直拉单晶硅设备与工艺研究毕业设计(编辑修改稿)

直拉单晶硅设备与工艺研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

空系统组成。 主室真空系统包括滑阀泵、带放气真空电磁阀、除尘器、电动碟阀、压力变送器等。 真空管道与炉体的连接直拉单晶硅设备与工艺研究 7 采用波纹管连接，减少振动的传播，并补偿管路连接的位置误差。 副炉室真空系统包括旋片式真空泵、带放气电磁阀、电磁截止阀。 直拉单晶炉保养和维修 简介 直拉单晶炉 要经常保养，才能保持正常地长期运转。 保养主要有以下几个方面。 （一） 每次开炉前把籽晶轴和坩埚轴 擦干净，在轴密封部分注入少量的扩 散泵油，保持润滑良好。 （二）籽晶轴和坩埚的转动丝杠和滑运轨道经常注入润滑油。 （三）籽晶轴和坩埚轴的密封圈经常清洗，避免赃物聚集，保持良好的密封。 （四）机械泵定期更换泵油，保持泵的良好运行，减少泵的磨损。 （五）定期清洗单晶炉的观察窗，保持良好的观察状态。 直拉单晶炉维修主要有以下几个方面。 （一） 籽晶轴和坩埚轴颤 动。 一般说来，籽晶轴和坩埚轴颤动主要原因有 以下几条。 1）密封圈过紧，润滑不变，密封部分有赃物。 （ 2）电机转矩小。 （ 3）籽晶轴或坩埚轴不垂直。 （ 4）传动丝杠弯曲或部分螺纹有问题。 这些故障一般都不难解决。 （二）漏油漏真空 漏油或漏真空一般发生在籽晶轴或坩埚轴密封部分。 一是密封圈过大，不能很好密封；二是密封圈和凹槽接触不好； 再就是密封圈有赃物堆集，都能引起单晶炉漏油漏真空。 单晶炉真空机组的阀门由于经常开关磨损也容易引起漏真空。 单晶炉发现漏油或漏真空，首先找出原因，针对情况进行维修。 当然，真空泵出故障，只需要修理真空泵就可以了。 （三）漏油 单晶炉膛漏水会使单晶氧化，严重影响单晶质量。 漏水和漏真空现象有些相似，一般情况泵 抽不到需要的真空度，有时漏水也能抽到需要的真空度，但加热熔硅时真空度会突然下降。 漏水的明显的特征是单晶产生氧气，单晶颜色发白。 直拉单晶硅设备与工艺研究 8 寻找漏水点，首先把炉膛擦干净，关闭炉门，通冷却水，抽真空，然后打开炉门，在灯光照耀下，仔细检查，出现水珠处就是漏水点，用氦气质谱检漏仪迅速准确检查出漏水点。 第 3 章 直拉单晶硅的工艺流程与常见故障处理 直拉单晶硅的一般工艺流程 直拉法 生长单晶硅工艺主要包括装炉、熔硅、引晶、缩颈、放肩和转肩、等径、收尾。 (一 )装炉前的准备 在高纯工作室内，戴上清洁处理过的薄膜手套， 一般把坩埚放入经过清洁处理的单晶炉后，再装多晶硅。 用万分之一光学天平称好掺杂剂，放入清洁的小塑料袋内。 打开炉门，取出上次拉的单晶硅，卸下籽晶夹，取出用过的石英坩埚，取出保温罩和石墨托碗，用毛刷把上面的附着物刷干净。 用尼龙布（也可以用毛巾）沾无水乙醇擦干净炉壁、坩埚轴和籽晶轴。 擦完后，把籽晶轴、坩埚轴升到较高位置 ，最后用高压空气吹洗保温罩、加热器、石墨托碗。 值得指出的是，热系统中如果换有新石墨器件，必须在调温伉真空下煅烧一小时，除去石墨中的一些杂质和挥发物。 （二）装炉 腐蚀好的籽晶装入籽晶夹头。 籽晶一定要装 正、装牢。 否则，晶体生长方向会偏离要求晶向，也可能拉晶时籽晶脱落、发生事故。 将清理干净的石墨器件装入单晶炉，调整石墨器件位置，使加热器、保温罩、石墨托碗保持同心，调节石墨托碗，使它与加热器上缘水平，记下位置，然后把装好的籽晶夹头和防渣罩一起装在籽晶轴上。 将称好的掺杂剂放入装有多晶硅石英坩埚中 （每次放法要一样），再将石英坩埚放在石墨托碗里。 在单晶炉内装多晶硅时，先将石英坩埚 放入托碗，然后可按装多晶步骤往石英坩埚内放多晶块，多晶硅装完后，用塑料布将坩埚盖好，再把防渣罩和装好籽晶的夹头装在籽晶轴上。 转动坩埚轴，检 查坩直拉单晶硅设备与工艺研究 9 埚是否放正，多晶硅块放的是否牢固，一切正常后，坩埚降到熔硅位置。 拉制掺杂剂是纯元素 锑 、磷、砷易挥发金属的单晶硅，不能将掺杂剂预先放入石英坩埚，必须放在掺杂勺内，才能保证掺杂准确。 一切 工作准确无误后，关好炉门，开动机械泵和低真空阀门抽真空，炉内真空 5X101乇 时，打开冷却水，开启扩散泵，打开高真空阀。 炉内真空升到 1X103乇 时，即可加热熔硅。 在流动气氛下减压下熔硅，单晶炉内真空达到 101乇 时关闭真空泵，通入高纯氩气 10 分钟，或者一边通入高纯氩气，一边抽空 10分钟，即可加热熔硅。 （三）熔硅 开启加 热功率按钮，使加热功率分 23次（大约半小时）升到熔硅的最高温度（约 1500℃ ），熔硅时，特别注意真空度的高低，真空低于 102乇 ，应暂时停止加温，待真空回升后，再继续缓慢加温；多晶硅块附在坩埚边时应进行处理；多晶硅块大部分熔化后，硅熔液有激烈波动时必须立即降温。 一般说来，在流动气氛下或在减压下熔硅比较稳定。 熔硅温度升到 1000℃ 时应转动坩埚，使坩埚各部受热均匀。 当剥一块直径约 20 毫米的硅块时，逐渐降温，升高坩埚，较快降到引晶功率， 多晶硅会全部熔完后，将坩埚升到引晶位置，同时关闭扩散泵和高真空阀门，只开机械 泵保持低真空，转动籽晶轴，下降籽晶至熔硅液面 35毫米处。 减压下拉晶，关闭高真空后以一定流量通入高纯氩气，同时调整低真空阀门使炉膛保持恒定真空。 流动氩气下拉晶，硅熔化完后，同时关闭机械泵、扩散泵、高真空和低真空阀门，以一定流量通入高纯氩气，调整排气阀门，使炉膛保持一定的正压强，转动籽晶轴，降下籽晶。 （四）引晶 多晶硅全部熔完后，籽晶下降到距离熔硅 35 毫米处烘烤两三分钟，使籽晶温度接近熔硅温度，籽晶 再下降与熔硅接触，通常称此过程为 “下种”。 下种前，必须确定熔硅温度是否合适，初次引晶，应逐渐分段少许降温，待坩埚边上刚刚出现结晶，再稍许升温使结晶熔化，此时温度就是合适的引晶温度。 准确的引晶温度只有籽晶和熔硅接触后才能确定。 也就是说，准确的引晶温度必须用籽晶试验才能确定。 下种后籽晶周围马上出现光圈，而且籽晶与熔硅接触面越来越小，光圈抖动厉害，表示温度偏高，应立即降温，否则会熔断，这种情况有两种可能：直拉单晶硅设备与工艺研究 10 一是实际加热功率偏高，应适当降低功率，隔几分钟再下种；二是由于熔硅和加热器保温系统热惰性引起的，说明硅熔 完后下种过急，温度没有稳定，应稳定几分 钟后再下种。 合适的引晶温度是籽晶和熔硅接触后，籽晶周围逐渐出现光圈，最后光圈变圆。 若籽晶是方形，籽晶和熔硅接触的四条棱变成针状，面上呈现弧形，圆弧直径略小于籽晶断面的棱长。 温度合适后，提拉籽晶，开始提拉缓慢，籽晶上出现三个均匀分布的白点（ 111晶抽的单晶），或者四个对称分布的白点（ 100晶向单晶），或者两对称分布的白点（ 110晶向单晶），引出的晶体是单晶，引晶过程结束。 引晶时的籽晶相当于在硅熔体中加入一个定向晶核，使晶体按晶核方向定向生长，制得所需要晶向的单晶，同时晶核使晶体能 在过冷度小的熔 体中生长，自发成核困难，容易长成晶。 图 （ CCD 图像 —— 引晶） （五）缩颈 引现单晶后，开始缩颈。 缩颈是为了排除引出单晶中的位错。 下种时，由于籽晶和熔硅温差大，高温的熔硅对籽晶造成强烈的热冲击，籽晶头部产生大量位错，通过缩颈，使晶体在生长中 将位错“缩掉”，成为无位错单晶。 缩颈方法有两种：快缩颈和慢缩颈。 慢缩颈熔体温度较高，主要控制温度，生长速度一般为直拉单晶硅设备与工艺研究 11 ～ 2 毫米 /分。 快缩颈熔体温度较低，主要控制生长速度，生长速度一般为 2～6毫米 /分。 沿 111方向生长的硅单晶，细颈的长度等于细颈直径的 4～ 5 倍。 （六）放肩和转肩 细颈达到规定长度后，如果晶棱不断，立刻降温，降拉速，使细颈逐渐长大到规定的直径，此过程称为放肩。 放肩有慢 放肩和放平肩两种方法。 慢放肩主要调整熔硅温度，缓慢降温，细颈逐渐长大，晶体将要长到规定直径时开始升温，缓慢提高拉速，使单晶平滑缓慢达到规定直径，进入等直径生长。 慢放肩主要通过观察光圈的变化确定熔硅温度的高低。 缩颈 — 放肩 — 等直径，光圈的变化为：闭合 — 开口 — 开口增大 — 开口不变 — 开。