单晶炉保温与热屏优化的数值模拟与改造

耿博耘，刘 锋，韩焕鹏

(中国电子科技集团第四十六研究所，天津300220)

硅材料具有技术成熟、价格低廉、氧化层稳定且容易获得等优点，随着集成电路和太阳能电池的大量需求，尽管硅作为第一代半导体材料已有60 多年的使用历史，迄今仍然有着十分广泛的市场应用。由于大尺寸的硅单晶具有明显的成本优势，直拉法作为硅单晶 最重要的方法之一，一直被广泛的研究和报道。生长大尺寸的硅单晶需要更大型的直拉炉热场，而大型的热场必然导致熔体对流、氩气气流、固/ 液界面形态等影响硅单晶质量的关键因数变得更加复杂，直拉生长硅单晶也就更加难以控制。

生长硅单晶时，直拉炉的温度很高，各项测试较为困难，无法直接获得热场中的各个参数，实验数据均为间接数据。此外，由于大直径硅生长所需电能和硅料较多，实验成本较高。因此，国内外学者普遍采用数值模拟的方式来研究直拉硅单晶生长过程。STR 公司的CGSim 软件是国际上专门用于熔体中晶体生长过程仿真和优化的数值模拟软件，该软件用于CZ 法和DSS 法生长数值模拟优化，所预测的生长速率、功率消耗、晶体缺陷等已经被大量实验证实[1-3]。

本文在前人数值模拟的基础上，结合现有的直拉单晶炉的特点和结构，对上述模拟的优化方案进行有效选取，改进了直拉炉的热场，通过数值模拟获得了直观的热场数据并对数据进行了分析，此外，还通过直拉炉单晶生长实验验证了数值模拟的结论，对数值模拟提供了真实的实验数据作支撑，增强了热场改善效果的说服力。

1 直拉单晶炉改造

本文所使用的直拉炉为Kayax 公司生产的CG6000 型单晶炉，其具有自动化程度高、可靠性好、性能稳定等优点，可以从抽真空到拉晶结束均采用全自动控制。该单晶炉采用软轴，分为上下两个炉室即主室和副室，采用圆月光环法控制拉晶直径，在上下轴的旋转部分采用磁流体密封，安全措施和报警措施完备。该单晶炉结构简图如图1所示。

图1 Kayax 公司CZ 单晶炉结构简图

通过对CG6000 型单晶炉进行结构测量，采用1:1 真实参数，简化测温孔、观察孔等非对称结构，采用对称式结构，获得了如图2（a）所示改进前的单晶炉结构图。参考文献4 数值模拟的结果指出热屏内部和炉体侧壁的石墨炭毡的加厚可以提高拉晶速率，改善硅热应力和氧含量。参考文献5 数值模拟指出热屏底端与晶体表面和熔体自由液面的距离拉近可以改善晶体生长时的固液界面，提高了拉晶速率。参考文献6 指出增加额外的侧面和底面保温层可以大大降低功率和氩气的消耗。结合单晶炉控制及热场的特点，本文重点对导流筒和保温装置进行改造，获得如图2（b）所示改进后单晶炉结构图。

改进后的热场主要做了三方面的改善：（1）增加下保温碳毡，填充加热器与单晶炉底部的空隙，降低加热器热量损耗，降低拉晶时功率；（2）将一段式导流筒改为三段式导流筒，改善拉晶时氩气气流，使得固液界面氩气气流增大，提高固液界面晶体轴向温度梯度，增大拉晶速度；（3）增加上保温罩，填充加热器与单晶炉顶部的空隙，加强顶部保温，改善氩气气流流向，减少氩气流中扰流成分。

2 数值模拟分析

2.1 数值模拟初始条件及参数

将改进前和改进后的单晶炉结构图输入到CGsim 软件中，对比两种热场的模拟分析结果。两次模拟均选取同样的模拟初始条件，单晶炉的主要参数设置如下：加热器直径460 mm，石英坩埚内径400 mm，外径430 mm，炉内气压2 666 Pa(即20 Torr)，保护气体为氩气，氩气流量3 500 L/h，晶体直径125 mm，晶体总高度800 mm，拉晶速度1 mm/min，投料量35 kg，埚转-10 r/min，晶转15 r/min。主要进行晶体生长模拟，模拟参数如表1所示，无特殊说明参数由软件自给定。

图2 改进前与改进后热场结构图

表1 晶体生长模拟时使用的主要物理参数

2.2 数值模拟分析

在CP（等径长度）=400 mm 时，模拟软件给出了整个炉体的温场和流场对比图如图3 所示。拉速为1 mm/min 时，模拟软件给出总的建议功率为：P 改进前=65.3 kW，P 改进后=63.7 kW，改进后的功率要低于改进前功率。

从图3 可以看出，改进后熔体的高温区向下移动，低温区则相对没有变化，整个熔体的温差降低，固液界面形状有所改善，熔体对流无明显变化。

图3 改进前与改进后熔体对流模拟图

图4﹑5 给出了两种不同热肠结构的晶体﹑熔体轴向的温度对比，若要提高结晶速率，则应增大，降低。由图4﹑5 可以看出，改进后的热场中固液界面晶体增大较为明显，这可以有效提高拉晶速率，同时、改进后热场中固液界面熔体虽也有一定上升，但并不如上升快。两者效果相抵消后，改进后的热场结晶速率仍有所提高。

图4 晶体轴向上的温度分布对比

图5 熔体轴向上的温度分布对比

3 直拉法实验验证

为了验证模拟仿真的结果，本文进行了晶体生长的实验，来检验改进后热场对功率和拉速的改善效果。CG6000 型单晶炉在单晶生长时自动化控制先进，从抽空-稳压-加热-引晶-放肩-转肩-等经-收尾-停炉整个拉晶过程均可自动化控制，其组成部分如图6[7]。其典型的400 mm（16 英寸）热场下准125 mm 单晶生长工艺如下表2 所示，其参数与模拟软件仿真时是一致的。

表2 400 mm 热场下 准125mm 单晶生长参数

图6 单晶炉的组成部分

从图7 中两种热场下功率关于时间变化的对比中可以看出，两种热场的功率变化均规律一致，即先下降后缓慢上升，这反映了熔体所受加热器热辐射的变化，即随着坩埚不断上升，熔体重心逐渐从加热器底部进入加热器中心随后又进入加热器上部。改进后的功率比改进前的功率有明显的下降，平均功率下降10%以上，并且功率变化幅度更小，温度控制更加稳定。改进后功率降低是由于增加下保温碳毡和上保温罩，增强了对热场的保温作用，热场在上部和底部热量流失更少。改进后功率变化幅度更小和尾部功率上升变小，这可以解释为三段式导流筒增大了导流筒的热反射面，增强了导流筒对熔体的热量反射作用。由于这种热量反射在整个拉晶过程中基本保持不变，因此在拉晶后段，随着熔体所受加热器热辐射减少，热反射作用更加明显。

图7 等径功率关于时间的变化对比

图8 则显示了两种热场下等径拉速关于时间的对比。从图中可以得出，改进前拉速变化幅度较大，这可以解释为熔体的温度极不稳定，存在氩气扰流。尾部拉速下降明显这是由等径后期熔体轴向梯度增大所导致。在改进后热场中，拉速波动幅度变小，这是由于下保温碳毡和上保温罩对热场起了很好的保温作用，热场的温度更加稳定，而由于三段式导流筒对氩气气流的导向作用，氩气扰流明显减少。改进后的拉速有一定的提升，这是由于三段式导流筒缩小了氩气通道横截面，加强了氩气对晶体的吹拂，提高了晶体的轴向温度梯度，而这种改善在等径尾部熔体受热减少、熔体温度梯度增高时更加明显。

图8 等径拉速关于时间的变化对比

4 结 论

通过对两种热场的模拟可以看出，改进后的功率要低于改进前功率，热场的保温作用得到加强。改进后热场中的和均有升高，但综合作用后，其改进后的等径拉速是提高的。通过实际的开炉实验，本文也验证了改进后热场功率的降低和等径拉速的提高，这种改善在等径生长的后期更为明显。

[1] J.Y.H，Sim B C，Lee J E，et al.Effect of the Crystal-melt Interface on the Grown-in Defects in Silicon CZ Growth[J]. J. Crystal Growth，2007，299：696-701.

[2] S.Jana，S.Dost，V.Kumar，et al.A Numerical Simulation Study for the Czochralski Growth Process of Si under Magnetic Field[J]. International Journal of Engineering Science，2006，44：554-573.

[3] 高宇，周旗钢，戴小林等. 热屏和后继加热器对生长准300mm 硅单晶热场影响的数值分析[J]. 人工晶体学报，2007，36(4)：832-836.

[4] 苏文佳，左然，Vladimir Kalaev. 单晶炉导流筒、炭毡及热屏对单晶硅生长影响的优化模拟[J].人工晶体学报(EI). 2010.4，39(2)：291-296.

[5] 滕冉，戴小林，徐文婷，等. 热屏优化对大直径硅单晶生长影响的数值模拟[J]. 人工晶体学报，2012，41(1)：238-242.

[6] L.Y.Huanga，P.C.Leea，C.K.Hsieh，et al. On the hotzone design of Czochralski silicon growth for photovoltaic applications[J]. J.Crystal Growth，2004，261：433-443.

[7] 黄有志，王丽. 直拉单晶硅工艺技术[M]. 北京：化学工业出版社，2009.