呂 菲，耿博耘

異型加熱器在直拉硅單晶爐中的應用

呂 菲，耿博耘

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220）

本文在直拉爐中使用異型加熱器來替代普通加熱器，通過有限元分析軟件模擬分析，指出異型加熱器增大了固液界面溫度梯度，拉平了固液界面形狀，同時也導致應力增大。單晶拉晶實驗對比結果顯示，使用異型加熱器等徑功率顯著降低，拉晶速度明顯提高，并且功率與拉晶速率變化幅度變小，有利于等徑狀態(tài)的穩(wěn)定化。

異型加熱器；數(shù)值模擬；對比性實驗

0 引 言

目前，國內直拉硅單晶生產廠家主要使用國外硅單晶爐，這是由于國外直拉單晶爐的運行效率高，可靠性好，控制單元先進，自動化程度高。國內硅單晶生長廠家改造熱場主要集中在保溫碳氈、熱屏、保溫蓋等部件，其電氣部分一般不作改動即投入使用，在不更換材料的前提下，這些部件的改造潛力已基本挖掘完畢，想要進一步提高拉速，降低功率，必須對單晶爐熱場系統(tǒng)進行深度改造。

石墨加熱器是單晶爐熱場系統(tǒng)的關鍵部件，其改造成本較高，技術難度大，風險較高，國內對石墨加熱器的改造及優(yōu)化文獻報道很少。蘇文佳等［1］模擬了雙加熱器型直拉單晶爐的生長情況，指出使用雙加熱器可以提高拉晶速率、降低總體功率、改善固液界面形狀，但同時也會帶來應力增加、缺陷增多等不利影響。黃建明等［2］模擬并實驗了22英寸減薄型加熱器，指出使用這種減薄型加熱器可以提高拉晶速率、降低拉晶功耗。

本人在文獻［3］中曾經報道過一種在16英寸熱場中使用的減薄型加熱器，如圖1（a）、圖1（b）所示。這種加熱器從上開槽底部處進行了減薄處理，這種減薄型加熱器不僅能有效地降低功率、提高等徑速度，還可以增加裝料量。但是由于加熱器屬于自發(fā)熱部件，其中的石墨件每爐都在氧化消耗，加熱器的使用壽命取決于單條石墨電阻橫截面積的大小，因此這種減薄型加熱器使用壽命相比普通加熱器要短。

圖1 減薄型加熱器結構圖及溫度分布圖

文獻［3］是在16英寸熱場中進行分析，模擬數(shù)據(jù)還不充分，尤其缺乏對單晶實驗時拉晶困難的模擬分析依據(jù)，因此本文在14英寸熱場中使用改進型的異型加熱器，通過模擬數(shù)據(jù)分析，單晶生長實驗對比，進一步分析異型加熱器的各項參數(shù)變化情況。

1 異型加熱器設計

加熱器是單晶爐熱場的關鍵，最高溫度高達1 600℃以上，使用進口精密石墨經過等靜壓成型法制造，形狀為直筒式，呈花瓣狀式分布，石墨電導率一致如圖2（a）所示，加熱器電阻及發(fā)熱功率軸向均勻，其溫度分布如圖2（b）所示，徑向溫度以加熱器中心為基準，中心溫度最低，左右溫度呈曲線升高，軸向溫度以加熱器中心為基準，中心溫度最高，上下溫度呈曲線降低。

廠家在使用這種普通加熱器時大多采用高堝位來生長單晶，較高的等徑堝位是為了保證等徑時固液界面有足夠的過冷度，獲得較大的拉速，縮短等徑生長時間，提高生產效率，而生產效率是直拉硅單晶生長最關鍵的成本因數(shù)。這種高堝位的生長法主要存在以下缺陷：

（1）隨著等徑生長的進行，坩堝位置不斷上移，為了保證熔硅表面不結晶，功率必須不斷上升，導致等徑拉速不斷降低；

（2）高堝位導致熔體重心高于加熱器最高溫位置點，存在功耗浪費，尤其隨著等徑進行，坩堝上升過程中，熔體重心距離加熱器最高溫位置點越來越遠，下隔熱板反射熱量的作用減弱，這種功耗浪費就變得越加巨大。

圖2 普通加熱器結構圖及溫度分布圖

圖3 異型加熱器結構圖

針對現(xiàn)有加熱器特點，本文在14英寸熱場中設計了異型加熱器，如圖3所示。這種底部圓弧型加熱器減薄了底部石墨的體積，提高了底部石墨片的電阻，加大了加熱器底部發(fā)熱量。異型加熱器減薄部分總電阻與未減薄部分總電阻比約為1∶3，相應的功率消耗比也約為1∶3。由于其石墨單片為圓弧形減薄，石墨單片最小橫截面并沒有減少，與普通加熱器相一致，可以預見其使用壽命相比減薄型加熱器要提高不少。

2 數(shù)值模擬分析

直拉爐生長硅單晶時溫度很高，直接獲得熱場中的各個參數(shù)較為困難。此外，由于大直徑硅生長所需電能和硅料較多，實驗成本較高。因此，國內外學者［4］普遍采用數(shù)值模擬的方式來研究直拉硅單晶生長過程。本文采用STR公司開發(fā)的晶體生長模擬軟件CGsim進行模擬分析，CGSim軟件是國際上專門用于熔體中晶體生長過程仿真和優(yōu)化的數(shù)值模擬軟件，其仿真步驟分為創(chuàng)建幾何模型→定義物性參數(shù)→劃分網格→定義功率及邊界條件→調整晶體尺寸→運行參數(shù)。

使用CAD軟件采用1∶1比例繪制的KAYEX公司的CG6000型單晶爐14英寸熱場結構如圖4所示，該單晶爐加熱器的側面、底部、上部均充滿保溫碳氈，碳氈空間利用率已接近極限，保溫效果較好。單晶爐使用帶有一定傾斜角的三段式熱屏，這樣可以降低熔體與熱屏之間的間隙，提高氬氣流速，獲得較高的晶體軸向溫度梯度及較高的拉晶速率。

圖4 CG6000型14英寸熱場結構圖

主要部件參數(shù)如下：加熱器的內徑為420 mm，外徑為445 mm，高為355 mm，為12瓣花瓣型分布，其配套石英坩堝內徑336 mm，外徑352 mm，高254 mm，該熱場系統(tǒng)一般拉制3～6英寸硅單晶。該單晶爐典型4英寸拉晶工藝如表1所示。

表1中，25 kg投料量由坩堝尺寸及化料坩堝位置決定?；蠒r坩堝位置不能過低，否則，中部多晶料受熱過多會先化完，導致上部多晶料形成架橋，這種架橋會造成熔體溢出與坩堝破裂事故?；蠒r坩堝位置也不能過高，過高的坩堝位置會導致坩堝上沿與中段導流筒剮蹭，掉下的石墨渣會玷污熔硅。堝位0 mm，指的是托幫上沿與加熱器上沿相平的坩堝位置，此時坩堝上沿比加熱器上沿高30 mm。

表1 4英寸拉晶工藝參數(shù)

圖5 加熱器等徑初始時局部放大圖

如圖5所示，等徑開始時，熔硅液面高142 mm，熔硅的質心位置由CAD軟件給出。熔體的質心位置比加熱器最高溫點高34.41 mm，這種坩堝位置主要是為了保證足夠的拉晶速率，此時，熱系統(tǒng)并沒有達到最省功率狀態(tài)。

底部圓弧型加熱器與減薄型加熱器體積比只相差2%，因此異型加熱器的熱場模擬模型與減薄型加熱器的熱場模擬相類似，僅做少許改動，如圖6所示。

該結構圖使用兩段加熱器來替代異型加熱器，上下加熱器的功率比被設置成3∶1，長度為實際長度。異型加熱器最高溫位置下移，高溫區(qū)集中于加熱器下半段，因此相比普通加熱器可以裝更多的多晶料，模擬時我們設置異型加熱器多添加4 kg多晶料即29 kg多晶料，化料后熔硅高160 mm。在模擬軟件中設置爐內氣壓2666 Pa（即20Torr），保護氣體為氬氣，氬氣流量3 500 l/h，晶體直徑104 mm，拉晶速度1.5 mm/min，堝位H=0 mm，普通加熱器晶體高度600 mm，異型加熱器晶體高度800mm，堝轉-10 rpm，晶轉15 rpm。無特殊說明參數(shù)由軟件自給定，其常用物性參數(shù)定義可參考文獻［5］。在固液界面及熔體自由面處加大網格設置密度以獲得更精準數(shù)據(jù)。設置普通加熱器功率為54 kW，則減薄型加熱器的上部分功率為40.5 kW，下部分功率為13.5 kW。模擬軟件給出模擬圖7，圖8，圖9。

圖6 異型加熱器模擬結構圖

圖7 兩種加熱器的晶體熱應力分布圖

從圖7中可以看出，異型加熱器的應力分布趨勢與普通加熱器一致，都是在晶體中心及邊緣處取極值，其中中心點應力較大。異型加熱器比普通加熱器的應力要稍大一些，這是由于固液界面處溫度梯度增大，導致了應力的增大。異型加熱器的應力沒有超過臨界熱應力（2.5×107Pa）［6］，是可以形成單晶的，但仍需要在實際生產中嚴格控制，防止晶格發(fā)生改變。

圖8 兩種加熱器的固液界面形狀

從圖8兩種加熱器的固液界面對比圖可以看出，異型加熱器固液界面相比普通加熱器（原加熱器）要低一些，這是由于相同拉速下，異型加熱器較大的溫度梯度導致了固液界面趨于平坦。這種較平坦的固液界面有助于單晶生長穩(wěn)定，提高徑向電阻率均勻性。

圖9 溫度梯度不同堝位的模擬圖

圖9為兩種加熱器不同堝位的模擬對比圖。為了排除導流筒對溫度梯度的影響，我們模擬時使用同一種導流筒，通過調整導流筒上沿掛靠位置保證不同堝位下導流筒始終高于熔硅表面5 mm。異型加熱器的熔硅質心在加熱器最高溫點時堝位約為-50 mm，普通加熱器這種堝位約為-35 mm，這種堝位下系統(tǒng)為最省功率狀態(tài)。圖9給出了兩種加熱器最省功率堝位至堝位為5 mm處的溫度梯度，這一區(qū)間的溫度梯度是我們最關心的，超過5 mm處的溫度梯度由于實際拉晶困難，這里不作考慮。從圖9中可以看出，異型加熱器溫度梯度變化幅度較小，而普通加熱器溫度梯度變化幅度較大，并且在0到-50 mm堝位區(qū)間，異型加熱器溫度梯度均大于普通加熱器。這是由于異型加熱器最高溫點下降，“拉平”最高溫點與上沿之間的溫度曲線，此外，由于加熱器底部發(fā)熱量大，下隔熱板反射作用增強，底部熱量“堆?！鄙仙?，也有利于溫度曲線的緩慢變化。根據(jù)兩個曲線的變化趨勢，在堝位大于0 mm的不遠位置以后，普通加熱器的溫度梯度會一直大于異型加熱器。

3 單晶對比實驗

模擬分析是單晶爐改進的基礎，通過模擬數(shù)據(jù)分析可以獲得參數(shù)影響曲線，但最終能否拉出單晶還需要單晶生長實驗來驗證。實驗采用CG6000型單晶爐，使用普通加熱器裝料25 kg和異型加熱器裝料29 kg，拉制4英寸硅單晶，所有晶體生長過程中的工藝參數(shù)與計算機模擬時所使用的參數(shù)相同。

圖7指出了異型加熱器導致應力增大，對單晶生長有可能產生不利。這種不利對于等徑這種寬穩(wěn)態(tài)狀態(tài)不會產生較大影響，但是對于放肩-轉肩-等經這一不穩(wěn)定狀態(tài)就可能產生巨大影響，放肩-轉肩-等經這一過程中固液界面由凸-平-凹，這種固液界面曲率變化會導致徑向應力的產生［7-8］，徑向應力與原有應力疊加作用有可能導致斷棱、晶變。針對以上特點易采用緩慢放肩技術來保證單晶成晶，即在放肩快結束時至轉肩結束這一階段，降低拉晶速率，以犧牲一定的頭部晶體長度來保證拉晶的順利進行。圖8，圖9都說明異型加熱器相比普通加熱器溫度梯度要高，因此異型加熱器生長單晶時可以適當?shù)奶岣呃俾?，降低等徑功率。通過調整生長參數(shù)，單晶生長順利且趨于穩(wěn)定。

圖10顯示了兩種加熱器等徑拉速對比圖，從圖中可以看出，異型加熱器比普通加熱器（原加熱器）拉速要高，這是由于異型加熱器固液界面溫度梯度較大所造成的。普通加熱器拉速變化幅度較大，熔體的溫度波動較大。尾部拉速下降明顯，這是因為等徑后期坩堝位置上升，熔體遠離加熱器最高溫點，為了保證熔體表面不過冷產生新的晶核導致晶變，加熱器必須加大功率，功率上升會影響晶體散熱，導致晶體縱向溫度梯度變小，而晶體縱向溫度梯度又是固液界面溫度梯度的主要影響因素。異型加熱器的拉速變化幅度變小，并且尾部下降較小，這是因為異型加熱器上半部分縱向溫度分布曲線變化較為線性，坩堝上升過程，熔體受熱較為均勻，因此溫度梯度變化較小。由于異型加熱器坩堝位置相比普通加熱器要低，所以位于加熱器下方的下隔熱板反射熱量的作用要比普通加熱器強，因此即使在等徑末尾階段，功率上升幅度也很有限，有利于晶體散熱從而保證固液界面溫度梯度。

圖10 兩種加熱器等徑拉速對比圖

從圖11中可以看出，兩種熱場的功率變化均規(guī)律均一致，初始功率變化巨大，其對應等徑拉速也變化較大，這是由于等徑初始階段初始拉速設定不佳，溫度梯度匹配導致控制系統(tǒng)調整加熱器功率以滿足設定拉速的結果。隨著等徑的進行，坩堝不斷上升，熔體重心逐漸遠離加熱器，功率會逐漸上升。普通加熱器功率在時間為10 h時，有一個波谷低值，這是由于此時設定拉速較高，而熱場無法達到相應的溫度梯度，因此下降功率來滿足，這樣片面的下降溫度來匹配功率有可能導致固液界面形狀的變化形成應力從而造成晶變。異型加熱器的功率變化幅度較小，經過等徑初始階段的調整后，就處于波動上升狀態(tài)，溫度控制更加穩(wěn)定，這種變化可以由等徑拉速的變化原因來解釋，這里就不多贅述。

圖11 兩種加熱器等徑功率對比圖

4 結 語

以上論述表明異型加熱器有以下特點：

（1）異型加熱器溫度分布接近于減薄型加熱器，優(yōu)于普通加熱器，同時使用壽命又要比減薄型加熱器要長。

（2）模擬數(shù)據(jù)分析指出，異型加熱器的溫度梯度、固液界面形態(tài)均有所改進，應力增大的幅度在可接受范圍之內。

（3）單晶對比實驗驗證了模擬分析結果，異型加熱器的等徑拉速增大而等徑功率卻下降了，同時，異型加熱器拉速與功率更加穩(wěn)定，有利于等徑穩(wěn)態(tài)的進行。

［1］ 蘇文佳.直拉法和定向凝固法晶體硅圣戰(zhàn)過程的數(shù)值模擬優(yōu)化［M］.江蘇大學博士論文，2010.

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［3］ 耿博耘，韓煥鵬.直拉單晶爐減薄型加熱器的數(shù)值模擬與實驗分析［J］.電子工業(yè)專用設備，2015，（3）：26-31.

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［5］ 耿博耘，劉鋒，韓煥鵬.單晶爐保溫與熱屏優(yōu)化的數(shù)值模擬與改造［J］.電子工業(yè)專用設備，2014，（8）：20-24.

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［7］ 張國棟，瞿慎秋，崔紅衛(wèi)，等.半導體單晶生長過程中的位錯研究［J］.人工晶體學報，2007，36（2）：301-307.

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App lication of Irregular Heater in CZ Silicon Crystal Furnace

LV Fei，GENG Bo-yun
（The 46thResearch Instituted of CETC，Tianjin 300220，China）

In this paper，a irregular heater was used in CZ crystal furnace instead of a general heater. The analysis of finite element simulation analysis software indicated that irregular heater could increase the temperature gradient of solid-liquid interface，level the solid-liquid interface shape，but also led to the increasing of stresses.The contrast experimental results of single crystal growth showed that during body growth，the power reduced significantly，the pulling speed improved obviously，moreover，the change ranges of the power and the pulling speed became small by using the irregular heater，which benefited stabilizing the body growth.

irregular heater；numerical simulation；comparative experiment

TN304

：A

：1673-5692（2015）06-646-06

呂 菲（1968—），女，高級工程師，主要研究方向為半導體材料晶體加工；

E-mail：flyfei2003@hotmail.com

耿博耘（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向為晶體生長。

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.06.016

2015-08-16

2015-10-28