單晶生長爐具有以下特點:
1.正確控制方面
溫度正確:能夠將溫度控制在非常正確的范圍內,比如直拉法生長硅單晶時,要將石英坩堝內多晶硅原料加熱到 1450℃以上并保持穩定。熱場溫度分布的正確度直接影響晶體生長的質量,若溫度波動過大,可能導致晶體產生缺陷、雜質分布不均勻等問題。
多參數正確調控:除了溫度,還能對晶體提拉速度、坩堝旋轉速度、爐內氣氛(如氬氣等惰性氣體的流量和壓力)、真空度等參數進行正確控制。以區熔法為例,需要正確控制熔區移動速度等參數,來保證單晶生長的完整性和純度。
2.環境營造方面
高真空環境:配備高性能的真空系統,可將爐內空氣抽出,達到高真空度或低真空度環境,減少雜質氣體的混入,防止晶體在生長過程中被氧化或引入其他雜質,提高晶體純度。
惰性氣氛保護:通常會通入氮氣、氦氣、氬氣等惰性氣體,進一步保護熔體和生長中的晶體,避免其與空氣接觸發生化學反應,同時可以通過調節氣體流量和壓力來控制爐內氣氛,為晶體生長提供穩定的化學環境。
3.結構設計方面
雙層水冷結構:爐體一般采用雙層水冷設計,可有效帶走爐內高溫產生的熱量,保證爐體溫度在合理范圍內,防止爐體材料因高溫變形,延長設備使用壽命,也有助于維持爐內溫度場的穩定。
合理的空間布局:內部空間布局合理,為晶體生長提供足夠的空間,同時便于安裝和更換坩堝、籽晶等部件,以及布置加熱元件、測溫裝置等,如一些單晶爐設有二次加料口,方便在生長過程中補充原料。
4.自動化程度方面
全自動控制:采用優良的計算機控制系統,可實現從抽真空、檢漏、爐壓控制、熔料、引晶、放肩、等徑、收尾到停爐等晶體生長全過程的自動控制,減少人工操作誤差,提高生產效率和產品質量穩定性。
實時監控與反饋:配備傳感器和監控設備,如高像素 CCD 測徑 ADC 系統、液面測溫裝置等,能實時監測晶體的生長狀態,如晶體直徑、溫度、液面位置等信息,并將數據反饋給控制系統,以便及時調整參數。
5.材料與部件方面
耐高溫材料:加熱元件通常采用石墨等耐高溫材料,能夠承受高溫環境,保證在長時間的加熱過程中不發生變形、熔化或氧化,為晶體生長提供穩定的熱源。
高質量部件:關鍵部件如晶體提升及旋轉機構、坩堝提升及旋轉機構等,具有高精度、高穩定性和高可靠性,確保在晶體生長過程中能夠正確地按照設定的參數運行,保證晶體生長的質量和一致性。
6.其他方面
應用廣泛:可以生長多種不同的單晶材料,包括半導體材料(如硅、鍺、砷化鎵等)、光學晶體材料(如激光晶體、光纖晶體等)以及其他無機材料(如離子電池材料、陶瓷材料等),滿足不同領域的需求。
技術創新性:隨著科技的不斷發展,單晶生長爐的技術也在不斷創新,如采用新的加熱技術、控制算法、材料和結構設計等,以提高晶體生長的效率、質量和尺寸,降低成本,滿足市場對單晶材料不斷增長的需求。