真空單晶生長爐 (直拉法 - Czochralski, CZ)

•        核心原理與目的： 在真空或惰（duò）性（xìng）氣氛保護下，利用直拉法（CZ法）生長大尺寸、高（gāo）純度、低位錯密度的單晶矽錠（目前半導體工業的主流方法），也可用（yòng）於生長其他半導體（如砷化镓GaAs）、氧化物（如藍寶石）和金（jīn）屬單晶（jīng）。原理是將高純多晶原料在坩堝中熔化，然後用一（yī）個精確控製的籽晶（一小塊（kuài）單晶體）接觸熔體表麵，再（zài）緩慢向上提拉並旋轉，熔體在籽晶固液界（jiè）麵處按籽晶（jīng）的晶格方向外延生長成大（dà）的單晶錠。

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• 關鍵結構（gòu）組成：

• 石墨加熱器： 提供熔化和維（wéi）持高溫（矽（guī）熔點約1414°C）。

• 保溫係統： 多層石墨氈、碳氈或硬質碳氈（zhān），精確設計熱場（chǎng）梯度，控製（zhì）固液界（jiè）麵的形（xíng）狀和平坦度，這對單晶質量至（zhì）關重要。

• 石英坩堝： 盛裝熔融矽。大型爐（lú）用（yòng）坩堝直徑可達30英寸以上。坩堝需要旋轉（與籽晶反向）。

• 爐體與（yǔ）氣氛係統（tǒng）： 大型（xíng）、高度密封的不鏽鋼爐腔。對於矽單（dān）晶，通常（cháng）在低壓氬氣（Ar）環境下進行（háng），以控製熱場、帶（dài）走揮發性雜（zá）質（SiO）並維持熔矽穩定。真空係統用於初始抽空和（hé）維持低背景氣壓。

• 熱場係統： 核（hé）心部分。包括：

• 提拉旋轉機（jī）構： 極其（qí）精（jīng）密（mì）的機械係（xì）統。籽晶杆可精（jīng）密控製提拉速度（毫米/小時量級）和旋（xuán）轉速度（通常幾至幾十轉/分鍾），要求極高的穩定性和同心度。

• 控製係統（tǒng）： 高度自動化（huà）。包括溫度（多區控溫）、壓力、提拉速度、旋轉速度、坩堝位置/旋轉、液位（稱重或（huò）光學檢測（cè））等參數的實時監（jiān）測與閉環控製，確保晶體等徑生長。

• 磁（cí）場係統 (可選)： 施加穩恒或勾形磁場，用於抑製熔矽中的（de）熱對流（liú），提高氧含量均勻性，改善晶體質量。

• 主要應用：

• 半導體（tǐ）工業： 生產製造集成電路（IC）、太陽能電池片所需的大直徑（300mm為主（zhǔ），向450mm發展）單晶矽錠。這是最主（zhǔ）要的應用。

• 光電子： 生長化合物半導體單（dān）晶（如GaAs用（yòng）於LED、激光器）。

• 光學材料： 生長藍寶石單晶（jīng）（用於LED襯底、光學窗口、表鏡（jìng））。

• 科研： 生（shēng）長各種功能材料的單晶體。

• 核心優勢： 可生長大直徑、高質量、低缺陷密度的單晶材料；工藝相對（duì）成（chéng）熟穩定（dìng）；自動化程（chéng）度高；是半導體產業的（de）基石設備。

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