Le processus de croissance du silicium monocristallin s'effectue entièrement sous champ thermique. Un champ thermique performant améliore la qualité des cristaux et offre une meilleure efficacité de cristallisation. La conception du champ thermique détermine en grande partie les variations de gradients de température dans le champ thermique dynamique et le flux de gaz dans la chambre du four. La diversité des matériaux utilisés influence directement sa durée de vie. Un champ thermique excessif rend non seulement difficile la croissance de cristaux répondant aux exigences de qualité, mais aussi impossible la croissance de silicium monocristallin complet dans certaines conditions de procédé. C'est pourquoi l'industrie du silicium monocristallin à tirage direct considère la conception du champ thermique comme sa technologie de base et investit d'importantes ressources humaines et matérielles dans la recherche et le développement de ce domaine.
Le système thermique est composé de différents matériaux de champ thermique. Nous ne présenterons que brièvement les matériaux utilisés dans le champ thermique. Quant à la distribution de température dans le champ thermique et à son impact sur l'étirage des cristaux, nous ne l'analyserons pas ici. Le matériau de champ thermique désigne la structure et l'isolation thermique de la chambre du four à vide de croissance cristalline, essentielles à la création d'une distribution de température appropriée autour du semi-conducteur fondu et du cristal.
1. Matériau de structure du champ thermique
Le matériau de base pour la croissance du silicium monocristallin par tirage direct est le graphite de haute pureté. Les matériaux graphites jouent un rôle essentiel dans l'industrie moderne. Ils peuvent être utilisés comme composants structurels à champ thermique, tels que :radiateurs, tubes de guidage, creusets, tubes isolants, plateaux de creuset, etc. dans la préparation du silicium monocristallin par la méthode Czochralski.
Matériaux en graphiteIls sont sélectionnés pour leur facilité de préparation en grandes quantités, leur facilité de mise en œuvre et leur résistance aux températures élevées. Le carbone, sous forme de diamant ou de graphite, possède un point de fusion plus élevé que tout autre élément ou composé. Les matériaux en graphite sont très résistants, notamment à haute température, et leur conductivité électrique et thermique est également excellente. Sa conductivité électrique en fait un matériau idéal pourchauffageMatériau. Son coefficient de conductivité thermique est satisfaisant, ce qui permet une répartition uniforme de la chaleur générée par le dispositif de chauffage entre le creuset et les autres parties du champ thermique. Cependant, à haute température, notamment sur de longues distances, le principal mode de transfert thermique est le rayonnement.
Les pièces en graphite sont initialement constituées de fines particules carbonées mélangées à un liant, puis formées par extrusion ou pressage isostatique. Les pièces en graphite de haute qualité sont généralement pressées isostatiquement. La pièce entière est d'abord carbonisée, puis graphitée à très haute température, proche de 3 000 °C. Les pièces ainsi fabriquées sont généralement purifiées à haute température dans une atmosphère chlorée afin d'éliminer toute contamination métallique et de répondre aux exigences de l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, même après une purification adéquate, le niveau de contamination métallique est plusieurs fois supérieur à celui autorisé pour les matériaux monocristallins en silicium. Par conséquent, il est essentiel de veiller à la conception du champ thermique afin d'éviter toute contamination de ces composants à la surface du métal fondu ou du cristal.
Les matériaux en graphite sont légèrement perméables, ce qui permet au métal restant à l'intérieur d'atteindre facilement la surface. De plus, le monoxyde de silicium présent dans le gaz de purge autour de la surface du graphite peut pénétrer dans la plupart des matériaux et réagir.
Les premiers éléments chauffants des fours en silicium monocristallin étaient fabriqués à partir de métaux réfractaires tels que le tungstène et le molybdène. Avec la maturité croissante des technologies de traitement du graphite, les propriétés électriques de la liaison entre les composants en graphite se sont stabilisées, et les éléments chauffants en silicium monocristallin ont complètement remplacé les éléments chauffants en tungstène, en molybdène et autres matériaux. Actuellement, le graphite le plus utilisé est le graphite isostatique. La technologie de préparation du graphite isostatique en Chine est relativement arriérée, et la plupart des matériaux en graphite utilisés dans l'industrie photovoltaïque nationale sont importés. Parmi les principaux fabricants étrangers de graphite isostatique figurent SGL (Allemagne), Tokai Carbon (Japon) et Toyo Tanso (Japon). Dans les fours en silicium monocristallin de Czochralski, des matériaux composites C/C sont parfois utilisés, et ils ont commencé à être utilisés pour la fabrication de boulons, d'écrous, de creusets, de plaques de charge et d'autres composants. Les composites carbone/carbone (C/C) sont des composites à base de carbone renforcés de fibres de carbone, présentant d'excellentes propriétés telles qu'une résistance spécifique élevée, un module spécifique élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne conductivité électrique, une ténacité à la rupture élevée, une faible densité, une résistance aux chocs thermiques, une résistance à la corrosion et une résistance aux hautes températures. Ils sont actuellement largement utilisés dans l'aérospatiale, la course automobile, les biomatériaux et d'autres domaines comme nouveaux matériaux de structure résistants aux hautes températures. À l'heure actuelle, les principaux obstacles rencontrés par les composites C/C nationaux restent les problèmes de coût et d'industrialisation.
De nombreux autres matériaux sont utilisés pour fabriquer des champs thermiques. Le graphite renforcé de fibres de carbone présente de meilleures propriétés mécaniques, mais il est plus coûteux et sa conception requiert des exigences spécifiques.Carbure de silicium (SiC)Le SiC est un matériau supérieur au graphite à bien des égards, mais il est beaucoup plus coûteux et difficile à fabriquer en grandes quantités. Cependant, le SiC est souvent utilisé commerevêtement CVDPour prolonger la durée de vie des pièces en graphite exposées au monoxyde de silicium corrosif, et réduire la contamination par le graphite, le revêtement dense en carbure de silicium CVD empêche efficacement les contaminants présents dans le graphite microporeux d'atteindre la surface.
Le carbone CVD peut également former une couche dense au-dessus de la pièce en graphite. D'autres matériaux résistants aux hautes températures, comme le molybdène ou les céramiques compatibles avec l'environnement, peuvent être utilisés lorsqu'il n'y a aucun risque de contamination de la masse fondue. Cependant, les céramiques à base d'oxydes sont généralement limitées dans leur application aux matériaux en graphite à haute température, et il existe peu d'autres options si une isolation est nécessaire. Le nitrure de bore hexagonal (parfois appelé graphite blanc en raison de propriétés similaires) est un exemple, mais ses propriétés mécaniques sont médiocres. Le molybdène est généralement utilisé raisonnablement pour les applications à haute température en raison de son coût modéré, de sa faible vitesse de diffusion dans les cristaux de silicium et de son très faible coefficient de ségrégation d'environ 5 × 108, ce qui permet une certaine contamination par le molybdène avant la destruction de la structure cristalline.
2. Matériaux d'isolation thermique
Le matériau isolant le plus couramment utilisé est le feutre de carbone, sous diverses formes. Composé de fibres fines, il agit comme isolant en bloquant le rayonnement thermique à plusieurs reprises sur une courte distance. Ce feutre souple est tissé en feuilles relativement fines, qui sont ensuite découpées à la forme souhaitée et pliées selon un rayon raisonnable. Les feutres durcis sont composés de fibres similaires, et un liant contenant du carbone est utilisé pour relier les fibres dispersées afin de former un objet plus solide et plus profilé. L'utilisation du dépôt chimique en phase vapeur de carbone, à la place d'un liant, peut améliorer les propriétés mécaniques du matériau.
Généralement, la surface extérieure du feutre de durcissement d'isolation thermique est recouverte d'une couche ou d'une feuille continue de graphite afin de réduire l'érosion, l'usure et la contamination particulaire. D'autres types de matériaux d'isolation thermique à base de carbone existent également, comme la mousse de carbone. En général, les matériaux graphités sont privilégiés, car la graphitisation réduit considérablement la surface de la fibre. Le dégazage de ces matériaux à grande surface est considérablement réduit et le temps de pompage du four à un vide approprié est plus court. Un autre matériau est le composite C/C, qui présente des caractéristiques exceptionnelles telles que la légèreté, une tolérance élevée aux dommages et une résistance élevée. Utilisé dans les domaines thermiques pour remplacer les pièces en graphite, il réduit considérablement la fréquence de remplacement des pièces en graphite et améliore la qualité monocristalline et la stabilité de la production.
Selon la classification des matières premières, le feutre de carbone peut être divisé en feutre de carbone à base de polyacrylonitrile, feutre de carbone à base de viscose et feutre de carbone à base de brai.
Le feutre de carbone à base de polyacrylonitrile présente une forte teneur en cendres. Après un traitement à haute température, la fibre devient cassante. Pendant le fonctionnement, il génère facilement de la poussière qui pollue l'environnement du four. De plus, la fibre peut facilement pénétrer dans les pores et les voies respiratoires du corps humain, ce qui est nocif pour la santé. Le feutre de carbone à base de viscose offre de bonnes performances d'isolation thermique. Relativement souple après traitement thermique, il génère peu de poussière. Cependant, la section transversale de la fibre brute à base de viscose est irrégulière et présente de nombreuses rainures à sa surface. Sous l'atmosphère oxydante du four à silicium CZ, des gaz tels que le CO2 peuvent facilement se former, ce qui entraîne la précipitation d'oxygène et de carbone dans le silicium monocristallin. Parmi les principaux fabricants figurent l'entreprise allemande SGL et d'autres entreprises. Actuellement, le feutre de carbone à base de brai le plus utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs monocristallins est celui à base de brai, dont les performances d'isolation thermique sont inférieures à celles du feutre de carbone à base de viscose, mais qui présente une pureté supérieure et une émission de poussières plus faible. Parmi les fabricants figurent les sociétés japonaises Kureha Chemical et Osaka Gas.
La forme du feutre de carbone n'étant pas fixe, son utilisation est peu pratique. De nombreuses entreprises ont développé un nouveau matériau d'isolation thermique à base de feutre de carbone durci. Le feutre de carbone durci, également appelé feutre dur, est un feutre de carbone présentant une forme et une autonomie spécifiques après imprégnation de résine, laminage, durcissement et carbonisation.
La qualité de croissance du silicium monocristallin est directement influencée par l'environnement thermique, et les matériaux d'isolation thermique en fibre de carbone jouent un rôle clé dans cet environnement. Le feutre souple d'isolation thermique en fibre de carbone conserve un avantage significatif dans l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques grâce à son coût avantageux, son excellent effet d'isolation thermique, sa conception flexible et sa forme personnalisable. De plus, le feutre dur d'isolation thermique en fibre de carbone bénéficiera d'un plus grand potentiel de développement sur le marché des matériaux thermiques grâce à sa résistance et sa grande opérabilité. Nous nous engageons dans la recherche et le développement dans le domaine des matériaux d'isolation thermique et optimisons continuellement les performances de nos produits afin de favoriser la prospérité et le développement de l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques.
Date de publication : 12 juin 2024