目前，单晶硅的生长逐渐向高完整性、高均匀性和效率高方向发展，对单晶硅的质量提出了更高的要求。多晶体材料中的其他杂质和不均匀的混合物会影响单晶体的质量。这些物质会使材料的光学性能和电学性能分布不均匀，从而对半导体的光学性能和电学性能产生不良影响。因此，有必要优化制造单晶体硅的单晶炉，提高单晶炉的稳定性，从而减少单晶体中的其他杂质。
1 目前单晶炉结构设计优化的现状
由于单晶硅向高质量方向发展，制造单晶硅的单晶炉设备的结构性能要求也有所提高，要求单晶炉具有稳定性好、自动化技术高、操作简单、效率高的特点。目前，单晶炉设备的技术只设计提高其自动化技术、温度、单晶炉的勾形磁场设备和横向磁场，而不设计和优化单晶炉设备的关键部件。因此，作为单晶硅的生产设备，其结构需要具有稳定性、较大的强度和刚度特性，并在保证单晶硅生产质量的基础上进行优化。
2 优化单晶炉的设计
2．1 高温度变形设计优化
单晶炉的主体部分是炉室、副炉室、炉盖和翻板箱。炉室和炉盖的外壳机构属于夹层水冷式，旨在起到隔热保温的作用。这种结构设计的主要原因是硅熔点高。单晶硅用单晶炉设备制造时，需要熔化相应的材料，才能顺利制造出单晶体。因此，单晶炉需要高温才能满足单晶体的生产要求。
然而，较高的加热温度不仅会影响生产材料，还会影响单晶炉的炉室和炉盖，从而降低单晶生产的进度。当温度达到当温度为150℃时，炉室会变形；当温度达到单晶炉内壁和炉盖在300℃时会发生变形；而且炉体密封所承受的温度要在低于70℃不会失效。基于这种现象，在设计单晶炉时，要考虑到炉体受热温度导致炉内部件变形，合理布置夹层水路的方向。
因为如果单晶炉的结构变形，会改变单晶炉设备的尺寸和形状，直接影响生产出来的单晶硅的质量。因此，设计工程师研究了将固定结构转化为循环结构的结构，这将减轻单晶炉壁的温度。虽然还是会有轻微的变形，但是会减少单晶炉组件之间的变形，从而增加组件之间的配合。
2．2 设计优化真空系统
单晶炉真空系统的零件要注意螺纹和零件之间的连接，不能有死角、配合或尖角。真空系统的内壁应光滑，管道应尽可能减少连接处的节点，以使管道运行更加顺畅，并帮助工人清洁内壁。压升率是指单晶炉内的空气在制作单晶体时应按要求排出。当达到真空状态时，压力开始缓慢上升。
它可以评估单晶炉的真空性能。因此，在单晶炉的抽空管道中，基于管道的对称排列，在管道中设置旋转搅拌机构，保持管道内壁通畅，使气流分布更加均匀稳定，从而保证单晶硅的顺利生长，减少炉内维护次数。
2．3 优化运动系统设计
在设计单晶炉运动系统时，设计工程师应考虑系统的承载能力、精度和稳定性。由于单晶炉的运动系统具有高精度的特点，但单晶炉的速度较低，影响了单晶炉的生长速度，因此在设计运动系统时需要找到加速单晶体生长速度的方法。因此，设计工程师在测试过程中调整系统的工艺参数，以加速单晶体的生长速度，但与机电设备相比，速度仍然不够快。
此外，在单晶炉运动系统运行过程中，会出现晃动现象，也会影响单晶体的生长速度。广泛使用的训练系统可以使用，但训练系统的运动速度比较快，会在一定程度上降低训练系统的生长速度。因此，需要调整训练系统驱动电机的速度。在驱动电机的末尾级，可以使用高精度、小误差的减速器，可以较好减少上级运动系统造成的误差，进一步保证运动系统的工作精度。
2．4 优化节能降耗设计
我国大力提倡节能理念，但是制造单晶硅需要太多的时间，会消耗大量的电能。因此，制造单晶体的单晶炉设备是一种高能耗设备，需要找到降低能耗、提高单晶炉工作效率的较好的方法。通过增加单晶炉设备的装载面积，可以提高坩埚的利用率，提高拉晶速度，单次开炉的拉晶次数和单个长度，这样就不会浪费大量的时间来装载和卸载材料，也不需要反复开炉加热、熔化和冷却材料。( 它的冷却过程还需要大量的能耗) ，还可以降低成本。
因此，为了增加单晶炉的装载能力，可以增加原有的工艺系统，但禁止超过设备的承载能力，否则会适得其反；还可以通过自动冷却功能增加炉内的水冷部件来达到目的；还可以增加连续加料的机构，无需打开炉盖即可进行加料步骤。这些方法都可以增加单晶炉的装载量。单晶炉底部的保温性能和炉筒周围的保温性能也可以通过加强生产过程来降低横向温度，从而增加纵向温度。进一步降低能耗，提高单晶炉的工作效率。
3 结语
因为单晶炉对结构的要求比较高，所以在设计优化过程中要特别注意。为了提高单晶炉的机械性能，提高单晶炉的工作效率，进一步提高单晶炉的质量，可以优化单晶炉的加热温度承载能力、真空系统、运行系统和节能。
Copyright © 2023-2024 河南晶通新材料科技有限公司
