Proces wzrostu monokrystalicznego krzemu odbywa się całkowicie w polu termicznym.Dobre pole termiczne sprzyja poprawie jakości kryształów i ma wysoką wydajność krystalizacji.Konstrukcja pola cieplnego w dużej mierze determinuje zmiany i zmiany gradientów temperatury w dynamicznym polu termicznym.Przepływ gazu w komorze pieca i różnica w materiałach zastosowanych w polu termicznym bezpośrednio determinują żywotność pola termicznego.Nierozsądnie zaprojektowane pole termiczne nie tylko utrudnia hodowlę kryształów spełniających wymagania jakościowe, ale także nie pozwala na hodowlę kompletnych monokryształów przy określonych wymaganiach procesu.Właśnie dlatego przemysł krzemu monokrystalicznego Czochralski uważa projektowanie pola termicznego za technologię podstawową i inwestuje ogromne zasoby ludzkie i materialne w badania i rozwój pola termicznego.
System termiczny składa się z różnych materiałów tworzących pole termiczne.Tylko pokrótce przedstawimy materiały stosowane w polu termicznym.Jeśli chodzi o rozkład temperatury w polu termicznym i jego wpływ na przyciąganie kryształów, nie będziemy go tutaj analizować.Materiał pola termicznego odnosi się do pieca próżniowego do wzrostu kryształów.Strukturalne i izolowane termicznie części komory, które są niezbędne do wytworzenia tkaniny o odpowiedniej temperaturze wokół stopionego półprzewodnika i kryształów.
jeden.materiały konstrukcyjne pola termicznego
Podstawowym materiałem pomocniczym do uprawy monokrystalicznego krzemu metodą Czochralskiego jest grafit wysokiej czystości.Materiały grafitowe odgrywają bardzo ważną rolę we współczesnym przemyśle.Przy wytwarzaniu krzemu monokrystalicznego metodą Czochralskiego można je stosować jako elementy konstrukcyjne pola cieplnego, takie jak grzejniki, rurki prowadzące, tygle, rurki izolacyjne i tace tygli.
Materiał grafitowy został wybrany ze względu na łatwość przygotowania w dużych ilościach, przetwarzalność i odporność na wysokie temperatury.Węgiel w postaci diamentu lub grafitu ma wyższą temperaturę topnienia niż jakikolwiek pierwiastek lub związek.Materiał grafitowy jest dość mocny, zwłaszcza w wysokich temperaturach, a jego przewodność elektryczna i cieplna jest również całkiem dobra.Jego przewodność elektryczna sprawia, że nadaje się jako materiał grzewczy i ma zadowalającą przewodność cieplną, która może równomiernie rozprowadzać ciepło wytwarzane przez grzejnik do tygla i innych części pola termicznego.Jednak w wysokich temperaturach, zwłaszcza na dużych odległościach, głównym sposobem przekazywania ciepła jest promieniowanie.
Części grafitowe są początkowo formowane przez wytłaczanie lub prasowanie izostatyczne drobnych cząstek węglowych zmieszanych ze spoiwem.Wysokiej jakości części grafitowe są zwykle prasowane izostatycznie.Całość jest najpierw karbonizowana, a następnie grafityzowana w bardzo wysokich temperaturach, bliskich 3000°C.Części wykonane z tych monolitów są często oczyszczane w atmosferze zawierającej chlor w wysokich temperaturach w celu usunięcia zanieczyszczeń metalicznych w celu spełnienia wymagań przemysłu półprzewodników.Jednak nawet przy właściwym oczyszczeniu poziom zanieczyszczenia metalami jest o rząd wielkości wyższy niż dopuszczalny w przypadku monokrystalicznych materiałów krzemowych.Dlatego przy projektowaniu pola termicznego należy zachować ostrożność, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń tych składników do powierzchni stopu lub kryształu.
Materiał grafitowy jest materiałem lekko przepuszczalnym, dzięki czemu znajdujący się wewnątrz metal z łatwością przedostaje się na powierzchnię.Ponadto tlenek krzemu obecny w gazie płuczącym wokół powierzchni grafitu może wnikać głęboko w większość materiałów i reagować.
Wczesne grzejniki do pieców z monokrystalicznego krzemu były wykonane z metali ogniotrwałych, takich jak wolfram i molibden.W miarę dojrzewania technologii przetwarzania grafitu właściwości elektryczne połączeń między elementami grafitu stają się stabilne, a grzejniki z monokrystalicznego krzemu całkowicie zastąpiły grzejniki wolframowe i molibdenowe oraz inne materiały.Obecnie najpowszechniej stosowanym materiałem grafitowym jest grafit izostatyczny.semicera może dostarczyć wysokiej jakości materiały grafitowe prasowane izostatycznie.
W piecach monokrystalicznych krzemu Czochralskiego czasami stosuje się materiały kompozytowe C/C, które obecnie są wykorzystywane do produkcji śrub, nakrętek, tygli, płyt nośnych i innych elementów.Materiały kompozytowe węgiel/węgiel (c/c) to materiały kompozytowe na bazie węgla wzmocnione włóknem węglowym.Mają wysoką wytrzymałość właściwą, wysoki moduł właściwy, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobrą przewodność elektryczną, dużą odporność na pękanie, niski ciężar właściwy, odporność na szok termiczny, odporność na korozję. Ma szereg doskonałych właściwości, takich jak odporność na wysoką temperaturę i jest obecnie szeroko stosowany w lotnictwie, wyścigach, biomateriałach i innych dziedzinach jako nowy rodzaj materiału konstrukcyjnego odpornego na wysokie temperatury.Obecnie głównym wąskim gardłem napotykanym w przypadku krajowych materiałów kompozytowych C/C są koszty i kwestie industrializacji.
Istnieje wiele innych materiałów używanych do tworzenia pól termicznych.Grafit wzmocniony włóknem węglowym ma lepsze właściwości mechaniczne;jest jednak droższy i nakłada inne wymagania projektowe.Węglik krzemu (SiC) jest pod wieloma względami lepszym materiałem niż grafit, jest jednak znacznie droższy i trudniejszy w wytwarzaniu części o dużej objętości.Jednakże SiC jest często stosowany jako powłoka CVD w celu zwiększenia trwałości części grafitowych narażonych na działanie agresywnego gazowego tlenku krzemu, a także w celu zmniejszenia zanieczyszczenia grafitem.Gęsta powłoka CVD z węglika krzemu skutecznie zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczeń znajdujących się wewnątrz mikroporowatego materiału grafitowego na powierzchnię.
Drugim jest węgiel CVD, który może również tworzyć gęstą warstwę na wierzchu części grafitowych.Inne materiały odporne na wysoką temperaturę, takie jak molibden lub materiały ceramiczne, które są kompatybilne ze środowiskiem, można stosować tam, gdzie nie ma ryzyka zanieczyszczenia stopionego materiału.Jednakże ceramika tlenkowa ma ograniczoną przydatność do bezpośredniego kontaktu z materiałami grafitowymi w wysokich temperaturach, często pozostawiając niewiele alternatyw, jeśli wymagana jest izolacja.Jednym z nich jest sześciokątny azotek boru (czasami nazywany białym grafitem ze względu na podobne właściwości), ale ma on słabe właściwości mechaniczne.Molibden jest ogólnie uzasadniony w zastosowaniach wysokotemperaturowych ze względu na jego umiarkowany koszt, niską dyfuzyjność w kryształach krzemu i niski współczynnik segregacji, około 5 × 108, co pozwala na pewne zanieczyszczenie molibdenem przed zniszczeniem struktury kryształu.
dwa.Materiały izolacyjne pola cieplnego
Najczęściej stosowanym materiałem izolacyjnym jest filc węglowy w różnych postaciach.Filc węglowy wykonany jest z cienkich włókien, które pełnią funkcję izolacji termicznej, ponieważ wielokrotnie blokują promieniowanie cieplne na krótkim dystansie.Miękki filc węglowy jest tkany w stosunkowo cienkie arkusze materiału, które następnie są przycinane do pożądanego kształtu i ciasno wyginane do rozsądnego promienia.Utwardzony filc składa się z podobnych materiałów włóknistych, przy użyciu spoiwa zawierającego węgiel w celu połączenia rozproszonych włókien w bardziej solidny i stylowy przedmiot.Stosowanie chemicznego osadzania z fazy gazowej węgla zamiast spoiw może poprawić właściwości mechaniczne materiału.
Zazwyczaj zewnętrzna powierzchnia izolującego utwardzonego filcu jest pokryta ciągłą powłoką grafitową lub folią, aby zmniejszyć erozję i zużycie, a także zanieczyszczenie cząstkami stałymi.Istnieją również inne rodzaje materiałów izolacyjnych na bazie węgla, takie jak pianka węglowa.Ogólnie rzecz biorąc, materiały grafitowane są wyraźnie preferowane, ponieważ grafityzacja znacznie zmniejsza powierzchnię włókna.Te materiały o dużej powierzchni umożliwiają znacznie mniejsze odgazowanie i zajmują mniej czasu, aby doprowadzić piec do odpowiedniej próżni.Drugi typ to materiał kompozytowy C/C, który charakteryzuje się wyjątkowymi cechami, takimi jak niewielka waga, wysoka tolerancja na uszkodzenia i wysoka wytrzymałość.Stosowany w polach termicznych do wymiany części grafitowych, co znacznie zmniejsza częstotliwość wymiany części grafitowych oraz poprawia jakość monokryształu i stabilność produkcji.
Zgodnie z klasyfikacją surowców filc węglowy można podzielić na filc węglowy na bazie poliakrylonitrylu, filc węglowy na bazie wiskozy i filc węglowy na bazie asfaltu.
Filc węglowy na bazie poliakrylonitrylu ma dużą zawartość popiołu, a monofilamenty stają się kruche po obróbce w wysokiej temperaturze.Podczas pracy łatwo wytwarza się pył, który zanieczyszcza środowisko pieca.Jednocześnie włókna łatwo dostają się do ludzkich porów i dróg oddechowych, powodując szkody dla zdrowia ludzkiego;filc węglowy na bazie wiskozy. Ma dobre właściwości termoizolacyjne, jest stosunkowo miękki po obróbce cieplnej i jest mniej podatny na powstawanie pyłu.Jednakże przekrój pasm na bazie wiskozy ma nieregularny kształt, a na powierzchni włókna występuje wiele wąwozów, które łatwo tworzą się w obecności atmosfery utleniającej w piecu do monokrystalicznego krzemu Czochralskiego.Gazy takie jak CO2 powodują wytrącanie pierwiastków tlenu i węgla w monokrystalicznych materiałach krzemowych.Głównymi producentami są niemiecka SGL i inne firmy.Obecnie filc węglowy na bazie paku jest najczęściej stosowany w przemyśle monokrystalicznym półprzewodników, a jego właściwości termoizolacyjne są lepsze niż lepkiego filcu węglowego.Filc węglowy na bazie gumy jest gorszy, ale filc węglowy na bazie asfaltu ma wyższą czystość i niższą emisję pyłu.Do producentów należą japońska firma Kureha Chemical, Osaka Gas itp.
Ponieważ kształt filcu węglowego nie jest ustalony, jego obsługa jest niewygodna.Obecnie wiele firm opracowało nowy materiał termoizolacyjny na bazie filcu węglowego – utwardzony filc węglowy.Utwardzony filc węglowy nazywany jest również twardym filcem.Jest to filc węglowy, który po zaimpregnowaniu żywicą, laminowaniu, zestaleniu i zwęgleniu ma określony kształt i samowystarczalność.
Na jakość wzrostu monokrystalicznego krzemu ma bezpośredni wpływ środowisko pola termicznego, a materiały izolacyjne z włókna węglowego odgrywają kluczową rolę w tym środowisku.Miękki filc termoizolacyjny z włókna węglowego nadal zajmuje znaczną przewagę w branży półprzewodników fotowoltaicznych ze względu na zalety kosztowe, doskonały efekt izolacji termicznej, elastyczną konstrukcję i konfigurowalny kształt.Ponadto sztywny filc izolacyjny z włókna węglowego będzie miał większe możliwości rozwoju na rynku materiałów wykorzystujących pola termiczne ze względu na jego pewną wytrzymałość i większą funkcjonalność.Angażujemy się w badania i rozwój w dziedzinie materiałów termoizolacyjnych oraz stale optymalizujemy wydajność produktów, aby promować dobrobyt i rozwój przemysłu półprzewodników fotowoltaicznych.
Czas publikacji: 15 maja 2024 r