Процес вирощування монокристалічного кремнію повністю здійснюється в тепловому полі. Хороше теплове поле сприяє покращенню якості кристалів і має високу ефективність кристалізації. Конструкція теплового поля багато в чому визначає зміни і зміни градієнтів температури в динамічному тепловому полі. Потік газу в топковій камері та різниця матеріалів, що використовуються в тепловому полі, безпосередньо визначають термін служби теплового поля. Нерозумно розроблене теплове поле не тільки ускладнює вирощування кристалів, які відповідають вимогам якості, але також не може виростити повні монокристали за певних вимог процесу. Ось чому індустрія монокристалічного кремнію Чохральського розглядає проектування теплового поля як основну технологію та інвестує величезні трудові та матеріальні ресурси в дослідження та розробки теплового поля.
Теплова система складається з різних матеріалів теплового поля. Ми лише коротко представимо матеріали, які використовуються в термічній сфері. Що стосується розподілу температури в тепловому полі та його впливу на витягування кристала, ми не будемо аналізувати його тут. Матеріал теплового поля відноситься до вакуумної печі для вирощування кристалів. Структурні та теплоізольовані частини камери, які необхідні для створення тканини належної температури навколо розплаву напівпровідника та кристалів.
один. конструкційні матеріали теплового поля
Основним носієм для вирощування монокристалічного кремнію методом Чохральського є графіт високої чистоти. Графітові матеріали відіграють дуже важливу роль у сучасній промисловості. При виготовленні монокристалічного кремнію методом Чохральського їх можна використовувати як структурні компоненти теплового поля, такі як нагрівачі, напрямні трубки, тиглі, ізоляційні трубки та тигельні лотки.
Графітовий матеріал був обраний через його легкість приготування у великих обсягах, технологічність і стійкість до високих температур. Вуглець у формі алмазу або графіту має вищу температуру плавлення, ніж будь-який елемент або сполука. Графітовий матеріал досить міцний, особливо при високих температурах, і його електро- та теплопровідність також досить хороші. Його електропровідність робить його придатним як матеріал нагрівача, і він має задовільну теплопровідність, яка може рівномірно розподіляти тепло, що виділяється нагрівачем, до тигля та інших частин теплового поля. Однак при високих температурах, особливо на великих відстанях, основним способом теплопередачі є випромінювання.
Графітові деталі спочатку формуються екструзією або ізостатичним пресуванням дрібних вуглецевих частинок, змішаних зі сполучною речовиною. Високоякісні графітові деталі зазвичай ізостатично пресуються. Весь шматок спочатку карбонізується, а потім графітується при дуже високих температурах, близьких до 3000°C. Деталі, виготовлені з цих монолітів, часто очищають у атмосфері, що містить хлор, при високих температурах, щоб видалити металеві забруднення, щоб відповідати вимогам напівпровідникової промисловості. Однак навіть за умови належного очищення рівень забруднення металом на порядки перевищує допустимі монокристалічні кремнієві матеріали. Тому необхідно бути обережним при проектуванні теплового поля, щоб запобігти забрудненню цих компонентів від потрапляння в розплав або поверхню кристала.
Графітовий матеріал слабопроникний, що дозволяє металу, що залишився всередині, легко дістатися до поверхні. Крім того, монооксид кремнію, присутній у продувному газі навколо поверхні графіту, може глибоко проникати в більшість матеріалів і реагувати.
Ранні монокристалічні кремнієві нагрівачі виготовлялися з тугоплавких металів, таких як вольфрам і молібден. У міру розвитку технології обробки графіту електричні властивості з’єднань між графітовими компонентами стають стабільними, і монокристалічні кремнієві нагрівачі повністю замінили вольфрам, молібден та інші нагрівачі матеріалів. Найбільш широко використовуваним графітовим матеріалом в даний час є ізостатичний графіт. semicera може забезпечити високоякісні ізостатично пресовані графітові матеріали.
У печах Чохральського для монокристалічного кремнію інколи використовуються композитні матеріали C/C, які зараз використовуються для виготовлення болтів, гайок, тиглів, несучих пластин та інших компонентів. Композитні матеріали вуглець/вуглець (c/c) — це композитні матеріали на основі вуглецю, армовані вуглецевим волокном. Вони мають високу питому міцність, високий питомий модуль, низький коефіцієнт теплового розширення, хорошу електропровідність, велику в'язкість до руйнування, низьку питому вагу, стійкість до термічного удару, стійкість до корозії. Він має низку чудових властивостей, таких як стійкість до високих температур, і в даний час широко поширений використовується в аерокосмічній галузі, гонках, біоматеріалах та інших сферах як новий тип конструкційного матеріалу, стійкого до високих температур. Наразі основним вузьким місцем, з яким стикаються вітчизняні композиційні матеріали C/C, є витрати та проблеми індустріалізації.
Існує багато інших матеріалів, які використовуються для створення теплових полів. Графіт, армований вуглецевим волокном, має кращі механічні властивості; однак він дорожчий і накладає інші вимоги до конструкції. Карбід кремнію (SiC) у багатьох відношеннях є кращим матеріалом, ніж графіт, але він набагато дорожчий і його складніше виготовляти деталі великого об’єму. Однак SiC часто використовується як CVD-покриття для збільшення терміну служби графітових деталей, які піддаються впливу агресивного монооксиду кремнію, а також для зменшення забруднення графітом. Щільне CVD-покриття з карбіду кремнію ефективно запобігає потраплянню забруднень всередині мікропористого графітового матеріалу на поверхню.
Інший — CVD carbon, який також може утворювати щільний шар поверх графітових частин. Інші високотемпературні стійкі матеріали, такі як молібден або керамічні матеріали, сумісні з навколишнім середовищем, можна використовувати там, де немає ризику забруднення розплаву. Однак оксидна кераміка має обмежену придатність для прямого контакту з графітовими матеріалами при високих температурах, часто залишаючи мало альтернатив, якщо потрібна ізоляція. Один — гексагональний нітрид бору (іноді його називають білим графітом через подібні властивості), але він має погані механічні властивості. Молібден, як правило, прийнятний для застосування при високих температурах через його помірну вартість, низьку дифузію в кристалах кремнію та низький коефіцієнт сегрегації, приблизно 5 × 108, що допускає деяке забруднення молібденом до руйнування кристалічної структури.
два. Матеріали для теплоізоляції поля
Найбільш часто використовуваним ізоляційним матеріалом є карбоновий повсть у різних формах. Вуглецевий фетр складається з тонких волокон, які діють як теплоізоляція, оскільки багаторазово блокують теплове випромінювання на короткій відстані. М’який вуглецевий повсть сплітають у відносно тонкі листи матеріалу, які потім нарізають у потрібну форму та щільно згинають до розумного радіуса. Затверділий фетр складається з подібних волокнистих матеріалів із використанням зв’язуючого, що містить вуглець, для з’єднання диспергованих волокон у більш надійний і стильний об’єкт. Використання хімічного осадження вуглецю з парової фази замість сполучних може покращити механічні властивості матеріалу.
Як правило, зовнішня поверхня ізоляційного затверділого повсті покривається безперервним графітовим покриттям або фольгою для зменшення ерозії та зносу, а також забруднення частинками. Існують також інші типи ізоляційних матеріалів на основі вуглецю, наприклад вуглецева піна. Загалом графітизовані матеріали явно переважні, оскільки графітизація значно зменшує площу поверхні волокна. Ці матеріали з великою площею поверхні дозволяють набагато менше виділяти газ і займають менше часу, щоб накачати піч до належного вакууму. Інший тип — композитний матеріал C/C, який має такі видатні характеристики, як легка вага, висока стійкість до пошкоджень і висока міцність. Використовується в теплових полях для заміни графітових деталей, що значно знижує частоту заміни графітових деталей і покращує якість монокристалів і стабільність виробництва.
Відповідно до класифікації сировини вуглецевий повсть можна розділити на вуглецевий повсть на основі поліакрилонітрилу, вуглецевий повсть на основі віскози та вуглецевий повсть на основі асфальту.
Карбонова повсть на основі поліакрилонітрилу має велику зольність, а мононитки стають крихкими після високотемпературної обробки. Під час роботи легко утворюється пил, який забруднює середовище печі. При цьому волокна легко проникають в пори і дихальні шляхи людини, завдаючи шкоди здоров'ю людини; вуглецевий повсть на основі віскози. Має добрі теплоізоляційні властивості, відносно м’який після термічної обробки, менш схильний до утворення пилу. Однак поперечний переріз ниток на основі віскози має неправильну форму, а на поверхні волокна є багато ущелин, які легко утворити в присутності окислювальної атмосфери в монокристалічній кремнієвій печі Чохральського. Такі гази, як CO2, викликають осадження кисню та вуглецевих елементів у монокристалічних кремнієвих матеріалах. Основними виробниками є німецька SGL та інші компанії. В даний час вуглецевий повсть на основі смоли найбільш широко використовується в промисловості монокристалів напівпровідників, і його теплоізоляційні характеристики кращі, ніж у липкого вуглецевого повсті. Вуглецевий повсть на основі гуми є гіршим, але вуглецевий повсть на основі асфальту має вищу чистоту та нижчий викид пилу. Серед виробників – японська Kureha Chemical, Osaka Gas тощо.
Оскільки форма карбонового фетру не фіксована, він незручний в експлуатації. Зараз багато компаній розробили новий теплоізоляційний матеріал на основі вуглецевого повсті - вулканізований вуглецевий повсть. Затверділий вуглецевий фетр також називають твердим фетром. Це карбоновий повсть, який має певну форму та самостійкість після просочення смолою, ламінування, затвердіння та карбонізації.
На якість росту монокристалічного кремнію безпосередньо впливає середовище теплового поля, а ізоляційні матеріали з вуглецевого волокна відіграють ключову роль у цьому середовищі. Теплоізоляційний м’який фетр з вуглецевого волокна все ще займає значну перевагу в промисловості фотоелектричних напівпровідників завдяки своїй економічній перевагі, чудовому теплоізоляційному ефекту, гнучкому дизайну та настроюваній формі. Крім того, жорсткий ізоляційний фетр із вуглецевого волокна матиме більше можливостей для розвитку на ринку матеріалів для термічного поля через його певну міцність і кращу експлуатаційну здатність. Ми прагнемо до досліджень і розробок у сфері теплоізоляційних матеріалів і постійно оптимізуємо продуктивність продукції, щоб сприяти процвітанню та розвитку промисловості фотоелектричних напівпровідників.
Час публікації: 15 травня 2024 р