חומרים חשובים הקובעים את איכות צמיחת הסיליקון המונוקריסטלי - שדה תרמי

תהליך הגידול של סיליקון חד-קריסטלי מתבצע כולו בשדה תרמי. שדה תרמי טוב תורם לשיפור איכות הגבישים ובעל יעילות התגבשות גבוהה יותר. תכנון השדה התרמי קובע במידה רבה את השינויים בגרדיאנטים של הטמפרטורה בשדה התרמי הדינמי ואת זרימת הגז בתא הכבשן. ההבדל בחומרים המשמשים בשדה התרמי קובע ישירות את חיי השירות של השדה התרמי. שדה תרמי לא סביר לא רק מקשה על גידול גבישים העומדים בדרישות האיכות, אלא גם אינו יכול לגדל חד-קריסטליים שלמים תחת דרישות תהליך מסוימות. זו הסיבה שתעשיית הסיליקון החד-קריסטלי במשיכה ישירה רואה בתכנון שדה תרמי את הטכנולוגיה המרכזית ביותר ומשקיעה משאבי כוח אדם וחומרים עצומים במחקר ופיתוח של שדה תרמי.

המערכת התרמית מורכבת מחומרים שונים של שדה תרמי. נציג בקצרה רק את החומרים המשמשים בשדה התרמי. באשר לפיזור הטמפרטורה בשדה התרמי והשפעתו על משיכת גבישים, לא ננתח זאת כאן. חומר השדה התרמי מתייחס למבנה ולחלק הבידוד התרמי בתא תנור הוואקום של צמיחת הגביש, החיוני ליצירת פיזור טמפרטורה מתאים סביב המוליך למחצה והגביש.

1. חומר מבנה שדה תרמי

חומר התמיכה הבסיסי לשיטת המשיכה הישירה לגידול סיליקון חד-גבישי הוא גרפיט בעל טוהר גבוה. חומרי גרפיט ממלאים תפקיד חשוב מאוד בתעשייה המודרנית. ניתן להשתמש בהם כרכיבים מבניים של שדה חום כגוןתנורי חימום, צינורות הנחיה, כורי היתוך, צינורות בידוד, מגשי כור היתוך וכו' בהכנת סיליקון חד-גבישי בשיטת צ'וכרלסקי.

חומרי גרפיטנבחרים משום שקל להכין אותם בכמויות גדולות, ניתן לעבד אותם ועמידים לטמפרטורות גבוהות. לפחמן בצורת יהלום או גרפיט יש נקודת התכה גבוהה יותר מכל יסוד או תרכובת. חומרי גרפיט חזקים למדי, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, וגם המוליכות החשמלית והתרמית שלהם טובה למדי. המוליכות החשמלית שלו הופכת אותו למתאים כ...מְחַמֵםחומר. יש לו מקדם מוליכות תרמית משביע רצון, המאפשר חלוקה שווה של החום הנוצר על ידי החימום לכור ההיתוך ולחלקים אחרים של שדה החום. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות, במיוחד למרחקים ארוכים, אופן העברת החום העיקרי הוא קרינה.

חלקי גרפיט עשויים בתחילה מחלקיקים פחמניים עדינים המעורבבים עם חומר מקשר ונוצרים על ידי שיחול או כבישה איזוסטטית. חלקי גרפיט איכותיים עוברים בדרך כלל כבישה איזוסטטית. החלק כולו עובר תחילה עיבוד פחמן ולאחר מכן עיבוד גרפיט בטמפרטורות גבוהות מאוד, קרוב ל-3000 מעלות צלזיוס. החלקים המעובדים מחלקים שלמים אלה מטוהרים בדרך כלל באטמוספרה המכילה כלור בטמפרטורות גבוהות כדי להסיר זיהום מתכתי ולעמוד בדרישות תעשיית המוליכים למחצה. עם זאת, גם לאחר טיהור נאות, רמת זיהום המתכת גבוהה בכמה סדרי גודל מזו המותרת עבור חומרים חד-גבישיים מסיליקון. לכן, יש לנקוט משנה זהירות בתכנון השדה התרמי כדי למנוע זיהום של רכיבים אלה מלהיכנס למשטח ההיתוך או הגביש.

חומרי גרפיט הם בעלי חדירות קלה, מה שמקל על המתכת הנותרת בפנים להגיע אל פני השטח. בנוסף, חד-חמצן הסיליקון הנמצא בגז הניקוי סביב פני השטח של הגרפיט יכול לחדור לרוב החומרים ולהגיב.

תנורי סיליקון מונוקריסטליים מוקדמים היו עשויים ממתכות עקשנות כמו טונגסטן ומוליבדן. עם הבשלות הגוברת של טכנולוגיית עיבוד הגרפיט, התכונות החשמליות של החיבור בין רכיבי הגרפיט הפכו יציבות, ותנורי סיליקון מונוקריסטליים החליפו לחלוטין טונגסטן, מוליבדן וחומרי חימום אחרים. כיום, חומר הגרפיט הנפוץ ביותר הוא גרפיט איזוסטטי. טכנולוגיית הכנת הגרפיט האיזוסטטי במדינה שלי מפגרת יחסית, ורוב חומרי הגרפיט המשמשים בתעשייה הפוטו-וולטאית המקומית מיובאים מחו"ל. יצרני גרפיט איזוסטטי זרים כוללים בעיקר את SGL הגרמנית, טוקאי קרבון היפנית, טויו טנסו היפנית וכו'. בתנורי סיליקון מונוקריסטליים בצ'וכרלסקי, לעיתים משתמשים בחומרים מרוכבים C/C, והם החלו לשמש לייצור ברגים, אומים, כורי היתוך, לוחות עומס ורכיבים אחרים. חומרים מרוכבים פחמן/פחמן (C/C) הם חומרים מרוכבים מבוססי פחמן מחוזקים בסיבי פחמן, בעלי סדרה של תכונות מצוינות כגון חוזק סגולי גבוה, מודול סגולי גבוה, מקדם התפשטות תרמי נמוך, מוליכות חשמלית טובה, קשיחות שבר גבוהה, משקל סגולי נמוך, עמידות בפני הלם תרמי, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני טמפרטורה גבוהה. כיום, הם נמצאים בשימוש נרחב בתעופה וחלל, מרוצים, חומרים ביולוגיים ותחומים אחרים כחומרים מבניים חדשים עמידים בפני טמפרטורה גבוהה. נכון לעכשיו, צווארי הבקבוק העיקריים בהם נתקלים חומרים מרוכבים C/C ביתיים הם עדיין סוגיות של עלות ותיעוש.

ישנם חומרים רבים אחרים המשמשים לייצור שדות תרמיים. גרפיט מחוזק בסיבי פחמן בעל תכונות מכניות טובות יותר; אך הוא יקר יותר ויש לו דרישות עיצוב אחרות.סיליקון קרביד (SiC)הוא חומר טוב יותר מגרפיט במובנים רבים, אך הוא יקר הרבה יותר וקשה להכין חלקים בנפח גדול. עם זאת, SiC משמש לעתים קרובות כציפוי CVDכדי להאריך את חיי חלקי הגרפיט החשופים לגז סיליקון חד-חמצני קורוזיבי, ויכול גם להפחית זיהום מגרפיט. ציפוי סיליקון קרביד הצפוף CVD מונע ביעילות מזהמים בתוך חומר הגרפיט המיקרופורוזי להגיע לפני השטח.

חומר נוסף הוא פחמן CVD, שיכול גם הוא ליצור שכבה צפופה מעל חלק הגרפיט. חומרים אחרים עמידים לטמפרטורות גבוהות, כגון מוליבדן או חומרים קרמיים שיכולים להתקיים בדו-קיום עם הסביבה, ניתנים לשימוש במקומות בהם אין סיכון לזיהום החומר המותך. עם זאת, קרמיקה אוקסידית מוגבלת בדרך כלל ביישום שלה לחומרי גרפיט בטמפרטורות גבוהות, וישנן אפשרויות נוספות מעטות אם נדרש בידוד. אחת מהן היא בורון ניטריד משושה (המכונה לעיתים גרפיט לבן בשל תכונות דומות), אך התכונות המכניות ירודות. מוליבדן משמש בדרך כלל באופן סביר במצבי טמפרטורה גבוהה בגלל עלותו המתונה, קצב הדיפוזיה הנמוך בגבישי סיליקון ומקדם הפרדה נמוך מאוד של כ-5×108, המאפשר כמות מסוימת של זיהום מוליבדן לפני הורס את מבנה הגביש.

2. חומרי בידוד תרמי

חומר הבידוד הנפוץ ביותר הוא לבד פחמן בצורות שונות. לבד פחמן עשוי מסיבים דקים, אשר משמשים כבידוד משום שהם חוסמים קרינה תרמית מספר פעמים על פני מרחק קצר. לבד הפחמן הרך ארוג ליריעות דקות יחסית של חומר, אשר לאחר מכן נחתכות לצורה הרצויה ומכופפות היטב לרדיוס סביר. לבד מוקשה מורכב מחומרי סיבים דומים, וחומר מקשר המכיל פחמן משמש לחיבור הסיבים המפוזרים לאובייקט מוצק ומעוצב יותר. השימוש בשקיעת אדים כימית של פחמן במקום חומר מקשר יכול לשפר את התכונות המכניות של החומר.

בדרך כלל, המשטח החיצוני של לבד הבידוד התרמי מצופה בציפוי גרפיט רציף או נייר כסף כדי להפחית שחיקה ובלאי וכן זיהום חלקיקים. קיימים גם סוגים אחרים של חומרי בידוד תרמי מבוססי פחמן, כגון קצף פחמן. באופן כללי, חומרים שעברו גרפיט עדיפים באופן ברור מכיוון שגרפיטיזציה מפחיתה משמעותית את שטח הפנים של הסיבים. פליטת הגזים של חומרים בעלי שטח פנים גבוה אלה מצטמצמת משמעותית, ולוקח פחות זמן לשאוב את הכבשן לוואקום מתאים. חומר נוסף הוא חומר מרוכב C/C, בעל מאפיינים יוצאי דופן כגון משקל קל, עמידות גבוהה לנזק וחוזק גבוה. השימוש בתחומים תרמיים להחלפת חלקי גרפיט מפחית משמעותית את תדירות החלפת חלקי הגרפיט, משפר את איכות המונוקריסטלינית ואת יציבות הייצור.

על פי סיווג חומרי הגלם, ניתן לחלק לבד פחמן ללבד פחמן מבוסס פוליאקרילוניטריל, לבד פחמן מבוסס ויסקוזה ולבד פחמן מבוסס זפת.
לבד פחמן מבוסס פוליאקרילוניטריל מכיל תכולת אפר גבוהה. לאחר טיפול בטמפרטורה גבוהה, הסיב הבודד הופך שביר. במהלך הפעולה, קל לייצר אבק שמזהם את סביבת התנור. יחד עם זאת, הסיבים יכולים לחדור בקלות לנקבוביות ולדרכי הנשימה של גוף האדם, דבר המזיק לבריאות האדם. לבד פחמן מבוסס ויסקוזה יש ביצועי בידוד תרמי טובים. הוא רך יחסית לאחר טיפול בחום ואינו מייצר בקלות אבק. עם זאת, חתך הרוחב של סיב הגולמי מבוסס ויסקוזה אינו סדיר, וישנם חריצים רבים על פני הסיבים. קל לייצר גזים כמו CO2 תחת האטמוספירה המחמצנת של תנור הסיליקון CZ, מה שגורם לשקיעה של חמצן ויסודות פחמן בחומר הסיליקון המונוקריסטלי. היצרנים העיקריים כוללים את SGL הגרמנית וחברות אחרות. כיום, הנפוץ ביותר בתעשיית המונוקריסטלינים המוליכים למחצה הוא לבד פחמן מבוסס זפת, בעל ביצועי בידוד תרמי גרועים יותר מאשר לבד פחמן מבוסס ויסקוזה, אך לבד פחמן מבוסס זפת יש טוהר גבוה יותר ופליטת אבק נמוכה יותר. בין היצרנים נמנות את Kureha Chemical היפנית ואת Osaka Gas.
מכיוון שצורתו של לבד פחמן אינה קבועה, הוא אינו נוח לתפעול. כיום חברות רבות פיתחו חומר בידוד תרמי חדש המבוסס על לבד פחמן שעבר ריפוי. לבד פחמן מוקשה, המכונה גם לבד קשיח, הוא לבד פחמן בעל צורה מסוימת ותכונות עמידות בפני עצמה לאחר שלבד רך ספוג בשרף, למינציה, ריפוי ופחמן.

איכות הצמיחה של סיליקון חד-קריסטלי מושפעת ישירות מהסביבה התרמית, וחומרי בידוד תרמי מסיבי פחמן ממלאים תפקיד מפתח בסביבה זו. לבד רך לבידוד תרמי מסיבי פחמן עדיין יש יתרון משמעותי בתעשיית המוליכים למחצה פוטו-וולטאיים בשל יתרון העלות שלו, אפקט הבידוד התרמי המעולה, העיצוב הגמיש והצורה הניתנת להתאמה אישית. בנוסף, לבד בידוד תרמי קשיח מסיבי פחמן יהיה בעל מרחב פיתוח גדול יותר בשוק חומרי השדה התרמי בשל חוזקו המסוים ויכולת הפעולה הגבוהה שלו. אנו מחויבים למחקר ופיתוח בתחום חומרי הבידוד התרמי, ומייעלים באופן רציף את ביצועי המוצר כדי לקדם את שגשוגה ופיתוחה של תעשיית המוליכים למחצה פוטו-וולטאיים.