試分析單晶爐的設計優化

唐凱

摘?要：單晶爐是一種在以高純氬氣為主的惰性氣體環境中，用石墨熱場加熱，將多晶硅材料加以熔化，用直拉法生長單晶硅的設備。單晶爐的穩定性能和質量直接影響著制作的單晶質量。對單晶爐進行設計時，不僅要考慮到制作單晶的工藝性，還要掌握機械設備、電子設備和熱力方面的技能。文章從機械性能方面對單晶爐的結構進行分析，并提出優化單晶爐的設計方法，以期能夠提高單晶爐設備的性能。

關鍵詞：單晶爐;機械性能;結構

現階段，單晶硅的生長逐漸向高完整性、高均勻性和高效率的方向發展，也對單晶的質量提出了更高的要求。多晶材料中的其他雜質以及分布不均勻的摻雜劑等都會影響單晶的質量，這些物質會使材料的光學性能和電學性能分布不均勻，從而使半導體的光學性能和電學性能受到不良影響。所以需要對制作單晶硅的單晶爐進行優化，提高單晶爐的穩定性，從而減少單晶中的其他雜質。

1?單晶爐結構設計優化的現狀

由于單晶硅向高質量的方向發展，也提高了制作單晶硅的單晶爐設備的結構性能要求，需要單晶爐具備較好的穩定性能、自動化技術以及高質量、操作簡便、高效率等特征[1]。現階段，對單晶爐設備的技術僅對提高其自動化的技術、溫度、單晶爐的勾型磁場裝備和橫向磁場等方面的設計，卻沒有對單晶爐設備關鍵部分的結構進行設計及優化。所以作為單晶硅的制作設備，其結構必須要具備穩定性、較大的強度和剛度特征，還要在確保制作單晶硅質量的基礎之上對單晶爐設備進行設計優化。

2?單晶爐的設計優化

2.1?受高溫變形的設計優化

組成單晶爐的主體部分是爐室、副爐室、爐蓋以及翻板箱等。爐室和爐蓋的殼體機構都屬于夾層水冷式，目的是為了能夠起到隔熱保溫的作用，采用這樣的結構進行設計，主要原因是由于硅具有較高的熔點，當使用單晶爐設備制作單晶硅時，要對相應的材料進行熔化，才能順利制作出單晶體，因此單晶爐需要有很高的溫度才滿足單晶的制作需求[2]。但是較高的加熱溫度不僅會針對制作材料有影響，也會涉及到單晶爐的爐室和爐蓋，這就會降低單晶制作的進度。當溫度達到150℃時就會使爐室發生變形;當溫度達到300℃時就會使單晶爐內壁和爐蓋發生變形;而爐體密封所承受的溫度要在70℃以下才不會失效。基于這一現象，在對單晶爐進行設計時，要考慮到爐體受到加熱溫度導致爐內部件發生變形的情況，合理排布夾層水路走向。因為如果單晶爐的結構發生變形，就會使單晶爐設備的尺寸和形狀發生變化，直接會影響制作出來的單晶硅質量。所以設計工程師就研究出將固定的結構轉變為循環式的結構，就會緩解單晶爐爐壁的溫度，盡管還是會發生輕微變形，但是減輕了單晶爐部件間的變形情況，從而增加部件之間的配合度。

2.2?真空系統的設計優化

單晶爐真空系統的零件要注意螺紋、零件之間的連接，不能出現連接死角、無法配合或者尖角等情況。真空系統的內壁要平滑，管道盡可能減少連接處的節點，才能使管道運行的更加順暢，也有助于工人清理內壁。壓升率指的是在制作單晶體時，要按照要求將單晶爐內的空氣排出來，當達到真空狀態后，壓力就開始緩慢回升[3]。它能起到評價單晶爐真空性能的作用，所以在單晶爐的抽空管道中，基于管道的對稱排列方式，在管道內設置旋轉攪拌機構，使管道內壁保持通暢，使氣流分布更加均勻穩定，以保證單晶硅的順利生長，還能減少爐內維護次數。

2.3?運動系統設計優化

在設計單晶爐運動系統時，設計工程師要考慮到系統的承受能力、精確度和平穩性能。因為單晶爐的運動系統就具備高精度的特征，但是單晶爐的速度卻低，影響了單晶的生長速度，這就需要在設計運動系統時找到加快單晶體生長速度的辦法。所以設計工程師在測試的過程中通過調整系統的工藝參數，以此來加快單晶體生長的速度，但是相比于機電一體化的設備，速度仍不夠快[4]。而且，在單晶爐運動系統工作期間，還會出現晃動的現象，也影響了單晶體的生長速度?？梢圆捎脧V泛使用的坩堝運動系統，但是坩堝運動的速度比較快，就會在一定程度上降低單晶體的生長速度，因此要對坩堝運動系統的驅動電機的速度加以調整，在驅動電機的最后一級可以使用高精度且誤差較小的減速器，能夠有效減少上一級運動系統引起的誤差，進一步保證運動系統工作的精度。

2.4?節能降耗設計優化

我國大力提倡節能的理念，然而制作單晶硅需要過多的時間，就會消耗很多的電能。所以制作單晶體的單晶爐設備屬于高耗能的設備，需要找到有效的方法降低能源的消耗，增加單晶爐的工作效率。可以通過增大單晶爐設備的裝料區域，增加坩堝使用率，增加拉晶速度及單次開爐的拉晶次數和單根長度，這樣就不會浪費大量的時間裝料、卸料，不用反復開爐對材料進行加熱熔化及冷卻（其冷卻過程也需要大量的能耗），也能減少成本。所以要想增大單晶爐的裝料，可以加大原本的工藝系統，但是禁止超出設備的承載能力，否則會適得其反;也可以增加爐內水冷部件，就可以通過自動降溫的功能來達到目的;還可以增加一個連續加料的機構，不需要開爐蓋就可以進行加料的步驟。這些方法都可以實現增大單晶爐裝料量的目的。還可以通過加強制作過程中單晶爐底部的保溫性能和爐筒周邊的保溫，減小橫向的溫度，從而增加縱向的溫度。進一步降低能源的消耗，增加單晶爐的工作效率。

3?結語

由于單晶爐對結構的要求比較高，所以在設計優化的過程中需要格外重視。可以對單晶爐的加熱溫度承受力、真空系統、運行系統和節能方面進行優化，以此來增加單晶爐的機械性能，提高單晶爐的工作效率，進一步提高單晶體的質量。

參考文獻：

[1]張波，趙彩霞，趙科巍，等.單晶爐高效熱場的優化與應用[J].太陽能，2017（11）：33-35.

[2]焦尚彬，劉丁，任寧.大尺寸單晶爐勾形磁場的優化設計[J].人工晶體學報，2010，39（4）：1035-1040.

[3]安濤，高勇，劉飛航，等.單晶爐橫向磁場的優化設計與實現[J].人工晶體學報，2009，38（1）：259-264.

[4]安濤，高勇，張創.單晶爐低功耗勾形磁場設計與優化[J].人工晶體學報，2012，41（4）：1113-1118.