Proces rasti monokristalnega silicija v celoti poteka v termičnem polju. Dobro toplotno polje prispeva k izboljšanju kakovosti kristalov in ima visoko kristalizacijsko učinkovitost. Zasnova termičnega polja v veliki meri določa spremembe in spremembe temperaturnih gradientov v dinamičnem termičnem polju. Pretok plina v komori peči in razlika v uporabljenih materialih v termičnem polju neposredno določata življenjsko dobo termičnega polja. Nerazumno zasnovano toplotno polje ne le otežuje gojenje kristalov, ki izpolnjujejo zahteve glede kakovosti, ampak tudi ne more rasti popolnih posameznih kristalov pod določenimi zahtevami postopka. Zato industrija monokristalnega silicija Czochralski načrtovanje termičnega polja obravnava kot osrednjo tehnologijo in vlaga ogromno delovne sile in materialnih virov v raziskave in razvoj termičnega polja.
Toplotni sistem je sestavljen iz različnih materialov toplotnega polja. Le na kratko bomo predstavili materiale, ki se uporabljajo na termičnem področju. Kar zadeva porazdelitev temperature v termičnem polju in njen vpliv na vlečenje kristalov, tega tukaj ne bomo analizirali. Material termičnega polja se nanaša na vakuumsko peč za rast kristalov. Strukturni in toplotno izolirani deli komore, ki so bistveni za ustvarjanje ustrezne temperaturne tkanine okoli polprevodniške taline in kristalov.
eno. strukturni materiali toplotnega polja
Osnovni nosilni material za gojenje monokristalnega silicija po metodi Czochralskega je grafit visoke čistosti. Grafitni materiali igrajo zelo pomembno vlogo v sodobni industriji. Pri pripravi monokristalnega silicija po metodi Czochralskega se lahko uporabljajo kot strukturne komponente termičnega polja, kot so grelniki, vodilne cevi, lončki, izolacijske cevi in pladnji za lončke.
Grafitni material je bil izbran zaradi njegove enostavne priprave v velikih količinah, obdelovalnosti in odpornosti na visoke temperature. Ogljik v obliki diamanta ali grafita ima višje tališče kot kateri koli element ali spojina. Grafitni material je precej močan, zlasti pri visokih temperaturah, njegova električna in toplotna prevodnost pa je tudi precej dobra. Zaradi svoje električne prevodnosti je primeren kot grelni material in ima zadovoljivo toplotno prevodnost, ki lahko enakomerno porazdeli toploto, ki jo ustvari grelec, v lonček in druge dele toplotnega polja. Vendar pa je pri visokih temperaturah, zlasti na dolgih razdaljah, glavni način prenosa toplote sevanje.
Grafitni deli so prvotno oblikovani z ekstruzijo ali izostatičnim stiskanjem finih ogljikovih delcev, pomešanih z vezivom. Kakovostni grafitni deli so običajno izostatično stisnjeni. Celoten kos je najprej karboniziran in nato grafitiziran pri zelo visokih temperaturah, blizu 3000°C. Deli, izdelani iz teh monolitov, so pogosto prečiščeni v atmosferi, ki vsebuje klor, pri visokih temperaturah, da se odstrani kovinska kontaminacija, da se izpolnijo zahteve industrije polprevodnikov. Vendar pa so tudi pri ustreznem čiščenju ravni onesnaženosti s kovinami za rede velikosti višje, kot jih dovoljujejo silicijevi enokristalni materiali. Zato je treba pri načrtovanju toplotnega polja paziti, da preprečimo, da bi kontaminacija teh komponent vstopila v talino ali kristalno površino.
Grafitni material je rahlo prepusten, kar omogoča, da preostala kovina v notranjosti zlahka doseže površino. Poleg tega lahko silicijev monoksid, ki je prisoten v čistilnem plinu okoli površine grafita, prodre globoko v večino materialov in reagira.
Zgodnji enokristalni silicijevi grelniki so bili izdelani iz ognjevzdržnih kovin, kot sta volfram in molibden. Ko tehnologija obdelave grafita dozori, postanejo električne lastnosti povezav med grafitnimi komponentami stabilne in enokristalni silicijevi grelniki peči so popolnoma nadomestili volfram in molibden ter grelnike drugih materialov. Trenutno najbolj razširjen grafitni material je izostatični grafit. semicera lahko zagotovi visokokakovostne izostatično stisnjene grafitne materiale.
V pečeh za monokristalni silicij Czochralski se včasih uporabljajo kompozitni materiali C/C, ki se zdaj uporabljajo za izdelavo vijakov, matic, lončkov, nosilnih plošč in drugih komponent. Kompozitni materiali ogljik/ogljik (c/c) so kompozitni materiali na osnovi ogljika, ojačani z ogljikovimi vlakni. Imajo visoko specifično trdnost, visok specifični modul, nizek koeficient toplotnega raztezanja, dobro električno prevodnost, veliko lomno žilavost, nizko specifično težo, odpornost na toplotni udar, odpornost proti koroziji. Ima vrsto odličnih lastnosti, kot je odpornost na visoke temperature in je trenutno široko razširjena. uporablja se v letalstvu, dirkah, biomaterialih in na drugih področjih kot nova vrsta konstrukcijskega materiala, odpornega na visoke temperature. Trenutno so glavno ozko grlo, s katerim se srečujejo domači C/C kompozitni materiali, stroški in vprašanja industrializacije.
Obstaja veliko drugih materialov, ki se uporabljajo za ustvarjanje toplotnih polj. Grafit, ojačan z ogljikovimi vlakni, ima boljše mehanske lastnosti; vendar je dražji in nalaga druge zahteve glede oblikovanja. Silicijev karbid (SiC) je v mnogih pogledih boljši material od grafita, vendar je veliko dražji in ga je težko izdelati velike dele. Vendar se SiC pogosto uporablja kot CVD prevleka za podaljšanje življenjske dobe grafitnih delov, ki so izpostavljeni agresivnemu plinu silicijevega monoksida, in tudi za zmanjšanje kontaminacije z grafitom. Gosta prevleka iz silicijevega karbida CVD učinkovito preprečuje, da bi kontaminanti znotraj mikroporoznega grafitnega materiala dosegli površino.
Drugi je CVD ogljik, ki lahko prav tako tvori gosto plast na vrhu grafitnih delov. Drugi materiali, odporni na visoke temperature, kot so molibden ali keramični materiali, ki so združljivi z okoljem, se lahko uporabljajo, kjer ni nevarnosti kontaminacije taline. Vendar pa je oksidna keramika omejeno primerna za neposreden stik z grafitnimi materiali pri visokih temperaturah, zato pogosto pušča malo alternativ, če je potrebna izolacija. Eden je heksagonalni borov nitrid (včasih imenovan tudi beli grafit zaradi podobnih lastnosti), vendar ima slabe mehanske lastnosti. Molibden je na splošno primeren za visokotemperaturne aplikacije zaradi svoje zmerne cene, nizke difuzije v silicijevih kristalih in nizkega segregacijskega koeficienta, približno 5 × 108, ki omogoča nekaj kontaminacije molibdena, preden uniči kristalno strukturo.
dva. Materiali za toplotno izolacijo
Najpogosteje uporabljen izolacijski material je karbonska filc v različnih oblikah. Karbonska klobučevina je izdelana iz tankih vlaken, ki delujejo kot toplotna izolacija, saj večkrat blokirajo toplotno sevanje na kratki razdalji. Mehka karbonska klobučevina je tkana v razmeroma tanke liste materiala, ki se nato razrežejo v želeno obliko in tesno upognejo na primeren radij. Utrjena klobučevina je sestavljena iz podobnih vlaknatih materialov, z uporabo veziva, ki vsebuje ogljik, za povezovanje razpršenih vlaken v bolj trden in eleganten predmet. Uporaba kemičnega naparjevanja ogljika namesto veziv lahko izboljša mehanske lastnosti materiala.
Običajno je zunanja površina izolacijske utrjene klobučevine prevlečena z neprekinjenim grafitnim premazom ali folijo, da se zmanjša erozija in obraba ter kontaminacija z delci. Obstajajo tudi druge vrste izolacijskih materialov na osnovi ogljika, kot je ogljikova pena. Na splošno so grafitizirani materiali očitno prednostni, ker grafitizacija močno zmanjša površino vlaken. Ti materiali z visoko površino omogočajo veliko manj izpusta plinov in potrebujejo manj časa, da se peč napolni do ustreznega vakuuma. Druga vrsta je kompozitni material C/C, ki ima izjemne lastnosti, kot so majhna teža, visoka odpornost na poškodbe in visoka trdnost. Uporablja se v termičnih poljih za zamenjavo grafitnih delov, kar znatno zmanjša pogostost zamenjave grafitnih delov in izboljša kakovost monokristala in stabilnost proizvodnje.
Glede na klasifikacijo surovin lahko ogljikovo klobučevino razdelimo na ogljikovo klobučevino na osnovi poliakrilonitrila, ogljikovo klobučevino na osnovi viskoze in ogljikovo klobučevino na osnovi asfalta.
Karbonska klobučevina na osnovi poliakrilonitrila ima visoko vsebnost pepela, monofilamenti pa po obdelavi pri visoki temperaturi postanejo krhki. Med delovanjem se zlahka proizvaja prah, ki onesnažuje okolje peči. Hkrati vlakna zlahka vstopijo v človeške pore in dihalne poti, kar škoduje zdravju ljudi; karbonska klobučevina na osnovi viskoze. Ima dobre lastnosti toplotne izolacije, je po toplotni obdelavi razmeroma mehka in je manjša verjetnost, da proizvaja prah. Vendar pa ima prečni prerez pramenov na osnovi viskoze nepravilno obliko in na površini vlaken je veliko vdolbin, ki jih je enostavno oblikovati v prisotnosti oksidacijske atmosfere v Czochralski monokristalni silicijevi peči. Plini, kot je CO2, povzročajo obarjanje elementov kisika in ogljika v monokristalnih silicijevih materialih. Glavni proizvajalci so nemški SGL in druga podjetja. Trenutno se karbonska klobučevina na osnovi smole najpogosteje uporablja v industriji polprevodniških monokristalov, njena toplotna izolacija pa je boljša od lepljive ogljikove klobučevine. Karbonska klobučevina na osnovi gume je slabša, karbonska klobučevina na osnovi asfalta pa ima višjo čistost in nižje emisije prahu. Proizvajalci so japonski Kureha Chemical, Osaka Gas itd.
Ker oblika karbonske klobučevine ni fiksna, je uporaba neprijetna. Zdaj so številna podjetja razvila nov toplotnoizolacijski material na osnovi karbonske klobučevine – utrjena karbonska klobučevina. Utrjena ogljikova klobučevina se imenuje tudi trda klobučevina. Je karbonska klobučevina, ki ima določeno obliko in samovzdržnost, potem ko je impregnirana s smolo, laminirana, utrjena in karbonizirana.
Na kakovost rasti monokristalnega silicija neposredno vpliva okolje toplotnega polja, izolacijski materiali iz ogljikovih vlaken pa imajo v tem okolju ključno vlogo. Mehka klobučevina iz ogljikovih vlaken ima še vedno pomembno prednost v industriji fotovoltaičnih polprevodnikov zaradi svojih stroškovnih prednosti, odličnega učinka toplotne izolacije, prilagodljive zasnove in prilagodljive oblike. Poleg tega bo imela trda izolacijska klobučevina iz ogljikovih vlaken večji prostor za razvoj na trgu materialov za toplotno polje zaradi svoje določene trdnosti in večje uporabnosti. Predani smo raziskavam in razvoju na področju toplotnoizolacijskih materialov in nenehno optimiziramo delovanje izdelkov za spodbujanje blaginje in razvoja industrije fotovoltaičnih polprevodnikov.
Čas objave: 15. maj 2024