單晶硅生長(zhǎng)爐設(shè)計(jì)與仿真

在直拉法生長(zhǎng)硅單晶的過(guò)程中，硅單晶生長(zhǎng)的成功與否以及質(zhì)量的高低是由熱場(chǎng)的溫度分布決定的。溫度分布合適的熱場(chǎng)，不僅硅單晶生長(zhǎng)順利,而且品質(zhì)較高；如果熱場(chǎng)的溫度分布不是很合理，生長(zhǎng)硅單晶的過(guò)程中容易產(chǎn)生各種缺陷，影響質(zhì)量，情況嚴(yán)重的出現(xiàn)變晶現(xiàn)象生長(zhǎng)不出來(lái)單晶。因此在投資硅單晶生長(zhǎng)企業(yè)的前期，一定要根據(jù)生長(zhǎng)設(shè)備，配置出最合理的熱場(chǎng),從而保證生產(chǎn)出來(lái)的硅單晶的品質(zhì)。在直拉硅單晶生長(zhǎng)工藝中,一般采用溫度梯度來(lái)描述熱場(chǎng)的溫度分布情況，其中在固液界面處的溫度梯度最為關(guān)鍵。

數(shù)值模擬是在一個(gè)低成本的情況下,利用電腦計(jì)算提供的詳盡資料，用以支持真正的（且昂貴）實(shí)驗(yàn)。由于數(shù)值模擬提供了一個(gè)近似真實(shí)的過(guò)程，利用這一技術(shù)可以很容易的對(duì)任何類型的變化（幾何尺寸、保溫材料、加熱器、外圍環(huán)境等）對(duì)晶體質(zhì)量的影響做出容易的判斷。數(shù)值仿真是用來(lái)獲得廉價(jià)的，完整的和全面細(xì)節(jié)的結(jié)晶過(guò)程，以此方法用來(lái)預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng),改善晶體生長(zhǎng)技術(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于無(wú)經(jīng)驗(yàn)人員，可以形象化展示熔體流動(dòng)的歷史點(diǎn)缺陷和熱應(yīng)力細(xì)節(jié)。所以數(shù)值仿真是一種達(dá)到較高生產(chǎn)率和較好滿足市場(chǎng)對(duì)晶體直徑，質(zhì)量要求的最好辦法。

面向過(guò)程的仿真軟件FEMAG為用戶提供了可以深入研究的數(shù)值工具,用戶通過(guò)有效的計(jì)算機(jī)模擬可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作流程。通過(guò)對(duì)單晶爐熱場(chǎng)的仿真計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)單晶爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在拉晶過(guò)程中以仿真結(jié)果設(shè)定合理的理論拉晶曲線，就可以在實(shí)際生產(chǎn)中是完全可以生長(zhǎng)出合格的單晶硅棒。 2100433B

HD系列硅單晶爐的爐室采用3節(jié)設(shè)計(jì)。上筒和上蓋可以上升并向兩邊轉(zhuǎn)動(dòng)，便于裝料和維護(hù)等。爐筒升降支撐采用雙立柱設(shè)計(jì)，提高穩(wěn)定性。支撐柱安裝在爐體支撐平臺(tái)的上面，便于平臺(tái)下面設(shè)備的維護(hù)。爐筒升降采用絲杠提升技術(shù)，簡(jiǎn)便干凈。

全自動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便，可靠性高，抗干擾性好。雙攝像頭實(shí)時(shí)采集晶體直徑信息。液面測(cè)溫確保下籽晶溫度和可重復(fù)性。爐內(nèi)溫度或加熱功率控制方式可選，保證控溫精度。質(zhì)量流量計(jì)精確控制氬氣流量。高精度真空計(jì)結(jié)合電動(dòng)蝶閥實(shí)時(shí)控制爐內(nèi)真空度。上稱重傳感器用于晶棒直徑的輔助控制。伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的混合使用，即可滿足轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩，又可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制。質(zhì)量流量計(jì)精確控制氬氣流量。

自主產(chǎn)權(quán)的控制軟件采用視窗平臺(tái)，操作方便簡(jiǎn)潔直觀。多種曲線和數(shù)據(jù)交叉分析工具提供了工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控的平臺(tái)。完整的工藝設(shè)定界面使計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)完成幾乎所有的工藝過(guò)程。

加熱電源采用綠色縱向12脈沖直流電源。比傳統(tǒng)直流電源節(jié)能近15%。

特殊的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)使晶體提拉速度提高20-30%。

上虞晶盛機(jī)電工程有限公司是一家專業(yè)從事半導(dǎo)體材料生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試的股份制企業(yè)。通過(guò)人才引進(jìn)，公司擁有一批高、中級(jí)專業(yè)技術(shù)型的研發(fā)設(shè)計(jì)人員和經(jīng)營(yíng)管理人才，具有獨(dú)立自主的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力和相當(dāng)規(guī)模的生產(chǎn)能力。

公司依托浙江大學(xué)機(jī)械電子控制工程研究所的高科技優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與浙江大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園杭州慧翔電液技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司合作，共同開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZJS系列TDR80A，TDR80B，TDR85A，TDR95A型全自動(dòng)晶體生長(zhǎng)爐，并形成批量生產(chǎn)。

單晶硅生長(zhǎng)爐研究所

國(guó)內(nèi)以西安理工大學(xué)的晶體生長(zhǎng)設(shè)備研究所為代表，自61年起開(kāi)始生產(chǎn)晶體生長(zhǎng)設(shè)備。主要產(chǎn)品有TDR-62B、TDR-70B、TDR-80。上虞晶盛機(jī)電工程有限公司是國(guó)內(nèi)單晶硅生長(zhǎng)爐行業(yè)的后起之秀，自主研發(fā)了真正的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，產(chǎn)品迅速占領(lǐng)了IC級(jí)硅材料行業(yè)和高端太陽(yáng)能行業(yè)，主要產(chǎn)品有TDR80A-ZJS、TDR80B-ZJS、TDR80C-ZJS、TDR85A-ZJS、TDR95A-ZJS、TDR112A-ZJS。

單晶硅生長(zhǎng)爐美國(guó)公司

國(guó)外以美國(guó)KAYEX公司為代表，生產(chǎn)全自動(dòng)硅單晶體生長(zhǎng)爐。KAYEX公司是目前世界上最大，最先進(jìn)的硅單晶體生長(zhǎng)爐制造商之一。KAYEX的產(chǎn)品早在80年代初就進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，已成為中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)使用最多的品牌。該公司生長(zhǎng)的硅晶體生長(zhǎng)爐從抽真空－檢漏－熔料－引晶－放肩－等徑－收尾到關(guān)機(jī)的全過(guò)程由計(jì)算機(jī)實(shí)行全自動(dòng)控制。晶體產(chǎn)品的完整性與均勻性好，直徑偏差在單晶全長(zhǎng)內(nèi)僅±1mm。主要產(chǎn)品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分別為30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。

江南電力光伏科技有限公司，公司引進(jìn)消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)研發(fā)環(huán)保清潔可再生新能源產(chǎn)品——太陽(yáng)能光伏發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電站的相關(guān)設(shè)備。其中硅單晶生長(zhǎng)爐設(shè)備有兩大系列三個(gè)品種，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。生產(chǎn)的單晶硅生長(zhǎng)爐（TDR85/95/105-JN）

TDR—JN系列全自動(dòng)晶體生長(zhǎng)爐具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是采用直拉法生長(zhǎng)P型或N型單晶硅材料的專用設(shè)備。裝料量從95Kg～150Kg，可拉制6"～12"電路級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)單晶硅棒。

首先，把高純度的多晶硅原料放入高純石英坩堝，通過(guò)石墨加熱器產(chǎn)生的高溫將其熔化；然后，對(duì)熔化的硅液稍做降溫，使之產(chǎn)生一定的過(guò)冷度，再用一根固定在籽晶軸上的硅單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便會(huì)在籽晶下端生長(zhǎng)；接著，控制籽晶生長(zhǎng)出一段長(zhǎng)為100mm左右、直徑為3～5mm的細(xì)頸，用于消除高溫溶液對(duì)籽晶的強(qiáng)烈熱沖擊而產(chǎn)生的原子排列的位錯(cuò)，這個(gè)過(guò)程就是引晶；隨后，放大晶體直徑到工藝要求的大小，一般為75～300mm，這個(gè)過(guò)程稱為放肩；接著，突然提高拉速進(jìn)行轉(zhuǎn)肩操作，使肩部近似直角；然后，進(jìn)入等徑工藝，通過(guò)控制熱場(chǎng)溫度和晶體提升速度，生長(zhǎng)出一定直徑規(guī)格大小的單晶柱體；最后，待大部分硅溶液都已經(jīng)完成結(jié)晶時(shí)，再將晶體逐漸縮小而形成一個(gè)尾形錐體，稱為收尾工藝。這樣一個(gè)單晶拉制過(guò)程就基本完成，進(jìn)行一定的保溫冷卻后就可以取出。

直拉法，也叫切克勞斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克勞斯基建立的一種晶體生長(zhǎng)方法，用直拉法生長(zhǎng)單晶的設(shè)備和工藝比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率高，易于制備大直徑單晶，容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低電阻率單晶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上硅單晶的產(chǎn)量中70%～80%是用直拉法生產(chǎn)的。

1、主機(jī)部分：

●機(jī)架，雙立柱

●雙層水冷式結(jié)構(gòu)爐體

●水冷式閥座

●晶體提升及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

●坩堝提升及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

●氬氣系統(tǒng)

●真空系統(tǒng)及自動(dòng)爐壓檢測(cè)控制

●水冷系統(tǒng)及多種安全保障裝置

●留有二次加料口

2、加熱器電源：

全水冷電源裝置采用專利電源或原裝進(jìn)口IGBT及超快恢復(fù)二極管等功率器件。配以特效高頻變壓器，構(gòu)成新一代高頻開(kāi)關(guān)電源。采用移相全橋軟開(kāi)關(guān)（ZVS）及CPU獨(dú)立控制技術(shù)，提高了電能轉(zhuǎn)換效率，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。

3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：

采用PLC和上位工業(yè)平板電腦PC機(jī)，配備大屏幕觸摸式HMI人機(jī)界面、高像素CCD測(cè)徑ADC系統(tǒng)和具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“全自動(dòng)CZ法晶體生長(zhǎng)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)”，可實(shí)現(xiàn)從抽真空—檢漏—爐壓控制—熔料—穩(wěn)定—溶接—引晶—放肩—轉(zhuǎn)肩—等徑—收尾—停爐全過(guò)程自動(dòng)控制。

1、新能源設(shè)備應(yīng)用企業(yè)：公司是一家新能源設(shè)備及其應(yīng)用的企業(yè)，主營(yíng)業(yè)務(wù)為太陽(yáng)能電池 硅材料生產(chǎn)與加工設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品包括單晶硅生長(zhǎng)爐、單晶硅切斷機(jī)和單晶硅切方滾磨機(jī)等光伏設(shè)備，覆蓋了人工晶體生長(zhǎng)和加工的多個(gè)工序范圍。公司在硅晶體生長(zhǎng)設(shè)備和硅晶體加工設(shè)備制造方面擁有多項(xiàng)核心技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和在研項(xiàng)目的技術(shù)水平在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，部分達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2、單晶硅生長(zhǎng)爐建設(shè)項(xiàng)目：公司“年產(chǎn)1200臺(tái)單晶硅生長(zhǎng)爐建設(shè)項(xiàng)目投資總額”為14094.4萬(wàn)元（截止2011年一季度末投資進(jìn)度97.38%，后同），2011年一季度實(shí)現(xiàn)效益1388.24萬(wàn)元；“年產(chǎn)150臺(tái)多晶硅鑄錠爐建設(shè)項(xiàng)目投資總額”為9850.1萬(wàn)元（0%），預(yù)計(jì)年稅后利潤(rùn)總額4305.9萬(wàn)元；“年產(chǎn)1200臺(tái)單晶硅生長(zhǎng)爐爐體建設(shè)項(xiàng)目”投資總額6840萬(wàn)元（100%），其中募資投入3761.8萬(wàn)元，2011年一季度實(shí)現(xiàn)效益328.59萬(wàn)元。

3、光伏設(shè)備戰(zhàn)略路線：2010年末我國(guó)光伏單晶硅生長(zhǎng)爐已經(jīng)基本完成了進(jìn)口替代，國(guó)產(chǎn)化率高達(dá)95%，國(guó)內(nèi)單晶硅生長(zhǎng)爐業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)已經(jīng)步入“平穩(wěn)期”。未來(lái)公司戰(zhàn)略重心將逐步由單晶爐向依然被國(guó)際廠商壟斷并且具有高附加值的多晶爐轉(zhuǎn)移，2010年國(guó)內(nèi)多晶硅鑄錠爐市場(chǎng)以進(jìn)口為主，2011年，公司將繼續(xù)建設(shè)“多晶鑄錠實(shí)驗(yàn)示范工廠項(xiàng)目”，還將開(kāi)始批量銷(xiāo)售硅片切割機(jī)（2010年已小批量生產(chǎn)），該設(shè)備用于將晶硅切片制作 成硅片的環(huán)節(jié)，多晶硅鑄錠爐和切片機(jī)將在2011年放量。

4、LED MOCVD設(shè)備：2011年3月10日公司以超募資金投入5333.33萬(wàn)元與華晟光電設(shè)備（香港）成立合資公司（占56%），從事MOCVD設(shè)備及外延工藝的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售等，并且合資公司將在上海成立以研發(fā)為目的的子公司。華晟光電擁有創(chuàng)新的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多項(xiàng)LED MOCVD技術(shù)，并且團(tuán)隊(duì)具有20多年所積累的世界一流大規(guī)模生產(chǎn)的半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。LED外延材料生產(chǎn)所需的MOCVD設(shè)備是整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵設(shè)備，預(yù)計(jì)中國(guó)MOCVD的市場(chǎng)容量在3年內(nèi)將達(dá)到年需求達(dá)到1000臺(tái)以上。公司計(jì)劃2012年底將產(chǎn)品切入市場(chǎng)，銷(xiāo)售1-2臺(tái)MOCVD設(shè)備，以驗(yàn)證產(chǎn)品的性能和樹(shù)立產(chǎn)品的品牌。于2013年，如僅占3%的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，即銷(xiāo)售8臺(tái)MOCVD設(shè)備，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將到達(dá)1億，到2014年，占有8.5%的市場(chǎng)，銷(xiāo)售額將超過(guò)4.5億，到2015年，如市場(chǎng)占有率增加到15%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過(guò)9億。

5、1.51億擴(kuò)產(chǎn)多晶硅片：2010年7月，股東大會(huì)通過(guò)公司用1.51億元超募資金建設(shè)“多晶鑄錠實(shí)驗(yàn)示范工廠項(xiàng)目”。項(xiàng)目計(jì)劃采用10臺(tái)自制的DRZF450型多晶鑄錠爐及配套切片設(shè)備，可年產(chǎn)多晶硅片1540萬(wàn)片。通過(guò)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，將使客戶減少適用產(chǎn)品試用這一環(huán)節(jié)，極大加快多晶鑄錠爐這一新產(chǎn)品的推廣，加速多晶鑄錠爐這一產(chǎn)品成為公司的主要盈利點(diǎn)。項(xiàng)目達(dá)到預(yù)定可使用狀態(tài)日期為2011年01月31日，預(yù)計(jì)建成后年凈利潤(rùn)超過(guò)3500萬(wàn)元。本次項(xiàng)目完成后，產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中心滿足了未來(lái)三年公司對(duì)研發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)檢驗(yàn)的需求，公司將對(duì)生產(chǎn)的多晶鑄錠爐進(jìn)行100%的檢測(cè)，2011年一季度實(shí)現(xiàn)效益 104.77萬(wàn)元。

6、上海杰姆斯：2011年年初，公司用1.19億元超募資金完成“上海杰姆斯電子材料有限公司”68%股權(quán)收購(gòu)。上海杰姆斯主營(yíng)業(yè)務(wù)是光伏行業(yè)用石墨熱場(chǎng)的研發(fā)和制造，其提供的產(chǎn)品占整個(gè)太陽(yáng)能石墨制品的市場(chǎng)份額的15%左右，并且是國(guó)內(nèi)少數(shù)能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)22英才石墨熱場(chǎng)的供應(yīng)商之一。股權(quán)出讓方作出業(yè)績(jī)承諾：2010年凈香洲為2490萬(wàn)元，2011年凈利潤(rùn)為3000萬(wàn)元。如果上海杰姆斯未能實(shí)現(xiàn)，則出讓方同意以現(xiàn)金方式補(bǔ)足。通過(guò)本次收購(gòu)，公司能夠?qū)a(chǎn)業(yè)鏈涵蓋光伏設(shè)備使用中的易耗品環(huán)節(jié)，擴(kuò)大了公司業(yè)務(wù)范圍，圍繞光伏設(shè)備形成企業(yè)的新盈利增長(zhǎng)點(diǎn)，2011年一季度實(shí)現(xiàn)效益681.43萬(wàn)元。

7、光源坩堝：2011年5月，公司擬用超募資金4460萬(wàn)元收購(gòu)增資光源坩堝，交易完成后持有其65%股權(quán)，光源坩堝主要經(jīng)營(yíng)石英坩堝、塑料制品（不含醫(yī)用、食用）制造，銷(xiāo)售 自產(chǎn)產(chǎn)品。2010年、2011年1-3月凈利潤(rùn)1386萬(wàn)元、493萬(wàn)元，預(yù)計(jì)2011年光源坩堝的凈利潤(rùn)較2010年增長(zhǎng)不低于20%。同時(shí)，如果2012年公司方坩堝項(xiàng)目能夠順利建成且技術(shù)達(dá)到預(yù)期，預(yù)計(jì)將增加不低于1億元銷(xiāo)售收入，且該項(xiàng)目的毛利率將與現(xiàn)有產(chǎn)品相當(dāng)。公司實(shí)驗(yàn)示范工廠項(xiàng)目將使用其生產(chǎn)的方坩堝產(chǎn)品，將有利于節(jié)約成本。