半导体工艺设备之单晶炉

单晶炉，全自动直拉单晶生长炉，是一种利用石墨加热器熔化多晶硅等多晶材料，在惰性气体（主要是氮气和氦气）环境中，通过直拉生长而不错位单晶的设备。

单晶硅炉型号有两种命名方式，一种是投料量，另一种是炉室直径。例如 120、150 等型号是由投料量决定的， 85 炉子是指主炉筒的直径。

单晶硅炉的主要组成部分有三个部分：主机、加热电源和计算机控制系统。

单晶硅片工艺流程

硅，Si，地球上有很多含硅的东西，好像90%以上都是晶硅，也就是单晶硅。太阳能级硅纯度在6N以上即可。

起初，它是一块石头（石头含有硅）。将石头加热成液体，然后加热成气体。通过一个密封的大盒子将气体加热。盒子里有n多个子晶体，两端用石墨夹住。当气体通过盒子时，子晶体会将气体中的一个吸入符号放在子晶体上，子晶体会慢慢变厚。因为气体变成固体，所以速度很慢，大约一个月后，盒子里有很多长的本地多晶硅。

从而进入单晶硅片的生产工艺：

1、酸洗：用稀硝酸HNO3清洗，去除表面杂质，提炼过程中产生的四氯化硅。

2、清洗：清洗硅料酸洗后的残留杂质。

3、干燥单晶硅材料：去除水分。

4、挑料：区分P型、N型硅料。

5、配料：匹配拉晶硅材料的型号。

6、单晶炉拉晶：

7、硅棒检测：检查有无位错、棱线断裂等现象。

8、断开：用带锯条将单晶硅棒切成四方体。

9、包装：将断裂的单晶硅棒包装，送至下一道工序

10、磨圆：将单晶硅棒的四个直角磨圆。

11、多线切割：瑞士264，265。切割日本PV800，MDM442DM设备 0.33mm。

12、清洗：

13、单晶硅片检测：

单晶炉的结构

单晶炉体（包括炉底板、主炉室、炉盖、隔离阀室、副炉室、籽晶提升旋转机构和坩埚提升旋转机构）由304L不锈钢制成。所有腔体均通过有缺陷的炉室检查和探伤，并通过0.6MPa水压试验和氦质谱检漏仪检漏。

一、主炉体结构

1、底座和炉底板

炉底板设计为平板式，双层结构，用水冷却。四个电极穿过底板，在坩埚提升机构的波纹管连接处有一个水冷法兰区域。

2、主、下炉室

主下炉室为双层圆柱形结构，两端为法兰结构，用水冷却，并有隔水带，确保冷却均匀。主炉室设有温度计窗口，用于测量加热器的温度。下炉室有抽真空和真空计接口（0）～100Torr和0～1torr)。在正常操作过程中，下炉室始终用压板固定在炉底板上，通过氟橡胶O型圈实现真空密封。

3、炉盖

炉盖为炉体和隔离阀座提供了一个过渡区域。炉盖由标准炉盖制成，双层通水冷却。炉盖上有一个操作员观察窗口（椭圆形）和一个直径控制窗口（圆形）。操作员观察窗口，允许单晶直径测量最大范围为10”，氩气入口设置在炉盖喉部。

4、隔离阀座

隔离阀座为双层水冷结构，前圆后圆，前方设有圆门，便于拆卸和更换种子晶体夹头。圆门中心设有圆形观察窗。隔离阀座为隔离阀提供了安装和移动空间。隔离阀的功能是为种子晶体或单晶体提供进入辅助炉室的通道，同时保持上下炉室的局部压力和温度。隔离阀为翻板阀结构，阀板和阀体为固定双层结构，用水冷却。隔离阀座侧面有两个种子晶体位置检测窗口（激光定位），后面有一个氩气入口，可以快速充电氩气。

5、副炉室

辅助炉室为圆柱形腔体，双层结构，水冷。辅助炉室上部前面有一个圆形法兰，可以用来清洁腔体上部。法兰中心有一个圆形观察窗。辅助炉室上部为水平调节机构（见附件12），并设有氩气入口（正常结晶时的氩气通道）、抽真空接口(隔离阀关闭时，副炉室抽真空)和真空计接口(0)～1000Torr)。

二、籽晶提升旋转机构

种子晶体旋转提升机构通常称为提升头，主要由安装板、减速器、种子晶体腔(真空腔)组成、其它部件，如划线环、快速电机、慢速电机、旋转电机、离合器、磁流体、钢缆、籽晶称重头、软波纹管等。

提升头的主要功能是使籽晶旋转提升，并保证匀速旋转变速提升，并记录单晶重量位移等数据。

种子晶体提升机构采用钢丝绳卷筒提升钢丝绳。整个提升装置在中空轴上旋转。经过静平衡和动平衡测试，该机构可以在整个运行范围内实现无振动的平稳运行。磁流体密封用于旋转密封和提升进给密封。提升室、离合器室、称重室和晶体提升底板由高强度铝制成。

第三，辅助炉室旋转机构

旋转机构采用DC伺服电机，双级蜗轮蜗杆减速，加强同步带传动，可在辅助炉室提升到位时缓慢旋转和快速旋转，实现取单晶过程的自动动作。

四、坩埚提升旋转机构

坩埚提升机构的垂直方向采用滚珠直线导轨和高精度丝杠，在高负荷甚至电机断电的情况下实现自锁。坩埚旋转由多带驱动，可承受高扭矩，从而消除齿带驱动的振动。旋转密封采用不锈钢波纹管，可承受轴向力磁流体密封，垂直密封采用不锈钢波纹管。坩埚提升机构中的直线导轨座和底板为90°两者之间用筋板支撑固定，以提高整体刚度，避免直线导轨和螺杆因侧向力矩而变形。

硅氧化物会在单晶生长过程中形成（SiO）小颗粒并沉积在波纹管中。这些氧化物应定期清除。将波纹管从坩埚轴密封并松开。在适当的位置系好它，以防止它反弹。用真空吸尘器清除所有灰尘，包括磁流体密封座密封表面的灰尘，然后将其放回波纹管中。

五、真空系统

由不锈钢制成的真空系统各部件，所有连接均采用法兰式氟橡胶O型密封圈，真空阀采用高真空气动球阀。

1 主真空系统

主真空系统为每个腔体提供真空或隔离阀关闭时仅为上下炉室提供真空的阀门和管道。自动压力控制节流阀用于控制真空腔的独立气流压力。

2 辅助(辅助炉室)真空系统

辅助真空系统提供阀门和管道，将辅助炉室从常压泵送到与上下炉室相同的压力。在隔离步骤中，它通常是第一个使用的。柔性波纹管为提升和旋转辅助炉室提供柔性连接。

氩气系统

氩气系统由不锈钢管、电磁截止阀、质量流量控制器、减压器、手动截止阀和柔性波纹管组成，在炉子运行过程中向炉子提供氩气。炉子上有两个氩气入口（辅助炉室顶部和炉盖喉部）由质量流量控制器控制，另一个氩气入口（隔离阀座后部）由快速充电端口控制，而不是由质量流量控制器控制。氩气由辅助炉室顶部的分流环分配，以减少辅助炉室的紊流。

1 质量控制器

质量控制器为氩气进入主炉体提供精确的流量控制。

2 密封和管路

氩气系统用金属夹套密封不锈钢管、电磁截止阀和质量流量控制器之间的连接，快速卸载法兰氟橡胶O形密封圈用于柔性不锈钢波纹管之间。整个氩气系统通过氦质谱检漏仪检漏，在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)在范围内没有发现泄漏。

七、冷却系统

冷却系统的设计目的是为炉子提供一个安全良好的运行环境。上炉室和辅助炉室采用不锈钢安全阀进行过压保护。如果温度超过55，在腔体外部出水口设置安全温度监测°C，将警告操作员。冷却水流量传感器安装在炉体总回水管中，其作用是在水流断开后30秒内切断加热器电源。

单晶炉生产工艺

生产工艺：进料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长

(1)进料:将多晶硅原料和杂质放入石英坩埚中，杂质类型取决于电阻的N或P型。杂质类型包括硼、磷、锑和砷。

(2)熔化：在石英坩中加入多晶硅原料后，必须关闭长晶炉