單晶爐是一種在惰性氣體環境中,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備。拉晶過程是前道工藝的重要環節,影響著硅片的純度和質量。由于工藝生產環節的特殊復雜性以及高標準要求,對于單晶爐的控制設備的穩定性、可靠性要求更苛刻。
單晶爐的生產工藝可歸納為: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放入坩堝內,雜質的種類依電阻的N或P型而定。
(2) 熔化:將多晶硅原料置于石英堝內后,長晶爐必須關閉并抽成真空,后充入高純稀有氣體使之維持在一定壓力范圍內,然后打開石墨加熱器電源,加熱至熔化溫度,將多晶硅原料熔化。
(3) 縮頸生長:當硅熔體的溫度穩定之后,將籽晶慢慢浸入硅熔體中。當籽晶與硅熔體場接觸時,會使籽晶產生位錯,然后再將籽晶快速向上提升,使長出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?-6mm),當位錯線與生長軸成一個交角,便能長出晶體表面,產生零位錯的晶體。
(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,通過拉速與溫度的不斷調整,使晶棒直徑維持在正負2mm之間。
(6) 尾部生長:為了避免效應力將使得晶棒出現位錯與滑移線,而將晶棒的直徑慢慢縮小,直到成一尖點而與液面分開。
在整個單晶爐的控制系統中,各個環節的要求極高:
1、整個控制系統在石英坩堝外附近,長期處于50℃-60℃的高溫度環境。
2、由于生產工藝的特殊性,現場存在較強的磁場效應。
3、生產環節對爐膛內溫度和壓力必須準確,否則該批物料將會報廢。
4、拉晶提升過程中,各個傳感器的數據傳輸必須高速、對電機驅動定位必須精準。
5、根據客戶投料量,晶棒拉晶生產周期約為15天,在生產環節中控制系統必須穩定,不能出現任何異常。
因此,單晶爐的生產環節對控制系統和遠程IO系統有著更高要求。
零點的軟協議棧耦合器CN-8032-L經過單晶爐廠商長期嚴格測試,完全符合現場生產使用,目前已大批量投入現場使用?,F場的控制系統選擇的是西門子1500PLC搭配著兩套零點的分布式IO產品CN-8032-L以及子模塊。
CN-8032-L作為PN通訊模塊,是零點公司運用軟協議棧替代PN專用芯片的產品,響應時間在2-3ms,能在-40℃到80℃的場景下長期穩定工作。
CT-121F是數字量輸入模塊,在該系統中,主要傳輸定位,各電機狀態等信號。
CT-222F是數字量輸出模塊,在該系統中,用于控制變頻器,電機,伺服的驅動。
CT-3238是模擬量輸入模塊,在該控制系統中,主要用于測量爐膛壓力,電流大小等信號。
CT-3168是電壓輸入模塊,在控制系統中,主要接收電壓型模擬量輸入信號。
CT-3808是熱電偶溫度采集模塊,在系統中,主要測量爐膛各部位的溫度大小。
CT-4234是模擬量輸出模塊,在系統中,主要控制閥門開度等信號。
CT-5801是終端模塊,作用是增強分布式IO從站背板通訊的穩定性。