了解半导体拉晶工艺及其真空获得设备

半导体芯片的制造包含数百道精密工序，涉及晶体生长、晶圆制备、纳米光刻、刻蚀和薄膜沉积等数十种核心技术。单晶硅的制备是整个流程中基础且关键的一步，它直接影响到晶圆片的质量和性能。

而在拉制单晶硅的工艺中，真空泵组扮演着重要角色，真空泵组的高效运行对于确保生产环境的纯净度、提高工艺精度以及产品的可靠性都至关重要。今天，就让我们来了解一下拉单晶这一工艺，以及其不可或缺的重要设备——真空泵组。

 半导体拉晶工艺 

目前，全球约95%的半导体芯片及器件是由单晶硅制成的。高度完美的单晶硅能够显著提高器件的性能和制造良品率。半导体拉晶工艺就是将熔融状态的半导体材料（如硅等）通过特定方法拉制成单晶的过程，主要包括直拉法（CZ）和区熔法（FZ）。

直拉法由 Czochralski 于1917年开发，经过多年的发展和完善，技术已较为成熟，且成本较低，适于生产大尺寸单晶硅，成为当前半导体产业中主流的单晶硅制备方法。目前85%以上的单晶硅是采用直拉法生长出来的。

相比之下，区熔法通常适于8英寸及以下尺寸的单晶硅生产，其特点是纯度高，但生产效率低，生产成本较高，主要用于对电学性能要求较高的大功率半导体器件的生产。

单晶硅直拉法的主要步骤包括装料、抽真空、熔料、引晶、缩颈、放肩、转肩、等径生长和收尾等。具体过程如下：首先将多晶硅原料装入坩埚中使其加热熔化。然后，将籽晶通过拉杆浸入高温硅熔体表面，缓慢旋转并向上提拉籽晶，同时控制炉内真空度和温度，使硅原子在籽晶上逐层有序生长，最终形成一根完整的单晶硅棒。

▲ 单晶硅直拉法主要工艺步骤

单晶硅整个生长系统主要包括晶体旋转提拉系统、加热系统、真空系统以及控制系统等。单晶硅生长周期通常较长，尤其是大尺寸单晶硅，因此需要精确控制工艺参数以确保晶体质量。

 拉晶工艺的真空需求 

在半导体拉晶工艺中，真空泵组的具体作用如下：

❶ 快速建立真空环境：真空泵组需在短时间内将炉腔压力降低到工艺要求范围，为单晶硅生长提供初始真空环境。在典型的12寸拉晶炉的拉晶工艺中，低压为1×10^-1 Pa，稳压为5000 Pa。

❷ 杂质控制与净化：真空泵组需持续抽除原料高温熔化过程中产生的挥发性气体（如 SiO_₂ 等）及机械摩擦产生的超细硅粉等粉尘，保持真空环境洁净度，提升单晶硅的质量。

❸ 真空度动态调控：在整个拉晶过程中，由真空泵组维持不同工艺阶段以及晶体生长速率和形态控制所需的稳定压力。

因此，在拉晶过程中，真空泵组除了需要持续工作来维持炉内清洁真空环境的稳定性外，还要能适应特殊工况，如应对高温硅蒸气（＞1200 ℃）腐蚀性及高浓度粉尘负载等挑战。

 拉晶常用真空泵 

目前，半导体拉晶工艺环节主要应用干式真空泵，干式真空泵无需油或其他液体介质，能够避免油蒸气对单晶硅的污染，保证产品的纯度和质量，这对半导体级硅晶的生产至关重要。下面就来了解一下半导体拉晶常用的干式真空泵。

❶ 螺杆泵和罗茨泵

螺杆泵和罗茨泵是半导体晶圆生产中常用的真空泵。罗茨泵具有抽气速度快、效率高的优点，能够在较短时间内将炉腔内的压力降低，为后续更高真空的获得奠定基础。

螺杆泵利用螺杆的相互啮合和旋转，将气体从泵的进气口压缩到出气口，其密封性较好，能够达到较高的真空度，并且对气体的压缩比较稳定。

在拉晶工艺方案中，常采用罗茨泵与螺杆泵组合的方式，罗茨泵负责快速降低真空腔体压力，螺杆泵进一步提升真空度，二者相互配合，能有效满足拉晶制程对真空环境的稳定性要求，且维护成本可控，有利于确保生产效率和产品良率。

▲ 螺杆+罗茨泵组12寸拉晶抽空工艺步骤

针对拉晶过程中产生的硅粉、氧化物粉尘等，螺杆、罗茨干式真空泵多通过以下设计提升防护能力。

❷ 涡旋真空泵

涡旋干式真空泵是20世纪80年代发展起来的一种真空泵，亦是半导体拉晶工艺中优秀的干泵选择。其动涡旋盘作偏心安装，定涡旋盘与动涡旋盘形成月芽形腔体。随着动涡旋盘转动，月芽形腔体不断向里旋转压缩，气体持续从进气口吸入、压缩，由出气口排出，形成真空。

这种设计具有结构紧凑、运行平稳、噪声低等优点，但涡旋泵的性能受涡旋盘结构参数和啮合条件的影响较大，并且由于没有液体的保护，传统涡旋泵在处理含有粉尘或固体颗粒的流体时容易发生堵塞。

▲ 涡旋泵抽气原理图

针对以上不足，国内厂商开始研发创新，以解决这些问题。例如，思科涡旋科技（杭州）有限公司开发了无油浮动式涡旋真空泵，通过独特的结构设计可以有效应对半导体加工中的粉尘挑战。

无油浮动涡旋压缩机和真空泵是由固定的渐开线定涡旋盘和做与之相对的圆形平动的动涡旋盘组成的容积式压缩装置。与传统涡旋泵相比，无油浮动涡旋真空泵顶部无密封条，通过弹簧和气体力实现浮动调节。这种结构使其对水蒸气处理能力和粉尘容忍能力更强。

▲ 浮动式涡旋泵（左）与传统涡旋泵（右）顶部密封结构

浮动涡旋设计提供的平衡力略高于系统内的分离力。合力使得涡旋壁和所涉及的涡旋的顶面和底面之间产生轻微的接触。由于各种材料的生产工艺不同，产生的压力会达到一个临界点，在这个临界点，如果再施加任何压缩，就会产生液压冲击即水锤效应。而浮动涡旋装置能够向后避让并向下游推送，允许气、固、液介质继续通过整个泵内通道并排出，避免了工艺杂质在泵内的积累和卡阻。

与螺杆+罗茨泵组合形式类似，进行拉单晶抽空工艺时，采用涡旋泵组+罗茨泵组的形式，浮动式涡旋泵组作为前级泵，负责初始的气体排放和压缩，而罗茨泵则作为次级泵，负责进一步提高真空度。

浮动式涡旋泵动涡卷盘在运行过程中的径向和轴向浮动能力，使其即使在粉尘较多的工作环境中也能正常平稳运行。此外，该泵组可以实现组合/独立的运行模式，配备伺服电机驱动、定制驱动模块和高精度真空传感器等单元，支持不停机维护。

▲ 涡旋泵组+罗茨泵组拉晶抽空工艺步

上文介绍的无油浮动式涡旋真空泵组凭借其低能耗、小体积、易维护、高效率、调速控制、稳定输出及对粉尘和水汽较强的容忍能力，已在很多领域开始应用，如半导体拉晶、粉末冶金烧结、燃料电池中的氢再循环系统、冷冻干燥器、旋转蒸发器、PECVD电池、真空炉、真空萃取、分子泵前级泵、真空实验设备、分析仪器和二氧化碳制冷系统等。

国内各行业对于真空获得设备的需求日益更新，厂商坚持技术创新，推出新品应对各种挑战。如将传统涡旋结构进行改造，更适应了拉晶的应用场景。这一趋势不仅体现了国内企业在技术创新方面的努力，也反映了设备国产化的大方向。随着半导体行业对真空获得设备需求的不断升级，国内厂商们通过技术创新和产品迭代，为行业发展注入了新的活力，也为国产设备的崛起奠定了坚实基础。