北京北方華創(chuàng)真空技術有限公司 ■ 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電性能使其在高溫下通過化學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。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。因此，新型拉晶爐拉制硅棒，然后機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

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、導流筒及保溫組件等部件組成。

新型拉晶爐中的坩堝由設置在爐體底部的坩堝軸支撐，坩堝的底部和兩側(cè)分別設置有底加熱器和側(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。保溫組件包括設置在爐體內(nèi)壁與導流筒及坩堝之間的保溫筒(上筒、中筒和下筒)、設置在保溫筒上方的保溫蓋(上蓋和下蓋)，以及設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)

導流筒的頂部穿設在保溫蓋之間，導流筒包括外筒和內(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)筒的漏斗形設計可有效抑制爐體上部的氬氣流動旋渦，進而減少爐內(nèi)揮發(fā)物的沉積；外筒的U形設計及內(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，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，可增強保溫效果，起到節(jié)能的作用。

3)導流筒的高度為510～600 mm，與現(xiàn)有技術的導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)導流筒吊爪可設置2個，并對稱安裝在導流筒外沿；其長度為150～200 mm，用于輔助導流筒的升降，防止硅料觸碰導流筒造成污染，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，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，在裝料時可有效避免小塊硅料掉進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氈可提高保溫效果，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180～300 mm的硅棒，一次可出15 mm×15 mm硅芯的數(shù)量最多可達150根，硅芯長度可達2400～4200 mm。這3項指標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行過程中的倒爐；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，沉積層與切割的方硅芯結(jié)合密實，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致倒爐，而新型拉晶爐拉制硅棒后切割方硅芯相對可靠，倒爐率大幅下降；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)工藝復雜，易造成硅芯折斷；2)該技術近幾年僅在國內(nèi)使用，技術相對缺乏；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)切割方硅芯的技術相對缺乏，但依托單晶直拉技術的進步，該種新型拉晶爐在硅芯制備中的應用將越來越廣泛。