試分析單晶爐的設(shè)計(jì)優(yōu)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(huán)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(shè)備。單晶爐的穩(wěn)定性能和質(zhì)量直接影響著制作的單晶質(zhì)量。對(duì)單晶爐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮到制作單晶的工藝性，還要掌握機(jī)械設(shè)備、電子設(shè)備和熱力方面的技能。文章從機(jī)械性能方面對(duì)單晶爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化單晶爐的設(shè)計(jì)方法，以期能夠提高單晶爐設(shè)備的性能。

關(guān)鍵詞：單晶爐;機(jī)械性能;結(jié)構(gòu)

現(xiàn)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(fā)展，也對(duì)單晶的質(zhì)量提出了更高的要求。多晶材料中的其他雜質(zhì)以及分布不均勻的摻雜劑等都會(huì)影響單晶的質(zhì)量，這些物質(zhì)會(huì)使材料的光學(xué)性能和電學(xué)性能分布不均勻，從而使半導(dǎo)體的光學(xué)性能和電學(xué)性能受到不良影響。所以需要對(duì)制作單晶硅的單晶爐進(jìn)行優(yōu)化，提高單晶爐的穩(wěn)定性，從而減少單晶中的其他雜質(zhì)。

1?單晶爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)狀

由于單晶硅向高質(zhì)量的方向發(fā)展，也提高了制作單晶硅的單晶爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能要求，需要單晶爐具備較好的穩(wěn)定性能、自動(dòng)化技術(shù)以及高質(zhì)量、操作簡便、高效率等特征[1]?，F(xiàn)階段，對(duì)單晶爐設(shè)備的技術(shù)僅對(duì)提高其自動(dòng)化的技術(shù)、溫度、單晶爐的勾型磁場裝備和橫向磁場等方面的設(shè)計(jì)，卻沒有對(duì)單晶爐設(shè)備關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。所以作為單晶硅的制作設(shè)備，其結(jié)構(gòu)必須要具備穩(wěn)定性、較大的強(qiáng)度和剛度特征，還要在確保制作單晶硅質(zhì)量的基礎(chǔ)之上對(duì)單晶爐設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2?單晶爐的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1?受高溫變形的設(shè)計(jì)優(yōu)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(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要原因是由于硅具有較高的熔點(diǎn)，當(dāng)使用單晶爐設(shè)備制作單晶硅時(shí)，要對(duì)相應(yīng)的材料進(jìn)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(huì)針對(duì)制作材料有影響，也會(huì)涉及到單晶爐的爐室和爐蓋，這就會(huì)降低單晶制作的進(jìn)度。當(dāng)溫度達(dá)到150℃時(shí)就會(huì)使?fàn)t室發(fā)生變形;當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)就會(huì)使單晶爐內(nèi)壁和爐蓋發(fā)生變形;而爐體密封所承受的溫度要在70℃以下才不會(huì)失效?；谶@一現(xiàn)象，在對(duì)單晶爐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到爐體受到加熱溫度導(dǎo)致爐內(nèi)部件發(fā)生變形的情況，合理排布夾層水路走向。因?yàn)槿绻麊尉t的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，就會(huì)使單晶爐設(shè)備的尺寸和形狀發(fā)生變化，直接會(huì)影響制作出來的單晶硅質(zhì)量。所以設(shè)計(jì)工程師就研究出將固定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)式的結(jié)構(gòu)，就會(huì)緩解單晶爐爐壁的溫度，盡管還是會(huì)發(fā)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(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

單晶爐真空系統(tǒng)的零件要注意螺紋、零件之間的連接，不能出現(xiàn)連接死角、無法配合或者尖角等情況。真空系統(tǒng)的內(nèi)壁要平滑，管道盡可能減少連接處的節(jié)點(diǎn)，才能使管道運(yùn)行的更加順暢，也有助于工人清理內(nèi)壁。壓升率指的是在制作單晶體時(shí)，要按照要求將單晶爐內(nèi)的空氣排出來，當(dāng)達(dá)到真空狀態(tài)后，壓力就開始緩慢回升[3]。它能起到評(píng)價(jià)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(duì)稱排列方式，在管道內(nèi)設(shè)置旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)構(gòu)，使管道內(nèi)壁保持通暢，使氣流分布更加均勻穩(wěn)定，以保證單晶硅的順利生長，還能減少爐內(nèi)維護(hù)次數(shù)。

2.3?運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)單晶爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)工程師要考慮到系統(tǒng)的承受能力、精確度和平穩(wěn)性能。因?yàn)閱尉t的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)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(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)找到加快單晶體生長速度的辦法。所以設(shè)計(jì)工程師在測試的過程中通過調(diào)整系統(tǒng)的工藝參數(shù)，以此來加快單晶體生長的速度，但是相比于機(jī)電一體化的設(shè)備，速度仍不夠快[4]。而且，在單晶爐運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作期間，還會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)的現(xiàn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，但是坩堝運(yùn)動(dòng)的速度比較快，就會(huì)在一定程度上降低單晶體的生長速度，因此要對(duì)坩堝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度加以調(diào)整，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最后一級(jí)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(jí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)引起的誤差，進(jìn)一步保證運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作的精度。

2.4?節(jié)能降耗設(shè)計(jì)優(yōu)化

我國大力提倡節(jié)能的理念，然而制作單晶硅需要過多的時(shí)間，就會(huì)消耗很多的電能。所以制作單晶體的單晶爐設(shè)備屬于高耗能的設(shè)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(shè)備的裝料區(qū)域，增加坩堝使用率，增加拉晶速度及單次開爐的拉晶次數(shù)和單根長度，這樣就不會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間裝料、卸料，不用反復(fù)開爐對(duì)材料進(jìn)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(tǒng)，但是禁止超出設(shè)備的承載能力，否則會(huì)適得其反;也可以增加爐內(nèi)水冷部件，就可以通過自動(dòng)降溫的功能來達(dá)到目的;還可以增加一個(gè)連續(xù)加料的機(jī)構(gòu)，不需要開爐蓋就可以進(jìn)行加料的步驟。這些方法都可以實(shí)現(xiàn)增大單晶爐裝料量的目的。還可以通過加強(qiáng)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(jìn)一步降低能源的消耗，增加單晶爐的工作效率。

3?結(jié)語

由于單晶爐對(duì)結(jié)構(gòu)的要求比較高，所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中需要格外重視?？梢詫?duì)單晶爐的加熱溫度承受力、真空系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)和節(jié)能方面進(jìn)行優(yōu)化，以此來增加單晶爐的機(jī)械性能，提高單晶爐的工作效率，進(jìn)一步提高單晶體的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張波，趙彩霞，趙科巍，等.單晶爐高效熱場的優(yōu)化與應(yīng)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(yōu)化設(shè)計(jì)[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2010，39（4）：1035-1040.

[3]安濤，高勇，劉飛航，等.單晶爐橫向磁場的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2009，38（1）：259-264.

[4]安濤，高勇，張創(chuàng).單晶爐低功耗勾形磁場設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2012，41（4）：1113-1118.