晶圆制造头道工序设备——单晶炉，你了解多少？

  半导体设备在支撑整个半导体行业方面发挥着重要作用。由于半导体制造过程复杂，每个环节所需的设备也不同。从工艺分类的角度来看，半导体设备主要可分为晶圆制造设备（前一道工序）、包装试验设备(后道工序)等。

本文是半导体设备专题栏目的第一部分 1 本文介绍了晶圆制造的第一道工序设备——单晶炉。

直拉式单晶硅生长炉是一种高效制备单晶硅的设备。

   将多晶硅原料放入炉体的石英坩埚中进行高温熔化（1450℃以上）。在低真空度和氩气的保护下，多晶硅熔体通过紫色晶体插入，在紫色晶体周围形成过冷状态，并定期生长，形成单晶棒。

单晶生产的基本过程是：将多晶硅原料放入单晶炉中，加热熔化，逐步进行颈部收缩生长、肩部放置生长、等径生长和尾部生长，然后打开炉子提取材料，进行晶体测试，最后进行包装、储存和交付。

单晶炉的基本结构(如下图1所示)由以下九部分组成：

   上炉室、下炉室、炉盖、隔离阀室、观察窗、晶体提升旋转机构、坩埚提升旋转机构、控制柜、底座

提拉头：主要由其他部件组成，如安装盘、减速机、籽晶腔、划线环电机、磁流体、籽晶称重头、软波纹管等。

辅助室：主要由辅助室筒和上下法兰组成

炉盖：辅助室连接法兰，翻板阀，观察窗，抽真空管组成

炉筒：包括取光孔

下炉筒：包括抽真空管道蒸循颂

底座机架：全铸铁机架和底座

坩埚下传动装置:主要由磁流体、电机、坩埚支撑轴、减速机、软波纹管海弃档束、立柱、上下传动支撑架、导轨等部件组成。

水分离器已布置在水路上，包括水分离器、进水管、若干胶管、水管卡套等

氩管布置：质量流量计，3根以上柔性管，不锈钢管三个压力探测器，高密封性卡套等部件

真空泵及真空除尘装置：油压真空泵、水环真空泵、过滤器、真空管、硬波纹管等

电源及电控柜：电源柜、滤波柜、控制柜及连接线

单晶炉的主要控制方面：

晶体直径(尺寸)

温度(功率控制)

三、原材料(硅材料)

泄漏率、氩气质量等

单晶炉热场的设计与模拟

在生长过程中，单晶的直径可能受到温度、提升速度和速度、坩埚跟踪速度和速度、保护气体流速等因素的影响。其中，温度主要决定晶体是否可以形成，速度将直接影响晶体的内在质量，但这种影响只能通过单晶拉出后的检测来了解。

温度分布适当的热场不仅单晶生长顺利，而且质量高；如果热场的温度分布不是很合理，很容易在单晶生长过程中产生各种缺陷，影响质量。在严重的情况下，单晶无法生长。因此，在投资单晶生长企业的早期阶段，我们必须根据生长设备配置最合理的热场，以确保单晶生产的质量。

在晶体生长分析与设计中，实验与数值模拟相辅相成，其过程可分为两部分：

(1)在第一阶段，通过引放定法晶体生长实验，对参战捐匪数量进行数值模拟调整。

(2)在第二阶段，使用数值模拟来确定晶体生长的最佳工艺参数。

数值模拟是一种非常有用或必要的方法，用于获得廉价、完整和全面的结晶过程，以预测晶体生长并改善晶体生长技术。数值模拟是一种非常有用或必要的方法，当实验成本过高或无法定期进行时。

例如，对于没有经验的人来说，熔体流动的历史缺陷和热应力细节可以直观地显示出来。因此，数值模拟是实现更高生产率、更好地满足市场对晶体直径和质量要求的最佳方式。

FEMAG面向过程的模拟软件为用户提供了一个可以深入研究的数值工具，用户可以通过有效的计算机模拟来设计和优化工作流程。通过对单晶炉热场的模拟计算，对单晶炉的机械结构进行优化设计，并在拉晶过程中根据模拟结果设置合理的理论拉晶曲线，可以在实际生产中生长出合格的单晶棒。