المواد الهامة التي تحدد جودة نمو السيليكون أحادي البلورة – المجال الحراري

تتم عملية نمو السيليكون أحادي البلورية بالكامل في المجال الحراري. يؤدي المجال الحراري الجيد إلى تحسين جودة البلورات وله كفاءة تبلور أعلى. يحدد تصميم المجال الحراري إلى حد كبير التغيرات في تدرجات درجة الحرارة في المجال الحراري الديناميكي وتدفق الغاز في غرفة الفرن. يحدد الاختلاف في المواد المستخدمة في المجال الحراري بشكل مباشر عمر خدمة المجال الحراري. لا يؤدي المجال الحراري غير المعقول إلى صعوبة نمو بلورات تلبي متطلبات الجودة فحسب، بل لا يمكن أيضًا أن تنمو بلورات أحادية كاملة في ظل متطلبات عملية معينة. هذا هو السبب في أن صناعة السيليكون أحادي البلورة ذات السحب المباشر تعتبر تصميم المجال الحراري هو التكنولوجيا الأساسية وتستثمر القوى العاملة والموارد المادية الضخمة في البحث والتطوير في المجال الحراري.

يتكون النظام الحراري من مواد مجال حراري مختلفة. نحن نقدم فقط بإيجاز المواد المستخدمة في المجال الحراري. أما بالنسبة للتوزيع الحراري في المجال الحراري وتأثيره على سحب البلورات فلن نقوم بتحليله هنا. تشير مادة المجال الحراري إلى الجزء الهيكلي والعزل الحراري في غرفة الفرن الفراغي لنمو البلورات، وهو أمر ضروري لإنشاء توزيع مناسب لدرجة الحرارة حول ذوبان أشباه الموصلات والبلورة.

1. مادة هيكل المجال الحراري

المادة الداعمة الأساسية لطريقة السحب المباشر لإنتاج السيليكون أحادي البلورية هي الجرافيت عالي النقاء. تلعب مواد الجرافيت دورًا مهمًا جدًا في الصناعة الحديثة. يمكن استخدامها كمكونات هيكلية للمجال الحراري مثلسخانات, أنابيب التوجيه, البوتقاتوالأنابيب العازلة وصواني البوتقة وما إلى ذلك في تحضير السيليكون أحادي البلورة بطريقة تشوتشرالسكي.

مواد الجرافيتيتم اختيارها لأنها سهلة التحضير بكميات كبيرة، ويمكن معالجتها، ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة. يتمتع الكربون الموجود على شكل ألماس أو جرافيت بنقطة انصهار أعلى من أي عنصر أو مركب. تعتبر مواد الجرافيت قوية جدًا، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة، كما أن توصيلها الكهربائي والحراري جيد جدًا أيضًا. الموصلية الكهربائية تجعلها مناسبة كسخانمادة. لديه معامل توصيل حراري مرضي، مما يسمح بتوزيع الحرارة الناتجة عن السخان بالتساوي على البوتقة وأجزاء أخرى من مجال الحرارة. ومع ذلك، في درجات الحرارة المرتفعة، وخاصة لمسافات طويلة، فإن وضع نقل الحرارة الرئيسي هو الإشعاع.

تتكون أجزاء الجرافيت في البداية من جزيئات كربونية دقيقة ممزوجة بمادة رابطة وتشكل عن طريق البثق أو الضغط المتوازن. عادة ما يتم ضغط أجزاء الجرافيت عالية الجودة بشكل متساوي. يتم أولاً تفحيم القطعة بأكملها ثم يتم رسمها بالجرافيت في درجات حرارة عالية جدًا، تقترب من 3000 درجة مئوية. وعادة ما تتم تنقية الأجزاء المعالجة من هذه القطع الكاملة في جو يحتوي على الكلور عند درجات حرارة عالية لإزالة التلوث المعدني لتلبية متطلبات صناعة أشباه الموصلات. ومع ذلك، حتى بعد التنقية المناسبة، يكون مستوى التلوث المعدني أعلى بعدة مرات من المستوى المسموح به لمواد السيليكون أحادية البلورية. ولذلك، يجب توخي الحذر في تصميم المجال الحراري لمنع تلوث هذه المكونات من دخول السطح المصهور أو البلوري.

تتميز مواد الجرافيت بأنها نفاذية قليلاً، مما يجعل من السهل على المعدن المتبقي بالداخل الوصول إلى السطح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأول أكسيد السيليكون الموجود في غاز التطهير حول سطح الجرافيت أن يخترق معظم المواد ويتفاعل.

كانت سخانات أفران السيليكون أحادية البلورة المبكرة مصنوعة من معادن مقاومة للحرارة مثل التنغستن والموليبدينوم. مع النضج المتزايد لتكنولوجيا معالجة الجرافيت، أصبحت الخواص الكهربائية للاتصال بين مكونات الجرافيت مستقرة، وقد حلت سخانات أفران السيليكون أحادية البلورية محل التنغستن والموليبدينوم وسخانات المواد الأخرى بالكامل. في الوقت الحاضر، مادة الجرافيت الأكثر استخدامًا على نطاق واسع هي الجرافيت المتوازن. تعد تقنية تحضير الجرافيت المتوازن في بلدي متخلفة نسبيًا، ويتم استيراد معظم مواد الجرافيت المستخدمة في الصناعة الكهروضوئية المحلية من الخارج. تشمل الشركات المصنعة الأجنبية للجرافيت المتوازن بشكل أساسي شركة SGL الألمانية، وشركة Tokai Carbon اليابانية، وشركة Toyo Tanso اليابانية، وما إلى ذلك. في أفران السيليكون أحادية البلورية Czochralski، تُستخدم أحيانًا المواد المركبة C/C، وقد بدأ استخدامها لتصنيع البراغي والصواميل والبوتقات والأحمال. لوحات ومكونات أخرى. مركبات الكربون/الكربون (C/C) عبارة عن مركبات قائمة على الكربون معززة بألياف الكربون مع سلسلة من الخصائص الممتازة مثل القوة النوعية العالية، والمعامل النوعي العالي، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والتوصيل الكهربائي الجيد، وصلابة الكسر العالية، والجاذبية النوعية المنخفضة، مقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية. في الوقت الحاضر، يتم استخدامها على نطاق واسع في مجال الطيران والسباقات والمواد الحيوية وغيرها من المجالات كمواد هيكلية جديدة مقاومة لدرجات الحرارة العالية. في الوقت الحاضر، لا تزال الاختناقات الرئيسية التي تواجهها مركبات C/C المحلية هي قضايا التكلفة والتصنيع.

هناك العديد من المواد الأخرى المستخدمة لصنع المجالات الحرارية. يتمتع الجرافيت المقوى بألياف الكربون بخصائص ميكانيكية أفضل؛ لكنها أكثر تكلفة ولها متطلبات أخرى للتصميم.كربيد السيليكون (SiC)وهي مادة أفضل من الجرافيت في العديد من الجوانب، ولكنها أكثر تكلفة بكثير ويصعب تحضير أجزاء كبيرة الحجم. ومع ذلك، غالبًا ما يتم استخدام SiC كـطلاء الأمراض القلبية الوعائيةلزيادة عمر أجزاء الجرافيت المعرضة لغاز أول أكسيد السيليكون المسبب للتآكل، ويمكن أيضًا تقليل التلوث الناتج عن الجرافيت. يمنع طلاء كربيد السيليكون CVD الكثيف بشكل فعال الملوثات الموجودة داخل مادة الجرافيت الصغيرة المسامية من الوصول إلى السطح.

والنوع الآخر هو الكربون CVD، والذي يمكن أيضًا أن يشكل طبقة كثيفة فوق جزء الجرافيت. ويمكن استخدام مواد أخرى مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مثل الموليبدينوم أو المواد الخزفية التي يمكن أن تتعايش مع البيئة، حيث لا يوجد خطر تلويث المصهور. ومع ذلك، فإن سيراميك الأكسيد محدود عمومًا في قابليته للتطبيق على مواد الجرافيت عند درجات حرارة عالية، وهناك عدد قليل من الخيارات الأخرى إذا كان العزل مطلوبًا. أحدهما هو نيتريد البورون السداسي (يُسمى أحيانًا الجرافيت الأبيض نظرًا لخصائصه المشابهة)، لكن الخواص الميكانيكية ضعيفة. يستخدم الموليبدينوم بشكل عام بشكل معقول في حالات درجات الحرارة المرتفعة بسبب تكلفته المعتدلة، ومعدل انتشاره المنخفض في بلورات السيليكون، ومعامل فصل منخفض جدًا يبلغ حوالي 5 × 108، مما يسمح بكمية معينة من تلوث الموليبدينوم قبل تدمير البنية البلورية.

2. مواد العزل الحراري

المواد العازلة الأكثر استخدامًا هي لباد الكربون بأشكال مختلفة. يتكون لباد الكربون من ألياف رقيقة تعمل كعازل لأنها تحجب الإشعاع الحراري عدة مرات على مسافة قصيرة. يتم نسج اللباد الكربوني الناعم في صفائح رقيقة نسبيًا من المواد، والتي يتم بعد ذلك تقطيعها إلى الشكل المطلوب وثنيها بإحكام إلى نصف قطر معقول. تتكون اللبادات المعالجة من مواد ألياف مماثلة، ويتم استخدام مادة رابطة تحتوي على الكربون لربط الألياف المشتتة بجسم أكثر صلابة وشكلًا. إن استخدام ترسيب البخار الكيميائي للكربون بدلاً من المادة الرابطة يمكن أن يحسن الخواص الميكانيكية للمادة.

عادة، يتم تغطية السطح الخارجي للمعالجة العازلة للحرارة بطبقة من الجرافيت المستمر أو رقائق معدنية لتقليل التآكل والتآكل بالإضافة إلى التلوث بالجسيمات. وتوجد أيضًا أنواع أخرى من مواد العزل الحراري المعتمدة على الكربون، مثل رغوة الكربون. بشكل عام، من الواضح أن المواد الجرافيتية هي المفضلة لأن الجرافيت يقلل بشكل كبير من مساحة سطح الألياف. يتم تقليل إطلاق الغازات من هذه المواد ذات المساحة العالية إلى حد كبير، ويستغرق ضخ الفرن إلى فراغ مناسب وقتًا أقل. والشيء الآخر هو المادة المركبة C/C، والتي تتميز بخصائص بارزة مثل الوزن الخفيف، وتحمل الضرر العالي والقوة العالية. يستخدم في المجالات الحرارية لاستبدال أجزاء الجرافيت مما يقلل بشكل كبير من تكرار استبدال أجزاء الجرافيت، ويحسن جودة أحادية البلورية واستقرار الإنتاج.

وفقًا لتصنيف المواد الخام، يمكن تقسيم لباد الكربون إلى لباد كربون قائم على البولي أكريلونيتريل، وشعر كربون قائم على الفسكوز، وشعر كربون قائم على طبقة الصوت.
يحتوي اللباد الكربوني المعتمد على البولي أكريلونيتريل على نسبة كبيرة من الرماد. بعد المعالجة بدرجة الحرارة العالية، تصبح الألياف المفردة هشة. أثناء التشغيل، من السهل توليد الغبار لتلويث بيئة الفرن. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تدخل الألياف بسهولة إلى المسام والجهاز التنفسي لجسم الإنسان، مما يضر بصحة الإنسان. يتمتع اللباد الكربوني القائم على الفسكوز بأداء عزل حراري جيد. إنها ناعمة نسبيًا بعد المعالجة الحرارية وليس من السهل توليد الغبار. ومع ذلك، فإن المقطع العرضي للألياف الخام القائمة على الفسكوز غير منتظم، وهناك العديد من الأخاديد على سطح الألياف. من السهل توليد غازات مثل ثاني أكسيد الكربون تحت الغلاف الجوي المؤكسد لفرن السيليكون CZ، مما يتسبب في ترسيب عناصر الأكسجين والكربون في مادة السيليكون أحادية البلورية. وتشمل الشركات المصنعة الرئيسية شركة SGL الألمانية وغيرها من الشركات. في الوقت الحاضر، الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات أحادية البلورية هو اللباد الكربوني القائم على الملعب، والذي يتميز بأداء عزل حراري أسوأ من اللباد الكربوني القائم على الفسكوز، لكن اللباد الكربوني القائم على النغمة يتمتع بنقاء أعلى وانبعاث غبار أقل. ومن بين الشركات المصنعة شركة كوريها كيميكال اليابانية وأوساكا غاز.
نظرًا لأن شكل اللباد الكربوني غير ثابت، فهو غير مريح في التشغيل. الآن طورت العديد من الشركات مادة عازلة حرارية جديدة تعتمد على شعر الكربون المعالج بالكربون. اللباد الكربوني المعالج، والذي يُطلق عليه أيضًا اللباد الصلب، هو لباد كربون ذو شكل معين وخاصية الاستدامة الذاتية بعد تشريب اللباد الناعم بالراتنج، وتصفيحه، ومعالجته، وتفحيمه.

تتأثر جودة نمو السيليكون أحادي البلورية بشكل مباشر بالبيئة الحرارية، وتلعب مواد العزل الحراري المصنوعة من ألياف الكربون دورًا رئيسيًا في هذه البيئة. لا يزال اللباد الناعم العازل للحرارة من ألياف الكربون يتمتع بميزة كبيرة في صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية نظرًا لميزة التكلفة وتأثير العزل الحراري الممتاز والتصميم المرن والشكل القابل للتخصيص. بالإضافة إلى ذلك، سيكون لباد العزل الحراري الصلب المصنوع من ألياف الكربون مساحة أكبر للتطوير في سوق مواد المجال الحراري نظرًا لقوته المعينة وقابلية تشغيله العالية. نحن ملتزمون بالبحث والتطوير في مجال مواد العزل الحراري، ونعمل باستمرار على تحسين أداء المنتج لتعزيز ازدهار وتطوير صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية.