単結晶シリコンの成長プロセスは完全に熱場で行われます。良好な熱場は結晶の品質の向上に役立ち、結晶化効率が高くなります。熱場の設計は、動的熱場の温度勾配の変化と炉室内のガスの流れを大きく決定します。熱フィールドで使用される材料の違いは、熱フィールドの耐用年数に直接影響します。不当な熱場は、品質要件を満たす結晶の成長を困難にするだけでなく、特定のプロセス要件の下では完全な単結晶を成長させることもできません。このため、ダイレクトプル単結晶シリコン業界は熱場設計を最もコアな技術とみなし、熱場の研究開発に多大な人的資源と物的資源を投資しています。
熱システムはさまざまな熱場材料で構成されています。熱分野で使用される材料について簡単に紹介します。熱場の温度分布と結晶引き上げへの影響については、ここでは解析しません。熱場材料とは、結晶成長の真空炉室内の構造および断熱部分を指し、半導体融液および結晶の周囲に適切な温度分布を作り出すために不可欠です。
1. 熱場構造材料
単結晶シリコンを成長させるダイレクトプル法における基本的な支持体材料は高純度グラファイトです。黒鉛材料は現代の産業において非常に重要な役割を果たしています。などの熱場構造部品として使用できます。ヒーター, ガイドチューブ, るつぼチョクラルスキー法による単結晶シリコンの製造における、絶縁管、るつぼトレイなど。
黒鉛材料大量の調製が容易で、加工が可能であり、高温に耐性があるため、選択されます。ダイヤモンドまたはグラファイトの形の炭素は、どの元素や化合物よりも高い融点を持っています。グラファイト材料は、特に高温において非常に強く、電気伝導性と熱伝導性も非常に優れています。導電性があるため、ヒータ材料。十分な熱伝導率を備えているため、ヒーターによって生成された熱がるつぼや熱場の他の部分に均一に分配されます。ただし、高温、特に長距離では、主な熱伝達モードは放射です。
グラファイト部品は、最初はバインダーと混合された微細な炭素質粒子から作られ、押出成形または静水圧プレスによって形成されます。高品質のグラファイト部品は通常、静水圧プレスされます。まず全体が炭化され、次に 3000°C に近い非常に高い温度で黒鉛化されます。これらの部品全体から加工された部品は通常、半導体産業の要件を満たすために金属汚染を除去するために高温の塩素含有雰囲気中で精製されます。しかし、適切に精製した後でも、金属汚染のレベルはシリコン単結晶材料で許容されるレベルよりも数桁高くなります。したがって、熱場の設計では、これらの成分の汚染が融液または結晶表面に入らないように注意する必要があります。
グラファイト材料はわずかに透過性があるため、内部に残った金属が表面に到達しやすくなります。さらに、グラファイト表面の周囲のパージガス中に存在する一酸化ケイ素は、ほとんどの材料に浸透して反応する可能性があります。
初期の単結晶シリコン炉ヒーターは、タングステンやモリブデンなどの高融点金属で作られていました。グラファイト処理技術が成熟するにつれて、グラファイト部品間の接続の電気的特性が安定し、単結晶シリコン炉ヒーターがタングステン、モリブデン、その他の材料ヒーターに完全に取って代わりました。現在、最も広く使用されている黒鉛材料は等方性黒鉛です。私の国の等方性黒鉛製造技術は比較的遅れており、国内の太陽光発電産業で使用される黒鉛材料のほとんどは海外から輸入されています。外国の静水圧黒鉛メーカーには、主にドイツの SGL、日本の東海カーボン、日本の東洋炭素などが含まれます。チョクラルスキー単結晶シリコン炉では、C/C 複合材料が使用されることもあり、ボルト、ナット、るつぼ、負荷の製造に使用され始めています。プレートやその他のコンポーネント。カーボン/カーボン (C/C) 複合材は、高比強度、高比弾性率、低熱膨張係数、良好な導電性、高破壊靱性、低比重、耐熱衝撃性、耐食性、高温耐性。現在では、新しい耐高温構造材料として、航空宇宙、レース、バイオマテリアル等の分野で幅広く使用されています。現在、国産 C/C コンポジットが直面している主なボトルネックは依然としてコストと工業化の問題です。
熱フィールドの作成には他にも多くの材料が使用されます。炭素繊維強化グラファイトは機械的特性が優れています。しかし、それはより高価であり、設計上の他の要件があります。炭化ケイ素（SiC）は多くの点でグラファイトよりも優れた材料ですが、はるかに高価であり、大量の部品を準備するのが困難です。ただし、SiC は、CVDコーティング腐食性一酸化ケイ素ガスにさらされるグラファイト部品の寿命を延ばし、グラファイトによる汚染も減らすことができます。高密度 CVD 炭化ケイ素コーティングは、微多孔性グラファイト材料内部の汚染物質が表面に到達するのを効果的に防ぎます。
もう 1 つは CVD カーボンで、これもグラファイト部分の上に緻密な層を形成できます。環境と共存できるモリブデンやセラミック材料など、他の高温耐性材料も、溶融物を汚染するリスクがない場合に使用できます。ただし、酸化物セラミックは一般に高温でのグラファイト材料への適用が限られており、絶縁が必要な場合には他に選択肢がほとんどありません。 1 つは六方晶窒化ホウ素 (同様の特性のため白色グラファイトと呼ばれることもあります) ですが、機械的特性は劣ります。モリブデンは、コストが中程度であること、シリコン結晶内での拡散速度が遅いこと、偏析係数が約 5 × 108 と非常に低いため、結晶構造を破壊する前にある程度のモリブデンの汚染を許容できるため、高温の状況で合理的に使用されるのが一般的です。
2. 断熱材
最も一般的に使用される断熱材は、さまざまな形のカーボン フェルトです。カーボンフェルトは細い繊維でできており、短距離で熱放射を複数回遮断するため、断熱材として機能します。柔らかいカーボン フェルトを比較的薄い材料シートに織り込み、その後、希望の形状に切断し、適切な半径にしっかりと曲げます。硬化したフェルトは同様の繊維材料で構成されており、分散した繊維をより固体の形状の物体に結合するために炭素含有バインダーが使用されます。バインダーの代わりにカーボンの化学蒸着を使用すると、材料の機械的特性を向上させることができます。
通常、断熱硬化フェルトの外面は、浸食や磨耗、さらには粒子汚染を軽減するために、連続的なグラファイトコーティングまたはフォイルでコーティングされています。炭素発泡体など、他の種類の炭素ベースの断熱材も存在します。一般に、黒鉛化により繊維の表面積が大幅に減少するため、黒鉛化材料が明らかに好ましい。これらの高表面積材料のガス放出が大幅に減少し、炉を適切な真空まで排気するのにかかる時間が短縮されます。もう一つはC/Cコンポジット材料で、軽量、高耐傷性、高強度といった優れた特性を持っています。熱分野で黒鉛部品の交換に使用すると、黒鉛部品の交換頻度が大幅に減少し、単結晶の品質と生産の安定性が向上します。
カーボンフェルトは原料の分類により、ポリアクリロニトリル系カーボンフェルト、ビスコース系カーボンフェルト、ピッチ系カーボンフェルトに分けられます。
ポリアクリロニトリル系カーボンフェルトは灰分が多く含まれています。高温処理後、単繊維は脆くなります。運転中は粉塵が発生しやすく炉環境を汚染します。同時に、繊維は人体の毛穴や気道に容易に侵入し、人間の健康に有害です。ビスコースベースのカーボンフェルトは優れた断熱性能を持っています。熱処理後は比較的柔らかく、発塵しにくいです。しかしながら、ビスコース系原糸の断面は不規則であり、繊維表面には多数の溝が存在する。 CZシリコン炉の酸化性雰囲気下ではCO2などのガスが発生しやすく、単結晶シリコン材料中に酸素や炭素元素が析出します。主なメーカーとしてはドイツのSGL社などが挙げられます。現在、半導体単結晶産業で最も広く使用されているのはピッチ系カーボンフェルトで、断熱性能はビスコース系カーボンフェルトより劣りますが、ピッチ系カーボンフェルトの方が純度が高く、発塵も少ないです。メーカーには日本のクレハ化学や大阪ガスなどが含まれる。
カーボンフェルトは形状が固定されていないため、操作が不便です。現在、多くの企業がカーボンフェルトを硬化させたカーボンフェルトをベースにした新しい断熱材を開発しています。硬化カーボンフェルトはハードフェルトとも呼ばれ、柔らかいフェルトに樹脂を含浸させ、積層、硬化、炭化させた後、一定の形状と自立性を備えたカーボンフェルトです。
単結晶シリコンの成長品質は熱環境に直接影響され、炭素繊維断熱材はこの環境において重要な役割を果たします。炭素繊維断熱ソフトフェルトは、そのコスト優位性、優れた断熱効果、柔軟な設計、カスタマイズ可能な形状により、太陽光発電半導体業界において依然として大きな利点を持っています。また、炭素繊維硬質断熱フェルトは、その一定の強度と高い操作性により、熱分野材料市場においてより大きな開発余地を有すると考えられる。当社は断熱材分野の研究開発に力を入れており、太陽電池半導体産業の繁栄と発展を促進するために製品性能を継続的に最適化しています。
投稿日時: 2024 年 6 月 12 日