単結晶シリコンの成長プロセスは、すべて熱場内で行われます。良好な熱場は結晶の品質向上に寄与し、結晶化効率を高めます。熱場の設計は、動的熱場における温度勾配の変化や炉内ガスの流れを大きく左右します。熱場で使用される材料の違いは、熱場の寿命に直接影響します。不適切な熱場では、品質要件を満たす結晶の成長が困難になるだけでなく、特定のプロセス要件の下では完全な単結晶を成長させることもできません。そのため、直接引抜き単結晶シリコン業界では、熱場設計を最も重要なコア技術と位置づけ、熱場の研究開発に多大な人的資源と物的資源を投入しています。
熱システムは、さまざまな熱場材料で構成されています。ここでは、熱場で使用される材料について簡単に紹介するにとどめます。熱場内の温度分布とそれが結晶の引き上げに及ぼす影響については、ここでは分析しません。熱場材料とは、結晶成長用真空炉チャンバー内の構造および断熱部分を指し、半導体溶融物と結晶の周囲に適切な温度分布を作り出すために不可欠です。
1. 熱場構造材料
単結晶シリコンを直接引き伸ばして成長させる方法の基本的な支持材料は、高純度グラファイトです。グラファイト材料は、現代産業において非常に重要な役割を果たしています。熱場構造部品として使用できます。ヒーター, ガイドチューブ, るつぼチョクラルスキー法による単結晶シリコンの製造における、絶縁管、るつぼトレイなど。
グラファイト材料大量生産が容易で、加工しやすく、高温にも耐性があるため、選ばれています。ダイヤモンドやグラファイトの形の炭素は、あらゆる元素や化合物よりも高い融点を持っています。グラファイト材料は、特に高温下で非常に強く、電気伝導率と熱伝導率も非常に優れています。その電気伝導性により、グラファイトはヒータこの材料は熱伝導率が良好であるため、ヒーターで発生した熱をるつぼや熱場の他の部分に均一に分配することができます。ただし、高温、特に長距離においては、主な熱伝達モードは放射です。
グラファイト部品は、まず微細な炭素質粒子とバインダーを混合し、押出成形または静水圧プレスによって成形されます。高品質のグラファイト部品は通常、静水圧プレスによって成形されます。成形された部品全体は、まず炭化され、次に3000℃近い非常に高い温度で黒鉛化されます。これらの成形部品から加工された部品は、半導体産業の要求を満たすために、通常、高温の塩素含有雰囲気中で金属汚染を除去するために精製されます。しかし、適切な精製後でも、金属汚染レベルはシリコン単結晶材料に許容されるレベルよりも数桁高くなります。したがって、これらの部品の汚染が溶融物や結晶表面に混入しないように、熱場設計には注意を払う必要があります。
グラファイト材料はわずかに透過性があるため、内部に残存する金属が表面に容易に露出する。さらに、グラファイト表面周辺のパージガス中に存在する一酸化ケイ素は、ほとんどの材料に浸透して反応を起こす可能性がある。
初期の単結晶シリコン炉ヒーターは、タングステンやモリブデンなどの耐火金属で作られていました。黒鉛加工技術の成熟が進むにつれて、黒鉛部品間の接続の電気的特性が安定し、単結晶シリコン炉ヒーターはタングステン、モリブデンなどの材料ヒーターを完全に置き換えました。現在、最も広く使用されている黒鉛材料は等方性黒鉛です。我が国の等方性黒鉛製造技術は比較的遅れており、国内の太陽光発電産業で使用される黒鉛材料のほとんどは海外から輸入されています。海外の等方性黒鉛メーカーには、主にドイツのSGL、日本の東海カーボン、日本の東洋炭などが含まれます。チョクラルスキー単結晶シリコン炉では、C/C複合材料が使用されることもあり、ボルト、ナット、るつぼ、荷重板などの部品の製造に使用され始めています。炭素繊維強化炭素複合材料（C/C複合材料）は、高比強度、高比弾性率、低熱膨張係数、良好な電気伝導性、高破壊靭性、低比重、耐熱衝撃性、耐腐食性、耐高温性など、優れた特性を数多く備えた炭素繊維強化炭素系複合材料です。現在、航空宇宙、レーシング、バイオマテリアルなどの分野で、新たな耐高温構造材料として広く利用されています。しかしながら、国内のC/C複合材料が現在直面している主な課題は、コストと工業化の問題です。
熱場を作るために使用される材料は他にもたくさんあります。炭素繊維強化グラファイトは機械的特性に優れていますが、高価であり、設計上の要件も異なります。炭化ケイ素（SiC）多くの点でグラファイトよりも優れた材料ですが、はるかに高価で、大量生産部品の製造が困難です。しかし、SiCはしばしばCVDコーティング腐食性の酸化ケイ素ガスにさらされるグラファイト部品の寿命を延ばし、グラファイトからの汚染も低減します。高密度CVDシリコンカーバイドコーティングは、微細多孔質グラファイト材料内部の汚染物質が表面に到達するのを効果的に防ぎます。
もう一つはCVDカーボンで、これもグラファイト部分の上に緻密な層を形成できます。溶融物を汚染するリスクがない場合は、モリブデンや環境と共存できるセラミック材料など、他の高温耐性材料を使用できます。ただし、酸化物セラミックは一般的に高温でのグラファイト材料への適用が限られており、断熱が必要な場合には他の選択肢はほとんどありません。その一つは六方晶窒化ホウ素（類似の特性からホワイトグラファイトと呼ばれることもあります）ですが、機械的特性が劣ります。モリブデンは、コストが手頃で、シリコン結晶中の拡散速度が遅く、偏析係数が約5×10⁸と非常に低いため、結晶構造を破壊する前に一定量のモリブデン汚染を許容できることから、高温状況で一般的に適して使用されています。
2. 断熱材
最も一般的に使用されている断熱材は、様々な形態のカーボンフェルトです。カーボンフェルトは細い繊維でできており、短い距離で熱放射を複数回遮断することで断熱効果を発揮します。柔らかいカーボンフェルトは比較的薄いシート状に織り上げられ、その後、所望の形状に切断され、適切な半径にしっかりと曲げられます。硬化フェルトは同様の繊維材料で構成されており、分散した繊維をより強固で形状のある物体に結合させるために、炭素を含むバインダーが使用されます。バインダーの代わりに化学気相成長法（CVD）による炭素の成膜を用いることで、材料の機械的特性を向上させることができます。
一般的に、断熱硬化フェルトの外面は、侵食や摩耗、微粒子汚染を低減するために、連続的なグラファイトコーティングまたは箔で覆われています。炭素フォームなど、他の種類の炭素系断熱材も存在します。一般的に、グラファイト化によって繊維の表面積が大幅に減少するため、グラファイト化材料が明らかに好まれます。これらの高表面積材料のアウトガスが大幅に減少し、炉を適切な真空状態にするのに要する時間が短縮されます。もう1つはC/C複合材料で、軽量、高い損傷許容度、高強度などの優れた特性を備えています。熱分野でグラファイト部品の代替として使用することで、グラファイト部品の交換頻度を大幅に削減し、単結晶品質と生産安定性を向上させます。
原料の分類によれば、カーボンフェルトはポリアクリロニトリル系カーボンフェルト、ビスコース系カーボンフェルト、ピッチ系カーボンフェルトに分類できる。
ポリアクリロニトリル系カーボンフェルトは灰分含有量が多い。高温処理後、単繊維が脆くなる。運転中、粉塵が発生しやすく、炉内環境を汚染する。同時に、繊維が人体の毛穴や呼吸器系に入り込みやすく、人体に有害である。ビスコース系カーボンフェルトは断熱性能が優れている。熱処理後、比較的柔らかくなり、粉塵が発生しにくい。しかし、ビスコース系原料繊維の断面は不規則で、繊維表面に溝が多い。CZシリコン炉の酸化雰囲気下ではCO2などのガスが発生しやすく、単結晶シリコン材料中に酸素や炭素元素が析出する。主な製造元はドイツのSGL社などである。現在、半導体単結晶業界で最も広く使用されているのはピッチ系カーボンフェルトで、ビスコース系カーボンフェルトよりも断熱性能は劣るが、純度が高く、粉塵の発生が少ない。製造業者には、日本の呉羽化学工業や大阪ガスなどが含まれる。
カーボンフェルトは形状が固定されていないため、取り扱いが不便です。現在、多くの企業がカーボンフェルトをベースにした新しい断熱材、硬化カーボンフェルトを開発しています。硬化カーボンフェルト（ハードフェルトとも呼ばれる）は、ソフトフェルトに樹脂を含浸させ、積層、硬化、炭化処理を施した後に得られる、一定の形状と自己保持特性を持つカーボンフェルトです。
単結晶シリコンの成長品質は熱環境に直接影響され、炭素繊維断熱材はこの環境において重要な役割を果たします。炭素繊維断熱ソフトフェルトは、コスト面での優位性、優れた断熱効果、柔軟な設計、カスタマイズ可能な形状といった利点から、太陽光発電半導体業界において依然として大きな優位性を誇っています。さらに、炭素繊維ハード断熱フェルトは、その一定の強度と高い操作性から、熱分野材料市場においてより大きな発展の可能性を秘めています。当社は断熱材分野の研究開発に尽力し、製品性能の継続的な最適化を通じて、太陽光発電半導体業界の繁栄と発展に貢献してまいります。
投稿日時：2024年6月12日