直拉单晶炉 温度梯度与单晶生长 热场的调整ppt课件.ppt

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1、直拉单晶硅工艺技术主讲教师：裴迪石油化工学院1(1)热场的概念热场也称温度场。热系统内的温度分布状态叫热场。煅烧时，热系统内的温度分布相对稳定，称为静态热场。在单晶生长过程中，热场是会发生变化，称为动态热场。单晶生长时，由于不断发生物相的转化(液相转化为固相)，不断放出固相潜热，同时，晶体越拉越长，熔体液面不断下降，热量的传导、辐射等情况都在发生变化，所以热场是变化的，称为动态热场。热场的温度梯度(2)温度梯度的概念为了描述热场中不同点的温度分布及分布状态，下面给大家介绍一个“温度梯度”这个概念。温度梯度是指热场中某点A的温度指向周围邻近某点B的温度的变化率。也即单位距离内温度的变化率。

2、如下图所示，A点到B点的温度变化为T1-T2，距离变化为r1-r2。那么A点到B点的温度梯度是：通常用表示在r方向上的变化率。显然两点间的温度差越大，则越大，则温度梯度越大，反之，两点间温度差越小，则越小，则温度梯度越小，如果说明由A点到B点温度是升高的，如果说明由A点到B点的温度是下降的。(3)静态热场的温度分布下图为静态热场的温度分布状况：沿着加热器中心轴线测量温度的变化发现加热器的中心温度最高，向上向下都是逐渐降低的，它的变化率称为纵向温度梯度，用表示。然后沿着轴线上某点沿着径向测量，发现温度是逐渐上升的，加热器中心温度最低，加热器温度最高，成抛物线变化，它的变化率称为径向温度梯度

3、，用表示。(4)晶体生长时的温度梯度单晶硅生长时，热场中存在固体、熔体两种形态。温度梯度也有两种：晶体中的纵向温度梯度和径向温度梯度。熔体中的纵向温度梯度和径向温度梯度。这是两种完全不同的温度分布，但是最能影响结晶状态的生长界面处的温度梯度。热场的径向温度梯度，包括晶体、熔体、固液交界面三种晶向温度梯度。①晶体的径向温度梯度是由晶体的纵向、横向热传导，表面辐射以及在热场中新处的位置决定，一般来说，中心温度高高，晶体边缘温度低。②熔体的径向温度梯度主要是靠四周的加热器决定的，所以中心温度低，靠近坩埚处温度高，径向温度梯度总是正数。③在晶体生长过程中，结晶界面处的径向温度梯度是变化的，将晶体

4、纵剖，作结晶界面显示，如下图所示。晶体生正过程中变化情况总之，合理的热场的温度分布需要满足以下条件：①晶体中纵向温度梯度足够大，但不能过大，保证晶体生长中有足够散热能力，带走结晶潜热。②熔体中的纵向温度梯度比较大，保证熔体内不产生新的晶核，但是，过大容易产生位错，造成断苞。③结晶界面处的纵向温度梯度适当的大，从而形成必要的过冷度，使单晶有足够的生长动力，不能太大，否则会产生结构缺陷，而径向温度梯度要尽可能小，，使结晶界面趋于平坦。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dy/dT表示。加热器径向温度内表面，中心温度最低，靠近

5、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dx/dT表示。晶体生长时，单晶硅的纵向温度梯度粗略地讲：离生长界面越远，温度越低，即>0。如图M-TA段所示。TA为结晶温度，虚线表示液面。晶体的纵向温度梯度各种不同温度梯度及晶体生长情况热场的调试与配制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。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

6、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。由热系统组成的热场是

7、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。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