直拉法单晶炉随动式加热器设计

张西亚,高德东,王 珊,郭 冰,宋生宏

(1.青海大学机械工程学院，西宁 810016；2.阳光能源(青海)有限公司，西宁 810000)

0 引 言

从20世纪进入“信息时代”以来，人们的经济生活信息化水平不断提升，信息技术已经成为社会各个领域发展的必备条件[1]。而作为信息技术产业核心的集成电路产业，是引导国民经济发展的先导产业，而作为集成电路产业先导基础的半导体材料，是集成电路技术的持续创新与产业的可靠发展中必不可少的基石。尽管集成电路一直在寻求更加优良的材料，但硅仍是一种应用最广的半导体材料。据统计，全球范围内99%以上的集成电路和95%以上的半导体器件的基础材料都是单晶硅[2]。而随着半导体集成电路技术的不断发展，单晶硅的缺陷分布以及外形尺寸都需要进一步提高,品质更高和尺寸更大的单晶硅,不仅能够在一定范围内减少单晶硅的内部缺陷,而且还能减少集成电路生产成本以及后期加工浪费[3]。

虽然硅在地壳中的含量仅次于氧居第二位，但是自然界中的硅主要是晶向不固定的多晶硅或以化合物的形式存在，半导体行业只需要晶向特定的单晶硅。单晶硅是指硅原子按照特定的晶格形成晶核，所有晶核形成的晶面方向相同，按照晶面方向可分为三种晶向的单晶硅，按等级可分为半导体级和太阳能级，用于制备半导体器件的单晶硅要求更低的杂质浓度和晶体缺陷,太阳能电池板的材料中晶硅类占据了90%以上的份额[4],太阳能级的单晶硅则对品质的要求较低,最重要的是降低单晶棒的成本。天然单晶硅数量极少，无法满足半导体行业和光伏产业的需求。因此需要人工制备特定晶向的单晶硅。在科研人员不断探索中，总结出了许多制备方法如直拉法(Czochralski method，Cz法)、区熔法、水热法等。其中，直拉法以其生长完整性高、成晶速度快、便于观察生长过程等优点已经成为主流的单晶硅制备方法,而单晶炉作为直拉法生产单晶硅的设备,如何降低其在拉晶过程中的能耗以及提高其拉晶速度是其发展趋势。

在降低单晶炉能耗以及提高拉晶速度和晶体质量方面，国内外研究人员做了大量研究。在对单晶炉的优化方面,吕菲等[5]对加热器进行优化以改变拉晶过程中的固液界面,从而提高了拉晶过程中等晶阶段的稳定性和拉晶速度；高农农等[6]通过减小坩埚与加热器间的距离,降低了晶体中的氧含量并提高了加热器的效率；于宁等[7]研究了用于单晶炉反射和吸收红外辐射涂料，减小了单晶炉内辐射散热，降低了单晶炉能耗；吴世海等设计了热屏提升机构，以增大单晶炉投料量进而提高拉晶效率；李巨晓等[8]对直拉法晶体生长过程中晶棒晃动进行了分析，并提出了减小晃动的措施；耿博耘等[9]对单晶炉保温桶以及热屏做了优化，降低了热场散热；关小军等[10]利用CGSim软件对直拉单晶硅生长过程进行了模拟,探究了热屏位置对直拉硅熔体和固液界面的影响，对提高单晶炉拉晶质量做出一定的贡献；Lee等[11]设计了镀有不同涂层的钼和石墨热屏,增加了额外的侧面和底面保温层,降低了加热功率和氩气的消耗；Gao等[12]通过改变加热器形状和隔热材料，有效提高了晶体生长速度，降低了拉晶能耗；Smirnova等[13]采用了一种新的炉体结构,使晶体生长速率增加了15%～30%。

对于直拉法单晶炉的改造，大多数研究人员聚焦于保温桶、保温碳毡、保温盖、热屏、保温材料和加热器形状等方面[14-20]，而这些部分的改造潜力已几乎殆尽，因此本文分析了直拉法单晶炉的机械结构对降低能耗和提升拉晶速度的影响，并且提出了一种单晶炉优化结构，以期能够为单晶炉的设计提供参考。

1 坩埚上升带来的问题

图1为单晶炉热场结构简图，其中包括了炉壁、上保温盖、热屏、保温桶、加热器、排气孔、坩埚、三瓣埚帮、埚底、电极柱和坩埚连杆等主要部件。

在晶体生长过程中，使籽晶和坩埚反向旋转,减少对流所产生的热不对称性;使坩埚上升,消除硅溶液不断地由液态转化为固态被籽晶提起时所造成的硅液面位置下降。坩埚上升虽然能够提高单晶炉拉晶过程的稳定性，但是也在一定程度上成为了制约单晶炉能耗降低和拉晶速度提升的瓶颈。

在采用直拉法生长单晶硅的过程中,节能降耗一直是研究的重点，其中采用热屏就是降低能耗并改善热系统的一种非常有效的措施，它是通过改变单晶炉结构来实现节能降耗，在热屏诞生以后，单晶炉的结构没有重大改动,只在热屏、保温层和隔热材料等方面进行了优化。

图2为拉晶开始和结束阶段,坩埚与加热器的相对位置示意图，从图中可以看出，坩埚高度小于加热器高度，这是因为在晶体生长过程中，硅溶液不断地由液态转化为固态而被籽晶提起，液面在坩埚中的位置不断下降，而为了使固液界面相对于热屏的位置保持不变，单晶炉用坩埚上升与籽晶上升来实现动平衡；坩埚上升而加热器固定不动，为了使坩埚内溶液始终处于加热器内部，以及加热器更充分地对坩埚加热，所以目前使用的加热器高度都大于坩埚高度。从图2中还可以看出，在拉晶开始阶段坩埚位于加热器下部，加热器上部的区域一对坩埚的加热效果不明显，且对拉晶液面上部的晶棒进行烘烤，即对结晶潜热的散发造成阻碍作用，降低拉晶速度；而随着拉晶过程的进行，坩埚缓慢上移，区域一不断减小,加热器下部的区域二不断增大,对坩埚的加热效果越来越差，所产生的热量大部分被惰性气体及冷却水带走，造成能量浪费；因此通过上述分析可知，在拉晶过程中利用坩埚上升所带来的拉晶温度场动平衡，将会成为单晶炉降低能耗和提高拉晶速度的巨大阻碍。

图1 单晶炉热场结构简图Fig.1 Schematic structure of thermal field in single crystal furnace

图2 加热器与坩埚相对位置Fig.2 Relative position of heater and crucible

2 单晶炉优化设计

2.1 设计思路

针对上述因单晶炉坩埚上升所造成的额外能耗和拉晶速度下降现象，提出“热随埚动”设计思路，即在设计单晶炉时，设计加热器升降装置，利用升降装置使加热器在拉晶过程中随坩埚上升，进而实现降低能耗和提高拉晶速度的目的。

2.2 单晶炉结构改造

图3为单晶炉坩埚升降、旋转机械传动示意图。它是一种用直线滚动导轨支承导向，精密滚珠丝杆副传动实现坩埚杆升降功能，以及通过带传动实现坩埚杆旋转的传动系统。

图3 坩埚升降与旋转机构Fig.3 Mechanism of crucible lifting and rotating

从图3中可以看出，实现坩埚升降和旋转的机械结构较复杂且占据了较大的空间，如果再另行设计一套加热器升降装置，不仅会造成额外的机械复杂性、占据更大的空间，而且还要一套加热器操纵系统对加热器升降进行控制，将增加单晶炉的生产成本和能耗，得不偿失；此外加热器与坩埚只有保持相同的升降速度，才能使二者之间无相对位移，进而减小加热器尺寸降低能耗，使坩埚始终处于相同的加热状态,提高热场稳定性。

经上述分析，为了实现加热器升降装置结构最简化、成本最低化，本次设计使加热器与坩埚共用一套升降装置。通过图3可知坩埚的升降和旋转是由不同电机带动的,在拉晶过程中坩埚上升是由慢速电机带动丝杠转动,在滚珠丝杠副的作用下带动滑座上升,滑座上固定有支撑坩埚的连杆,进而实现滑座与坩埚同步上升,而坩埚旋转是由旋转电机带动楔形带, 楔形带带动坩埚连杆再传递给坩埚来实现坩埚旋转,因此旋转与升降是分开的,故只需对原支撑坩埚杆的升降滑座4(见图3)进行改造，使其能为加热器升降的提升杆提供支撑，即可实现坩埚与加热器同步升降。

图4是图3中滑座4的改进图，通过在坩埚连杆孔的上部增加一个向两侧延伸的顶板，即可为加热器的提升杆提供支撑且能够在拉晶过程中使加热器与坩埚始终处于同一水平位置，从而减小加热器尺寸，并消除坩埚上升使加热器与坩埚之间产生相对位移所造成的拉晶速度降低和能量浪费现象。

图5是加热器升降装置，包括滑座、波纹管、提升杆，其中滑座是由坩埚升降滑座改造而来，为加热器升降提供动力；波纹管分别通过上、下法兰与炉底、滑座连接，且为耐高温的不锈钢波纹管，能够保证加热器升降过程中单晶炉的整体密封性；提升杆为陶瓷提升杆，既能耐高温又能保证在与加热器连接时完全绝缘。

图4 改进后的滑座Fig.4 Optimized slider

图5 加热器升降装置Fig.5 Lifting device of heater

图6 加热器优化图Fig.6 Heater optimization

由于本设计使加热器与坩埚同步升降，因此加热器的高度不再需要大于坩埚的高度，以保证坩埚上升过程中坩埚内液面始终在加热器内部，即加热器与坩埚的高度一致，具体的加热器相对于坩埚的优化如图6所示。

3 热场模拟

3.1 热场模拟初始条件及参数

通过对CL120-97单晶炉进行结构测量，使用1∶1真实参数，简化测量孔、测温孔、观察窗等非对称结构，采用对称式结构并且使用三维仿真模型代替常规二维仿真模型，使数据可靠性更高，即利用CATIA作图软件对单晶炉进行三维作图，然后分别将改进前、后单晶炉的三维图导入到ANSYA中进行有限元全局热仿真。

将改进前和改进后的单晶炉结构图导入到ANSAY中，对比两种热场的模拟分析结果。两种单晶炉模拟均采用相同的模拟初始条件，单晶炉的主要参数设置如下：加热器直径625 mm，石英坩埚内径533 mm，外径555 mm，炉内气压3 000 Pa，保护气为氩气，氩气流量3 800 L/h，晶体直径200 mm，晶体总高度800 mm，投料量120 kg。有限元模拟所使用的主要物性参数如表1所示。

表1 模拟中使用的主要物性参数Table 1 Physical parameters of the materials used in simulation

3.2 热场模拟分析

在等径长度为60 cm时，对改进前、后单晶炉的晶棒和熔体进行温度提取。图7为等径阶段硅晶体轴向和径向温度提取位置图,图8为由其得出的两种不同热场结构的晶体径向和轴向的温度对比图，由图8中的(a)和(b)可以看出，改进后单晶炉晶体的轴向、径向温度梯度都小于改进前温度梯度,且温度变化更加平缓，可以有效减小晶体热应力，提高拉晶稳定性，这说明改进后的单晶炉对晶棒加热更加均匀，在一定程度上提高了拉晶稳定性。

图7 等径阶段单晶棒径向和轴向温度提取图Fig.7 Radial and axial temperature extraction of single crystal rod at equal diameter stage

图8 改进前、后晶体径向和轴向的温度对比图Fig.8 Comparison of radial and axial temperature of crystal before and after the optimization

图9 等径阶段熔体温度提取图Fig.9 Melt temperature extraction at equal diameter stage

在单晶炉拉晶过程中,熔体自由表面的温度分布对晶体质量有较大影响，其原因是如果熔体自由表面温度降低幅度过大,会引起熔体过冷,导致胞状晶或树枝晶生长。图9为等径阶段熔体径向温度提取位置图,图10为由其得出的改进前、后熔体的自由表面温度分布，由图可以看出,改进前、后两种热场下熔体的自由表面温度变化规律一致，即都成W型，且改进后单晶炉的自由表面温度梯度小于改进前温度梯度，可以有效避免熔体过冷，提高拉晶稳定性。

经上述分析，可以得出在等径阶段,无论是晶体还是溶液中，改进后单晶炉的温度梯度都小于改进前单晶炉的温度梯度，因此只需要在拉晶过程中改变加热器的功率及其他拉晶参数，就能更容易的保证固液界面的温度稳定性，进一步提高拉晶稳定性。

由于本文热场仿真是在准静态的条件下分段进行的，无法直接得出拉晶过程中的拉晶速度，因此将改进前、后单晶炉在拉晶过程中晶体轴向温度梯度的比值，近似作为改进前、后等径阶段拉晶速度比。图11为改进前、后等径阶段拉晶速度比值图，曲线与比值1.00虚线所围区域的上部面积明显大于下部面积，由定积分知识可知，改进后单晶炉的平均拉晶速度高于改进前单晶炉的平均拉晶速度，通过计算可以近似求出改进后单晶炉的拉晶速度提升11.14%。

图10 改进前、后等径阶段熔体温度对比图Fig.10 Comparison of melt temperature at equal diameter stage before and after optimization

图11 改进前、后等径阶段拉晶速度比值曲线Fig.11 Ratio curve of crystal pulling speed at equal diameter stage before and after optimization

由于单晶炉热仿真加热器上施加的是热生成率，无法直接得出在拉晶过程中的功率变化，因此将拉晶过程中整个等径阶段所施加的热生成率，除以加热器体积即可得到加热器的加热功率。图12为改进前、后等径阶段加热器功率对比图。从图中可以看出,改进前单晶炉在拉晶等径阶段的加热功率变化是先降低再增大，而改进后单晶炉在拉晶等径阶段的加热功率变化是一直下降，且改进后单晶炉功率一直小于改进前功率，因此改进后单晶炉能够有效降低拉晶能耗,通过计算可以近似求出改进后单晶炉能耗降低10.67%。

图12 改进前、后等径阶段加热器功率对比图Fig.12 Comparison of heater power at equal diameter stage before and after optimization

4 结 论

本文为了克服坩埚上升所造成的拉晶速度降低和额外能耗问题，提出了“热随埚动”的设计思路，即在拉晶过程中使加热器和坩埚同步上升的单晶炉结构优化方法，通过对单晶炉传动系统进行分析，对使坩埚上升的传动滑块进行改造，以及设计提升杆与密封装置，利用有限元数值模拟对改进前、后单晶炉的晶体生长过程进行热场仿真。模拟结果显示，改进后与改进前相比：(1)改进后单晶炉晶体的轴向、径向温度梯度减小,且温度变化更加平缓，可以有效减小晶体热应力，提高拉晶稳定性；(2)改进后单晶炉熔体的自由表面温度梯度减小,可以有效避免熔体过冷，提高拉晶稳定性；(3)改进后单晶炉拉晶速度提升11.14%，拉晶能耗降低10.67%。