半(ban)導體(ti)工(gong)藝(yi)設備為半(ban)導體(ti)大規模制(zhi)造提供制(zhi)造基礎(chu)。摩爾定(ding)律，給電子業描繪(hui)的前景(jing)，必將是未來半(ban)導體(ti)器(qi)件(jian)的集(ji)成化(hua)、微(wei)型化(hua)程度更(geng)高，功(gong)能更(geng)強(qiang)大。這里先介(jie)紹半(ban)導體(ti)工(gong)藝(yi)的頭(tou)道工(gong)序——單晶體(ti)拉胚的單晶爐。
單晶爐 單晶(jing)爐(lu)，全自動直拉(la)單晶(jing)生長爐(lu)，是一種(zhong)在(zai)惰性氣(qi)體(ti)（氮(dan)氣(qi)、氦氣(qi)為主）環境中(zhong)，用石墨加熱器將多晶(jing)硅等多晶(jing)材(cai)料熔化，用直拉(la)法生長無錯位(wei)單晶(jing)的設備。 單晶硅(gui)爐(lu)(lu)型號(hao)有兩種(zhong)(zhong)命名方式，一種(zhong)(zhong)為投料(liao)量，一種(zhong)(zhong)為爐(lu)(lu)室直徑(jing)。比如 120、150 等型號(hao)是(shi)由投料(liao)量決定， 85 爐(lu)(lu)則是(shi)指主爐(lu)(lu)筒(tong)的直徑(jing)大小。 單晶硅爐的主(zhu)體構成(cheng)由主(zhu)機、加熱(re)電源和計算機控制系統(tong)三(san)大部分組(zu)成(cheng)。 單晶硅片工藝流程 硅，Si，地球上含硅的東西很多，好像90%以上都是晶硅的，也就是單晶硅。太陽能級別的硅純度6N以上就可以了。 開(kai)始是石(shi)頭(tou)(tou)(tou)，（石(shi)頭(tou)(tou)(tou)都含硅），把石(shi)頭(tou)(tou)(tou)加(jia)熱，變(bian)成液(ye)態，再加(jia)熱變(bian)成氣態，把氣體(ti)(ti)(ti)通(tong)過一(yi)個密封的大箱(xiang)子(zi)，箱(xiang)子(zi)里(li)有(you)N多的子(zi)晶(jing)加(jia)熱，兩頭(tou)(tou)(tou)用(yong)石(shi)墨夾住，氣體(ti)(ti)(ti)通(tong)過這個箱(xiang)子(zi)，子(zi)晶(jing)會(hui)把氣體(ti)(ti)(ti)中(zhong)的一(yi)種吸符到子(zi)晶(jing)上，子(zi)晶(jing)慢慢就(jiu)變(bian)粗了，因為是氣體(ti)(ti)(ti)變(bian)固體(ti)(ti)(ti)，所以很(hen)(hen)慢，一(yi)個月左右，箱(xiang)子(zi)里(li)有(you)就(jiu)了很(hen)(hen)多長(chang)(chang)長(chang)(chang)的原(yuan)生多晶(jing)硅。 單晶硅片由此進入生產流程： 1、酸(suan)洗(xi)：使用稀硝酸(suan)HNO3,進(jin)行清洗(xi)，去除表面雜(za)質(zhi)及提煉時產(chan)生(sheng)的(de)四氯化(hua)硅。 2、清洗：清洗硅料經過酸洗后的(de)殘留(liu)雜質。 3、單晶硅(gui)料烘干：去除水分。 4、挑料(liao)(liao)：區分P型(xing)，N型(xing)硅料(liao)(liao)。 5、配料：對拉晶的硅料型號進行匹配。 6、單晶爐拉晶： 7、硅棒(bang)檢測：檢查(cha)有無位錯，棱線斷等現象(xiang)。 8、開斷：將單晶硅棒用(yong)帶鋸條切割成四方體。 9、包(bao)裝：將開斷(duan)后(hou)的單晶硅棒進行(xing)包(bao)裝，送至(zhi)下(xia)一道工序 10、磨(mo)圓：將單晶硅棒四個(ge)直角進(jin)行磨(mo)圓。 11、多線切(qie)割：瑞(rui)士的264，265。日本的PV800,MDM442DM設備(bei)進行切(qie)割 0.33mm。 12、清洗： 13、單(dan)晶硅片(pian)檢(jian)測： 單晶爐的結構 單晶爐爐體（包括爐底板、主爐室、爐蓋、隔離閥室、副爐室、籽晶提升旋轉機構和坩堝提升旋轉機構）由304L不銹鋼制造。所有腔體都經過缺陷爐室檢查和探傷檢驗，并且經過0.6MPa水壓試驗和氦質譜檢漏儀檢漏。 一(yi)、主爐(lu)體構(gou)造 1、基座(zuo)與爐底板 爐底板設計(ji)成(cheng)平板式(shi)，具有雙(shuang)層結構，通水冷(leng)卻(que)。四只電極(ji)穿過底板，在坩堝提升(sheng)機構的波紋管(guan)連接處有一(yi)個水冷(leng)卻(que)法蘭區(qu)。 2、主、下(xia)爐(lu)室 主、下爐(lu)(lu)室為雙層筒(tong)狀結(jie)構，兩端為法(fa)蘭結(jie)構，通水(shui)(shui)冷卻，并有隔(ge)水(shui)(shui)條保(bao)證冷卻均勻。主爐(lu)(lu)室設置(zhi)了一(yi)個(ge)測溫計窗(chuang)口(kou)(kou)，用于測量加(jia)熱器溫度(du)。下爐(lu)(lu)室有抽真(zhen)空(kong)和真(zhen)空(kong)計接口(kou)(kou)（0～100Torr和0～1Torr）。下爐(lu)(lu)室在正常(chang)操(cao)作過程中始終用壓板(ban)(ban)固定在爐(lu)(lu)底板(ban)(ban)上，通過氟橡膠O型圈實現真(zhen)空(kong)密(mi)封(feng)。 3、爐(lu)蓋 爐(lu)(lu)(lu)蓋(gai)為(wei)爐(lu)(lu)(lu)體和隔離(li)閥座提(ti)供了(le)一個過渡(du)區。爐(lu)(lu)(lu)蓋(gai)采用標準爐(lu)(lu)(lu)蓋(gai)制(zhi)造，雙(shuang)層通水冷(leng)卻。在爐(lu)(lu)(lu)蓋(gai)上設(she)有一個操作者(zhe)觀察(cha)窗(chuang)口(kou)（類橢圓形）和一個直徑控制(zhi)窗(chuang)口(kou)（圓形）。操作者(zhe)觀察(cha)窗(chuang)口(kou)允許(xu)單晶(jing)直徑測量范圍最(zui)大至10”，氬(ya)氣入口(kou)設(she)置在爐(lu)(lu)(lu)蓋(gai)的(de)喉(hou)部(bu)。 4、隔(ge)離閥座 隔離(li)(li)閥(fa)(fa)(fa)座為雙層水(shui)冷卻結構，前圓(yuan)(yuan)(yuan)后方，正前方設(she)有(you)(you)一道圓(yuan)(yuan)(yuan)門(men)(men)，可以(yi)通(tong)過(guo)圓(yuan)(yuan)(yuan)門(men)(men)方便拆卸和(he)(he)更換籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)夾頭。圓(yuan)(yuan)(yuan)門(men)(men)中(zhong)心設(she)有(you)(you)圓(yuan)(yuan)(yuan)形(xing)觀察窗。隔離(li)(li)閥(fa)(fa)(fa)座為隔離(li)(li)閥(fa)(fa)(fa)提供(gong)了安裝及活動(dong)空間，隔離(li)(li)閥(fa)(fa)(fa)的(de)(de)作用是為籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)或單晶(jing)(jing)(jing)提供(gong)進入(ru)(ru)副(fu)爐(lu)室(shi)的(de)(de)通(tong)道，同時可以(yi)維持上下爐(lu)室(shi)的(de)(de)局(ju)部壓力和(he)(he)溫度。隔離(li)(li)閥(fa)(fa)(fa)是翻(fan)板(ban)閥(fa)(fa)(fa)結構，閥(fa)(fa)(fa)板(ban)和(he)(he)閥(fa)(fa)(fa)體均是固定式雙層結構，通(tong)水(shui)冷卻。隔離(li)(li)閥(fa)(fa)(fa)座側面(mian)設(she)有(you)(you)兩個籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)位置檢測窗口（激光(guang)定位），后部有(you)(you)一個氬氣(qi)入(ru)(ru)口，可以(yi)實現快充氬氣(qi)。 5、副爐室 副爐室為圓(yuan)筒形腔(qiang)(qiang)體，雙層結構，水冷卻。副爐室上(shang)部前方設(she)有(you)一個(ge)圓(yuan)形法蘭，可以打開用于清理腔(qiang)(qiang)體上(shang)部，法蘭中心(xin)設(she)有(you)圓(yuan)形觀察窗。副爐室上(shang)部是(shi)水平調整機構（見附(fu)件12），設(she)有(you)一個(ge)氬氣(qi)入口(kou)(kou)（正常拉晶時的氬氣(qi)通道）、一個(ge)抽(chou)(chou)真(zhen)(zhen)空(kong)接口(kou)(kou)（當隔(ge)離閥關(guan)閉時副爐室抽(chou)(chou)真(zhen)(zhen)空(kong)用）和(he)一個(ge)真(zhen)(zhen)空(kong)計接口(kou)(kou)（0～1000Torr）。 二、籽晶提升旋(xuan)轉機構 籽晶(jing)旋(xuan)轉提(ti)升機(ji)(ji)構俗(su)稱(cheng)提(ti)拉頭，主要由安裝盤(pan)、減速(su)機(ji)(ji)、籽晶(jing)腔(qiang)（真(zhen)空腔(qiang)）、劃線環、快速(su)電(dian)機(ji)(ji)、慢速(su)電(dian)機(ji)(ji)、旋(xuan)轉電(dian)機(ji)(ji)、離合器、磁流體、鋼(gang)纜、籽晶(jing)稱(cheng)重頭、軟波紋管(guan)等其(qi)他(ta)部件(jian)組成 。 提拉頭的主(zhu)要功能有(you)使籽晶(jing)旋(xuan)轉 提升，并(bing)保證(zheng)勻速旋(xuan)轉變(bian)速提升，且記(ji)錄單晶(jing)重量 位移等(deng)數據。 在(zai)籽晶提(ti)升機(ji)構(gou)里(li)采(cai)用(yong)鋼索卷筒(tong)提(ti)升鋼絲(si)繩。整個提(ti)升裝置在(zai)一根中空的軸上旋(xuan)轉(zhuan)，該機(ji)構(gou)經過(guo)靜平衡和動平衡測試，在(zai)整個運行范圍內(nei)可(ke)實現無振動平穩的運行。旋(xuan)轉(zhuan)密(mi)封(feng)和提(ti)升進給密(mi)封(feng)均(jun)采(cai)用(yong)磁(ci)流體密(mi)封(feng)。提(ti)升腔、離合器(qi)腔、稱重(zhong)腔和晶升底板均(jun)由高強度鋁(lv)制造而成(cheng)。 三、副(fu)爐室(shi)旋(xuan)轉機構 旋(xuan)轉機構采用直(zhi)流伺(si)服電(dian)機，雙級蝸輪(lun)蝸桿(gan)減速，加(jia)強型同步帶(dai)傳(chuan)動，可在副爐室提升(sheng)到位時(shi)的(de)緩慢(man)旋(xuan)開和快速旋(xuan)閉，實現取單晶過程的(de)自動化動作。 四、坩(gan)堝提升旋(xuan)轉機構 坩堝提升機(ji)(ji)構的(de)(de)垂直(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)采(cai)(cai)用了滾(gun)珠直(zhi)(zhi)線(xian)導(dao)軌和(he)(he)高(gao)精(jing)度(du)絲(si)桿，在高(gao)負載甚至(zhi)電機(ji)(ji)斷電的(de)(de)情況下實現自鎖。坩堝旋轉(zhuan)采(cai)(cai)用可承受(shou)高(gao)轉(zhuan)矩(ju)的(de)(de)多碶帶驅動，從而消除了齒形帶傳動的(de)(de)震(zhen)顫。旋轉(zhuan)密(mi)封(feng)采(cai)(cai)用可承受(shou)軸向(xiang)(xiang)力磁流體密(mi)封(feng)，垂直(zhi)(zhi)密(mi)封(feng)采(cai)(cai)用不銹鋼(gang)波紋管。 坩堝提升機(ji)(ji)構中直(zhi)(zhi)線(xian)導(dao)軌座(zuo)和(he)(he)底板(ban)(ban)成90°固定，兩者間采(cai)(cai)用筋板(ban)(ban)支撐，從而提高(gao)整體的(de)(de)剛度(du)，避免由側向(xiang)(xiang)力矩(ju)引起的(de)(de)直(zhi)(zhi)線(xian)導(dao)軌和(he)(he)絲(si)桿的(de)(de)變(bian)形。 在單晶生(sheng)長過程中會形成硅氧化(hua)物(wu)（SiO）小顆粒并(bing)沉積在波(bo)紋(wen)管(guan)(guan)中。這些(xie)氧化(hua)物(wu)應被定期清(qing)(qing)除出(chu)去(qu)。將(jiang)波(bo)紋(wen)管(guan)(guan)從坩堝軸密(mi)(mi)封(feng)一惻松開。將(jiang)它(ta)在適當位置系好以防止它(ta)往下彈回去(qu)。 用真空吸(xi)塵(chen)器(qi)清(qing)(qing)除所有的灰塵(chen)，包括磁(ci)流體密(mi)(mi)封(feng)座的密(mi)(mi)封(feng)表面上的灰塵(chen)檫拭干凈后裝回波(bo)紋(wen)管(guan)(guan)。 五、真空系統 真(zhen)空系(xi)統各(ge)零件由不銹(xiu)鋼(gang)制成(cheng)，所有連接都采(cai)用法蘭(lan)式氟橡(xiang)膠(jiao)O型密封(feng)圈，真(zhen)空閥采(cai)用的是高(gao)真(zhen)空氣動球閥。 1 主真空系統 主真(zhen)空(kong)(kong)系統提(ti)供了為(wei)各(ge)腔(qiang)體抽真(zhen)空(kong)(kong)或者當(dang)隔離閥關閉時僅為(wei)上(shang)下爐室抽真(zhen)空(kong)(kong)的閥和(he)管道。為(wei)控制真(zhen)空(kong)(kong)腔(qiang)獨立氣流壓力提(ti)供了自動(dong)壓力控制節(jie)流閥。 2 輔(fu)助(zhu)（副爐室(shi)）真空系統(tong) 輔助真空(kong)系統(tong)提供了將(jiang)副爐(lu)室(shi)從常壓抽至與上下爐(lu)室(shi)相等壓力的閥和管道。在隔離步驟中，它通常是(shi)最(zui)先使用的，一根柔(rou)(rou)性波紋管為提升(sheng)和旋轉(zhuan)副爐(lu)室(shi)提供柔(rou)(rou)性連(lian)接。 六、氬氣(qi)系統 氬氣系統由不銹鋼管、電磁截止閥、質量流量控制器、減壓器、手動截止閥和柔性波紋管道構成，在爐子的運行過程中向爐子內提供氬氣。爐子上有兩個氬氣入口（副爐室頂部和爐蓋喉部）由質量流量控制器控制，另一個氬氣入口（隔離閥座后部）是快充口，不由質量流量控制器控制。氬氣由副爐室頂部的分流環分配以減少副爐室內的紊流。 1 質量(liang)流量(liang)控制器 質量(liang)流量(liang)控制器為(wei)氬氣進入主爐體提(ti)供精(jing)密的流量(liang)控制。 2 密封(feng)和管路(lu) 氬(ya)氣系(xi)統(tong)在不銹鋼管(guan)、電(dian)磁截止(zhi)閥和(he)質量(liang)流量(liang)控制器的連接(jie)處采用金屬(shu)卡套密封(feng)，柔性不銹鋼波紋管(guan)間采用快卸法(fa)蘭式氟橡(xiang)膠O型密封(feng)圈。整(zheng)個氬(ya)氣系(xi)統(tong)經(jing)過氦(hai)質譜(pu)檢漏儀檢漏，在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)范圍內未(wei)查出泄漏。 冷卻系(xi)統的(de)設計目的(de)是為爐子提供一個安(an)(an)全良好的(de)運行(xing)環境，上爐室(shi)(shi)和副爐室(shi)(shi)采用(yong)不銹(xiu)鋼安(an)(an)全閥進行(xing)過壓保護。腔體(ti)外部出水口(kou)處(chu)設置安(an)(an)全溫(wen)度監測(ce)，如果溫(wen)度超過55°C，就會向操作(zuo)者(zhe)發出警告(gao)。冷卻水流量傳感器(qi)裝在(zai)爐體(ti)總回水管，其作(zuo)用(yong)是萬一水流斷開后30秒切(qie)斷加熱器(qi)電源。 單晶爐生產工藝 生產工(gong)序：加料→熔化→縮頸(jing)生長(chang)→放肩生長(chang)→等徑生長(chang)→尾(wei)部生長(chang) (1)加料：將多晶硅原料及雜質放入石英坩堝內，雜質的種類依電阻的N或P型而定。雜質種類有硼，磷，銻，砷。 (2)熔(rong)化(hua)：加完多晶硅原料于石英堝內后，長晶爐必須關閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃）以上，將多晶硅原料熔化。 (3)縮(suo)頸生長(chang)：當硅熔體的溫度穩定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應力，會使籽晶產生位錯，這些位錯必須利用縮勁生長使之消失掉。縮頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小（4-6mm）由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表面，產生零位錯的晶體。 (4)放(fang)肩生長(chang)：長完細頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 (5)等(deng)徑生長：長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調整，可使晶棒直徑維持在正負2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。 (6)尾部生(sheng)長：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應力將使得晶棒出現位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。
