المواد المهمة التي تحدد جودة نمو السيليكون أحادي البلورة - المجال الحراري

تتم عملية نمو السيليكون أحادي البلورة بالكامل داخل المجال الحراري. يُسهم المجال الحراري الجيد في تحسين جودة البلورات وزيادة كفاءة التبلور. ويُحدد تصميم المجال الحراري إلى حد كبير التغيرات في تدرجات درجة الحرارة داخل المجال الحراري الديناميكي وتدفق الغاز في حجرة الفرن. كما يُحدد اختلاف المواد المستخدمة في المجال الحراري عمره الافتراضي. فالمجال الحراري غير المناسب لا يُصعّب فقط نمو بلورات تُلبي متطلبات الجودة، بل يمنع أيضًا نمو بلورات أحادية البلورة كاملة في ظل متطلبات عملية معينة. ولذلك، تُولي صناعة السيليكون أحادي البلورة بتقنية السحب المباشر أهمية قصوى لتصميم المجال الحراري، وتستثمر موارد بشرية ومادية ضخمة في أبحاث وتطوير هذا المجال.

يتكون النظام الحراري من مواد مختلفة للمجال الحراري. سنقدم هنا نبذة مختصرة عن المواد المستخدمة في هذا المجال. أما بالنسبة لتوزيع درجة الحرارة في المجال الحراري وتأثيره على عملية سحب البلورات، فلن نتناوله هنا. تشير مادة المجال الحراري إلى هيكل وعزل حجرة فرن التفريغ المستخدمة في نمو البلورات، وهو أمر بالغ الأهمية لتوفير توزيع حراري مناسب حول مصهور أشباه الموصلات والبلورات.

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 في مجال التبريد، مثل...سخانات, أنابيب التوجيه, بوتقات، أنابيب العزل، وصواني البوتقة، وما إلى ذلك في تحضير السيليكون أحادي البلورة بطريقة تشوخرالسكي.

مواد الجرافيتيتم اختيارها لسهولة تحضيرها بكميات كبيرة، وإمكانية معالجتها، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية. يتميز الكربون، في صورة الماس أو الجرافيت، بنقطة انصهار أعلى من أي عنصر أو مركب آخر. مواد الجرافيت قوية للغاية، خاصة عند درجات الحرارة العالية، كما أن موصليتها الكهربائية والحرارية جيدة جدًا. موصليتها الكهربائية تجعلها مناسبة كـسخانالمادة. تتميز بمعامل توصيل حراري مُرضٍ، مما يسمح بتوزيع الحرارة المتولدة من السخان بالتساوي على البوتقة وأجزاء أخرى من المجال الحراري. مع ذلك، عند درجات الحرارة العالية، وخاصةً على مسافات طويلة، يكون الإشعاع هو نمط انتقال الحرارة الرئيسي.

تُصنع أجزاء الجرافيت في البداية من جزيئات كربونية دقيقة ممزوجة بمادة رابطة، وتُشكّل عن طريق البثق أو الضغط المتساوي. عادةً ما تُصنع أجزاء الجرافيت عالية الجودة بالضغط المتساوي. تُكربن القطعة بأكملها أولاً، ثم تُحوّل إلى جرافيت عند درجات حرارة عالية جدًا، تقارب 3000 درجة مئوية. تُنقى الأجزاء المُصنّعة من هذه القطع الكاملة عادةً في جو يحتوي على الكلور عند درجات حرارة عالية لإزالة التلوث المعدني، وذلك لتلبية متطلبات صناعة أشباه الموصلات. مع ذلك، حتى بعد التنقية المناسبة، يظل مستوى التلوث المعدني أعلى بعدة مراتب من المستوى المسموح به في مواد السيليكون أحادية البلورة. لذلك، يجب توخي الحذر في تصميم المجال الحراري لمنع تلوث هذه المكونات من الوصول إلى المصهور أو سطح البلورة.

تتميز مواد الجرافيت بنفاذية طفيفة، مما يسهل وصول المعدن المتبقي في الداخل إلى السطح. إضافةً إلى ذلك، يمكن لأحادي أكسيد السيليكون الموجود في غاز التنقية المحيط بسطح الجرافيت أن يتغلغل في معظم المواد ويتفاعل معها.

كانت سخانات أفران السيليكون أحادي البلورة المبكرة تُصنع من معادن حرارية مثل التنجستن والموليبدينوم. ومع تطور تقنية معالجة الجرافيت، استقرت الخصائص الكهربائية للوصلات بين مكونات الجرافيت، وحلت سخانات أفران السيليكون أحادي البلورة محل سخانات التنجستن والموليبدينوم وغيرها من المواد. حاليًا، يُعد الجرافيت المُصنّع بتقنية الضغط المتساوي أكثر أنواع الجرافيت استخدامًا. إلا أن تقنية تحضير الجرافيت بتقنية الضغط المتساوي في بلدي لا تزال متخلفة نسبيًا، ومعظم مواد الجرافيت المستخدمة في صناعة الخلايا الكهروضوئية المحلية مستوردة من الخارج. ومن أبرز الشركات المصنعة الأجنبية للجرافيت بتقنية الضغط المتساوي: شركة SGL الألمانية، وشركة Tokai Carbon اليابانية، وشركة Toyo Tanso اليابانية، وغيرها. في أفران تشوخرالسكي للسيليكون أحادي البلورة، تُستخدم أحيانًا مواد مركبة من الكربون والكربون، وقد بدأ استخدامها في تصنيع البراغي والصواميل والبواتق وألواح التحميل وغيرها من المكونات. تُعدّ مركبات الكربون/الكربون (C/C) مركبات كربونية مُدعّمة بألياف الكربون، وتتميز بخصائص ممتازة، منها: قوة نوعية عالية، ومعامل مرونة نوعي عالٍ، ومعامل تمدد حراري منخفض، وموصلية كهربائية جيدة، ومقاومة عالية للكسر، وكثافة نوعية منخفضة، ومقاومة للصدمات الحرارية، ومقاومة للتآكل، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية. وتُستخدم هذه المركبات حاليًا على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء، وسباقات السيارات، والمواد الحيوية، وغيرها، كمواد هيكلية جديدة مقاومة لدرجات الحرارة العالية. ولا تزال أبرز التحديات التي تواجه إنتاج مركبات الكربون/الكربون محليًا هي التكلفة والتصنيع على نطاق واسع.

تُستخدم مواد أخرى كثيرة في صناعة الحقول الحرارية. يتميز الجرافيت المقوى بألياف الكربون بخصائص ميكانيكية أفضل، ولكنه أغلى ثمناً ويتطلب متطلبات تصميمية أخرى.كربيد السيليكون (SiC)يُعدّ كربيد السيليكون مادةً أفضل من الجرافيت في جوانب عديدة، ولكنه أغلى ثمناً بكثير ويصعب تحضير أجزاء منه بكميات كبيرة. ومع ذلك، يُستخدم كربيد السيليكون غالباً كـطلاء الترسيب الكيميائي للبخارلزيادة عمر أجزاء الجرافيت المعرضة لغاز أول أكسيد السيليكون المسبب للتآكل، كما يمكن أن يقلل من التلوث الناتج عن الجرافيت. يمنع طلاء كربيد السيليكون الكثيف المُصنّع بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وصول الملوثات الموجودة داخل مادة الجرافيت المسامية الدقيقة إلى السطح بشكل فعال.

يُعد الكربون المُصنّع بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) خيارًا آخر، إذ يُمكنه أيضًا تكوين طبقة كثيفة فوق جزء الجرافيت. ويمكن استخدام مواد أخرى مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مثل الموليبدينوم أو المواد الخزفية التي تتوافق مع البيئة، في حال عدم وجود خطر تلوث المادة المنصهرة. مع ذلك، فإن استخدام الخزف الأكسيدي محدود عمومًا في معالجة مواد الجرافيت عند درجات الحرارة العالية، كما أن الخيارات الأخرى قليلة في حال الحاجة إلى العزل. ومن هذه الخيارات نتريد البورون السداسي (الذي يُسمى أحيانًا بالجرافيت الأبيض لتشابه خصائصه)، إلا أن خصائصه الميكانيكية ضعيفة. ويُستخدم الموليبدينوم بشكل معقول في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية نظرًا لتكلفته المتوسطة، وانخفاض معدل انتشاره في بلورات السيليكون، ومعامل فصله المنخفض جدًا الذي يبلغ حوالي 5×10⁸، مما يسمح بوجود كمية معينة من تلوث الموليبدينوم قبل أن يُؤثر سلبًا على البنية البلورية.

2. مواد العزل الحراري

يُعدّ لباد الكربون، بأشكاله المختلفة، أكثر مواد العزل استخدامًا. يتكون لباد الكربون من ألياف دقيقة تعمل كعازل حراري لقدرتها على منع الإشعاع الحراري عدة مرات على مسافة قصيرة. يُنسج لباد الكربون الناعم على شكل صفائح رقيقة نسبيًا، ثم تُقطع إلى الشكل المطلوب وتُثنى بإحكام لتكوين نصف قطر مناسب. أما اللباد المُعالَج، فيتكون من ألياف مماثلة، ويُستخدم رابط يحتوي على الكربون لربط الألياف المتناثرة وتكوين جسم أكثر صلابة وتماسكًا. يُمكن تحسين الخواص الميكانيكية للمادة باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار للكربون بدلًا من الرابط.

عادةً، يُغطى السطح الخارجي للطبقة العازلة للحرارة بطبقة متصلة من الجرافيت أو رقائق معدنية للحد من التآكل والتلف وتلوث الجسيمات. توجد أنواع أخرى من مواد العزل الحراري الكربونية، مثل رغوة الكربون. وبشكل عام، تُفضل المواد المُجرافنة لأن عملية الجرافيت تُقلل بشكل كبير من مساحة سطح الألياف. كما تُقلل هذه المواد ذات المساحة السطحية العالية من انبعاث الغازات، وتُقلل من الوقت اللازم لتفريغ الفرن إلى مستوى الفراغ المناسب. ومن المواد الأخرى مادة C/C المركبة، التي تتميز بخصائص رائعة مثل خفة الوزن، ومقاومة عالية للتلف، وقوة عالية. استخدامها في المجالات الحرارية كبديل لأجزاء الجرافيت يُقلل بشكل كبير من عدد مرات استبدال أجزاء الجرافيت، ويُحسّن جودة البلورة الأحادية، ويُعزز استقرار الإنتاج.

وفقًا لتصنيف المواد الخام، يمكن تقسيم لباد الكربون إلى لباد كربون قائم على البولي أكريلونيتريل، ولباد كربون قائم على الفسكوز، ولباد كربون قائم على القطران.
يحتوي لباد الكربون المصنوع من البولي أكريلونيتريل على نسبة عالية من الرماد. بعد المعالجة الحرارية، تصبح الألياف هشة. أثناء التشغيل، يسهل توليد الغبار الذي يلوث بيئة الفرن. في الوقت نفسه، يمكن للألياف أن تدخل بسهولة إلى مسام الجهاز التنفسي، مما يضر بصحة الإنسان. يتميز لباد الكربون المصنوع من الفسكوز بأداء عزل حراري جيد. وهو لين نسبيًا بعد المعالجة الحرارية، ولا يُنتج الغبار بسهولة. ومع ذلك، فإن المقطع العرضي للألياف الخام المصنوعة من الفسكوز غير منتظم، وتوجد العديد من الأخاديد على سطح الألياف. يسهل توليد غازات مثل ثاني أكسيد الكربون في ظل جو مؤكسد لفرن السيليكون CZ، مما يؤدي إلى ترسب عنصري الأكسجين والكربون في مادة السيليكون أحادية البلورة. من أبرز الشركات المصنعة شركة SGL الألمانية وغيرها. يُعدّ لباد الكربون المصنوع من القار حاليًا الأكثر استخدامًا في صناعة أشباه الموصلات أحادية البلورة، على الرغم من أن أداءه في العزل الحراري أقل من لباد الكربون المصنوع من الفسكوز، إلا أنه يتميز بنقاوة أعلى وانبعاثات غبار أقل. ومن بين الشركات المصنعة له شركتا كوريها كيميكال وأوساكا غاز اليابانيتان.
نظرًا لعدم ثبات شكل لباد الكربون، فإن استخدامه غير عملي. وقد طورت العديد من الشركات مادة عازلة حرارية جديدة تعتمد على لباد الكربون، وهي لباد الكربون المعالج. يُعرف لباد الكربون المعالج أيضًا باسم اللباد الصلب، وهو عبارة عن لباد كربون ذي شكل محدد وخاصية الحفاظ على شكله بعد تشريب اللباد اللين بالراتنج، ثم تغليفه، ومعالجته، وكربنته.

تتأثر جودة نمو السيليكون أحادي البلورة بشكل مباشر بالبيئة الحرارية، وتلعب مواد العزل الحراري المصنوعة من ألياف الكربون دورًا محوريًا في هذه البيئة. لا تزال ألياف الكربون اللينة العازلة حراريًا تتمتع بميزة تنافسية كبيرة في صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية نظرًا لانخفاض تكلفتها، وفعاليتها الممتازة في العزل الحراري، ومرونتها في التصميم، وإمكانية تخصيص شكلها. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تحظى ألياف الكربون الصلبة العازلة حراريًا بفرص نمو أكبر في سوق مواد العزل الحراري نظرًا لمتانتها العالية وسهولة استخدامها. نحن ملتزمون بالبحث والتطوير في مجال مواد العزل الحراري، ونسعى باستمرار لتحسين أداء منتجاتنا لتعزيز ازدهار وتطور صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية.