谁会操作拉晶炉！！
关键词:直拉法；大直径单晶；真空稳定性；气流控制
1简介
半导体技术的快速发展促使硅单晶生长技术向大直径方向发展。目前，我国大直径直拉单晶制造的规模化生产刚刚起步，很多技术还处于探索阶段。无位错大直径单晶的生长需要高稳定性的生长环境。这使得一些破坏单晶生长稳定性的因素对原来小直径单晶生长的影响很小，但对大直径单晶生长的负面影响日益显现。
直拉单晶生长过程中，炉内气流自上而下贯穿单晶生长区，及时带走高温产生的氧化硅和杂质挥发物。因此，在不受外界因素影响的情况下，保持单晶炉内真空值的稳定，同时使保护气体具有合理的气流方向并快速带走杂质，已成为半导体材料制造业领域改进设备、提高晶化率的重要课题。
2真空度的稳定性控制
高纯氩气从单晶炉顶部注入，气体由真空泵从底部抽出。炉内真空值保持动态平衡(一般在20托左右)。但由于各种外界因素，这种平衡往往被破坏，使得真空值在很大范围内变化，尤其是在大直径单晶的生长中。
2.1影响真空度不稳定的因素
首先，在一般设备中，氩气的入口流量由转子流量计控制。转子流量计通过改变通气孔的大小来控制气体流量。它的缺点是空气流量必然随着入口压力的变化而变化。在实际生产中，气源压力不可避免地会受到环境温度和储罐中氩气存量的影响。
其次，真空泵是抽真空的动力设备。在拉晶过程中，由于炉内高温挥发的杂质和氧化硅会被吸收到真空泵油中，并与泵油混合。随着工作时间的增加，真空泵油的粘度会不断增加，从而导致真空泵效率下降。在一定程度上，真空泵必须定期更换泵油。此外，真空泵油的温度也是影响真空泵效率的一个因素。
2.2改进方案
针对上面提到的两个问题，我们从氩气进气系统入手。为了保证恒定的入口速度，我们使用质量流量控制器(MFC)代替转子流量计。质量流量控制器可以精确地测量和控制气体流量，其测量技术基于一项美国专利(美国专利号4464932和4679585)。质量流量控制器检测气体的“质量流量”，它只受气体本身的三个特性(热容、密度和分子结构)的影响。对于某种气体，以上三个参数都是确定的。因此，MFC的测量精度不受气体温度、压力等外界因素的影响，在20 ~ 20~200SLPM范围内控制精度可高于65438±0.0%，响应时间小于2s。
其次，考虑抽真空速度的控制。我们在单晶炉和真空泵之间的管道上加了一个步进蝶阀。采用阶梯式蝶阀的目的是通过改变抽气通道的孔径来调节抽真空的速度。这是一个闭环控制系统。通过数字真空表实时检测炉内的真空压力，并将真空值与设定的真空值进行比较。当炉内真空值较高时，逐步打开步进蝶阀，提高抽速，将真空值降至设定值。另一方面，如果炉内真空值低，关小阶梯蝶阀以降低抽气速度。采用这样的闭环系统，单晶炉内的真空值可以非常稳定，可以避免外界因素的干扰。
3气流的最佳控制
在单晶生长过程中，硅熔体、应时坩埚等炉内物体由于高温会产生大量的氧化硅(主要由SiO组成，也有少量SiO _ 2，为黄烟)、杂质挥发物和挥发性气体。这些气体和尘埃颗粒漂浮在单晶生长界面周围。当氩气流量降低时，可以清楚地看到硅熔体上方有滚滚浓烟，俗称“烟”。氩气从上到下穿过单晶生长区，带走气体和灰尘杂质。有时，一氧化硅颗粒可能会吸附在单晶的生长界面上，造成正在生长的单晶的原子晶向发生位错，使单晶生长失败，俗称“碎芽”，降低结晶速率。
由于单晶直径大，需要更大量的多晶硅，使用更大直径的应时坩埚。自然，大直径单晶生长时，会产生更多的气体和尘埃杂质，增加位错几率。因此，大直径单晶需要更快地去除气体和灰尘杂质。
3.1进风口改造
为了尽快带走挥发性气体粉尘，氩气流量必须足够大。大直径单晶的氩气流量一般为60-100SLPM。特别是对于难以结晶的重掺杂单晶，由于掺杂量大，挥发物多，需要较大的氩气流量。值得注意的是，大气流动会在炉顶进风口产生高速气流，并在气流周围形成不规则的气流涡流。在拉晶过程中，单晶以软轴的形式悬挂在钢索上，高速的气流会爆发出旋风，使钢索和单晶来回晃动，变得不稳定，大大增加了单晶生长错位、断芽的可能性。
为了避免这种情况，我们改进了氩气入口的形状。改进后的进气口就像一个环形的淋浴喷头。从原来的进气口，改为多个微孔进气口，气流方向向外发散。这样进气口的总孔径不变，保证了较大的进气量，使气流相对缓和分散。
3.2合理的气流方向
风量大并不代表带走颗粒粉尘的效果好，合理的气流方向才是更重要的因素。氩气通过单晶生长区时，由于硅熔体液面低于应时坩埚的上边缘，熔体表面凹入坩埚内，大部分气流会直接从坩埚壁外侧流向炉体下部，只有少量气流会进入应时坩埚，因此带走气体、灰尘和杂质的效率自然降低。当坩埚中的熔体较浅时，这种情况更严重。为了避免这种情况，在拉制大直径高质量单晶时，采用导气罩技术，使气体在炉体内合理流动，更有效地带走杂质气体粉尘。
使用导气罩对于大直径单晶的生长是非常重要的。导气罩可以以气流为导向，具有不同的形状和设计以实现不同的功能。这是一个基本的导气罩。首先，氩气向下进入单晶生长区，气流由圆柱形导气罩直接导入坩埚，导气罩的下缘穿入坩埚，直接作用于单晶生长面附近的气体和灰尘杂质。然后，由于坩埚内壁的导向作用，气体在熔液表面扩散，随坩埚内壁上升，最后从坩埚外侧流向炉体下部。
4结论
在上面介绍的改进措施中，导气罩的使用和设计对于大直径单晶的生长至关重要，可以大大提高单晶生长的结晶速率。由于我国大直径单晶的生产刚刚起步，对气体导向罩的研究还处于起步阶段。在国外，气导罩已广泛用于大直径单晶的生长。一套导气罩的成熟需要半导体材料制造公司付出大量的时间和金钱进行反复的测试和改进。所以各大半导体公司对于气导盖技术的开发都有自己的专利技术，互相保密，一般拒绝参观交流。正因如此，本文仅对导风罩技术进行理论分析。
导气罩的设计要考虑的因素很多，如导气罩对单晶氧含量、碳含量等质量指标的影响；导气罩与炉内物体之间的适当间隙；如何修复安装；安装后对主观察窗和侧观察窗直径检测设备视野的影响；还与安装在加热器上方的导气环配合使用，以达到更好的效果等等。随着国内大直径单晶生长技术的进步，研究和探索这些方面具有重要意义。