单晶炉热场结构.ppt

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Style,单晶炉热场结构,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,2,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,3,一、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。,4,热,场,示,意,图,5,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，,CZ,法一般使用的是,直筒式,形状的加热器。右图为加热器。,6,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,。,7,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,8,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。,9,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,10,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。,11,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。,现在使用的比较多的是,下排气,。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,12,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。,13,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。,14,(1),安装前,安装热场前，尤其是新热场，应仔细擦拭干净，去除表面浮尘土，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,15,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,16,(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：,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,17,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,18,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。,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,:,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。,测温孔对一致。,二、热场的安装与煅烧,19,(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,20,(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,21,(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,22,如下图所示，,A,点到,B,点的温度变化为,T,1,-T,2,，距离变化为,r,1,-r,2,。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,23,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,24,(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,25,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,26,(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,27,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,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。,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。,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,28,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,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。,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。,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,29,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。,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,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,30,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,31,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,。,32,总之，,合理的热场的温度分布需要满足以下条件：,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。,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。,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。,33,Thanks,！,34,