Процесс роста монокристаллического кремния полностью осуществляется в термическом поле. Хорошее тепловое поле способствует улучшению качества кристаллов и имеет более высокую эффективность кристаллизации. Конструкция теплового поля во многом определяет изменение градиентов температуры в динамическом тепловом поле и поток газа в камере печи. Разница в материалах, используемых в тепловом поле, напрямую определяет срок службы теплового поля. Необоснованное тепловое поле не только затрудняет выращивание кристаллов, отвечающих требованиям качества, но также не позволяет вырастить полностью монокристаллический продукт при определенных технологических требованиях. Вот почему промышленность монокристаллического кремния прямого вытягивания рассматривает проектирование тепловых полей как основную технологию и вкладывает огромные человеческие и материальные ресурсы в исследования и разработки тепловых полей.
Тепловая система состоит из различных тепловых полевых материалов. Мы лишь кратко представляем материалы, используемые в термической области. Что касается распределения температуры в тепловом поле и его влияния на вытягивание кристалла, то мы не будем здесь его анализировать. Материал теплового поля относится к структуре и теплоизоляционной части камеры вакуумной печи для выращивания кристаллов, что важно для создания соответствующего распределения температуры вокруг полупроводникового расплава и кристалла.
1. Материал структуры теплового поля
Основным вспомогательным материалом для метода прямого вытягивания монокристаллического кремния является графит высокой чистоты. Графитовые материалы играют очень важную роль в современной промышленности. Их можно использовать в качестве структурных компонентов теплового поля, таких какобогреватели, направляющие трубки, тигли, изоляционные трубки, тигельные лотки и т. д. при получении монокристаллического кремния методом Чохральского.
Графитовые материалывыбраны потому, что их легко приготовить в больших объемах, можно обрабатывать и они устойчивы к высоким температурам. Углерод в форме алмаза или графита имеет более высокую температуру плавления, чем любой элемент или соединение. Графитовые материалы довольно прочны, особенно при высоких температурах, а их электро- и теплопроводность также весьма хороши. Его электропроводность делает его пригодным в качествеобогревательматериал. Он имеет удовлетворительный коэффициент теплопроводности, что позволяет теплу, выделяемому нагревателем, равномерно распределяться по тиглю и другим частям теплового поля. Однако при высоких температурах, особенно на больших расстояниях, основным способом теплопередачи является излучение.
Графитовые детали изначально изготавливаются из мелких углеродистых частиц, смешанных со связующим и формованных методом экструзии или изостатического прессования. Детали из высококачественного графита обычно подвергаются изостатическому прессованию. Вся деталь сначала карбонизируется, а затем графитируется при очень высоких температурах, близких к 3000°C. Детали, обработанные из этих цельных кусков, обычно очищают в хлорсодержащей атмосфере при высоких температурах для удаления металлических загрязнений в соответствии с требованиями полупроводниковой промышленности. Однако даже после надлежащей очистки уровень загрязнения металлами на несколько порядков превышает допустимый для кремниевых монокристаллических материалов. Поэтому при проектировании теплового поля необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить попадание загрязнений этих компонентов в расплав или на поверхность кристалла.
Графитовые материалы слегка проницаемы, что позволяет оставшемуся внутри металлу легко достичь поверхности. Кроме того, моноксид кремния, присутствующий в продувочном газе вокруг поверхности графита, может проникать в большинство материалов и вступать в реакцию.
Ранние нагреватели печей из монокристаллического кремния изготавливались из тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. С развитием технологии обработки графита электрические свойства соединения между компонентами графита стали стабильными, а нагреватели печи из монокристаллического кремния полностью заменили нагреватели из вольфрама, молибдена и других материалов. В настоящее время наиболее широко используемым графитовым материалом является изостатический графит. Технология получения изостатического графита в моей стране относительно отстала, и большая часть графитовых материалов, используемых в отечественной фотоэлектрической промышленности, импортируется из-за границы. К зарубежным производителям изостатического графита в основном относятся немецкая SGL, японская Tokai Carbon, японская Toyo Tanso и др. В печах монокристаллического кремния Чохральского иногда используются C/C-композитные материалы, которые стали применять для изготовления болтов, гаек, тиглей, загрузок. пластины и другие компоненты. Углерод/углеродные (C/C) композиты представляют собой композиты на основе углерода, армированные углеродным волокном, с рядом превосходных свойств, таких как высокая удельная прочность, высокий удельный модуль, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая электропроводность, высокая вязкость разрушения, низкий удельный вес, термостойкость, коррозионная стойкость и устойчивость к высоким температурам. В настоящее время они широко используются в аэрокосмической, гоночной, биоматериальной и других областях как новые конструкционные материалы, устойчивые к высоким температурам. В настоящее время основными узкими местами, с которыми сталкиваются отечественные композиты C/C, по-прежнему являются проблемы стоимости и индустриализации.
Есть много других материалов, используемых для создания тепловых полей. Графит, армированный углеродным волокном, имеет лучшие механические свойства; но он дороже и имеет другие требования к дизайну.Карбид кремния (SiC)во многих отношениях лучший материал, чем графит, но он гораздо дороже и его сложнее изготавливать крупногабаритные детали. Однако SiC часто используется в качествеCVD-покрытиеувеличить срок службы графитовых деталей, подвергающихся воздействию агрессивного газа монооксида кремния, а также уменьшить загрязнение графитом. Плотное CVD-покрытие из карбида кремния эффективно предотвращает попадание загрязнений внутри микропористого графитового материала на поверхность.
Другой — углерод CVD, который также может образовывать плотный слой над графитовой частью. Другие устойчивые к высоким температурам материалы, такие как молибден или керамические материалы, которые могут сосуществовать с окружающей средой, могут использоваться там, где нет риска загрязнения расплава. Однако применимость оксидной керамики к графитовым материалам при высоких температурах обычно ограничена, и других вариантов, если требуется изоляция, немного. Один из них — гексагональный нитрид бора (иногда называемый белым графитом из-за схожих свойств), но механические свойства плохие. Молибден обычно разумно используется в условиях высоких температур из-за его умеренной стоимости, низкой скорости диффузии в кристаллах кремния и очень низкого коэффициента сегрегации, примерно 5×108, что позволяет внести определенное количество молибденовых загрязнений перед разрушением кристаллической структуры.
2. Теплоизоляционные материалы
Наиболее часто используемый изоляционный материал — углеродный войлок в различных формах. Углеродный войлок состоит из тонких волокон, которые действуют как изоляция, поскольку многократно блокируют тепловое излучение на небольшом расстоянии. Мягкий углеродный войлок ткут в относительно тонкие листы материала, которым затем придают нужную форму и плотно сгибают до приемлемого радиуса. Отвержденный войлок состоит из аналогичных волокнистых материалов, а углеродсодержащее связующее используется для соединения рассеянных волокон в более твердый и сформированный объект. Использование химического осаждения углерода вместо связующего позволяет улучшить механические свойства материала.
Обычно внешняя поверхность термоизоляционного войлока покрыта непрерывным графитовым покрытием или фольгой для уменьшения эрозии и износа, а также загрязнения твердыми частицами. Существуют также другие типы теплоизоляционных материалов на основе углерода, например углеродная пена. В целом графитизированные материалы явно предпочтительнее, поскольку графитизация значительно уменьшает площадь поверхности волокна. Выделение газов из этих материалов с большой площадью поверхности значительно снижается, и для откачки печи до подходящего вакуума требуется меньше времени. Другим примером является композитный материал C/C, который обладает выдающимися характеристиками, такими как легкий вес, высокая устойчивость к повреждениям и высокая прочность. Использование в термических полях для замены графитовых деталей существенно снижает частоту замены графитовых деталей, повышает качество монокристаллов и стабильность производства.
В соответствии с классификацией сырья углеродный войлок можно разделить на углеродный войлок на основе полиакрилонитрила, углеродный войлок на основе вискозы и углеродный войлок на основе пека.
Углеродный войлок на основе полиакрилонитрила имеет большую зольность. После высокотемпературной обработки одиночное волокно становится хрупким. Во время работы легко образуется пыль, загрязняющая окружающую среду печи. В то же время клетчатка легко попадает в поры и дыхательные пути человеческого организма, что вредно для здоровья человека. Карбоновый войлок на основе вискозы обладает хорошими теплоизоляционными характеристиками. После термообработки он относительно мягкий и не образует пыли. Однако поперечное сечение необработанного волокна на основе вискозы неравномерно, и на поверхности волокна имеется множество борозд. В окислительной атмосфере кремниевой печи CZ легко образовываться такие газы, как CO2, что приводит к осаждению элементов кислорода и углерода в монокристаллическом кремниевом материале. Основными производителями являются немецкая SGL и другие компании. В настоящее время в полупроводниковой монокристаллической промышленности наиболее широко используется углеродный войлок на основе пека, который имеет худшие теплоизоляционные характеристики, чем углеродный войлок на основе вискозы, но углеродный войлок на основе пека имеет более высокую чистоту и меньший выброс пыли. Производителями являются японские компании Kureha Chemical и Osaka Gas.
Поскольку форма углеродного войлока не фиксирована, с ним неудобно работать. Сейчас многие компании разработали новый теплоизоляционный материал на основе углеродного войлока, отвержденного углеродным войлоком. Отвержденный углеродный войлок, также называемый твердым войлоком, представляет собой углеродный войлок определенной формы и самоподдерживающихся свойств после того, как мягкий войлок пропитан смолой, ламинирован, отвержден и карбонизирован.
На качество роста монокристаллического кремния напрямую влияет тепловая среда, и теплоизоляционные материалы из углеродного волокна играют в этой среде ключевую роль. Мягкий войлок для теплоизоляции из углеродного волокна по-прежнему имеет значительное преимущество в фотоэлектрической полупроводниковой промышленности благодаря своей экономической выгоде, превосходному теплоизоляционному эффекту, гибкому дизайну и настраиваемой форме. Кроме того, твердый теплоизоляционный войлок из углеродного волокна будет иметь большее пространство для развития на рынке тепловых полевых материалов благодаря своей определенной прочности и более высокой эксплуатационной способности. Мы стремимся к исследованиям и разработкам в области теплоизоляционных материалов и постоянно оптимизируем характеристики продукции, чтобы способствовать процветанию и развитию фотоэлектрической полупроводниковой промышленности.
Время публикации: 12 июня 2024 г.