新型硅芯晶体炉的开发与设计

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:598

(1.西安理工大学晶体生长设备研究所，陕西西安 710048：2．西安理工大学机仪学院，陕西西安 710048)

摘要：从分析硅芯晶体生长的工艺特点出发，简要介绍了硅芯晶体生长设备的设计思想以及新近开发设计的新型硅芯晶体炉的机械结构及电气控制系统。

关键词：硅芯炉；工艺特点；机械结构；电气控制

中图分类号：tf806．9 文献标识码：a文章编号：1004-4507(2005)08-0007-03

多晶硅是单晶硅生产企业必不可少的主要原料，而硅芯是多晶硅生产过程中生长多晶的载体。随着多晶硅行业的快速发展，国内原有的硅芯生产设备，已远不能满足多晶硅生产企业的需要。为此，我们新近研制开发tdl-gx36新型硅芯炉，主要用于多晶硅生产过程中，多晶硅生长载体-硅芯的生产，是多晶硅生产不可缺少的主要装备之一。

在经过对硅芯晶体生长工艺及特点进行分析的基础上，采用机电一体化设计思想，设计出该硅芯晶体生长设备。本设备配有晶体提拉、旋转自动控制及籽晶托盘控制系统，自动化程度高，运行可靠，操作方便，是一种理想的生长硅芯晶体设备。

1 硅芯晶体生长工艺特点

硅芯晶体生长一般采用垂直区熔法。原料棒固定在下轴上，籽晶装在上轴，上下轴同轴心。用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使原料棒的顶部和在其上部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴，随着硅芯晶体的不断生长，硅芯晶体向上作慢速提拉，与此同时，原料棒以与之匹配的速度向上作慢速移动，需要时原料棒可转动。硅芯晶体生长简图如图1所示。

设备工作时，先对设备进行抽空，等炉内真空度≤3pa时，切断抽空，然后充以氩气保护气氛，加热料棒，晶体生长开始。在硅芯晶体的生长过程中，充气、排气一直在进行，以保证硅芯晶体的纯度；拉晶开始、结束及更换籽晶卡头需要上、下轴有快速移动功能；硅芯晶体长(本例2100mm)；装一根原料棒拉制6根硅芯晶体。

从以上硅芯晶体的生长过程可以看出，设备应具备以下条件：

(1)上轴慢速提拉运动(工作速度)，拉速0．5-60 mm／min：
(2)上轴快速，本例l 000 mm／min，500 mm／min两档；
(3)下轴慢速0．02-10 mm／min；
(4)下轴快速，本例75 mm／min，150 mm／min两档；
(5)下轴旋转：0～60 r／min；
(6)真空度≤3 pa；
(7)充气；
(8)高频电源部分；
(9)6根／炉次。

2 硅芯晶体生长炉总体设计

按照硅芯晶体生长条件，该设备由3大部分组成：机械部分、电气控制部分及高频电源部分。本设备机械部分由底座、下轴升降及旋转机构、炉室、过渡副室、籽晶托盘及机头、硅芯提升机构、真空系统、充气系统、水路、摄像头等部分构成。主机结构简图如图2所示。下面主要介绍设备的几个重要组成部分。

2.1 真空炉室及过渡副室

炉室是设备中晶体生长的工作问，置于底座上平面。按照硅芯生长要求，下轴通过密封从炉体下端进入炉内，籽晶从炉体顶部向下进入炉内，其结构见图2，炉室下半部分为双层水冷结构，上半部分不带水冷，上、下部分都开有炉门，炉门上设有观察窗，便于观察拉晶状况；另外炉体上设有高频线圈接口、拨叉口、后视镜口、摄像口、上下充气口、真空抽口、压力表口、及水咀接口，以满足硅芯炉工作各功能要求，使设备操作更加便利。炉室各处需密封可靠。

过渡副室起承上启下及限位的作用。下面与炉室相连，上面装有硅芯提拉机构。在过渡副室上设有限位口及观察窗口，与炉室相通，需要密封可靠。

2.2 下轴升降旋转机构

下轴升降旋转机构运动工况。该机构需具有下轴快速升降、慢速升降及下轴旋转功能。整个下轴运动机构正常工作时运行在低速轻载情况下，连续工作；运行时应平稳，无振动，无爬行。

为了满足下轴升降旋转机构的使用要求，本例采用直流伺服电机蜗轮减速机驱动，滚动导轨、滚珠丝杠等精密传动元件传动，可在一定的范围内进行无级调速，运行平稳可靠。下轴运动框图如图3所示。