単結晶シリコンの成長プロセスは、完全に熱場内で行われます。良好な熱場は結晶の品質向上に役立ち、結晶化効率も高くなります。熱場の設計は、動的熱場の温度勾配の変化と炉室内のガス流に大きく影響します。熱場に使用される材料の違いは、熱場の耐用年数を直接的に決定します。不適切な熱場は、品質要件を満たす結晶の成長を困難にするだけでなく、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ができません。そのため、直引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付け、熱場の研究開発に膨大な人的資源と物的資源を投入しています。
熱システムは様々な熱場材料で構成されています。ここでは熱場材料について簡単に紹介するにとどめ、熱場内の温度分布とそれが結晶引き上げに与える影響についてはここでは分析しません。熱場材料とは、結晶成長における真空炉室内の構造および断熱部を指し、半導体融液および結晶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
単結晶シリコンを成長させる直接引上げ法の基本支持材料は、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おり、例えば熱場構造部品として使用することができます。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いて、絶縁管、るつぼトレイなどに使用される。
グラファイト材料大量生産が容易で、加工しやすく、高温にも耐えられることから選ばれています。ダイヤモンドやグラファイトなどの炭素は、どの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、特に高温において非常に強度が高く、電気伝導性と熱伝導性も非常に優れています。その電気伝導性は、ヒータ材料です。良好な熱伝導率を有するため、ヒーターから発生した熱はるつぼや熱場内の他の部分に均等に分散されます。ただし、高温、特に長距離では、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をバインダーと混合し、押し出し成形または静水圧成形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、静水圧成形されます。部品全体をまず炭化し、その後、3000℃近くの高温でグラファイト化します。これらの部品から加工された部品は、通常、半導体産業の要件を満たすため、金属汚染を除去するため、塩素含有雰囲気中で高温精製されます。しかし、適切な精製後であっても、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。そのため、これらの部品の汚染が溶融体や結晶表面に侵入するのを防ぐため、熱場設計には細心の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、内部に残留する金属が表面に到達しやすいという欠点があります。さらに、グラファイト表面付近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する可能性があります。
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高融点金属で作られていました。グラファイト加工技術の成熟に伴い、グラファイト部品間の接続部の電気特性が安定し、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に完全に取って代わりました。現在、最も広く使用されているグラファイト材料は静水圧グラファイトです。わが国の静水圧グラファイト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グラファイト材料のほとんどは海外から輸入されています。海外の静水圧グラファイトメーカーは、主にドイツのSGL、日本の東海カーボン、日本の東洋炭素などです。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、ロードプレートなどの部品の製造に使用され始めています。炭素繊維強化炭素系複合材料（C/C）は、高比強度、高比弾性率、低熱膨張係数、良好な導電性、高破壊靭性、低比重、耐熱衝撃性、耐腐食性、耐高温性など、優れた特性を多数備えています。現在、C/C複合材料は、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、現在、国内のC/C複合材料が直面している主な課題は、依然としてコストと産業化の問題です。
熱場を作るのに使用される材料は他にも数多くあります。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、価格が高く、設計上の要件も異なります。炭化ケイ素（SiC）SiCは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、大量生産が難しいという欠点があります。しかし、SiCはCVDコーティング腐食性の一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を低減します。高密度CVDシリコンカーバイドコーティングは、微細孔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止します。
もう 1 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には、モリブデンや環境と共存できるセラミック材料などの他の耐高温材料を使用できます。ただし、酸化物セラミックは一般に高温でのグラファイト材料への適用が制限されており、絶縁が必要な場合は他の選択肢がほとんどありません。1 つは六方晶窒化ホウ素 (同様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、機械的特性が劣っています。モリブデンは、コストが中程度で、シリコン結晶内での拡散速度が低く、偏析係数が約 5×108 と非常に低いため、ある程度のモリブデン汚染が許容されても結晶構造が破壊されないため、高温の状況で一般的に合理的に使用されます。
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ため、断熱材として機能します。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込まれ、その後、所定の形状に切断され、適切な半径にしっかりと曲げられます。硬化したフェルトは、同様の繊維材料で構成され、分散した繊維をより強固で成形された物体にするために、炭素含有バインダーが使用されます。バインダーの代わりに炭素の化学蒸着法を使用することで、材料の機械的特性を向上させることができます。
通常、断熱硬化フェルトの外面は、連続グラファイトコーティングまたは箔でコーティングされており、侵食や摩耗、粒子汚染を低減します。カーボンフォームなど、他のタイプの炭素ベースの断熱材も存在します。一般的に、グラファイト化により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ガス放出は大幅に減少し、炉を適切な真空に排気するのにかか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交換に使用すると、グラファイト部品の交換頻度が大幅に削減され、単結晶品質と生産安定性が向上します。
カーボンフェルトは、原料の分類により、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けられます。
ポリアクリロニトリル系カーボンフェルトは灰分が多く、高温処理後、単繊維が脆くなり、運転中に粉塵が発生しやすく、炉内環境を汚染します。同時に、繊維が人体の毛穴や呼吸器に入り込みやすく、人体の健康に有害です。ビスコース系カーボンフェルトは断熱性に優れ、熱処理後は比較的柔らかく、粉塵が発生しにくいです。しかし、ビスコース系原糸の断面は不規則で、繊維表面には多くの溝があります。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と炭素元素が析出します。主なメーカーにはドイツのSGL社などがあります。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、断熱性能はビスコース系カーボンフェルトよりも劣りますが、ピッチ系カーボンフェルトは純度が高く、粉塵排出量が少ないという特徴があります。製造業者としては、日本の呉羽化学工業や大阪ガスなどがある。
カーボンフェルトは形状が一定でないため、扱いにくいという欠点がありました。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を開発しています。硬化カーボンフェルトは、ハードフェルトとも呼ばれ、ソフトフェルトに樹脂を含浸させ、積層・硬化・炭化させることで、一定の形状と自立性を備えた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ています。炭素繊維断熱ソフトフェルトは、コスト優位性、優れた断熱効果、柔軟な設計、そして形状のカスタマイズ性により、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有しています。また、炭素繊維断熱ハードフェルトは、一定の強度と高い操作性により、熱場材料市場においてより大きな発展の余地を持つでしょう。当社は断熱材分野の研究開発に尽力し、製品性能を継続的に最適化することで、太陽光発電半導体産業の繁栄と発展を促進しています。
投稿日時: 2024年6月12日