Процес вирощування монокристалічного кремнію повністю здійснюється в тепловому полі. Гарне теплове поле сприяє підвищенню якості кристалів і має вищу ефективність кристалізації. Конструкція теплового поля багато в чому визначає зміни температурних градієнтів в динамічному тепловому полі і потоку газу в камері топки. Різниця в матеріалах, які використовуються в тепловому полі, безпосередньо визначає термін служби термополя. Нерозумне теплове поле не тільки ускладнює вирощування кристалів, які відповідають вимогам якості, але також не може виростити повністю монокристалічні за певних вимог процесу. Ось чому промисловість монокристалічного кремнію з прямим витягуванням розглядає проектування теплового поля як найважливішу технологію та інвестує величезні людські та матеріальні ресурси в дослідження та розробки теплового поля.
Теплова система складається з різних матеріалів теплового поля. Ми лише коротко представимо матеріали, які використовуються в термічній сфері. Що стосується розподілу температури в тепловому полі та його впливу на витягування кристала, ми не будемо аналізувати його тут. Матеріал теплового поля відноситься до структури та теплоізоляційної частини камери вакуумної печі для вирощування кристалів, що є важливим для створення відповідного розподілу температури навколо розплаву напівпровідника та кристала.
1. Матеріал структури теплового поля
Основним несучим матеріалом для методу прямого витягування для вирощування монокристалічного кремнію є графіт високої чистоти. Графітові матеріали відіграють дуже важливу роль у сучасній промисловості. Їх можна використовувати як структурні компоненти теплового поля, наприкладобігрівачі, напрямні труби, тиглі, ізоляційні трубки, тигельні тарілки тощо при отриманні монокристалічного кремнію методом Чохральського.
Графітові матеріалиобрані тому, що їх легко готувати у великих обсягах, вони піддаються обробці та стійкі до високих температур. Вуглець у формі алмазу або графіту має вищу температуру плавлення, ніж будь-який елемент або сполука. Графітові матеріали досить міцні, особливо при високих температурах, і їх електро- і теплопровідність також досить хороша. Його електропровідність робить його придатним як aобігрівачматеріал. Має задовільний коефіцієнт теплопровідності, що дозволяє теплу, що виділяється нагрівачем, рівномірно розподілятися на тигель та інші частини теплового поля. Однак при високих температурах, особливо на великих відстанях, основним способом теплопередачі є випромінювання.
Графітові деталі спочатку виготовляються з дрібних вуглецевих частинок, змішаних зі сполучною речовиною та сформованих шляхом екструзії або ізостатичного пресування. Високоякісні графітові деталі зазвичай ізостатично пресуються. Весь шматок спочатку карбонізується, а потім графітується при дуже високих температурах, близьких до 3000°C. Частини, отримані з цих цілих частин, зазвичай очищаються в атмосфері, що містить хлор, при високих температурах для видалення металевих забруднень, щоб відповідати вимогам напівпровідникової промисловості. Однак навіть після відповідної очистки рівень забруднення металом на кілька порядків перевищує допустимий для кремнієвих монокристалічних матеріалів. Тому необхідно бути обережним при проектуванні теплового поля, щоб запобігти забрудненню цих компонентів від потрапляння в розплав або поверхню кристала.
Графітові матеріали злегка проникні, що дозволяє металу, що залишився всередині, легко досягти поверхні. Крім того, монооксид кремнію, присутній у продувному газі навколо поверхні графіту, може проникати в більшість матеріалів і реагувати.
Ранні монокристалічні кремнієві нагрівачі виготовлялися з тугоплавких металів, таких як вольфрам і молібден. Зі зростанням зрілості технології обробки графіту електричні властивості з’єднання між компонентами графіту стали стабільними, а нагрівачі з монокристалічного кремнію повністю замінили вольфрамові, молібденові та інші нагрівачі. В даний час найбільш широко використовуваним графітовим матеріалом є ізостатичний графіт. Технологія отримання ізостатичного графіту в моїй країні відносно відстала, і більшість графітових матеріалів, які використовуються у вітчизняній фотоелектричній промисловості, імпортуються з-за кордону. Іноземні виробники ізостатичного графіту в основному включають німецьку SGL, японську Tokai Carbon, японську Toyo Tanso тощо. У печах Чохральського з монокристалічного кремнію іноді використовуються композитні матеріали C/C, і вони почали використовуватися для виготовлення болтів, гайок, тиглів, навантажень плити та інші компоненти. Композитні матеріали вуглець/вуглець (C/C) — це армовані вуглецевим волокном композити на основі вуглецю з низкою чудових властивостей, таких як висока питома міцність, високий питомий модуль, низький коефіцієнт теплового розширення, хороша електропровідність, висока в’язкість до руйнування, низька питома вага, стійкість до термічного удару, стійкість до корозії та стійкість до високих температур. В даний час вони широко використовуються в аерокосмічній галузі, гонках, біоматеріалах та інших галузях як нові конструкційні матеріали, стійкі до високих температур. Наразі основними вузькими місцями, з якими стикаються вітчизняні C/C композити, все ще є питання вартості та індустріалізації.
Існує багато інших матеріалів, які використовуються для створення теплових полів. Графіт, армований вуглецевим волокном, має кращі механічні властивості; але він дорожчий і має інші вимоги до дизайну.Карбід кремнію (SiC)є кращим матеріалом, ніж графіт, у багатьох аспектах, але він набагато дорожчий і складний для виготовлення деталей великого об’єму. Однак SiC часто використовується як aCVD покриттядля збільшення терміну служби графітових частин, які піддаються впливу корозійного газу монооксиду кремнію, а також може зменшити забруднення графітом. Щільне CVD покриття з карбіду кремнію ефективно запобігає потраплянню забруднень всередині мікропористого графітового матеріалу на поверхню.
Інший – CVD carbon, який також може утворювати щільний шар над графітовою частиною. Інші високотемпературні стійкі матеріали, такі як молібден або керамічні матеріали, які можуть співіснувати з навколишнім середовищем, можна використовувати там, де немає ризику забруднення розплаву. Однак оксидна кераміка, як правило, обмежена в застосуванні до графітових матеріалів при високих температурах, і є кілька інших варіантів, якщо потрібна ізоляція. Один — гексагональний нітрид бору (іноді його називають білим графітом через схожі властивості), але механічні властивості погані. Молібден, як правило, доцільно використовувати для ситуацій із високими температурами через його помірну вартість, низьку швидкість дифузії в кристалах кремнію та дуже низький коефіцієнт сегрегації приблизно 5×108, що допускає певну кількість забруднення молібденом перед руйнуванням кристалічної структури.
2. Теплоізоляційні матеріали
Найбільш часто використовуваним ізоляційним матеріалом є карбоновий повсть у різних формах. Вуглецевий фетр складається з тонких волокон, які діють як ізоляція, оскільки багаторазово блокують теплове випромінювання на короткій відстані. М’який вуглецевий повсть сплітають у відносно тонкі листи матеріалу, які потім нарізають у потрібну форму та щільно згинають у прийнятному радіусі. Затверділий фетр складається з подібних волокнистих матеріалів, а зв’язуюча речовина, що містить вуглець, використовується для з’єднання диспергованих волокон у більш твердий і формований об’єкт. Використання хімічного осадження вуглецю з парової фази замість сполучного може поліпшити механічні властивості матеріалу.
Як правило, зовнішня поверхня термоізоляційного повсті покрита суцільним графітовим покриттям або фольгою для зменшення ерозії та зносу, а також забруднення частинками. Існують також інші типи теплоізоляційних матеріалів на основі вуглецю, наприклад, пінопласт. Загалом графітизовані матеріали, очевидно, є кращими, оскільки графітизація значно зменшує площу поверхні волокна. Виділення газу з цих матеріалів з великою площею поверхні значно зменшується, і потрібно менше часу, щоб накачати піч до відповідного вакууму. Іншим є композитний матеріал C/C, який має видатні характеристики, такі як легка вага, висока стійкість до пошкоджень і висока міцність. Використовується в теплових полях для заміни графітових деталей, що значно знижує частоту заміни графітових деталей, покращує якість монокристалів і стабільність виробництва.
Відповідно до класифікації сировини вуглецевий повсть можна розділити на вуглецевий повсть на основі поліакрилонітрилу, вуглецевий повсть на основі віскози та вуглецевий повсть на основі смоли.
Карбонова повсть на основі поліакрилонітрилу має велику зольність. Після високотемпературної обробки окреме волокно стає крихким. Під час роботи легко утворюється пил, який забруднює навколишнє середовище печі. У той же час клітковина може легко потрапити в пори і дихальні шляхи організму людини, що шкодить здоров'ю людини. Карбоновий фетр на основі віскози має хороші теплоізоляційні показники. Він відносно м'який після термічної обробки, і не легко утворювати пил. Однак поперечний переріз сирого волокна на основі віскози є нерівномірним, і на поверхні волокна є багато канавок. Легко генерувати гази, такі як C02, в окислювальній атмосфері кремнієвої печі CZ, викликаючи осадження кисню та вуглецевих елементів у монокристалічному кремнієвому матеріалі. Основними виробниками є німецька SGL та інші компанії. В даний час у напівпровідниковій монокристалічній промисловості найбільш широко використовується вуглецевий повсть на основі пеку, який має гірші теплоізоляційні характеристики, ніж вуглецевий повсть на основі віскози, але вуглецевий повсть на основі пеку має вищу чистоту та менший викид пилу. Виробники включають японську Kureha Chemical і Osaka Gas.
Оскільки форма вугільного фетру не є фіксованою, він незручний в експлуатації. Зараз багато компаній розробили новий теплоізоляційний матеріал на основі вуглецевого повсті, що затвердів. Затверділий вуглецевий повсть, який також називають твердим повстю, — це вуглецевий повсть із певною формою та властивістю самопідтримки після того, як м’який повсть просочено смолою, ламіновано, затверділо та карбонізовано.
На якість росту монокристалічного кремнію безпосередньо впливає теплове середовище, а теплоізоляційні матеріали з вуглецевого волокна відіграють ключову роль у цьому середовищі. Теплоізоляційний м’який фетр з вуглецевого волокна все ще має значну перевагу в промисловості фотоелектричних напівпровідників завдяки своїй економічній перевагі, чудовому теплоізоляційному ефекту, гнучкому дизайну та настроюваній формі. Крім того, твердий теплоізоляційний фетр із вуглецевого волокна матиме більше простору для розвитку на ринку матеріалів теплового поля завдяки його певній міцності та вищій працездатності. Ми прагнемо до досліджень і розробок у сфері теплоізоляційних матеріалів і постійно оптимізуємо продуктивність продукції, щоб сприяти процвітанню та розвитку промисловості фотоелектричних напівпровідників.
Час публікації: 12 червня 2024 р