新型拉晶炉在硅芯制备中的应用

北京北方华创真空技术有限公司 ■ 王玉亮

0 引言

在多晶硅产品生产中，硅芯是原生硅生长的载体，原生硅成品棒是通过硅芯的导电性能使其在高温下通过化学气相沉积法生长而形成的。所以，硅芯质量会直接影响原生硅成品棒的质量。

硅芯的制备方法主要有区熔法拉制圆硅芯和机械加工硅棒再制成方硅芯。

传统的区熔法拉晶炉可一次性拉制圆硅芯，所拉制圆硅芯的规格一般为Φ8 mm×2200 mm～Φ8 mm×2400 mm，一次出硅芯的数量从之前的几根到现在的十几根不等。该种拉晶炉存在的局限性主要有：操作熟练度要求高；一次成型，弯曲度不可控；需单独拉制连接圆硅芯时所用的横梁、桥；一次硅芯出炉数量有限；总体能耗高等。

普通的机械加工硅棒制成方硅芯采用的是直拉法拉晶炉，其可拉制圆硅棒，然后机械加工成方硅芯。拉制的硅棒直径一般为Φ120～180 mm、长度为2200～2400 mm，切割成的方硅芯规格主要有14 mm×14 mm、15 mm×15 mm、16 mm×16 mm等。

与传统方式相比，本文介绍的新型拉晶炉采用的是直拉法，具有投料量大、硅棒直径大、长度长、产能高等优点。虽然目前切割方硅芯的成本相对较高，但方硅芯具有相对表面积大、规格统一、弯曲度可控等优点。因此，新型拉晶炉拉制硅棒，然后机械加工成方硅芯的方式具有潜在优势，其取代传统区熔法拉晶炉拉制圆硅芯已成为必然趋势。

1 新型拉晶炉的结构特点

图1为新型拉晶炉结构图，其主要由坩埚、坩埚轴、电极柱、侧加热器、底加热器、导流筒及保温组件等部件组成。

新型拉晶炉中的坩埚由设置在炉体底部的坩埚轴支撑，坩埚的底部和两侧分别设置有底加热器和侧加热器，可在化料或工艺加工时使用。电极柱分别与底加热器及侧加热器连接，可用于支撑加热器。保温组件包括设置在炉体内壁与导流筒及坩埚之间的保温筒(上筒、中筒和下筒)、设置在保温筒上方的保温盖(上盖和下盖)，以及设置在保温筒下方的底盘。保温组件主要起到保温和调整温度梯度的作用。

图1 新型拉晶炉结构

导流筒的顶部穿设在保温盖之间，导流筒包括外筒和内筒，内筒为漏斗形，外筒的纵截面为底面开口的U形；内筒与外筒中间用黏胶软毡填充；外筒的底面开口与内筒的底面开口一致并对齐设置，且内筒的底端直接放置在外筒的底壁上方；内筒与外筒的上部均通过定位环固定。内筒的漏斗形设计可有效抑制炉体上部的氩气流动旋涡，进而减少炉内挥发物的沉积；外筒的U形设计及内、外筒之间的黏胶软毡，可减少加热器对晶体的热辐射和热传导，并加快成晶速率。

保温筒包括依次连接的上筒、中筒和下筒，其中，上筒与中筒通过支撑环连接；上筒、中筒及下筒的外围皆设置有用于保温的黏胶软毡。

2 新型拉晶炉的优势

2.1 结构优势

新型拉晶炉的结构优势主要体现在：

1)新型拉晶炉的炉体直径为1200～1400 mm，适合 26′′(1′′=25.4 mm)、28′′、32′′热场，可大幅提高装料量。

2)保温盖的上、下盖用导流筒定位环连接，定位环外围用黏胶软毡填充，填充厚度为50～100 mm，可增强保温效果，起到节能的作用。

3)导流筒的高度为510～600 mm，与现有技术的导流筒相比增加了高度，这样可减少上部的散热，使硅芯的轴向梯度更加合理。导流筒的底部开口内径为250～340 mm，可生产直径为180～300 mm的硅芯。

4)导流筒的内、外筒上沿用厚度为30～50 mm的固化毡隔开；内筒与外筒的最大距离为100～130 mm，其间隙全部用黏胶软毡填充，这样可使固液界面的轴向梯度更加合理。

5)导流筒吊爪可设置2个，并对称安装在导流筒外沿；其长度为150～200 mm，用于辅助导流筒的升降，防止硅料触碰导流筒造成污染，从而大幅提高装料量，提高生产效率。

6)保温筒上筒内径为750～950 mm，相比现有技术，该内径有所缩小，这样不仅可提高保温效果，还可使加热器得到保护，在装料时可有效避免小块硅料掉进加热器间隙而引起加热故障。

7)保温筒的上、中、下筒都用6～9层黏胶软毡包裹，总体厚度为60～100 mm。采用黏胶软毡代替普通碳毡可提高保温效果，使热场的径向梯度趋近于零，保证硅芯在整个拉制过程中均匀生长。

8)固化毡保温底板位于底加热器下方，固化毡厚度为100～220 mm，保温筒底盘的保温材料由软毡改为固化毡，除加强炉底保温，使固液界面位置更加精确外，还可有效解决软毡不定型性带来的工艺缺陷问题。

2.2 性能优势

将国内常见拉晶炉与本文所述新型拉晶炉进行性能参数方面的对比，对比结果如表1所示。

由表1可知，新型拉晶炉可生产直径达180～300 mm的硅棒，一次可出15 mm×15 mm硅芯的数量最多可达150根，硅芯长度可达2400～4200 mm。这3项指标均高于其他两种拉晶炉，可见，新型拉晶炉在保证硅棒品质的同时，提高了硅芯产量，增加了硅芯长度，具有很好的优势。

表1 国内常用拉晶炉与新型拉晶炉主要性能参数对比

图2和图3分别为新型拉晶炉拉制的硅棒及由硅棒切割成的方硅芯。

图2 新型拉晶炉拉制的硅棒

图3 硅棒切割的方硅芯

虽然新型拉晶炉具有一定优势，但由于目前切割方硅芯的工艺相对缺乏，新型拉晶炉在使用时仍存在一些不足。切割方硅芯的基本过程为：拉制硅棒→切割→检测→锥孔→退火→腐蚀→清洗→烘干→装炉等。该加工工艺复杂，易造成硅芯折断。因此，任何一个环节都需要精密。

3 小结

综上所述，新型拉晶炉的优势主要体现在：

1)与传统区熔法拉晶炉相比，新型拉晶炉操作简单；2)新型拉晶炉对于硅芯的弯曲度可控，可降低因硅芯弯曲度而造成的还原炉在运行过程中的倒炉；3)新型拉晶炉拉制的硅棒切割成的方硅芯比圆硅芯相对表面积大，表面附着力强，沉积层与切割的方硅芯结合密实，沉积层不易分区，避免“菜花料”等不致密料产出；4)传统区熔法拉制圆硅芯的横梁、桥都是放置在开槽中的，接触面积小，高压击穿或大气流通过时易跌落而导致倒炉，而新型拉晶炉拉制硅棒后切割方硅芯相对可靠，倒炉率大幅下降；5)新型拉晶炉拉制硅棒后切割的硅芯数量远大于传统区熔法拉晶炉和普通的直拉法拉晶炉；6)使用新型拉晶炉拉制硅棒后切割的硅芯，无需单独生产制造硅芯横梁、桥的基材，提高了生产效率。

新型拉晶炉拉制硅棒后切割方硅芯时存在的不足包括：1)工艺复杂，易造成硅芯折断；2)该技术近几年仅在国内使用，技术相对缺乏；3)所需割线量大，成本高。

总体而言，目前市场上硅片价格下探，硅料利润压缩甚至亏损，迫使越来越多的晶体硅厂家通过提高晶体拉速、增大晶体直径、增加装料量的方式来压缩成本，拉晶炉的型号也由120型、140型取代原来的80型、90型，热场也从20′′、22′′，增至 26′′、28′′甚至 32′′。

4 结语

本文将采用直拉法的新型拉晶炉与传统拉晶炉进行性能对比后发现，新型拉晶炉切割的方硅芯在硅芯直径、硅芯数量及硅芯长度方面，均大于其他两种传统拉晶炉。虽近年来国内切割方硅芯的技术相对缺乏，但依托单晶直拉技术的进步，该种新型拉晶炉在硅芯制备中的应用将越来越广泛。