试分析单晶炉的设计优化
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摘 要：单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中，用石墨热场加热，将多晶硅材料加以熔化，用直拉法生长单晶硅的设备。单晶炉的稳定性能和质量直接影响着制作的单晶质量。对单晶炉进行设计时，不仅要考虑到制作单晶的工艺性，还要掌握机械设备、电子设备和热力方面的技能。文章从机械性能方面对单晶炉的结构进行分析，并提出优化单晶炉的设计方法，以期能够提高单晶炉设备的性能。
关键词：单晶炉;机械性能;结构
现阶段，单晶硅的生长逐渐向高完整性、高均匀性和高效率的方向发展，也对单晶的质量提出了更高的要求。多晶材料中的其他杂质以及分布不均匀的掺杂剂等都会影响单晶的质量，这些物质会使材料的光学性能和电学性能分布不均匀，从而使半导体的光学性能和电学性能受到不良影响。所以需要对制作单晶硅的单晶炉进行优化，提高单晶炉的稳定性，从而减少单晶中的其他杂质。
1 单晶炉结构设计优化的现状
由于单晶硅向高质量的方向发展，也提高了制作单晶硅的单晶炉设备的结构性能要求，需要单晶炉具备较好的稳定性能、自动化技术以及高质量、操作简便、高效率等特征[1]。现阶段，对单晶炉设备的技术仅对提高其自动化的技术、温度、单晶炉的勾型磁场装备和横向磁场等方面的设计，却没有对单晶炉设备关键部分的结构进行设计及优化。所以作为单晶硅的制作设备，其结构必须要具备稳定性、较大的强度和刚度特征，还要在确保制作单晶硅质量的基础之上对单晶炉设备进行设计优化。
2 单晶炉的设计优化
2.1 受高温变形的设计优化
组成单晶炉的主体部分是炉室、副炉室、炉盖以及翻板箱等。炉室和炉盖的壳体机构都属于夹层水冷式，目的是为了能够起到隔热保温的作用，采用这样的结构进行设计，主要原因是由于硅具有较高的熔点，当使用单晶炉设备制作单晶硅时，要对相应的材料进行熔化，才能顺利制作出单晶体，因此单晶炉需要有很高的温度才满足单晶的制作需求[2]。但是较高的加热温度不仅会针对制作材料有影响，也会涉及到单晶炉的炉室和炉盖，这就会降低单晶制作的进度。当温度达到150℃时就会使炉室发生变形;当温度达到300℃时就会使单晶炉内壁和炉盖发生变形;而炉体密封所承受的温度要在70℃以下才不会失效。基于这一现象，在对单晶炉进行设计时，要考虑到炉体受到加热温度导致炉内部件发生变形的情况，合理排布夹层水路走向。因为如果单晶炉的结构发生变形，就会使单晶炉设备的尺寸和形状发生变化，直接会影响制作出来的单晶硅质量。所以设计工程师就研究出将固定的结构转变为循环式的结构，就会缓解单晶炉炉壁的温度，尽管还是会发生轻微变形，但是减轻了单晶炉部件间的变形情况，从而增加部件之间的配合度。
2.2 真空系统的设计优化
单晶炉真空系统的零件要注意螺纹、零件之间的连接，不能出现连接死角、无法配合或者尖角等情况。真空系统的内壁要平滑，管道尽可能减少连接处的节点，才能使管道运行的更加顺畅，也有助于工人清理内壁。压升率指的是在制作单晶体时，要按照要求将单晶炉内的空气排出来，当达到真空状态后，压力就开始缓慢回升[3]。它能起到评价单晶炉真空性能的作用，所以在单晶炉的抽空管道中，基于管道的对称排列方式，在管道内设置旋转搅拌机构，使管道内壁保持通畅，使气流分布更加均匀稳定，以保证单晶硅的顺利生长，还能减少炉内维护次数。
2.3 运动系统设计优化
在设计单晶炉运动系统时，设计工程师要考虑到系统的承受能力、精确度和平稳性能。因為单晶炉的运动系统就具备高精度的特征，但是单晶炉的速度却低，影响了单晶的生长速度，这就需要在设计运动系统时找到加快单晶体生长速度的办法。所以设计工程师在测试的过程中通过调整系统的工艺参数，以此来加快单晶体生长的速度，但是相比于机电一体化的设备，速度仍不够快[4]。而且，在单晶炉运动系统工作期间，还会出现晃动的现象，也影响了单晶体的生长速度。可以采用广泛使用的坩埚运动系统，但是坩埚运动的速度比较快，就会在一定程度上降低单晶体的生长速度，因此要对坩埚运动系统的驱动电机的速度加以调整，在驱动电机的最后一级可以使用高精度且误差较小的减速器，能够有效减少上一级运动系统引起的误差，进一步保证运动系统工作的精度。
2.4 节能降耗设计优化
我国大力提倡节能的理念，然而制作单晶硅需要过多的时间，就会消耗很多的电能。所以制作单晶体的单晶炉设备属于高耗能的设备，需要找到有效的方法降低能源的消耗，增加单晶炉的工作效率。可以通过增大单晶炉设备的装料区域，增加坩埚使用率，增加拉晶速度及单次开炉的拉晶次数和单根长度，这样就不会浪费大量的时间装料、卸料，不用反复开炉对材料进行加热熔化及冷却（其冷却过程也需要大量的能耗），也能减少成本。所以要想增大单晶炉的装料，可以加大原本的工艺系统，但是禁止超出设备的承载能力，否则会适得其反;也可以增加炉内水冷部件，就可以通过自动降温的功能来达到目的;还可以增加一个连续加料的机构，不需要开炉盖就可以进行加料的步骤。这些方法都可以实现增大单晶炉装料量的目的。还可以通过加强制作过程中单晶炉底部的保温性能和炉筒周边的保温，减小横向的温度，从而增加纵向的温度。进一步降低能源的消耗，增加单晶炉的工作效率。
3 结语
由于单晶炉对结构的要求比较高，所以在设计优化的过程中需要格外重视。可以对单晶炉的加热温度承受力、真空系统、运行系统和节能方面进行优化，以此来增加单晶炉的机械性能，提高单晶炉的工作效率，进一步提高单晶体的质量。
参考文献：
[1]张波，赵彩霞，赵科巍，等.单晶炉高效热场的优化与应用[J].太阳能，2017（11）：33-35.
[2]焦尚彬，刘丁，任宁.大尺寸单晶炉勾形磁场的优化设计[J].人工晶体学报，2010，39（4）：1035-1040.
[3]安涛，高勇，刘飞航，等.单晶炉横向磁场的优化设计与实现[J].人工晶体学报，2009，38（1）：259-264.
[4]安涛，高勇，张创.单晶炉低功耗勾形磁场设计与优化[J].人工晶体学报，2012，41（4）：1113-1118.
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