LDK单晶炉热场

null内容内容1.热场结构 热场的结构示意图；各部件介绍 2.热场的安装和煅烧 热场的安装；热场水平与中心调整；热场的煅烧 3.热场的温度梯度 热场的概念；温度梯度的概念； 静态热场的温度分布；动平衡态热场的分布 晶体生长的温度梯度：径向温度梯度与纵向温度梯度 一、热场结构热场的优劣对单晶硅的质量有很大影响。合适的热场，能够生长出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶变成多晶，或者根本无法引晶。有的热场虽然能够生长单晶，但质量较差，有位错和其它结构缺陷。因此，找到较好的热场条件，配置最佳的热场，是非常重要的直拉单晶工艺技术。 热场有大有小，它是按照所用的石英坩埚的直径大小来划分的，目前国内热场从￠12″～ ￠28 ″都有，但以￠18″～ ￠22″居多。一、热场结构一、热场结构一、热场结构直拉单晶炉的热系统，也就是所谓的热场，是指为了熔化硅料，并使单晶生长保持在一定温度下进行的整个系统。 热场一般包括压环、保温盖、上中下保温罩、石墨坩埚(三瓣埚)、坩埚托杆、坩埚托盘、电极、加热器、导流筒、石墨螺栓，且为了防止漏硅，炉底、金属电极、托杆、都设置了保护板、保护套。null热 场 示 意 图加热器加热器加热器是热场中很重要的部件，是直接的发热体，温度最高的时候可以达到1600℃以上。 常见的加热器有三种形状，筒状、杯状、螺旋状。目前绝大多数加热器为筒状，硅单晶分厂CZ1#厂房使用的是直筒式形状的加热器。右图为加热器。加热器加热器一般情况下，加热器是高纯石墨加工，每个半圆筒各位一组，纵向开缝分瓣，组成串联电阻，两组并联后形成串并联回路。 右下图是倒立的加热器，由图可知，在加热器下面有两个清晰的连接孔，这些孔是用来连接石墨电极。石墨电极石墨电极石墨电极的作用，一是平稳的固定加热器，二是通过它对加热器输送电流，因此要求电极厚重，结实耐用，它与金属电极和加热器的接触面要光滑、平稳，保证接触良好，通电时不打火。石墨电极也是有高纯石墨加工而成。 右上图为石墨电极示意图、右下图为连接石墨电极和加热器的石墨螺栓。石墨螺栓电极图石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘石墨坩埚，也就是所谓的三瓣埚，主要是用来盛放石英坩埚。它的内径加工尺寸与石英坩埚的外形尺寸相配合，同时，石墨坩埚本身也需要具有一定的强度，来承受硅料和坩埚的重量。 石墨坩埚，有单体，两瓣合体，以及CZ1#所使用的三瓣合体等不同形状。它们从节约成本、使用方便来比较各有所长。右图为三瓣埚的实物图。石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘坩埚托杆、坩埚托盘共同构成了石墨坩埚的支撑体，要求和下轴结合牢固，对中性良好，在下轴转动时，托杆及托盘的偏摆度≤0.5mm。 支撑体的高度是可以调节的，这样可以保证熔料时，坩埚有合适的低埚位，而拉晶时，有足够的埚跟随动行程。石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘保温罩保温罩保温罩分为上保温罩、中保温罩和下保温罩。 保温罩是由一个保温筒外面包裹石墨碳毡而成。石墨碳毡的包裹层数视情况而定。 下保温罩组成了底部的保温系统，它的作用是加强埚底保温，提高埚底温度，减少热量损失。保温罩中、上保温罩的作用也是为了减少热量的损失。只不过保温罩外面的石墨碳毡的层数不一样，这样使得温度梯度不一样。 排气的方式有上排气和下排气。CZ1#厂房现在使用的比较多的是上排气。这样，上保温罩上面就存在几个排气孔，这些排气孔保证在高温下蒸发的气体的排出。保温罩null热 场 示 意 图保温盖、导流筒保温盖、导流筒保温盖由保温上盖、保温碳毡和保温下盖组成。即两层环状石墨之间夹一层石墨碳毡组成，其内径的大小与导流筒外径相匹配，平稳的放在保温罩面板上。 导流筒，由内外筒之间夹一层石墨碳毡组成。导流筒主要是为了控制热场的温度梯度和引导氩气流。压环压环压环，由几截弧形环构成的一个圆形环状石墨件，它放置在盖板与炉壁接触处，是为了防止热量和气体从炉壁与盖板的缝隙间通过。 右上图是压环，右下图为安装后的效果图。 二、热场的安装与煅烧 (1)安装前 安装热场前，尤其是新热场，应仔细擦拭干净，去除面浮尘土，检查部件的质量，整个炉室在进行安装热场前也必须擦拭完毕。 (2)安装 安装顺序一般是由下而上，由内到外。 石墨电极安装时，左右对齐，处在同一水平面上，不可倾斜，同时要和托杆对中。 放上加热器之后，加热器的电极孔要与下面的电极板的两孔对准。二、热场的安装与煅烧二、热场的安装与煅烧安装电极→炉底碳毡→反射底板→下保温罩→石墨环、石英环→加热器→中保温罩→石墨托杆→石墨托盘→装三瓣埚→下降主炉室→上保温罩→导气孔→保温盖板→装导流筒→压环热场安装顺序示意图二、热场的安装与煅烧二、热场的安装与煅烧 (3)对中顺序 在整个安装过程中，要求整个热系统对中良好，同心度高，需要严格对中： ① 坩埚轴与加热器的对中。将托杆稳定的装在下轴上，将下轴转动，目测是否偏摆。然后将钢板尺平放在坩埚轴上，观察两者之间的间隙，间隙是否保持不变，加热器圆心是否对中。接着装托盘，托盘的中心也要跟加热器对中。二、热场的安装与煅烧二、热场的安装与煅烧 ②加热器与石墨坩埚的对中：转动托碗，调整埚位，让石墨坩埚与加热器口水平（此时的埚位成为平口埚位），再稍许移动加热器电极，与托碗对中，这时石墨坩埚和加热器口之间的间隙四周都一致。 二、热场的安装与煅烧二、热场的安装与煅烧 ③保温罩和加热器对中：调整保温罩位置，做到保温罩内壁与加热器外壁之间四周间隙一致。注意可径向移动，不得转动，否则测温孔就对不准了。 ④保温盖和加热器对中：升起托杆，让三瓣锅其与保温盖水平，调整保温盖的位置，使得四周间隙一致。 此外: ⑤下保温罩和电极之间的间隙前后一致，切不可大意造成短路打火。 ⑥测温孔对一致。二、热场的安装与煅烧二、热场的安装与煅烧 (4)煅烧 新的热场需要在真空下煅烧，煅烧时间约10小时左右，煅烧3～5次，方能投入使用。使用后，每拉晶4～8炉后也要煅烧一次。 煅烧功率，不同的热场不一样，一般要比引晶温度高，CZ1#炉子煅烧最高功率一般在110KW。 二、热场的安装与煅烧null (1)热场的概念 热场也称温度场。热系统内的温度分布状态叫热场。煅烧时，热系统内的温度分布相对稳定，称为静态热场。在单晶生长过程中，热场是会发生变化，称为动态热场。 单晶生长时，由于不断发生物相的转化(液相转化为固相)，不断放出固相潜热，同时，晶体越拉越长，熔体液面不断下降，热量的传导、辐射等情况都在发生变化，所以热场是变化的，称为动态热场。三、热场的温度梯度null (2)温度梯度的概念 为了描述热场中不同点的温度分布及分布状态，下面给大家介绍一个“温度梯度”这个概念。 温度梯度是指热场中某点A的温度指向周围邻近某点B的温度的变化率。也即单位距离内温度的变化率。三、热场的温度梯度null 如下图所示，A点到B点的温度变化为T1-T2 ，距离变化为r1-r2 。那么A点到B点的温度梯度是： 通常用 表示在 r 方向上的变化率。三、热场的温度梯度null 显然两点间的温度差越大，则 越大，则温度梯度越大，反之，两点间温度差越小，则 越小，则温度梯度越小，如果 说明由A点到B点温度是升高的，如果 说明由A点到B点的温度是下降的。三、热场的温度梯度null(3)静态热场的温度分布 下图为静态热场的温度分布状况：沿着加热器中心轴线测量温度的变化发现加热器的中心温度最高，向上向下都是逐渐降低的，它的变化率称为纵向温度梯度，用 表示。三、热场的温度梯度null 然后沿着轴线上某点沿着径向测量，发现温度是逐渐上升的，加热器中心温度最低，加热器温度最高，成抛物线变化，它的变化率称为径向温度梯度，用 表示。三、热场的温度梯度null(4)晶体生长时的温度梯度 单晶硅生长时，热场中存在固体、熔体两种形态。 温度梯度也有两种： 晶体中的纵向温度梯度 和径向温度梯度 。 熔体中的纵向温度梯度 和径向温度梯度 。 这是两种完全不同的温度分布，但是最能影响结晶状 态的生长界面处的温度梯度 。三、热场的温度梯度null晶体生长时，单晶硅的纵向温度梯度粗略的讲：离生长界面越远，温度越低，即 ①只有 足够大： 才能使单晶硅生长产生的结晶潜热及时传走，散掉，保持界面温度稳定。 ②如果 较小：晶体生长产生的结晶潜热不能及时散掉，单晶硅温 度增高，结晶界面温度随着增高，熔体表面的过冷度减少，单晶硅的 正常生长就会受到影响。 ③但是，如果 过大：则可能产生新的不规则晶核，使单晶变成多晶，同时，熔体表面过冷度增大，单晶可能产生大量结构缺陷。 总之，晶体的纵向温度梯度要足够大，但不能过大。三、热场的温度梯度null晶体生长时，熔体的纵向温度梯度概括地说，离液面越远温度越高。即 ①温度梯度 较大时：离开液面越远，温度越高，即使有较小的温度降低，生长界面以下熔体温度高于结晶温度，不会使局部生长较快，生长界面较平坦，晶体生正是稳定的。 ②温度梯度 较小时，结晶界面以下熔体温度与结晶温度相差较少， 熔体温度波动可能产生新晶核，可能使单晶硅发生晶变。单晶硅生长不稳定。 ③特殊情况下， 是负值，即离开结晶界面越远，温度越低，熔体内 部温度低于结晶温度，从而产生新的自发晶核，单晶硅也会长入熔体形成多晶，这种情况下，无法进行单晶生长。三、热场的温度梯度null热场的径向温度梯度，包括晶体 、熔体 、固液交界面 三种晶向温度梯度。 ①晶体的径向温度梯度 是由晶体的纵向、横向热传导，表面辐射 以及在热场中新处的位置决定，一般来说，中心温度高高，晶体边缘温度低，即 ②熔体的径向温度梯度 主要是靠四周的加热器决定的，所以中心温 度低， 靠近坩埚处温度高，径向温度梯度总是正数，即 三、热场的温度梯度null③ 在晶体生长过程中，结晶界面处的径向温度梯度 是变 化的，将晶体纵剖，作结晶界面显示，如下图所示。 晶体生正过程中 变化情况三、热场的温度梯度null单晶硅最初等直径生长时，生长界面的径向温度梯度是正数，即 随着单晶不断生长，结晶界面由凸向熔体逐渐变平，生长界面的径向 温度梯度 逐渐等于0。一般来说，单晶硅中部结晶界面平坦， 单晶逐渐生长到尾部，生长界面由平逐渐凹向熔体，越接近单晶尾部 ，生长界面越凹。这说明生长界面的径向温度梯度 由等于0变成<0，而且负值越来越小。 在坩埚里整个熔硅表面，由于熔硅传热，单晶硅散热和结晶放出结晶潜热，单晶生长时，最初可近似认为熔硅表面径向温度梯度 ， 生长到单晶中部时，近似可看作 ，单晶硅尾部生长时， 由小于0转为大于0。null总之，合理的热场的温度分布需要满足以下条件： ①晶体中纵向温度梯度 足够大，但不能过大，保证晶体生长中有 足够散热能力，带走结晶潜热。 ②熔体中的纵向温度梯度 比较大，保证熔体内不产生新的晶核， 但是，过大容易产生位错，造成断苞。 ③结晶界面处的纵向温度梯度 适当的大，从而形成必要的过冷度 ，使单晶有足够的生长动力，不能太大，否则会产生结构缺陷，而径向温度梯度要尽可能小，即 ，使结晶界面趋于平坦。