Կարևոր նյութեր, որոնք որոշում են մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճի որակը՝ ջերմային դաշտ

Մոնաբյուրեղային սիլիցիումի աճի պրոցեսն ամբողջությամբ իրականացվում է ջերմային դաշտում։ Լավ ջերմային դաշտը նպաստում է բյուրեղների որակի բարելավմանը և ունի բյուրեղացման ավելի բարձր արդյունավետություն: Ջերմային դաշտի նախագծումը մեծապես որոշում է դինամիկ ջերմային դաշտում ջերմաստիճանի գրադիենտների փոփոխությունները և վառարանի խցիկում գազի հոսքը: Ջերմային դաշտում օգտագործվող նյութերի տարբերությունն ուղղակիորեն որոշում է ջերմային դաշտի ծառայության ժամկետը: Անխոհեմ ջերմային դաշտում ոչ միայն դժվար է աճեցնել բյուրեղներ, որոնք համապատասխանում են որակի պահանջներին, այլև չեն կարող լիարժեք մոնոբյուրեղ աճել որոշակի գործընթացի պահանջների ներքո: Ահա թե ինչու ուղղակի ձգվող մոնոբյուրեղային սիլիցիումի արդյունաբերությունը ջերմային դաշտի նախագծումը համարում է ամենահիմնական տեխնոլոգիան և հսկայական աշխատուժ և նյութական ռեսուրսներ է ներդնում ջերմային դաշտի հետազոտության և զարգացման մեջ:

Ջերմային համակարգը կազմված է ջերմային դաշտի տարբեր նյութերից։ Մենք միայն համառոտ ներկայացնում ենք ջերմային ոլորտում օգտագործվող նյութերը։ Ինչ վերաբերում է ջերմային դաշտում ջերմաստիճանի բաշխմանը և դրա ազդեցությանը բյուրեղների ձգման վրա, ապա մենք դա չենք վերլուծի այստեղ: Ջերմային դաշտի նյութը վերաբերում է բյուրեղային աճի վակուումային վառարանի խցում գտնվող կառուցվածքին և ջերմամեկուսիչ մասին, ինչը կարևոր է կիսահաղորդչային հալվածի և բյուրեղի շուրջ ջերմաստիճանի համապատասխան բաշխում ստեղծելու համար:

1. Ջերմային դաշտի կառուցվածքի նյութ

Մոնաբյուրեղային սիլիցիումի աճեցման ուղղակի ձգման մեթոդի հիմնական օժանդակ նյութը բարձր մաքրության գրաֆիտն է: Գրաֆիտային նյութերը շատ կարևոր դեր են խաղում ժամանակակից արդյունաբերության մեջ։ Նրանք կարող են օգտագործվել որպես ջերմային դաշտի կառուցվածքային բաղադրիչներ, ինչպիսիք ենջեռուցիչներ, ուղեցույց խողովակներ, կարասներ, մեկուսիչ խողովակներ, խառնարանային սկուտեղներ և այլն՝ մոնոբյուրեղ սիլիցիումի Չոխրալսկու մեթոդով պատրաստման ժամանակ։

Գրաֆիտային նյութերընտրված են, քանի որ դրանք հեշտ են պատրաստվում մեծ ծավալներով, կարող են մշակվել և դիմացկուն են բարձր ջերմաստիճանների նկատմամբ։ Ածխածինը ադամանդի կամ գրաֆիտի տեսքով ունի ավելի բարձր հալման կետ, քան ցանկացած տարր կամ միացություն: Գրաֆիտային նյութերը բավականին ամուր են հատկապես բարձր ջերմաստիճանի դեպքում, և դրանց էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակությունը նույնպես բավականին լավ է։ Դրա էլեկտրական հաղորդունակությունը այն դարձնում է հարմար որպես աջեռուցիչնյութական. Այն ունի բավարար ջերմահաղորդականության գործակից, որը թույլ է տալիս ջեռուցիչի կողմից առաջացած ջերմությունը հավասարաչափ բաշխել խառնարանին և ջերմային դաշտի այլ մասերին: Այնուամենայնիվ, բարձր ջերմաստիճաններում, հատկապես մեծ հեռավորությունների վրա, ջերմության փոխանցման հիմնական ռեժիմը ճառագայթումն է:

Գրաֆիտի մասերը սկզբնապես պատրաստված են նուրբ ածխածնային մասնիկներից, որոնք խառնվում են կապակցիչի հետ և ձևավորվում էքստրուզիայի կամ իզոստատիկ սեղմման միջոցով: Բարձրորակ գրաֆիտի մասերը սովորաբար իզոստատիկ սեղմված են: Ամբողջ կտորը սկզբում կարբոնացվում է, այնուհետև գրաֆիտացվում է շատ բարձր ջերմաստիճանում՝ մոտ 3000°C: Այս ամբողջ կտորներից մշակված մասերը սովորաբար մաքրվում են քլոր պարունակող մթնոլորտում բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում՝ մետաղական աղտոտվածությունը հեռացնելու համար, որպեսզի բավարարեն կիսահաղորդչային արդյունաբերության պահանջները: Այնուամենայնիվ, նույնիսկ պատշաճ մաքրումից հետո մետաղի աղտոտվածության մակարդակը մի քանի կարգով բարձր է, քան թույլատրվում է սիլիցիումի միաբյուրեղային նյութերի համար: Հետևաբար, ջերմային դաշտի նախագծման ժամանակ պետք է զգույշ լինել, որպեսզի կանխվի այդ բաղադրիչների աղտոտումը հալված կամ բյուրեղային մակերեսի մեջ մտնելուց:

Գրաֆիտային նյութերը մի փոքր թափանցելի են, ինչը հեշտացնում է ներսում մնացած մետաղի մակերեսին հասնելը: Բացի այդ, գրաֆիտի մակերեսի շուրջ մաքրող գազում առկա սիլիցիումի մոնօքսիդը կարող է թափանցել նյութերի մեծ մասի մեջ և արձագանքել:

Վաղ միաբյուրեղային սիլիցիումային վառարանների ջեռուցիչները պատրաստված էին հրակայուն մետաղներից, ինչպիսիք են վոլֆրամը և մոլիբդենը: Գրաֆիտի մշակման տեխնոլոգիայի աճող հասունության հետ մեկտեղ գրաֆիտի բաղադրիչների միջև կապի էլեկտրական հատկությունները դարձել են կայուն, և միաբյուրեղ սիլիցիումի վառարանների ջեռուցիչները ամբողջությամբ փոխարինել են վոլֆրամի, մոլիբդենի և այլ նյութերի ջեռուցիչներին: Ներկայումս ամենալայն կիրառվող գրաֆիտային նյութը իզոստատիկ գրաֆիտն է։ իմ երկրի իզոստատիկ գրաֆիտի պատրաստման տեխնոլոգիան համեմատաբար հետամնաց է, և ներքին ֆոտոգալվանային արդյունաբերության մեջ օգտագործվող գրաֆիտի նյութերի մեծ մասը ներմուծվում է արտերկրից: Օտարերկրյա իզոստատիկ գրաֆիտ արտադրողները հիմնականում ներառում են գերմանական SGL, ճապոնական Tokai Carbon, ճապոնական Toyo Tanso և այլն: Czochralski մոնոբյուրեղային սիլիցիումային վառարաններում երբեմն օգտագործվում են C/C կոմպոզիտային նյութեր, և դրանք սկսել են օգտագործվել պտուտակներ, ընկույզներ, բեռնարկղեր պատրաստելու համար, թիթեղներ և այլ բաղադրիչներ: Ածխածնի/ածխածնի (C/C) կոմպոզիտները ածխածնային մանրաթելից ամրացված ածխածնի վրա հիմնված կոմպոզիտներ են մի շարք հիանալի հատկություններով, ինչպիսիք են բարձր տեսակարար ուժը, բարձր հատուկ մոդուլը, ցածր ջերմային ընդարձակման գործակիցը, լավ էլեկտրական հաղորդունակությունը, բարձր ճեղքվածքային ամրությունը, ցածր տեսակարար կշիռը, ջերմային ցնցումների դիմադրություն, կոռոզիոն դիմադրություն և բարձր ջերմաստիճանի դիմադրություն: Ներկայումս դրանք լայնորեն օգտագործվում են օդատիեզերական, մրցարշավների, կենսանյութերի և այլ ոլորտներում՝ որպես նոր բարձր ջերմաստիճանի դիմացկուն կառուցվածքային նյութեր: Ներկայում հիմնական խոչընդոտները, որոնց հանդիպում են կենցաղային C/C կոմպոզիտները, դեռևս ծախսերի և արդյունաբերականացման խնդիրներն են:

Կան բազմաթիվ այլ նյութեր, որոնք օգտագործվում են ջերմային դաշտեր պատրաստելու համար: Ածխածնի մանրաթելերով ամրացված գրաֆիտը ավելի լավ մեխանիկական հատկություններ ունի. բայց դա ավելի թանկ է և ունի դիզայնի այլ պահանջներ:Սիլիցիումի կարբիդ (SiC)շատ առումներով ավելի լավ նյութ է, քան գրաֆիտը, բայց շատ ավելի թանկ և դժվար է մեծածավալ մասեր պատրաստելը: Այնուամենայնիվ, SiC-ը հաճախ օգտագործվում է որպես աCVD ծածկույթմեծացնել գրաֆիտի մասերի կյանքը, որոնք ենթարկվում են քայքայիչ սիլիցիումի մոնօքսիդ գազի, ինչպես նաև կարող են նվազեցնել գրաֆիտից աղտոտվածությունը: Խիտ CVD սիլիցիումի կարբիդային ծածկույթը արդյունավետորեն կանխում է միկրոծակոտկեն գրաֆիտի նյութի ներսում աղտոտիչները մակերեսին հասնելուց:

Մյուսը CVD ածխածինն է, որը կարող է նաև խիտ շերտ կազմել գրաֆիտային մասի վերևում: Բարձր ջերմաստիճանի դիմացկուն այլ նյութեր, ինչպիսիք են մոլիբդենը կամ կերամիկական նյութերը, որոնք կարող են գոյակցել շրջակա միջավայրի հետ, կարող են օգտագործվել այնտեղ, որտեղ հալոցքը աղտոտելու վտանգ չկա: Այնուամենայնիվ, օքսիդային կերամիկաները, ընդհանուր առմամբ, սահմանափակ են իրենց կիրառելիությամբ գրաֆիտային նյութերի համար բարձր ջերմաստիճաններում, և կան մի քանի այլ տարբերակներ, եթե պահանջվում է մեկուսացում: Մեկը վեցանկյուն բորի նիտրիդն է (երբեմն կոչվում է սպիտակ գրաֆիտ՝ նման հատկությունների պատճառով), բայց մեխանիկական հատկությունները վատ են։ Մոլիբդենը, ընդհանուր առմամբ, ողջամտորեն օգտագործվում է բարձր ջերմաստիճանի իրավիճակներում, քանի որ դրա չափավոր արժեքը, սիլիցիումի բյուրեղներում ցածր դիֆուզիոն արագությունը և մոտ 5×108 տարանջատման շատ ցածր գործակիցը, ինչը թույլ է տալիս որոշակի քանակությամբ մոլիբդենի աղտոտում մինչև բյուրեղային կառուցվածքը ոչնչացնելը:

2. Ջերմամեկուսիչ նյութեր

Առավել հաճախ օգտագործվող մեկուսիչ նյութը տարբեր ձևերով ածխածնային է: Ածխածնային ֆետրը պատրաստված է բարակ մանրաթելերից, որոնք հանդես են գալիս որպես մեկուսիչ, քանի որ կարճ հեռավորության վրա մի քանի անգամ արգելափակում են ջերմային ճառագայթումը: Փափուկ ածխածնի կտորը հյուսվում է նյութի համեմատաբար բարակ թիթեղների մեջ, որոնք այնուհետև կտրվում են ցանկալի ձևով և սերտորեն թեքում են ողջամիտ շառավղով: Չորացված ֆետերը կազմված են նմանատիպ մանրաթելային նյութերից, և ածխածին պարունակող կապակցիչ օգտագործվում է ցրված մանրաթելերը ավելի ամուր և ձևավորված առարկայի մեջ միացնելու համար: Ածխածնի քիմիական գոլորշիների նստեցման օգտագործումը կապող նյութի փոխարեն կարող է բարելավել նյութի մեխանիկական հատկությունները:

Սովորաբար, ջերմամեկուսիչ շերտի արտաքին մակերեսը պատված է շարունակական գրաֆիտի ծածկով կամ փայլաթիթեղով, որպեսզի նվազեցնի էրոզիան և մաշվածությունը, ինչպես նաև մասնիկների աղտոտումը: Գոյություն ունեն նաև ածխածնի վրա հիմնված ջերմամեկուսիչ նյութերի այլ տեսակներ, ինչպիսիք են ածխածնային փրփուրը: Ընդհանուր առմամբ, գրաֆիտացված նյութերը ակնհայտորեն նախընտրելի են, քանի որ գրաֆիտացումը մեծապես նվազեցնում է մանրաթելի մակերեսը: Այս բարձր մակերեսով նյութերի արտահոսքը զգալիորեն կրճատվում է, և ավելի քիչ ժամանակ է պահանջվում վառարանը համապատասխան վակուում մղելու համար: Մյուսը C/C կոմպոզիտային նյութն է, որն ունի ակնառու բնութագրեր, ինչպիսիք են թեթև քաշը, բարձր վնասների հանդուրժողականությունը և բարձր ամրությունը: Ջերմային դաշտերում օգտագործվող գրաֆիտի մասերը փոխարինելու համար զգալիորեն նվազեցնում է գրաֆիտի մասերի փոխարինման հաճախականությունը, բարելավում է մոնոբյուրեղային որակը և արտադրության կայունությունը:

Ըստ հումքի դասակարգման՝ ածխածնային ֆետերը կարելի է բաժանել պոլիակրիլոնիտրիլի վրա հիմնված ածխածնային ֆետերի, վիսկոզայի վրա հիմնված ածխածնային ֆետերի և սկիպիդարի վրա հիմնված ածխածնային ֆետերի։
Պոլիակրիլոնիտրիլի վրա հիմնված ածխածնային ֆետն ունի մոխրի մեծ պարունակություն: Բարձր ջերմաստիճանի բուժումից հետո միայնակ մանրաթելը դառնում է փխրուն: Շահագործման ընթացքում հեշտ է փոշի առաջացնել վառարանի միջավայրը աղտոտելու համար: Միաժամանակ մանրաթելը հեշտությամբ կարող է ներթափանցել մարդու մարմնի ծակոտիներն ու շնչառական ուղիները, ինչը վնասակար է մարդու առողջության համար։ Վիսկոզայի վրա հիմնված ածխածնային ֆետրը լավ ջերմամեկուսիչ հատկություններ ունի: Ջերմային մշակումից հետո այն համեմատաբար փափուկ է և հեշտ չէ փոշի առաջացնել: Այնուամենայնիվ, վիսկոզայի վրա հիմնված հում մանրաթելի խաչմերուկը անկանոն է, և մանրաթելերի մակերեսին կան բազմաթիվ ակոսներ: CZ սիլիկոնային վառարանի օքսիդացնող մթնոլորտի տակ հեշտ է առաջացնել գազեր, ինչպիսին է C02-ը, ինչը հանգեցնում է թթվածնի և ածխածնի տարրերի նստեցմանը միաբյուրեղ սիլիցիումային նյութում: Հիմնական արտադրողների թվում են գերմանական SGL և այլ ընկերություններ։ Ներկայումս կիսահաղորդչային մոնոբյուրեղային արդյունաբերության մեջ ամենալայն օգտագործվողը սկիպիդար հիմքով ածխածնային ֆետն է, որն ունի ավելի վատ ջերմամեկուսիչ հատկություններ, քան վիսկոզայի վրա հիմնված ածխածնային ֆետերը, բայց սկիպիդար ածխածնային ֆետն ունի ավելի բարձր մաքրություն և ավելի ցածր փոշու արտանետում: Արտադրողների թվում են ճապոնական Kureha Chemical-ը և Osaka Gas-ը:
Քանի որ ածխածնի ֆետրի ձևը ամրագրված չէ, այն անհարմար է գործել: Այժմ շատ ընկերություններ մշակել են նոր ջերմամեկուսիչ նյութ, որը հիմնված է ածխածնային ֆետրով բուժված ածխածնի ֆետրի վրա: Մաքրված ածխածնի ֆետրը, որը նաև կոչվում է կոշտ ֆետ, ածխածնային ֆետր է՝ որոշակի ձևով և ինքնակայուն հատկությամբ, այն բանից հետո, երբ փափուկ ֆետրը ներծծվում է խեժով, շերտավորվում, բուժվում և կարբոնացվում է:

Մոնաբյուրեղային սիլիցիումի աճի որակի վրա ուղղակիորեն ազդում է ջերմային միջավայրը, և ածխածնային մանրաթելից ջերմամեկուսիչ նյութերը առանցքային դեր են խաղում այս միջավայրում: Ածխածնային մանրաթելային ջերմամեկուսիչ փափուկ ֆետրը դեռևս զգալի առավելություն ունի ֆոտոգալվանային կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ՝ շնորհիվ իր արժեքային առավելության, գերազանց ջերմամեկուսիչ էֆեկտի, ճկուն դիզայնի և հարմարեցված ձևի: Բացի այդ, ածխածնային մանրաթելից կոշտ ջերմամեկուսիչ ֆետրը ավելի մեծ տարածություն կունենա ջերմային դաշտի նյութերի շուկայում՝ շնորհիվ իր որոշակի ուժի և ավելի բարձր գործունակության: Մենք հավատարիմ ենք ջերմամեկուսիչ նյութերի ոլորտում հետազոտություններին և զարգացմանը և շարունակաբար օպտիմալացնում ենք արտադրանքի արդյունավետությունը՝ խթանելու ֆոտոգալվանային կիսահաղորդչային արդյունաբերության բարգավաճումն ու զարգացումը: