在多晶矽產品生產中，矽芯是原生矽生長的載體，原生矽成品棒是通過矽芯的導電性能使其在高溫下通過化學氣相沉積法生長而形成的。所以，矽芯質量會直接影響原生矽成品棒的質量。矽芯的製備方法主要有區熔法拉制圓矽芯和機械加工矽棒再製成方矽芯。
傳統的區熔法拉晶爐可一次性拉製圓矽芯，所拉製圓矽芯的規格一般為φ8 mm×2200 mm～φ8 mm×2400 mm，一次出矽芯的數量從之前的幾根到現在的十幾根不等。該種拉晶爐存在的侷限性主要有：操作熟練度要求高；一次成型，彎曲度不可控；需單獨拉製連線圓矽芯時所用的橫樑、橋；一次矽芯出爐數量有限；總體能耗高等。
普通的機械加工矽棒製成方矽芯採用的是直拉法拉晶爐，其可拉製圓矽棒，然後機械加工成方矽芯。拉製的矽棒直徑一般為φ120～180 mm、長度為2200～2400 mm，切割成的方矽芯規格主要有14 mm×14 mm、15 mm×15mm、16 mm×16 mm 等。
與傳統方式相比，本文介紹的新型拉晶爐採用的是直拉法，具有投料量大、矽棒直徑大、長度長、產能高等優點。雖然目前切割方矽芯的成本相對較高，但方矽芯具有相對表面積大、規格統
一、彎曲度可控等優點。因此，新型拉晶爐拉製矽棒，然後機械加工成方矽芯的方式具有潛在優勢，其取代傳統區熔法拉晶爐拉製圓矽芯已成為必然趨勢。
1 新型拉晶爐的結構特點
圖1 為新型拉晶爐結構圖，其主要由坩堝、坩堝軸、電極柱、側加熱器、底加熱器、導流筒及保溫元件等部件組成。
新型拉晶爐中的坩堝由設定在爐體底部的坩堝軸支撐，坩堝的底部和兩側分別設定有底加熱器和側加熱器，可在化料或工藝加工時使用。電極柱分別與底加熱器及側加熱器連線，可用於支撐加熱器。保溫元件包括設定在爐體內壁與導流筒及坩堝之間的保溫筒( 上筒、中筒和下筒)、設定在保溫筒上方的保溫蓋( 上蓋和下蓋)，以及設定在保溫筒下方的底盤。保溫元件主要起到保溫和調整溫度梯度的作用。
導流筒的頂部穿設在保溫蓋之間，導流筒包括外筒和內筒，內筒為漏斗形，外筒的縱截面為底面開口的u 形；內筒與外筒中間用黏膠軟氈填充；外筒的底面開口與內筒的底面開口一致並對齊設定，且內筒的底端直接放置在外筒的底壁上方；內筒與外筒的上部均通過定位環固定。內筒的漏斗形設計可有效抑制爐體上部的氬氣流動旋渦，進而減少爐內揮發物的沉積；外筒的u形設計及內、外筒之間的黏膠軟氈，可減少加熱器對晶體的熱輻射和熱傳導，並加快成晶速率。保溫筒包括依次連線的上筒、中筒和下筒，其中，上筒與中筒通過支撐環連線；上筒、中筒及下筒的外圍皆設定有用於保溫的黏膠軟氈。
2 新型拉晶爐的優勢
2.1 結構優勢
新型拉晶爐的結構優勢主要體現在：
1) 新型拉晶爐的爐體直徑為1200～1400
mm，適合26''(1''=25.4 mm)、28''、32'' 熱場，可大幅提高裝料量。
2) 保溫蓋的上、下蓋用導流筒定位環連線，定位環外圍用黏膠軟氈填充，填充厚度為50～100 mm，可增強保溫效果，起到節能的作用。
3) 導流筒的高度為510～600 mm，與現有技術的導流筒相比增加了高度，這樣可減少上部的散熱，使矽芯的軸向梯度更加合理。導流筒的底部開口內徑為250～340 mm，可生產直徑為180～300 mm 的矽芯。
4) 導流筒的內、外筒上沿用厚度為30～50mm 的固化氈隔開；內筒與外筒的最大距離為100～130 mm，其間隙全部用黏膠軟氈填充，這樣可使固液介面的軸向梯度更加合理。
5) 導流筒吊爪可設定2 個，並對稱安裝在導流筒外沿；其長度為150～200 mm，用於輔助導流筒的公升降，防止矽料觸碰導流筒造成汙染，從而大幅提高裝料量，提高生產效率。
6) 保溫筒上筒內徑為750～950 mm，相比現有技術，該內徑有所縮小，這樣不僅可提高保溫效果，還可使加熱器得到保護，在裝料時可有效避免小塊矽料掉進加熱器間隙而引起加熱故障。
7) 保溫筒的上、中、下筒都用6～9 層黏膠軟氈包裹，總體厚度為60～100 mm。採用黏膠軟氈代替普通碳氈可提高保溫效果，使熱場的徑向梯度趨近於零，保證矽芯在整個拉製過程中均勻生長。
8) 固化氈保溫底板位於底加熱器下方，固化氈厚度為100～220 mm，保溫筒底盤的保溫材料由軟氈改為固化氈，除加強爐底保溫，使固液介面位置更加精確外，還可有效解決軟氈不定型性帶來的工藝缺陷問題。
2.2 效能優勢
將國內常見拉晶爐與本文所述新型拉晶爐進行效能引數方面的對比，對比結果如表1 所示。由表1 可知，新型拉晶爐可生產直徑達180～300 mm 的矽棒，一次可出15 mm×15 mm 矽芯的數量最多可達150 根，矽芯長度可達2400～4200mm。這3 項指標均高於其他兩種拉晶爐，可見，新型拉晶爐在保證矽棒品質的同時，提高了矽芯產量，增加了矽芯長度，具有很好的優勢。
圖2 和圖3 分別為新型拉晶爐拉製的矽棒及由矽棒切割成的方矽芯。
雖然新型拉晶爐具有一定優勢，但由於目前切割方矽芯的工藝相對缺乏，新型拉晶爐在使用時仍存在一些不足。切割方矽芯的基本過程為：拉製矽棒→切割→檢測→錐孔→退火→腐蝕→清洗→烘乾→裝爐等。該加工工藝複雜，易造成矽芯折斷。因此，任何乙個環節都需要精密。
3 小結
綜上所述，新型拉晶爐的優勢主要體現在：
1) 與傳統區熔法拉晶爐相比，新型拉晶爐操作簡單；
2) 新型拉晶爐對於矽芯的彎曲度可控，可降低因矽芯彎曲度而造成的還原爐在執行過程中的倒爐；
3) 新型拉晶爐拉製的矽棒切割成的方矽芯比圓矽芯相對表面積大，表面附著力強，沉積層與切割的方矽芯結合密實，沉積層不易分割槽，避免「菜花料」等不緻密料產出；
4) 傳統區熔法拉制圓矽的橫樑、橋都是放置在開槽中的，接觸面積小，高壓擊穿或大氣流通過時易跌落而導致倒爐，而新型拉晶爐拉製矽棒後切割方矽芯相對可靠，倒爐率大幅下降；
5) 新型拉晶爐拉製矽棒後切割的矽芯數量遠大於傳統區熔法拉晶爐和普通的直拉法拉晶爐；
6) 使用新型拉晶爐拉製矽棒後切割的矽芯，無需單獨生產製造矽芯橫樑、橋的基材，提高了生產效率。
新型拉晶爐拉製矽棒後切割方矽芯時存在的不足包括：
1) 工藝複雜，易造成矽芯折斷；
2) 該技術近幾年僅在國內使用，技術相對缺乏；
3) 所需割線量大，成本高。
總體而言，目前市場上矽片**下探，矽料利潤壓縮甚至虧損，迫使越來越多的晶體矽廠家通過提高晶體拉速、增大晶體直徑、增加裝料量的方式來壓縮成本，拉晶爐的型號也由120 型、140 型取代原來的80 型、90 型，熱場也從20''、22''，增至26''、28'' 甚至32''。
4 結語
本文將採用直拉法的新型拉晶爐與傳統拉晶爐進行效能對比後發現，新型拉晶爐切割的方矽芯在矽芯直徑、矽芯數量及矽芯長度方面，均大於其他兩種傳統拉晶爐。雖近年來國內切割方矽芯的技術相對缺乏，但依託單晶直拉技
術的進步，該種新型拉晶爐在矽芯製備中的應用將越來越廣泛。
北京北方華創真空技術**** ■ 王玉亮
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