半導(dǎo)體工藝設(shè)備為半導(dǎo)體大規(guī)模制造提供制造基礎(chǔ)。摩爾定律，給電子業(yè)描繪的前景，必將是未來(lái)半導(dǎo)體器件的集成化、微型化程度更高，功能更強(qiáng)大。這里先介紹半導(dǎo)體工藝的頭道工序——單晶體拉胚的單晶爐。

單晶爐

單晶爐，全自動(dòng)直拉單晶生長(zhǎng)爐，是一種在惰性氣體（氮?dú)狻⒑鉃橹鳎┉h(huán)境中，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單晶的設(shè)備。

單晶硅爐型號(hào)有兩種命名方式，一種為投料量，一種為爐室直徑。比如 120、150 等型號(hào)是由投料量決定， 85 爐則是指主爐筒的直徑大小。

單晶硅爐的主體構(gòu)成由主機(jī)、加熱電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。

單晶硅片工藝流程

硅，Si，地球上含硅的東西很多，好像90%以上都是晶硅的，也就是單晶硅。太陽(yáng)能級(jí)別的硅純度6N以上就可以了。

開始是石頭，（石頭都含硅），把石頭加熱，變成液態(tài)，再加熱變成氣態(tài)，把氣體通過(guò)一個(gè)密封的大箱子，箱子里有N多的子晶加熱，兩頭用石墨夾住，氣體通過(guò)這個(gè)箱子，子晶會(huì)把氣體中的一種吸符到子晶上，子晶慢慢就變粗了，因?yàn)槭菤怏w變固體，所以很慢，一個(gè)月左右，箱子里有就了很多長(zhǎng)長(zhǎng)的原生多晶硅。

單晶硅片由此進(jìn)入生產(chǎn)流程：

1、酸洗：使用稀硝酸HNO3,進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)及提煉時(shí)產(chǎn)生的四氯化硅。

2、清洗：清洗硅料經(jīng)過(guò)酸洗后的殘留雜質(zhì)。

3、單晶硅料烘干：去除水分。

4、挑料：區(qū)分P型，N型硅料。

5、配料：對(duì)拉晶的硅料型號(hào)進(jìn)行匹配。

6、單晶爐拉晶：

7、硅棒檢測(cè)：檢查有無(wú)位錯(cuò)，棱線斷等現(xiàn)象。

8、開斷：將單晶硅棒用帶鋸條切割成四方體。

9、包裝：將開斷后的單晶硅棒進(jìn)行包裝，送至下一道工序

10、磨圓：將單晶硅棒四個(gè)直角進(jìn)行磨圓。

11、多線切割：瑞士的264，265。日本的PV800,MDM442DM設(shè)備進(jìn)行切割? ? ?0.33mm。

12、清洗：

13、單晶硅片檢測(cè)：

單晶爐的結(jié)構(gòu)

單晶爐爐體（包括爐底板、主爐室、爐蓋、隔離閥室、副爐室、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）由304L不銹鋼制造。所有腔體都經(jīng)過(guò)缺陷爐室檢查和探傷檢驗(yàn)，并且經(jīng)過(guò)0.6MPa水壓試驗(yàn)和氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏。??

一、主爐體構(gòu)造

1、基座與爐底板

爐底板設(shè)計(jì)成平板式，具有雙層結(jié)構(gòu)，通水冷卻。四只電極穿過(guò)底板，在坩堝提升機(jī)構(gòu)的波紋管連接處有一個(gè)水冷卻法蘭區(qū)。

2、主、下爐室

主、下爐室為雙層筒狀結(jié)構(gòu)，兩端為法蘭結(jié)構(gòu)，通水冷卻，并有隔水條保證冷卻均勻。主爐室設(shè)置了一個(gè)測(cè)溫計(jì)窗口，用于測(cè)量加熱器溫度。下爐室有抽真空和真空計(jì)接口（0～100Torr和0～1Torr）。下爐室在正常操作過(guò)程中始終用壓板固定在爐底板上，通過(guò)氟橡膠O型圈實(shí)現(xiàn)真空密封。

3、爐蓋

爐蓋為爐體和隔離閥座提供了一個(gè)過(guò)渡區(qū)。爐蓋采用標(biāo)準(zhǔn)爐蓋制造，雙層通水冷卻。在爐蓋上設(shè)有一個(gè)操作者觀察窗口（類橢圓形）和一個(gè)直徑控制窗口（圓形）。操作者觀察窗口允許單晶直徑測(cè)量范圍最大至10”，氬氣入口設(shè)置在爐蓋的喉部。

4、隔離閥座

隔離閥座為雙層水冷卻結(jié)構(gòu)，前圓后方，正前方設(shè)有一道圓門，可以通過(guò)圓門方便拆卸和更換籽晶夾頭。圓門中心設(shè)有圓形觀察窗。隔離閥座為隔離閥提供了安裝及活動(dòng)空間，隔離閥的作用是為籽晶或單晶提供進(jìn)入副爐室的通道，同時(shí)可以維持上下爐室的局部壓力和溫度。隔離閥是翻板閥結(jié)構(gòu)，閥板和閥體均是固定式雙層結(jié)構(gòu)，通水冷卻。隔離閥座側(cè)面設(shè)有兩個(gè)籽晶位置檢測(cè)窗口（激光定位），后部有一個(gè)氬氣入口，可以實(shí)現(xiàn)快充氬氣。

5、副爐室

副爐室為圓筒形腔體，雙層結(jié)構(gòu)，水冷卻。副爐室上部前方設(shè)有一個(gè)圓形法蘭，可以打開用于清理腔體上部，法蘭中心設(shè)有圓形觀察窗。副爐室上部是水平調(diào)整機(jī)構(gòu)（見附件12），設(shè)有一個(gè)氬氣入口（正常拉晶時(shí)的氬氣通道）、一個(gè)抽真空接口（當(dāng)隔離閥關(guān)閉時(shí)副爐室抽真空用）和一個(gè)真空計(jì)接口（0～1000Torr）。

二、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

籽晶旋轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)俗稱提拉頭，主要由安裝盤、減速機(jī)、籽晶腔（真空腔）、劃線環(huán)、快速電機(jī)、慢速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、離合器、磁流體、鋼纜、籽晶稱重頭、軟波紋管等其他部件組成 。

提拉頭的主要功能有使籽晶旋轉(zhuǎn) 提升，并保證勻速旋轉(zhuǎn)變速提升，且記錄單晶重量 位移等數(shù)據(jù)。

在籽晶提升機(jī)構(gòu)里采用鋼索卷筒提升鋼絲繩。整個(gè)提升裝置在一根中空的軸上旋轉(zhuǎn)，該機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)靜平衡和動(dòng)平衡測(cè)試，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)平穩(wěn)的運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)密封和提升進(jìn)給密封均采用磁流體密封。提升腔、離合器腔、稱重腔和晶升底板均由高強(qiáng)度鋁制造而成。

三、副爐室旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用直流伺服電機(jī)，雙級(jí)蝸輪蝸桿減速，加強(qiáng)型同步帶傳動(dòng)，可在副爐室提升到位時(shí)的緩慢旋開和快速旋閉，實(shí)現(xiàn)取單晶過(guò)程的自動(dòng)化動(dòng)作。

四、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

坩堝提升機(jī)構(gòu)的垂直方向采用了滾珠直線導(dǎo)軌和高精度絲桿，在高負(fù)載甚至電機(jī)斷電的情況下實(shí)現(xiàn)自鎖。坩堝旋轉(zhuǎn)采用可承受高轉(zhuǎn)矩的多碶帶驅(qū)動(dòng)，從而消除了齒形帶傳動(dòng)的震顫。旋轉(zhuǎn)密封采用可承受軸向力磁流體密封，垂直密封采用不銹鋼波紋管。坩堝提升機(jī)構(gòu)中直線導(dǎo)軌座和底板成90°固定，兩者間采用筋板支撐，從而提高整體的剛度，避免由側(cè)向力矩引起的直線導(dǎo)軌和絲桿的變形。?

在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)形成硅氧化物（SiO）小顆粒并沉積在波紋管中。這些氧化物應(yīng)被定期清除出去。將波紋管從坩堝軸密封一惻松開。將它在適當(dāng)位置系好以防止它往下彈回去。用真空吸塵器清除所有的灰塵，包括磁流體密封座的密封表面上的灰塵檫拭干凈后裝回波紋管。?

五、真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)各零件由不銹鋼制成，所有連接都采用法蘭式氟橡膠O型密封圈，真空閥采用的是高真空氣動(dòng)球閥。

1?主真空系統(tǒng)

主真空系統(tǒng)提供了為各腔體抽真空或者當(dāng)隔離閥關(guān)閉時(shí)僅為上下爐室抽真空的閥和管道。為控制真空腔獨(dú)立氣流壓力提供了自動(dòng)壓力控制節(jié)流閥。

2?輔助（副爐室）真空系統(tǒng)

輔助真空系統(tǒng)提供了將副爐室從常壓抽至與上下爐室相等壓力的閥和管道。在隔離步驟中，它通常是最先使用的，一根柔性波紋管為提升和旋轉(zhuǎn)副爐室提供柔性連接。

六、氬氣系統(tǒng)?

氬氣系統(tǒng)由不銹鋼管、電磁截止閥、質(zhì)量流量控制器、減壓器、手動(dòng)截止閥和柔性波紋管道構(gòu)成，在爐子的運(yùn)行過(guò)程中向爐子內(nèi)提供氬氣。爐子上有兩個(gè)氬氣入口（副爐室頂部和爐蓋喉部）由質(zhì)量流量控制器控制，另一個(gè)氬氣入口（隔離閥座后部）是快充口，不由質(zhì)量流量控制器控制。氬氣由副爐室頂部的分流環(huán)分配以減少副爐室內(nèi)的紊流。

1?質(zhì)量流量控制器

質(zhì)量流量控制器為氬氣進(jìn)入主爐體提供精密的流量控制。

2?密封和管路

氬氣系統(tǒng)在不銹鋼管、電磁截止閥和質(zhì)量流量控制器的連接處采用金屬卡套密封，柔性不銹鋼波紋管間采用快卸法蘭式氟橡膠O型密封圈。整個(gè)氬氣系統(tǒng)經(jīng)過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)范圍內(nèi)未查出泄漏。

七、冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為爐子提供一個(gè)安全良好的運(yùn)行環(huán)境，上爐室和副爐室采用不銹鋼安全閥進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。腔體外部出水口處設(shè)置安全溫度監(jiān)測(cè)，如果溫度超過(guò)55°C，就會(huì)向操作者發(fā)出警告。冷卻水流量傳感器裝在爐體總回水管，其作用是萬(wàn)一水流斷開后30秒切斷加熱器電源。

單晶爐生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工序：加料→熔化→縮頸生長(zhǎng)→放肩生長(zhǎng)→等徑生長(zhǎng)→尾部生長(zhǎng)

(1)加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，磷，銻，砷。

(2)熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長(zhǎng)晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃）以上，將多晶硅原料熔化。

(3)縮頸生長(zhǎng)：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場(chǎng)接觸時(shí)的熱應(yīng)力，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)必須利用縮勁生長(zhǎng)使之消失掉。縮頸生長(zhǎng)是將籽晶快速向上提升，使長(zhǎng)出的籽晶的直徑縮小到一定大小（4-6mm）由于位錯(cuò)線與生長(zhǎng)軸成一個(gè)交角，只要縮頸夠長(zhǎng)，位錯(cuò)便能長(zhǎng)出晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。?

(4)放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。

(5)等徑生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。

(6)尾部生長(zhǎng)：在長(zhǎng)完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線。于是為了避免此問(wèn)題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點(diǎn)而與液面分開。這一過(guò)程稱之為尾部生長(zhǎng)。長(zhǎng)完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出，即完成一次生長(zhǎng)周期。

單晶硅的制備工藝不同，所得到產(chǎn)品的純度和性能差異很大，因此其下游應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別。單晶硅在日常生活中是電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、手機(jī)、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中的各個(gè)角落。

編輯：黃飛

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