單晶生長爐是一種用于生長單晶材料的設備,以下將從其工作原理、結(jié)構組成、應用領域等維度展開詳細介紹:
1.工作原理
直拉法:把多晶材料放入石英坩堝內(nèi),用石墨加熱器加熱使其熔化。將籽晶固定在籽晶軸上,插入熔體表面,待籽晶與熔體熔合后,慢慢向上拉籽晶,同時控制籽晶的旋轉(zhuǎn)速度,晶體便會在籽晶下端生長。通過控制拉速、溫度、坩堝轉(zhuǎn)速等參數(shù),實現(xiàn)晶體的生長,如單晶硅的生長大多采用直拉法。
區(qū)熔法:利用高頻感應加熱線圈使多晶材料局部熔化形成熔區(qū),熔區(qū)在多晶棒上緩慢移動,使熔化的部分在凝固過程中形成單晶。這種方法主要用于制備高純度的半導體單晶,如鍺單晶、硅單晶等。
2.結(jié)構組成
主機部分:包括機架、爐體、水冷式閥座、晶體提升及旋轉(zhuǎn)機構、坩堝提升及旋轉(zhuǎn)機構等。爐體通常采用雙層水冷結(jié)構,以保證設備在高溫下的正常運行;晶體提升及旋轉(zhuǎn)機構和坩堝提升及旋轉(zhuǎn)機構用于控制晶體和坩堝的運動,正確調(diào)整籽晶與熔體的相對位置以及晶體的生長速度和旋轉(zhuǎn)速度。
加熱系統(tǒng):一般采用石墨加熱器,能夠產(chǎn)生高溫使多晶材料熔化。加熱電源為加熱器提供穩(wěn)定的電力,全水冷電源裝置配以高頻變壓器,構成新一代高頻開關電源,可提高電能轉(zhuǎn)換效率。
真空系統(tǒng):由真空泵、真空管道、真空計等組成,用于抽出爐內(nèi)的空氣,建立真空環(huán)境,以減少雜質(zhì)的混入,同時正確控制爐內(nèi)的真空度。
氣體控制系統(tǒng):主要控制惰性氣體(如氮氣、氦氣、氬氣等)的流量和壓力,保護熔體和生長的晶體不受氧化,同時調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛。
計算機控制系統(tǒng):采用 PLC 和上位工業(yè)平板電腦 PC 機,配備大屏幕觸摸式 HMI 人機界面、高像素 CCD 測徑 ADC 系統(tǒng)和具有獨立知識產(chǎn)權的監(jiān)控系統(tǒng),可實現(xiàn)從抽真空、檢漏、爐壓控制、熔料、引晶、放肩、等徑、收尾到停爐全過程自動控制。
3.應用領域
半導體行業(yè):用于生產(chǎn)硅、鍺、砷化鎵等半導體單晶材料,這些單晶材料是制造集成電路、晶體管、二極管、太陽能電池等半導體器件的基礎。
光學領域:可生長出激光晶體、光纖晶體、液晶基板和光學透鏡等光學器件的單晶材料,用于激光技術、光通信、成像技術等領域。
能源領域:用于制備離子電池材料、陶瓷材料和電子陶瓷材料等無機材料的單晶,在能源存儲、高溫超導、傳感器等方面有著廣泛的應用。
3.型號分類:單晶爐型號主要有兩種命名方式,一種以投料量來命名,如 120、150 等型號;另一種以爐室直徑來命名,如 85 爐是指主爐筒的直徑大小。