中国晶体硅生长炉设备调查
目前我国有超过30家企业在生产多晶硅铸锭炉和单晶炉。现推出中国晶体硅生长炉设备调查。
多晶硅铸锭炉发展迅速太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅料及生产设备来支撑。世界光伏产业中，多晶硅片太阳能电池占据主导地位，带动了多晶硅铸锭生长设备市场的发展。目前，全球太阳能电池的主流产品为硅基产品，占太阳能电池总量的85％以上。多晶硅太阳能电池占太阳能电池总量的56%。多晶硅太阳能电池由于产能高，单位能源消耗低，其成本低于单晶硅片，适应降低太阳能发电成本的发展趋势。多晶铸锭生长技术已逐渐发展成为一种主流的技术，由此也带动了多晶硅铸锭炉市场的发展。多晶硅铸锭炉作为一种硅重熔的设备，重熔质量的好坏直接影响硅片转换效率和硅片加工的成品率。
目前，我国引进最多的是GT SOALR（GT Advanced Technologies Inc.，以下简称GT）
的结晶炉。在国际多晶硅铸锭炉市场上，市场份额占有率最高的为美国GT公司和德国ALD公司。GT公司市场主要面向亚洲，在亚洲的市场销售额占其收入的60%；ALD公司主要面向欧洲市场。其他多晶铸锭设备的主要国际生产商还有美国Crystallox Limited、挪威Scanwafer、普发拓普、和法国ECM。德国ALD公司生产的多晶硅铸锭炉投料量为400kg/炉；美国Crystallox Limited 公司为275kg/炉；挪威Scanwafer公司生产的多晶硅铸锭炉可同时生产4锭，投料量达到800～1000kg/炉，该设备属于专利产品，暂时不对外销售；法国ECM生产的多晶硅铸锭炉采用三温区设计，提高了硅料的再利用率高。
国内的保定英利、江西赛维LDK、浙江精功太阳能都是引进GT的结晶炉。从早期160公斤级到240公斤级，目前容量已增加到450公斤级甚至到800公斤级。2003年10月国内第一条铸锭线在保定英利建成，2006年4月LDK项目投产，百兆瓦级规模生产启动。随后，尚德、林洋、CSI等众多企业多晶硅电池开始量产。2002年, 30~50kg的小型浇铸炉研发；2004年, 100kg试验型热交换型铸锭炉研发；2007年, 240kg大生产型定向凝固炉研发成功并推向市场。
2007年，我国首台多晶硅铸锭炉由浙江精功科技股份有限公司研制成功并生产，多晶硅铸锭炉迅速呈现出国产化的趋势，目前，国内已有几家企业能够生产出拥有自主知识产权的多晶硅铸锭炉，如：北京京仪世纪电子股份有限公司、上海汉虹精密机械有限公司、浙江精功科技股份有限公司、北京京运通科技股份有限公司、中国电子科技集团公司第四十八研究所、精工机电研究所有限公司、上海普罗、宁夏日晶等。
与国外相比，我国多晶硅铸锭炉技术研发和生产起步较晚。我国2002年完成了30～5 0kg小型浇铸炉的研发，2004年完成了100kg实验型热交换型铸锭炉的研发，2007年和2008年分别完成了240kg大型定向凝固炉和450kg大容量铸锭炉的研发并成功推向市场，目前正在向8 00kg投料量的更大型号的铸锭炉发展。从整体技术水平看，我国多晶硅铸锭炉的制造技术水平和国外相比还要滞后1～2年，技术创新能力有待加强，特别是在热场工艺方面的研究尚显不足；但在加热器、隔热笼、真空系统、安全性、节能以及工艺控制软件设计等方面，国内也有新颖之处，已逐步接近国外技术水平。但我国铸锭炉仍然需要在仍然需要在两方面加大速度，一是降低能耗方面：加大硅锭质量，优化热场设计；二是提高质量方面：晶体质量、杂质分布，和单晶硅竞争。
单晶炉研发较早
单晶炉方面，1961年，在中国科学院半导体物理所林兰英院士的亲自指导下，北京机械学院工厂（西安理工大学工厂的前身）的技术人员与半导体物理所的技术人员共同研制出了我国第一台人工晶体生长设备—TDK-36型单晶炉，并且成功拉制出了我国第一根无位错的硅单晶，单晶质量接近当时的国际先进水平，TDK-36型单晶炉投料量只有1kg，拉制单晶直径Φ35mm。1 972年，研制出能够生长73 mm(1．5英寸)的单晶炉；1973年开发了TDR-40型单晶炉，投料量3kg，单晶直径Φ50mm。1978年，开发了TDR-50型单晶炉，投料量12kg，拉制单晶直径Φ75m m。随着集成电路的迅猛发展，对硅单晶的直径要求越来越大，单晶炉也不断向大型化发展，1 979年，研制出能够生长50 mm(2英寸)的单晶炉；1983年，研制出能够生长75 mm(3英寸)的单
晶炉；1991年，研制出能够生长100 mm(4英寸)的单晶炉；1996年，研制出能够生长1 500 mm (6英寸)的单晶炉；1998年，研制出能够生长200 mm(8英寸)的单晶炉，其发展进程如图l所示；到目前为止，我国的晶体生长设备-单晶炉已经能够满足稳定生产200 mm集成电路级的硅单晶，能够满足规模生产212 mm(8．5英寸)的太阳能光伏电池级硅单晶的能力；目前，一些设备生产单位正在研制300 mm(12英寸)的硅单晶炉。
目前在国内市场上运行的单晶炉有十几种型号，而国产设备也有8种之多，由于近年来硅单晶材料市场形势发展良好，硅单晶生长设备需求量激增，使得现有硅单晶生长设备生产厂家销售量急速增大，同时也激发了更多公司投资硅单晶生长设备的生产制造，使得该行业竞争激烈的同时也暴露出了很多问题。在国内生产单晶炉的企业有几十家，其中具有代表性的单晶炉生产企业有西安理工晶科、京运通、华龙光电、京仪世纪、上海汉虹、宁夏日晶等。以上所述企业，基本上都是以提拉法拉制单晶。
典型企业分析
江苏华盛天龙光电设备股份有限公司（原常州华盛天龙机械有限公司、江苏华盛天龙机械股份有限公司）今年1月5日推出DRZF-450型多晶硅浇铸炉，生产出第一炉多晶硅锭净重420KG，使其晋升为国内太阳能电池硅材料生产、加工设备领域中产品种类最齐全的企业之一。另外该公司生产的DRF-85A型单晶硅晶体生长炉可以使用18英寸或20英寸的热系统，投料60公斤-90公斤，拉制6英寸～8.5英寸硅单晶。其创新之处为：1.从节能降耗、经济合理方面考虑，将真空炉室尺寸设计为φ850mm×1250mm(直径×高度)，主炉室分上下两部分，大大节约能耗；创造性地设计了导流筒提升机构，增大了投料量，提高了生产效率；从稳定可靠方面考虑，优化设计了晶体提拉旋转机构，同时对上传动机构进行动平衡设计，保证高速下的稳定性；控制系统采用独有的创新算法和控制原理，合理设计信号采集与处理方法，使控制精度更高更可靠。华龙光电2010年经营收入4.52亿，同比增长52.63%，归属母公司利润8538万，同比增长24.83%。其中单晶炉同比销售增长1.91亿元，增长比例81.5%。另外，该公司与日本株式会社住友金属Fine tech等公司开展合作研发，对公司现有单晶炉产品进行技术改造和升级。基于技术和生产方面
的合作需要，华龙光电已与株式会社住友金属Finetech、明德贸易株式会社签订了三方的合作意向书和保密协议。三方的合作目的是：提高公司生产硅单晶炉的技术性能，提高设备的性价比；满足国际市场对硅单晶炉优质优价的需求，增强竞争力，提高市场占有率。合作的方式是：株式会社住友金属Finetech向华盛天龙提供其拥有的最先进的技术和生产工艺，华盛天龙和明德贸易株式会社根据其提供的技术文件和工艺设备生产其所需的硅单晶炉的关键部件。
据悉，国内单晶炉投料量大多在120公斤以内。其中由河北晶龙阳光设备有限公司自主研发设计的JL-CZ120新型单晶炉用于拉制8-10英寸单晶硅棒，可兼容22英寸、24英寸两套热场，投料量达到120公斤以上，满足了市场对大直径单晶设备的需求。并于2011年8初实现批量化生产，并顺利投入使用。该公司定型产品有CZ-70、CZ-80、CZ-90、CZ-110系列。产品突出技术特点是采用了PLC自动控制系统、自主创新的热系统、磁性流体密封、功率因数补偿、谐波抑制等技术，实现热场的恒温控制，满足了稳定、连续、高效、自动控制Φ6〞～Φ12〞无位错低氧碳单晶的要求,产品具有高效、节能、环保、自动化等优点。
北京京运通科技股份有限公司是我国真空晶体生长设备（包括软轴单晶炉、多晶硅铸锭炉、区熔炉、多晶硅还原炉等）研发制造于一体的专业生产厂家，其生产的单晶炉配置工业控制计算机，以人机界面/触摸屏的形式实现晶体生长的自动控制。同时CCD技术的应用提高了等经控制精度和晶体生长良品率，根据晶体生长的工艺特点，结合热场设计进行计算机辅助控制的软、硬件开发工作，正向国际先进水平靠拢。同时不断研发新的产品，JRDL-900型单晶炉、QR-400区熔高阻单晶炉、多晶硅还原炉等科技含量更高的设备相继下线，进入市场，跻身于世界上单晶炉销售数量最多的光伏设备制造商。2003年，公司自主研发成功5英寸单晶硅生长炉并实现产业化推广，打破了同类产品被国外公司垄断的格局，奠定了国内光伏设备产业的领军地位。此后，公司相继推出6英寸、6.5英寸、8英寸单晶硅生长炉，并于2010年开始大尺寸单晶硅生长炉（12英寸）的样机试验和区熔单晶硅炉的样机制造，新产品开发始终走在国内前列。目前，公司已累计销售单晶硅生长炉超过2,000台，在国内市场保有率处于首位。2008年，公司自主研发成功多晶硅铸锭炉并实现产业化推广，以其较高的性价比优势迅速占领国内市场，成为仅次于美国G T公司的国内第二大供应商。公司累计销售多晶硅铸锭炉超过500台，在国内市场保有率名列前
茅。截至去年底，公司已累计销售单晶硅生长炉超过2000台，在国内市场保有率处于第一位，公司累计销售多晶硅铸锭炉已超过500台，在国内市场保有率同样是名列前茅。
上海汉虹精密机械有限公司的HXH-270/450型多晶硅铸锭炉融合了多种当代新技术，装料量大，能大幅提升产能。由于采用独特的陶瓷纤维+石墨硬毡双重安全防护设计并有自动漏硅感应系统，可及时启动漏硅应急措施。HXH－270/450型是通过引进日本技术，针对太阳能电池市场需求而开发的高性能多晶硅铸锭设备。该设备将多晶硅碎块料、头尾料、埚底料、各种单晶废片等材料装入炉内化料的石英坩埚内，经融化、重新定向结晶及退火等工艺,铸成生产太阳电池的前道原料多晶硅锭。止到2010年2月初,汉虹精机多晶铸锭炉出货实现100台，单晶炉出货7 55台，签单总量近1000台。
上海普罗新能源有限公司自行研制、具有多项自主知识产权的RDS4.6系列多晶硅铸锭炉，单炉产量标称1800公斤，最大可达2000公斤，每炉可同时对四个坩埚进行铸锭，可采用目前光伏产业传统的450公斤标准坩埚，也可采用加高的500公斤坩埚。该炉型不仅具有能耗低、产量大、易操作和维护量少等优点，经过无数炉的实际测试，其合格硅锭可切片合格率>67%，硅片的转换效率可达16.8%以上，铸锭质量可达到国际同类最高水平。
北京七星华创电子股份有限公司（简称“七星电子”）的CS300质量流量控制器以其压力补偿技术，代表了国内最先进的技术水平。西安理工晶体科技有限公司自1961年研制成功我国第一台单晶炉以来，已定型生产12大系列、近百种型号电子专用设备。它涉及半导体、光学及激光、化合物、氧化物、氟化物等晶体材料以及多晶硅、合金材料、人工宝石等高科技领域。
今年，宁夏日晶新能源装备公司也推出了一系列的新产品：全自动单晶炉，在以前的NXRJ -CZ85炉、90炉、以及95炉基础上，推出了最新型的炉型型号NXRJ-CZ105炉，装料150公斤。技术特点：设备稳定、装料量大，装料后从抽真空、化料、引晶、放肩/转肩、等径、收尾都可以实现自动化控制。最新型的人机对话控制界面，使拉晶变得越来越简单控制，是在此次调查中国内性价比比较高的单晶炉。多晶铸锭炉方面，日晶在原来成熟稳定的500系列炉型基础上，推
出了660系列的多晶铸锭炉，型号：NXRJ-MC660系列炉型，最大装料可达800公斤。技术特点：NXRJ-MC660系列炉型，在继承了NXRJ-MC 500系列炉型安全、稳定、操作简单、铸锭成品率高的高性价比的优点上，增加了大投料量，可使单位生产成本更加的低。满足了广大客户的需求。
河南凤凰研制出新型铸锭炉，可以铸锭准单晶。温州永泰于今年11月左右会推出大容量铸锭炉，型号为GEH500，技术特点：最大投料量500KG。12月左右推出类单晶铸锭炉，型号为GECH500，技术特点：以铸锭方式生产单晶硅。10月推出大容量单晶炉型号为CF1200 ,技术特点：最大投料量在260KG，单晶直径在18英寸。
2011年国内多晶硅铸锭炉新增需求增幅回落到40%左右的水平，而国内规模化厂商迅速开始了进口替代过程，实际增长率依然超过200%甚至更多。2010年国内硅片厂商新增产能达到12GW左右，而2011年则超过16GW。我们估测2011、2012年国内多晶硅铸锭炉新增需求在1 958台、2513台左右。但2012年以后，大规模的进口化替代告一段落，需求增长也将回归到30%
左右的行业正常速度。多晶硅铸锭炉单次投料量大，产出高，生产耗电是单晶硅生长炉的10%~1 2%，而多晶硅电池片转换效率仅比单晶硅电池片低1-2个百分点，其低成本优势符合光伏应用普及化的趋势，在全球太阳能电池中的应用比例不断扩大。随着我国硅片生产企业规模的扩大，对多晶硅铸锭炉的需求也逐渐增长。
多晶硅铸锭炉的关键技术一直由美国、欧洲公司垄断，国外长期以来对我国实行技术上的严密封锁，我国多年来一直处于受制于人的局面。美国GT Solar公司的多晶硅铸锭炉占据了我国绝大部分市场。从1994年最初研制的热交换法（HEM）铸锭炉到近年推出的DSS450HP晶炉，GT Solar的铸锭炉技术已经历了5次重大创新。这些重大创新主要体现在机械设计、真空与高压室、控制系统设计、晶体生长模型等方面的技术创新。首先，定向凝固的方法，从最初的热交换法更新到热交换法与布里曼法（强制冷却和将坩埚移离热源）相结合的方法，使得铸锭效率增加；第二，投料量逐步增大，从240kg到450kg；第三，铸锭工艺上的更新，如运行周期从大约60h缩短到50h；第四，热场的改进，使得多晶铸锭的能耗进一步降低。我国晶体长生炉设备还有很多不足之处，与国际先进水平尚有一些差距。晶体生长炉还将不断向大直径、高质量、产业化方向发展。
晶体生长方法 一、提拉法 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 二、热交换法
热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。 三、坩埚下降法 坩埚下降法又称为布里奇曼－斯托克巴格法，是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件
单晶硅生长炉原理 单晶硅生长炉原理 首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100m 单晶硅生长炉 m左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。 直拉法，也叫切克劳斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据统计，世界上硅单晶的产量中70％～80％是用直拉法生产的。 单晶硅生长炉现状 目前国内外晶体生长设备的现状如下： 美国KAYEX公司 国外以美国KAYEX公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。KAYEX公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一。KAYEX的产品早在80年代初就进入中国市场，已成为中国半导体行业使用最多的品牌。该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空－检漏－熔料－引晶－放肩－等径－收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性好，直径偏差在单晶全长内仅±1mm。主要产品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。
晶体生长计算软件FEMAG 20世纪80年代中期，鲁汶大学Fran?ois Dupret教授带领其团队，开始晶体生长的研究，经过10多年的行业研发及应用，Fran?ois Dupret教授于2003年成立了FEMAGSoft公司（总部设在比利时Louvain-la-Neuve市），正式推出晶体生长数值仿真软件FEMAG。如今，FEMAG软件已成为全球行业用户高度认可的数值仿真工具，在晶体生长数值模拟领域处于国际领先地位。 FEMAG Soft擅长所有类型晶体材料生长方面的工艺模拟专业技术，比如：?直拉法（Czochralski） ?区熔法（Floating Zone） ?适用于铸锭定向凝固过程工艺（DS），Bridgman法 ?物理气相传输法（PVT） 产品模块 1.FEMAG/CZ-Czochralski (CZ) Process 适用于Czochralski直拉法生长工艺和Kyropoulos生长工艺 2.FEMAG/DS-Directional Solidification (DS) Process 适用于铸锭定向凝固过程工艺 3.FEMAG/FZ-Float Zone Process (FZ) 适用于区熔法生长工艺
主要功能 1.全局热传递分析 “全局性”即包涵所有拉晶要素在内，并考虑传热模式的耦合。全局热传递模拟分析，主要考虑:炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析。 2.热应力分析 按照经验，一般情况下，晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以进行三维的非轴对称和非各向同性温度场热应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。 “位错”的产生是由于在晶体生长过程中,热剪应力超越临界水平,被称为CRSS(临界分剪应力)，而导致的塑性变形。 3.点缺陷预报 该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷(自裂缝和空缺),该仿真可以很好的预测在晶体生长过程中点缺陷的分布。 4.动态仿真 动态仿真提供了对复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分,布动态仿真尤其是不可或缺的。 5.固液界面跟踪 在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的柑祸旋转速度和不同的提拉高度,其固液界面是不同的。 6.加热器功率预测 利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。
单晶硅生长炉 目录 单晶硅生长炉 原理简介 目前国内外晶体生长设备的现状 单晶硅生长炉的特点 单晶硅生长炉 原理简介 目前国内外晶体生长设备的现状 单晶硅生长炉的特点 展开 编辑本段单晶硅生长炉 单晶硅生长炉是通过直拉法生产单晶硅的制造设备。主要由主机、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。 1、主机部分： ●机架，双立柱 ●双层水冷式结构炉体 ●水冷式阀座 ●晶体提升及旋转机构 ●坩埚提升及旋转机构 ●氩气系统 ●真空系统及自动炉压检测控制 ●水冷系统及多种安全保障装置 ●留有二次加料口 2、加热器电源： 全水冷电源装置采用专利电源或原装进口IGBT及超快恢复二极管等功率器件。配以特效高频变压器，构成新一代高频开关电源。采用移相全桥软开关（ZVS）及CPU独立控制技术，提高了电能转换效率，不需要功率因数补偿装置。 3、计算机控制系统： 采用PLC和上位工业平板电脑PC机，配备大屏幕触摸式HMI人机界面、高像素CCD测径ADC系统和具有独立知识产权的“全自动CZ法晶体生长SCADA监控系统”，可实现从抽真空—检漏—炉压控制—熔料—稳定—溶接—引晶—放肩—转肩—等径—收尾—停炉全过程自动控制。
中国西安理工大学研究所 。 美国KAYEX公司 德国CGS GmbH公司 编辑本段单晶硅生长炉的特点 HD系列硅单晶炉的炉室采用3节设计。上筒和上盖可以上升并向两边转动，便于装料和维护等。炉筒升降支撑采用双立柱设计，提高稳定性。支撑柱安装在炉体支撑平台的上面，便于平台下面设备的维护。炉筒升降采用丝杠提升技术，简便干净。 全自动控制系统采用模块化设计，维护方便，可靠性高，抗干扰性好。双摄像头实时采集晶体直径信息。液面测温确保下籽晶温度和可重复性。炉内温度或加热功率控制方式可选，保证控温精度。质量流量计精确控制氩气流量。高精度真空计结合电动蝶阀实时控制炉内真空度。上称重传感器用于晶棒直径的辅助控制。伺服电机和步进电机的混合使用，即可满足转动所需的扭矩，又可实现转速的精确控制。质量流量计精确控制氩气流量。 自主产权的控制软件采用视窗平台，操作方便简洁直观。多种曲线和数据交叉分析工具提供了工艺实时监控的平台。完整的工艺设定界面使计算机可以自动完成几乎所有的工艺过程。 加热电源采用绿色纵向12脉冲直流电源。比传统直流电源节能近15%。 特殊的温场设计使晶体提拉速度提高20-30%。
大规格蓝宝石单晶体生长炉技术说明 一、项目市场背景 α-Al2O3单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。 蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有熔焰法、提拉法、区熔法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺点和局限性，较难满足未来蓝宝石晶体的大尺寸、高质量、低成本发展需求。例如，熔焰法、提拉法、区熔法等方法生长的晶体质量和尺寸都受到限制，难以满足光学器件的高性能要
求；热交换法、温度梯度法和泡生法等方法生长的蓝宝石晶体尺寸大，质量较好，但热交换法需要大量氦气作冷却剂，温度梯度法、泡生法生长的蓝宝石晶体坯料需要进行高温退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂、成本高。 二、微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体工艺技术说明 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体方法在对泡生法和提拉法改进的基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法，主要在乌克兰顿涅茨公司生产的 Ikal-220型晶体生长炉的基础上改进和开发。晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和热防护系统等。微提拉旋转泡生法大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过调控系统内的热量输运来控制整个晶体的生长过程，因此加热体与热防护系统的设计，热交换器工作流体的选择、散热能力的设计，晶体生长速率、冷却速率的控制等工艺问题对能否生长出品质优良的蓝宝石晶体都至关重要。 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体，生长设备集水、电、气于一体，主要由能量供应与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统及其它附属设备等组成。传动系统作为籽晶杆(热交换器)提拉和旋转运动的导向和传动机构，与立柱相连位于炉筒之上，其主要由籽晶杆(热交换器)的升降、旋转装置组成。提拉传动装置由籽晶杆(热交换器)的快速及慢速升降系统两部分组成。籽晶杆(热交换器)的慢速升降系统由稀土永磁直流力矩电机，通过谐波减速器与精密滚珠丝杠相连，经滚动直线导轨导向，托动滑块实现籽晶杆(热交换器)在拉晶过程中的慢速升降运动。籽晶杆(热交换器)的快速升降系统由快速伺服电机经由谐波减速器上的蜗杆、蜗杆副与谐波的联动实现。籽晶杆的旋转运动由稀土永磁式伺服电机通过楔形带传动实现。该传动系统具有定位精度高、承载能力大，速度稳定、可靠，无振动、无爬行等特点。采用精密加热，其具有操作方法简单，容易控制的特点。在热防护系统方面，该设计保温罩具有调节气氛，防辐射性能好，保温隔热层热导率小，材料热稳定性好，长期工作不掉渣，不起皮，具有对晶体生长环境污染小，便于清洁等优点。选用金属钼坩埚，并依据设计的晶体生长尺寸、质量来设计坩埚的内径、净深、壁厚等几何尺寸，每炉最大可制备D200mmX200mm，重量25Kg蓝宝石单晶体。Al2O3原料晶体生长原料采用纯度为5N的高纯氧化铝粉或熔焰法制备的蓝宝石碎晶。 从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。 ９９．９９％以上纯度氧化铝粉末加有机黏结剂，在压力机上形成坯体；先将该坯体预先烧成半熟状态的氧化铝块，置入炉内预烧，将炉抽真空排出杂质气体，先后启动机械泵、扩散泵，抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，当炉温达１５００－１８００℃充入混合保护气体，继续升温至设定温度（２１００－２２５０℃）；（３）炉温达设定温度后，保温４－８小时，调节炉膛温度
第五章 硅的外延薄膜的生长 外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层(0.5～20微米)的方法。如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，但常常就被简单地称为外延。在硅衬底上淀积硅是同质外延最重要的在技术上的应用，并且是本章的基本主题。在另一方面，如果在化学成分不同的衬底上进行淀积，则称为异质外延。这种工艺已在被称为SOS的在蓝宝石(Al2O3)上淀积硅的工艺中得到应用。外延起源于两个希腊字，意思是整理安排。 外延生长可以从气相(VPE)、液相(LPE)或固相(SPE)中获得。在硅工艺中，气相外延得到了最广泛的接受，因为它对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性。液相淀积在制造Ⅲ?Ⅴ族化合物外延层时得到广泛使用。正如在第九章“非晶层损伤的退火”中讲到的，固相外延可用于离子注入的非晶层的再结晶。 发展硅外延的主要动机是为了改善双极型晶体管及后来的双极型集成电路的性能。通过在重掺杂的硅衬底上生长一层轻掺杂的外延层，双极型器件得到优化：在维持低集电区电阻的同时，获得高的集电极－衬底击穿电压。低的集电区电阻提供了在中等电流时的高的器件工作速度。最近外延工艺已被用于制造先进的CMOS大规模集成电路。这些电路中，器件被做在重掺杂的衬底上的一层很薄的(3～7微米)轻掺杂的外延层中。这种结构减少了在功率增加或在遭到辐射脉冲时CMOS电路可能经受的闩锁效应。在外延层中制造器件(双极型和MOS)的其他优点还有：器件掺杂浓度的精确控制，并且这层中可以不含氧和碳。但外延工艺并不是没有缺点，包括：a)增加了工艺复杂性和硅片成本；b)在外延层中产生缺陷；c)自掺杂以及d)图形改变和冲坏。 在这一章中，我们介绍了：a)外延淀积基础；b)外延层的掺杂；c)外延膜中的缺陷；d)对大规模集成电路的外延淀积的工艺考虑；e)外延淀积设备；f)外延膜的表征；g)硅外延的选择性淀积；和h)硅的分子束外延。 外延淀积基础 这部分讨论了用于硅的气相外延的化学气相淀积(CVD)工艺的基础理论。包括了反应物和产物的通过边界层的传输以及它们在衬底上的化学反应。 Grove外延膜生长模型 外延淀积是一个化学气相淀积的过程。以下五个步骤对于所有的化学气相淀积是基本的：1)反应物被运输到衬底上；2)反应物被吸附在衬底表面上；3)在表面发生化学反应以生成薄膜和反应产物；4)反应产物从表面被放出；和5)反应产物从表面被运走。在某些情况下，在步骤1之前先进行一个气相反应以形成薄膜的前身(反应物)。 甚至直到现在，针对全部五个步骤 而发展出一个数学关系式仍是困难的。 Grove1基于一个只适用于步骤1和3(反 应物的运输和化学反应)的假设而研发 出一个模型。尽管这些假设具有局限性， 该模型还是解释了许多在外延淀积工艺 中观察到的现象。 图1是关于这个模型的本质的图解。它显示了反应气体的浓度分布和从气体的主体到正在生长的薄膜表面的流量F1(单位时间内通过单位面积的原子或分子的数量，原子/厘米2秒)。它还显示了另一个代表反应气体消耗的流量F2。用于硅外延的反应气体可以是下列气体中的任何一种：SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2、
中国晶体硅生长炉设备调查 目前我国有超过30家企业在生产多晶硅铸锭炉和单晶炉。现推出中国晶体硅生长炉设备调查。 多晶硅铸锭炉发展迅速太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅料及生产设备来支撑。世界光伏产业中，多晶硅片太阳能电池占据主导地位，带动了多晶硅铸锭生长设备市场的发展。目前，全球太阳能电池的主流产品为硅基产品，占太阳能电池总量的85％以上。多晶硅太阳能电池占太阳能电池总量的56%。多晶硅太阳能电池由于产能高，单位能源消耗低，其成本低于单晶硅片，适应降低太阳能发电成本的发展趋势。多晶铸锭生长技术已逐渐发展成为一种主流的技术，由此也带动了多晶硅铸锭炉市场的发展。多晶硅铸锭炉作为一种硅重熔的设备，重熔质量的好坏直接影响硅片转换效率和硅片加工的成品率。 目前，我国引进最多的是GT SOALR（GT Advanced Technologies Inc.，以下简称GT） 的结晶炉。在国际多晶硅铸锭炉市场上，市场份额占有率最高的为美国GT公司和德国ALD公司。GT公司市场主要面向亚洲，在亚洲的市场销售额占其收入的60%；ALD公司主要面向欧洲市场。其他多晶铸锭设备的主要国际生产商还有美国Crystallox Limited、挪威Scanwafer、普发拓普、和法国ECM。德国ALD公司生产的多晶硅铸锭炉投料量为400kg/炉；美国Crystallox Limited 公司为275kg/炉；挪威Scanwafer公司生产的多晶硅铸锭炉可同时生产4锭，投料量达到800～1000kg/炉，该设备属于专利产品，暂时不对外销售；法国ECM生产的多晶硅铸锭炉采用三温区设计，提高了硅料的再利用率高。 国内的保定英利、江西赛维LDK、浙江精功太阳能都是引进GT的结晶炉。从早期160公斤级到240公斤级，目前容量已增加到450公斤级甚至到800公斤级。2003年10月国内第一条铸锭线在保定英利建成，2006年4月LDK项目投产，百兆瓦级规模生产启动。随后，尚德、林洋、CSI等众多企业多晶硅电池开始量产。2002年, 30~50kg的小型浇铸炉研发；2004年, 100kg试验型热交换型铸锭炉研发；2007年, 240kg大生产型定向凝固炉研发成功并推向市场。
直拉硅单晶生长的现状与发展 摘要：综述了制造集成电路（IC）用直拉硅单晶生长的现状与发展。对大直径生长用磁场拉晶技术，硅片中缺陷的控制与利用（缺陷工程），大直径硅中新型原生空位型缺陷，硅外延片与SOI片，太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计算机模拟，硅熔体与物性研究等进行了论述。 关键词：直拉硅单晶；扩散控制；等效微重力；空洞型缺陷；光电子转换效率；硅熔体结构 前言 20世纪中叶晶体管、集成电路（IC）、半导体激光器的问世，导致了电子技术、光电子技术的革命，产生了半导体微电子学和半导体光电子学，使得计算机、通讯技术等发生了根本改变，有力地推动了当代信息（IT）产业的发展．应该强调的是这些重大变革都是以半导体硅材料的技术突破为基础的。2003年全世界多晶硅的消耗，达到了19 000 t，但作为一种功能材料，其性能应该是各向异性的．因此半导体硅大都应该制备成硅单晶，并加工成硅抛光片，方可制造I C 器件。 半导体硅片质量的提高，主要是瞄准集成电路制造的需要而进行的。1956年美国仙童公司的“CordonMoore”提出，IC芯片上晶体管的数目每隔18~24个月就要增加一倍，称作“摩尔”定律。30多年来事实证明，IC芯片特征尺寸（光刻线宽）不断缩小，微电子技术一直遵循“摩尔定律”发展。目前，0.25 μm、0.18μm线宽已进入产业化生产。这就意味着IC的集成度已达到108~109量级，可用于制造256MB的DRAM和速度达到1 000MHE的微处理芯片。目前正在研究开发0.12 μm到0.04μm的MOS器件，预计到2030年，将达到0.035μm 水平。微电子芯片技术将从目前器件级，发展到系统级，将一个系统功能集成在单个芯片上，实现片上系统（SOC）。 这样对半导体硅片的高纯度、高完整性、高均匀性以及硅片加工几何尺寸的精度、抛光片的颗粒数和金属杂质的沾污等，提出了愈来愈高的要求。 在IC芯片特征尺寸不断缩小的同时，芯片的几何尺寸却是增加的。为了减少周边损失以降低成本，硅片应向大直径发展。在人工晶体生长中，目前硅单晶尺寸最大。 当代直拉硅单晶正在向着高纯度、高完整性、高均匀性（三高）和大直径（一大）发展。 磁场直拉硅技术 硅单晶向大直径发展，投料量急剧增加。生长φ6″、φ8″、φ12″、φ16″硅单晶，相应的投料量应为60 kg、150 kg、300 kg、500 kg。大熔体严重的热对流，不但影响晶体质量，甚至会破坏单晶生长。热对流驱动力的大小，可用无量纲Raylieh数表征：
单晶硅生长原理及工艺 摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm ；坩埚转速： 5、 150×1000mm 优质单晶硅棒。分别对这三种单晶硅样品进行 了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm ，坩埚转速为 ０７ ），男，助理研究员，E-mail ：lxliu2007@https://www.doczj.com/doc/617444325.html, 。 刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1 （1.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；2.吉林建筑工程学院，长春 130021） Growth Principle and Technique of Single Crystal Silicon LIU Lixin 1，LUO Ping 1，LI Chun 1，LIN Hai 1，ZHANG Xuejian 1，2 ，ZHANG Ying 1 （1.Changchun University of Science and Technology ，Changchun 130022；2.Jilin Architectural and civil Engineering institute ，Changchun 130021） Abstract ：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed:2.5，10，20rpm;crucible rotation speed:-1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of é? ??ì?2a?÷?￠?ˉ3éμ??·?￠ì????üμ?3?μè ［1］ 。此外，硅 没有毒性，且它的原材料石英(SiO 2)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料［2］。 到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在 硅材料基础之上的，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用单晶硅制造的。其中单晶硅太阳能电池是 最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的最 主要材料之一。单晶硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命长，是制备太阳能电池的理想材料。因此备受世界各国研究者的重视和青睐，其市场占有率为太阳能电池总份额中的40%左右［3］。 随着对单晶硅太阳能电池需求的不断增加，单晶硅市场竞争日趋激烈，要在这单晶硅市场上占据重要地位，应在以下两个方面实现突破，一是不断降低成本。为此，必须扩大晶体直径，加大投料量，并且提高拉速。二是提高光电转换效率。为此，要在晶体生长工艺上搞突破，减低硅中氧碳含 第32卷第4期2009年12月 长春理工大学学报（自然科学版） Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）Vol.32No.4 Dec.2009
晶体生长方法 1) 提拉法（Czochralski,Cz ） 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的 论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常 用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这 种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几 项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法， LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化 合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法） 生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单 晶等）。 所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装 在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中， 籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边 旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、 转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。 提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 图1 提拉法晶体生长装置结构示意图
2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM） 热交换法是由D. Viechnicki和 F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。 其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长 驱动力来自固液界面上的温度梯度。特 点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼 坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体， 熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯 度分别由发热体和热交换器（靠He作 为热交换介质）来控制，因此可独立地 控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固 液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长 过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于 静止状态，处于稳定温度场中，而且熔 体中的温度梯度与重力场方向相反，熔 体既不产生自然对流也没有强迫对流； (3) HEM法最大优点是在晶体生长结束 后，通过调节氦气流量与炉子加热功率， 实现原位退火，避免了因冷却速度而产 生的热应力；(4) HEM可用于生长具有 图2HEM晶体生长装置结构示意图 特定形状要求的晶体。 由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。
硅外延中的化学原理 一氢气的纯化原理 1 分子筛:他是一种人工合成的高效硅铝酸盐,具有微孔结构的晶体,脱水后的分子筛产 生许多肉眼看不见的大小相同的孔洞,具有很强的吸附力,能把小于孔洞的分子吸进孔洞而被吸附,大于孔洞的分子挡在孔外,从分子筛小晶粒间通过.此外,是否被吸附还与物质分子的极性有关,一般来说对极性强的,不饱和性大的分子有优先被吸附的能力.如优先吸附水,氨,硫化氢等极性分子,而对氢,甲烷等非极性分子不吸附. 分子筛分A,X,Y型,具有以下特性: ①分子筛可以用来选择性吸附水分. ②气体相对湿度低时具有良好的吸附容量,而且不会被液态水损坏. ③具有热稳定性,低高温都可使用. ④再生可连续使用,吸收的水分可在350—500℃下加热除去. 2 脱氧剂 又称C-05催化剂,是含0.03﹪钯的分子筛.工作原理:在常温下氢气通过其表面时,氢气中的氧和氢化合生成水,反应如下: 2H 2+O 2 →2H 2 O+Q 催化反应在催化剂的表面进行,如果原料氢中的含氧量过高,放热反应使催化剂表面的温度很高,如含氧量大于5﹪则催化剂的表面温度可达800-1000℃,高的温度将使通过的氢被加热,使吸附效率下降,并会使催化剂的稳定性变坏而失去催化作用(在550℃以下较为稳定),所以允许通过的氢含氧量为2.5﹪. 3 钯管的纯化原理 其他的方法只能除水和氧气,但氢气中的氮,碳氢化合物,二氧化碳等就难以除去,而采用钯管纯化氢气则可同时除去上述有害气体.钯管又称钯合金膜管,是一个通过气体扩散的方法来制取高纯氢的装置,氢气的纯度可达8个9,是最好的一种方法.其原理如下:金属钯在一定催化条件下有选择的吸附,溶进和渗透氢气的性质.加热到450℃左右时,由于钯的催化作用,氢分子在合金膜表面离解为氢原子,并进一步离解为氢离子和电子,由于钯的晶格常数为3.88埃,而氢离子的半径仅1.5×10-5埃,所以在催化状态下可以通过,然后又合成氢原子,氢原子再合成氢分子.从而达到氢气有高浓度向低浓度的方向扩散. 4 二氧化硅的结构 二氧化硅晶体:每个硅原子和周围的四个氧原子构成共价键,叫硅氧桥结构. 无定形硅:除存在硅桥结构外,也存在由SIO 4 组成的四面体,氧化工艺中得到的是无定形二氧化硅.湿氧氧化时,还会有非桥键的基(-OH),即硅醇存在.硅桥结构越少,氧化层越疏松.由于硅醇中基的亲水性,易于吸附水,所以湿氧氧化后表面总存留一些水分子不易除尽,这就是疏水的由来. 二氧化硅极易被钠离子污染,使器件漏电增大. 5 硅P-N结显示的化学原理: 3-7﹪的硫酸铜溶液,加几滴氢氟酸,硅可从硫酸铜溶液中置换出铜来, SI+2CUSO 4+HF→2CU↓+H 2 【SIF 6 】+2H 2 SO 4 由于N型硅较P型硅易失去电子,容易发生置换反应,所以在N型硅上有铜析出,从而出现一条明显的分界线.
HOLLIAS-LEC G3 PLC在SiC晶体生长炉控制系统中的应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。因此，SiC 器件和其各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来越重要的作用。 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展。在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用，发展迅速。经过十几年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件。以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品。 国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得了可喜的成果。目前Si C因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片，市场上可以获
得3英寸的SiC圆片，4英寸的圆片生产技术也不断研制成熟。中科院物理研究所从2000年以来投入大量人力和物力进行了SiC晶体关键生长技术的研发，凭借其多年在晶体生长的经验和实力雄厚的科研力量，目前物理所已跻身于全球几个有能力生长2英寸SiC半导体晶体的单位之一，同时已设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉，为规模化生产奠定了基础，并具有明显的价格优势。目前本研究组响应把科学技术转化为生产力的号召，集多方资源建立了从事SiC单晶材料生长炉规模化生产业务的公司。 [ 2 生长炉的组成 SiC晶体的生长条件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且对籽晶质量、固定方式等也有很高要求。物理所利用长期研究工作中积累的单晶生长经验，结合自行设计的独特的坩埚和温场，设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉。除炉体以外，生长炉具有大量控制设备来确保晶体生长苛刻的环境要求，这样控制设备大体上可以分为真空设备、加温设备和运动设备。 真空设备包括变频器、真空计、真空泵、智能控制仪表、真空控制器和密封设备等，真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定；加温设备包括中频加热炉、中频电源、电流/电压传感器、可控硅和PID智能调节温控仪表等，温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给可控硅来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定；运动设备包括步进电机、G3 PLC、丝杠、导轨、编码器、限位开关和触摸屏等，闭环调节籽晶杆和坩埚杆的运动，调节坩埚自转，各种参数可以设置。 3 运动控制系统组成
(2)乙酸与醇反应生成乙酸酯,若产物为 (CH 3O O n R ,变式为(CH 2CO )n ·R (OH )n ,从式子 可看出,生成的酯比相应的醇的分子量增加42n ,若为一元醇则增加42。 五、从反应前后碳链结构看 在下列一系列变化中,分子中的碳链结构不变化:醇醛羧酸酯 所以酯中酯键两侧的碳骨架仍保持着醇的碳骨架 和酸的碳骨架。醇与它自身氧化成的羧酸酯化反应生 成的酯,酯键两侧碳数相同,碳骨架也相同。 六、从酯的特殊性看 甲酸酯中仍有醛基:H C O O R ,所以甲酸酯 能够发生银镜反应,等等,表现出醛的一些性质,同时它有酯的通性。另外,甲酸酯 水解生成甲酸或甲酸盐,所以其产物仍能发生银镜反应。 二氧化硅晶体结构 湖南衡阳县一中(421200) 陈吉秋 一、二氧化硅晶体平面 示意图 高级中学课本化学第二册P6有二氧化硅晶体平面示意图(见图1)。该图说明二氧化硅不是由单个“SiO 2”的 分子所组成的分子晶体,而是一种原子晶体。一个Si 原子跟4个O 原子形成4个共价 键。同时,一个氧原子又跟两个Si 原子形成两个共价键。但该图也有两处不足:①该图并没有反映出二氧化硅真实的三维空间结构。②该图中最小环上是4个Si 原子与4个O 原子交替连结,而实际上二氧化硅晶体中, 最小环上是6个Si 原子与6个O 原子交替连接。 二、二氧化硅晶体空间结构1.硅晶体结构 硅晶体结构与金刚石结构相似(见图2),在硅晶体中,每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围,处于4个硅原子的中心,以共价键跟这4个硅原子结合,成为正四面体结构,这些正四面体结构向空间发展,构成一种坚实的,彼此联结的空间网状晶体。 2.二氧化硅晶体结构 如果在硅的晶体结构示意图中,将所有的Si -Si 键断裂,再在Si 原子与Si 原子之间连一个原子(每个O 原子形成的两个Si -O 键的键角不是180°)就可得到二氧化硅晶体结构示意图(见图3)。 因此,在二氧化硅晶体中,每个硅原子被相邻的4个氧原子包围,处于4个O 原子中心, 以共价键跟这4 个氧原子结合,成为正四面体结构(见图4)。 每个O 原子为两个四面体所共有(见图5)。 这样,许许多多四面体又通过顶点O 原子连成一个整体(见图6),在二氧化硅晶体中最小环上有6个O 原子和6个未画出的Si 原子以Si -O 键交替相连(见图6)。由图3与图7也可得出这个结论。 33 释疑解难★
1.1.5 热交换法Heat exchange method (HEM) 该方法的实质是熔体在坩埚内直径凝固。它 与坩埚移动法的区别是在这种方法中，坩埚不做 任何方向的移动。这是近年来生长大尺寸晶体的 又一发展。Schmid最初的生长是在一个梯度单 晶炉内进行，用以生长大尺寸白宝石单晶。右图 所示的是这种方法的示意图。该梯度炉就是在真 空墨电阻炉的底部装上一个钨铝制成的热交换 器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在 热交换器的顶端，两者中心互相重合，而籽晶置 于坩埚底部的中心处（注意，热交换器与坩埚底 面积之比应有一定的比例），当坩埚内的原料被 加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶并未熔化，当氦气流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段。在这个过程中晶体生长的去的驱动力来自固—液界面上的温度梯度。通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的目的。而晶体的热量可通过氦气的流量带走。因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以建立起所需要的温度梯度。 这种方法的主要优点如下： 1）晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，控制热交换器的温度，是晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固—液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。 2）刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。 当然热交换法生长晶体的周期较长，例如，Schmid生长32cm直径的白宝石单晶约需一周左右的时间。 1.1.6水平结晶法Horizontal directional crystallization method（HDC） 其生长原理如右图所示，将原料放入船形坩埚之中，船形坩埚之船头部位主要是放置晶种，接着使坩埚经过一加热器，邻近加热器之部份原料最先熔化形成熔汤，形成熔汤之原料便与船头之晶种接触，即开始生长晶体，当坩埚完全经过加热器后，便可得一单晶体。为了晶体品质及晶体生张结束后，方便取出晶体，坩埚应采用不沾其熔汤之材料所製，如石英、
晶体生长方法 1）提拉法（Czochralski,CZ 晶体提拉法的创始人是J. Czochralskj他的论文发表于 1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要 的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得 到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法， LEC,如图1,能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体 （如管状宝石和带状硅单晶等）。 所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的 籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机 构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩 肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生 长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方 法的主要优点是：（a）在生长过程中，可以 图1提拉法晶体生长装置结构示意图方便地观察晶体的生长情况；（b）晶体在熔体的自由表面处 生长， 而不与坩埚相接触，这样能显 著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；（c） 可以方便地使用定向籽晶与缩颈” 工艺，得 到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以 较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不 得不改用其它生长方法。
2) 热交换法(Heat Exchange Method, HEM ) 热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：（1）热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作 为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；（2）固 液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；（3） HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；（4） HEM 可用于生长具有特定形状要求的晶体。 由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如①30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长, 体价格昂贵，所以长晶成本很高。 悶Wliry； 图2 HEM晶体生长装置结构示意图 He气 In別加口 "—. / Power ! Crumble H i： jinl ? Heatrngi c hm衍 B pump Heat Hdum
自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。固态物质可根据它们 的质点(原子、离子和分子)排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。 所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。最小的晶格，称为晶胞。晶胞的各向长度，称为品格常数。将晶格周期地重复排列起来，就构成为整个晶体。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体(即晶粒)组成的晶体，称为多晶体。在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序’’的排列，所以又称为无定形态。一般的硅棒是单晶硅，粗制硅(冶金硅)和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅，也可以为无定形硅。 硅(S1)的原子序数为14，即它的原子核周围有14个电子。这些电子围绕着原子核按一层层的轨道分布，第一层2个，第二层8个，剩下的4个排在第三层，如图所示。另图为硅的晶胞结构。它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移1／4互相套构而成。这种结构被称为金刚石式结构。硅(Si)锗(Ge)等重要半导体均为金刚石式结构。1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结，这 4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上，而四面体的中心是另一硅原子。 硅单晶的制备方法：按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)法与有坩埚直拉(CZ)法。区熔拉制的单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧/厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧/厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片，但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。