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摘 要：直拉单晶硅生产过程中，需要提供氩气保护的真空系统，真空系统的形成，保持是单晶正常成长的必备条件，在生产过程中会遇到漏水、真空捡漏不过等情况，需要对整个真空系统有一定的了解，并选择合适的除尘技术及过滤器来处理系统中的废气排放。本文从真空的概念，单晶炉的真空系统及除尘技术三个方面论述在CZ法直拉单晶工艺中的应用。
关键词：单晶炉;真空;真空检测;除尘技术;过滤器
1真空概念
“真空”是指在指定空间内低于环境大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子数密度低于该地区大气压的气体分子数密度。不同的真空状态，就意味着该空间具有不同的分子数密度。在标准状态（STP：即0℃， 101325Pa）下，气体的分子数密度为2.6870×1025m-3，而在真空度为1×10-4Pa时，气体的分子数密度只有2.65×100m-3。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。绝对真空实际上是不存在的。
2真空技术
真空技术在冶金、化工、轻工、食品、医药等领域得到了十分广泛的应用，然而在这些领域大都存在尘埃对真空系统的危害问题。为保护真空系统或真空泵不受粉尘和固体颗粒污染和损坏，管路中需配置真空除尘器和真空过滤器。它们可保护真空阀门不被阻塞，避免阀板关闭不严造成漏气，保护测量压力的真空规管不受污损，防止泵受损而工作失常等，对真空设备的净化和平稳、持续工作均很重要。
3单晶炉的真空系统
单晶炉是在惰性气体环境中， 以石墨电阻加热器将硅半导体材料熔化， 用直拉法生长无位错单晶的专用设备。它可以生产大规模集成电路所需的高质量的硅单晶。为了保证生产出合格的硅单晶， 除了需要有优质的多晶硅料及合理的生长工艺外， 对单晶炉设备的稳定可靠也有很高的要求。硅单晶的生长是在惰性气体环境中进行的， 因此，对单晶炉的真空系统与充气系统有更高的要求。
主炉室内主要完成多晶硅熔化， 单晶硅的生长。副炉室与主炉室连通， 生长的单晶进入副炉室。以前用于测试化验， 并根据情况加入掺杂物， 这就需要在主副炉室之间设置一隔离阀进行主副炉室的隔离， 从而实现试样测试与掺杂，现在隔离室用于二次加料和提段用。同样真空系统与充气系统也设计成主炉室真空系统、副炉室真空系统及充气系统。
3.1单晶炉的真空系统
主炉室真空系统是单晶炉的主抽空系统， 在整个生长单晶的工艺过程中， 抽空系统一直在工作， 一是为了抽掉单晶生长过程中所产生的挥发物（氧化硅） ， 同时也是为了在炉室内形成负压（减压生长单晶工 艺）。所以，主炉室真空系统的设计合理与否， 对单晶炉的稳定工作至关重要。 我司目前使用单晶炉主炉室真空系统包括： 2H120B 型滑阀真空泵，由抽气口、管道三通、主室球阀、除尘器、压差阀、不锈管波纹管、滑阀泵等组成。 由于单晶炉的极限真空是≤3Pa， 而长期稳定工作在 1500～2000Pa。在单晶生长过程中， 伴随有大量挥发物需要从主抽真空管道中排出， 考虑到挥发物对真空泵使用寿命的影响， 在真空泵前设置了除尘器， 以除去大部分挥发物， 除尘器为金属网式， 金属网过滤面积为 2m 2 ， 金属网为 200 目的不锈钢丝网。主管道设计为对称出口汇合后引出形式。考虑到炉内的高温及抽出气体的温度， 在主管道上增加了水冷结构， 降低管道内气体的温度， 提高系统的使用寿命， 管路中的真空橡胶管及不锈钢波纹管起减少振动及安装方便的作用。
副炉室真空系统是辅助真空系统， 主要用来满足单晶生长的工艺要求。在单晶生长工艺过程中， 需要更换籽晶或进行试样测试。将籽晶或试样提升至副炉室， 然后关闭翻板阀（此时副充气系统对主炉室充气， 保证主炉室内状态稳定） 充入氩气， 使副炉室内压力与外界大气平衡， 打开副室炉门， 进行操作。 待操作完毕， 关闭副室炉门， 由副炉室真空系统对其进行抽真空， 使副炉室内压力与主炉室内压力平衡， 打开翻板阀开始进行下一工艺过程（实际情况中， 为了消除副炉室内的活性气体， 在操作中， 对副炉室要进行抽空——充入氩气——抽气——充入氩气的冲洗过程， 然后再打开翻板阀）。 副炉室真空系统由2XZ-15B型真空泵、电动球阀、不锈钢金属波纹等组成。
3.2充气系统
由于真空泵的抽速是恒定的， 所以充入气体量的多少直接影响炉室内的压力， 从而影响单晶炉的工艺条件。为此， 我们设计充气系统时， 选用质量流量控制器對充入气体进行控制， 以实现充入恒定的进气量。气体从副炉室顶部充入， 从炉室下部抽出。 在实际工艺过程中， 除了上述情况外， 充气系统还应具备快速充气及手动快速充气等功能。这些功能由电磁阀 实现。停电时或其它特殊情况下， 打开电磁阀时， 实现手动快速充气， 打开电磁阀时， 调节质量流量控制器， 实现单晶炉的正常工艺充气。流量控制器选用了最大流量为 100L ?m in， 控制精度为±2% F·S 的D07-23A型质量流量控制器。
3.3炉内压力测量系统
单晶炉在生长单晶的工艺过程中， 先将炉室抽真空， 再充入设定量的氩气， 伴随着机械泵的不断抽气， 使炉内压力稳定在 1500～ 2000Pa 内的某一确定值。另外当翻板阀闭合， 打开副炉室门， 完成一定的操作后， 再关闭副炉室门， 对副炉室进行抽真空， 使副炉室与主炉室压力平衡后， 打开翻板阀， 完成下一步工艺过程。因此， 主副炉室的炉内压力测量应该稳定可靠。
4单晶炉真空系统的除尘技术
单晶炉是单晶体生产设备。单晶体生长要求在真空和惰性气体中进行。真空装置应能保证炉体内热真空度达1500～2000pa。如果使用惰性气体作保护气氛，炉体上、下都设有进出气的气口。生长单晶体时，抽真空及真空装置注入惰性气体后都需配备除尘装置。我公司使用的该种除尘器较好地解决了这一问题。它的主要优点是除尘效率高，能适应不同抽气阶段真空度的要求，容尘量大。该除尘器综合运用离心力、惯性碰撞、接触阻留、布朗扩散这几种除尘机理。
除尘器内的空间由圆柱容器经上、下盖密封形成，整个空间分成两大区域：除尘区域和排气区域。含尘气流由切线进气口进入除尘区域，沿外壁由下而上螺旋形旋转运动。气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力的推动下，要向圆柱容器内壁移动。到达内壁的尘粒在气流和重力的共同作用下，沿壁面落到容器底部。这种情况，离心力是除尘器的主要作用力，尘粒与气流分离界面是圆柱容器的内壁。还有，圆柱容器内设置内外两层金属网，内层金属网缠绕于内侧的6 根金属杆上。外层金属网缠绕于外侧的8 根金属杆上。这14 根金属杆被固定在上盘和盘上。它们固联于圆柱容器上法兰。圆柱容器中心设置的排气筒是排气区域。排气筒与排气口相通。上盘的几个圆孔是除尘区域和排气区域通道。含尘气流未从上盘12 个圆孔排出去之前，实际的气流运动是很复杂的。除切向和轴向运动外还有径向运动。这样含尘气流会反复经过金属网（支撑内、外层金属网的金属杆相互错列，很明显能够增加气流穿过金属网的次数）。前文已详细论证过除尘机理，很容易看出惯性碰撞、接触阻留、筛滤作用、布朗扩散在这时将成为除尘的主要作用力。尘粒与气流分离界面是内、外两层金属网（包括上盘在内）。
5、结束语
在工业中使用除尘器收集灰尘已经有了上百年的历史，但是，到目前为止，还没有一种不论在什么条件下都能够圆满解决问题的除尘器。因此，要根据不同的具体情况选择设计适用的除尘设备。对尘埃问题，世界各真空设备公司都有各种性能要求和规格的除尘器、过滤器供用户选择。国内还没有专门生产性能规格齐全的除尘器、过滤器的工厂，大都由用户自行设计加工。设计人员必须掌握除尘技术的基本知识，考虑许多技术经济因素才能满足实际应用的要求。
关键词：单晶炉;真空;真空检测;除尘技术;过滤器
1真空概念
“真空”是指在指定空间内低于环境大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子数密度低于该地区大气压的气体分子数密度。不同的真空状态，就意味着该空间具有不同的分子数密度。在标准状态（STP：即0℃， 101325Pa）下，气体的分子数密度为2.6870×1025m-3，而在真空度为1×10-4Pa时，气体的分子数密度只有2.65×100m-3。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。绝对真空实际上是不存在的。
2真空技术
真空技术在冶金、化工、轻工、食品、医药等领域得到了十分广泛的应用，然而在这些领域大都存在尘埃对真空系统的危害问题。为保护真空系统或真空泵不受粉尘和固体颗粒污染和损坏，管路中需配置真空除尘器和真空过滤器。它们可保护真空阀门不被阻塞，避免阀板关闭不严造成漏气，保护测量压力的真空规管不受污损，防止泵受损而工作失常等，对真空设备的净化和平稳、持续工作均很重要。
3单晶炉的真空系统
单晶炉是在惰性气体环境中， 以石墨电阻加热器将硅半导体材料熔化， 用直拉法生长无位错单晶的专用设备。它可以生产大规模集成电路所需的高质量的硅单晶。为了保证生产出合格的硅单晶， 除了需要有优质的多晶硅料及合理的生长工艺外， 对单晶炉设备的稳定可靠也有很高的要求。硅单晶的生长是在惰性气体环境中进行的， 因此，对单晶炉的真空系统与充气系统有更高的要求。
主炉室内主要完成多晶硅熔化， 单晶硅的生长。副炉室与主炉室连通， 生长的单晶进入副炉室。以前用于测试化验， 并根据情况加入掺杂物， 这就需要在主副炉室之间设置一隔离阀进行主副炉室的隔离， 从而实现试样测试与掺杂，现在隔离室用于二次加料和提段用。同样真空系统与充气系统也设计成主炉室真空系统、副炉室真空系统及充气系统。
3.1单晶炉的真空系统
主炉室真空系统是单晶炉的主抽空系统， 在整个生长单晶的工艺过程中， 抽空系统一直在工作， 一是为了抽掉单晶生长过程中所产生的挥发物（氧化硅） ， 同时也是为了在炉室内形成负压（减压生长单晶工 艺）。所以，主炉室真空系统的设计合理与否， 对单晶炉的稳定工作至关重要。 我司目前使用单晶炉主炉室真空系统包括： 2H120B 型滑阀真空泵，由抽气口、管道三通、主室球阀、除尘器、压差阀、不锈管波纹管、滑阀泵等组成。 由于单晶炉的极限真空是≤3Pa， 而长期稳定工作在 1500～2000Pa。在单晶生长过程中， 伴随有大量挥发物需要从主抽真空管道中排出， 考虑到挥发物对真空泵使用寿命的影响， 在真空泵前设置了除尘器， 以除去大部分挥发物， 除尘器为金属网式， 金属网过滤面积为 2m 2 ， 金属网为 200 目的不锈钢丝网。主管道设计为对称出口汇合后引出形式。考虑到炉内的高温及抽出气体的温度， 在主管道上增加了水冷结构， 降低管道内气体的温度， 提高系统的使用寿命， 管路中的真空橡胶管及不锈钢波纹管起减少振动及安装方便的作用。
副炉室真空系统是辅助真空系统， 主要用来满足单晶生长的工艺要求。在单晶生长工艺过程中， 需要更换籽晶或进行试样测试。将籽晶或试样提升至副炉室， 然后关闭翻板阀（此时副充气系统对主炉室充气， 保证主炉室内状态稳定） 充入氩气， 使副炉室内压力与外界大气平衡， 打开副室炉门， 进行操作。 待操作完毕， 关闭副室炉门， 由副炉室真空系统对其进行抽真空， 使副炉室内压力与主炉室内压力平衡， 打开翻板阀开始进行下一工艺过程（实际情况中， 为了消除副炉室内的活性气体， 在操作中， 对副炉室要进行抽空——充入氩气——抽气——充入氩气的冲洗过程， 然后再打开翻板阀）。 副炉室真空系统由2XZ-15B型真空泵、电动球阀、不锈钢金属波纹等组成。
3.2充气系统
由于真空泵的抽速是恒定的， 所以充入气体量的多少直接影响炉室内的压力， 从而影响单晶炉的工艺条件。为此， 我们设计充气系统时， 选用质量流量控制器對充入气体进行控制， 以实现充入恒定的进气量。气体从副炉室顶部充入， 从炉室下部抽出。 在实际工艺过程中， 除了上述情况外， 充气系统还应具备快速充气及手动快速充气等功能。这些功能由电磁阀 实现。停电时或其它特殊情况下， 打开电磁阀时， 实现手动快速充气， 打开电磁阀时， 调节质量流量控制器， 实现单晶炉的正常工艺充气。流量控制器选用了最大流量为 100L ?m in， 控制精度为±2% F·S 的D07-23A型质量流量控制器。
3.3炉内压力测量系统
单晶炉在生长单晶的工艺过程中， 先将炉室抽真空， 再充入设定量的氩气， 伴随着机械泵的不断抽气， 使炉内压力稳定在 1500～ 2000Pa 内的某一确定值。另外当翻板阀闭合， 打开副炉室门， 完成一定的操作后， 再关闭副炉室门， 对副炉室进行抽真空， 使副炉室与主炉室压力平衡后， 打开翻板阀， 完成下一步工艺过程。因此， 主副炉室的炉内压力测量应该稳定可靠。
4单晶炉真空系统的除尘技术
单晶炉是单晶体生产设备。单晶体生长要求在真空和惰性气体中进行。真空装置应能保证炉体内热真空度达1500～2000pa。如果使用惰性气体作保护气氛，炉体上、下都设有进出气的气口。生长单晶体时，抽真空及真空装置注入惰性气体后都需配备除尘装置。我公司使用的该种除尘器较好地解决了这一问题。它的主要优点是除尘效率高，能适应不同抽气阶段真空度的要求，容尘量大。该除尘器综合运用离心力、惯性碰撞、接触阻留、布朗扩散这几种除尘机理。
除尘器内的空间由圆柱容器经上、下盖密封形成，整个空间分成两大区域：除尘区域和排气区域。含尘气流由切线进气口进入除尘区域，沿外壁由下而上螺旋形旋转运动。气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力的推动下，要向圆柱容器内壁移动。到达内壁的尘粒在气流和重力的共同作用下，沿壁面落到容器底部。这种情况，离心力是除尘器的主要作用力，尘粒与气流分离界面是圆柱容器的内壁。还有，圆柱容器内设置内外两层金属网，内层金属网缠绕于内侧的6 根金属杆上。外层金属网缠绕于外侧的8 根金属杆上。这14 根金属杆被固定在上盘和盘上。它们固联于圆柱容器上法兰。圆柱容器中心设置的排气筒是排气区域。排气筒与排气口相通。上盘的几个圆孔是除尘区域和排气区域通道。含尘气流未从上盘12 个圆孔排出去之前，实际的气流运动是很复杂的。除切向和轴向运动外还有径向运动。这样含尘气流会反复经过金属网（支撑内、外层金属网的金属杆相互错列，很明显能够增加气流穿过金属网的次数）。前文已详细论证过除尘机理，很容易看出惯性碰撞、接触阻留、筛滤作用、布朗扩散在这时将成为除尘的主要作用力。尘粒与气流分离界面是内、外两层金属网（包括上盘在内）。
5、结束语
在工业中使用除尘器收集灰尘已经有了上百年的历史，但是，到目前为止，还没有一种不论在什么条件下都能够圆满解决问题的除尘器。因此，要根据不同的具体情况选择设计适用的除尘设备。对尘埃问题，世界各真空设备公司都有各种性能要求和规格的除尘器、过滤器供用户选择。国内还没有专门生产性能规格齐全的除尘器、过滤器的工厂，大都由用户自行设计加工。设计人员必须掌握除尘技术的基本知识，考虑许多技术经济因素才能满足实际应用的要求。