论单晶炉的设计优化

孙临乾

南京晶升装备股份有限公司 江苏南京 210000

摘要：单晶炉会在以氩气为主的惰性气体环境中进行原料加热，之后进行单晶硅的生产，所以单晶炉的稳定性，将会直接影响其生产质量。现阶段，单晶炉的工艺控制技术和自动化程度已经得到很大提升。本文探讨对单晶炉设计的优化手段，综合其结构特征进行分析，然后从不同角度讨论如何开展设计优化工作。希望通过研究可以改进单晶炉的设计，提升单晶炉设备的整体性能。

关键词：单晶炉；设计优化；结构特征

0引言

单晶硅生长的完整性、均匀性、高效性是单晶炉性能的重要指标，为了满足需求，需要进行单晶炉设计的优化工作。当加热器把多晶材料进行融化，会发现其中含有较多不纯成分，进而影响单晶的生产质量，必须从多个方面进行单晶炉设计的优化，提升单晶炉工作的稳定性。目前单晶炉设备技术单纯在自动化、温度、单晶炉磁场装备等方面进行了优化设计，但是对其他关键设备并没有进行设计优化，所以需要合理进行优化设计，满足单晶炉的性能需求。

1 单晶炉结构特征分析

1.1 主炉室结构分析

主炉室包括炉底、上下炉筒、炉盖，是具有水冷夹层的焊接结构，炉的内壁采用双面焊接方式，焊接后采用热时效和振动时效有效消除焊接所导致的应力，并且能提升炉室的腐蚀能力。各个连接部分都有定位止口，可以保证合炉之后籽晶和坩埚杆对中的准确性[1]。单晶炉的外表面也经过喷砂喷丸处理，可以满足双段式加热系统的拉晶需求。炉底设置有电极接口、压力传感器接口，能保证拉晶的过程中炉内气流保持均匀流动，在上炉筒位置设有对称的真空抽口，可以在拉至晶体时保证较高的质量。上炉筒还设置温度计接口，拉晶时可以进行温度控制，以及设有掺杂勺接口，可以满足拉制掺杂单晶的需求。炉盖是整个系统中最为关键的部分，其受热、受力的状况都十分恶劣。目前为了改善炉盖的受力、受热变形问题，炉盖一般采取椭球型封头结构，炉盖的视窗一般为田径跑道形式，能满足对炉盖刚性的需求。

1.2 翻板隔离阀结构

翻板隔离阀一般在主炉室和副炉室之间设置，关闭翻板隔离阀可以实现两个炉室的隔离。根据拉晶工艺的需求，可以打开翻板隔离阀阀门或者副炉室完成二次加料，取出单晶、更换籽晶等操作。阀口和阀盖就是翻板隔离阀的核心，对阀盖使用单悬臂浮动式结构，该方法的操作比较灵活简便，具有非常好的密封效果和稳定性，目前在阀体上也设置有阀门、观察窗和抽空接口。

1.3 副炉室结构

副炉室的功能在于容纳拉制的晶体，以及支撑籽晶的升降和旋转，一般采取筒式结构，同时设置有观察窗，方便确定晶体位置，以便取出晶体。在副炉室的顶部一般设置了充气口，进行拉晶工作时，氩气可以通过筒形副室的导向直接充至戎硅液面，将熔硅挥发的杂质沿着坩埚壁带出，之后通过真空系统将杂质气体抽出主炉室。通过该设计可以减少挥发杂质对单晶硅的影响，保证晶体的质量控制效果[2]。

2 单晶炉设计优化分析

2.1 高温变形设计优化

单晶炉中，炉室和炉盖的壳体部分都使用夹层水冷式的结构。采用此方法设计是鉴于硅的熔点高，有利于充分适用隔热以及保温作用。在使用单晶炉制作单晶硅时，要通过高温将硅融化才能开始制作单晶硅，必须确保单晶炉能提供非常高的温度，满足融化硅的需求。高温不仅会直接作用于硅原料，也会对加热炉造成影响，比如单晶炉的炉室和炉盖，如果在高温的情况下出现变形，将会严重拖慢单晶硅的制作质量以及速度。根据这一情况，设计单晶炉时，需要对炉体受到加热温度影响导致炉内部出现的形状变化影响进行分析，通过合理设计水夹层的走向，提升高温加热炉形状的稳定性[3]。如此，既可以保护单晶炉本身，又可以增加生产效率。若是单晶炉的结构被高温改变原有形态，以至于单晶炉设备的形状和尺寸出现十分严重变化，不仅会破坏单晶炉，也会造成制作获得的单晶硅质量下降。为此，可以将单晶炉设计成循环式的结构，有效环节单晶炉炉壁的温度，虽然使用该方法依然会在高温下出现微微变化，但确实对单晶炉部件间的形变问题有减缓作用，并且确实保障了部件间的配合程度。

2.2 真空获得设计优化

真空系统应保证内部零部件不能存在螺纹连接界的四角、配合死角、尖角等等，同时也要注意螺纹连接、零件之间的有效配合。真空系统必须具备光滑的内壁，所使用的管路需要减少关节，通过尽可能光滑的设计保证管路的通畅，方便清理。在光滑内壁的情况下，生产人工晶体的时候可以根据要求排空单晶炉内部的空气，达到真空状态后也能避免压力回升过快。多数单晶硅生长工艺中，抽空管就是用了对称排列的方式，能保证气流均匀，从而确保晶体有更大的生长空间。另一方面，也要重视对抽空时间的控制，必须保证在人工晶体生长需要真空环境时快速排空颅内的空气，所以需要合理选择真空泵组，缩短抽空时间，避免抽空时间过长。

2.3 运动系统优化

当经路运动系统设计时，需要着重考虑系统的承受能力、精确度和平稳性，为了保证单晶体的生产质量，所使用的单晶炉控制系统必须具备极高的精度。但如果运动系统工作速度过分缓慢，可能严重影响单晶的制作速率。基于以上问题，工程师在测试的过程中，需要调整系统的工艺参数，寻找加快单晶体生长速度的方法。由于单晶炉自身的工艺问题，相比于其他机电一体化设备，依然存在生长速度不足的问题。同时，单晶炉运动系统工作的过程中，也会由于出现晃动现象导致单晶体生长速度降低，为此可以使用坩埚运动系统，为了避免由于坩埚运动速度过快导致单晶体的生长速度降低，调整对坩埚传动设置的驱动电机速度，加上具有较高精度并且工作误差较小的减速器，可以避免上一级运动系统所造成的误差，提升系统的运动精度，满足单晶生产质量和速度的要求。

2.4 节能降耗设计优化

目前各行各业都在强调节能理念，在单晶生产时，会消耗大量时间和电能，因此在进行优化设计时，也要加强节能优化设计。很多单晶炉都属于高能耗设备，要寻找有效的方法进行节能降耗，同时增加单晶炉的工作效率，可以缩短加料的时间，避免由于反复开炉导致材料热量散失造成能耗增加。为了增大单晶炉的加料，可以加大原本的工艺系统，也可以增加内部的水冷部件，通过自动降温达到目的[4]。还可以设置连续加料的机构，在不开炉盖的情况下达到加料的目的。还可以加强制作过程中提升单晶炉底部的保温性能、提升炉筒的保温性能，有效减小横向温度和增加总想温度，进一步减少能源的消耗，提升单晶炉的工作效率。

3结束语

总之，单晶炉对自身结构设计存在高要求、严标准。所以，在具体设计中，必须结合工艺要求进行优化设计，满足生产需求。通过合理设计不同部分的形状，提高温度承受能力，加强对运动系统的设计，完善真空系统，能满足对单晶硅生产的需求，提升生产效率的同时，也满足单晶生产质量需要。同时，也要重视节能优化，降低单晶炉的生产能耗，以提升单晶生产的综合效益。

参考文献：

[1]林光伟,王珊,张西亚,高俊伟,高德东.直拉单晶炉加热系统的优化设计与分析[J].人工晶体学报,2021,50(08):1541-1551.

[2]唐凯.试分析单晶炉的设计优化[J].科技风,2019(36):8.

[3]陈甲子.论单晶炉的设计优化[J].科技与企业,2013(14):343.

[4]安涛,高勇,张创.单晶炉低功耗勾形磁场设计与优化[J].人工晶体学报,2012,41(04):1113-1118.