Процес раста монокристалног силицијума се у потпуности одвија у термалном пољу. Добро термичко поље доприноси побољшању квалитета кристала и има већу ефикасност кристализације. Дизајн термалног поља у великој мери одређује промене температурних градијената у динамичком термалном пољу и проток гаса у комори пећи. Разлика у материјалима који се користе у термалном пољу директно одређује век трајања термалног поља. У неразумном термалном пољу не само да је тешко узгајати кристале који испуњавају захтеве квалитета, већ се не могу узгајати и потпуно монокристални кристали под одређеним захтевима процеса. Због тога индустрија директног повлачења монокристалног силицијума сматра дизајн термалног поља најважнијом технологијом и улаже огромне људске и материјалне ресурсе у истраживање и развој термалног поља.
Термални систем се састоји од различитих материјала термалног поља. Укратко ћемо представити материјале који се користе у термалном пољу. Што се тиче расподеле температуре у термалном пољу и њеног утицаја на извлачење кристала, овде га нећемо анализирати. Материјал термалног поља односи се на структуру и део топлотне изолације у комори вакуумске пећи за раст кристала, што је неопходно за стварање одговарајуће расподеле температуре око полупроводничке растопљене материје и кристала.
1. Материјал за структуру термалног поља
Основни носећи материјал за метод директног извлачења за узгој монокристалног силицијума је графит високе чистоће. Графитни материјали играју веома важну улогу у савременој индустрији. Могу се користити као структурне компоненте топлотног поља, као што су...грејачи, вођице цеви, лончићи, изолационе цеви, посуде за лончиће итд. у припреми монокристалног силицијума Чохралским поступком.
Графитни материјалибирају се зато што се лако припремају у великим количинама, могу се обрађивати и отпорни су на високе температуре. Угљеник у облику дијаманта или графита има вишу тачку топљења од било ког елемента или једињења. Графитни материјали су прилично јаки, посебно на високим температурама, а њихова електрична и топлотна проводљивост је такође прилично добра. Његова електрична проводљивост га чини погодним каогрејачматеријал. Има задовољавајући коефицијент топлотне проводљивости, што омогућава да се топлота коју генерише грејач равномерно распореди на лончић и друге делове топлотног поља. Међутим, на високим температурама, посебно на великим удаљеностима, главни начин преноса топлоте је зрачење.
Графитни делови се првобитно праве од финих угљеничних честица помешаних са везивом и формирају екструзијом или изостатичким пресовањем. Висококвалитетни графитни делови се обично изостатички пресују. Читав комад се прво карбонизује, а затим графитизује на веома високим температурама, близу 3000°C. Делови обрађени од ових целих комада се обично пречишћавају у атмосфери која садржи хлор на високим температурама како би се уклонила контаминација металом и испунили захтеви полупроводничке индустрије. Међутим, чак и након правилног пречишћавања, ниво контаминације металом је неколико редова величине већи од оног дозвољеног за силицијумске монокристалне материјале. Стога се при пројектовању термичког поља мора водити рачуна да се спречи контаминација ових компоненти да уђу у растопину или површину кристала.
Графитни материјали су благо пропустљиви, што олакшава преосталом металу унутра да допре до површине. Поред тога, силицијум моноксид присутан у гасу за чишћење око површине графита може продрети у већину материјала и реаговати.
Рани грејачи пећи од монокристалног силицијума били су направљени од ватросталних метала као што су волфрам и молибден. Са све већом зрелошћу технологије обраде графита, електрична својства везе између графитних компоненти су постала стабилна, а грејачи пећи од монокристалног силицијума су потпуно заменили грејаче од волфрама, молибдена и других материјала. Тренутно, најшире коришћени графитни материјал је изостатички графит. Технологија припреме изостатског графита у мојој земљи је релативно заостала, а већина графитних материјала који се користе у домаћој фотонапонској индустрији увози се из иностранства. Страни произвођачи изостатског графита углавном укључују немачки SGL, јапански Tokai Carbon, јапански Toyo Tanso итд. У Чохралским монокристалним силицијумским пећима понекад се користе C/C композитни материјали, а почели су да се користе за производњу вијака, навртки, лончића, плоча за оптерећење и других компоненти. Угљеник/угљеник (C/C) композити су композити на бази угљеника ојачани угљеничним влакнима са низом одличних својстава као што су висока специфична чврстоћа, висок специфични модул, низак коефицијент термичког ширења, добра електрична проводљивост, висока жилавост на лом, ниска специфична тежина, отпорност на термичке ударе, отпорност на корозију и отпорност на високе температуре. Тренутно се широко користе у ваздухопловству, тркама, биоматеријалима и другим областима као нови структурни материјали отпорни на високе температуре. Тренутно, главна уска грла са којима се сусрећу домаћи C/C композити и даље су трошкови и проблеми индустријализације.
Постоји много других материјала који се користе за израду термичких поља. Графит ојачан угљеничним влакнима има боља механичка својства; али је скупљи и има друге захтеве за дизајн.Силицијум карбид (SiC)је бољи материјал од графита у многим аспектима, али је много скупљи и тежи за припрему делова велике запремине. Међутим, SiC се често користи каоCVD премазда би се повећао век трајања графитних делова изложених корозивном силицијум моноксидном гасу, а такође може смањити контаминацију од графита. Густи CVD силицијум карбидни премаз ефикасно спречава да контаминанти унутар микропорозног графитног материјала доспеју до површине.
Други је CVD угљеник, који такође може формирати густи слој изнад графитног дела. Други материјали отпорни на високе температуре, као што су молибден или керамички материјали који могу коегзистирати са околином, могу се користити тамо где не постоји ризик од контаминације растопа. Међутим, оксидна керамика је генерално ограничена у својој применљивости на графитне материјале на високим температурама, и постоји мало других опција ако је потребна изолација. Једна је хексагонални боров нитрид (понекад се назива бели графит због сличних својстава), али су механичка својства лоша. Молибден се генерално разумно користи за ситуације са високим температурама због своје умерене цене, ниске брзине дифузије у силицијумским кристалима и веома ниског коефицијента сегрегације од око 5×108, што омогућава одређену количину контаминације молибденом пре него што се уништи кристална структура.
2. Материјали за топлотну изолацију
Најчешће коришћени изолациони материјал је угљенични филц у различитим облицима. Угљенични филц је направљен од танких влакана, која делују као изолација јер више пута блокирају топлотно зрачење на краткој удаљености. Меки угљенични филц је уткан у релативно танке листове материјала, који се затим секу у жељени облик и чврсто савијају у разумном радијусу. Вуглекисани филцови су састављени од сличних влакнастих материјала, а везиво које садржи угљеник се користи за повезивање диспергованих влакана у чвршћи и обликованији предмет. Употреба хемијског таложења угљеника из паре уместо везива може побољшати механичка својства материјала.
Типично, спољна површина термоизолационог филца је пресвучена континуираним графитним премазом или фолијом како би се смањила ерозија и хабање, као и контаминација честицама. Постоје и друге врсте термоизолационих материјала на бази угљеника, као што је угљенична пена. Генерално, графитизовани материјали су очигледно пожељнији јер графитизација значајно смањује површину влакана. Испуштање гасова ових материјала са великом површином је знатно смањено, а потребно је мање времена да се пећ пумпа до одговарајућег вакуума. Други је C/C композитни материјал, који има изванредне карактеристике као што су мала тежина, висока толеранција на оштећења и висока чврстоћа. Коришћење у термичким областима за замену графитних делова значајно смањује учесталост замене графитних делова, побољшава квалитет монокристала и стабилност производње.
Према класификацији сировина, угљенични филц се може поделити на угљенични филц на бази полиакрилонитрила, угљенични филц на бази вискозе и угљенични филц на бази смоле.
Угљенични филц на бази полиакрилонитрила има велики садржај пепела. Након обраде на високој температури, појединачно влакно постаје крто. Током рада, лако је створити прашину која загади околину пећи. Истовремено, влакна могу лако ући у поре и респираторни тракт људског тела, што је штетно по људско здравље. Угљенични филц на бази вискозе има добре перформансе топлотне изолације. Релативно је мекан након термичке обраде и није лако створити прашину. Међутим, попречни пресек сировог влакна на бази вискозе је неправилан, а на површини влакана постоји много жлебова. Лако је створити гасове попут C02 у оксидационој атмосфери CZ силицијумске пећи, што узрокује таложење кисеоника и угљеничних елемената у монокристалном силицијумском материјалу. Главни произвођачи укључују немачки SGL и друге компаније. Тренутно се у индустрији полупроводника монокристалним угљеничним филцем најчешће користи угљенични филц на бази смоле, који има лошије перформансе топлотне изолације од угљеничног филца на бази вискозе, али угљенични филц на бази смоле има већу чистоћу и мању емисију прашине. Произвођачи укључују јапанске Kureha Chemical и Osaka Gas.
Пошто облик угљеничног филца није фиксан, незгодан је за рад. Сада су многе компаније развиле нови материјал за топлотну изолацију на бази угљеничног филца - вулканизованог угљеничног филца. Вуглени угљенични филц, такође назван тврди филц, је угљенични филц одређеног облика и самоодрживих својстава након што је меки филц импрегниран смолом, ламиниран, вулканизован и карбонизован.
Квалитет раста монокристалног силицијума директно је под утицајем термичког окружења, а материјали за топлотну изолацију од угљеничних влакана играју кључну улогу у овом окружењу. Меки филц за топлотну изолацију од угљеничних влакана и даље има значајну предност у индустрији фотонапонских полупроводника због своје ценовне предности, одличног ефекта топлотне изолације, флексибилног дизајна и прилагодљивог облика. Поред тога, тврди филц за топлотну изолацију од угљеничних влакана имаће већи простор за развој на тржишту материјала за топлотну област због своје одређене чврстоће и веће оперативности. Посвећени смо истраживању и развоју у области материјала за топлотну изолацију и континуирано оптимизујемо перформансе производа како бисмо промовисали просперитет и развој индустрије фотонапонских полупроводника.
Време објаве: 12. јун 2024.