目前，單晶硅的生長逐漸向高完整性、高均勻性和效率高方向發(fā)展，對單晶硅的質(zhì)量提出了更高的要求。多晶體材料中的其他雜質(zhì)和不均勻的混合物會影響單晶體的質(zhì)量。這些物質(zhì)會使材料的光學性能和電學性能分布不均勻，從而對半導體的光學性能和電學性能產(chǎn)生不良影響。因此，有必要優(yōu)化制造單晶體硅的單晶爐，提高單晶爐的穩(wěn)定性，從而減少單晶體中的其他雜質(zhì)。
1 目前單晶爐結構設計優(yōu)化的現(xiàn)狀
由于單晶硅向高質(zhì)量方向發(fā)展，制造單晶硅的單晶爐設備的結構性能要求也有所提高，要求單晶爐具有穩(wěn)定性好、自動化技術高、操作簡單、效率高的特點。目前，單晶爐設備的技術只設計提高其自動化技術、溫度、單晶爐的勾形磁場設備和橫向磁場，而不設計和優(yōu)化單晶爐設備的關鍵部件。因此，作為單晶硅的生產(chǎn)設備，其結構需要具有穩(wěn)定性、較大的強度和剛度特性，并在保證單晶硅生產(chǎn)質(zhì)量的基礎上進行優(yōu)化。
2 優(yōu)化單晶爐的設計
2．1 高溫度變形設計優(yōu)化
單晶爐的主體部分是爐室、副爐室、爐蓋和翻板箱。爐室和爐蓋的外殼機構屬于夾層水冷式，旨在起到隔熱保溫的作用。這種結構設計的主要原因是硅熔點高。單晶硅用單晶爐設備制造時，需要熔化相應的材料，才能順利制造出單晶體。因此，單晶爐需要高溫才能滿足單晶體的生產(chǎn)要求。
然而，較高的加熱溫度不僅會影響生產(chǎn)材料，還會影響單晶爐的爐室和爐蓋，從而降低單晶生產(chǎn)的進度。當溫度達到當溫度為150℃時，爐室會變形；當溫度達到單晶爐內(nèi)壁和爐蓋在300℃時會發(fā)生變形；而且爐體密封所承受的溫度要在低于70℃不會失效?；谶@種現(xiàn)象，在設計單晶爐時，要考慮到爐體受熱溫度導致爐內(nèi)部件變形，合理布置夾層水路的方向。
因為如果單晶爐的結構變形，會改變單晶爐設備的尺寸和形狀，直接影響生產(chǎn)出來的單晶硅的質(zhì)量。因此，設計工程師研究了將固定結構轉(zhuǎn)化為循環(huán)結構的結構，這將減輕單晶爐壁的溫度。雖然還是會有輕微的變形，但是會減少單晶爐組件之間的變形，從而增加組件之間的配合。
2．2 設計優(yōu)化真空系統(tǒng)
單晶爐真空系統(tǒng)的零件要注意螺紋和零件之間的連接，不能有死角、配合或尖角。真空系統(tǒng)的內(nèi)壁應光滑，管道應盡可能減少連接處的節(jié)點，以使管道運行更加順暢，并幫助工人清潔內(nèi)壁。壓升率是指單晶爐內(nèi)的空氣在制作單晶體時應按要求排出。當達到真空狀態(tài)時，壓力開始緩慢上升。
它可以評估單晶爐的真空性能。因此，在單晶爐的抽空管道中，基于管道的對稱排列，在管道中設置旋轉(zhuǎn)攪拌機構，保持管道內(nèi)壁通暢，使氣流分布更加均勻穩(wěn)定，從而保證單晶硅的順利生長，減少爐內(nèi)維護次數(shù)。
2．3 優(yōu)化運動系統(tǒng)設計
在設計單晶爐運動系統(tǒng)時，設計工程師應考慮系統(tǒng)的承載能力、精度和穩(wěn)定性。由于單晶爐的運動系統(tǒng)具有高精度的特點，但單晶爐的速度較低，影響了單晶爐的生長速度，因此在設計運動系統(tǒng)時需要找到加速單晶體生長速度的方法。因此，設計工程師在測試過程中調(diào)整系統(tǒng)的工藝參數(shù)，以加速單晶體的生長速度，但與機電設備相比，速度仍然不夠快。
此外，在單晶爐運動系統(tǒng)運行過程中，會出現(xiàn)晃動現(xiàn)象，也會影響單晶體的生長速度。廣泛使用的訓練系統(tǒng)可以使用，但訓練系統(tǒng)的運動速度比較快，會在一定程度上降低訓練系統(tǒng)的生長速度。因此，需要調(diào)整訓練系統(tǒng)驅(qū)動電機的速度。在驅(qū)動電機的末尾級，可以使用高精度、小誤差的減速器，可以較好減少上級運動系統(tǒng)造成的誤差，進一步保證運動系統(tǒng)的工作精度。
2．4 優(yōu)化節(jié)能降耗設計
我國大力提倡節(jié)能理念，但是制造單晶硅需要太多的時間，會消耗大量的電能。因此，制造單晶體的單晶爐設備是一種高能耗設備，需要找到降低能耗、提高單晶爐工作效率的較好的方法。通過增加單晶爐設備的裝載面積，可以提高坩堝的利用率，提高拉晶速度，單次開爐的拉晶次數(shù)和單個長度，這樣就不會浪費大量的時間來裝載和卸載材料，也不需要反復開爐加熱、熔化和冷卻材料。( 它的冷卻過程還需要大量的能耗) ，還可以降低成本。
因此，為了增加單晶爐的裝載能力，可以增加原有的工藝系統(tǒng)，但禁止超過設備的承載能力，否則會適得其反；還可以通過自動冷卻功能增加爐內(nèi)的水冷部件來達到目的；還可以增加連續(xù)加料的機構，無需打開爐蓋即可進行加料步驟。這些方法都可以增加單晶爐的裝載量。單晶爐底部的保溫性能和爐筒周圍的保溫性能也可以通過加強生產(chǎn)過程來降低橫向溫度，從而增加縱向溫度。進一步降低能耗，提高單晶爐的工作效率。
3 結語
因為單晶爐對結構的要求比較高，所以在設計優(yōu)化過程中要特別注意。為了提高單晶爐的機械性能，提高單晶爐的工作效率，進一步提高單晶爐的質(zhì)量，可以優(yōu)化單晶爐的加熱溫度承載能力、真空系統(tǒng)、運行系統(tǒng)和節(jié)能。
