摘要：本文回顧了我國(guó)人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的發(fā)展歷史，展望了人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：晶體生長(zhǎng)設(shè)備 單晶爐
我國(guó)人工晶體材料工業(yè)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在廣大科技工作者的共同努力下，取得了巨大的成就，已具有較高的技術(shù)水平和較大的生產(chǎn)能力，而為之配套服務(wù)的晶體生長(zhǎng)設(shè)備—單晶爐也隨之得到了飛速的發(fā)展。在40多年的發(fā)展過(guò)程中，緊跟國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，使我國(guó)的晶體生長(zhǎng)設(shè)備從無(wú)到有、從小到大、從單一品種到多品種系列化，一步一個(gè)腳印地發(fā)展壯大起來(lái)。
一、人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的歷史回顧
（一）半導(dǎo)體硅材料生長(zhǎng)設(shè)備
1961年，在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體物理所林蘭英院士的親自指導(dǎo)下，北京機(jī)械學(xué)院工廠（西安理工大學(xué)工廠的前身）的技術(shù)人員與半導(dǎo)體物理所的技術(shù)人員共同研制出了我國(guó)第一臺(tái)人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備—TDK-36型單晶爐，并且成功拉制出了我國(guó)第一根無(wú)位錯(cuò)的硅單晶，單晶質(zhì)量接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平，TDK-36型單晶爐榮獲國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。TDK-36型單晶爐投料量只有1kg，拉制單晶直徑Φ35mm。1973年開發(fā)了TDR-40型單晶爐，投料量3kg，單晶直徑Φ50mm。1978年，開發(fā)了TDR-50型單晶爐，投料量12kg，拉制單晶直徑Φ75mm。
20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)半導(dǎo)體材料工業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料制造廠家大量引進(jìn)美國(guó)KAYEX－－CG3000型軟軸提拉單晶爐。為滿足我國(guó)半導(dǎo)體材料工業(yè)不斷發(fā)展的需要，1988年西安理工大學(xué)工廠承擔(dān)了國(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，研制成功了TDR-62系列軟軸單晶爐，投料量增至30kg，拉制單晶直徑Φ125mm。該爐型采用軟軸提拉機(jī)構(gòu)，大大降低了設(shè)備高度。等徑控制采用IRCON光學(xué)高溫計(jì)、計(jì)算機(jī)對(duì)直徑信號(hào)進(jìn)行控制。我國(guó)區(qū)熔硅單晶的發(fā)展也非?？欤貏e是3-4寸區(qū)熔硅單晶的需求量在不斷上升，為此，1989年我們研制成功TDL-FZ35型區(qū)熔爐，用以生產(chǎn)功率器件所需3～4寸的高質(zhì)量硅單晶。該設(shè)備設(shè)置有晶體夾持機(jī)構(gòu)，以保證穩(wěn)定生長(zhǎng)3-4寸單晶。在該設(shè)備中首次采用了大直徑焊接波紋管副室結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)部件采用精密滾動(dòng)絲杠、直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、直流力矩機(jī)等精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了整機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，到目前為止仍是國(guó)內(nèi)3-4寸區(qū)熔硅單晶的主要生長(zhǎng)設(shè)備。為了滿足市場(chǎng)對(duì)6-8寸的需求，1996年開發(fā)生產(chǎn)了TDR-80型直拉硅單晶爐。
該單晶爐籽晶在爐內(nèi)有效行程為2500mm，坩堝行程為400mm，爐室內(nèi)徑800mm，投料量達(dá)到60kg，拉制單晶直徑Φ200mm。爐蓋為橢圓封頭形式，副室爐門的開啟與閉合采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以便快速準(zhǔn)確地啟閉爐門。上下軸的密封采用了國(guó)際上先進(jìn)的密封技術(shù)-磁流體密封，密封效果好，旋轉(zhuǎn)扭矩小，提高了整機(jī)運(yùn)行的可靠性。籽晶提升采用了穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)異的卷?xiàng)钐嵘龣C(jī)構(gòu)。計(jì)算機(jī)測(cè)控單元選用研華AWS-822工業(yè)級(jí)一體化工作站作為控制主機(jī)，配備全隔離A/D、D/A接口作為控制單元，該爐型1997年通過(guò)部級(jí)鑒定，1998年榮獲國(guó)家經(jīng)貿(mào)委頒發(fā)的國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。1997年開發(fā)生產(chǎn)了TDR-70A（B）型直拉硅單晶爐，投料量達(dá)到60kg，拉制單晶直徑Φ150mm。
(二)、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)設(shè)備
我國(guó)Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的發(fā)展從無(wú)到有已經(jīng)發(fā)展構(gòu)比較簡(jiǎn)單、性能比較落后。1985年前后，國(guó)內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)了英國(guó)和法國(guó)的高壓?jiǎn)尉t，生產(chǎn)2″的砷化鎵單晶。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格相當(dāng)昂貴，使得大部分生產(chǎn)廠家 望塵莫及。為了滿足國(guó)內(nèi)對(duì)GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體材料的需要，西安理工大學(xué)工廠于1991年開發(fā)成功了TDR-GY30系列高壓?jiǎn)尉t。
(包括TDR-30型高壓?jiǎn)尉t，TDR-30S三段式加熱型晶爐,TDR-30SC三段式加熱帶磁場(chǎng)型高壓?jiǎn)尉t)，投料量4kg，拉制單晶直徑Φ75mm，滿足了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。同時(shí)，由于生長(zhǎng)工藝的不同的要求，西安理工大學(xué)工廠還陸續(xù)開發(fā)了TDR-ZY40型、TDR-ZY40A型、TDR-ZY40B型系列中壓?jiǎn)尉t，用于生長(zhǎng)Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料。
（三）、激光晶體和非線性光學(xué)晶體材料生長(zhǎng)設(shè)備
我國(guó)激光晶體屬于穩(wěn)步發(fā)展情況，由小直徑發(fā)展到大直徑，從單一品種發(fā)展到現(xiàn)在的多品種，一些新型材料還具有我國(guó)自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。使用的設(shè)備有TDL-J40型、SJ78-3型激光晶體爐。銻鎘汞、碲化鎘、BBO、LBO等氧化物晶體材料生長(zhǎng)設(shè)備主要有SJ82-5型氧化物晶體爐、SJ82-6型化合物晶體爐、SJ83-7型晶體爐、SJ91-9型化合物生長(zhǎng)設(shè)備、SJ92-10型氧化物生長(zhǎng)設(shè)備等。特別是近幾年來(lái)，隨著我國(guó)人工晶體材料工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的需求越來(lái)越迫切，對(duì)設(shè)備的性能要求也越來(lái)越高，由于人工晶體的種類繁多，生長(zhǎng)工藝各不相同，因此，就要求有能夠滿足各類晶體生長(zhǎng)工藝的設(shè)備。為了滿足我國(guó)人工晶體材料生長(zhǎng)的需要，近幾年西安理工大學(xué)工廠陸續(xù)開發(fā)了TDL－J75型、TDL(R)－60型、TDL(R)－50型系列激光爐,TDR－Y50型、TDR－Y60型氧化物晶體爐、TDL－N60系列鈮酸鋰鉭酸鋰晶體爐、TDL－F40型釩酸釔晶體爐, TDL－FZ50 型區(qū)域熔化提純爐等。
以上各種晶體生長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度、控制精度及其它性能指標(biāo)都有很大的提高，它們共同的性能特點(diǎn)如下：
1．采用精密的直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠作為主要運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，提高了工作運(yùn)動(dòng)精度。
2．采用10000：1大減速比的精密減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，保證了慢速工作的穩(wěn)定性。
3．具有轉(zhuǎn)速程序控制功能，能夠更好地滿足晶體生長(zhǎng)的工藝需要。
4．具有溫度程序控制功能，可以根據(jù)工藝需要設(shè)定溫度曲線。
5．真空爐室選用304L優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，爐室內(nèi)壁采用雙面焊接工藝，提高了設(shè)備的使用壽命。
二、人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的現(xiàn)狀
（一）、半導(dǎo)體硅材料生長(zhǎng)設(shè)備
目前國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體硅材料生長(zhǎng)設(shè)備有400多臺(tái)，其中4"以上的生長(zhǎng)設(shè)備有300臺(tái)左右，主要是國(guó)產(chǎn)的TDR-62系列軟軸單晶爐，TDR-70A（B）、TDR-80型直拉硅單晶爐，美國(guó)的CG3000、CG6000型單晶爐和美國(guó)KAYEX150型單晶爐，另外，有少量的德國(guó)設(shè)備和日本設(shè)備。而區(qū)熔單晶爐主要有國(guó)產(chǎn)的TDL-FZ35型區(qū)熔爐（如圖八）和丹麥的TOPSOE FZ-14型、TOPSOE FZ-14 A型、TOPSOE FZ-20型區(qū)熔爐。目前，國(guó)內(nèi)有TDL-FZ35型區(qū)熔爐11臺(tái)，TOPSOE FZ-14型及TOPSOE FZ-14 A型區(qū)熔爐8臺(tái)左右，TOPSOE FZ-20型區(qū)熔爐4臺(tái)，基本上滿足了生產(chǎn)的需要。
國(guó)產(chǎn)單晶爐和進(jìn)口單晶爐相比存在有一定的差距，主要表現(xiàn)在設(shè)備的自動(dòng)化程度和元器件的穩(wěn)定可靠程度上，CG6000型單晶爐和KAYEX150型單晶爐可以實(shí)現(xiàn)引晶-放肩-等徑-收尾全過(guò)程的自動(dòng)化控制，而國(guó)產(chǎn)單晶爐僅能實(shí)現(xiàn)等徑-收尾過(guò)程的自動(dòng)化控制。另外，由于東南亞的金融危機(jī)及國(guó)外半導(dǎo)體硅材料生產(chǎn)廠家的升級(jí)換代，使得原有的設(shè)備廉價(jià)出售，趁此時(shí)機(jī)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體硅材料生產(chǎn)廠家競(jìng)相購(gòu)買，國(guó)產(chǎn)單晶爐相對(duì)于進(jìn)口單晶爐的價(jià)格優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在，使得國(guó)外的二手設(shè)備大量涌入中國(guó)。
（二）Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)設(shè)備
Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)設(shè)備主要以國(guó)產(chǎn)的TDR-GY30系列高壓?jiǎn)尉t、英國(guó)的CI358型高壓?jiǎn)尉t和國(guó)產(chǎn)的TDR-40系列中壓?jiǎn)尉t為主，另外有法國(guó)的高壓?jiǎn)尉t和一些材料廠家自己生產(chǎn)的高壓?jiǎn)尉t。國(guó)產(chǎn)的高壓?jiǎn)尉t的密封性能、操作維修方便等方面優(yōu)于國(guó)外的高壓?jiǎn)尉t，而自動(dòng)化控制方面特別是晶體等徑自動(dòng)控制方面與國(guó)外同類產(chǎn)品相比還有一定差距，有待于改進(jìn)提高。目前，國(guó)內(nèi)Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)設(shè)備有TDR-GY30系列高壓?jiǎn)尉t5臺(tái)，包括英國(guó)的CI358型高壓?jiǎn)尉t在內(nèi)的進(jìn)口高壓?jiǎn)尉t6臺(tái)左右，國(guó)產(chǎn)的TDR-40系列中壓?jiǎn)尉t(如圖九）及水平區(qū)熔爐若干臺(tái)。
（三）、激光晶體和非線性光學(xué)晶體材料生長(zhǎng)設(shè)備
激光晶體和非線性光學(xué)晶體材料生長(zhǎng)設(shè)備主要以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主，有少部分的進(jìn)口設(shè)備（英國(guó)、法國(guó)）。激光晶體Al2O3、YAG等晶體）材料生長(zhǎng)設(shè)備主要有TDL－J50型、TDL－J60型、TDL－J75型以及TDL－J40型激光爐，目前，大約有300臺(tái)該類爐型在運(yùn)行。釩酸釔晶體生長(zhǎng)設(shè)備主要是TDL-F40型晶體爐，有300多臺(tái)設(shè)備在運(yùn)行。鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體生長(zhǎng)設(shè)備有TDL－－N60系列晶體爐以及各材料生產(chǎn)廠家自制的設(shè)備。另外，國(guó)內(nèi)一些材料生產(chǎn)廠家根據(jù)自己的工藝特點(diǎn)自制了大量的晶體生長(zhǎng)設(shè)備，如山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中非人工晶體研究院、東方鉭業(yè)集團(tuán)公司、德清華瑩電子有限公司等單位生產(chǎn)了經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的多種晶體生長(zhǎng)設(shè)備等。當(dāng)然，也有不少晶體材料生產(chǎn)廠家仍使用60年代、70年代的老設(shè)備及一些比較簡(jiǎn)陋的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，這些設(shè)備機(jī)械磨損嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)精度差，電器控制精度低，直接影響著晶體的質(zhì)量。
國(guó)產(chǎn)設(shè)備大多是以下稱法或浮稱法進(jìn)行稱重控制直徑的，控徑精度低，穩(wěn)定性差。而進(jìn)口設(shè)備是以上稱法進(jìn)行直徑控制的，控制精度高，可靠性好。
三、人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的展望
回顧人工晶體材料工業(yè)的發(fā)展歷史，設(shè)備配套方面還有很多不足之處，與國(guó)際先進(jìn)水平尚有很大差距，特別是我國(guó)加入WTO后，國(guó)產(chǎn)晶體生長(zhǎng)設(shè)備將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，國(guó)外晶體生長(zhǎng)設(shè)備將大量涌入中國(guó)，為了迎接挑戰(zhàn)，趕超先進(jìn)，更好地推動(dòng)我國(guó)人工晶體材料工業(yè)的飛速發(fā)展，必須下大功夫研究開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量晶體生長(zhǎng)設(shè)備。
目前，人工晶體材料不斷向大直徑、高質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，這就要求與之相適應(yīng)的人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備向大型化方向發(fā)展，具備穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、自動(dòng)化程度高、操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)。為此，我們要下大功夫，加大科技投入，開發(fā)目前國(guó)際上急需的制拉8-12寸硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備，開發(fā)生產(chǎn)4-6寸砷化鎵高壓?jiǎn)尉t、生產(chǎn)4－－5寸激光晶體生長(zhǎng)設(shè)備及其它新型晶體生長(zhǎng)設(shè)備。晶體生長(zhǎng)設(shè)備的研制開發(fā)要時(shí)刻緊跟材料工業(yè)的發(fā)展要求，滿足不同材料制備工藝的要求，具體要做好以下工作：
1．晶體生長(zhǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造要緊跟晶體材料工業(yè)的發(fā)展要求，要密切結(jié)合我國(guó)晶體材料工業(yè)的發(fā)展，與材料生長(zhǎng)研究單位加強(qiáng)合作，使工藝技術(shù)與設(shè)備制造有機(jī)結(jié)合，研究生產(chǎn)滿足晶體生長(zhǎng)工藝需要的設(shè)備;
2．晶體生長(zhǎng)設(shè)備是集光、機(jī)、電、流體、真空等技術(shù)為一體的專用機(jī)電設(shè)備，涉及的知識(shí)面廣，因此，開發(fā)設(shè)計(jì)要遵循“內(nèi)育外引”的原則，在搞好內(nèi)部技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，要廣泛進(jìn)行技術(shù)交流，積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，提高設(shè)備的先進(jìn)水平。
3．采用先進(jìn)的控制技術(shù)（程序控制、計(jì)算機(jī)群控等技術(shù)），提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。
4．提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。
5．研究開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、精度高、穩(wěn)定可靠的上稱重系統(tǒng)，提高晶體生長(zhǎng)設(shè)備的自動(dòng)化程度。
6．瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿技術(shù)，緊跟國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展要求，積極研制功能齊全的工藝設(shè)備，更好地滿足我國(guó)人工晶體制造業(yè)的發(fā)展要求。
7．抓住機(jī)遇，加強(qiáng)技工貿(mào)合作，搞好市場(chǎng)前景好的新型材料的產(chǎn)業(yè)化工作。
發(fā)揚(yáng)“自強(qiáng)、創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)、高效”的企業(yè)精神，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以科技為先導(dǎo)，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，根據(jù)國(guó)家十五科技發(fā)展規(guī)劃，研制開發(fā)功能先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、性能穩(wěn)定的各類大型人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備，為我國(guó)大力發(fā)展新型材料工業(yè)的大力發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
李留臣，男，漢族，生于1963年10月，河南省襄城縣人，西安理工大學(xué)晶體生長(zhǎng)設(shè)備研究所副所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，主要從事各類人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的研究開發(fā)工作。
薛抗美，男，漢族，生于1951年9月，陜西省西安市人，西安理工大學(xué)晶體生長(zhǎng)設(shè)備研究所所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，主要從事各類人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備的組織開發(fā)工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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