단결정 실리콘의 성장 공정은 전적으로 열장 내에서 이루어집니다. 좋은 열장은 결정의 품질을 향상시키고 결정화 효율을 높이는 데 도움이 됩니다. 열장의 설계는 동적 열장의 온도 구배 변화와 노 내 가스 흐름에 큰 영향을 미칩니다. 열장에 사용되는 재료의 차이는 열장의 사용 수명을 직접적으로 결정합니다. 열장이 적절하지 않으면 품질 요건을 충족하는 결정을 성장시키기 어려울 뿐만 아니라 특정 공정 요건 하에서 완전한 단결정을 성장시킬 수 없습니다. 이것이 바로 직접 인발 단결정 실리콘 산업이 열장 설계를 가장 핵심 기술로 간주하고 열장 연구 개발에 막대한 인력과 물적 자원을 투자하는 이유입니다.
열 시스템은 다양한 열장 재료로 구성됩니다. 열장에 사용되는 재료에 대해서는 간략하게 소개하겠습니다. 열장 내의 온도 분포와 결정 인상에 미치는 영향에 대해서는 여기서 분석하지 않겠습니다. 열장 재료란 진공로 챔버 내 결정 성장 구조 및 단열 부분을 의미하며, 반도체 용융물과 결정 주변에 적절한 온도 분포를 형성하는 데 필수적입니다.
1. 열장구조소재
단결정 실리콘을 직접 인발법으로 성장시키는 데 필요한 기본 지지 재료는 고순도 흑연입니다. 흑연 소재는 현대 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. 다음과 같은 열장 구조 부품으로 사용될 수 있습니다.히터, 가이드 튜브, 도가니, 절연 튜브, 도가니 트레이 등이 초크랄스키법에 의한 단결정 실리콘 제조에 사용됩니다.
흑연 재료탄소는 대량 생산이 용이하고, 가공이 가능하며, 고온에 강하기 때문에 선택됩니다. 다이아몬드나 흑연 형태의 탄소는 어떤 원소나 화합물보다 녹는점이 높습니다. 흑연 재료는 특히 고온에서 매우 강하며, 전기 및 열 전도성도 매우 우수합니다. 이러한 전기 전도성 덕분에히터이 소재는 열전도 계수가 우수하여 히터에서 생성된 열이 도가니와 열장의 다른 부분에 고르게 분산될 수 있습니다. 그러나 고온, 특히 장거리에서는 주요 열 전달 방식은 복사입니다.
흑연 부품은 미세 탄소 입자를 바인더와 혼합하여 압출 또는 등압 성형으로 성형합니다. 고품질 흑연 부품은 일반적으로 등압 성형으로 성형합니다. 전체 흑연은 먼저 탄화되고, 이후 3000°C에 가까운 매우 높은 온도에서 흑연화됩니다. 이러한 전체 흑연으로 가공된 부품은 일반적으로 반도체 산업의 요구 사항을 충족하기 위해 염소가 함유된 분위기에서 고온 정제 과정을 거쳐 금속 오염을 제거합니다. 그러나 적절한 정제 과정을 거친 후에도 금속 오염 수준은 실리콘 단결정 재료에 허용되는 수준보다 몇 자릿수 이상 높습니다. 따라서 이러한 부품의 오염이 용융물이나 결정 표면에 유입되지 않도록 열장 설계 시 주의를 기울여야 합니다.
흑연 재료는 약간의 투과성을 가지고 있어 내부에 남아 있는 금속이 표면으로 쉽게 도달할 수 있습니다. 또한, 흑연 표면 주변의 퍼지 가스에 존재하는 일산화규소는 대부분의 재료에 침투하여 반응할 수 있습니다.
초기 단결정 실리콘 퍼니스 히터는 텅스텐과 몰리브덴과 같은 내화성 금속으로 제작되었습니다. 흑연 가공 기술의 발전으로 흑연 구성 요소 간 연결의 전기적 특성이 안정되어 단결정 실리콘 퍼니스 히터가 텅스텐, 몰리브덴 및 기타 재료 히터를 완전히 대체했습니다. 현재 가장 널리 사용되는 흑연 재료는 등방성 흑연입니다. 중국의 등방성 흑연 제조 기술은 상대적으로 뒤떨어져 있으며, 국내 태양광 산업에 사용되는 흑연 재료의 대부분은 해외에서 수입됩니다. 해외 등방성 흑연 제조업체로는 독일 SGL, 일본 Tokai Carbon, Toyo Tanso 등이 있습니다. 초크랄스키 단결정 실리콘 퍼니스에서는 C/C 복합 재료가 사용되기도 하며, 볼트, 너트, 도가니, 하중판 및 기타 구성 요소를 제조하는 데 사용되기 시작했습니다. 탄소/탄소(C/C) 복합재는 높은 비강도, 높은 비탄성률, 낮은 열팽창 계수, 우수한 전기 전도성, 높은 파괴인성, 낮은 비중, 내열충격성, 내식성, 고온 내성 등 여러 가지 우수한 특성을 가진 탄소 섬유 강화 탄소 기반 복합재입니다. 현재 항공우주, 레이싱, 생체재료 등 다양한 분야에서 새로운 고온 내성 구조재로 널리 사용되고 있습니다. 현재 국내 C/C 복합재가 직면한 주요 과제는 여전히 비용 및 산업화 문제입니다.
열장을 만드는 데 사용되는 다른 재료도 많습니다. 탄소 섬유 강화 흑연은 기계적 특성이 더 우수하지만, 가격이 더 비싸고 설계에 다른 요건이 있습니다.탄화규소(SiC)여러 면에서 흑연보다 우수한 소재이지만, 비용이 훨씬 더 많이 들고 대량 생산이 어렵습니다. 그러나 SiC는 종종CVD 코팅부식성 일산화규소 가스에 노출된 흑연 부품의 수명을 연장하고 흑연으로 인한 오염을 줄일 수 있습니다. 치밀한 CVD 탄화규소 코팅은 미세 다공성 흑연 재료 내부의 오염 물질이 표면에 도달하는 것을 효과적으로 방지합니다.
또 다른 재료로는 CVD 탄소가 있는데, 이 역시 흑연 부분 위에 치밀한 층을 형성할 수 있습니다. 몰리브덴이나 세라믹 재료와 같이 환경과 공존할 수 있는 다른 고온 내성 재료는 용융물을 오염시킬 위험이 없는 곳에서 사용할 수 있습니다. 그러나 산화물 세라믹은 일반적으로 고온에서 흑연 재료에 적용하는 데 제한이 있으며, 단열이 필요한 경우 다른 옵션은 거의 없습니다. 하나는 육방정계 질화붕소(유사한 특성으로 인해 백색 흑연이라고도 함)이지만 기계적 특성이 좋지 않습니다. 몰리브덴은 일반적으로 고온 상황에서 합리적으로 사용되는데, 가격이 적당하고 실리콘 결정에서 확산 속도가 낮으며 편석 계수가 약 5×108로 매우 낮아 결정 구조가 파괴되기 전에 일정량의 몰리브덴 오염을 허용하기 때문입니다.
2. 단열재
가장 일반적으로 사용되는 단열재는 다양한 형태의 탄소 펠트입니다. 탄소 펠트는 얇은 섬유로 만들어져 짧은 거리에서 열 복사를 여러 번 차단하여 단열재 역할을 합니다. 부드러운 탄소 펠트는 비교적 얇은 시트 형태로 직조된 후, 원하는 모양으로 자르고 적당한 반경으로 단단히 구부립니다. 경화된 펠트는 유사한 섬유 재료로 구성되며, 탄소 함유 바인더를 사용하여 분산된 섬유를 더욱 견고하고 형태가 잡힌 물체로 연결합니다. 바인더 대신 탄소 화학 기상 증착법을 사용하면 재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
일반적으로 단열 경화 펠트의 외부 표면은 침식, 마모 및 미립자 오염을 줄이기 위해 연속 흑연 코팅 또는 포일로 코팅됩니다. 탄소 폼과 같은 다른 유형의 탄소 기반 단열재도 있습니다. 일반적으로 흑연화는 섬유의 표면적을 크게 감소시키기 때문에 흑연화된 재료가 선호됩니다. 이러한 고표면적 재료는 가스 방출을 크게 줄이고 용광로를 적절한 진공 상태로 펌핑하는 데 걸리는 시간을 단축합니다. 또 다른 재료는 경량, 높은 손상 내구성, 고강도와 같은 뛰어난 특성을 가진 C/C 복합 재료입니다. 열 분야에서 흑연 부품을 교체하는 데 사용하면 흑연 부품 교체 빈도를 크게 줄이고 단결정 품질과 생산 안정성을 향상시킵니다.
원재료 분류에 따르면, 탄소펠트는 폴리아크릴로니트릴계 탄소펠트, 비스코스계 탄소펠트, 피치계 탄소펠트로 나눌 수 있다.
폴리아크릴로니트릴계 탄소 펠트는 회분 함량이 높습니다. 고온 처리 후 단섬유는 취성을 띠게 됩니다. 작동 중 분진이 발생하여 노 환경을 오염시키고, 인체의 기공과 호흡기로 쉽게 유입되어 건강에 해롭습니다. 비스코스계 탄소 펠트는 우수한 단열 성능을 가지고 있습니다. 열처리 후 비교적 부드러워져 분진 발생이 적습니다. 그러나 비스코스계 원섬유의 단면은 불규칙하고 섬유 표면에 많은 홈이 있습니다. CZ 실리콘 노의 산화 분위기에서 CO2와 같은 가스가 발생하기 쉬워 단결정 실리콘 재료에 산소와 탄소 원소가 침전됩니다. 주요 제조업체로는 독일 SGL 등이 있습니다. 현재 반도체 단결정 산업에서 가장 널리 사용되는 것은 피치계 탄소 펠트입니다. 피치계 탄소 펠트는 비스코스계 탄소 펠트보다 단열 성능이 떨어지지만, 순도가 높고 분진 발생량이 적습니다. 제조업체로는 일본의 쿠레하 케미컬과 오사카 가스가 있습니다.
탄소 펠트는 형태가 고정되어 있지 않아 작동이 불편합니다. 최근 많은 회사에서 탄소 펠트-경화 탄소 펠트를 기반으로 한 새로운 단열재를 개발했습니다. 경화 탄소 펠트(하드 펠트라고도 함)는 연질 펠트에 수지를 함침시키고 라미네이션, 경화, 탄화 과정을 거쳐 일정한 형태와 자립성을 가진 탄소 펠트입니다.
단결정 실리콘의 성장 품질은 열 환경의 직접적인 영향을 받으며, 탄소 섬유 단열재는 이러한 환경에서 핵심적인 역할을 합니다. 탄소 섬유 단열 소프트 펠트는 비용 효율성, 뛰어난 단열 효과, 유연한 디자인, 그리고 맞춤형 형상으로 인해 태양광 반도체 산업에서 여전히 상당한 우위를 점하고 있습니다. 또한, 탄소 섬유 하드 단열 펠트는 뛰어난 강도와 높은 작업성으로 인해 열 분야 소재 시장에서 더 큰 발전 가능성을 가질 것입니다. 당사는 단열재 분야의 연구 개발에 전념하고 있으며, 제품 성능을 지속적으로 최적화하여 태양광 반도체 산업의 번영과 발전을 촉진하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 6월 12일