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單晶爐：半導體晶圓制造的頭道工序設備

2023.11.16

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

本文是半導體設備專題欄目的第 1 篇文章，介紹晶圓制造的頭道工序設備——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。

單晶爐的基本結構（如下圖1所示）由以下九部分構成：

上爐室、下爐室、爐蓋、隔離閥室、觀察窗、晶體提升旋轉(zhuǎn)機構、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機構、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，完整的和全面細節(jié)的結晶過程，以此方法用來預測晶體生長,改善晶體生長技術。數(shù)值模擬是當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力細節(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)化設計單晶爐的機械結構，在拉晶過程中以仿真結果設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)主營半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件業(yè)務，為半導體、新能源、新材料等領域提供解決方案。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)領先的專注于“先進材料先進裝備”的高新技術企業(yè)，圍繞硅、藍寶石、碳化硅三大主要半導體材料開發(fā)一系列關鍵設備，并延伸至化合物襯底材料領域。

北京京儀自動化裝備技術股份有限公司

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)品包括半導體專用溫控設備（Chiller）、晶圓傳片設備（Sorter）、半導體專用工藝廢氣處理設備（Local Scrubber）等專用設備，現(xiàn)已廣泛應用于半導體、LED、LCD、太陽能等領域。

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、其他半導體相關設備。

西安創(chuàng)聯(lián)新能源設備有限公司

該公司是一家從事太陽能相關設備及電子專用設備的新型股份制企業(yè)，專業(yè)生產(chǎn)單晶爐并集設計開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務為一體的高新技術企業(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是具有多元化技術的跨國集團,在中國分別設立杭州和上海兩個據(jù)點。在諸如終端產(chǎn)品、制造設備和很多行業(yè)中，F(xiàn)errotec都有出眾的市場表現(xiàn)。以磁性流體技術和磁流體密封技術為基石，F(xiàn)errotec不斷探索新的技術領域。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。主要應用微電子集成電路和太陽能電池領域，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格，主要應用大功率器件，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。