北京北方華創(chuàng)真空技術(shù)有限公司 ■ 王玉亮

0 引言

在多晶硅產(chǎn)品生產(chǎn)中，硅芯是原生硅生長的載體，原生硅成品棒是通過硅芯的導(dǎo)電性能使其在高溫下通過化學(xué)氣相沉積法生長而形成的。所以，硅芯質(zhì)量會直接影響原生硅成品棒的質(zhì)量。

硅芯的制備方法主要有區(qū)熔法拉制圓硅芯和機(jī)械加工硅棒再制成方硅芯。

傳統(tǒng)的區(qū)熔法拉晶爐可一次性拉制圓硅芯，所拉制圓硅芯的規(guī)格一般為Φ8 mm×2200 mm～Φ8 mm×2400 mm，一次出硅芯的數(shù)量從之前的幾根到現(xiàn)在的十幾根不等。該種拉晶爐存在的局限性主要有：操作熟練度要求高；一次成型，彎曲度不可控；需單獨(dú)拉制連接圓硅芯時所用的橫梁、橋；一次硅芯出爐數(shù)量有限；總體能耗高等。

普通的機(jī)械加工硅棒制成方硅芯采用的是直拉法拉晶爐，其可拉制圓硅棒，然后機(jī)械加工成方硅芯。拉制的硅棒直徑一般為Φ120～180 mm、長度為2200～2400 mm，切割成的方硅芯規(guī)格主要有14 mm×14 mm、15 mm×15 mm、16 mm×16 mm等。

與傳統(tǒng)方式相比，本文介紹的新型拉晶爐采用的是直拉法，具有投料量大、硅棒直徑大、長度長、產(chǎn)能高等優(yōu)點(diǎn)。雖然目前切割方硅芯的成本相對較高，但方硅芯具有相對表面積大、規(guī)格統(tǒng)一、彎曲度可控等優(yōu)點(diǎn)。因此，新型拉晶爐拉制硅棒，然后機(jī)械加工成方硅芯的方式具有潛在優(yōu)勢，其取代傳統(tǒng)區(qū)熔法拉晶爐拉制圓硅芯已成為必然趨勢。

1 新型拉晶爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為新型拉晶爐結(jié)構(gòu)圖，其主要由坩堝、坩堝軸、電極柱、側(cè)加熱器、底加熱器、導(dǎo)流筒及保溫組件等部件組成。

新型拉晶爐中的坩堝由設(shè)置在爐體底部的坩堝軸支撐，坩堝的底部和兩側(cè)分別設(shè)置有底加熱器和側(cè)加熱器，可在化料或工藝加工時使用。電極柱分別與底加熱器及側(cè)加熱器連接，可用于支撐加熱器。保溫組件包括設(shè)置在爐體內(nèi)壁與導(dǎo)流筒及坩堝之間的保溫筒(上筒、中筒和下筒)、設(shè)置在保溫筒上方的保溫蓋(上蓋和下蓋)，以及設(shè)置在保溫筒下方的底盤。保溫組件主要起到保溫和調(diào)整溫度梯度的作用。

圖1 新型拉晶爐結(jié)構(gòu)

導(dǎo)流筒的頂部穿設(shè)在保溫蓋之間，導(dǎo)流筒包括外筒和內(nèi)筒，內(nèi)筒為漏斗形，外筒的縱截面為底面開口的U形；內(nèi)筒與外筒中間用黏膠軟氈填充；外筒的底面開口與內(nèi)筒的底面開口一致并對齊設(shè)置，且內(nèi)筒的底端直接放置在外筒的底壁上方；內(nèi)筒與外筒的上部均通過定位環(huán)固定。內(nèi)筒的漏斗形設(shè)計可有效抑制爐體上部的氬氣流動旋渦，進(jìn)而減少爐內(nèi)揮發(fā)物的沉積；外筒的U形設(shè)計及內(nèi)、外筒之間的黏膠軟氈，可減少加熱器對晶體的熱輻射和熱傳導(dǎo)，并加快成晶速率。

保溫筒包括依次連接的上筒、中筒和下筒，其中，上筒與中筒通過支撐環(huán)連接；上筒、中筒及下筒的外圍皆設(shè)置有用于保溫的黏膠軟氈。

2 新型拉晶爐的優(yōu)勢

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

新型拉晶爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1)新型拉晶爐的爐體直徑為1200～1400 mm，適合 26′′(1′′=25.4 mm)、28′′、32′′熱場，可大幅提高裝料量。

2)保溫蓋的上、下蓋用導(dǎo)流筒定位環(huán)連接，定位環(huán)外圍用黏膠軟氈填充，填充厚度為50～100 mm，可增強(qiáng)保溫效果，起到節(jié)能的作用。

3)導(dǎo)流筒的高度為510～600 mm，與現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)流筒相比增加了高度，這樣可減少上部的散熱，使硅芯的軸向梯度更加合理。導(dǎo)流筒的底部開口內(nèi)徑為250～340 mm，可生產(chǎn)直徑為180～300 mm的硅芯。

4)導(dǎo)流筒的內(nèi)、外筒上沿用厚度為30～50 mm的固化氈隔開；內(nèi)筒與外筒的最大距離為100～130 mm，其間隙全部用黏膠軟氈填充，這樣可使固液界面的軸向梯度更加合理。

5)導(dǎo)流筒吊爪可設(shè)置2個，并對稱安裝在導(dǎo)流筒外沿；其長度為150～200 mm，用于輔助導(dǎo)流筒的升降，防止硅料觸碰導(dǎo)流筒造成污染，從而大幅提高裝料量，提高生產(chǎn)效率。

6)保溫筒上筒內(nèi)徑為750～950 mm，相比現(xiàn)有技術(shù)，該內(nèi)徑有所縮小，這樣不僅可提高保溫效果，還可使加熱器得到保護(hù)，在裝料時可有效避免小塊硅料掉進(jìn)加熱器間隙而引起加熱故障。

7)保溫筒的上、中、下筒都用6～9層黏膠軟氈包裹，總體厚度為60～100 mm。采用黏膠軟氈代替普通碳?xì)挚商岣弑匦Ч?，使熱場的徑向梯度趨近于零，保證硅芯在整個拉制過程中均勻生長。

8)固化氈保溫底板位于底加熱器下方，固化氈厚度為100～220 mm，保溫筒底盤的保溫材料由軟氈改為固化氈，除加強(qiáng)爐底保溫，使固液界面位置更加精確外，還可有效解決軟氈不定型性帶來的工藝缺陷問題。

2.2 性能優(yōu)勢

將國內(nèi)常見拉晶爐與本文所述新型拉晶爐進(jìn)行性能參數(shù)方面的對比，對比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，新型拉晶爐可生產(chǎn)直徑達(dá)180～300 mm的硅棒，一次可出15 mm×15 mm硅芯的數(shù)量最多可達(dá)150根，硅芯長度可達(dá)2400～4200 mm。這3項指標(biāo)均高于其他兩種拉晶爐，可見，新型拉晶爐在保證硅棒品質(zhì)的同時，提高了硅芯產(chǎn)量，增加了硅芯長度，具有很好的優(yōu)勢。

表1 國內(nèi)常用拉晶爐與新型拉晶爐主要性能參數(shù)對比

圖2和圖3分別為新型拉晶爐拉制的硅棒及由硅棒切割成的方硅芯。

圖2 新型拉晶爐拉制的硅棒

圖3 硅棒切割的方硅芯

雖然新型拉晶爐具有一定優(yōu)勢，但由于目前切割方硅芯的工藝相對缺乏，新型拉晶爐在使用時仍存在一些不足。切割方硅芯的基本過程為：拉制硅棒→切割→檢測→錐孔→退火→腐蝕→清洗→烘干→裝爐等。該加工工藝復(fù)雜，易造成硅芯折斷。因此，任何一個環(huán)節(jié)都需要精密。

3 小結(jié)

綜上所述，新型拉晶爐的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1)與傳統(tǒng)區(qū)熔法拉晶爐相比，新型拉晶爐操作簡單；2)新型拉晶爐對于硅芯的彎曲度可控，可降低因硅芯彎曲度而造成的還原爐在運(yùn)行過程中的倒?fàn)t；3)新型拉晶爐拉制的硅棒切割成的方硅芯比圓硅芯相對表面積大，表面附著力強(qiáng)，沉積層與切割的方硅芯結(jié)合密實(shí)，沉積層不易分區(qū)，避免“菜花料”等不致密料產(chǎn)出；4)傳統(tǒng)區(qū)熔法拉制圓硅芯的橫梁、橋都是放置在開槽中的，接觸面積小，高壓擊穿或大氣流通過時易跌落而導(dǎo)致倒?fàn)t，而新型拉晶爐拉制硅棒后切割方硅芯相對可靠，倒?fàn)t率大幅下降；5)新型拉晶爐拉制硅棒后切割的硅芯數(shù)量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)區(qū)熔法拉晶爐和普通的直拉法拉晶爐；6)使用新型拉晶爐拉制硅棒后切割的硅芯，無需單獨(dú)生產(chǎn)制造硅芯橫梁、橋的基材，提高了生產(chǎn)效率。

新型拉晶爐拉制硅棒后切割方硅芯時存在的不足包括：1)工藝復(fù)雜，易造成硅芯折斷；2)該技術(shù)近幾年僅在國內(nèi)使用，技術(shù)相對缺乏；3)所需割線量大，成本高。

總體而言，目前市場上硅片價格下探，硅料利潤壓縮甚至虧損，迫使越來越多的晶體硅廠家通過提高晶體拉速、增大晶體直徑、增加裝料量的方式來壓縮成本，拉晶爐的型號也由120型、140型取代原來的80型、90型，熱場也從20′′、22′′，增至 26′′、28′′甚至 32′′。

4 結(jié)語

本文將采用直拉法的新型拉晶爐與傳統(tǒng)拉晶爐進(jìn)行性能對比后發(fā)現(xiàn)，新型拉晶爐切割的方硅芯在硅芯直徑、硅芯數(shù)量及硅芯長度方面，均大于其他兩種傳統(tǒng)拉晶爐。雖近年來國內(nèi)切割方硅芯的技術(shù)相對缺乏，但依托單晶直拉技術(shù)的進(jìn)步，該種新型拉晶爐在硅芯制備中的應(yīng)用將越來越廣泛。