المواد الهامة التي تحدد جودة نمو السيليكون أحادي البلورة – المجال الحراري

تتم عملية نمو السيليكون أحادي البلورة بالكامل في المجال الحراري. يُحسّن المجال الحراري الجيد جودة البلورات ويزيد من كفاءة التبلور. يُحدد تصميم المجال الحراري بشكل كبير تغيرات تدرجات درجة الحرارة في المجال الحراري الديناميكي وتدفق الغاز في حجرة الفرن. يُحدد اختلاف المواد المستخدمة في المجال الحراري بشكل مباشر عمر خدمة المجال الحراري. لا يُصعّب المجال الحراري غير المُناسب نمو بلورات تُلبي متطلبات الجودة فحسب، بل يُعيق أيضًا نمو بلورات أحادية البلورة بالكامل في ظل متطلبات عملية مُحددة. لهذا السبب، تُعتبر صناعة السيليكون أحادي البلورة بالسحب المباشر تصميم المجال الحراري أهم التقنيات، وتُخصص موارد بشرية ومادية هائلة للبحث والتطوير في المجال الحراري.

يتكون النظام الحراري من مواد مجال حراري متنوعة. سنقدم نبذة مختصرة عن المواد المستخدمة في المجال الحراري. أما بالنسبة لتوزيع درجة الحرارة في المجال الحراري وتأثيره على سحب البلورات، فلن نتناوله هنا. تشير مادة المجال الحراري إلى الهيكل والعزل الحراري في حجرة الفرن المفرغ لنمو البلورات، وهو أمر أساسي لخلق توزيع مناسب لدرجة الحرارة حول مصهور أشباه الموصلات والبلورة.

1. مادة هيكل المجال الحراري

المادة الأساسية الداعمة لطريقة السحب المباشر لإنتاج السيليكون أحادي البلورة هي الجرافيت عالي النقاء. تلعب مواد الجرافيت دورًا بالغ الأهمية في الصناعة الحديثة، حيث يمكن استخدامها كمكونات هيكلية للحقل الحراري، مثل:سخانات, أنابيب التوجيه, بوتقات، أنابيب العزل، صواني البوتقة، وما إلى ذلك في تحضير السيليكون أحادي البلورة بطريقة تشوكرالسكي.

مواد الجرافيتيتم اختيارها لسهولة تحضيرها بكميات كبيرة، وإمكانية معالجتها، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية. يتميز الكربون في شكل الماس أو الجرافيت بدرجة انصهار أعلى من أي عنصر أو مركب آخر. تتميز مواد الجرافيت بقوة عالية، خاصةً في درجات الحرارة العالية، كما أن موصليتها الكهربائية والحرارية ممتازة. تجعلها موصليتها الكهربائية مناسبة كـسخانمادة ذات معامل توصيل حراري جيد، مما يسمح بتوزيع الحرارة الناتجة عن السخان بالتساوي على البوتقة وأجزاء أخرى من المجال الحراري. مع ذلك، عند درجات الحرارة العالية، وخاصةً لمسافات طويلة، يكون الإشعاع هو الأسلوب الرئيسي لنقل الحرارة.

تُصنع أجزاء الجرافيت في البداية من جسيمات كربونية دقيقة ممزوجة بمادة رابطة، وتُشكل بالبثق أو الضغط المتساوي. عادةً ما تُكبس أجزاء الجرافيت عالية الجودة بطريقة متساوية الضغط. تُكربن القطعة بأكملها أولًا، ثم تُحوّل إلى جرافيت عند درجات حرارة عالية جدًا، تقترب من 3000 درجة مئوية. تُنقى الأجزاء المُعالجة من هذه القطع الكاملة عادةً في جو يحتوي على الكلور عند درجات حرارة عالية لإزالة التلوث المعدني، بما يلبي متطلبات صناعة أشباه الموصلات. ومع ذلك، حتى بعد التنقية المناسبة، يكون مستوى التلوث المعدني أعلى بعدة مرات من المستوى المسموح به في مواد السيليكون أحادية البلورة. لذلك، يجب توخي الحذر عند تصميم المجال الحراري لمنع تلوث هذه المكونات من دخول المصهور أو سطح البلورة.

مواد الجرافيت نفاذة قليلاً، مما يُسهّل وصول المعدن المتبقي داخلها إلى السطح. إضافةً إلى ذلك، يُمكن لأول أكسيد السيليكون الموجود في غاز التطهير المحيط بسطح الجرافيت أن يخترق معظم المواد ويتفاعل معها.

صُنعت سخانات أفران السيليكون أحادية البلورة المبكرة من معادن حرارية مثل التنغستن والموليبدينوم. ومع ازدياد نضج تكنولوجيا معالجة الجرافيت، أصبحت الخصائص الكهربائية للوصلات بين مكونات الجرافيت مستقرة، وحلت سخانات أفران السيليكون أحادية البلورة محل سخانات التنغستن والموليبدينوم ومواد أخرى تمامًا. يُعد الجرافيت متساوي التضاغط حاليًا أكثر مواد الجرافيت استخدامًا. وتُعد تكنولوجيا تحضير الجرافيت متساوي التضاغط في بلدي متأخرة نسبيًا، حيث تُستورد معظم مواد الجرافيت المستخدمة في صناعة الطاقة الكهروضوئية المحلية من الخارج. ومن أبرز الشركات الأجنبية المُصنّعة للجرافيت متساوي التضاغط شركة SGL الألمانية، وشركة Tokai Carbon اليابانية، وشركة Toyo Tanso اليابانية، وغيرها. في أفران السيليكون أحادية البلورة Czochralski، تُستخدم أحيانًا مواد C/C المركبة، وقد بدأ استخدامها في تصنيع البراغي والصواميل والبوتقات وألواح التحميل وغيرها من المكونات. مركبات الكربون/الكربون (C/C) هي مركبات كربونية مُقوّاة بألياف الكربون، وتتميز بخصائص ممتازة، مثل القوة النوعية العالية، ومعامل المرونة النوعي العالي، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والتوصيل الكهربائي الجيد، ومتانة الكسر العالية، والثقل النوعي المنخفض، ومقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية. تُستخدم هذه المركبات حاليًا على نطاق واسع في صناعات الطيران، وسباقات السيارات، والمواد الحيوية، وغيرها من المجالات، كمواد هيكلية جديدة مقاومة لدرجات الحرارة العالية. في الوقت الحالي، لا تزال التكلفة والتصنيع هما العائقين الرئيسيين أمام تصنيع مركبات الكربون/الكربون المحلية.

تُستخدم العديد من المواد الأخرى في صناعة المجالات الحرارية. يتميز الجرافيت المقوى بألياف الكربون بخصائص ميكانيكية أفضل، ولكنه أغلى ثمناً ويتطلب تصميماً مختلفاً.كربيد السيليكون (SiC)مادة أفضل من الجرافيت في جوانب عديدة، لكنها أغلى ثمناً ويصعب تحضير أجزاء كبيرة الحجم منها. مع ذلك، يُستخدم كربيد السيليكون غالباً كـطلاء الترسيب الكيميائي البخاريلزيادة عمر قطع الجرافيت المعرضة لغاز أول أكسيد السيليكون التآكلي، والحد من تلوث الجرافيت. يمنع طلاء كربيد السيليكون بالبخار الكيميائي (CVD) الكثيف الملوثات الموجودة داخل مادة الجرافيت الدقيقة المسامية من الوصول إلى السطح بفعالية.

هناك أيضًا كربون الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والذي يُمكنه أيضًا تكوين طبقة كثيفة فوق جزء الجرافيت. يُمكن استخدام مواد أخرى مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مثل الموليبدينوم أو المواد الخزفية التي يُمكنها التعايش مع البيئة، حيث لا يوجد خطر تلويث المصهور. ومع ذلك، فإن سيراميك الأكسيد محدود بشكل عام في قابليته للتطبيق على مواد الجرافيت في درجات الحرارة العالية، وهناك خيارات أخرى قليلة إذا كان العزل مطلوبًا. أحدها هو نيتريد البورون السداسي (يُسمى أحيانًا الجرافيت الأبيض نظرًا لخصائصه المتشابهة)، ولكن خصائصه الميكانيكية ضعيفة. يُستخدم الموليبدينوم بشكل عام بشكل معقول في حالات درجات الحرارة العالية نظرًا لتكلفته المعتدلة، ومعدل انتشاره المنخفض في بلورات السيليكون، ومعامل فصله المنخفض جدًا البالغ حوالي 5 × 108، مما يسمح بقدر معين من تلوث الموليبدينوم قبل تدمير البنية البلورية.

2. مواد العزل الحراري

أكثر مواد العزل شيوعًا هو لباد الكربون بأشكاله المختلفة. يُصنع لباد الكربون من ألياف رقيقة تعمل كعازل لأنها تحجب الإشعاع الحراري عدة مرات على مسافة قصيرة. يُنسج لباد الكربون الناعم في صفائح رقيقة نسبيًا، تُقطع بعد ذلك بالشكل المطلوب وتُثنى بإحكام بنصف قطر مناسب. تتكون اللبادات المعالجة من مواد ليفية مماثلة، ويُستخدم رابط يحتوي على الكربون لربط الألياف المشتتة لتكوين جسم أكثر صلابة وشكلًا. يمكن أن يُحسّن استخدام الترسيب الكيميائي للبخار للكربون بدلًا من الرابط الخواص الميكانيكية للمادة.

عادةً ما يُطلى السطح الخارجي للباد المُعالج للعزل الحراري بطبقة أو رقاقة جرافيت مستمرة لتقليل التآكل والتلف، بالإضافة إلى الحد من تلوث الجسيمات. كما تتوفر أنواع أخرى من مواد العزل الحراري القائمة على الكربون، مثل رغوة الكربون. بشكل عام، تُفضل المواد الجرافيتية لأنها تُقلل بشكل كبير من مساحة سطح الألياف. كما يُقلل إطلاق الغازات من هذه المواد ذات مساحة السطح العالية بشكل كبير، ويستغرق ضخ الفرن إلى الفراغ المناسب وقتًا أقل. ومن المواد المركبة الأخرى مادة الكربون/الكربون، التي تتميز بخصائص مميزة مثل خفة الوزن، ومقاومة التلف العالية، والقوة العالية. تُستخدم في المجالات الحرارية لاستبدال أجزاء الجرافيت، مما يقلل بشكل كبير من تكرار استبدال أجزاء الجرافيت، ويحسن جودة البلورات الأحادية واستقرار الإنتاج.

وفقا لتصنيف المواد الخام، يمكن تقسيم لباد الكربون إلى لباد كربون قائم على البولي أكريلونيتريل، ولباد كربون قائم على الفسكوز، ولباد كربون قائم على الملعب.
يحتوي لباد الكربون المصنوع من البولي أكريلونيتريل على نسبة عالية من الرماد. بعد المعالجة بدرجات حرارة عالية، يصبح الليف هشًا. أثناء التشغيل، من السهل توليد الغبار الذي يلوث بيئة الفرن. في الوقت نفسه، يمكن للألياف أن تدخل بسهولة إلى مسام جسم الإنسان والجهاز التنفسي، مما يضر بصحة الإنسان. يتميز لباد الكربون المصنوع من الفسكوز بأداء عزل حراري جيد. وهو ناعم نسبيًا بعد المعالجة الحرارية ولا يسهل توليد الغبار. ومع ذلك، فإن المقطع العرضي للألياف الخام المصنوعة من الفسكوز غير منتظم، وهناك العديد من الأخاديد على سطح الألياف. من السهل توليد غازات مثل ثاني أكسيد الكربون تحت الغلاف الجوي المؤكسد لفرن السيليكون CZ، مما يتسبب في ترسب الأكسجين وعناصر الكربون في مادة السيليكون أحادية البلورة. تشمل الشركات المصنعة الرئيسية شركة SGL الألمانية وشركات أخرى. حاليًا، يُعدّ اللباد الكربوني المُصنّع من القار الأكثر استخدامًا في صناعة أشباه الموصلات أحادية البلورة، وهو أقل عزلًا حراريًا من اللباد الكربوني المُصنّع من الفسكوز، إلا أن اللباد الكربوني المُصنّع من القار يتميز بنقاء أعلى وانبعاثات غبار أقل. ومن بين الشركات المصنّعة له شركتا Kureha Chemical وOsaka Gas اليابانيتان.
لأن شكل لباد الكربون غير ثابت، فإنه غير مريح في الاستخدام. وقد طورت العديد من الشركات مؤخرًا مادة عزل حراري جديدة تعتمد على لباد الكربون المُعالج باللباد الكربوني. لباد الكربون المُعالج، المعروف أيضًا باسم اللباد الصلب، هو لباد كربوني ذو شكل معين وخاصية استدامة ذاتية بعد تشريب اللباد الناعم بالراتنج، ثم تصفيحه، ومعالجته، وتفحمه.

تتأثر جودة نمو السيليكون أحادي البلورة بشكل مباشر بالبيئة الحرارية، وتلعب مواد العزل الحراري المصنوعة من ألياف الكربون دورًا محوريًا في هذه البيئة. ولا يزال اللباد العازل الحراري الناعم المصنوع من ألياف الكربون يتمتع بميزة كبيرة في صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية بفضل تكلفته المنخفضة، وتأثيره الممتاز في العزل الحراري، وتصميمه المرن، وشكله القابل للتخصيص. علاوة على ذلك، سيحظى اللباد العازل الحراري الصلب المصنوع من ألياف الكربون بفرصة تطوير أكبر في سوق مواد المجال الحراري بفضل متانته العالية وكفاءته العالية. نحن ملتزمون بالبحث والتطوير في مجال مواد العزل الحراري، ونواصل تحسين أداء منتجاتنا لتعزيز ازدهار وتطور صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية.