我国设备单晶炉我国人工晶体材料工业的发展历史回顾

摘要：本文回顾了我国人工晶体生长设备的发展历史，展望了人工晶体生长设备的发展前景。

关键词：晶体生长设备单晶炉

经过半个多世纪的发展，在广大科技工作者的共同努力下，我国人造晶体材料产业取得了巨大的成就。技术水平高，生产能力大，支持。服务型晶体生长设备——单晶炉也得到了快速发展。在40多年的发展过程中，紧跟国际先进技术，我国晶体生长设备从无到有，从小到大，从单一品种到多品种系列化，一步一个脚印。

一、眼内晶体生长设备历史回顾

(一）半导体硅材料生长设备

1961年，在中国科学院半导体物理研究所林兰英院士的亲自指导下，北京机械工程研究所（西安工业大学工厂前身）的技术人员和半导体物理所联合研制我国第一台人工晶体生长设备——TDK-36单晶炉，成功生产出我国第一台无位错硅单晶，单晶质量接近当时国际先进水平，TDK-36单晶炉荣获国家级新产品奖。 TDK-36型单晶炉进料仅1kg，拉制单晶直径Φ35mm。 1973年研制出TDR-40单晶炉，进料量3kg，单晶直径Φ50mm。 1978年研制出TDR-50单晶炉，进料量12kg，单晶直径Φ75mm。

1980年代后期，我国半导体材料产业发展迅速，国内半导体材料厂商大量从美国引进KAYEX-CG3000软轴拉单晶炉。为适应我国半导体材料工业不断发展的需要，西安工业大学工厂于1988年承担国家“七五”科技攻关项目，研制成功TDR-62系列软轴单晶炉。晶体直径Φ125mm。炉型采用柔性拉轴机构，大大降低了设备的高度。等径控制采用IRCON光学高温计和计算机控制直径信号。我国熔融硅单晶的发展也非常快，尤其是3-4英寸区域的熔融硅单晶需求量越来越大。因此，我们于1989年研制成功TDL-FZ35型面熔炉生产功率器件。需要3到4英寸的高质量硅单晶。设备配备晶体夹持机构，确保3-4英寸单晶稳定生长。该设备首次采用大直径焊接波纹管分室结构，传动部件采用精密滚动丝杠、直线导轨、直流力矩机等精密传动机构，提高了整机的运动稳定性机器。其各项指标均达到国际先进水平，至今仍是我国3-4英寸领域熔融硅单晶的主要生长设备。为满足市场对6-8英寸的需求，1996年开发生产了TDR-80型直拉硅单晶炉。

单晶炉晶种在炉内有效行程2500mm，坩埚行程400mm，炉内径800mm，进料量达到60kg，拉制单晶直径Φ200mm 炉盖为椭圆头形式，副室炉门启闭采用机械联动机构，实现炉门启闭快速准确。上下轴的密封采用国际先进的密封技术——磁流体密封，密封效果好，转动力矩小，提高了整机的可靠性。晶种提升采用稳定可靠的滚动杨木提升机构，性能优良。计算机测控单元采用研华AWS-822工业级集成工作站作为控制主机，配备全隔离A/D和D/A接口作为控制单元。国家新产品奖。 1997年开发生产TDR-70A(B)型直拉硅单晶炉，进料量60kg，单晶直径Φ150mm。

(二)，III-V族化合物半导体材料生长设备

我国Ⅲ-V族化合物半导体材料的发展从无到有。结构比较简单，性能比较落后。 1985年前后，我国先后引进英法高压单晶炉生产2″ GaAs单晶。但是，由于进口设备价格高昂，大多数厂商都远远落后。为满足国内对GaAs、InP等的需求，为满足化合物半导体材料的需求，西安工业大学工厂于1991年研制成功TDR-GY30系列高压单晶炉。

（包括TDR-30高压单晶炉、TDR-30S三段加热炉、TDR-30SC三段加热带磁场高压单晶炉），进料量4kg，拉制单晶直径Φ75mm ，满足了当时国内市场的需求。同时，由于生长工艺要求的不同，西安工业大学工厂先后开发了TDR-ZY40、TDR-ZY40A、TDR-ZY40B系列中压单晶炉，用于III- V族化合物半导体材料。

(三），激光晶体和非线性光学晶体材料生长设备

我国的激光晶体正在稳步发展，从小口径到大口径，从单一品种到现在的多品种，一些新材料还拥有我国自己的自主知识产权。所用设备为TDL-J40和SJ78-3激光晶体炉。锑镉汞、碲化镉、BBO、LBO等氧化物晶体材料的生长设备主要有SJ82-5型氧化物晶体炉、SJ82-6型复合晶体炉、SJ83-7型晶体炉、SJ91-9型复合生长设备设备钽酸锂晶体用坩埚，SJ92-10氧化物生长设备等。特别是近年来，随着我国人造晶体材料产业的快速发展，对人造晶体生长设备的需求越来越迫切钽酸锂晶体用坩埚，对设备的性能要求也越来越高。也越来越高。因此，需要能够满足各种晶体生长工艺的设备。为适应我国人工晶体材料生长的需要，近年来，西安工业大学工厂先后研制出TDL-J75、TDL(R)-60、TDL(R)-50系列激光炉、TDR-Y50、TDR-Y60型氧化物结晶炉、TDL-N60系列铌酸锂钽酸锂结晶炉、TDL-F40型钒酸钇结晶炉、TDL-FZ50型区熔提纯炉等。

上述各种晶体生长设备的运动精度、控制精度等性能指标都有很大提高。它们的共同性能特点如下：

1。采用精密直线导轨和滚珠丝杠作为主运动执行机构，保证了机构运行稳定可靠，提高了工作运动精度。

2。传动采用10000:1大减速比的精密减速机构，保证慢速工作的稳定性。

3。具有速度程控功能，更能满足晶体生长的工艺需求。

4。具有程序控温功能，可根据工艺需要设定温度曲线。

5。真空炉膛采用304L优质不锈钢制造，炉膛内壁采用双面焊接工艺，提高了设备​​的使用寿命。

二、眼内晶体生长设备现状

(一），半导体硅材料生长设备

目前我国半导体硅材料生长设备400多台，其中4寸以上生长设备约300台，主要是国产TDR-62系列软轴单晶炉，TDR-70A（B） ，TDR-80型直拉式硅单晶炉，美国CG3000、CG6000单晶炉和美国KAYEX150单晶炉，此外还有少量德国设备和日本设备。区熔单晶炉主要是国产的TDL-FZ35区炉（如图八）和丹麦的TOPSOE FZ-14、TOPSOE FZ-14 A、TOPSOE FZ-20区炉。目前，有国内TDL-FZ35区域炉11台，TOPSOE FZ-14、TOPSOE FZ-14 A区炉8台左右，TOPSOE FZ-20区炉4台，基本满足生产需要。

国产单晶炉与进口单晶炉存在一定差距，主要表现在设备的自动化程度和元器件的稳定性和可靠性上。 CG6000单晶炉和KAYEX150单晶炉可以实现对晶肩等径精加工全过程的自动化控制，而国产单晶炉只能实现等径精加工过程的自动化控制。此外，受东南亚金融危机影响，以及国外半导体硅材料厂商升级换代，原设备一直低价出售。趁此机会，国内半导体硅材料厂商争相采购，国产单晶炉比进口单晶炉贵。价格优势不复存在，导致国外二手设备大量涌入中国。

(二）Ⅲ-V族化合物半导体材料生长设备

III-V族化合物半导体材料生长设备主要采用国产TDR-GY30系列高压单晶炉、英国CI358高压单晶炉和国产TDR-40系列中压单晶炉。法国的高压单晶炉和一些材料厂家自己生产的高压单晶炉。国产高压单晶炉在密封性能、操作维护方便等方面优于国外高压单晶炉，但与自动控制，尤其是晶体的自动控制还有一定差距。等径，与国外同类产品相比，有待提高。提升。目前国内III-V族化合物半导体材料生长设备中TDR-GY30系列高压单晶炉5台，进口高压单晶炉包括CI358型高压单晶炉约6台。英国、国产TDR-40A系列中压单晶炉（如图九）和水平区多台炉子。

(三），激光晶体和非线性光学晶体材料生长设备

激光晶体和非线性光学晶体材料生长设备主要采用国产设备，少量进口设备（英国和法国）。激光晶体Al2O3、YAG等晶体）材料生长设备主要包括TDL-J50、TDL-J60、TDL-J75和TDL-J40激光炉。目前，大约有300座这样的炉子在运行。钒酸钇晶体生长设备主要是TDL-F40型晶体炉，有300多台设备在运行。铌酸锂、钽酸锂晶体生长设备包括各材料厂家生产的TDL--N60系列晶体炉及设备。此外，国内一些材料厂商根据自身工艺特点，大量研制了晶体生长设备，如山东大学晶体材料国家重点实验室、中非人造晶体研究所、东方钽业集团公司等。 、德清华盈电子有限公司等单位生产了多种经济实用、稳定可靠的晶体生长设备。当然，很多水晶材料厂家仍然使用1960、1970年代的旧设备和一些比较简单的设备进行生产。这些设备机械磨损严重，运动精度差，电气控制精度低，直接影响晶体质量。

国内设备大多采用以下称重方式或浮子称重方式控制直径，精度低，稳定性差。进口设备采用上述称重方式控制，控制精度高，可靠性好。

三、眼内晶体生长设备展望

回顾人造水晶材料行业的发展历程，在设备配套方面还存在诸多不足，与国际先进水平仍有较大差距。尤其是我国加入WTO后，国产晶体生长设备将面临严峻挑战。大量晶体生长设备将涌入中国。为迎接挑战，赶超先进，更好地推动我国人造晶体材料产业的快速发展，必须大力研发技术先进、稳定可靠的优质晶体生长设备。

目前人工晶状体材料不断向大口径、高品质、产业化方向发展，这就需要研制出稳定性好、质量高、自动化程度高的大型人工晶状体生长设备. ，操作方便等。为此，要大力加大科技投入，研制国际急需的8-12英寸硅单晶生长设备，研制生产4-6英寸GaAs高压单晶炉，生产4—5英寸激光晶体生长设备等新型晶体生长设备。晶体生长设备的研发必须时刻跟上材料行业的发展要求，满足不同材料制备工艺的要求。具体要做好以下工作：

1。晶体生长设备的设计制造要紧跟晶体材料产业发展要求，紧密结合我国晶体材料产业发展，加强与材料生长研究单位的合作，将工艺技术与装备制造有机结合，研究和生产以满足晶体生长技术的需要。设备；

2。晶体生长设备是一种集光学、机械、电气、流体、真空等技术于一体的特种机电设备，涉及知识面广。因此，开发设计必须遵循“内育外引”的原则，做好内部技术创新。同时，要广泛开展技术交流，积极引进国内外先进技术，提高装备先进水平。

3。采用先进的控制技术（程序控制、计算机群控等技术），提高设备的自动化程度。

4。提高产品质量，保证设备长期运行的可靠性和稳定性。

5。研发技术先进、精度高、稳定可靠的上称重系统，提高晶体生长设备的自动化程度。

6。瞄准国际前沿技术，紧跟国际市场发展要求，积极开发功能齐全的工艺装备，更好地满足我国人造晶体制造业的发展要求。

7。抓住机遇，加强技工贸合作，做好市场前景好的新材料产业化工作。

发扬“自强、创新、优质、高效”的企业精神，以市场为先导，以科技为先导，加强技术创新，根据国家十五大科技发展规划，研发功能先进、自动化程度高、性能稳定的各类大型人工晶体生长设备，为我国大力发展新材料产业的蓬勃发展做出了应有的贡献。

李六臣，男，汉族，1963年10月生，河南省襄城县人，西安工业大学晶体生长设备研究所副所长，高级工程师，主要从事各种人工晶体生长设备。

薛康美，男，汉族，1951年9月出生，陕西省西安市人，西安工业大学晶体生长设备研究所所长，高级工程师，主要从事组织开发工作各种人工晶体生长设备。