Процесс роста монокристаллического кремния полностью осуществляется в термическом поле. Хорошее тепловое поле способствует улучшению качества кристаллов и имеет высокую эффективность кристаллизации. Конструкция теплового поля во многом определяет изменения и изменения градиентов температуры в динамическом тепловом поле. Расход газа в камере печи и разница в материалах, используемых в термическом поле, напрямую определяют срок службы теплового поля. Неразумно спроектированное тепловое поле не только затрудняет выращивание кристаллов, соответствующих требованиям качества, но также не позволяет вырастить полноценные монокристаллы при определенных технологических требованиях. Вот почему промышленность монокристаллического кремния Чохральского рассматривает проектирование тепловых полей в качестве основной технологии и вкладывает огромные человеческие и материальные ресурсы в исследования и разработки тепловых полей.
Тепловая система состоит из различных тепловых полевых материалов. Мы лишь кратко представим материалы, используемые в термической области. Что касается распределения температуры в тепловом поле и его влияния на вытягивание кристалла, то мы не будем здесь его анализировать. Материал термического поля относится к вакуумной печи для выращивания кристаллов. Конструктивные и теплоизолированные части камеры, необходимые для создания необходимой температуры вокруг расплава полупроводника и кристаллов.
один. теплополевые конструкционные материалы
Основным вспомогательным материалом для выращивания монокристаллического кремния методом Чохральского является графит высокой чистоты. Графитовые материалы играют очень важную роль в современной промышленности. При получении монокристаллического кремния методом Чохральского их можно использовать в качестве конструктивных элементов теплового поля, таких как нагреватели, направляющие трубки, тигли, изоляционные трубки и лотки для тиглей.
Графитовый материал был выбран из-за простоты его изготовления в больших объемах, технологичности и устойчивости к высоким температурам. Углерод в форме алмаза или графита имеет более высокую температуру плавления, чем любой элемент или соединение. Графитовый материал довольно прочен, особенно при высоких температурах, а его электро- и теплопроводность также достаточно хороши. Его электропроводность делает его пригодным в качестве материала для нагревателя, и он обладает удовлетворительной теплопроводностью, которая позволяет равномерно распределять тепло, выделяемое нагревателем, в тигель и другие части теплового поля. Однако при высоких температурах, особенно на больших расстояниях, основным способом теплопередачи является излучение.
Графитовые детали первоначально формируются путем экструзии или изостатического прессования мелких углеродистых частиц, смешанных со связующим. Детали из высококачественного графита обычно подвергаются изостатическому прессованию. Вся деталь сначала карбонизируется, а затем графитируется при очень высоких температурах, близких к 3000°C. Детали, изготовленные из этих монолитов, часто очищают в хлорсодержащей атмосфере при высоких температурах для удаления металлических загрязнений в соответствии с требованиями полупроводниковой промышленности. Однако даже при должной очистке уровни загрязнения металлами на порядки выше, чем допускают монокристаллические кремниевые материалы. Поэтому при проектировании теплового поля необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить попадание загрязнения этих компонентов в расплав или на поверхность кристалла.
Графитовый материал малопроницаем, что позволяет оставшемуся внутри металлу легко выйти на поверхность. Кроме того, монооксид кремния, присутствующий в продувочном газе вокруг поверхности графита, может проникать глубоко в большинство материалов и вступать в реакцию.
Первые нагреватели печи из монокристаллического кремния изготавливались из тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. По мере совершенствования технологии обработки графита электрические свойства соединений между графитовыми компонентами становятся стабильными, а нагреватели печей из монокристаллического кремния полностью заменили нагреватели из вольфрама, молибдена и других материалов. В настоящее время наиболее широко используемым графитовым материалом является изостатический графит. Semicera может поставлять высококачественные графитовые материалы, полученные изостатическим прессованием.
В печах монокристаллического кремния Чохральского иногда используются композитные материалы C/C, которые в настоящее время используются для изготовления болтов, гаек, тиглей, несущих пластин и других деталей. Углерод/углеродные (c/c) композиционные материалы представляют собой композиционные материалы на основе углерода, армированные углеродным волокном. Они имеют высокую удельную прочность, высокий удельный модуль, низкий коэффициент теплового расширения, хорошую электропроводность, большую вязкость разрушения, низкий удельный вес, стойкость к тепловому удару, коррозионную стойкость. Они обладают рядом превосходных свойств, таких как устойчивость к высоким температурам, и в настоящее время широко используются используется в аэрокосмической, гоночной, биоматериалах и других областях как новый тип конструкционного материала, устойчивого к высоким температурам. В настоящее время основным узким местом отечественных композитных материалов C/C являются вопросы стоимости и индустриализации.
Есть много других материалов, используемых для создания тепловых полей. Графит, армированный углеродным волокном, имеет лучшие механические свойства; однако он дороже и налагает другие требования к проектированию. Карбид кремния (SiC) во многих отношениях является лучшим материалом, чем графит, но он намного дороже и его сложнее изготавливать крупногабаритные детали. Однако SiC часто используется в качестве покрытия CVD для увеличения срока службы графитовых деталей, подвергающихся воздействию агрессивного газа монооксида кремния, а также для уменьшения загрязнения графитом. Плотное CVD-покрытие из карбида кремния эффективно предотвращает попадание загрязнений внутри микропористого графитового материала на поверхность.
Другой — углерод CVD, который также может образовывать плотный слой поверх графитовых деталей. Другие жаростойкие материалы, такие как молибден или керамические материалы, совместимые с окружающей средой, можно использовать там, где нет риска загрязнения расплава. Однако оксидная керамика ограниченно пригодна для прямого контакта с графитовыми материалами при высоких температурах, поэтому часто остается мало альтернатив, если требуется изоляция. Один из них — гексагональный нитрид бора (иногда называемый белым графитом из-за схожих свойств), но он имеет плохие механические свойства. Молибден, как правило, подходит для применения при высоких температурах из-за его умеренной стоимости, низкой диффузии в кристаллах кремния и низкого коэффициента сегрегации, около 5 × 108, что допускает некоторое загрязнение молибденом перед разрушением кристаллической структуры.
два. Теплополевые изоляционные материалы
Наиболее часто используемый изоляционный материал — углеродный войлок в различных формах. Углеродный войлок состоит из тонких волокон, которые действуют как теплоизоляция, поскольку многократно блокируют тепловое излучение на небольшом расстоянии. Мягкий углеродный войлок ткут в относительно тонкие листы материала, которым затем придают нужную форму и плотно сгибают до разумного радиуса. Затвердевший фетр состоит из аналогичных волокнистых материалов с использованием углеродсодержащего связующего для соединения рассеянных волокон в более прочный и стильный объект. Использование химического осаждения углерода из паровой фазы вместо связующих позволяет улучшить механические свойства материала.
Обычно внешняя поверхность изоляционного отвержденного войлока покрыта непрерывным графитовым покрытием или фольгой для уменьшения эрозии и износа, а также загрязнения твердыми частицами. Существуют также другие типы изоляционных материалов на основе углерода, например углеродная пена. В целом графитизированные материалы явно предпочтительнее, поскольку графитизация значительно уменьшает площадь поверхности волокна. Эти материалы с большой площадью поверхности позволяют гораздо меньше выделять газы и требуют меньше времени для создания в печи надлежащего вакуума. Другой тип — композитный материал C/C, который обладает такими выдающимися характеристиками, как легкий вес, высокая устойчивость к повреждениям и высокая прочность. Используется в термических полях для замены графитовых деталей, что значительно снижает частоту замены графитовых деталей и повышает качество монокристалла и стабильность производства.
По классификации сырья углеродный войлок можно разделить на углеродный войлок на основе полиакрилонитрила, углеродный войлок на основе вискозы и углеродный войлок на основе асфальта.
Углеродный войлок на основе полиакрилонитрила имеет большую зольность, а мононити после высокотемпературной обработки становятся хрупкими. Во время работы легко образуется пыль, загрязняющая окружающую среду печи. При этом волокна легко проникают в поры и дыхательные пути человека, нанося вред здоровью человека; Карбоновый войлок на основе вискозы. Он обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, после термообработки относительно мягок и менее склонен к образованию пыли. Однако поперечное сечение нитей на основе вискозы имеет неправильную форму и на поверхности волокна имеется множество оврагов, которые легко сформировать в присутствии окислительной атмосферы в печи монокристаллического кремния Чохральского. Такие газы, как CO2, вызывают осаждение элементов кислорода и углерода в монокристаллических кремниевых материалах. Основными производителями являются немецкая SGL и другие компании. В настоящее время углеродный войлок на основе пека наиболее широко используется в промышленности монокристаллов полупроводников, и его теплоизоляционные характеристики лучше, чем у липкого углеродного войлока. Углеродный войлок на основе камеди уступает ему, но углеродный войлок на основе асфальта имеет более высокую чистоту и меньший выброс пыли. Производители включают японскую Kureha Chemical, Osaka Gas и т. д.
Поскольку форма карбонового войлока не фиксирована, работать с ним неудобно. Сейчас многие компании разработали новый теплоизоляционный материал на основе углеродного войлока – вулканизированный углеродный войлок. Затвердевший углеродный войлок также называют твердым войлоком. Это углеродный войлок, который имеет определенную форму и самостоятельность после пропитки смолой, ламинирования, затвердевания и карбонизации.
Качество роста монокристаллического кремния напрямую зависит от условий теплового поля, и изоляционные материалы из углеродного волокна играют ключевую роль в этой среде. Мягкий войлок для теплоизоляции из углеродного волокна по-прежнему занимает значительное преимущество в фотоэлектрической полупроводниковой промышленности благодаря своим ценовым преимуществам, превосходному теплоизоляционному эффекту, гибкому дизайну и настраиваемой форме. Кроме того, жесткий изоляционный войлок из углеродного волокна будет иметь больше возможностей для развития на рынке тепловых полевых материалов из-за его определенной прочности и более высокой эксплуатационной способности. Мы стремимся к исследованиям и разработкам в области теплоизоляционных материалов и постоянно оптимизируем характеристики продукции, чтобы способствовать процветанию и развитию фотоэлектрической полупроводниковой промышленности.
Время публикации: 15 мая 2024 г.