半導體工藝設(shè)備為半導體大規(guī)模制造提供制造基礎(chǔ)。摩爾定律，給電子業(yè)描繪的前景，必將是未來半導體器件的集成化、微型化程度更高，功能更強大。這里先介紹半導體工藝的頭道工序——單晶體拉胚的單晶爐。

單晶爐

單晶爐，全自動直拉單晶生長爐，是一種在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環(huán)境中，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生長無錯位單晶的設(shè)備。

單晶硅爐型號有兩種命名方式，一種為投料量，一種為爐室直徑。比如 120、150 等型號是由投料量決定， 85 爐則是指主爐筒的直徑大小。

單晶硅爐的主體構(gòu)成由主機、加熱電源和計算機控制系統(tǒng)三大部分組成。

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。

開始是石頭，（石頭都含硅），把石頭加熱，變成液態(tài)，再加熱變成氣態(tài)，把氣體通過一個密封的大箱子，箱子里有N多的子晶加熱，兩頭用石墨夾住，氣體通過這個箱子，子晶會把氣體中的一種吸符到子晶上，子晶慢慢就變粗了，因為是氣體變固體，所以很慢，一個月左右，箱子里有就了很多長長的原生多晶硅。

單晶硅片由此進入生產(chǎn)流程：

1、酸洗：使用稀硝酸HNO3,進行清洗，去除表面雜質(zhì)及提煉時產(chǎn)生的四氯化硅。

2、清洗：清洗硅料經(jīng)過酸洗后的殘留雜質(zhì)。

3、單晶硅料烘干：去除水分。

4、挑料：區(qū)分P型，N型硅料。

5、配料：對拉晶的硅料型號進行匹配。

6、單晶爐拉晶：

7、硅棒檢測：檢查有無位錯，棱線斷等現(xiàn)象。

8、開斷：將單晶硅棒用帶鋸條切割成四方體。

9、包裝：將開斷后的單晶硅棒進行包裝，送至下一道工序

10、磨圓：將單晶硅棒四個直角進行磨圓。

11、多線切割：瑞士的264，265。日本的PV800,MDM442DM設(shè)備進行切割 0.33mm。

12、清洗：

13、單晶硅片檢測：

單晶爐的結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)機構(gòu)和坩堝提升旋轉(zhuǎn)機構(gòu)）由304L不銹鋼制造。所有腔體都經(jīng)過缺陷爐室檢查和探傷檢驗，并且經(jīng)過0.6MPa水壓試驗和氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏。

一、主爐體構(gòu)造

1、基座與爐底板

爐底板設(shè)計成平板式，具有雙層結(jié)構(gòu)，通水冷卻。四只電極穿過底板，在坩堝提升機構(gòu)的波紋管連接處有一個水冷卻法蘭區(qū)。

2、主、下爐室

主、下爐室為雙層筒狀結(jié)構(gòu)，兩端為法蘭結(jié)構(gòu)，通水冷卻，并有隔水條保證冷卻均勻。主爐室設(shè)置了一個測溫計窗口，用于測量加熱器溫度。下爐室有抽真空和真空計接口（0～100Torr和0～1Torr）。下爐室在正常操作過程中始終用壓板固定在爐底板上，通過氟橡膠O型圈實現(xiàn)真空密封。

3、爐蓋

爐蓋為爐體和隔離閥座提供了一個過渡區(qū)。爐蓋采用標準爐蓋制造，雙層通水冷卻。在爐蓋上設(shè)有一個操作者觀察窗口（類橢圓形）和一個直徑控制窗口（圓形）。操作者觀察窗口允許單晶直徑測量范圍最大至10”，氬氣入口設(shè)置在爐蓋的喉部。

4、隔離閥座

隔離閥座為雙層水冷卻結(jié)構(gòu)，前圓后方，正前方設(shè)有一道圓門，可以通過圓門方便拆卸和更換籽晶夾頭。圓門中心設(shè)有圓形觀察窗。隔離閥座為隔離閥提供了安裝及活動空間，隔離閥的作用是為籽晶或單晶提供進入副爐室的通道，同時可以維持上下爐室的局部壓力和溫度。隔離閥是翻板閥結(jié)構(gòu)，閥板和閥體均是固定式雙層結(jié)構(gòu)，通水冷卻。隔離閥座側(cè)面設(shè)有兩個籽晶位置檢測窗口（激光定位），后部有一個氬氣入口，可以實現(xiàn)快充氬氣。

5、副爐室

副爐室為圓筒形腔體，雙層結(jié)構(gòu)，水冷卻。副爐室上部前方設(shè)有一個圓形法蘭，可以打開用于清理腔體上部，法蘭中心設(shè)有圓形觀察窗。副爐室上部是水平調(diào)整機構(gòu)（見附件12），設(shè)有一個氬氣入口（正常拉晶時的氬氣通道）、一個抽真空接口（當隔離閥關(guān)閉時副爐室抽真空用）和一個真空計接口（0～1000Torr）。

二、籽晶提升旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

籽晶旋轉(zhuǎn)提升機構(gòu)俗稱提拉頭，主要由安裝盤、減速機、籽晶腔（真空腔）、劃線環(huán)、快速電機、慢速電機、旋轉(zhuǎn)電機、離合器、磁流體、鋼纜、籽晶稱重頭、軟波紋管等其他部件組成 。

提拉頭的主要功能有使籽晶旋轉(zhuǎn) 提升，并保證勻速旋轉(zhuǎn)變速提升，且記錄單晶重量 位移等數(shù)據(jù)。

在籽晶提升機構(gòu)里采用鋼索卷筒提升鋼絲繩。整個提升裝置在一根中空的軸上旋轉(zhuǎn)，該機構(gòu)經(jīng)過靜平衡和動平衡測試，在整個運行范圍內(nèi)可實現(xiàn)無振動平穩(wěn)的運行。旋轉(zhuǎn)密封和提升進給密封均采用磁流體密封。提升腔、離合器腔、稱重腔和晶升底板均由高強度鋁制造而成。

三、副爐室旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用直流伺服電機，雙級蝸輪蝸桿減速，加強型同步帶傳動，可在副爐室提升到位時的緩慢旋開和快速旋閉，實現(xiàn)取單晶過程的自動化動作。

四、坩堝提升旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

坩堝提升機構(gòu)的垂直方向采用了滾珠直線導軌和高精度絲桿，在高負載甚至電機斷電的情況下實現(xiàn)自鎖。坩堝旋轉(zhuǎn)采用可承受高轉(zhuǎn)矩的多碶帶驅(qū)動，從而消除了齒形帶傳動的震顫。旋轉(zhuǎn)密封采用可承受軸向力磁流體密封，垂直密封采用不銹鋼波紋管。坩堝提升機構(gòu)中直線導軌座和底板成90°固定，兩者間采用筋板支撐，從而提高整體的剛度，避免由側(cè)向力矩引起的直線導軌和絲桿的變形。

在單晶生長過程中會形成硅氧化物（SiO）小顆粒并沉積在波紋管中。這些氧化物應(yīng)被定期清除出去。將波紋管從坩堝軸密封一惻松開。將它在適當位置系好以防止它往下彈回去。用真空吸塵器清除所有的灰塵，包括磁流體密封座的密封表面上的灰塵檫拭干凈后裝回波紋管。

五、真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)各零件由不銹鋼制成，所有連接都采用法蘭式氟橡膠O型密封圈，真空閥采用的是高真空氣動球閥。

1主真空系統(tǒng)

主真空系統(tǒng)提供了為各腔體抽真空或者當隔離閥關(guān)閉時僅為上下爐室抽真空的閥和管道。為控制真空腔獨立氣流壓力提供了自動壓力控制節(jié)流閥。

2輔助（副爐室）真空系統(tǒng)

輔助真空系統(tǒng)提供了將副爐室從常壓抽至與上下爐室相等壓力的閥和管道。在隔離步驟中，它通常是最先使用的，一根柔性波紋管為提升和旋轉(zhuǎn)副爐室提供柔性連接。

六、氬氣系統(tǒng)

氬氣系統(tǒng)由不銹鋼管、電磁截止閥、質(zhì)量流量控制器、減壓器、手動截止閥和柔性波紋管道構(gòu)成，在爐子的運行過程中向爐子內(nèi)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(zhì)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(zhì)量流量控制器控制。氬氣由副爐室頂部的分流環(huán)分配以減少副爐室內(nèi)的紊流。

1質(zhì)量流量控制器

質(zhì)量流量控制器為氬氣進入主爐體提供精密的流量控制。

2密封和管路

氬氣系統(tǒng)在不銹鋼管、電磁截止閥和質(zhì)量流量控制器的連接處采用金屬卡套密封，柔性不銹鋼波紋管間采用快卸法蘭式氟橡膠O型密封圈。整個氬氣系統(tǒng)經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，在1×10-8CC(std.atm.)/sec(He)范圍內(nèi)未查出泄漏。

七、冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計目的是為爐子提供一個安全良好的運行環(huán)境，上爐室和副爐室采用不銹鋼安全閥進行過壓保護。腔體外部出水口處設(shè)置安全溫度監(jiān)測，如果溫度超過55°C，就會向操作者發(fā)出警告。冷卻水流量傳感器裝在爐體總回水管，其作用是萬一水流斷開后30秒切斷加熱器電源。

單晶爐生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工序：加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長

(1)加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，磷，銻，砷。

(2)熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，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)縮頸生長：當硅熔體的溫度穩(wěn)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(yīng)力，會使籽晶產(chǎn)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(chǎn)生零位錯的晶體。

(4)放肩生長：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)等徑生長：長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)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(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)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。

單晶硅的制備工藝不同，所得到產(chǎn)品的純度和性能差異很大，因此其下游應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別。單晶硅在日常生活中是電子計算機、自動控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、手機、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中的各個角落。