Quá trình phát triển silicon đơn tinh thể được thực hiện hoàn toàn trong trường nhiệt. Một trường nhiệt tốt sẽ giúp nâng cao chất lượng tinh thể và có hiệu suất kết tinh cao hơn. Thiết kế trường nhiệt quyết định phần lớn sự thay đổi gradient nhiệt độ trong trường nhiệt động và dòng khí trong buồng lò. Sự khác biệt về vật liệu được sử dụng trong trường nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của trường nhiệt. Một trường nhiệt không hợp lý không chỉ khó tạo ra các tinh thể đáp ứng yêu cầu chất lượng mà còn không thể tạo ra silicon đơn tinh thể hoàn chỉnh theo các yêu cầu quy trình nhất định. Đó 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 vật lực vào nghiên cứu và phát triển trường nhiệt.
Hệ thống nhiệt bao gồm nhiều vật liệu trường nhiệt khác nhau. Chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược các vật liệu được sử dụng trong trường nhiệt. Về 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 dùng để nuôi cấy tinh thể, 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 nuôi cấy silicon đơn tinh thể là than chì có độ tinh khiết cao. Vật liệu than chì đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp hiện đại. Chúng có thể được sử dụng làm các thành phần cấu trúc chịu nhiệt như...máy sưởi, ống dẫn hướng, nồi nấu kim loại, ống cách nhiệt, khay nung, v.v. trong quá trình điều chế silic đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski.
Vật liệu than chìChúng được chọn vì dễ chế tạo với số lượng lớn, có thể gia công và chịu được nhiệt độ cao. Cacbon ở 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 ở nhiệt độ cao, và khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt của chúng cũng khá tốt. Khả năng dẫn điện của nó làm cho nó phù hợp làm vật liệu...máy sưởiVật liệu này có hệ số dẫn nhiệt đạt yêu cầu, cho phép nhiệt lượng do bộ phận gia nhiệt tạo ra được phân bổ đều đến nồi nấu kim loại và các bộ phận khác trong vùng nhiệt. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trên khoảng cách xa, phương thức truyền nhiệt chính là bức xạ.
Các chi tiết than chì ban đầu được làm từ các hạt cacbon mịn trộn với chất kết dính và được tạo hình bằng phương pháp ép đùn hoặc ép đẳng tĩnh. Các chi tiết than chì chất lượng cao thường được ép đẳng tĩnh. Toàn bộ chi tiết được cacbon hóa và sau đó được graphit hóa ở nhiệt độ rất cao, gần 3000°C. Các chi tiết được gia công từ những chi tiết nguyên khối này thường được tinh chế trong môi trường 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 bậc so với mức cho phép đối với vật liệu silicon đơn tinh thể. Do đó, cần phải cẩn thận trong thiết kế trường nhiệt để ngăn chặn sự nhiễm bẩn của các thành phần này xâm nhập vào chất nóng chảy hoặc bề mặt tinh thể.
Vật liệu than chì có tính thấm nhẹ, điều này giúp cho kim loại còn sót lại bên trong dễ dàng thoát ra bề mặt. Ngoài ra, silic monoxit có trong khí thổi xung quanh bề mặt than chì có thể thâm nhập vào hầu hết các vật liệu và phản ứng.
Các lò nung silicon đơn tinh thể đời đầu được làm từ các kim loại chịu nhiệt như vonfram và molypden. Với sự phát triển ngày càng hoàn thiện của công nghệ chế biến than chì, tính chất điện của mối nối giữa các thành phần than chì đã trở nên ổn định, và các lò nung silicon đơn tinh thể đã hoàn toàn thay thế các lò nung làm từ vonfram, molypden và các vật liệu khác. Hiện nay, vật liệu than chì được sử dụng rộng rãi nhất là than chì đẳng hướng. Công nghệ chế tạo than chì đẳng hướng của nước ta còn tương đối lạc hậu, và hầu hết các vật liệu than chì được sử dụng trong ngành công nghiệp quang điện trong nước đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Các nhà sản xuất than chì đẳng hướng nước ngoài chủ yếu bao gồm SGL của Đức, Tokai Carbon của Nhật Bản, Toyo Tanso của Nhật Bản, v.v. Trong các lò nung 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 chịu tải và các bộ phận khác. Vật liệu composite carbon/carbon (C/C) là vật liệu composite gốc carbon được gia cường bằng sợi carbon, sở hữu một loạt các đặc tính ưu việt như độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi riêng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn điện tốt, độ dẻo dai khi gãy cao, trọng lượng riêng thấp, khả năng chịu sốc nhiệt, chống ăn mòn và 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 là vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao mới. Tuy nhiên, hiện tại, những trở ngại chính mà vật liệu composite C/C trong nước đang gặp phải vẫn là vấn đề chi phí và công nghiệp hóa.
Có nhiều vật liệu khác được sử dụng để tạo ra các trường nhiệt. Than chì gia cường bằng sợi carbon có tính chất cơ học tốt hơn; nhưng nó đắt hơn và có những yêu cầu thiết kế khác.Cacbua silic (SiC)SiC là vật liệu tốt hơn than chì ở nhiều khía cạnh, nhưng nó đắt hơn nhiều và khó sản xuất với số lượng lớn. Tuy nhiên, SiC thường được sử dụng làm...Lớp phủ CVDLớp phủ silicon carbide CVD giúp tăng tuổi thọ của các bộ phận bằng than chì tiếp xúc với khí silicon monoxide ăn mòn, đồng thời giảm thiểu sự nhiễm bẩn từ than chì. Lớp phủ này ngăn chặn hiệu quả các chất gây ô nhiễm bên trong vật liệu than chì xốp tiếp xúc với bề mặt.
Một lựa chọn 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 những nơi không có nguy cơ làm ô nhiễm chất 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 rất ít lựa chọn khác nếu cần cách nhiệt. Một trong số đó là boron nitride lục giác (đôi khi được gọi là than chì trắng do có tính chất tương tự), nhưng tính chất cơ học lại kém. Molypden thường được sử dụng hợp lý trong các trường hợp nhiệt độ cao vì chi phí vừa phải, tốc độ khuếch tán thấp trong tinh thể silic và hệ số phân tách rất thấp khoảng 5×108, cho phép một lượng molypden nhất định bị nhiễm bẩn 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 với 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 chẽ thành bán kính hợp lý. Nỉ đã qua xử lý được cấu tạo từ các vật liệu sợi tương tự, và chất kết dính chứa carbon được sử dụng để liên kết các sợi phân tán thành một vật thể rắn chắc và có hình dạng hơn. Việc sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) carbon thay vì chất kết dính có thể cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu.
Thông thường, bề mặt ngoài của lớp nỉ cách nhiệt được phủ một lớp than chì liên tục hoặc màng mỏng để giảm sự ăn mòn, mài mòn cũng như ô nhiễm do các hạt bụi. Ngoài ra còn có các loại vật liệu cách nhiệt gốc carbon khác, chẳng hạn như bọt carbon. Nhìn chung, vật liệu graphit hóa được ưa chuộng hơn vì quá trình graphit hóa làm giảm đáng kể diện tích bề mặt của sợi. Sự thoát khí của các vật liệu có diện tích bề mặt lớn này được giảm thiểu đáng kể, và thời gian hút chân không trong lò nung đến mức thích hợp cũng được rút ngắn. Một loại khác là vật liệu composite C/C, có những đặc tính nổi bật như trọng lượng nhẹ, khả năng chịu hư hại cao và độ bền cao. Được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt để thay thế các bộ phận bằng than chì giúp giảm đáng kể tần suất thay thế các bộ phận bằng than chì, cải thiện chất lượng đơn tinh thể và độ ổn định 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.
Vải nỉ carbon gốc polyacrylonitrile có hàm lượng tro cao. Sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, sợi đơn trở nên giòn. Trong quá trình vận hành, dễ sinh bụi gây ô nhiễm môi trường lò nung. Đồng thời, sợi dễ dàng xâm nhập vào lỗ chân lông và đường hô hấp của cơ thể người, gây hại cho sức khỏe. Vải nỉ carbon gốc viscose có hiệu suất cách nhiệt tốt. Sau khi xử lý nhiệt, nó tương đối mềm và không dễ sinh bụi. Tuy nhiên, mặt cắt ngang của sợi thô gốc viscose không đều, và có nhiều rãnh trên bề mặt sợi. Nó dễ sinh ra các khí như CO2 trong môi trường oxy hóa của lò nung 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, loại được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn đơn tinh thể là vải nỉ carbon gốc nhựa đường, có hiệu suất cách nhiệt kém hơn so với vải nỉ carbon gốc viscose, nhưng vải nỉ carbon gốc nhựa đường có độ tinh khiết cao hơn và lượng bụi phát thải thấp hơn. Các nhà sản xuất bao gồm Kureha Chemical và Osaka Gas của Nhật Bản.
Do hình dạng của nỉ carbon không cố định nên việc thi công rất bất tiện. 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 loại nỉ carbon có hình dạng nhất định và đặc tính tự giữ hình dạng sau khi nỉ mềm được ngâm tẩm nhựa, cán màng, xử lý và cacbon 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. Vải nỉ mềm cách nhiệt sợi carbon vẫn có ưu thế đáng kể trong ngành công nghiệp bán dẫn quang điện nhờ lợi thế về chi phí, hiệu quả cách nhiệt tuyệt vời, thiết kế linh hoạt và hình dạng có thể tùy chỉnh. Ngoài ra, vải nỉ cứng cách nhiệt sợi carbon sẽ có nhiều không gian phát triển hơn trong thị trường vật liệu cách nhiệt nhờ 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 công nghiệp bán dẫn quang điện.
Thời gian đăng bài: 12/06/2024