单晶炉热场设计

单晶硅是在热场中进行拉制的，热场的优劣对单晶硅质量有很大影响。单晶硅生长过程中，好的热场，能生产出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶变成多晶，甚至根本引不出单晶。有的热场虽然能生长单晶，但质量较差，有位错和其他结构缺陷。因此，找到较好的热场条件，配置最佳热场，是非常主要的直拉单晶工艺技术。

热场主要受热系统影响，热系统变化热场一定变化。加热器是热系统的主体，是热系统的关键部件。因此，了解加热器内温度分布状况对配制热场非常重要。

从示意图看出，以加热器中心线为基准，中心温度最高，向上和向下温度逐渐降低，它的变化率称为纵向温度梯度，用

dT表示。加热器径向温度内表面，dy中心温度最低，靠近加热器边缘温度逐渐增加，成抛物线状，它的变化率为径向温度梯度，用

dT表示。 dx单晶硅生长时，热场中存在着固体（晶体），熔体两种形态，温度梯度也有

dTdT两种。晶体中的纵向温度梯度和径向温度梯度dydy。熔体中的纵向温度SLdTdT梯度和径向温度梯度。是两种完全不同的温度分布。但是，最能影dydxLLdTdT响结晶状态是生长界面处的温度梯度，它是晶体、熔体、环，dxSLdySL境三者的传热、放热、散热综合影响的结果，在一定程度上决定看单晶质量。

晶体生长时单晶硅的温度梯度粗略的讲：离结晶界面越远，温度越低。即

dTdy>0。 SdT只有dy足够大时，才能单晶硅生长产生的结晶潜热及时传走，散掉，保

SdT持结晶界面温度稳定。若dy较小，晶体生长产生的结晶潜热不能及时散掉，

S单晶硅温度会增高，结晶界面温度随着增高，熔体表面的过冷度减小，单晶硅的

dT正常生长就会受到影响。dy过大，结晶潜热随着及时散掉，但是，由于晶体

S散热快，熔体表面一部分热量也散掉，结晶界面温度会降低，表面过冷度增大，可能产生新的不规则的晶核，使晶体变成多晶，同时，熔体表面过冷度增大，单

dT晶可能产生大量结构缺陷。总之，晶体的纵向温度梯度dy要足够大，但不能

S过大。

dT晶体生长时熔体的温度梯度概力地说，离液面越远温度越高，dy>0。

LdT温度梯度dy较大时，如图（a）离开液面越远温度越高。即使有较小的

L温度降低，生长界面以下熔体温度高于结晶温度，不会使晶体局部生长较快，生长界面较平坦的，晶体生长是稳定的。

dT温度梯度，结晶界面以下熔体温度与结晶温度相差dy较小时，如图（b）

L较少。熔体温度波动时可能生成新晶核，凝结在单晶硅界面使单晶硅发生晶变。晶体生长不稳定。当熔体表面较厚的一层处于实际结晶温度（低于熔点温度），单晶硅生长更不稳定。

dT特殊情况下，dy是负值，即离开结晶界面越远，温度越低，熔体内部温

L度低于结晶温度，单晶硅会长入熔体，无法得到单晶。

dTdTdT热场的径向温度梯度，包括晶体，熔体和固液交界面dxSdxLdxSL三种径向温度梯度。由于熔体由加热器周围供热，一般说来，熔体的径向温度梯

dT度总是正数，>0。但整个单晶硅生长界面的变化说明，结晶界面的温度梯

dxL度由大于零等于零，变到小于零。

从图中可以看出：

dT单晶硅最初等直径生长时，生长界面的径向温度梯度是正数，即大

dxSL于零，随着单晶不断生长，结晶界面由凸向熔体逐渐变平，生长界面的径向温度

dTdT梯度逐渐等于零。一般说来，单晶硅中部结晶界面平坦，等于

dxdxSLSL零。

单晶逐渐生长到尾部，生长界面由平逐渐凹向熔体，越接近单晶尾部，生长界面越凹。这说明单晶生长界面的径向温度梯度由等于零变为负值，而且负值越来越小。在坩埚里整个熔硅表面，由于熔硅传热，单晶硅散热和结晶放出结晶潜

dT热，单晶生长时，最初可近似认为熔硅表面径向温度梯度小于零，生长到

dxLdT单晶中部时，近似看作熔硅表面径向温度梯度单晶硅在尾部生长等于零，

dxLdT时，熔硅表面的径向温度梯度由温度梯度的变化成倒小于零转为大于零，

dxL人字形，如图。

综上所述：一个热系统，合理的热场温度分布应该是：

（1）结晶界面纵向温度梯度尽可能大，才能使单晶生长有足够的动力，

dTdy不能很大，既能使单晶良好生长，又不使单晶产生结构产生结构缺陷，SL尽量使纵向温度梯度变化缓慢，不形成温度突变，使单晶受到较大的热冲击。

dT（2）径向温度梯度尽量接近于零，即=0，保证结晶界面平坦。

dxSL

§3 热场配制和调试

热场配置是将加热器、保温罩、保温盖、石墨托碗等组成一些几何形式，改变单晶炉内的温度分布状况。主要改变熔硅和熔硅上部空间的温度分布状况。不同的加热器、保温罩、保温盖等器件组成不同的几何形状，形成不同热场。热场的组合形状，通常分为内梯形罩，外梯形短平保温罩热场。如图（下页）。

目前的热场配置大部分为内梯形，内梯形又有高罩和矮罩之分。保温罩绝大部分采用高纯石墨制成，也可在第二层加一层钼薄板。国外通常采用短平罩热场，

加保温盖，两层石墨中间放碳毡。碳毡保温性能好，节省能源。热场组成比较简单，操作方便。

石墨托碗有平底（杯形）和半球形，目前趋向于采用平底托碗。托碗厚薄影响热场稳定性。厚托碗热惯性大，热场反应慢，温度较稳定，薄托碗热惯性小，热场反应快，温度容易调整。

好的热场正拉晶过程顺利，拉出的单晶电阻率均匀性好，结构缺陷少，质量高。不好的热场下拉晶操作复杂，拉出的单晶电阻率均匀性差，结构缺陷较多，质量较差。在不好的热场下拉晶，还很不容易成单晶或在拉晶中途产生大量结构缺陷或变成多晶。这都是由于热场纵向梯度过小造成的。

增大生长界面纵向温度梯度最简便的办法是提高坩埚位置，或者适当降低保温罩的高度（尤其第一层保温罩高度）。还可降低盖板高度或升高盖板高度（要看盖板离加热器的距离而定），加大盖板孔或缩小盖板孔（看实际情况而定）。当然，石墨器件在长时间生产中会老化，性能有所变化，也会使纵向温度梯度降低。

纵向温度梯度过大也会引不出单晶（这种情况较少），即使引出单晶，很快会发生晶变。

dT径向温度梯度小，对形成单晶无多大影响，对单晶质量影响较大。

dxSL由热系统组成的热场是一个有机的整体，调整纵向温度梯度时，径向温度梯度也会变化。同样的热场，在不同拉晶条件下纵向温度梯度也不相同；真空条件下，纵向温度梯度较小的热场，气氛条件下纵向温度梯可能很大，流动气氛下更大。减压拉晶时可能适合。总之，热场温度梯度大小不但决定于热系统影响，还决定于拉晶条件。

§4 热场的选择

生长高质量单晶，一个很重要的条件就是有一个合适的热场。生长系统中的温度分布（等温面的状况）或者说晶体中，熔体中以及固液界面上的温度梯度对单晶的质量有决定性的影响，然而不同参数的单晶，对热场的要求也不同。所谓较好的热场，并没有严格的界限。一般说来，掺杂量大的单晶需要较大的温度梯度（特别是界面附近），而掺杂量较少的单晶采用比较小的温度梯度。一般采用

平的或微凹的界面生长单晶时，则有助于改善单晶的性能。当然，任何品种单晶生长都需要径向对称。

总之，对于某种确定参数的单晶，合适的热场条件只能根据单晶参数的要求，作出初步判断，具体较佳热场形式只有通过实验才能确定。

为克服拉制高杂质浓的单晶的组分过冷，需要有大的纵向温度梯度，为了提高单晶质量要求有较小的径向温度梯度。而温度梯度的大小很大程度上决定于装置的结构，包括加热方式、加热器、坩埚、保温罩、托碗的形状和尺寸，决定于它们之间的相对位置。界面附近熔体，温度梯度大，意味着晶体散热量快，因此，增大温度梯度，可以适当地提高坩埚的位置，或者提高液面位置（多装料），可达到增大温度梯度的目的，使单晶散热加快也是提高纵向温度梯度的有效办法。单晶的散热和晶体所处的环境温度密切相关，设法增大熔体和熔体上部空间温差，就能增大纵向温度梯度；增大熔体中心部分和周围温差就能增大径向温度梯度。向单晶炉内充氩气，改变单晶炉内气体流动路线，也可增加单晶散热，增大热场纵向温度梯度。单晶炉内温场随着单晶生长不断变化，随着单晶长度的增加，单晶表面增加了，散热加快了，因此纵向温度梯度有增大的趋势，然而随着熔体液面的降低，单晶进入坩埚底部，使纵向温度梯度有减小的趋势，因此，当单晶生长到一定长度之后，纵向温度梯度反而开始减小。

§5 硅单晶生长方向和热场

晶体各向异性，不同的生长方向生长速度不同。因此，直拉单晶硅按不同方向生长，热场的纵向温度梯度不同。

拉<100>晶向单晶的热场用来拉<111>晶向单晶，一般说来，晶体很难拉成单晶，即使拉成单晶，单晶缺陷也较多。单晶各晶面原子排列密度不同，每个晶面族的原子面密度也不一样。但是，晶体中原子的总数一定，面间距比较小的面族，晶面间距短，晶面排列较密，每个晶面上的原子少些；面间距较大的面族，晶面间距长，晶面排列较稀，每个晶面上的原子数目多些，这样才能保证二者原子总数相等。总之，面间距较小的面族，原子面密度也小；面间距较大的面族，面密度也大。

晶体生长时，各晶面的法向生长速度不同，面密度大的晶面，面间距也大，晶面间原子的吸引力小，形成新的晶面困难，因此生成这种晶面需要的动力—过冷度大些。这种晶面上，由于原子的面密度大，间距小，原子之间吸引力大，晶面的横向生长速度快，放出的结晶潜热多。为了保持单晶稳定生长，只有比较大的纵向温度梯度才能及时散掉这些热量，达到温度平衡。面密度小的晶面，面间距也小，晶面间的吸引力大，生成这种晶向需要的动力—过冷度就小些，新晶面容易生成。在晶面上，由于原子的间距大，原子之间的吸引力小，晶向的横向生长速度慢，放出的结晶潜热少，为了保持晶体稳定生长，比较小的温度梯度就将这些热量及时散掉，达到温度平衡。

硅单晶各晶面之间的间距是不同的，各晶面上的原子密度也不同。我们知道，（100）的面间距小于（110）的面间距，（111）的面间距最大；所以，（100）的面密度小于（110）的面密度，（111）的面密度最大。因此，直拉法生长单晶硅的热场，沿[111]晶向生长的纵向温度梯度大于沿[110]晶向生长的纵向温度梯度，沿[100]晶向生长的纵向温度梯度最小。

§6 加热器的设计

常见的加热器有三种形状，筒形、杯形、螺旋形，目前绝大多数加热器为筒形，如图。

螺旋形加热器加工工艺复杂，早已淘汰。杯形加热器对于半球形的坩埚，底部熔体温度较均匀，由于加工工艺较难，早已不用。现在，绝大多数用筒形加热器。筒形加热器不但加工简单，而且和直拉单晶炉大量采用平底坩埚有关。不同的单晶炉加热器的大小可能相同，也可能不同。加热器是根据直拉单晶炉的大小和所拉制单晶的参数等条件确定的，一般设计成并联电路形式，并且下列几个参数。

一、加热器的形状 二、加热器的内直径 三、加热器的有效长度 四、加热器的片数

五、加热器的厚度并给出加热器外径。

确定这些参数依据直拉单晶炉的参数和所拉单晶的直径。主要依据单晶炉加热功率变压器参数：最大输出功率、最大输出电压和最大输出电流，坩埚的直径和高度。

设计加热器有以下几个步骤： 一、选材和确定加热器形状

加热器一般用高纯石墨制成，高纯石墨的电阻率1.3103欧姆厘米，加热器目前通常做成筒形。

二、确定石墨托碗壁厚

石墨托碗壁厚一般为3毫米—6毫米 三、确定加热器内径

根据给定坩埚直径和石墨托碗壁厚，算出加热器内径。

Φ内=石英坩埚外径+2倍石墨托碗壁厚+2倍石墨托碗和加热器的间隙 若石墨托碗壁厚为a，石墨托碗与加热器的间隙为b（b=5毫米）， Φ内=Φ外坩+2a+2b=Φ外坩+2（a+b） 四、确定加热器有效高度

经过长期实践，加热器有效长度为石英坩埚高的1.6倍至1.8倍。 若加热器高为H，石英坩埚高为h H=（1.6～1.8）h 一般取H=1.7h 五、确定加热器片数，算出片宽。

加热器一般为16片、20片、24片三种形式，目前一般为20片。 若加热器片宽为l，片与片的间隙为2毫米l六、确定加热器厚度

加热器采用并联电路形式导电，加热器总电阻为R，每联的电阻为R1，加热器的壁厚为d

111 R12R RR1R1内202

R最大输出电压V输出 最大输出电流I输出120HL一联加热器片的长度 R12S每片的截面积ldd10H10H5H5H lR12RlRlV输出lI输出dI输出V输出5H1.3103

七、确定加热器外径

外内2d

以上计算只能做参考，在实际生产中，不一定用到单晶炉最大功率，所以计算和实际有一这距离，但它毕竟给出一个范围，在实际制作加热器时还是非常有用的。

思考题

1、什么叫直拉单晶炉的热系统？ 2、什么叫热场？

3、直拉单晶炉的合理热场条件是什么？

4、直拉单晶炉热场的纵向温度梯度和径向温度梯度对拉晶有何影响？ 5、沿<111>方向生长硅单晶与沿<100>方向生长硅单晶热场有何不同？为什么不同？

6、给出相应数据，设计一个加热器。