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1、,学习目标,掌握：热系统的安装与对中、热场的调整理解：温度梯度与单晶生长了解：动态热场,3.1热系统,包括加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨坩埚）、电极、热屏等。,直拉单晶炉的热系统材质1）：高纯石墨 指标：灰分、抗压强度、硫含量、抗折强度、体积密度、电阻率、真密度、气孔率、纯度。2）：碳/碳复合材料,加热器是热系统中最重要的部件，在直接的发热体，温度最高时达到1600以上，采用“等静压成型法”（CIP）生产的高纯石墨加工制作，形状为直筒式，每个半园筒各为一组，纵向开缝分瓣，形成串联电阻；两组并联后形成串并联回路。两组加在一起的总瓣数为4的整倍数,常用的有16、20、24或28瓣等。,石墨托碗
2、分为上体和下体，上体又有单辫（即只开一条缝）、两瓣合体（平分为二、两条缝）及三瓣合体（等分三条缝）的区别；从节约成本、使用方便来比较，各有所长。石墨托碗是用来盛装石英坩埚的，具有一定的强度，来承受硅料及坩埚的重量。硅料熔化完以后，石英坩埚的高度应该高于石墨托碗的高度（10-20mm），如果石英坩埚低于石墨托碗，容易造成掉渣影响成晶率。,托杆以及托座共同组成了托碗的支撑体，要求和下轴结合牢固，对中性良好，在下轴转动时，托杆及托座偏摆度0.5mm。保温罩由保温罩内筒、外筒、面板及支撑环（托盘）组成的，内、外筒之间整齐地包裹着石墨毡。托盘放置应平稳，不得径向串动，也不得转动，同时保证保温罩内壁、外壁
3、垂直并对中。,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。,保温盖一般由两层环状石墨板之间夹一层石墨毡组成。下保温筒由保温碳毡组成了托碗的底部保温系统，它的作用是加强埚底保温，提高埚底温度，减少热量散失。石墨电极由电极连接块、电极拄和固紧螺钉共同组成的。作用：一是平稳地支撑加热器，二是通过它对加热器加热。热屏：作用：1）：导入氩气 2）：阻止热量向上辐射、降低能耗。材质：粗石墨、细石墨、木材料。,CZ150单晶炉可适用的坩埚,北京有色金属院从美国Ferrofluidics公司购
4、买,美国KAYEX公司是世界上最大，最先进的硅单晶炉制造商。,3.2热系统的安装与对中,1：安装前的准备工作 1)：仔细擦抹干净，去除表面浮尘 2)：检查部件质量，整个炉室在进行热系绕安装前也要清擦完毕。2：安装 一般是由下而上，由内到外。,3：对中1）首先安装两个石墨电极：石墨电极分左右两只，安装时，左右对齐，处在同一水平面上，不可倾斜，同时要和托杆对中。放上加热器后，加热器的电极孔和下面电极板的两孔应该能对准2）托碗与坩埚轴对中：先将托杆稳定地装在下轴上，将下轴转动起来，目测托杆是否偏摆，然后将钢板尺平放在石墨电极板上，并使钢板尺端部靠近托杆外壁。观察两者之间的间隙，间隙保持不变，说明己对
5、中，可以接着装托座和托碗，每装一件，用钢板尺靠近该件检查一次，如果发现间隙变化大，说明该件装配不合理或者老化，变形，应换新，最终目的是保证托碗平正，转动偏心度1.0mm。以后的对中，均以此为基准。所以，仔细调整托碗对中是很重要的。,3）加热器与托碗对中：转动托碗，调整埚位，让托碗口和加热器口水平（记下这个埚位称为平口埚位），再同时稍许移动加热器两极，与托碗对中，这时托碗口和加热器口之间的间隙四周都一致。最后适当拧紧石墨连接螺钉，不可太紧，否则在加温中会断裂，可以每次折炉时检查一下螺钉，有松动者可稍紧。4）保温罩与加热器对中：调整保温罩位置，做到保温罩内壁和加热器外壁之间四周间隙一致。注意可径向
6、移动，不得转动。5）保温盖和加热器对中：升起托碗，让其与保温盖水平，调整保温盖位置，使得四周间隙一致。6）下保温板和电极之间的间隙前后一致，切不可大意造成短路打火。每次拆炉后，都要例行检查同心度。,4：注意事项新的热系统必须在真空下煅烧10小时，接着在减压状态下煅烧10小时，方能投入使用，在使用中每拉晶5-8炉后也要煅烧一次。煅烧功率以不同热场而定，一般要和熔料温度一致或稍高一点。目前普遍采用较大的热场，氩气流量比较大，炉膛内壁比较干净，煅烧的时间和间隔周期可灵活掌握。,3.3 热场,热场的概念及温度梯度的表示热场即为温度场。拉晶时的热场为动态热场；煅烧时为静态热场。温度梯度的表示：两点间的温
7、度差越大，则 越大，则温度梯度大；反之，两点间的温度差越小，即 越小，说明温度梯度小，如果 0，说明由A点到B点温度是升高的，如果 0，说明由A点到B点温度是下降的。,晶体中的纵向温度梯度（）S、径向温度梯度（）S；熔体中的纵向温度梯度（）L、径向温度梯度（）L；生长界面处的温度梯度（）S-L。,3.3 温度梯度与单晶生长,直拉单晶中的热传递,晶体生长过程中固液界面径向温度变化情况讨论1）晶体中纵向温度梯（）S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（）L比较大，保证熔体内不产生新的晶核，但是，过大则容易产生位错，造成断苞。3）结晶界面处的纵向温
8、度梯度，（）S-L适当的大，使单晶有足够的生长动力，不能太大，否则会产生结构缺陷，径向温度梯度尽可能小，即（）S-L 0，使结晶界面趋于平坦。,图3-6 加热器温度分布示意图,图3-7 晶体的纵向温度梯度,图3-8 各种不同温度梯度及晶体生长情况,3.5热场的调整,热场控制和测试系统,企业中常用的经验,总体说来，调整热场就是调整系统的温度梯度，也就是调整固液界面的形状。平坦液面：有利于单晶体无位错生长和杂质径向分布的均匀性。位错长时间维持。凹凸界面：容易产生热应力。对凸面的调整：加强供热、减少散热、提高拉速。对凹面的调整：加强散热、降低电压、降低拉速。,几种常用的调整方法1）：改变成晶埚位：适当提高引晶埚位，可增加纵向温度梯度，同时径向温度梯度稍有增加；降低埚位，作用相反。2）：改变拉速：影响结晶潜热的释放。3）：改变晶转速度：调整热量从中心向外散发。,热系统的改进讨论1）：改变形状：例如可以适当增加保温罩的高度。2）：增加厚度或改为双层，增加一层保温盖，会减小径向温度梯度，而纵向上却有所增加；可减小熔体径向温度梯度；增加加热器的厚度会减小熔体径向温度梯度对晶体径向温度梯度，稍有减小；反之减小总厚度，作用相反。3）：改变材质：利用钼材质取代石墨用于热屏。（保温性能更好）4）：调整位置等等5）：氩气流量的大小、炉内压力的高低、晶体直径的不同，都会影响到温度梯度。,
