袁長(zhǎng)路，李伯軍，李 杰，李留臣

(江蘇華盛天龍光電設(shè)備股份有限公司，江蘇金壇213200)

鎵是易熔合金的良好組元，廣泛應(yīng)用于光電行業(yè)。純鎵及其易熔合金可作核反應(yīng)堆的熱交換介質(zhì)。由于鎵的液態(tài)溫度范圍很大，隨溫度升高體積膨脹均勻，可作高溫溫度計(jì)[4]或防火信號(hào)裝置等。用鎵鋁合金代替水銀制造醫(yī)用紫外線輻射燈，能改善醫(yī)療效果。生產(chǎn)半導(dǎo)體材料是鎵的主要用途，如：制取化合物半導(dǎo)體砷化鎵、磷化鎵[2，3]等，也是鍺和硅的摻雜元素。在微波器件領(lǐng)域內(nèi)，砷化鎵是最有前途的半導(dǎo)體材料。為此，我們研制開(kāi)發(fā)了DRF-J45鎵單晶爐，主要用于鎵晶體生產(chǎn)。通過(guò)提拉法生長(zhǎng)方式，將晶體的純度提高到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)使用級(jí)別。

1 鎵單晶生長(zhǎng)工藝特點(diǎn)

1.1 鎵的主要性能特點(diǎn)

鎵是銀白色金屬，密度5.904 g/cm3，熔點(diǎn)29.78℃，沸點(diǎn)2 403℃，化合價(jià)2和3，第一電離能5.999 eV，凝固點(diǎn)很低。由于穩(wěn)定固體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，純液體有顯著過(guò)冷的趨勢(shì)，可以放在冰浴內(nèi)幾天不結(jié)晶，質(zhì)軟、性脆，在空氣中表現(xiàn)穩(wěn)定，加熱可溶于酸和堿；與沸水反應(yīng)劇烈，但在室溫時(shí)僅與水略有反應(yīng)。高溫時(shí)能與大多數(shù)金屬作用。由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)，膨脹率為3.1%，宜存放于塑料容器中。用途是制造半導(dǎo)體砷化鎵、磷化鎵[2，3]、鍺半導(dǎo)體摻雜元；純鎵及低熔合金可作核反應(yīng)的熱交換介質(zhì)；溫度計(jì)的填充料；有機(jī)反應(yīng)中作二酯化的催化劑。

1.2 鎵單晶生長(zhǎng)工藝要求

根據(jù)金屬鎵的性能特點(diǎn)，制備高純鎵的工藝方法很多，比較有效的方法是單晶提拉提純生長(zhǎng)。在潔凈的環(huán)境中，將金屬鎵熔化通過(guò)高純籽晶的引導(dǎo)生長(zhǎng)制備出7N（99.99999%）以上的高純鎵，其原理見(jiàn)圖1。實(shí)際工藝中，首先將鎵熔體穩(wěn)定在臨界結(jié)晶溫度附近，緩慢放下籽晶，使之與熔體良好接觸，然后以一定的速度向上提拉。通過(guò)放肩、等徑生長(zhǎng)完成提拉提純生長(zhǎng)。

根據(jù)鎵晶體生長(zhǎng)工藝特點(diǎn)及要求設(shè)備應(yīng)具備晶體的精密提拉和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、坩堝升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、爐室制冷功能、籽晶軸冷卻功能等。

圖1 鎵單晶爐原理結(jié)構(gòu)圖

2 鎵單晶爐總體設(shè)計(jì)

按照鎵單晶體生長(zhǎng)條件，該設(shè)備由3大部分組成：機(jī)械部分、電氣部分及加熱器部分。本設(shè)備機(jī)械部分由底座、坩堝軸升降及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，加熱器冷卻腔、腔體、軸端及腔體制冷系統(tǒng)、籽晶軸升降及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。主機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 鎵單晶爐剖面圖

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

籽晶拉速范圍（雙速）：0.1～25 mm/h（20～200 mm/h）

精度±0.1 mm/min

籽晶快升/快降：≥300 mm/min

籽晶轉(zhuǎn)速范圍：1～50 r/min

籽晶在爐內(nèi)行程：800 mm

坩堝快升/快降：50 mm/min

坩堝轉(zhuǎn)速范圍：1～50 r/min

坩堝行程：150 mm

籽晶桿直線誤差：0.05 mm/1000 mm

籽晶桿，坩堝桿同軸度：準(zhǔn)0.1 mm

籽晶桿，坩堝桿與腔體垂直度：0.1 mm

爐膛最高耐溫：250℃

加熱器最大加熱功率：350 W

最高加熱溫度：60℃

溫度控制：±0.5℃

軸端溫度：－10～－15℃

腔體內(nèi)溫度：5～10℃

2.2 腔體及加熱器冷卻腔

為避免金屬雜質(zhì)的污染和耐腐蝕，腔體采用有機(jī)玻璃材料制造，與大氣及金屬接觸的地方均做了密封機(jī)構(gòu)。腔體是設(shè)備中晶體生長(zhǎng)的工作間，放置在底座上平面。按照鎵單晶生長(zhǎng)的要求，坩堝軸通過(guò)半密閉的加熱器冷卻腔進(jìn)入腔體內(nèi)，籽晶從腔體頂部向下進(jìn)入腔體內(nèi)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。加熱器冷卻腔為雙層水冷結(jié)構(gòu)，腔體部分不帶水冷，腔體上開(kāi)有爐門、測(cè)溫孔、腔體冷卻系統(tǒng)安裝槽。

2.3 坩堝軸升降及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

坩堝軸升降及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)工況。該機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)坩堝軸快速升降及坩堝軸旋轉(zhuǎn)的功能，整個(gè)下驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)運(yùn)行在低速情況下，連續(xù)工作，運(yùn)行時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，無(wú)震動(dòng)，無(wú)爬行。

為了滿足坩堝軸升降及旋轉(zhuǎn)的使用要求，本例采用交流伺服電機(jī)、高精度渦輪減速機(jī)、精密直線運(yùn)動(dòng)單元等精密傳動(dòng)元件傳動(dòng)，可在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。下驅(qū)動(dòng)框圖如圖3所示。

圖3 下驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)原理框圖

2.4 籽晶軸升降及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

籽晶提升運(yùn)動(dòng)分為籽晶快速和籽晶慢速。正常拉晶時(shí)用籽晶慢速，下料、引晶時(shí)用籽晶快速。運(yùn)動(dòng)工況低速輕載，連續(xù)工作；運(yùn)行時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，無(wú)震動(dòng)，無(wú)爬行。

按照使用要求設(shè)計(jì)的鎵晶體提升運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為：由交流伺服電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精密的行星減速機(jī)、渦輪蝸桿減速機(jī)帶動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)單元，直線運(yùn)動(dòng)單元上配有籽晶軸滑座，直線運(yùn)動(dòng)單元上配有光電限位開(kāi)關(guān)及硬限位，防止滑座超量程。籽晶快速升降及手輪均是通過(guò)同步帶、渦輪蝸桿減速機(jī)直達(dá)直線運(yùn)動(dòng)單元，以防止斷電等意外因素的影響而采用的應(yīng)急措施，見(jiàn)圖4所示。

2.5 軸端制冷系統(tǒng)

通過(guò)鎵晶體爐在拉制晶體時(shí)對(duì)溫度的控制要求，特別是籽晶端的制冷技術(shù)要求比較苛刻，為了能夠達(dá)到工藝要求，我們嘗試了很多方案，最終確定了如圖5所示的方案。為了增加軸端的冷氣量，我們?cè)谳S端添加了制冷片、測(cè)溫電阻，制冷片一面產(chǎn)生熱量，一面產(chǎn)生冷氣，兩面的產(chǎn)出量是相等的，熱量帶走的多，冷氣的溫度就越低。為了能夠帶走更多的熱量，我們?cè)诓讳P鋼軸端焊接了一段純銅材料，通過(guò)水冷帶走更多的熱量，同時(shí)在冷熱面之間添加隔熱棉，防止熱量傳導(dǎo)到冷面。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，此方法是可行的。在軸端配了測(cè)溫電阻，是用來(lái)測(cè)量制冷片制冷的溫度，同時(shí)也是防止制冷片過(guò)載。由于鎵單晶生長(zhǎng)時(shí)不允許有金屬存在，我們?cè)谧丫w上添加了有機(jī)玻璃管，軸端配有聚四氟乙烯材料的夾頭。

圖4 上驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)原理框圖

圖5 軸端冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 高精度的速度控制方式

速度控制系統(tǒng)采用三菱J3系列伺服電機(jī)。該產(chǎn)品具有高水平自整定功能和高級(jí)振動(dòng)抑制功能。伺服電機(jī)編碼器采用了分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置編碼器，速度環(huán)頻率響應(yīng)提高到900 Hz，具有更高精度控制能力。完全能夠滿足晶體提拉及晶體旋轉(zhuǎn)的精度要求。

3.2 加熱器的控溫技術(shù)

加熱器采用歐陸控制器控制溫度。歐陸控制器是引進(jìn)英國(guó)的一種專門用于溫度控制的控制器，其各種性能指標(biāo)在國(guó)際上都處于先進(jìn)水平。鎵晶體生長(zhǎng)爐上使用的歐陸控制器的型號(hào)為3504型，這種型號(hào)的控制器除了常規(guī)儀表所具有的各種控制功能外，還具有PID自整定，自適應(yīng)和自調(diào)諧算法，可遙控和本機(jī)控制。其面板尺寸為標(biāo)準(zhǔn)DIN尺寸的1/4（96 mm×96mm）。本控制器除配備了模擬接口還配備了數(shù)字接口，可與PLC通訊。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的發(fā)展，以及日益廣泛的應(yīng)用，必然會(huì)對(duì)原料的純度提出更高的要求。我們?cè)O(shè)計(jì)的鎵單晶爐也會(huì)伴隨著工藝的改進(jìn)而改進(jìn)，以適應(yīng)生產(chǎn)高純鎵晶體的需求。該設(shè)備在晶體生長(zhǎng)中各項(xiàng)功能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，故障率低，得到客戶的好評(píng)。

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