Процесс роста монокристаллического кремния полностью осуществляется в тепловом поле. Хорошее тепловое поле способствует улучшению качества кристаллов и имеет более высокую эффективность кристаллизации. Конструкция теплового поля во многом определяет изменения градиентов температуры в динамическом тепловом поле и поток газа в камере печи. Разница в материалах, используемых в тепловом поле, напрямую определяет срок службы теплового поля. Необоснованное тепловое поле не только затрудняет выращивание кристаллов, соответствующих требованиям качества, но и не позволяет выращивать полностью монокристаллические при определенных технологических требованиях. Вот почему индустрия монокристаллического кремния с прямым вытягиванием рассматривает конструкцию теплового поля как самую основную технологию и инвестирует огромные людские и материальные ресурсы в исследования и разработки теплового поля.
Тепловая система состоит из различных материалов теплового поля. Мы лишь кратко представим материалы, используемые в тепловом поле. Что касается распределения температуры в тепловом поле и его влияния на вытягивание кристалла, мы не будем его здесь анализировать. Материал теплового поля относится к структурной и теплоизоляционной части в камере вакуумной печи роста кристаллов, что необходимо для создания соответствующего распределения температуры вокруг расплава полупроводника и кристалла.
1. Материал конструкции теплового поля
Основным вспомогательным материалом для метода прямого вытягивания для выращивания монокристаллического кремния является графит высокой чистоты. Графитовые материалы играют очень важную роль в современной промышленности. Они могут использоваться в качестве структурных компонентов теплового поля, таких какобогреватели, направляющие трубки, тигли, изоляционные трубки, тигельные поддоны и т. д. при получении монокристаллического кремния методом Чохральского.
Графитовые материалывыбраны, потому что их легко приготовить в больших объемах, они могут быть обработаны и устойчивы к высоким температурам. Углерод в форме алмаза или графита имеет более высокую температуру плавления, чем любой элемент или соединение. Графитовые материалы довольно прочны, особенно при высоких температурах, и их электро- и теплопроводность также довольно хороши. Его электропроводность делает его пригодным в качественагревательМатериал. Имеет удовлетворительный коэффициент теплопроводности, что позволяет равномерно распределять выделяемое нагревателем тепло по тиглю и другим частям теплового поля. Однако при высоких температурах, особенно на больших расстояниях, основным способом теплопередачи является излучение.
Графитовые детали изначально изготавливаются из мелких углеродистых частиц, смешанных со связующим веществом, и формуются экструзией или изостатическим прессованием. Высококачественные графитовые детали обычно прессуются изостатическим способом. Сначала вся деталь карбонизируется, а затем графитизируется при очень высоких температурах, близких к 3000°C. Детали, обработанные из этих целых деталей, обычно очищаются в хлорсодержащей атмосфере при высоких температурах для удаления металлических загрязнений в соответствии с требованиями полупроводниковой промышленности. Однако даже после надлежащей очистки уровень металлических загрязнений на несколько порядков выше, чем допустимый для кремниевых монокристаллических материалов. Поэтому необходимо соблюдать осторожность при проектировании теплового поля, чтобы предотвратить попадание загрязнений этих компонентов на расплав или поверхность кристалла.
Графитовые материалы слабо проницаемы, что позволяет оставшемуся внутри металлу легко достигать поверхности. Кроме того, оксид кремния, присутствующий в продувочном газе вокруг графитовой поверхности, может проникать в большинство материалов и реагировать.
Ранние нагреватели для монокристаллического кремния изготавливались из тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. С ростом зрелости технологии обработки графита электрические свойства соединения между графитовыми компонентами стали стабильными, и нагреватели для монокристаллического кремния полностью заменили нагреватели из вольфрама, молибдена и других материалов. В настоящее время наиболее широко используемым графитовым материалом является изостатический графит. Технология приготовления изостатического графита в моей стране относительно отсталая, и большинство графитовых материалов, используемых в отечественной фотоэлектрической промышленности, импортируются из-за рубежа. Зарубежные производители изостатического графита в основном включают немецкую SGL, японскую Tokai Carbon, японскую Toyo Tanso и т. д. В печах для монокристаллического кремния Чохральского иногда используются композитные материалы C/C, и они начали использоваться для изготовления болтов, гаек, тиглей, загрузочных пластин и других компонентов. Композиты Carbon/Carbon (C/C) — это армированные углеродным волокном композиты на основе углерода с рядом превосходных свойств, таких как высокая удельная прочность, высокий удельный модуль, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая электропроводность, высокая вязкость разрушения, низкий удельный вес, стойкость к тепловому удару, коррозионная стойкость и стойкость к высоким температурам. В настоящее время они широко используются в аэрокосмической промышленности, гонках, биоматериалах и других областях в качестве новых конструкционных материалов, устойчивых к высоким температурам. В настоящее время основными узкими местами, с которыми сталкиваются отечественные композиты C/C, по-прежнему являются стоимость и вопросы индустриализации.
Для изготовления тепловых полей используется множество других материалов. Графит, армированный углеродным волокном, имеет лучшие механические свойства, но он дороже и предъявляет другие требования к конструкции.Карбид кремния (SiC)является лучшим материалом, чем графит во многих отношениях, но он намного дороже и его сложнее изготавливать в больших объемах. Однако SiC часто используется в качествеCVD-покрытиедля увеличения срока службы графитовых деталей, подвергающихся воздействию едкого газа оксида кремния, а также может уменьшить загрязнение графитом. Плотное покрытие из карбида кремния CVD эффективно предотвращает попадание загрязняющих веществ из микропористого графитового материала на поверхность.
Другим является углерод CVD, который также может образовывать плотный слой над графитовой частью. Другие материалы, устойчивые к высоким температурам, такие как молибден или керамические материалы, которые могут сосуществовать с окружающей средой, могут использоваться там, где нет риска загрязнения расплава. Однако оксидная керамика, как правило, ограничена в своей применимости к графитовым материалам при высоких температурах, и существует немного других вариантов, если требуется изоляция. Одним из них является гексагональный нитрид бора (иногда называемый белым графитом из-за схожих свойств), но его механические свойства плохие. Молибден обычно разумно используется для высокотемпературных ситуаций из-за его умеренной стоимости, низкой скорости диффузии в кристаллах кремния и очень низкого коэффициента сегрегации около 5×108, что допускает определенное количество загрязнения молибденом до разрушения кристаллической структуры.
2. Теплоизоляционные материалы
Наиболее часто используемым изоляционным материалом является углеродный войлок в различных формах. Углеродный войлок изготавливается из тонких волокон, которые действуют как изоляция, поскольку они блокируют тепловое излучение несколько раз на коротком расстоянии. Мягкий углеродный войлок сплетается в относительно тонкие листы материала, которые затем разрезаются на желаемую форму и плотно сгибаются до разумного радиуса. Отвержденные войлока состоят из аналогичных волокнистых материалов, а для соединения диспергированных волокон в более прочный и сформированный объект используется связующее вещество, содержащее углерод. Использование химического осаждения углерода из паровой фазы вместо связующего вещества может улучшить механические свойства материала.
Обычно внешняя поверхность термоизоляционного отверждающегося войлока покрывается сплошным графитовым покрытием или фольгой для уменьшения эрозии и износа, а также загрязнения частицами. Существуют также другие типы углеродных теплоизоляционных материалов, такие как углеродная пена. В целом, графитированные материалы, очевидно, предпочтительны, поскольку графитизация значительно уменьшает площадь поверхности волокна. Выделение газа из этих материалов с большой площадью поверхности значительно уменьшается, и требуется меньше времени для откачки печи до подходящего вакуума. Другим является композитный материал C/C, который обладает выдающимися характеристиками, такими как малый вес, высокая устойчивость к повреждениям и высокая прочность. Использование в тепловых полях для замены графитовых деталей значительно снижает частоту замены графитовых деталей, улучшает монокристаллическое качество и стабильность производства.
По классификации сырья углеродный войлок можно разделить на углеродный войлок на основе полиакрилонитрила, углеродный войлок на основе вискозы и углеродный войлок на основе пека.
Углеродный войлок на основе полиакрилонитрила имеет большую зольность. После высокотемпературной обработки одно волокно становится хрупким. Во время работы легко образуется пыль, загрязняющая окружающую среду печи. В то же время волокно может легко попасть в поры и дыхательные пути человеческого организма, что вредно для здоровья человека. Углеродный войлок на основе вискозы обладает хорошими теплоизоляционными характеристиками. Он относительно мягкий после термообработки и нелегко образует пыль. Однако поперечное сечение сырого волокна на основе вискозы нерегулярно, и на поверхности волокна имеется множество канавок. В окислительной атмосфере кремниевой печи CZ легко образуются газы, такие как C02, что приводит к осаждению кислорода и углеродных элементов в монокристаллическом кремниевом материале. Основными производителями являются немецкая SGL и другие компании. В настоящее время наиболее широко в полупроводниковой монокристаллической промышленности используется углеродный войлок на основе пека, который имеет худшие теплоизоляционные характеристики, чем углеродный войлок на основе вискозы, но углеродный войлок на основе пека имеет более высокую чистоту и меньший выброс пыли. Среди производителей — японские Kureha Chemical и Osaka Gas.
Так как форма углеродного войлока не фиксирована, он неудобен в эксплуатации. Сейчас многие компании разработали новый теплоизоляционный материал на основе углеродного войлока — вулканизированный углеродный войлок. Вулканизированный углеродный войлок, также называемый жестким войлоком, представляет собой углеродный войлок с определенной формой и самоподдерживающимся свойством после того, как мягкий войлок пропитан смолой, ламинирован, вулканизирован и карбонизирован.
Качество роста монокристаллического кремния напрямую зависит от тепловой среды, и теплоизоляционные материалы из углеродного волокна играют ключевую роль в этой среде. Мягкий войлок из углеродного волокна для теплоизоляции по-прежнему имеет значительное преимущество в фотоэлектрической полупроводниковой промышленности благодаря своему ценовому преимуществу, превосходному теплоизоляционному эффекту, гибкой конструкции и настраиваемой форме. Кроме того, твердый войлок из углеродного волокна для теплоизоляции будет иметь большее пространство для развития на рынке тепловых полевых материалов благодаря своей определенной прочности и более высокой работоспособности. Мы стремимся к исследованиям и разработкам в области теплоизоляционных материалов и постоянно оптимизируем характеристики продукта, чтобы способствовать процветанию и развитию фотоэлектрической полупроводниковой промышленности.
Время публикации: 12 июня 2024 г.