到过滤作用，以便保护真空泵，除尘罐内的过滤网要定期清理，使排气畅通，否则影响成晶，另外要定期更换泵油。•副炉室真空系统除了无除尘罐外，与主炉室真空系统相似。主要是在拉晶过程中需要关闭主、副炉室之间的翻板阀取晶体或提渣时，必须用副炉室真空系统来对副炉室进行抽真空。•拉晶过程中必要时应进行真空检漏。冷炉极限真空应达到3Pa以下，单晶炉泄露率应该低于3Pa/10min。5、电气系统电气系统主要包括电源控制系统以及单晶炉控制系统。直拉单晶炉主电源采用三相交流供电，电压380V，频率50Hz。经变压器整流后，形成低电压，高电流的直流电源作为主加热电源。单晶炉控制系统主要包括速度控制单元、加热控制单元、等径生长控制单元、水温和设备运行巡检及状态报警、继电控制单元等部分。•1）速度控制单元对晶升、埚升、晶转、埚转的速度进行控制。•2）温度传感器从加热器上取得的信号与等径控制器的温度控制信号叠加后进入欧陆控制器，经分析调整控制加热器电压，达到控制加热温度与直径的目的。•3）水温运行巡检及状态报警单元可以对单晶炉各路冷却水温进行实时检测，当某路水温超过设定值时，相应水路发出报警提示工作人员排除。同时本单元可以实时检测单晶炉运行中的异常现象，给出相应报警。•4）继电控制单元包括液压系统继电控制，真空机组继电控制及无水、欠水继电控制等部分。炉盖主炉筒炉底上保温盖下保温盖导流筒石英坩埚三瓣埚托盘托杆加热器上保温筒上保温碳毡下保温筒下保温碳毡电极柱炉底碳毡炉底压盘二、热系统热系统简介：热系统长期使用在高温下，所以要求石墨材质结构均匀致密、坚固、耐用，变形小、无空洞、无裂纹、金属杂质含量少。•1）加热器是热系统中最重要的部件，是直接的发热体，温度最高时达到1600℃以上，形状为直筒型。•2）石墨坩埚是用来盛装石英坩埚的，目前使用较多的为3瓣或4瓣，它的内径尺寸要和石英坩埚的外形尺寸相配合。同时，石墨坩埚本身必须具有一定强度，来承受硅料和石英坩埚的重量。•3）托杆和托盘要求和下轴结合牢固，对中性良好，在下轴转动时，托杆及托盘偏摆度小于2mm，托杆及托盘的高度设计需要充分考虑化料埚位以及足够的埚升行程。•4）保温罩由上保温盖、炉底压盘、保温筒、导流筒等部件合理配合组成，炉底盘部分以及保温筒外围需要包裹一定厚度的石墨毡，保温罩整个系统对热系统的内部温度分布起着决定性作用。•5）石墨电极的作用，一是平稳地支撑加热器，二是通过它对加热器通电，因此要求石墨电极厚重，结实耐用。与金属电极和加热器的接触面要求光滑、平稳，之间需加碳箔垫片（有利于提高加热器与石墨电极的导电性能）。热系统的安装与对中•热系统，特别是新系统在安装前，应仔细擦抹干净，去除表面的浮尘，检查各部件质量，整个炉室也必须清擦干净，安装顺序一般是由下而上，由内到外。在整个安装过程中，要求热系统对中良好。具体对中顺序如下：•1）托杆对中，先将托杆稳定地安装在下轴上，如紧上螺丝后，托杆还有晃动，需修磨托杆下面锥面，使托杆与下轴可以紧密配合安装。打开埚转，测量托杆是否对中良好。•2）加热器与石墨坩埚对中，打开埚转，对平口（将石墨坩埚上沿与加热器上沿处于同一平面），调整加热器位置，与石墨坩埚对中，保证石墨坩埚与加热器之间的间隙四周都一致。最后紧电极螺丝，固定好加热器。•3）保温罩与加热器对中，调整保温筒位置，做到保温筒内壁和加热器外壁之间间隙四周都一致，注意可径向移动，不可转动，否则取光孔和测温孔对不上。•4）保证炉底护盘与电极之间间隙前后一致，否则可能造成打火。•每次拆装炉时，都需检查同心度，这样既可保证热场的对称性，又能避免短路打火。此处资料由李章松收集设备的操作与维修目的为正确、规范地操作单晶炉，确保生产作业正常。单晶炉操作工艺流程作业准备→热态检漏→取单晶和籽晶→石墨件取出冷却→真空过滤器清洗→真空泵油检查更换→石墨件清洗→单晶炉室清洗→石墨件安装→石英坩埚安装→硅料安装→籽晶安装→抽空、检漏→充氩气、升功率、熔料→引晶、缩颈、放肩、转肩→等径生长→收尾→降功率、停炉冷却A.作业准备a.进入单晶车间须穿戴好洁净工作服、鞋。b.开炉前，按工艺要求检查水、电、气，确认无误后方能开炉。c.准备好一次性洁净手套、耐高温手套、毛巾、纸巾、研磨布、酒精、吸尘刷、吸尘管、防尘口罩。d.准备好钳子、扳手和各类装拆炉专用工具。e.取单晶的架子、装石墨件的不锈钢小车、装埚底料的不锈钢筒和装硅料的不锈钢小车，并处理干净。f.用毛巾将炉体从上到下一遍，擦洗时注意不要将所有控制接线及开关碰断或碰坏，并把炉子周围清扫干净。B.热态检漏a.检查上一炉功率关闭时间，在单晶冷却4.0小时（TDR-70A/B型单晶炉）、5.0小时（JRDL-800型单晶炉）后，关闭氩气（只关闭氩气阀门，主、付室流量计调节阀打开并分别调节到30L/Min），开始抽高真空，并作时间记录。b.待炉内压力到达极限（要求达到3Pa以下）后，先关闭主室球阀而后关闭真空泵电源进行检漏，并作相应时间记录，若0.5小时内抽不到3Pa以下时，交有关维修人员处理，在此期间须配合有关维修人员进行装拆炉，并作相关记录。c.检漏要求3分钟以上，漏气率0.34Pa/min为正常，同时作好漏气率记录，若漏气率＞0.34Pa/min时，交有关维修人员处理，在此期间须配合有关维修人员进行装拆炉，并作相关记录。C.取单晶和籽晶a.热态检漏后，旋松付室小门4个螺丝，打开氩气阀门充氩气至常压，关闭氩气，旋开付室小门4个螺丝，打开付室小门。b.提升单晶至付室，从付室小门内确认单晶升至所需高度，若无异常，盖住翻板阀，打开液压泵，升起付室。c.把安全接盘移到炉筒口处，缓慢转动付室至侧面。d.把取单晶的架子放在付室炉筒正下方，准备接单晶。e.稳定单晶，移开安全接盘，按下籽晶快降，将单晶降入架子内。f.确认单晶完全入架子内后，按住籽晶，用钳子将籽晶从细径处钳断，钳断籽晶后，应稳定重锤，防止重锤快速转动，损坏钢丝绳。g.将籽晶从重锤上取下，放在指定场所，再将重锤升至付室内适当位置。h.将单晶移到中转区，及时、准确的将单晶编号写在单晶上，待自然冷却后对单晶进行各项参数检测并作好记录。D.石墨件取出冷却D.石墨件取出冷却a.石墨小件取出1)打开液压泵电源，按炉盖升按钮上升炉盖。炉盖上升到位后，再旋转炉盖到侧面。2)戴好耐高温手套按顺序取出导流筒及保温盖放在装石墨件的不锈钢小车上，注意要拿稳并轻放。3)戴好耐高温手套用钳子夹住石英坩埚的上端部分提起，使其松动，将石英坩埚取出。若石英坩埚能将埚底料全部带出直接放入不锈钢筒；若不能则将先取出石英坩埚，剩下的埚底料随三瓣埚一并取出后，再将埚