חומרים חשובים הקובעים את איכות צמיחת הסיליקון החד גבישי - שדה תרמי

תהליך הצמיחה של סיליקון חד-גבישי מתבצע לחלוטין בשדה התרמי. שדה תרמי טוב תורם לשיפור איכות הגבישים ויש לו יעילות התגבשות גבוהה יותר. עיצוב השדה התרמי קובע במידה רבה את השינויים בשיפוע הטמפרטורה בשדה התרמי הדינמי ואת זרימת הגז בתא התנור. ההבדל בחומרים המשמשים בתחום התרמי קובע ישירות את חיי השירות של השדה התרמי. שדה תרמי בלתי סביר לא רק שקשה לגדל גבישים העומדים בדרישות האיכות, אלא גם לא יכול לגדל חד גבישי שלם תחת דרישות תהליך מסוימות. זו הסיבה שתעשיית הסיליקון החד-גבישי במשיכה ישירה רואה בתכנון שדות תרמיים את טכנולוגיית הליבה ביותר ומשקיעה כוח אדם ומשאבי חומר עצומים במחקר ופיתוח בתחום התרמי.

המערכת התרמית מורכבת מחומרי שדה תרמיים שונים. אנו מציגים רק בקצרה את החומרים המשמשים בתחום התרמי. באשר לפיזור הטמפרטורה בשדה התרמי והשפעתה על משיכת גבישים, לא ננתח אותה כאן. חומר השדה התרמי מתייחס למבנה ולחלק הבידוד התרמי בתא תנור הוואקום של צמיחת גבישים, אשר חיוני ליצירת פיזור טמפרטורה מתאים סביב נמס המוליך למחצה והגביש.

1. חומר מבנה שדה תרמי
החומר התומך הבסיסי לשיטת המשיכה הישירה לגידול סיליקון חד גבישי הוא גרפיט בטוהר גבוה. לחומרי גרפיט תפקיד חשוב מאוד בתעשייה המודרנית. הם יכולים לשמש כרכיבים מבניים של שדה חום כגוןמחממים, צינורות מנחה, כור היתוך, צינורות בידוד, מגשי היתוך וכו' בהכנת סיליקון חד גבישי בשיטת צ'וקרלסקי.

חומרים גרפיטיםנבחרים כי הם קלים להכנה בנפחים גדולים, ניתנים לעיבוד ועמידים לטמפרטורות גבוהות. לפחמן בצורת יהלום או גרפיט יש נקודת התכה גבוהה יותר מכל יסוד או תרכובת. חומרי גרפיט חזקים למדי, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, וגם המוליכות החשמלית והתרמית שלהם טובה למדי. המוליכות החשמלית שלו הופכת אותו למתאים בתור אמְחַמֵםחוֹמֶר. יש לו מקדם מוליכות תרמית משביע רצון, המאפשר פיזור שווה של החום שנוצר מהמחמם אל כור ההיתוך ושאר חלקי שדה החום. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות, במיוחד למרחקים ארוכים, מצב העברת החום העיקרי הוא קרינה.

חלקי גרפיט עשויים בתחילה מחלקיקים פחמניים עדינים המעורבבים עם חומר מקשר ונוצרים על ידי אקסטרוזיה או לחיצה איזוסטטית. חלקי גרפיט איכותיים נלחצים בדרך כלל בצורה איזוסטטית. כל היצירה עוברת תחילה מוגז ולאחר מכן גרפיט בטמפרטורות גבוהות מאוד, קרוב ל-3000 מעלות צלזיוס. החלקים המעובדים מחלקים שלמים אלה מטוהרים בדרך כלל באווירה המכילה כלור בטמפרטורות גבוהות כדי להסיר זיהום מתכת כדי לעמוד בדרישות של תעשיית המוליכים למחצה. עם זאת, גם לאחר טיהור נאות, רמת זיהום המתכת גבוהה בכמה סדרי גודל מזו המותרת לחומרי סיליקון חד-גבישיים. לכן, יש להקפיד בתכנון השדה התרמי כדי למנוע זיהום של רכיבים אלה להיכנס למשטח ההמסה או הגביש.

חומרי הגרפיט חדירים מעט, מה שמקל על המתכת הנותרת בפנים להגיע אל פני השטח. בנוסף, חד תחמוצת הסיליקון הקיים בגז הטיהור סביב משטח הגרפיט יכול לחדור לרוב החומרים ולהגיב.

מחממי תנורי סיליקון חד-גבישיים מוקדמים היו עשויים ממתכות עקשניות כמו טונגסטן ומוליבדן. עם הבשלות ההולכת וגוברת של טכנולוגיית עיבוד גרפיט, המאפיינים החשמליים של החיבור בין רכיבי גרפיט הפכו יציבים, ומחממי תנורי סיליקון חד-גבישיים החליפו לחלוטין מחממי טונגסטן, מוליבדן וחומרים אחרים. כיום, חומר הגרפיט הנפוץ ביותר הוא גרפיט איזוסטטי. טכנולוגיית הכנת הגרפיט האיזוסטטית של ארצי היא נחשלת יחסית, ורוב חומרי הגרפיט המשמשים בתעשיית הפוטו-וולטאית המקומית מיובאים מחו"ל. יצרני גרפיט איזוסטטי זרים כוללים בעיקר את SGL הגרמנית, Tokai Carbon היפנית, Toyo Tanso היפנית וכו'. בתנורי סיליקון חד גבישי של Czochralski משתמשים לפעמים בחומרים מרוכבים C/C, והם החלו לשמש לייצור ברגים, אגוזים, כור היתוך, עומס צלחות ורכיבים אחרים. חומרי פחמן/פחמן (C/C) הם חומרים מרוכבים מבוססי פחמן מחוזקים בסיבי פחמן עם סדרה של תכונות מצוינות כגון חוזק סגולי גבוה, מודול סגולי גבוה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, מוליכות חשמלית טובה, קשיחות שבר גבוהה, משקל סגולי נמוך, עמידות בפני זעזועים תרמיים, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בטמפרטורה גבוהה. כיום, הם נמצאים בשימוש נרחב בתעופה וחלל, מירוצים, חומרים ביולוגיים ותחומים אחרים כחומרים מבניים חדשים עמידים לטמפרטורה גבוהה. נכון לעכשיו, צווארי הבקבוק העיקריים בהם נתקלים חומרים מרוכבים C/C הם עדיין בעיות עלות ותיעוש.

ישנם חומרים רבים אחרים המשמשים לייצור שדות תרמיים. לגרפיט מחוזק בסיבי פחמן יש תכונות מכניות טובות יותר; אבל זה יקר יותר ויש לו דרישות אחרות לעיצוב.סיליקון קרביד (SiC)הוא חומר טוב יותר מגרפיט בהיבטים רבים, אך הוא הרבה יותר יקר וקשה להכין חלקים בנפח גדול. עם זאת, SiC משמש לעתים קרובות בתור אציפוי CVDכדי להאריך את החיים של חלקי גרפיט החשופים לגז סיליקון חד-חמצני קורוזיבי, ויכולים גם להפחית זיהום מגרפיט. ציפוי סיליקון קרביד הצפוף CVD מונע ביעילות ממזהמים בתוך חומר הגרפיט המיקרו-נקבי להגיע אל פני השטח.

נוסף הוא פחמן CVD, שיכול ליצור גם שכבה צפופה מעל חלק הגרפיט. ניתן להשתמש בחומרים עמידים לטמפרטורות גבוהות, כגון מוליבדן או חומרים קרמיים שיכולים להתקיים יחד עם הסביבה, כאשר אין סיכון לזיהום ההמסה. עם זאת, קרמיקה תחמוצת מוגבלת בדרך כלל בתחולתם לחומרי גרפיט בטמפרטורות גבוהות, ויש מעט אפשרויות אחרות אם נדרש בידוד. האחד הוא בורון ניטריד משושה (נקרא לפעמים גרפיט לבן בשל תכונות דומות), אך התכונות המכניות גרועות. בדרך כלל נעשה שימוש סביר במוליבדן במצבי טמפרטורה גבוהה בגלל עלותו המתונה, קצב הדיפוזיה הנמוך בגבישי הסיליקון ומקדם הפרדה נמוך מאוד של כ-5×108, המאפשר כמות מסוימת של זיהום מוליבדן לפני הרס מבנה הגביש.

2. חומרי בידוד תרמי
חומר הבידוד הנפוץ ביותר הוא לבד פחמן בצורות שונות. לבד פחמן עשוי מסיבים דקים, המשמשים כבידוד מכיוון שהם חוסמים קרינה תרמית מספר פעמים על פני מרחק קצר. לבד הפחמן הרך נארגים ליריעות חומר דקות יחסית, שאותן נחתכות לצורה הרצויה וכופפו היטב לרדיוס סביר. לבדים מעובדים מורכבים מחומרי סיבים דומים, וחומר מקשר המכיל פחמן משמש לחיבור הסיבים המפוזרים לאובייקט מוצק וצורתי יותר. השימוש בשקיעת אדים כימית של פחמן במקום חומר מקשר יכול לשפר את התכונות המכניות של החומר.

בדרך כלל, המשטח החיצוני של הלבד המרפא בידוד תרמי מצופה בציפוי גרפיט רציף או בנייר כסף כדי להפחית שחיקה ובלאי כמו גם זיהום חלקיקים. קיימים גם סוגים אחרים של חומרי בידוד תרמי מבוססי פחמן, כגון קצף פחמן. באופן כללי, ברור שחומרי גרפיט מועדפים מכיוון שגרפיטציה מפחיתה מאוד את שטח הפנים של הסיב. יציאת הגזים של חומרים אלה בעלי שטח גבוה מצטמצמת מאוד, ולוקח פחות זמן לשאוב את התנור לוואקום מתאים. חומר נוסף הוא חומר מרוכב C/C, בעל מאפיינים יוצאי דופן כמו משקל קל, סובלנות גבוהה לנזק וחוזק גבוה. שימוש בתחומים תרמיים להחלפת חלקי גרפיט מפחית באופן משמעותי את תדירות החלפת חלקי גרפיט, משפר את האיכות החד-גבישית ואת יציבות הייצור.

על פי סיווג חומרי הגלם ניתן לחלק לבד פחמן לבד פחמן על בסיס פוליאקרילוניטריל, לבד פחמן על בסיס ויסקוזה ולבד פחמן על בסיס זפת.
לבד פחמן על בסיס פוליאקרילוניטריל יש תכולת אפר גדולה. לאחר טיפול בטמפרטורה גבוהה, הסיב הבודד הופך לשביר. במהלך הפעולה, קל ליצור אבק כדי לזהם את סביבת התנור. יחד עם זאת, הסיבים יכולים להיכנס בקלות לנקבוביות ודרכי הנשימה של גוף האדם, דבר המזיק לבריאות האדם. לבד פחמן על בסיס ויסקוזה יש ביצועי בידוד תרמי טובים. הוא רך יחסית לאחר טיפול בחום ולא קל ליצור אבק. עם זאת, החתך של הסיב הגולמי על בסיס ויסקוזה אינו סדיר, ויש חריצים רבים על פני הסיבים. קל לייצר גזים כמו C02 תחת האטמוספרה המחמצנת של תנור הסיליקון CZ, מה שגורם למשקעים של יסודות חמצן ופחמן בחומר הסיליקון החד גבישי. היצרנים העיקריים כוללים את SGL הגרמנית וחברות נוספות. כיום, הנפוץ ביותר בתעשיית המוליכים המוליכים למחצה הוא לבד פחמן על בסיס זפת, בעל ביצועי בידוד תרמי גרועים יותר מאשר לבד פחמן על בסיס ויסקוזה, אך לבד פחמן על בסיס זפת יש טוהר גבוה יותר ופליטת אבק נמוכה יותר. היצרנים כוללים את Kureha Chemical ו-Osaka Gas היפנית.
מכיוון שהצורה של לבד פחמן אינה קבועה, זה לא נוח לתפעול. כעת חברות רבות פיתחו חומר בידוד תרמי חדש המבוסס על לבד פחמן מרפא לבד. לבד פחמן אפוי, הנקרא גם לבד קשיח, הוא לבד פחמן בעל צורה מסוימת ותכונה מקיימת לאחר לבד רך הספוג בשרף, למינציה, ארפא ומופחם.

איכות הצמיחה של סיליקון חד-גבישי מושפעת ישירות מהסביבה התרמית, וחומרי בידוד תרמי של סיבי פחמן ממלאים תפקיד מפתח בסביבה זו. לבד רך לבידוד תרמי של סיבי פחמן יש עדיין יתרון משמעותי בתעשיית המוליכים למחצה הפוטו-וולטאיים בשל יתרון העלות שלו, אפקט בידוד תרמי מעולה, עיצוב גמיש וצורה הניתנת להתאמה אישית. בנוסף, לבד לבידוד תרמי קשיח של סיבי פחמן יהיה מרחב פיתוח גדול יותר בשוק חומרי השדה התרמיים בשל חוזקו המסוים ויכולת התפעול הגבוהה יותר. אנו מחויבים למחקר ופיתוח בתחום חומרי בידוד תרמי, ומייעלים ללא הרף את ביצועי המוצר כדי לקדם את השגשוג והפיתוח של תעשיית המוליכים למחצה הפוטו-וולטאיים.