直拉单晶炉设备简介、结构.ppt

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1、直拉单晶硅工艺技术直拉单晶硅工艺技术主讲教师：裴迪主讲教师：裴迪石油化工学院石油化工学院1第二章第二章 直拉直拉单晶炉晶炉直拉单晶炉是用于直拉法单晶生长的设备。炉子分两部分组成：机械部分和电控系统。炉体为一带水套的不锈钢炉室，其内装有由石墨加热器和石墨保温套构成的热场。籽晶轴和坩埚轴分别从炉室顶部和底部插入炉内，两轴具有转动和升降的机械传动系统。下轴顶端装有石英坩埚，埚内可装入多晶硅料以供拉晶用为了提高生了提高生产效率，降低成本，也效率，降低成本，也为了了保保证器件参数的一致性、可靠性，都希望直器件参数的一致性、可靠性，都希望直拉拉单晶大直径化，晶大直径化，设备控制高度自控制高度自动化。目化。

2、目前世界上已制造出了装料量达前世界上已制造出了装料量达400kg以上，以上，单晶直径达晶直径达300mm以上，从抽空到拉晶以上，从抽空到拉晶结束全束全部自部自动化控制，且化控制，且稳定性、可靠性极好的大定性、可靠性极好的大型直拉型直拉单晶晶设备。为了提高了提高单晶的内在晶的内在质量量或者某方面参数的特殊要求，也出或者某方面参数的特殊要求，也出现了磁了磁场法直拉法直拉单晶炉和具有两个主炉室的晶炉和具有两个主炉室的连续加料加料直拉直拉单晶炉等。晶炉等。直拉单晶炉的需求直拉单晶炉的需求直拉直拉单晶炉的改良晶炉的改良1.为了了缩小小设备高度、增加高度、增加稳定定性，目前普遍采用性，目前普遍采用软轴代替

3、原来的硬代替原来的硬轴；2.为了了实现重复加料及重复拉晶，重复加料及重复拉晶，都采用一下一上两个炉室（主室和副都采用一下一上两个炉室（主室和副室）；室）；3.为了确保真空度和了确保真空度和转动的的稳定性，大定性，大都在上、下都在上、下轴的旋的旋转部分安装磁流体密封。部分安装磁流体密封。4.为了加大了投料量，在了加大了投料量，在电源、水冷及源、水冷及炉炉压监控上，采用了多种安全保障措施和安控上，采用了多种安全保障措施和安全装置，全装置，电气上做到了全程自气上做到了全程自动控制和数据控制和数据交交换，温度自控、等径自控和安全，温度自控、等径自控和安全报警等。警等。直拉直拉单晶炉的改良晶炉的改良国内

4、最早生国内最早生产直拉直拉单晶炉的晶炉的专业厂家是厂家是西安理工大学工厂，西安理工大学工厂，该厂技厂技术力量雄厚，机力量雄厚，机加工能力很加工能力很强，从事直拉，从事直拉单晶炉主要有晶炉主要有TDR-70、TDR-80、TDR-90、TDR-120等多种炉等多种炉型。其中，型。其中，TDR-120炉是炉是2007年面世的，年面世的，设计装料量装料量120kg，实现了全了全过程自程自动控制，控制，设计上有上有较大的改大的改进。1961年，在中国科学院年，在中国科学院半半导体物理所林体物理所林兰英院英院士的士的亲自指自指导下，北京下，北京机械学院工厂（西安理机械学院工厂（西安理工大学工厂的前身）的

5、工大学工厂的前身）的技技术人人员与半与半导体物理体物理所的技所的技术人人员共同研制共同研制出了我国第一台人工晶出了我国第一台人工晶体生体生长设备，TDK-36型型单晶炉，并且成功拉晶炉，并且成功拉制出了我国第一根无位制出了我国第一根无位错的硅的硅单晶，晶，单晶晶质量量接近当接近当时的国的国际先先进水水平。平。20世界世界80年代后期，我国半年代后期，我国半导体材料工体材料工业迅速迅速发展，国内半展，国内半导体材料制造厂家大量引体材料制造厂家大量引进美国美国KAYEXCG3000型型软轴提拉提拉单晶炉。晶炉。为满足我国半足我国半导体材料工体材料工业不断不断发展的需要，展的需要，1988年西安理工

6、大年西安理工大学工厂承担了国家七五科技攻关学工厂承担了国家七五科技攻关项目，研制成功了目，研制成功了TDR62系列系列软轴单晶炉晶炉TDR62系列系列软轴单晶炉晶炉,投料量增至投料量增至30kg，拉制拉制单晶直径晶直径125mm。该炉采用炉采用软轴提拉机构提拉机构,大大大大降低了降低了设备高度。等径控制采用高度。等径控制采用IRCON光学高温光学高温计、计算机算机对直径信号直径信号进行控制。我国区熔硅行控制。我国区熔硅单晶的晶的发展也非常快展也非常快,特特别是是75100mm区熔硅区熔硅单晶的需求量晶的需求量在不断上升，在不断上升，为此，此，1989年年我年年我们研制成功研制成功TDL-FZ3

7、5型区熔炉。型区熔炉。TDL-FZ35型区熔炉，用以生型区熔炉，用以生产功率器件所需功率器件所需75100mm的高的高质量硅量硅单晶。晶。该设备设置有晶体置有晶体夹持机构持机构,以保以保证稳定生定生长75100mm单晶。在晶。在该设备中首次采用了大直径中首次采用了大直径焊接波接波纹管副室管副室结构，构，传动部部件采用精密件采用精密滚动丝杠、直杠、直线运运动导轨、直流力矩机、直流力矩机等精密等精密传动机构，提高了整机的运机构，提高了整机的运动稳定性。其各定性。其各项指指标均达到国均达到国际先先进水平，到目前水平，到目前为止仍是国内止仍是国内75100mm区熔硅区熔硅单晶主要生晶主要生长设备。为了

8、了满足市足市场对150200mm的需求，的需求，1996年开年开发生生产了了TDR-80型直拉硅型直拉硅单晶炉，晶炉，该单晶炉籽晶在炉内有效行程晶炉籽晶在炉内有效行程为2500mm，坩，坩埚行程行程为400mm，炉室内径，炉室内径800mm,投料量达到投料量达到60kg，拉，拉制制单晶直径晶直径200mm。炉盖。炉盖为椭圆封封头形式，副室炉形式，副室炉门的开启与的开启与闭合采用机械合采用机械联动机构，以便快速准确机构，以便快速准确地启地启闭炉炉门。上下。上下轴的密封采用了国的密封采用了国际上先上先进的密的密封技封技术磁流体密封，密封效果好，旋磁流体密封，密封效果好，旋转扭矩小，提扭矩小，提高了

9、整机运行的可靠性。籽晶提升采用了高了整机运行的可靠性。籽晶提升采用了稳定可靠，定可靠，性能性能优异的卷异的卷扬提升机构。提升机构。计算机算机测控控单元元选用研用研华AWS-822工工业级一一体化工作站作体化工作站作为控制主机，配控制主机，配备全隔离全隔离A/D、D/A接口作接口作为控制控制单元，元，该炉型炉型1997年通年通过部部级鉴定，定，1998年荣年荣获国家国家经贸委委颁发的国家的国家级新新产品品奖。1997年开年开发生生产了了TDR-70A(B)型直拉硅型直拉硅单晶炉，投料量达到晶炉，投料量达到60kg，拉制，拉制单晶直径晶直径-150mm。浙江大学工厂是生浙江大学工厂是生产直直拉炉的

10、后起之秀，它与拉炉的后起之秀，它与美国美国HAMCO公司合作公司合作生生产CG-3000型、型、CG-6000型直拉炉，后者投型直拉炉，后者投料量是料量是60kg，从抽空开，从抽空开始全部自始全部自动化。化。上海精密机械公司在上海精密机械公司在2005年开始年开始进行行直拉直拉单晶炉生晶炉生产，2007年投放国内市年投放国内市场，由于性能由于性能稳定、操作便捷、成晶率高，可定、操作便捷、成晶率高，可以多台以多台联机集成管理，目前生机集成管理，目前生产装料量有装料量有60kg、95kg、135kg几种几种规格，其中格，其中135kg为全自全自动控制。控制。此外国内此外国内还有北京、常州、宁夏等地

11、生有北京、常州、宁夏等地生产直拉直拉单晶炉。很多炉型都采用了磁晶炉。很多炉型都采用了磁场装置，装置，大大地提高了大大地提高了单晶硅的晶硅的质量。量。宁夏日晶新能源装宁夏日晶新能源装备股份有限公司是股份有限公司是专业的直拉式的直拉式单晶硅直拉炉生晶硅直拉炉生产厂家，目前主要厂家，目前主要产品有品有单晶炉、晶炉、铸锭炉、石英坩炉、石英坩埚、其他半、其他半导体体相关相关设备，公司技，公司技术力量雄厚，研制开力量雄厚，研制开发技技术支持能力支持能力强大，并在上海同大，并在上海同时设有有销售及售后售及售后服服务中心。中心。生生产基地位于宁夏国基地位于宁夏国家家级工工业开开发区石嘴山市，区石嘴山市，生生产

12、车间包括金属加工包括金属加工车间、产品品总装装调试车间、硅、硅单晶晶炉、炉、铸锭炉炉试机机车间、电气气组立立车间以及石英坩以及石英坩埚生生产线车间。主要的。主要的检验、检漏漏设备从德国引从德国引进。加工。加工设备有数控加工中心，有数控加工中心，龙门刨床，刨床，龙门铣床，立床，立车，镗床，油床，油压机，抛光机及各种通用机机，抛光机及各种通用机床加工，床加工，焊接接设备有自有自动氩弧弧焊机，埋弧机，埋弧焊机等。机等。为了提高了提高单晶硅的晶硅的产量，直拉量，直拉单晶炉的晶炉的投料量在逐投料量在逐渐增加。目前，国内增加。目前，国内设备的投的投料量大都在料量大都在60kg以上，直接在以上，直接在6以上

13、，国以上，国外外则可以生可以生产出拉制出拉制12、18单晶的炉晶的炉型，型，对应的投料量的投料量为300、500kg，自，自动化化程度也非常高。通程度也非常高。通过联机机实现了中央集成了中央集成控制，一个人可以同控制，一个人可以同时监控控68台炉子。台炉子。为了提高了提高单晶硅的晶硅的质量，国外量，国外还出出现了了连续加料工加料工艺、磁、磁场法拉晶工法拉晶工艺等方法等方法国国产晶体生晶体生长炉在炉在单晶晶产品的均匀性与品的均匀性与完整性、元器件的完整性、元器件的稳定可靠性以及定可靠性以及设备的的自自动化程度、控制水平等几个方面与化程度、控制水平等几个方面与进口口晶体生晶体生长炉相比存在一定的差

14、距。例如国炉相比存在一定的差距。例如国产直拉炉大都只能直拉炉大都只能实现从等径到收尾从等径到收尾这部部分分过程的自程的自动化控制。而国外的炉子化控制。而国外的炉子KAYEXCG6000实现了从抽空了从抽空检漏熔漏熔料引晶放肩料引晶放肩转肩等径收尾到关肩等径收尾到关机的全机的全过程自程自动化控制。化控制。我国直拉我国直拉单晶炉生晶炉生产情况情况国内国内现在在单晶炉厂家有：北京京运通、晶炉厂家有：北京京运通、北京七星北京七星华创、北京京、北京京仪世世纪、河北宁晋、河北宁晋阳光晶体阳光晶体设备、西安理工大学工厂、西安、西安理工大学工厂、西安华德晶体德晶体设备、常州、常州华盛天盛天龙、上海、上海汉虹、

15、虹、浙大浙大KAYEX、上虞晶盛（杭州慧祥）等企、上虞晶盛（杭州慧祥）等企业。其中上虞晶盛、浙大其中上虞晶盛、浙大KAYEX、上海、上海汉虹、西安虹、西安华德晶体德晶体设备等四家企等四家企业生生产全全自自动或准全自或准全自动炉，其中自炉，其中自动化程度最高化程度最高的属浙大的属浙大KAYEX、上虞晶盛，两家技、上虞晶盛，两家技术很很接近，几乎差接近，几乎差别不大（至于原因不告不大（至于原因不告诉你你们），上海），上海汉虹是原来做虹是原来做单晶炉的日本晶炉的日本ferrotec公司子公司（在公司子公司（在90年代初将年代初将单晶炉晶炉技技术卖给美国美国KAYEX，权限好像是限好像是10年，年，0

16、3年到期又出来造年到期又出来造单晶路，但原来晶路，但原来图纸都都丢掉了，掉了，现在是重新在是重新设计），），现在其在其单晶晶炉炉为准全自准全自动，功能尚可。，功能尚可。至于西安至于西安华德，其是德国德，其是德国CGS公司和公司和西安理工大学合西安理工大学合资企企业，德国，德国CGS公司是公司是原来的莱宝公司，原来的莱宝公司，华德公司是德公司是CGS公司公司负责自自动化控制部分，西安理工大学化控制部分，西安理工大学负责电源柜和机械部分，至于自源柜和机械部分，至于自动化程度，听化程度，听说没上去，原因是没上去，原因是CGS公司害怕中国的知公司害怕中国的知识产权保保护不力，怕自己的先不力，怕自己的先

17、进技技术被被偷盗，盗，故把自己最古老的技故把自己最古老的技术带到了中国，指望到了中国，指望蒙国人一把，但目前只有新疆新能源蒙国人一把，但目前只有新疆新能源买了了其其20台台设备，其他国内客，其他国内客户也有也有过购买意意向，如天津向，如天津环欧，但听欧，但听说评估的估的结果是性果是性价比不高。价比不高。作作为全自全自动炉子来炉子来说，现在上虞晶盛于去年成在上虞晶盛于去年成立，其立，其设备已已经卖到了有色院、峨嵋等半到了有色院、峨嵋等半导体厂家、体厂家、其控股公司杭州慧祥（其控股公司杭州慧祥（专门做做电控部分）由中控部分）由中标了了宁夏隆基宁夏隆基320台台单晶炉晶炉电控部分。上海控部分。上海汉虹在常州天虹在常州天合合40台、上海卡姆丹克台、上海卡姆丹克40台，最近有台，最近有签单昱昱辉120台。台。至于至于KAYEX则重点是半重点是半导体企体企业。华德在德在这里就不里就不用用说了。了。【单晶炉操作工晶炉操作工艺流程流程】作业准备 热态检漏 取单晶和籽晶 石墨件取出冷却 真空过滤器清洗 真空泵油检查更换 石墨件清洗 单晶炉室清洗 石墨件安装 石英坩埚安装 硅料安装 籽晶安装 抽空、检漏 充氩气、升功率、熔料 引晶、缩颈、放肩、转肩 等径生长 收尾 降功率、停炉冷却。