Quá trình phát triển của silicon đơn tinh thể được thực hiện hoàn toàn trong trường nhiệt. Một trường nhiệt tốt có lợi cho việc cải thiện chất lượng tinh thể và có hiệu suất kết tinh cao hơn. Thiết kế của trường nhiệt phần lớn quyết định những thay đổi về độ dốc nhiệt độ trong trường nhiệt động và dòng khí trong buồng lò. Sự khác biệt về vật liệu được sử dụng trong trường nhiệt quyết định trực tiếp tuổi thọ của trường nhiệt. Một trường nhiệt không hợp lý không chỉ khó nuôi cấy các tinh thể đáp ứng các yêu cầu về chất lượng mà còn không thể nuôi cấy tinh thể đơn hoàn chỉnh theo một số yêu cầu quy trình nhất định. Đây là lý do tại sao ngành công nghiệp silicon đơn tinh thể kéo trực tiếp coi thiết kế trường nhiệt là công nghệ cốt lõi nhất và đầu tư rất nhiều nhân lực và nguồn lực vật chất vào nghiên cứu và phát triển trường nhiệt.
Hệ thống nhiệt được tạo thành từ nhiều vật liệu trường nhiệt khác nhau. Chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược về các vật liệu được sử dụng trong trường nhiệt. Đối với sự phân bố nhiệt độ trong trường nhiệt và tác động của nó đến quá trình kéo tinh thể, chúng tôi sẽ không phân tích ở đây. Vật liệu trường nhiệt đề cập đến cấu trúc và phần cách nhiệt trong buồng lò chân không của quá trình phát triển tinh thể, điều này rất cần thiết để tạo ra sự phân bố nhiệt độ thích hợp xung quanh chất bán dẫn nóng chảy và tinh thể.
1. Vật liệu cấu trúc trường nhiệt
Vật liệu hỗ trợ cơ bản cho phương pháp kéo trực tiếp để phát triển silicon đơn tinh thể là than chì có độ tinh khiết cao. Vật liệu than chì đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Chúng có thể được sử dụng làm thành phần cấu trúc trường nhiệt nhưlò sưởi, ống dẫn hướng, lò nung, ống cách điện, khay nung, v.v. trong quá trình chế tạo silic đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski.
Vật liệu than chìđược lựa chọn vì chúng dễ chế biến với khối lượng lớn, có thể xử lý và chịu được nhiệt độ cao. Carbon dưới dạng kim cương hoặc than chì có điểm nóng chảy cao hơn bất kỳ nguyên tố hoặc hợp chất nào. Vật liệu than chì khá bền, đặc biệt là ở nhiệt độ cao và độ dẫn điện và dẫn nhiệt của chúng cũng khá tốt. Độ dẫn điện của nó làm cho nó phù hợp làmlò sưởivật liệu. Nó có hệ số dẫn nhiệt thỏa đáng, cho phép nhiệt do lò sưởi tạo ra được phân bổ đều đến nồi nấu và các bộ phận khác của trường nhiệt. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trên khoảng cách xa, chế độ truyền nhiệt chính là bức xạ.
Các bộ phận graphite ban đầu được làm từ các hạt cacbon mịn trộn với chất kết dính và được tạo thành bằng cách đùn hoặc ép đẳng tĩnh. Các bộ phận graphite chất lượng cao thường được ép đẳng tĩnh. Toàn bộ miếng than chì đầu tiên được cacbon hóa và sau đó được graphit hóa ở nhiệt độ rất cao, gần 3000°C. Các bộ phận được xử lý từ những miếng than chì nguyên khối này thường được tinh chế trong môi trường có chứa clo ở nhiệt độ cao để loại bỏ tạp chất kim loại nhằm đáp ứng các yêu cầu của ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, ngay cả sau khi tinh chế đúng cách, mức độ tạp chất kim loại vẫn cao hơn nhiều cấp độ so với mức cho phép đối với vật liệu đơn tinh thể silic. Do đó, cần phải cẩn thận trong thiết kế trường nhiệt để ngăn ngừa tạp chất của các thành phần này xâm nhập vào bề mặt nóng chảy hoặc tinh thể.
Vật liệu than chì có tính thấm nhẹ, giúp kim loại còn lại bên trong dễ dàng tiếp cận bề mặt. Ngoài ra, silicon monoxide có trong khí xả xung quanh bề mặt than chì có thể thấm vào hầu hết các vật liệu và phản ứng.
Lò sưởi lò silicon đơn tinh thể ban đầu được làm bằng kim loại chịu lửa như vonfram và molypden. Với sự trưởng thành ngày càng tăng của công nghệ chế biến than chì, các tính chất điện của kết nối giữa các thành phần than chì đã trở nên ổn định và lò sưởi lò silicon đơn tinh thể đã thay thế hoàn toàn vonfram, molypden và các vật liệu sưởi khác. Hiện nay, vật liệu than chì được sử dụng rộng rãi nhất là than chì đẳng tĩnh. Công nghệ chế tạo than chì đẳng tĩnh của nước tôi tương đối lạc hậu và hầu hết các vật liệu than chì được sử dụng trong ngành quang điện trong nước đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Các nhà sản xuất than chì đẳng tĩnh nước ngoài chủ yếu bao gồm SGL của Đức, Tokai Carbon của Nhật Bản, Toyo Tanso của Nhật Bản, v.v. Trong lò silicon đơn tinh thể Czochralski, vật liệu composite C/C đôi khi được sử dụng và chúng đã bắt đầu được sử dụng để sản xuất bu lông, đai ốc, nồi nấu kim loại, tấm tải và các thành phần khác. Vật liệu composite cacbon/cacbon (C/C) là vật liệu composite nền cacbon gia cường sợi cacbon với một loạt các đặc tính tuyệt vời như cường độ riêng cao, mô đun riêng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn điện tốt, độ bền gãy cao, trọng lượng riêng thấp, khả năng chống sốc nhiệt, khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt độ cao. Hiện nay, chúng được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, đua xe, vật liệu sinh học và các lĩnh vực khác như vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao mới. Hiện nay, những trở ngại chính mà vật liệu composite C/C trong nước gặp phải vẫn là vấn đề chi phí và công nghiệp hóa.
Có nhiều vật liệu khác được sử dụng để tạo ra trường nhiệt. Graphite gia cường sợi carbon có đặc tính cơ học tốt hơn; nhưng đắt hơn và có các yêu cầu khác về thiết kế.Silic cacbua (SiC)là vật liệu tốt hơn than chì ở nhiều khía cạnh, nhưng đắt hơn nhiều và khó chế tạo các bộ phận có khối lượng lớn. Tuy nhiên, SiC thường được sử dụng làmLớp phủ CVDđể tăng tuổi thọ của các bộ phận graphite tiếp xúc với khí silicon monoxide ăn mòn, đồng thời có thể giảm ô nhiễm từ graphite. Lớp phủ silicon carbide CVD dày đặc ngăn chặn hiệu quả các chất gây ô nhiễm bên trong vật liệu graphite vi xốp tiếp xúc với bề mặt.
Một loại khác là carbon CVD, cũng có thể tạo thành một lớp dày đặc phía trên phần than chì. Các vật liệu chịu nhiệt độ cao khác, chẳng hạn như molypden hoặc vật liệu gốm có thể cùng tồn tại với môi trường, có thể được sử dụng ở nơi không có nguy cơ làm ô nhiễm hỗn hợp nóng chảy. Tuy nhiên, gốm oxit thường bị hạn chế về khả năng ứng dụng đối với vật liệu than chì ở nhiệt độ cao và có ít lựa chọn khác nếu cần cách nhiệt. Một là nitride bo lục giác (đôi khi được gọi là than chì trắng do có các đặc tính tương tự), nhưng các đặc tính cơ học kém. Molypden thường được sử dụng hợp lý cho các tình huống nhiệt độ cao vì chi phí vừa phải, tốc độ khuếch tán thấp trong tinh thể silicon và hệ số phân tách rất thấp khoảng 5×108, cho phép một lượng ô nhiễm molypden nhất định trước khi phá hủy cấu trúc tinh thể.
2. Vật liệu cách nhiệt
Vật liệu cách nhiệt được sử dụng phổ biến nhất là nỉ carbon ở nhiều dạng khác nhau. Nỉ carbon được làm từ các sợi mỏng, có tác dụng cách nhiệt vì chúng chặn bức xạ nhiệt nhiều lần trong một khoảng cách ngắn. Nỉ carbon mềm được dệt thành các tấm vật liệu tương đối mỏng, sau đó được cắt thành hình dạng mong muốn và uốn cong chặt thành bán kính hợp lý. Nỉ đã xử lý được tạo thành từ các vật liệu sợi tương tự và chất kết dính chứa carbon được sử dụng để kết nối các sợi phân tán thành một vật thể rắn chắc và có hình dạng hơn. Việc sử dụng lắng đọng hơi hóa học của carbon thay vì chất kết dính có thể cải thiện các đặc tính cơ học của vật liệu.
Thông thường, bề mặt ngoài của lớp nỉ cách nhiệt được phủ một lớp than chì liên tục hoặc lá kim loại để giảm xói mòn và mài mòn cũng như ô nhiễm dạng hạt. Các loại vật liệu cách nhiệt gốc carbon khác cũng tồn tại, chẳng hạn như bọt carbon. Nhìn chung, vật liệu than chì rõ ràng được ưa chuộng hơn vì quá trình than chì hóa làm giảm đáng kể diện tích bề mặt của sợi. Quá trình thoát khí của các vật liệu có diện tích bề mặt lớn này được giảm đáng kể và mất ít thời gian hơn để bơm lò đến mức chân không phù hợp. Một loại khác là vật liệu composite C/C, có các đặc tính nổi bật như trọng lượng nhẹ, khả năng chịu hư hỏng cao và độ bền cao. Được sử dụng trong các trường nhiệt để thay thế các bộ phận than chì giúp giảm đáng kể tần suất thay thế các bộ phận than chì, cải thiện chất lượng đơn tinh thể và tính ổn định của sản xuất.
Theo phân loại nguyên liệu thô, nỉ carbon có thể được chia thành nỉ carbon gốc polyacrylonitrile, nỉ carbon gốc viscose và nỉ carbon gốc nhựa đường.
Nỉ carbon gốc polyacrylonitrile có hàm lượng tro lớn. Sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, sợi đơn trở nên giòn. Trong quá trình vận hành, dễ tạo ra bụi làm ô nhiễm môi trường lò. Đồng thời, sợi dễ xâm nhập vào lỗ chân lông và đường hô hấp của cơ thể con người, gây hại cho sức khỏe con người. Nỉ carbon gốc viscose có hiệu suất cách nhiệt tốt. Sau khi xử lý nhiệt, nó tương đối mềm và không dễ tạo ra bụi. Tuy nhiên, mặt cắt ngang của sợi thô gốc viscose không đều và có nhiều rãnh trên bề mặt sợi. Dễ tạo ra các khí như C02 dưới bầu không khí oxy hóa của lò silicon CZ, gây ra sự kết tủa các nguyên tố oxy và carbon trong vật liệu silicon đơn tinh thể. Các nhà sản xuất chính bao gồm SGL của Đức và các công ty khác. Hiện nay, được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp đơn tinh thể bán dẫn là nỉ carbon gốc cao su, có hiệu suất cách nhiệt kém hơn nỉ carbon gốc viscose, nhưng nỉ carbon gốc cao su có độ tinh khiết cao hơn và phát thải bụi thấp hơn. Các nhà sản xuất bao gồm Kureha Chemical và Osaka Gas của Nhật Bản.
Vì hình dạng của nỉ carbon không cố định nên bất tiện khi vận hành. Hiện nay, nhiều công ty đã phát triển một loại vật liệu cách nhiệt mới dựa trên nỉ carbon - nỉ carbon đã qua xử lý. Nỉ carbon đã qua xử lý, còn được gọi là nỉ cứng, là nỉ carbon có hình dạng và tính chất tự duy trì nhất định sau khi nỉ mềm được tẩm nhựa, cán mỏng, xử lý và carbon hóa.
Chất lượng tăng trưởng của silicon đơn tinh thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi môi trường nhiệt và vật liệu cách nhiệt sợi carbon đóng vai trò quan trọng trong môi trường này. Nỉ mềm cách nhiệt sợi carbon vẫn có lợi thế đáng kể trong ngành bán dẫn quang điện do lợi thế về chi phí, hiệu ứng cách nhiệt tuyệt vời, thiết kế linh hoạt và hình dạng tùy chỉnh. Ngoài ra, nỉ cách nhiệt cứng sợi carbon sẽ có không gian phát triển lớn hơn trên thị trường vật liệu trường nhiệt do độ bền nhất định và khả năng vận hành cao hơn. Chúng tôi cam kết nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực vật liệu cách nhiệt và liên tục tối ưu hóa hiệu suất sản phẩm để thúc đẩy sự thịnh vượng và phát triển của ngành bán dẫn quang điện.
Thời gian đăng: 12-06-2024