大型单晶炉热场设计的探讨
瓣秽,惯1992年第6期翻造与测试第十三卷⑤\'大型单晶炉热场设计的探讨'.1牛徙氏_—————一摘要本文就热场在单晶炉中的住置,作用,热扬自身特性对炉内理想温度梯度的夥响,对固液导面的夥响(包括等径方程)诸方面,探讨7热扬设计应注意的问题.蛤出7热扬设计的一般方法,着重讨论7石墨扣热器的设计.亦讨论7热场调整的有关问题.单晶炉热系统中的加热器,坩埚,保温罩的设计称为热场设计.其目的在于使单晶炉内温度梯度分布合理,辅以理想拉晶工艺,可以生长出优质单晶.一,热场设计应注意的问题1.热场的设计,决定整个单晶炉的热环境的质量,系统中各部分都必须能提供较好的热环境.比如加热器加热区要长,要有保温罩防止热辐射等.以便在适当的平均晶体提拉速率下生长出高质量的晶体2.兼顾工艺要求,加热功率,热场梯度等条件,应尽可能减少温场的热容量,减小系统的热惯性,从而提高等径控制的精度.3.由于热系统造价昂贵,设计出热系统还必须耐用石墨中杂质对生成晶体质量影响严重有害,还须使热系统应保持多次使用热稳定性能同时,它要具备易从炉内取出便于清扫.4.加热器功率=,单晶炉安全电压的上限一般为7.根据功率大小,造出最佳电流,电压匹配.一次设计的成功率要高.从理论上分析?在气液相中,愈近晶体表面等温愈密,温度梯度愈大.在晶体中等温面的形状愈接近圃液界面愈平.圃液界面是平面,这意味着晶体中同液界面邻近的热量传输是平行于提拉轴指向籽晶且该处邻近的晶体表面与周围气氛没有热交换.远离固液界面的晶体中一部分热量是平行生长轴流向籽晶,另一部分则沿着晶体表面耗散于周日气氛中.再有一点值得注意,这就是纵向温度梯度大于径向温度梯度.以上所述是正常温度分布场,是较理想温度分布.这样的温度分布使自发的结晶过程只限于固液交界面上,而其余部分是处于熔化状态.熔体和晶体的纵横向温度梯度要求严格.其数值是由加热器形状,尺寸,保温罩高矮,保温盏开口大小,埚坩位置,拉速,水冷诸因素共同决定的.5.热场设计最终影响固液界面宏观形状.圃液界面是晶体凝固点的等温面.所以固掖界面的形状是炉膛内温场的重要表现.改变固液界面的形状,可以避免小面生长和内核,可以控制与固液界面相交的位错走向.固液界面的形状也和晶体中溶质的偏聚,气泡的形成,热应力的分布密切相关.另～方面,固液界面的微观结构又直接决定了晶体的生长控制.如果同液界面象,圜所示那样,显然原子层受到一个向上(下)8弯曲很大的应力.由于原子层中的空位集团的存在,形成了较松驰的区域,这样在应力作用下,产生位错等缺陷是非常容易的.一旦晶体产生位
错,这时过饱和空位集团就迅速集中于位错区,加速了位错的繁殖和运动.如果改变固液界面的形状只需改变温场.如可以改变发热元件的形状,发热元件与坩埚的相对位置,改变保温层或保温罩的形状和梧对位置(当然可以改变工艺参数,如拉速,转速,气流等).如果炉内单位时间产生的热量(主要为加热功率和结晶潜热等)等于热耗损(传导,对流,辐射)才能建立稳态热场.如图所示,固液界面处于水平位置.原子没有受外力作用.这样引晶容易,若此界面形状能保持下去,则可以拉出优质单晶.6.如果忽略液面下降速率,则晶体生长速率等于提拉速率,于是单位时间所生长晶体的质量为=?(晶体截面积':晶体密度)根据固掖界面能量守恒方程,可以导出=(—)/??,式中是通过晶体耗散于环境中的热量.是通过熔体传至周液界面的热量,是比例于加热功率.是材料的碰周潜热.我们从中可以看出,加热功率,提拉速率均可影响等晶.总之,热场设计应满足以上要求,方能生长出优质晶体.二热场设计根据国内直拉硅单晶工艺,技术发展情况,经归纳总结,陕西机械学院晶体生长设备研究所,在热场设计方面傲--些研究工作,现已建立起一套算法系统.--6222单晶炉用此方法设计的热场,使垌后效果良好.现将结果整理如下..投料量的确定根据单晶炉设计所要拉制晶体的直径和长度,便由直径与长度的最佳比例;10算出投料量.例:巾单晶长度为60,则重量:丌???=3.14×7.5×150×2.33=61.73,可以取投料量60.2.热场内各部件尺寸的确定①坩埚直径/晶体直径=/2.5～3具体数值要综台考虑投料量的影响.②坩埚高度采用试装方法最为实用.③加热器有效加热区高度一般为坩埚高度2倍,具体数值要参考电阻值计算进行微调.④石墨坩埚内径=石英埚外径+2～3ⅱ.⑤石墨坩埚壁厚=1012.⑥加热器内径=石墨坩埚外径4-2×(7～3)(加热器越大,与石墨坩埚间隙越大).⑦加热器壁厚主要靠计算获得.当然也可根据加热器大小,预先设定一值,验算电流,电压匹配,再进行调整.)③加热器开槽缝宽,不得小于2,最大可以到45,加热器开槽与加热器顶部距离取近似片宽&;.3.加热器电阻及功率的近似计算①比电阻值的确定国内石墨加热器大多采用上海碳索厂"细高纯石墨,其中规格巾400×400,巾450×400的比电阻≯15×10?.而同样规格在机械工程师手册"上数据为8.5～×10?.对计算电阻在0.04左右电阻值来说影响较大.为此,我们傲实验测出比电阻为13×10..当然,每次生产出的高纯石墨比电阻其值不完全相同.②加热器壁厚的确定我们根据加热器大小,考虑加热器开槽.后强度以及类比已使用成熟加热器或者小一号加热器壁厚,预先设定某值,计算其电阻后,再作最后调整.@加热器瓣数的确定类似壁厚那样
先设定,比如=20,24,2832,36④加热器电阻及功率近似计算计算模型见图表1.石墨加热器电阻可以简化成如下.,:韭联电路.根据电流等截面原理,我们从实践经验知,电流流动如图中虚线所示.这样,通过简单的电路计算,进而分析电流,电压的匹配,最终确定加热器有关尺寸.以下以陕西机械学院一62单晶炉加热器(12×9)为例来说明整个设计过程.投料量20化硅功率80拉晶功率50拉晶电流13001400拉晶电压4几伏上述参数的设定是根据调研资料,厂家拉晶实践综合分析而得.考虑目前国内变压图表1加热器近似计算电阻模型:;电阻总=电阻率=?1/单片电阻长1=/总每片电阻