Процес вирощування монокристалічного кремнію повністю здійснюється в тепловому полі. Гарне теплове поле сприяє покращенню якості кристалів та має вищу ефективність кристалізації. Конструкція теплового поля значною мірою визначає зміни градієнтів температури в динамічному тепловому полі та потік газу в камері печі. Різниця в матеріалах, що використовуються в тепловому полі, безпосередньо визначає термін служби теплового поля. Недостатньо потужне теплове поле не тільки ускладнює вирощування кристалів, які відповідають вимогам якості, але й не може виростити повністю монокристалічний кремній за певних вимог процесу. Саме тому промисловість прямого витягування монокристалічного кремнію розглядає розробку теплового поля як найважливішу технологію та інвестує величезні людські та матеріальні ресурси в дослідження та розробки в галузі теплового поля.
Термічна система складається з різних матеріалів для теплового поля. Ми лише коротко опишемо матеріали, що використовуються в тепловому полі. Що стосується розподілу температури в тепловому полі та його впливу на витягування кристалів, ми тут не будемо це аналізувати. Термічний матеріал стосується структури та теплоізоляційної частини в камері вакуумної печі для росту кристалів, що є важливим для створення відповідного розподілу температури навколо розплаву напівпровідника та кристала.
1. Матеріал для структури теплового поля
Основним допоміжним матеріалом для вирощування монокристалічного кремнію методом прямого витягування є високочистий графіт. Графітові матеріали відіграють дуже важливу роль у сучасній промисловості. Вони можуть бути використані як структурні компоненти теплового поля, такі якобігрівачі, напрямні трубки, тиглі, ізоляційні трубки, тигельні лотки тощо при отриманні монокристалічного кремнію методом Чохральського.
Графітові матеріалиобираються, оскільки їх легко готувати у великих обсягах, вони піддаються обробці та стійкі до високих температур. Вуглець у формі алмазу або графіту має вищу температуру плавлення, ніж будь-який елемент чи сполука. Графітові матеріали досить міцні, особливо за високих температур, а їхня електро- та теплопровідність також досить хороша. Його електропровідність робить його придатним якобігрівачматеріал. Він має задовільний коефіцієнт теплопровідності, що дозволяє рівномірно розподіляти тепло, що генерується нагрівачем, по тиглю та іншим частинам теплового поля. Однак за високих температур, особливо на великих відстанях, основним режимом теплопередачі є випромінювання.
Графітові деталі спочатку виготовляють з дрібних вуглецевих частинок, змішаних зі зв'язуючою речовиною, та формують методом екструзії або ізостатичного пресування. Високоякісні графітові деталі зазвичай пресують ізостатично. Спочатку весь виріб карбонізують, а потім графітизують за дуже високих температур, близьких до 3000°C. Деталі, оброблені з цих цілих шматків, зазвичай очищають в хлорвмісній атмосфері за високих температур для видалення металевих забруднень, щоб відповідати вимогам напівпровідникової промисловості. Однак, навіть після належного очищення, рівень металевого забруднення на кілька порядків вищий, ніж дозволено для кремнієвих монокристалічних матеріалів. Тому під час проектування теплового поля необхідно вживати заходів для запобігання потраплянню забруднення цих компонентів у розплав або поверхню кристала.
Графітові матеріали є слабо проникними, що дозволяє залишкам металу всередині легко досягати поверхні. Крім того, монооксид кремнію, присутній у продувному газі навколо поверхні графіту, може проникати в більшість матеріалів та вступати в реакцію.
Ранні нагрівачі для печей з монокристалічного кремнію виготовлялися з тугоплавких металів, таких як вольфрам і молібден. Зі зростанням зрілості технології обробки графіту електричні властивості з'єднання між графітовими компонентами стали стабільними, і нагрівачі для печей з монокристалічного кремнію повністю замінили нагрівачі з вольфраму, молібдену та інших матеріалів. Наразі найпоширенішим графітовим матеріалом є ізостатичний графіт. Технологія приготування ізостатичного графіту в моїй країні є відносно відсталою, і більшість графітових матеріалів, що використовуються у вітчизняній фотоелектричній промисловості, імпортуються з-за кордону. Серед іноземних виробників ізостатичного графіту переважно німецька SGL, японська Tokai Carbon, японська Toyo Tanso тощо. У печах з монокристалічного кремнію Чохральського іноді використовуються композитні матеріали C/C, які почали використовувати для виготовлення болтів, гайок, тиглів, навантажувальних плит та інших компонентів. Вуглецеві композити (C/C) – це вуглецеві композити, армовані вуглецевим волокном, з низкою чудових властивостей, таких як висока питома міцність, високий питомий модуль, низький коефіцієнт теплового розширення, добра електропровідність, висока в'язкість до руйнування, низька питома вага, стійкість до термоударів, корозійна стійкість та стійкість до високих температур. Наразі вони широко використовуються в аерокосмічній галузі, гонках, біоматеріалах та інших галузях як нові конструкційні матеріали, стійкі до високих температур. Наразі основними проблемами, з якими стикаються вітчизняні C/C композити, все ще є вартість та проблеми індустріалізації.
Існує багато інших матеріалів, що використовуються для створення теплових полів. Графіт, армований вуглецевим волокном, має кращі механічні властивості, але він дорожчий і має інші вимоги до конструкції.Карбід кремнію (SiC)є кращим матеріалом, ніж графіт, у багатьох аспектах, але він набагато дорожчий і складніший у виготовленні деталей великого об'єму. Однак SiC часто використовується якCVD-покриттящоб збільшити термін служби графітових деталей, що піддаються впливу корозійного газоподібного монооксиду кремнію, а також зменшити забруднення графітом. Щільне покриття з карбіду кремнію, отримане методом CVD, ефективно запобігає потраплянню забруднюючих речовин всередині мікропористого графітового матеріалу на поверхню.
Іншим є вуглець, отриманий методом CVD, який також може утворювати щільний шар над графітовою частиною. Інші матеріали, стійкі до високих температур, такі як молібден або керамічні матеріали, які можуть співіснувати з навколишнім середовищем, можна використовувати там, де немає ризику забруднення розплаву. Однак оксидна кераміка, як правило, обмежена у своїй застосовності до графітових матеріалів за високих температур, і існує мало інших варіантів, якщо потрібна ізоляція. Одним з них є гексагональний нітрид бору (іноді його називають білим графітом через подібні властивості), але механічні властивості погані. Молібден зазвичай використовується в умовах високих температур завдяки своїй помірній вартості, низькій швидкості дифузії в кристалах кремнію та дуже низькому коефіцієнту сегрегації близько 5×108, що дозволяє певну кількість молібдену забруднювати його до руйнування кристалічної структури.
2. Теплоізоляційні матеріали
Найпоширенішим ізоляційним матеріалом є вуглецевий фетр у різних формах. Вуглецевий фетр виготовляється з тонких волокон, які діють як ізоляція, оскільки вони блокують теплове випромінювання багаторазово на короткій відстані. М'який вуглецевий фетр сплітається у відносно тонкі листи матеріалу, які потім нарізаються на потрібну форму та щільно згинаються до розумного радіуса. Вулканізований фетр складається з подібних волокнистих матеріалів, а для з'єднання диспергованих волокон у більш твердий та сформований об'єкт використовується вуглецевмісний зв'язуючий матеріал. Використання хімічного осадження вуглецю з парової фази замість зв'язуючого може покращити механічні властивості матеріалу.
Зазвичай зовнішня поверхня теплоізоляційного повсті покрита суцільним графітовим шаром або фольгою для зменшення ерозії та зносу, а також забруднення твердими частинками. Існують також інші типи теплоізоляційних матеріалів на основі вуглецю, такі як вуглецева піна. Загалом, графітизовані матеріали, очевидно, є кращими, оскільки графітизація значно зменшує площу поверхні волокна. Виділення газів з цих матеріалів з великою площею поверхні значно зменшується, і для накачування печі до відповідного вакууму потрібно менше часу. Іншим є композитний матеріал C/C, який має видатні характеристики, такі як легка вага, висока стійкість до пошкоджень та висока міцність. Використання в теплових галузях для заміни графітових деталей значно зменшує частоту заміни графітових деталей, покращує якість монокристалічних матеріалів та стабільність виробництва.
Згідно з класифікацією сировини, вуглецевий фетр можна розділити на вуглецевий фетр на основі поліакрилонітрилу, вуглецевий фетр на основі віскози та вуглецевий фетр на основі пеку.
Вуглецевий фетр на основі поліакрилонітрилу має високий вміст золи. Після високотемпературної обробки окреме волокно стає крихким. Під час роботи легко утворюється пил, який забруднює середовище печі. Водночас волокно може легко потрапляти в пори та дихальні шляхи людського організму, що шкідливо для здоров'я людини. Вуглецевий фетр на основі віскози має хороші теплоізоляційні характеристики. Після термічної обробки він відносно м'який і нелегко утворює пил. Однак поперечний переріз сирого волокна на основі віскози нерівномірний, і на поверхні волокна є багато канавок. В окислювальній атмосфері кремнієвої печі CZ легко утворюються гази, такі як CO2, що призводить до осадження кисню та вуглецевих елементів у монокристалічному кремнієвому матеріалі. Основними виробниками є німецька SGL та інші компанії. Наразі в напівпровідниковій монокристалічній промисловості найбільш широко використовується вуглецевий фетр на основі пеку, який має гірші теплоізоляційні характеристики, ніж вуглецевий фетр на основі віскози, але вуглецевий фетр на основі пеку має вищу чистоту та менший рівень викидів пилу. Серед виробників - японські Kureha Chemical та Osaka Gas.
Оскільки форма вуглецевого фетру не фіксована, ним незручно користуватися. Зараз багато компаній розробили новий теплоізоляційний матеріал на основі вуглецевого фетру, затверділого вуглецевого фетру. Затверділий вуглецевий фетр, також званий твердим фетром, являє собою вуглецевий фетр, який має певну форму та самопідтримувальні властивості після просочування м’якого фетру смолою, ламінування, затвердіння та карбонізації.
Якість вирощування монокристалічного кремнію безпосередньо залежить від теплового середовища, і вуглецеві волокнисті теплоізоляційні матеріали відіграють ключову роль у цьому середовищі. М'який вуглецевий теплоізоляційний фетр все ще має значну перевагу в галузі фотоелектричних напівпровідників завдяки своїй економічній вигоді, чудовому теплоізоляційному ефекту, гнучкій конструкції та можливості налаштування форми. Крім того, твердий вуглецевий теплоізоляційний фетр матиме більший простір для розвитку на ринку теплових матеріалів завдяки своїй певній міцності та вищій експлуатаційній зручності. Ми прагнемо проводити дослідження та розробки в галузі теплоізоляційних матеріалів та постійно оптимізуємо характеристики продукції, щоб сприяти процвітанню та розвитку фотоелектричної напівпровідникової промисловості.
Час публікації: 12 червня 2024 р.