直拉单晶炉-热系统

直拉单晶硅工艺技术主讲教师：裴迪石油化工学院1直拉单晶炉的热系统直拉单晶炉的热系统是指为了熔化硅料，并保持在一定温度下进行单晶生长的整个系统，它包括：加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨坩埚）、电极等部件。它们是由耐高温的高纯石墨和碳毡材料加工而成的。加热系统长期使用在高温下，所以要求石墨材质结构均匀致密、坚固、耐用，变形小，无空洞，气孔率≤24%，无裂纹，弯曲强度40~60MPa，颗粒度0.02~0.05mm，体积密度1.70~1.80g/cm3，灰分≤1×10-4（100ppm），金属杂质含量少，一般检测值在10-4%~10-6%数量级。在直拉单晶硅热场中使用的是各向同性石墨，其特点是：1、石墨粒子各向均匀排列，特性与尺寸、形状、取料方向无关；2、强度高，不易破裂；3、粒子直径小，密度高;4、传热、受热、放热均匀，温度分布均匀；5、与石英坩埚及上叙各种气体的反应小，消耗小，寿命长；6、承压能力强，渐少各种可能的歪斜和破裂。加热器是热系统中最重要的部件，是直接的发热体，温度最高时达到1600℃以上，采用“等静压成型法”（CIP）生产的高纯石墨加工制作，形状为直筒式，每个半圆筒各为一组，纵向开缝分瓣，形成串联电阻；两组并联后形成串并联回路。两组加在一起的总瓣数为4的整倍数，常用的有16、20、24或28瓣等。石墨托碗分为上体和下体，上体又有单瓣（即只开一条缝）、两瓣合体（平分为二、两条缝）及三瓣合体（等分三条缝）的区别；从节约成本、使用方便来比较，各有所长。石墨托碗是用来盛装石英坩埚的，它的内径加工尺寸要和石英坩埚的外形尺寸相配合，同时，石墨托碗本身必须具有一定的强度，来承受硅料及坩埚的重量。硅料熔化完以后，石英坩埚的高度应该高于石墨托碗的高度（10~20mm），如果石英坩埚低于石墨托碗，容易造成掉渣影响成晶率。托杆以及托座共同组成了托碗的支撑体，要求和下轴结合牢固，对中性良好，在下轴转动时，托杆及托座偏摆度≤0.5mm，托座可以用一个或者两个以上的部件组成，部件数的增减可以调节托碗支撑体的高度，以保证熔料时有合适的低埚位，拉晶时，有足够的埚升随动行程。保温罩由保温罩内筒、外筒、面板及支撑环（托盘）组成，内、外筒之间整齐地包裹着石墨毡。托盘放置应平稳，不得径向窜动，也不得转动，同时保证保温罩内壁、外壁垂直并对中。保温盖一般由两层环状石墨板之间夹一层石墨毡组成，内径的大小与加热器内径相同，平稳地放在保温罩面板上。下保温筒，下保温碳毡组成了托碗的底部保温系统，它的作用是加强埚底保温，提高埚底温度，减少热量散失。为了防止埚漏，硅料渗出烧坏部件，对炉底、金属电极、抽气口以及托杆都设置了保护板、保护套。石墨电极的作用，一是平稳地支撑加热器，二是通过它对加热器加热，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。石墨电极的设计样式各异。图中由电极连接块、电极柱和固紧螺钉共同极盛的。加热器、电极、托碗要求用细结构高纯石墨加工，为了降低成本，其它部件也可用粗结构高纯石墨。结构疏松气孔多的不能用。现在出现了一种新型保温材料，称为碳/碳复合材料，可以根据用户需要加工成型为整体保温筒，从而代替石墨毡，保温性能好，耐高温，不产生纤维、强度大、重量轻、安装方便。