單晶爐：半導(dǎo)體晶圓制造的頭道工序設(shè)備

2023.10.25

半導(dǎo)體設(shè)備對整個半導(dǎo)體行業(yè)起著重要的支撐作用。因半導(dǎo)體制造工藝復(fù)雜，各個環(huán)節(jié)需要的設(shè)備也不同，從流程工序分類來看，半導(dǎo)體設(shè)備主要可分為晶圓制造設(shè)備（前道工序）、封裝測試設(shè)備（后道工序）等。

本文是半導(dǎo)體設(shè)備專題欄目的第 1 篇文章，介紹晶圓制造的頭道工序設(shè)備——單晶爐。

直拉式單晶硅生長爐是一種高效率制備硅單晶體的設(shè)備。

將多晶硅原料放在爐體的石英坩堝內(nèi)進行高溫熔化（1450℃以上），在低真空度和氬氣保護下，通過紫晶插入多晶硅熔體后，在紫晶周圍形成過冷態(tài)并進行有規(guī)律生長，形成一根單晶棒體。

單晶生產(chǎn)基本流程是：將多晶硅原料放入單晶爐，加熱融化，逐步分別進行縮頸生長、放肩生長、等徑生長和尾部生長，然后開爐取料，進行晶體測試，最后進行包裝、入庫，再發(fā)貨。

單晶爐的基本結(jié)構(gòu)（如下圖1所示）由以下九部分構(gòu)成：

上爐室、下爐室、爐蓋、隔離閥室、觀察窗、晶體提升旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、控制柜和基座

圖1

圖2

提拉頭：主要由安裝盤、減速機、籽晶腔、劃線環(huán) 電機、磁流體、籽晶稱重頭、軟波紋管等其他部件組成

副室：主要是副室筒以及上下法蘭組成

爐蓋：副室連接法蘭、翻板閥、觀察窗、抽真空管道組成

爐筒：包括取光孔

下爐筒：包括抽真空管道蒸循頌

底座機架：全鑄鐵機架和底座

坩堝下傳動裝置：主要由磁流體、電機、坩堝支撐軸、減速機、軟波紋管海棄檔束、立柱、上下傳動支撐架、導(dǎo)軌等部件組成

分水器已經(jīng)水路布置：包括分水器、進水水管、若干膠管、水管卡套等

氬氣管道布置：質(zhì)量流量計、3根以上的柔性管、不銹鋼管 3個壓力探測器、高密封性卡套等部件

真空泵以及真空除塵裝置：油壓真空泵、水環(huán)真空泵、過濾器、真空管道、硬波紋管等

電源以及電控柜：電源柜、濾波柜、控制柜以及連接線

單晶爐主要需要控制的方面：

一、晶體直徑(尺寸)

二、溫度(功率控制)

三、原料(硅料)

四、泄漏率，氬氣質(zhì)量等

單晶爐熱場的設(shè)計與仿真

單晶直徑在生長過程中可受到溫度，提拉速度與轉(zhuǎn)速，坩堝跟蹤速度與轉(zhuǎn)速，保護氣體的流速等因素的影響。其中溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內(nèi)在質(zhì)量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過檢測才能獲知。

溫度分布合適的熱場，不僅單晶生長順利，而且品質(zhì)較高;如果熱場的溫度分布不是很合理,生長單晶的過程中容易產(chǎn)蘭妹蜜懂生各種缺陷,影響質(zhì)量，情況嚴(yán)重的出現(xiàn)變晶現(xiàn)象生長不出來單晶。因此在投資單晶生長企業(yè)的前期，一定要根據(jù)生長設(shè)備，配置出最合理的熱場，從而保證生產(chǎn)出來的單晶的品質(zhì)。

在晶體生長分析與設(shè)計中，實驗與數(shù)值仿真是相輔相成的，其過程可以分為兩個部分:

(1)在第一階段,利用引放訂上法晶體生長實驗來進行數(shù)值模擬參戰(zhàn)贈匪數(shù)的調(diào)整。

(2)在第二階段,利用數(shù)值模擬是用來確定最佳的晶體生長工藝參數(shù)。

數(shù)值仿真是用來獲得廉價的，完整的和全面細(xì)節(jié)的結(jié)晶過程，以此方法用來預(yù)測晶體生長,改善晶體生長技術(shù)。數(shù)值模擬是當(dāng)實驗的費用太昂貴或無法常規(guī)進行時一種非常有用或必不可少的方法。

舉例來說，對于無經(jīng)驗人員，可以形象化展示熔體流動的歷史點缺陷和熱應(yīng)力細(xì)節(jié)。所以數(shù)值仿真是一種達到較高生產(chǎn)率和較好滿足市場對晶體直徑，質(zhì)量要求的最好辦法。

面向過程的仿真軟件FEMAG為用戶提供了可以深入研究的數(shù)值工具，用戶通過有效的計算機模擬可以設(shè)計和優(yōu)化工作流程。通過對單晶爐熱場的仿真計算，優(yōu)化設(shè)計單晶爐的機械結(jié)構(gòu)，在拉晶過程中以仿真結(jié)果設(shè)定合理的理論拉晶曲線，就可以在實際生產(chǎn)中是完全可以生長出合格的單晶棒。

國內(nèi)生產(chǎn)單晶爐的廠家：

北方華創(chuàng)科技集團股份有限公司

北方華創(chuàng)主營半導(dǎo)體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件業(yè)務(wù)，為半導(dǎo)體、新能源、新材料等領(lǐng)域提供解決方案。公司現(xiàn)有四大產(chǎn)業(yè)制造基地，營銷服務(wù)體系覆蓋歐、美、亞等全球主要國家和地區(qū)。

浙江晶盛機電股份有限公司

晶盛機電是國內(nèi)領(lǐng)先的專注于“先進材料先進裝備”的高新技術(shù)企業(yè)，圍繞硅、藍寶石、碳化硅三大主要半導(dǎo)體材料開發(fā)一系列關(guān)鍵設(shè)備，并延伸至化合物襯底材料領(lǐng)域。

北京京儀自動化裝備技術(shù)股份有限公司

北京京儀是一家集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體的高端裝備制造企業(yè)，主要產(chǎn)品包括半導(dǎo)體專用溫控設(shè)備（Chiller）、晶圓傳片設(shè)備（Sorter）、半導(dǎo)體專用工藝廢氣處理設(shè)備（Local Scrubber）等專用設(shè)備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、LED、LCD、太陽能等領(lǐng)域。

平頂山市信瑞達石墨制造有限公司

該公司是一家集研發(fā)、加工、銷售、售后于一體的綜合性企業(yè)。產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛用于太陽能光伏、電子半導(dǎo)體、工業(yè)爐高溫處理、太陽能光伏、核工業(yè)和石英等行業(yè)。

湖北晶星科技股份有限公司

該公司從事多晶硅、單晶硅及硅片生產(chǎn)、加工、銷售的專業(yè)生產(chǎn)廠家。公司坐落于中國歷史文化名城—湖北隨州。

寧夏日晶新能源裝備股份有限公司

該公司專業(yè)的直拉式硅單晶生長爐生產(chǎn)廠家，目前主要產(chǎn)品有單晶爐、鑄錠爐、石英坩堝、其他半導(dǎo)體相關(guān)設(shè)備。

西安創(chuàng)聯(lián)新能源設(shè)備有限公司

該公司是一家從事太陽能相關(guān)設(shè)備及電子專用設(shè)備的新型股份制企業(yè)，專業(yè)生產(chǎn)單晶爐并集設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務(wù)為一體的高新技術(shù)企業(yè)。

國外生產(chǎn)單晶爐的廠家

美國Kayex 公司

KAYEX公司是目前世界上最大，最先進的硅單晶體生長爐制造商之一。KAYEX的產(chǎn)品早在80年代初就進入中國市場，已成為中國半導(dǎo)體行業(yè)使用最多的品牌。該公司生長的硅晶體生長爐從抽真空－檢漏－熔料－引晶－放肩－等徑－收尾到關(guān)機的全過程由計算機實行全自動控制。晶體產(chǎn)品的完整性與均勻性好，直徑偏差在單晶全長內(nèi)僅±1mm。主要產(chǎn)品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型等。

日本Ferrotec 公司

Ferrotec是具有多元化技術(shù)的跨國集團,在中國分別設(shè)立杭州和上海兩個據(jù)點。在諸如終端產(chǎn)品、制造設(shè)備和很多行業(yè)中，F(xiàn)errotec都有出眾的市場表現(xiàn)。以磁性流體技術(shù)和磁流體密封技術(shù)為基石，F(xiàn)errotec不斷探索新的技術(shù)領(lǐng)域。主要產(chǎn)品包括金剛石刀具，單晶爐，多晶爐，硬質(zhì)合金鋸片，石墨制品等。

德國PVA TePla AG 公司

專業(yè)提供用于太陽能電池硅片生產(chǎn)用的多晶硅鑄錠爐，單爐裝料量為250公斤或400公斤（JUMB0 SIZE）。另外PVATEPLA公司還通過其子公司著名的德國CGS公司以及丹麥普發(fā)拓普公司分別提供用于太陽能以及半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)用的單晶提拉爐以及區(qū)熔爐。

將高純多晶硅拉制成單晶硅主要有兩個工藝，直拉法（CZ法）和區(qū)熔法（FZ），這個過程涉及的設(shè)備是單晶爐。

一、直拉法原理

通過在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環(huán)境中，用石墨加熱器將坩堝中的多晶硅熔化成液態(tài)硅（熔體），再用單晶硅的硅種與液態(tài)硅表面接觸，一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢向上拉起，隨著晶種在直拉過程中離開熔體，熔體上的液體會因為表面張力而提高，晶種上的界面散發(fā)熱量并向下朝著熔體的方向凝固。隨著晶種旋轉(zhuǎn)著從熔體里拉出，與晶種具有同樣晶向的單晶就生長出來了。直拉法是主流，目前90%以上的半導(dǎo)體硅片通過直拉法生產(chǎn)。

二、區(qū)熔法原理

把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個模型里，一個籽晶固定到一端然后放進生長爐中，用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域，局部熔化多晶硅棒。當(dāng)多晶硅棒底端出現(xiàn)熔滴時，將晶種插入熔區(qū)頂部快速拉出一個晶頸，然后放慢拉速，降低溫度放肩至較大直徑。高頻感應(yīng)線圈配合單晶生長速度緩慢向上移動通過整根多晶硅棒，最終生長為一根單晶硅棒。

三、直拉法與區(qū)熔法的比較

直拉法，設(shè)備簡單、易于操作、摻雜方便，對多晶硅原料的幾何尺寸要求不高，塊狀或顆粒狀多晶硅均可，更容易生產(chǎn)大尺寸單晶硅棒。主要應(yīng)用微電子集成電路和太陽能電池領(lǐng)域，占整個單晶硅產(chǎn)量85%。

區(qū)熔法：成本高，對圓柱形多晶硅棒的幾何形狀要求嚴(yán)格，主要應(yīng)用大功率器件，市場份額約15%。生產(chǎn)速度較快，約為直拉法的2倍。不使用坩堝，且熔區(qū)呈懸浮狀態(tài)，不與任何物質(zhì)相接觸，而且單晶爐為石英內(nèi)壁，不會被污染，可反復(fù)提純，能獲得高純度的單晶。受熔區(qū)穩(wěn)定性制約，增大單晶硅直徑有困難，也受到加熱線圈的限制。