新型硅芯晶体炉的开发与设计

摘 要：从分析硅芯晶体生长的工艺特点出发，简要介绍了硅芯晶体生长设备的设计思想以及新近开发设计的新型硅芯晶体炉的机械结构及电气控制系统。

关键词：硅芯炉； 工艺特点； 机械结构； 电气控制

中图分类号：TF806．9 文献标识码：A文章编号：1004-4507(2005)08-0007-03

多晶硅是单晶硅生产企业必不可少的主要原料，而硅芯是多晶硅生产过程中生长多晶的载体。随着多晶硅行业的快速发展，国内原有的硅芯生产设备，已远不能满足多晶硅生产企业的需要。为此，我们新近研制开发TDL-GX36新型硅芯炉，主要用于多晶硅生产过程中，多晶硅生长载体-硅芯的生产，是多晶硅生产不可缺少的主要装备之一。

在经过对硅芯晶体生长工艺及特点进行分析的基础上，采用机电一体化设计思想，设计出该硅芯晶体生长设备。本设备配有晶体提拉、旋转自动控制及籽晶托盘控制系统，自动化程度高，运行可靠，操作方便，是一种理想的生长硅芯晶体设备。

1 硅芯晶体生长工艺特点

硅芯晶体生长一般采用垂直区熔法。原料棒固定在下轴上，籽晶装在上轴，上下轴同轴心。用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使原料棒的顶部和在其上部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴，随着硅芯晶体的不断生长，硅芯晶体向上作慢速提拉，与此同时，原料棒以与之匹配的速度向上作慢速移动，需要时原料棒可转动。硅芯晶体生长简图如所示。

设备工作时，先对设备进行抽空，等炉内真空度≤3Pa时，切断抽空，然后充以氩气保护气氛，加热料棒，晶体生长开始。在硅芯晶体的生长过程中，充气、排气一直在进行，以保证硅芯晶体的纯度；拉晶开始、结束及更换籽晶卡头需要上、下轴有快速移动功能；硅芯晶体长(本例2100mm)；装一根原料棒拉制6根硅芯晶体。

从以上硅芯晶体的生长过程可以看出，设备应具备以下条件：

(1)上轴慢速提拉运动(工作速度)，拉速0．5-60 mm／min：
(2)上轴快速，本例l 000 mm／min，500 mm／min两档；
(3)下轴慢速0．02-10 mm／min；
(4)下轴快速，本例75 mm／min，150 mm／min两档；
(5)下轴旋转：0～60 r／min；
(6)真空度≤3 Pa；
(7)充气；
(8)高频电源部分；
(9)6根／炉次。

2 硅芯晶体生长炉总体设计

按照硅芯晶体生长条件，该设备由3大部分组成：机械部分、电气控制部分及高频电源部分。本设备机械部分由底座、下轴升降及旋转机构、炉室、过渡副室、籽晶托盘及机头、硅芯提升机构、真空系统、充气系统、水路、摄像头等部分构成。主机结构简图如所示。下面主要介绍设备的几个重要组成部分。

2.1 真空炉室及过渡副室

炉室是设备中晶体生长的工作问，置于底座上平面。按照硅芯生长要求，下轴通过密封从炉体下端进入炉内，籽晶从炉体顶部向下进入炉内，其结构见，炉室下半部分为双层水冷结构，上半部分不带水冷，上、下部分都开有炉门，炉门上设有观察窗，便于观察拉晶状况；另外炉体上设有高频线圈接口、拨叉口、后视镜口、摄像口、上下充气口、真空抽口、压力表口、及水咀接口，以满足硅芯炉工作各功能要求，使设备操作更加便利。炉室各处需密封可靠。

过渡副室起承上启下及限位的作用。下面与炉室相连，上面装有硅芯提拉机构。在过渡副室上设有限位口及观察窗口，与炉室相通，需要密封可靠。

2.2 下轴升降旋转机构

下轴升降旋转机构运动工况。该机构需具有下轴快速升降、慢速升降及下轴旋转功能。整个下轴运动机构正常工作时运行在低速轻载情况下，连续工作；运行时应平稳，无振动，无爬行。

为了满足下轴升降旋转机构的使用要求，本例采用直流伺服电机蜗轮减速机驱动，滚动导轨、滚珠丝杠等精密传动元件传动，可在一定的范围内进行无级调速，运行平稳可靠。下轴运动框图如所示。

2.3 籽晶托盘及控制系统

硅芯晶体直径一般为8～10mm，细而长，一根原料棒可生长6根硅芯棒，这样就省去了每生长一根硅芯晶体后，开炉、抽空、准备的时间，既提高了效率，又提高了设备的利用率。这给设计带来了难度，关键难点是怎样在不开炉的状况下自如地卸放硅芯晶体，抓取籽晶。为此设计了如所示籽晶转盘，籽晶转盘上有5个工位，与拉晶位一共有6个工位。工作时，在拉晶位生长好一根硅芯后，转盘在步进电机的驱动下，转盘的硅芯放置位旋转至拉晶位，卸下硅芯棒，转盘的下一个籽晶工位旋转至拉晶位，抓取籽晶，然后开始下一个硅芯棒的生长，直至生长6根硅芯棒后，开炉取出硅芯棒，完成一炉硅芯的生长过程。

2.4 硅芯提升机构

由于硅芯晶体棒细而长，为了降低设备高度，提升机构采用卷轮箱软轴结构。籽晶提升运动分为籽晶快速和籽晶慢速。正常拉晶时用籽晶慢速，卸放、抓取操作及调整位置等采用籽晶快速。运动工况低速轻载，连续工作；运行时应平稳，无振动，无爬行。

按照使用要求设计的硅芯提升机构运动系统为：由直流伺服电机系统经过精密的蜗轮蜗杆减速器带动卷轮，卷轮通过滚动花键传递扭矩并承担支承。卷轮由牵引螺纹螺母套实现平移，从而保证卷绕软轴钢丝始终在对中位置。卷轮的平移又带动限位杆，实现软轴的极限限位，以保护提升机构不受损害。卷轮联有光电编码器，可以显示硅芯生长长度。硅芯提升机构运动框图如所示。

2.5 真空系统、充气系统及水路

该设备是在气氛下进行运作。从气源来的气氛通过手动针阀流量计分成两路，一路通过手动针阀从炉 室下部进入炉室，另一路通过手动针阀从炉室上部进入炉室，再从炉室另一侧通过手动针阀排出。炉室上装有压力表，显示炉内压力。充气系统图如所示。

设备工作时先抽空，真空度达到要求后方可进 行下一步操作，真空度≤3 Pa属于中真空，采用直连旋片泵即可，设备各处需密封状况良好。

由于设备采用高频感应加热，工作时各处人可接触的地方温度不应超过50℃，为此炉室必须设计水冷却，另外密封处温度高的地方也必须有水冷却系统。

3 设备电气控制系统设计

3.1 高的速度控制方式

由于生产工艺和操作可靠性的需要，该设备需要很高的控速，因而需要采用速度闭环控制的调速系统。包括上、下轴慢速控制和下轴旋转控制系统，控制方式基本上都相同，均采用美国雷赛公司的PWM伺服电机。速度控制系统框如所示。

3．2 高的籽晶托盘定位控制系统

本设备采用单片机控制步进电机系统来对籽晶托盘进行定位控制。系统组成：电源系统、单片机籽晶托盘控制系统、步进电机控制器及步进电机。(如所示)

单片机采用ATMEL公司的AT89S8252芯片，该芯片内置有8KB的可重复编程的FLASH和2KB的EEPROM数据区;显示采用MAXIM公司的MAX7219，该芯片可以直接驱动八位七段数码管。单片机控制系统框图如所示。

用户可通过面板进行籽晶托盘的旋转操作，可走一步(前走一步或后退一步)，也可走过一个工位(在运动期间可以暂时停下)，操作过程中有相应指示。 用户还可以通过面板进行各个工位位置数据的重设定操作(进行编程工作)。

4 结束语

按照硅芯晶体生长炉的生产工艺要求及特点，我们研制开发了新型TDL-GX36硅芯晶体生长设备，它是多晶硅原材料生产的前沿设备，随着半导体材料硅单晶需求的大幅上升，必将受到硅单晶生产企业的极大欢迎。