单晶炉：半导体晶圆制造的头道工序设备

半导体设备对整个半导体行业起着重要的支撑作用。因半导体制造工艺复杂，各个环节需要的设备也不同，从流程工序分类来看，半导体设备主要可分为晶圆制造设备（前道工序）、封装测试设备（后道工序）等。

本文是半导体设备专题栏目的第 1 篇文章，介绍晶圆制造的头道工序设备——单晶炉。

直拉式单晶硅生长炉是一种高效率制备硅单晶体的设备。

将多晶硅原料放在炉体的石英坩埚内进行高温熔化（1450℃以上），在低真空度和氩气保护下，通过紫晶插入多晶硅熔体后，在紫晶周围形成过冷态并进行有规律生长，形成一根单晶棒体。

单晶生产基本流程是：将多晶硅原料放入单晶炉，加热融化，逐步分别进行缩颈生长、放肩生长、等径生长和尾部生长，然后开炉取料，进行晶体测试，最后进行包装、入库，再发货。

单晶炉的基本结构（如下图1所示）由以下九部分构成：

上炉室、下炉室、炉盖、隔离阀室、观察窗、晶体提升旋转机构、坩埚提升旋转机构、控制柜和基座

图1

图2

提拉头：主要由安装盘、减速机、籽晶腔、划线环 电机、磁流体、籽晶称重头、软波纹管等其他部件组成

副室：主要是副室筒以及上下法兰组成

炉盖：副室连接法兰、翻板阀、观察窗、抽真空管道组成

炉筒：包括取光孔

下炉筒：包括抽真空管道蒸循颂

底座机架：全铸铁机架和底座

坩埚下传动装置：主要由磁流体、电机、坩埚支撑轴、减速机、软波纹管海弃档束、立柱、上下传动支撑架、导轨等部件组成

分水器已经水路布置：包括分水器、进水水管、若干胶管、水管卡套等

氩气管道布置：质量流量计、3根以上的柔性管、不锈钢管 3个压力探测器、高密封性卡套等部件

真空泵以及真空除尘装置：油压真空泵、水环真空泵、过滤器、真空管道、硬波纹管等

电源以及电控柜：电源柜、滤波柜、控制柜以及连接线

单晶炉主要需要控制的方面：

一、晶体直径(尺寸)

二、温度(功率控制)

三、原料(硅料)

四、泄漏率，氩气质量等

单晶炉热场的设计与仿真

单晶直径在生长过程中可受到温度，提拉速度与转速，坩埚跟踪速度与转速，保护气体的流速等因素的影响。其中温度主要决定能否成晶，而速度将直接影响到晶体的内在质量，而这种影响却只能在单晶拉出后通过检测才能获知。

温度分布合适的热场，不仅单晶生长顺利，而且品质较高;如果热场的温度分布不是很合理,生长单晶的过程中容易产兰妹蜜懂生各种缺陷,影响质量，情况严重的出现变晶现象生长不出来单晶。因此在投资单晶生长企业的前期，一定要根据生长设备，配置出最合理的热场，从而保证生产出来的单晶的品质。

在晶体生长分析与设计中，实验与数值仿真是相辅相成的，其过程可以分为两个部分:

(1)在第一阶段,利用引放订上法晶体生长实验来进行数值模拟参战赠匪数的调整。

(2)在第二阶段,利用数值模拟是用来确定最佳的晶体生长工艺参数。

数值仿真是用来获得廉价的，完整的和全面细节的结晶过程，以此方法用来预测晶体生长,改善晶体生长技术。数值模拟是当实验的费用太昂贵或无法常规进行时一种非常有用或必不可少的方法。

举例来说，对于无经验人员，可以形象化展示熔体流动的历史点缺陷和热应力细节。所以数值仿真是一种达到较高生产率和较好满足市场对晶体直径，质量要求的最好办法。

面向过程的仿真软件FEMAG为用户提供了可以深入研究的数值工具，用户通过有效的计算机模拟可以设计和优化工作流程。通过对单晶炉热场的仿真计算，优化设计单晶炉的机械结构，在拉晶过程中以仿真结果设定合理的理论拉晶曲线，就可以在实际生产中是完全可以生长出合格的单晶棒。

国内生产单晶炉的厂家：

北方华创科技集团股份有限公司

北方华创主营半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密元器件业务，为半导体、新能源、新材料等领域提供解决方案。公司现有四大产业制造基地，营销服务体系覆盖欧、美、亚等全球主要国家和地区。

浙江晶盛机电股份有限公司

晶盛机电是国内领先的专注于“先进材料 先进装备”的高新技术企业，围绕硅、蓝宝石、碳化硅三大主要半导体材料开发一系列关键设备，并延伸至化合物衬底材料领域。

北京京仪自动化装备技术股份有限公司

北京京仪是一家集研发、生产和销售为一体的高端装备制造企业，主要产品包括半导体专用温控设备（Chiller）、晶圆传片设备（Sorter）、半导体专用工艺废气处理设备（Local Scrubber）等专用设备，现已广泛应用于半导体、LED、LCD、太阳能等领域。

平顶山市信瑞达石墨制造有限公司

该公司是一家集研发、加工、销售、售后于一体的综合性企业。产品现已广泛用于太阳能光伏、电子半导体、工业炉高温处理、太阳能光伏、核工业和石英等行业。

湖北晶星科技股份有限公司

该公司从事多晶硅、单晶硅及硅片生产、加工、销售的专业生产厂家。公司坐落于中国历史文化名城—湖北随州。

宁夏日晶新能源装备股份有限公司

该公司专业的直拉式硅单晶生长炉生产厂家，目前主要产品有单晶炉、铸锭炉、石英坩埚、其他半导体相关设备。

西安创联新能源设备有限公司

该公司是一家从事太阳能相关设备及电子专用设备的新型股份制企业，专业生产单晶炉并集设计开发、生产、销售服务为一体的高新技术企业。

国外生产单晶炉的厂家

美国Kayex 公司

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型等。

日本Ferrotec 公司

Ferrotec是具有多元化技术的跨国集团,在中国分别设立杭州和上海两个据点。在诸如终端产品、制造设备和很多行业中，Ferrotec都有出众的市场表现。以磁性流体技术和磁流体密封技术为基石，Ferrotec不断探索新的技术领域。主要产品包括金刚石刀具，单晶炉，多晶炉，硬质合金锯片，石墨制品等。

德国PVA TePla AG 公司

专业提供用于太阳能电池硅片生产用的多晶硅铸锭炉，单炉装料量为250公斤或400公斤（JUMB0 SIZE）。另外PVATEPLA公司还通过其子公司著名的德国CGS公司以及丹麦普发拓普公司分别提供用于太阳能以及半导体硅片生产用的单晶提拉炉以及区熔炉。

将高纯多晶硅拉制成单晶硅主要有两个工艺，直拉法（CZ法）和区熔法（FZ），这个过程涉及的设备是单晶炉。

一、直拉法原理

通过在惰性气体（氮气、氦气为主）环境中，用石墨加热器将坩埚中的多晶硅熔化成液态硅（熔体），再用单晶硅的硅种与液态硅表面接触，一边旋转一边缓慢向上拉起，随着晶种在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高，晶种上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着晶种旋转着从熔体里拉出，与晶种具有同样晶向的单晶就生长出来了。直拉法是主流，目前90%以上的半导体硅片通过直拉法生产。

二、区熔法原理

把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域，局部熔化多晶硅棒。当多晶硅棒底端出现熔滴时，将晶种插入熔区顶部快速拉出一个晶颈，然后放慢拉速，降低温度放肩至较大直径。高频感应线圈配合单晶生长速度缓慢向上移动通过整根多晶硅棒，最终生长为一根单晶硅棒。

三、直拉法与区熔法的比较

直拉法，设备简单、易于操作、掺杂方便，对多晶硅原料的几何尺寸要求不高，块状或颗粒状多晶硅均可，更容易生产大尺寸单晶硅棒。主要应用微电子集成电路和太阳能电池领域，占整个单晶硅产量85%。

区熔法：成本高，对圆柱形多晶硅棒的几何形状要求严格，主要应用大功率器件，市场份额约15%。生产速度较快，约为直拉法的2倍。不使用坩埚，且熔区呈悬浮状态，不与任何物质相接触，而且单晶炉为石英内壁，不会被污染，可反复提纯，能获得高纯度的单晶。受熔区稳定性制约，增大单晶硅直径有困难，也受到加热线圈的限制。

四、单晶炉主要厂商

国际厂商：德国PVA TePLA AG公司、美国Kayex 公司、日本Ferrotec公司等。

国内厂商：浙江晶盛机电股份有限公司、大连连城数控机器股份有限公司、西安理工晶体科技有限公司、南京晶升装备股份有限公司等等。