Quá trình tăng trưởng của silicon đơn tinh thể hoàn toàn được thực hiện trong trường nhiệt. Trường nhiệt tốt có lợi cho việc cải thiện chất lượng tinh thể và có hiệu suất kết tinh cao hơn. Thiết kế của trường nhiệt quyết định phần lớn sự thay đổi độ dốc nhiệt độ trong trường nhiệt động và dòng khí trong buồng lò. Sự khác biệt về vật liệu được sử dụng trong trường nhiệt quyết định trực tiếp đến tuổi thọ của trường nhiệt. Trường nhiệt không hợp lý không chỉ khó phát triển các tinh thể đáp ứng yêu cầu chất lượng mà còn không thể phát triển đơn tinh thể hoàn chỉnh theo các yêu cầu quy trình nhất định. Đây là lý do tại sao ngành công nghiệp silicon đơn tinh thể kéo trực tiếp coi thiết kế trường nhiệt là công nghệ cốt lõi nhất và đầu tư nguồn nhân lực và vật chất khổng lồ vào nghiên cứu và phát triển trường nhiệt.
Hệ thống nhiệt bao gồm nhiều vật liệu trường nhiệt khác nhau. Chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược về các loại vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt. Về sự phân bố nhiệt độ trong trường nhiệt và tác động của nó lên lực kéo tinh thể, chúng tôi sẽ không phân tích ở đây. Vật liệu trường nhiệt đề cập đến cấu trúc và bộ phận cách nhiệt trong buồng lò chân không của sự phát triển tinh thể, điều này rất cần thiết để tạo ra sự phân bố nhiệt độ thích hợp xung quanh chất bán dẫn nóng chảy và tinh thể.
1. Vật liệu kết cấu trường nhiệt
Vật liệu hỗ trợ cơ bản cho phương pháp kéo trực tiếp để phát triển silicon đơn tinh thể là than chì có độ tinh khiết cao. Vật liệu than chì đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Chúng có thể được sử dụng làm thành phần cấu trúc trường nhiệt nhưmáy sưởi, ống dẫn hướng, nồi nấu kim loại, ống cách nhiệt, khay đựng chén nung, v.v. trong điều chế silicon đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski.
Vật liệu than chìđược lựa chọn vì chúng dễ chuẩn bị với khối lượng lớn, có thể chế biến và chịu được nhiệt độ cao. Carbon ở dạng kim cương hoặc than chì có điểm nóng chảy cao hơn bất kỳ nguyên tố hoặc hợp chất nào. Vật liệu than chì khá bền, đặc biệt ở nhiệt độ cao và độ dẫn điện, dẫn nhiệt của chúng cũng khá tốt. Tính dẫn điện của nó làm cho nó thích hợp như mộtlò sưởivật liệu. Nó có hệ số dẫn nhiệt thỏa đáng, cho phép nhiệt do lò sưởi tạo ra được phân bổ đều đến nồi nấu kim loại và các bộ phận khác của trường nhiệt. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trên khoảng cách xa, hình thức truyền nhiệt chủ yếu là bức xạ.
Các bộ phận than chì ban đầu được làm từ các hạt cacbon mịn trộn với chất kết dính và được hình thành bằng cách ép đùn hoặc ép đẳng tĩnh. Các bộ phận than chì chất lượng cao thường được ép đẳng tĩnh. Toàn bộ mảnh đầu tiên được cacbon hóa và sau đó được than chì hóa ở nhiệt độ rất cao, gần 3000°C. Các bộ phận được xử lý từ những mảnh này thường được tinh chế trong môi trường chứa clo ở nhiệt độ cao để loại bỏ tạp chất kim loại nhằm đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, ngay cả sau khi tinh chế thích hợp, mức độ ô nhiễm kim loại vẫn cao hơn nhiều bậc so với mức cho phép đối với vật liệu đơn tinh thể silicon. Do đó, cần phải cẩn thận trong thiết kế trường nhiệt để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của các thành phần này xâm nhập vào bề mặt tan chảy hoặc tinh thể.
Vật liệu than chì có tính thấm nhẹ, giúp kim loại còn lại bên trong dễ dàng tiếp cận bề mặt. Ngoài ra, silicon monoxide có trong khí tẩy xung quanh bề mặt than chì có thể xâm nhập vào hầu hết các vật liệu và phản ứng.
Lò sưởi silicon đơn tinh thể ban đầu được làm bằng kim loại chịu lửa như vonfram và molypden. Với sự trưởng thành ngày càng tăng của công nghệ xử lý than chì, các tính chất điện của kết nối giữa các thành phần than chì đã trở nên ổn định và lò sưởi silicon đơn tinh thể đã thay thế hoàn toàn lò sưởi vonfram, molypden và các vật liệu khác. Hiện nay, vật liệu than chì được sử dụng rộng rãi nhất là than chì đẳng tĩnh. Công nghệ điều chế than chì đẳng tĩnh của nước tôi tương đối lạc hậu, hầu hết nguyên liệu than chì dùng trong ngành quang điện trong nước đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Các nhà sản xuất than chì đẳng áp nước ngoài chủ yếu bao gồm SGL của Đức, Tokai Carbon của Nhật Bản, Toyo Tanso của Nhật Bản, v.v. Trong lò nung silicon đơn tinh thể Czochralski, vật liệu composite C/C đôi khi được sử dụng và chúng bắt đầu được sử dụng để sản xuất bu lông, đai ốc, nồi nấu kim loại, tải trọng. tấm và các thành phần khác. Vật liệu tổng hợp carbon/carbon (C/C) là vật liệu tổng hợp dựa trên carbon được gia cố bằng sợi carbon với một loạt các đặc tính tuyệt vời như cường độ riêng cao, mô đun riêng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn điện tốt, độ bền gãy cao, trọng lượng riêng thấp, khả năng chống sốc nhiệt, chống ăn mòn và chịu nhiệt độ cao. Hiện nay, chúng được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, đua xe, vật liệu sinh học và các lĩnh vực khác làm vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao mới. Hiện tại, điểm nghẽn chính mà vật liệu tổng hợp C/C trong nước gặp phải vẫn là vấn đề chi phí và công nghiệp hóa.
Có nhiều vật liệu khác được sử dụng để tạo ra trường nhiệt. Than chì gia cố bằng sợi carbon có tính chất cơ học tốt hơn; nhưng nó đắt hơn và có những yêu cầu khác về thiết kế.Cacbua silic (SiC)là một vật liệu tốt hơn than chì về nhiều mặt, nhưng nó đắt hơn và khó chế tạo các bộ phận có khối lượng lớn hơn nhiều. Tuy nhiên, SiC thường được sử dụng như mộtlớp phủ CVDđể tăng tuổi thọ của các bộ phận bằng than chì tiếp xúc với khí silicon monoxide ăn mòn và cũng có thể làm giảm ô nhiễm từ than chì. Lớp phủ cacbua silic CVD dày đặc ngăn chặn hiệu quả các chất gây ô nhiễm bên trong vật liệu than chì vi xốp tiếp cận bề mặt.
Một loại khác là carbon CVD, cũng có thể tạo thành một lớp dày đặc phía trên phần than chì. Các vật liệu chịu nhiệt độ cao khác, chẳng hạn như vật liệu molypden hoặc gốm có thể cùng tồn tại với môi trường, có thể được sử dụng ở những nơi không có nguy cơ làm ô nhiễm chất tan chảy. Tuy nhiên, gốm oxit thường bị hạn chế về khả năng ứng dụng đối với vật liệu than chì ở nhiệt độ cao và có rất ít lựa chọn khác nếu cần cách nhiệt. Một là boron nitride hình lục giác (đôi khi được gọi là than chì trắng do tính chất tương tự), nhưng tính chất cơ học kém. Molypden thường được sử dụng hợp lý trong các tình huống nhiệt độ cao vì chi phí vừa phải, tốc độ khuếch tán thấp trong tinh thể silicon và hệ số phân tách rất thấp khoảng 5×108, cho phép nhiễm một lượng molypden nhất định trước khi phá hủy cấu trúc tinh thể.
2. Vật liệu cách nhiệt
Vật liệu cách nhiệt được sử dụng phổ biến nhất là nỉ cacbon ở nhiều dạng khác nhau. Nỉ carbon được làm từ các sợi mỏng, có tác dụng cách nhiệt vì chúng chặn bức xạ nhiệt nhiều lần trong một khoảng cách ngắn. Nỉ carbon mềm được dệt thành các tấm vật liệu tương đối mỏng, sau đó được cắt thành hình dạng mong muốn và uốn chặt thành bán kính hợp lý. Các loại nỉ đã qua xử lý bao gồm các vật liệu sợi tương tự và chất kết dính chứa carbon được sử dụng để kết nối các sợi phân tán thành một vật thể rắn chắc và có hình dạng hơn. Việc sử dụng sự lắng đọng hơi hóa học của carbon thay vì chất kết dính có thể cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.
Thông thường, bề mặt bên ngoài của lớp nỉ bảo dưỡng cách nhiệt được phủ một lớp than chì hoặc giấy bạc liên tục để giảm xói mòn và mài mòn cũng như ô nhiễm hạt. Các loại vật liệu cách nhiệt gốc carbon khác cũng tồn tại, chẳng hạn như bọt carbon. Nhìn chung, vật liệu graphit hóa rõ ràng được ưa thích hơn vì quá trình grafit hóa làm giảm đáng kể diện tích bề mặt của sợi. Sự thoát khí của các vật liệu có diện tích bề mặt cao này giảm đáng kể và mất ít thời gian hơn để bơm lò đến chân không thích hợp. Một loại khác là vật liệu composite C/C, có các đặc tính vượt trội như trọng lượng nhẹ, khả năng chịu hư hại cao và độ bền cao. Được sử dụng trong các trường nhiệt để thay thế các bộ phận than chì làm giảm đáng kể tần suất thay thế các bộ phận than chì, cải thiện chất lượng đơn tinh thể và độ ổn định sản xuất.
Theo phân loại nguyên liệu thô, nỉ carbon có thể được chia thành nỉ carbon dựa trên polyacrylonitrile, nỉ carbon dựa trên viscose và nỉ carbon dựa trên cao độ.
Nỉ carbon gốc polyacrylonitrile có hàm lượng tro lớn. Sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, sợi đơn trở nên giòn. Trong quá trình vận hành dễ phát sinh bụi gây ô nhiễm môi trường lò. Đồng thời, chất xơ có thể dễ dàng xâm nhập vào lỗ chân lông và đường hô hấp của cơ thể con người, gây hại cho sức khỏe con người. Nỉ carbon gốc viscose có hiệu suất cách nhiệt tốt. Nó tương đối mềm sau khi xử lý nhiệt và không dễ tạo ra bụi. Tuy nhiên, mặt cắt ngang của sợi thô gốc viscose không đều và có nhiều rãnh trên bề mặt sợi. Rất dễ tạo ra các khí như C02 trong môi trường oxy hóa của lò silicon CZ, gây ra sự kết tủa của các nguyên tố oxy và carbon trong vật liệu silicon đơn tinh thể. Các nhà sản xuất chính bao gồm SGL của Đức và các công ty khác. Hiện nay, loại được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn đơn tinh thể là nỉ cacbon gốc hắc ín, loại nỉ này có hiệu suất cách nhiệt kém hơn nỉ cacbon gốc viscose, nhưng nỉ cacbon gốc hắc ín có độ tinh khiết cao hơn và phát thải bụi thấp hơn. Các nhà sản xuất bao gồm Kureha Chemical và Osaka Gas của Nhật Bản.
Do hình dạng của nỉ carbon không cố định nên vận hành bất tiện. Hiện nay, nhiều công ty đã phát triển một loại vật liệu cách nhiệt mới dựa trên nỉ cacbon được xử lý bằng nỉ carbon. Nỉ cacbon đã xử lý, còn gọi là nỉ cứng, là loại nỉ cacbon có hình dạng và đặc tính tự duy trì nhất định sau khi nỉ mềm được tẩm nhựa, ép nhiều lớp, xử lý và cacbon hóa.
Chất lượng tăng trưởng của silicon đơn tinh thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi môi trường nhiệt và vật liệu cách nhiệt bằng sợi carbon đóng vai trò chính trong môi trường này. Nỉ mềm cách nhiệt bằng sợi carbon vẫn có lợi thế đáng kể trong ngành bán dẫn quang điện do lợi thế về chi phí, hiệu quả cách nhiệt tuyệt vời, thiết kế linh hoạt và hình dạng có thể tùy chỉnh. Ngoài ra, nỉ cách nhiệt cứng bằng sợi carbon sẽ có không gian phát triển lớn hơn trên thị trường vật liệu trường nhiệt do độ bền nhất định và khả năng hoạt động cao hơn. Chúng tôi cam kết nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực vật liệu cách nhiệt, đồng thời liên tục tối ưu hóa hiệu suất sản phẩm nhằm thúc đẩy sự thịnh vượng và phát triển của ngành bán dẫn quang điện.
Thời gian đăng: 12-06-2024