Процесс выращивания монокристаллического кремния полностью осуществляется в тепловом поле. Хорошее тепловое поле способствует улучшению качества кристаллов и повышает эффективность кристаллизации. Конструкция теплового поля во многом определяет изменения температурных градиентов в динамическом тепловом поле и поток газа в камере печи. Различия в материалах, используемых в тепловом поле, напрямую определяют срок его службы. Неоптимальное тепловое поле не только затрудняет выращивание кристаллов, отвечающих требованиям качества, но и не позволяет получить полностью монокристаллический материал при определенных технологических условиях. Именно поэтому в индустрии прямого вытягивания монокристаллического кремния проектирование теплового поля рассматривается как важнейшая технология, и в исследования и разработки в этой области вкладываются огромные трудовые и материальные ресурсы.
Тепловая система состоит из различных материалов, используемых в тепловом поле. Мы лишь кратко рассмотрим материалы, применяемые в тепловом поле. Что касается распределения температуры в тепловом поле и его влияния на процесс вытягивания кристаллов, мы не будем здесь анализировать. Материал теплового поля относится к конструкции и теплоизоляционной части вакуумной печи для выращивания кристаллов, что имеет важное значение для создания соответствующего распределения температуры вокруг расплава полупроводника и кристалла.
1. Материал конструкции теплового поля
Основным опорным материалом для метода прямой вытяжки монокристаллического кремния является высокочистый графит. Графитовые материалы играют очень важную роль в современной промышленности. Они могут использоваться в качестве конструктивных элементов, работающих в условиях высоких температур, например, в качестве тепловых элементов.обогреватели, направляющие трубки, тиглиизоляционные трубки, тигельные подносы и т. д. при получении монокристаллического кремния методом Чохральского.
Графитовые материалыОни выбраны потому, что их легко получать в больших объемах, они поддаются обработке и устойчивы к высоким температурам. Углерод в форме алмаза или графита имеет более высокую температуру плавления, чем любой элемент или соединение. Графитовые материалы достаточно прочны, особенно при высоких температурах, и обладают также достаточно хорошей электро- и теплопроводностью. Его электропроводность делает его подходящим в качествеобогревательМатериал обладает удовлетворительным коэффициентом теплопроводности, что позволяет равномерно распределять тепло, выделяемое нагревателем, по тиглю и другим частям теплового поля. Однако при высоких температурах, особенно на больших расстояниях, основным способом теплопередачи является излучение.
Детали из графита первоначально изготавливаются из мелких углеродистых частиц, смешанных со связующим веществом, и формируются методом экструзии или изостатического прессования. Высококачественные графитовые детали обычно изготавливаются методом изостатического прессования. Вся деталь сначала карбонизируется, а затем графитизируется при очень высоких температурах, близких к 3000 °C. Детали, полученные из этих цельных заготовок, обычно очищаются в хлорсодержащей атмосфере при высоких температурах для удаления металлических примесей в соответствии с требованиями полупроводниковой промышленности. Однако даже после надлежащей очистки уровень металлических примесей на несколько порядков выше, чем допустимый для монокристаллических материалов кремния. Поэтому при проектировании теплового поля необходимо проявлять осторожность, чтобы предотвратить попадание загрязнений этих компонентов в расплав или на поверхность кристалла.
Графитовые материалы обладают низкой проницаемостью, что облегчает выход оставшегося внутри металла на поверхность. Кроме того, оксид кремния, присутствующий в продувочном газе вокруг графитовой поверхности, может проникать в большинство материалов и вступать с ними в реакцию.
Ранние нагреватели для печей из монокристаллического кремния изготавливались из тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. С развитием технологии обработки графита электрические свойства соединения между графитовыми компонентами стабилизировались, и нагреватели для печей из монокристаллического кремния полностью заменили нагреватели из вольфрама, молибдена и других материалов. В настоящее время наиболее широко используемым графитовым материалом является изостатический графит. Технология получения изостатического графита в нашей стране относительно отстала, и большая часть графитовых материалов, используемых в отечественной фотоэлектрической промышленности, импортируется из-за рубежа. К зарубежным производителям изостатического графита относятся в основном немецкая компания SGL, японские Tokai Carbon, Toyo Tanso и др. В печах для монокристаллического кремния, изготовленных по методу Чохральского, иногда используются композитные материалы C/C, которые начали применяться для изготовления болтов, гаек, тиглей, нагрузочных плит и других компонентов. Углерод-углеродные (УУ) композиты — это углеродсодержащие композиты на основе углерода, армированные углеродным волокном, обладающие рядом превосходных свойств, таких как высокая удельная прочность, высокий удельный модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая электропроводность, высокая трещиностойкость, низкая удельная плотность, термостойкость, коррозионная стойкость и термостойкость. В настоящее время они широко используются в аэрокосмической отрасли, автоспорте, биоматериалах и других областях в качестве новых высокотемпературных конструкционных материалов. В настоящее время основными препятствиями для отечественных УУ композитов остаются стоимость и проблемы промышленного производства.
Для создания тепловых полей используется множество других материалов. Графит, армированный углеродным волокном, обладает лучшими механическими свойствами, но он дороже и предъявляет другие требования к конструкции.Карбид кремния (SiC)Во многих отношениях он превосходит графит, но он гораздо дороже и сложен в изготовлении крупносерийных деталей. Тем не менее, SiC часто используется в качестве...CVD-покрытиеЭто позволяет увеличить срок службы графитовых деталей, подверженных воздействию коррозионного газа монооксида кремния, а также снизить загрязнение графита. Плотное покрытие из карбида кремния, полученное методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), эффективно предотвращает попадание загрязнений из микропористого графитового материала на поверхность.
Другой вариант — углерод, полученный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), который также может образовывать плотный слой над графитовой частью. Другие высокотемпературные материалы, такие как молибден или керамика, способные сосуществовать с окружающей средой, могут использоваться там, где нет риска загрязнения расплава. Однако оксидная керамика, как правило, ограничена в своем применении к графитовым материалам при высоких температурах, и существует мало других вариантов, если требуется изоляция. Одним из них является гексагональный нитрид бора (иногда называемый белым графитом из-за схожих свойств), но его механические свойства оставляют желать лучшего. Молибден обычно используется в условиях высоких температур 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 распространенным изоляционным материалом является углеродный войлок в различных формах. Углеродный войлок изготавливается из тонких волокон, которые действуют как изоляция, поскольку многократно блокируют тепловое излучение на небольшом расстоянии. Мягкий углеродный войлок сплетается в относительно тонкие листы материала, которые затем разрезаются на нужную форму и плотно сгибаются до разумного радиуса. Затвердевшие войлоки состоят из аналогичных волокнистых материалов, а для соединения диспергированных волокон в более прочный и сформированный объект используется связующее вещество, содержащее углерод. Использование химического осаждения из паровой фазы углерода вместо связующего вещества может улучшить механические свойства материала.
Как правило, внешняя поверхность отверждаемого теплоизоляционного войлока покрывается сплошным графитовым покрытием или фольгой для уменьшения эрозии и износа, а также загрязнения частицами. Существуют и другие типы теплоизоляционных материалов на основе углерода, например, углеродная пена. В целом, графитизированные материалы, очевидно, предпочтительнее, поскольку графитизация значительно уменьшает площадь поверхности волокна. Выделение газов из этих материалов с большой площадью поверхности значительно снижается, и требуется меньше времени для откачки печи до необходимого вакуума. Другой вариант — композитный материал C/C, обладающий выдающимися характеристиками, такими как малый вес, высокая устойчивость к повреждениям и высокая прочность. Использование в теплотехнике для замены графитовых деталей значительно снижает частоту замены графитовых деталей, улучшает монокристаллическое качество и стабильность производства.
В зависимости от типа сырья, углеродный войлок можно разделить на углеродный войлок на основе полиакрилонитрила, углеродный войлок на основе вискозы и углеродный войлок на основе смолы.
Углеродный войлок на основе полиакрилонитрила имеет высокое содержание золы. После высокотемпературной обработки отдельные волокна становятся хрупкими. Во время работы легко образуется пыль, загрязняющая окружающую среду печи. В то же время волокна могут легко проникать в поры и дыхательные пути человека, что вредно для здоровья. Углеродный войлок на основе вискозы обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. После термообработки он относительно мягкий и не склонен к образованию пыли. Однако поперечное сечение исходного волокна на основе вискозы неровное, и на его поверхности много борозд. В окислительной атмосфере печи для производства кремния CZ легко образуются газы, такие как CO2, что приводит к осаждению кислорода и углерода в монокристаллическом кремниевом материале. К основным производителям относятся немецкая компания SGL и другие. В настоящее время наиболее широко используемым в полупроводниковой монокристаллической промышленности является углеродный войлок на основе пека, который имеет худшие теплоизоляционные свойства, чем углеродный войлок на основе вискозы, но углеродный войлок на основе пека обладает более высокой чистотой и меньшим пылеобразованием. В число производителей входят японские компании Kureha Chemical и Osaka Gas.
Поскольку форма углеродного войлока не фиксирована, его эксплуатация неудобна. В настоящее время многие компании разработали новый теплоизоляционный материал на основе углеродного войлока — отвержденный углеродный войлок. Отвержденный углеродный войлок, также называемый жестким войлоком, представляет собой углеродный войлок, приобретающий определенную форму и самоподдерживающиеся свойства после пропитки мягкого войлока смолой, ламинирования, отверждения и карбонизации.
Качество выращивания монокристаллического кремния напрямую зависит от теплового режима, и теплоизоляционные материалы из углеродного волокна играют в этом ключевую роль. Мягкий теплоизоляционный войлок из углеродного волокна по-прежнему обладает значительным преимуществом в фотоэлектрической полупроводниковой промышленности благодаря своей низкой стоимости, превосходному теплоизоляционному эффекту, гибкой конструкции и возможности индивидуальной настройки формы. Кроме того, жесткий теплоизоляционный войлок из углеродного волокна будет иметь больший потенциал развития на рынке теплоизоляционных материалов благодаря своей прочности и более высокой эксплуатационной надежности. Мы привержены исследованиям и разработкам в области теплоизоляционных материалов и постоянно оптимизируем характеристики продукции для содействия процветанию и развитию фотоэлектрической полупроводниковой промышленности.
Дата публикации: 12 июня 2024 г.