aalto1 untyped-item.component.html
Evaluation of energy consumption and thermal optimization strategies in Czochralski silicon crystal growth furnaces
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72
Series
Abstract
The Czochralski (CZ) crystal growth method is the most utilized way of producing high quality single crystal silicon for the semiconductor industry. During the energy-intensive process, furnace temperature exceeds 1420˚C and graphite resistance heaters are continuously operated for several days to maintain the thermal balance. Power reduction in the CZ process offers energy and material related cost reduction, improved crystal quality and yield, and higher heating efficiency. This thesis aimed to determine the energy consumption and heating efficiency of two different CZ furnaces at Okmetic Oy: Type 1 and Type 2. Data on cooling water flow and temperature as well as argon flow and furnace temperature were collected from the two furnace types. The energy consumption for different furnace components was calculated based on cooling water flow and temperature, and their respective insulating performance was evaluated according to the component specific cooling demand.
The Type 2 CZ furnace was found to have overall better heating efficiency (38 %) as well as lower cooling system energy consumption (3.24 kWh/kg) than Type 1 (27 % and 4.56 kWh/kg respectively). This indicates that the insulation used in the Type 2 furnace (CBCF with graphite paint) performs better than the insulation in the Type 1 furnace (soft and rigid graphitized carbon felt). Type 1 exhibited poor insulating performance in the bottom chamber, which was expected based on previous internal studies. Type 2 had better chamber insulation but high electrode cooling demand despite lower heating energy demand per charged silicon kilogram. Based on the Type 1 results, insulation thickness in the Type 1 bottom chamber was increased in an additional exper-iment, which reduced overall cooling system energy consumption by 0.11 kWh/kg.
Czochralski (CZ) kristalltillväxtmetoden är det mest utnyttjade sättet att producera högkvalitativt enkristallkisel för halvledarindustrin. Under den energiintensiva processen överstiger ugnstemperaturen 1420˚C, och grafitmotståndsvärmare används kontinuerligt för att upprätthålla den termiska balansen i flera dagar. En minskning av energieffekten i CZ processen medför energi- och materialrelaterade kostnadsbesparingar, förbättrad kristallkvalitet och avkastning samt högre uppvärmningseffektivitet. Syftet med denna avhandling var att fastställa energiförbrukningen och värmeeffektiviteten hos två olika CZ ugnar hos Okmetic Oy: Typ 1 och Typ 2. Data om kylvattnets flöde och temperatur samt argonflöde och ugnstemperatur samlades in från de två ugnstyperna. Energiförbrukningen för olika ugnskomponenter beräknades baserat på kylvattenflöde och -temperatur, och deras respektive isoleringsprestanda utvärderades enligt det komponentspecifika kylbehovet.
Typ 2 CZ-ugnen visade sig ha överlag bättre värmeeffektivitet (38 %) samt lägre energiförbrukning i kylsystemet (3.24 kWh/kg) än Typ 1 (27 % respektive 4.56 kWh/kg). Detta tyder på att isoleringen i Typ 2 ugnen (CBCF med grafitmålning) presterar bättre än isoleringen i Typ 1 ugnen (mjuk och styv grafitiserad kolfilt). Typ 1 uppvisade dålig isoleringsförmåga speciellt i den nedre kammaren, vilket var förväntat baserat på tidigare interna studier. Typ 2 hade bättre kammarisolering men högt kylbehov för elektroderna trots lägre värmeenergi per laddat kiselkilogram. Baserat på resultaten från Typ 1 ökades isoleringstjockleken i den nedre kammaren för Typ 1 i ett ytterligare experiment, vilket minskade den totala energiförbrukningen i kylsystemet med 0.11 kWh/kg.
Description
Supervisor
Louhi-Kultanen, MarjattaThesis advisor
Sarwar, GolamSalminen, Jenni