단결정 실리콘의 성장 과정은 전적으로 열장에서 이루어진다. 좋은 열장은 결정의 품질을 향상시키는 데 도움이 되며 결정화 효율이 더 높습니다. 열장의 설계는 동적 열장의 온도 구배 변화와 퍼니스 챔버의 가스 흐름을 크게 결정합니다. 열장에 사용되는 재료의 차이는 열장의 사용 수명을 직접적으로 결정합니다. 불합리한 열장은 품질 요구 사항을 충족하는 결정을 성장시키기 어려울 뿐만 아니라 특정 공정 요구 사항에서 완전한 단결정을 성장시킬 수도 없습니다. 이것이 바로 다이렉트 풀 단결정 실리콘 산업이 열장 설계를 가장 핵심 기술로 여기고 열장 연구 개발에 막대한 인력과 물적 자원을 투자하는 이유입니다.
열 시스템은 다양한 열장 재료로 구성됩니다. 열분야에 사용되는 재료에 대해서만 간략하게 소개하겠습니다. 열장의 온도 분포와 이것이 결정 당김에 미치는 영향에 대해서는 여기서 분석하지 않겠습니다. 열장재료란 결정 성장을 위한 진공로 챔버의 구조 및 단열 부품을 말하며, 이는 반도체 용융물과 결정 주위에 적절한 온도 분포를 만드는 데 필수적입니다.
1. 열장 구조 재료
단결정 실리콘을 성장시키기 위한 다이렉트 풀 방식의 기본 지지체는 고순도 흑연이다. 흑연 재료는 현대 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. 그들은 다음과 같은 열장 구조 구성 요소로 사용될 수 있습니다.히터, 가이드 튜브, 도가니, 절연 튜브, 도가니 트레이 등이 Czochralski 방법에 의한 단결정 실리콘 제조에 사용됩니다.
흑연 재료대량으로 준비하기 쉽고 가공이 가능하며 고온에 강하기 때문에 선택됩니다. 다이아몬드나 흑연 형태의 탄소는 어떤 원소나 화합물보다 녹는점이 더 높습니다. 흑연 소재는 특히 고온에서 매우 강하며 전기 및 열 전도성도 매우 좋습니다. 전기 전도성으로 인해 다음과 같은 용도로 적합합니다.히터재료. 이는 히터에서 생성된 열이 도가니 및 열장의 다른 부분에 고르게 분산될 수 있도록 만족스러운 열전도 계수를 가지고 있습니다. 그러나 고온, 특히 장거리의 경우 주요 열 전달 모드는 복사입니다.
흑연 부품은 초기에 결합제와 혼합된 미세한 탄소질 입자로 만들어졌으며 압출 또는 등압 성형에 의해 형성됩니다. 고품질 흑연 부품은 일반적으로 등압 압착됩니다. 전체 조각은 먼저 탄화되고 3000°C에 가까운 매우 높은 온도에서 흑연화됩니다. 이러한 전체 조각으로 가공된 부품은 일반적으로 반도체 산업의 요구 사항을 충족하기 위해 금속 오염을 제거하기 위해 고온의 염소 함유 분위기에서 정제됩니다. 그러나 적절한 정제 후에도 금속 오염 수준은 실리콘 단결정 소재에 허용되는 것보다 몇 배 더 높습니다. 따라서 이러한 구성 요소의 오염이 용융물이나 결정 표면에 유입되지 않도록 열장 설계에 주의를 기울여야 합니다.
흑연 소재는 투과성이 낮아 내부에 남아 있는 금속이 표면에 쉽게 닿을 수 있습니다. 또한 흑연 표면 주변의 퍼지 가스에 존재하는 일산화규소는 대부분의 재료에 침투하여 반응할 수 있습니다.
초기 단결정 실리콘 퍼니스 히터는 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 내화성 금속으로 만들어졌습니다. 흑연 처리 기술의 성숙도가 높아짐에 따라 흑연 구성 요소 간 연결의 전기적 특성이 안정되었으며 단결정 실리콘로 히터가 텅스텐, 몰리브덴 및 기타 재료 히터를 완전히 대체했습니다. 현재 가장 널리 사용되는 흑연 재료는 등방성 흑연입니다. 우리나라의 등방성 흑연 제조 기술은 상대적으로 낙후되어 있으며 국내 태양광 산업에 사용되는 흑연 재료의 대부분은 해외에서 수입됩니다. 해외 등방흑연 제조사로는 주로 독일의 SGL, 일본의 Tokai Carbon, 일본의 Toyo Tanso 등이 있다. Czochralski 단결정 실리콘 로에는 C/C 복합재료가 가끔 사용되며 볼트, 너트, 도가니, 로드 등을 제조하는데 사용되기 시작했다. 접시 및 기타 구성 요소. 탄소/탄소(C/C) 복합재는 고비강도, 고비탄성률, 낮은 열팽창계수, 우수한 전기전도도, 높은 파괴인성, 저비중, 열충격 저항, 내식성 및 고열 저항. 현재, 그들은 새로운 고온 저항 구조 재료로 항공 우주, 경주, 생체 재료 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 현재 국내 C/C 복합재가 겪는 주요 병목 현상은 여전히 비용 및 산업화 문제입니다.
열장을 만드는 데 사용되는 다른 많은 재료가 있습니다. 탄소 섬유 강화 흑연은 더 나은 기계적 특성을 가지고 있습니다. 그러나 더 비싸고 디자인에 대한 다른 요구 사항이 있습니다.실리콘 카바이드(SiC)흑연보다 여러 면에서 좋은 소재이지만 가격이 훨씬 비싸고 대량의 부품을 준비하기가 어렵습니다. 그러나 SiC는 종종 다음과 같은 용도로 사용됩니다.CVD 코팅부식성 일산화규소 가스에 노출되는 흑연 부품의 수명을 늘리고 흑연으로 인한 오염을 줄일 수도 있습니다. 조밀한 CVD 실리콘 카바이드 코팅은 미세 다공성 흑연 재료 내부의 오염 물질이 표면에 도달하는 것을 효과적으로 방지합니다.
또 다른 하나는 흑연 부분 위에 치밀한 층을 형성할 수 있는 CVD 탄소입니다. 환경과 공존할 수 있는 몰리브덴 또는 세라믹 재료와 같은 기타 고온 내성 재료는 용융물을 오염시킬 위험이 없는 경우 사용할 수 있습니다. 그러나 산화물 세라믹은 일반적으로 고온에서 흑연 재료에 대한 적용이 제한되며 절연이 필요한 경우 다른 옵션이 거의 없습니다. 하나는 육방정계 질화붕소(특성이 유사하여 백색 흑연이라고도 함)이지만 기계적 특성이 좋지 않습니다. 몰리브덴은 일반적으로 합리적인 가격, 실리콘 결정의 낮은 확산 속도 및 결정 구조를 파괴하기 전에 일정량의 몰리브덴 오염을 허용하는 약 5×108의 매우 낮은 분리 계수로 인해 고온 상황에 합리적으로 사용됩니다.
2. 단열재
가장 일반적으로 사용되는 단열재는 다양한 형태의 카본펠트(Carbon Felt)입니다. 카본펠트는 얇은 섬유로 이루어져 있는데, 이는 짧은 거리에서 열복사를 여러 번 차단하기 때문에 단열재 역할을 합니다. 부드러운 탄소 펠트는 상대적으로 얇은 재료 시트로 직조된 다음 원하는 모양으로 자르고 적당한 반경으로 단단히 구부립니다. 경화된 펠트는 유사한 섬유 재료로 구성되며 탄소 함유 바인더는 분산된 섬유를 보다 단단하고 모양이 잡힌 물체로 연결하는 데 사용됩니다. 바인더 대신 탄소의 화학 기상 증착을 사용하면 재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
일반적으로 단열 경화 펠트의 외부 표면은 침식 및 마모는 물론 미립자 오염을 줄이기 위해 연속 흑연 코팅 또는 호일로 코팅됩니다. 탄소 폼과 같은 다른 유형의 탄소 기반 단열재도 존재합니다. 일반적으로 흑연화는 섬유의 표면적을 크게 감소시키기 때문에 흑연화 재료가 분명히 선호됩니다. 이러한 표면적이 큰 재료의 가스 방출은 크게 줄어들고 퍼니스를 적절한 진공 상태로 펌핑하는 데 시간이 덜 걸립니다. 또 다른 하나는 C/C 복합재료로 경량, 높은 내손상성, 고강도 등 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 흑연 부품을 교체하기 위해 열장에 사용하면 흑연 부품 교체 빈도가 크게 줄어들고 단결정 품질과 생산 안정성이 향상됩니다.
카본펠트는 원재료 분류에 따라 폴리아크릴로니트릴계 카본펠트, 비스코스계 카본펠트, 피치계 카본펠트로 구분됩니다.
폴리아크릴로니트릴 기반의 카본 펠트는 회분 함량이 높습니다. 고온 처리 후에는 단일 섬유가 부서지기 쉽습니다. 작동 중에는 먼지가 발생하여 퍼니스 환경을 오염시키기 쉽습니다. 동시에 섬유는 인체의 모공과 호흡기로 쉽게 들어갈 수 있어 인체 건강에 해로울 수 있습니다. 비스코스 기반의 카본 펠트는 단열 성능이 좋습니다. 열처리 후 비교적 부드럽고 먼지가 발생하기 쉽지 않습니다. 그러나 비스코스계 생섬유는 단면이 불규칙하고, 섬유 표면에 홈이 많이 존재한다. CZ 실리콘 퍼니스의 산화 분위기에서 CO2와 같은 가스를 생성하기 쉽고 단결정 실리콘 재료에 산소 및 탄소 원소가 침전됩니다. 주요 제조업체에는 독일 SGL 및 기타 회사가 포함됩니다. 현재 반도체 단결정 산업에서 가장 널리 사용되고 있는 것은 피치계 카본펠트인데, 이는 비스코스계 카본펠트에 비해 단열 성능은 떨어지지만, 피치계 카본펠트는 순도가 높고 분진 배출이 적다. 제조사로는 일본의 구레하화학(Kureha Chemical)과 오사카가스(Osaka Gas)가 있다.
카본펠트의 형태가 고정되어 있지 않아 조작이 불편합니다. 이제 많은 회사들이 카본 펠트-경화 카본 펠트를 기반으로 한 새로운 단열재를 개발했습니다. 하드펠트라고도 불리는 경화탄소펠트는 연질펠트에 수지를 함침시켜 적층, 경화, 탄화시킨 후 일정한 형태와 자립성을 갖는 탄소펠트입니다.
단결정 실리콘의 성장 품질은 열 환경에 직접적인 영향을 받으며, 탄소 섬유 단열재는 이러한 환경에서 중요한 역할을 합니다. 탄소 섬유 단열 소프트 펠트는 비용 이점, 우수한 단열 효과, 유연한 디자인 및 맞춤형 모양으로 인해 광전지 반도체 산업에서 여전히 중요한 이점을 가지고 있습니다. 또한, 탄소섬유 경질 단열 펠트는 특정 강도와 높은 조작성으로 인해 열전재료 시장에서 더 큰 개발 공간을 갖게 될 것입니다. 우리는 단열재 분야의 연구 개발에 전념하고 있으며, 광전지 반도체 산업의 번영과 발전을 촉진하기 위해 지속적으로 제품 성능을 최적화합니다.
게시 시간: 2024년 6월 12일