硅单晶车间设计(design of monocrystalline silicon shop)

以硅多晶为原料，经腐蚀、清洗、烘干后采用直拉工艺或区域熔炼工艺，制备硅单晶的硅材料厂的车间设计。设计主要内容包括：产品方案、工艺流程选择、设备选择、技术要求与车间配置和主要技术经济指标。

产品方案   根据生产方法不同，硅单晶可分为直拉硅单晶和区熔硅单晶。直拉硅单晶主要用于集成电路、中小功率晶体管和外延片衬底；区熔硅单晶主要用于大功率元件、整流元件及高能粒子探测器。

工艺流程选择   硅单晶生产主要有直拉法和无坩埚区域熔炼法。直拉法即乔赫拉斯基法(Czochraski)亦称CZ法，是将腐蚀、清洗、烘干后的硅多晶与掺入的杂质元素或母合金一起装入直拉单晶炉内的石英坩埚中，将同样处理后的籽晶装在炉子的上轴上，在真空或氩气气氛下加热熔化硅多晶，在合适的条件下拉制硅单晶。此法可生产大直径无位错单晶及重掺单晶，但由于熔硅受到石英坩埚和石墨加热系统的影响，硅单晶含氧、碳杂质量偏高。

无坩埚区熔法是将腐蚀、清洗、烘干后的硅多晶棒、籽晶固定在区熔炉的上、下轴之间，在真空或氩气气氛下，以高频感应加热，通过移动加热线圈或硅棒，在合适的条件下制备单晶。当对产品电阻率要求较高时，还可利用区熔炉提纯硅多晶。提纯次数一般根据硅多晶原始电阻率和最终产品要求电阻率而定。区熔硅单晶含氧、碳杂质量较低。但此法生产低阻硅单晶比较困难，生产大直径硅单晶不及直拉法。硅单晶原则生产工艺流程见图。

设备选择   主要有直拉单晶炉和区熔炉。单晶炉由炉体、真空系统和控制部分组成。选择炉型主要根据产品的品种、规格、炉容和区熔炉的有效行程。此外应尽量选用带微机控制的炉子，在生产重掺硅单晶时不应与生产其它硅单晶产品合用一台单晶炉。

生产硅单晶的辅助设备有超声波清洗机、红外干燥箱、切断机、滚磨机和物理测试设备等。设备能力应与硅单晶生产规模相适应。

技术要求与车间配置   硅单晶是一种高纯的晶体材料，对生产车间的洁净度、温湿度和防震有较严格的要求。为防止外界电磁波对物理测试的干扰及高频炉产生的电磁波对外界环境的影响，物理测试室和区熔炉室一般需作屏蔽设计。管道一般设于夹层中。

硅单晶生产部分主要由腐蚀、清洗、烘干、装料与单晶制备、切断滚磨喷砂和物理测试室组成。除生产联系比较密切的工序宜相互靠近外，生产性质相同部分，如硅多晶腐蚀室与硅单晶腐蚀室亦应尽量靠近。人流和物流分别设置出入口。并考虑对人员和物料进行净化的房间和净化措施。

空调区和非空调区要分开。空调区要根据对于洁净度等级的要求进行配置。清洗、烘干、装料室相对要求洁净度比较高，物理测试室要求恒温恒湿。

技术经济指标   硅单晶合格率、主要原料和辅助材料的单耗(按生产1kg硅单晶计)见表。