Quá trình tăng trưởng của silicon đơn tinh thể hoàn toàn được thực hiện trong trường nhiệt. Trường nhiệt tốt có lợi cho việc cải thiện chất lượng tinh thể và có hiệu suất kết tinh cao. Thiết kế của trường nhiệt quyết định phần lớn sự thay đổi và thay đổi độ dốc nhiệt độ trong trường nhiệt động. Dòng khí trong buồng lò và sự khác biệt về vật liệu sử dụng trong trường nhiệt quyết định trực tiếp đến tuổi thọ của trường nhiệt. Trường nhiệt được thiết kế không hợp lý không chỉ gây khó khăn cho việc phát triển các tinh thể đáp ứng yêu cầu chất lượng mà còn không thể phát triển các tinh thể đơn lẻ hoàn chỉnh theo các yêu cầu quy trình nhất định. Đây là lý do tại sao ngành công nghiệp silicon đơn tinh thể Czochralski coi thiết kế trường nhiệt là công nghệ cốt lõi và đầu tư nguồn nhân lực và vật chất khổng lồ vào nghiên cứu và phát triển trường nhiệt.
Hệ thống nhiệt bao gồm nhiều vật liệu trường nhiệt khác nhau. Chúng tôi sẽ chỉ giới thiệu ngắn gọn các vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt. Về sự phân bố nhiệt độ trong trường nhiệt và tác động của nó lên lực kéo tinh thể, chúng tôi sẽ không phân tích ở đây. Vật liệu trường nhiệt dùng để chỉ lò chân không tăng trưởng tinh thể. Các phần có kết cấu và cách nhiệt của buồng, rất cần thiết để tạo ra lớp vải nhiệt độ thích hợp xung quanh chất bán dẫn nóng chảy và tinh thể.
một. vật liệu kết cấu trường nhiệt
Vật liệu hỗ trợ cơ bản để phát triển silicon đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski là than chì có độ tinh khiết cao. Vật liệu than chì đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Trong quá trình điều chế silicon đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski, chúng có thể được sử dụng làm các thành phần cấu trúc trường nhiệt như lò sưởi, ống dẫn hướng, nồi nấu kim loại, ống cách nhiệt và khay đựng chén nung.
Vật liệu than chì được chọn do dễ chuẩn bị với khối lượng lớn, khả năng xử lý và đặc tính chịu nhiệt độ cao. Carbon ở dạng kim cương hoặc than chì có điểm nóng chảy cao hơn bất kỳ nguyên tố hoặc hợp chất nào. Chất liệu than chì khá bền, đặc biệt ở nhiệt độ cao, độ dẫn điện và nhiệt của nó cũng khá tốt. Độ dẫn điện của nó làm cho nó thích hợp làm vật liệu gia nhiệt và nó có độ dẫn nhiệt thỏa đáng, có thể phân phối đều nhiệt do lò sưởi tạo ra đến nồi nấu kim loại và các bộ phận khác của trường nhiệt. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trên khoảng cách xa, phương thức truyền nhiệt chính là bức xạ.
Các bộ phận than chì ban đầu được hình thành bằng cách ép đùn hoặc ép đẳng tĩnh các hạt cacbon mịn trộn với chất kết dính. Các bộ phận than chì chất lượng cao thường được ép đẳng tĩnh. Toàn bộ mảnh đầu tiên được cacbon hóa và sau đó được than chì hóa ở nhiệt độ rất cao, gần 3000°C. Các bộ phận được gia công từ những tảng đá nguyên khối này thường được tinh lọc trong môi trường chứa clo ở nhiệt độ cao để loại bỏ tạp chất kim loại nhằm tuân thủ các yêu cầu của ngành bán dẫn. Tuy nhiên, ngay cả khi được tinh chế thích hợp, mức độ ô nhiễm kim loại vẫn cao hơn mức cho phép của vật liệu đơn tinh thể silicon. Do đó, cần phải cẩn thận trong thiết kế trường nhiệt để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của các thành phần này xâm nhập vào bề mặt nóng chảy hoặc tinh thể.
Chất liệu than chì có tính thấm nhẹ, cho phép kim loại còn lại bên trong dễ dàng tiếp cận bề mặt. Ngoài ra, silicon monoxide có trong khí tẩy xung quanh bề mặt than chì có thể xâm nhập sâu vào hầu hết các vật liệu và phản ứng.
Lò sưởi silicon đơn tinh thể ban đầu được làm bằng kim loại chịu lửa như vonfram và molypden. Khi công nghệ xử lý than chì phát triển, tính chất điện của các kết nối giữa các thành phần than chì trở nên ổn định và lò sưởi lò silicon đơn tinh thể đã thay thế hoàn toàn vonfram và molypden cũng như các lò sưởi vật liệu khác. Vật liệu than chì được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là than chì đẳng tĩnh. semicera có thể cung cấp vật liệu than chì ép đẳng tĩnh chất lượng cao.
Trong lò nung silicon đơn tinh thể Czochralski, vật liệu composite C/C đôi khi được sử dụng và hiện đang được sử dụng để sản xuất bu lông, đai ốc, nồi nấu kim loại, tấm chịu lực và các bộ phận khác. Vật liệu composite cacbon/cacbon (c/c) là vật liệu composite gốc cacbon được gia cố bằng sợi cacbon. Chúng có cường độ riêng cao, mô đun riêng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn điện tốt, độ bền gãy lớn, trọng lượng riêng thấp, khả năng chống sốc nhiệt, chống ăn mòn, Nó có một loạt các đặc tính tuyệt vời như chịu nhiệt độ cao và hiện đang được sử dụng rộng rãi. được sử dụng trong hàng không vũ trụ, đua xe, vật liệu sinh học và các lĩnh vực khác như một loại vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao mới. Hiện nay, nút thắt chính mà vật liệu composite C/C trong nước gặp phải là vấn đề chi phí và công nghiệp hóa.
Có nhiều vật liệu khác được sử dụng để tạo ra trường nhiệt. Than chì gia cố bằng sợi carbon có tính chất cơ học tốt hơn; tuy nhiên, nó đắt hơn và áp đặt các yêu cầu thiết kế khác. Cacbua silic (SiC) là vật liệu tốt hơn than chì về nhiều mặt, nhưng nó đắt hơn và khó chế tạo các bộ phận có khối lượng lớn hơn nhiều. Tuy nhiên, SiC thường được sử dụng làm lớp phủ CVD để tăng tuổi thọ của các bộ phận than chì tiếp xúc với khí silicon monoxide mạnh và cũng để giảm ô nhiễm từ than chì. Lớp phủ cacbua silic CVD dày đặc ngăn chặn hiệu quả các chất gây ô nhiễm bên trong vật liệu than chì vi xốp tiếp cận bề mặt.
Loại còn lại là carbon CVD, cũng có thể tạo thành một lớp dày đặc trên các bộ phận than chì. Các vật liệu chịu nhiệt độ cao khác, chẳng hạn như vật liệu molypden hoặc gốm tương thích với môi trường, có thể được sử dụng ở những nơi không có nguy cơ ô nhiễm chất tan chảy. Tuy nhiên, gốm oxit có khả năng thích hợp hạn chế khi tiếp xúc trực tiếp với vật liệu than chì ở nhiệt độ cao, thường có ít lựa chọn thay thế nếu cần cách nhiệt. Một là boron nitrit lục giác (đôi khi được gọi là than chì trắng do tính chất tương tự), nhưng nó có tính chất cơ học kém. Molypden nói chung là hợp lý cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao vì chi phí vừa phải, độ khuếch tán thấp trong tinh thể silicon và hệ số phân tách thấp, khoảng 5 × 108, cho phép ô nhiễm molypden trước khi phá hủy cấu trúc tinh thể.
hai. Vật liệu cách nhiệt trường nhiệt
Vật liệu cách nhiệt được sử dụng phổ biến nhất là nỉ cacbon ở 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 chặt theo bán kính hợp lý. Nỉ đã qua xử lý bao gồm các vật liệu sợi tương tự, sử dụng chất kết dính có chứa carbon để kết nối các sợi phân tán thành một vật thể chắc chắn và phong cách hơn. Sử dụng sự lắng đọng hơi hóa học của carbon thay vì chất kết dính có thể cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.
Thông thường, bề mặt bên ngoài của nỉ được xử lý cách điện được phủ một lớp than chì hoặc giấy bạc liên tục để giảm xói mòn và mài mòn cũng như ô nhiễm hạt. Các loại vật liệu cách nhiệt gốc carbon khác cũng tồn tại, chẳng hạn như bọt carbon. Nhìn chung, vật liệu grafit hóa rõ ràng được ưu tiên hơn vì quá trình grafit hóa làm giảm đáng kể diện tích bề mặt của sợi. Những vật liệu có diện tích bề mặt cao này cho phép thoát khí ít hơn nhiều và mất ít thời gian hơn để đưa lò đến chân không thích hợp. Loại còn lại là vật liệu composite C/C, có các đặc tính vượt trội như trọng lượng nhẹ, khả năng chịu hư hại cao và độ bền cao. Được sử dụng trong các trường nhiệt để thay thế các bộ phận than chì, giúp giảm đáng kể tần suất thay thế các bộ phận than chì và cải thiện chất lượng tinh thể đơn 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.
Nỉ cacbon làm từ polyacrylonitrile có hàm lượng tro lớn và các sợi đơn trở nên giòn sau khi xử lý ở nhiệt độ cao. Trong quá trình hoạt động, bụi dễ sinh ra gây ô nhiễm môi trường lò. Đồng thời, các sợi dễ dàng xâm nhập vào lỗ chân lông và đường hô hấp của con người, gây hại cho sức khỏe con người; nỉ carbon dựa trên viscose Nó có đặc tính cách nhiệt tốt, tương đối mềm sau khi xử lý nhiệt và ít có khả năng tạo ra bụi. Tuy nhiên, mặt cắt ngang của sợi viscose có hình dạng không đều và có nhiều khe rãnh trên bề mặt sợi, rất dễ hình thành khi có môi trường oxy hóa trong lò nung silicon đơn tinh thể Czochralski. Các loại khí như CO2 gây ra sự kết tủa của 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, nỉ carbon gốc sân được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn đơn tinh thể và hiệu suất cách nhiệt của nó tốt hơn so với nỉ carbon dính. Nỉ cacbon làm từ kẹo cao su kém hơn, nhưng nỉ cacbon làm từ nhựa đường có độ tinh khiết cao hơn và phát thải bụi thấp hơn. Các nhà sản xuất bao gồm Kureha Chemical, Osaka Gas của Nhật Bản, v.v.
Vì hình dạng của nỉ carbon không cố định nên rất bất tiện khi vận hành. Hiện nay, nhiều công ty đã phát triển một loại vật liệu cách nhiệt mới dựa trên nỉ cacbon được xử lý bằng nỉ cacbon. Nỉ carbon đã qua xử lý còn được gọi là nỉ cứng. Đó là loại nỉ carbon có hình dạng nhất định và khả năng tự bền vững sau khi được ngâm tẩm nhựa, dát lớp, hóa rắn và cacbon hóa.
Chất lượng tăng trưởng của silicon đơn tinh thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi môi trường trường nhiệt và vật liệu cách nhiệt bằng sợi carbon đóng vai trò chính trong môi trường này. Nỉ mềm cách nhiệt bằng sợi carbon vẫn chiếm lợi thế đáng kể trong ngành bán dẫn quang điện do lợi thế về chi phí, hiệu quả cách nhiệt tuyệt vời, thiết kế linh hoạt và hình dạng có thể tùy chỉnh. Ngoài ra, nỉ cách nhiệt cứng bằng sợi carbon sẽ có nhiều cơ hội phát triển hơn trên thị trường vật liệu trường nhiệt vì độ bền nhất định và khả năng hoạt động 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 nhằm thúc đẩy sự thịnh vượng và phát triển của ngành bán dẫn quang điện.
Thời gian đăng: 15-05-2024