Процесът на растеж на монокристален силиций се извършва изцяло в термично поле. Доброто термично поле е благоприятно за подобряване на качеството на кристалите и има висока ефективност на кристализация. Дизайнът на термичното поле до голяма степен определя промените и промените в температурните градиенти в динамичното термично поле. Потокът газ в камерата на пещта и разликата в материалите, използвани в термичното поле, директно определят експлоатационния живот на термичното поле. Неразумно проектираното термично поле не само затруднява отглеждането на кристали, които отговарят на изискванията за качество, но също така не може да отглежда пълни единични кристали при определени изисквания на процеса. Ето защо индустрията на монокристален силиций на Чохралски разглежда дизайна на термичното поле като основна технология и инвестира огромни човешки ресурси и материални ресурси в изследване и развитие на термично поле.
Термичната система е съставена от различни материали за термично поле. Само накратко ще представим материалите, използвани в термичната област. Що се отнася до разпределението на температурата в топлинното поле и влиянието му върху издърпването на кристала, ние няма да го анализираме тук. Материалът на термичното поле се отнася до вакуумната пещ за растеж на кристали. Структурни и термично изолирани части на камерата, които са от съществено значение за създаване на подходяща температурна тъкан около стопилката на полупроводника и кристалите.
един. термично поле структурни материали
Основният поддържащ материал за отглеждане на монокристален силиций по метода на Чохралски е графитът с висока чистота. Графитните материали играят много важна роля в съвременната индустрия. При получаването на монокристален силиций по метода на Чохралски те могат да се използват като структурни компоненти на термично поле като нагреватели, направляващи тръби, тигли, изолационни тръби и тави за тигли.
Графитният материал е избран поради лесното му приготвяне в големи обеми, възможността за обработка и устойчивостта на висока температура. Въглеродът под формата на диамант или графит има по-висока точка на топене от всеки елемент или съединение. Графитният материал е доста здрав, особено при високи температури, а неговата електрическа и топлопроводимост също е доста добра. Неговата електрическа проводимост го прави подходящ като материал за нагревател и има задоволителна топлопроводимост, която може равномерно да разпредели топлината, генерирана от нагревателя, към тигела и други части на топлинното поле. Въпреки това, при високи температури, особено на големи разстояния, основният начин на пренос на топлина е радиацията.
Графитните части първоначално се образуват чрез екструзия или изостатично пресоване на фини въглеродни частици, смесени със свързващо вещество. Висококачествените графитни части обикновено са изостатично пресовани. Цялото парче първо е карбонизирано и след това графитизирано при много високи температури, близо до 3000°C. Частите, изработени от тези монолити, често се пречистват в атмосфера, съдържаща хлор, при високи температури, за да се отстрани замърсяването с метали, за да отговарят на изискванията на полупроводниковата индустрия. Въпреки това, дори при правилно пречистване, нивата на замърсяване с метали са с порядък по-високи от допустимите от силициевите монокристални материали. Следователно трябва да се внимава при проектирането на термичното поле, за да се предотврати навлизането на замърсяване на тези компоненти в стопилката или кристалната повърхност.
Графитният материал е леко пропусклив, което позволява останалия метал вътре лесно да достигне повърхността. В допълнение, силициевият моноксид, присъстващ в продухващия газ около графитната повърхност, може да проникне дълбоко в повечето материали и да реагира.
Ранните монокристални нагреватели от силициеви пещи са направени от огнеупорни метали като волфрам и молибден. Тъй като технологията за обработка на графит узрява, електрическите свойства на връзките между графитните компоненти стават стабилни и нагревателите от монокристални силициеви пещи напълно заменят нагревателите от волфрам и молибден и други материали. Най-широко използваният графитен материал в момента е изостатичният графит. semicera може да осигури висококачествени изостатично пресовани графитни материали.
В пещите за монокристален силиций на Czochralski понякога се използват C/C композитни материали и сега се използват за производство на болтове, гайки, тигели, носещи плочи и други компоненти. Композитните материали въглерод/въглерод (c/c) са подсилени с въглеродни влакна композитни материали на базата на въглерод. Те имат висока специфична якост, висок специфичен модул, нисък коефициент на термично разширение, добра електрическа проводимост, голяма издръжливост на счупване, ниско специфично тегло, устойчивост на термичен удар, устойчивост на корозия, има редица отлични свойства като устойчивост на висока температура и в момента е широко разпространен използван в космическото пространство, състезанията, биоматериалите и други области като нов тип устойчив на висока температура структурен материал. Понастоящем основната пречка, с която се сблъскват домашните C/C композитни материали, са проблемите с разходите и индустриализацията.
Има много други материали, използвани за създаване на топлинни полета. Подсиленият с въглеродни влакна графит има по-добри механични свойства; обаче е по-скъпо и налага други изисквания за дизайн. Силициевият карбид (SiC) е по-добър материал от графита по много начини, но е много по-скъп и труден за производство на части с голям обем. SiC обаче често се използва като CVD покритие за увеличаване на живота на графитни части, изложени на агресивен газ силициев моноксид, а също и за намаляване на замърсяването от графит. Плътното CVD покритие от силициев карбид ефективно предотвратява достигането на повърхността на замърсители вътре в микропорестия графитен материал.
Другият е CVD въглерод, който също може да образува плътен слой върху графитните части. Други материали, устойчиви на висока температура, като молибден или керамични материали, които са съвместими с околната среда, могат да се използват, когато няма риск от замърсяване на стопилката. Въпреки това, оксидната керамика има ограничена пригодност за директен контакт с графитни материали при високи температури, често оставяйки малко алтернативи, ако се изисква изолация. Единият е хексагонален борен нитрид (понякога наричан бял графит поради подобни свойства), но има лоши механични свойства. Молибденът обикновено е разумен за високотемпературни приложения поради неговата умерена цена, ниска дифузия в силициевите кристали и нисък коефициент на сегрегация, около 5 × 108, което позволява известно замърсяване с молибден преди разрушаване на кристалната структура.
две. Топлоизолационни материали
Най-често използваният изолационен материал е въглероден филц в различни форми. Въглеродният филц е направен от тънки влакна, които действат като топлоизолация, тъй като блокират топлинното излъчване многократно на кратко разстояние. Мекият въглероден филц е изтъкан в относително тънки листове материал, които след това се нарязват в желаната форма и плътно се огъват до разумен радиус. Втвърденият филц е съставен от подобни влакнести материали, като се използва свързващо вещество, съдържащо въглерод, за свързване на диспергираните влакна в по-солиден и стилен обект. Използването на химическо парно отлагане на въглерод вместо свързващи вещества може да подобри механичните свойства на материала.
Обикновено външната повърхност на изолационния втвърден филц е покрита с непрекъснато графитно покритие или фолио, за да се намали ерозията и износването, както и замърсяването с частици. Съществуват и други видове изолационни материали на базата на въглерод, като въглеродна пяна. Като цяло, графитизираните материали са очевидно предпочитани, тъй като графитизацията значително намалява повърхностната площ на влакното. Тези материали с голяма повърхност позволяват много по-малко отделяне на газове и отнемат по-малко време за изтегляне на пещта до подходящ вакуум. Другият тип е C/C композитен материал, който има изключителни характеристики като леко тегло, висока устойчивост на повреди и висока якост. Използва се в термични полета за замяна на графитни части, което значително намалява честотата на смяна на графитните части и подобрява качеството на монокристала и стабилността на производството.
Според класификацията на суровините, въглеродният филц може да бъде разделен на въглероден филц на основата на полиакрилонитрил, въглероден филц на базата на вискоза и въглероден филц на асфалтова основа.
Въглероден филц на основата на полиакрилонитрил има голямо съдържание на пепел и монофиламентите стават крехки след обработка при висока температура. По време на работа лесно се образува прах, който замърсява околната среда на пещта. В същото време влакната лесно навлизат в човешките пори и дихателните пътища, причинявайки вреда на човешкото здраве; въглероден филц на базата на вискоза. Той има добри топлоизолационни свойства, сравнително мек е след термична обработка и е по-малко вероятно да образува прах. Въпреки това, напречното сечение на нишките на основата на вискоза има неправилна форма и има много дерета върху повърхността на влакното, което е лесно да се образува в присъствието на окислителна атмосфера в монокристална силиконова пещ на Чохралски. Газове като CO2 причиняват утаяване на кислородни и въглеродни елементи в монокристални силициеви материали. Основните производители включват немската SGL и други компании. Понастоящем въглеродният филц на базата на смола е най-широко използваният в полупроводниковата монокристална индустрия и неговата топлоизолационна производителност е по-добра от тази на лепкавия въглероден филц. Въглеродният филц на основата на дъвка е по-лош, но въглеродният филц на основата на асфалт има по-висока чистота и по-ниски емисии на прах. Производителите включват японската Kureha Chemical, Osaka Gas и др.
Тъй като формата на карбоновия филц не е фиксирана, работата с него е неудобна. Сега много компании са разработили нов топлоизолационен материал на базата на въглероден филц - втвърден въглероден филц. Втвърденият въглероден филц се нарича още твърд филц. Това е въглероден филц, който има определена форма и самоустойчивост, след като е импрегниран със смола, ламиниран, втвърден и карбонизиран.
Качеството на растеж на монокристалния силиций се влияе пряко от средата на термичното поле и изолационните материали от въглеродни влакна играят ключова роля в тази среда. Топлоизолационният мек филц от въглеродни влакна все още заема значително предимство в индустрията на фотоволтаичните полупроводници поради своите предимства в цената, отличния топлоизолационен ефект, гъвкав дизайн и форма, която може да се персонализира. В допълнение, твърдият изолационен филц от въглеродни влакна ще има повече възможности за развитие на пазара на материали за термично поле поради определената си здравина и по-висока функционалност. Ние се ангажираме с изследвания и разработки в областта на топлоизолационните материали и непрекъснато оптимизираме производителността на продуктите, за да насърчим просперитета и развитието на индустрията за фотоволтаични полупроводници.
Време на публикуване: 15 май 2024 г