Der Wachstumsprozess von einkristallinem Silizium erfolgt vollständig im thermischen Feld. Ein gutes Wärmefeld trägt zur Verbesserung der Kristallqualität bei und sorgt für eine hohe Kristallisationseffizienz. Die Gestaltung des Wärmefeldes bestimmt maßgeblich die Veränderungen und Veränderungen der Temperaturgradienten im dynamischen Wärmefeld. Der Gasfluss in der Ofenkammer und die unterschiedlichen Materialien, die im Wärmefeld verwendet werden, bestimmen direkt die Lebensdauer des Wärmefelds. Ein unangemessen ausgelegtes Wärmefeld macht es nicht nur schwierig, Kristalle zu züchten, die den Qualitätsanforderungen entsprechen, sondern kann unter bestimmten Prozessanforderungen auch keine vollständigen Einkristalle züchten. Aus diesem Grund betrachtet die Czochralski-Industrie für monokristallines Silizium das thermische Felddesign als Kerntechnologie und investiert enorme Arbeitskräfte und Materialressourcen in die Forschung und Entwicklung im thermischen Feld.
Das thermische System besteht aus verschiedenen thermischen Feldmaterialien. Wir werden die im thermischen Bereich verwendeten Materialien nur kurz vorstellen. Was die Temperaturverteilung im thermischen Feld und ihren Einfluss auf das Kristallziehen betrifft, werden wir sie hier nicht analysieren. Das Wärmefeldmaterial bezieht sich auf den Kristallwachstums-Vakuumofen. Strukturelle und thermisch isolierte Teile der Kammer, die wichtig sind, um die richtige Temperaturschicht um die Halbleiterschmelze und -kristalle herum zu erzeugen.
eins. Strukturmaterialien für thermische Felder
Das grundlegende Trägermaterial für die Züchtung von einkristallinem Silizium nach der Czochralski-Methode ist hochreiner Graphit. Graphitwerkstoffe spielen in der modernen Industrie eine sehr wichtige Rolle. Bei der Herstellung von einkristallinem Silizium nach der Czochralski-Methode können sie als thermische Feldstrukturkomponenten wie Heizgeräte, Führungsrohre, Tiegel, Isolierrohre und Tiegelböden verwendet werden.
Graphitmaterial wurde aufgrund seiner einfachen Herstellung in großen Mengen, seiner Verarbeitbarkeit und seiner hohen Temperaturbeständigkeit ausgewählt. Kohlenstoff in Form von Diamant oder Graphit hat einen höheren Schmelzpunkt als jedes andere Element oder jede Verbindung. Graphitmaterial ist besonders bei hohen Temperaturen recht fest und verfügt auch über eine recht gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet es sich als Heizmaterial und verfügt über eine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit, die die von der Heizung erzeugte Wärme gleichmäßig auf den Tiegel und andere Teile des Wärmefelds verteilen kann. Bei hohen Temperaturen, insbesondere über große Entfernungen, ist jedoch die Strahlung die Hauptart der Wärmeübertragung.
Graphitteile werden zunächst durch Extrusion oder isostatisches Pressen feiner kohlenstoffhaltiger Partikel, gemischt mit einem Bindemittel, geformt. Hochwertige Graphitteile werden in der Regel isostatisch gepresst. Das gesamte Stück wird zunächst karbonisiert und dann bei sehr hohen Temperaturen, nahe 3000 °C, graphitiert. Aus diesen Monolithen gefertigte Teile werden oft in einer chlorhaltigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen gereinigt, um Metallverunreinigungen zu entfernen und so den Anforderungen der Halbleiterindustrie zu entsprechen. Selbst bei ordnungsgemäßer Reinigung sind die Metallverunreinigungswerte jedoch um Größenordnungen höher, als dies bei Silizium-Einkristallmaterialien möglich ist. Daher muss beim Design des Wärmefelds darauf geachtet werden, dass keine Kontamination dieser Komponenten in die Schmelze oder Kristalloberfläche gelangt.
Graphitmaterial ist leicht durchlässig, wodurch das verbleibende Metall im Inneren leicht an die Oberfläche gelangen kann. Darüber hinaus kann das im Spülgas rund um die Graphitoberfläche vorhandene Siliziummonoxid tief in die meisten Materialien eindringen und dort reagieren.
Frühe Ofenheizungen aus einkristallinem Silizium bestanden aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram und Molybdän. Mit zunehmender Reife der Graphitverarbeitungstechnologie werden die elektrischen Eigenschaften der Verbindungen zwischen Graphitkomponenten stabil, und Einkristall-Silizium-Ofenheizungen haben Wolfram- und Molybdän- sowie andere Materialheizungen vollständig ersetzt. Das derzeit am häufigsten verwendete Graphitmaterial ist isostatischer Graphit. semicera kann hochwertige isostatisch gepresste Graphitmaterialien liefern.
In Czochralski-Einkristall-Siliziumöfen werden manchmal C/C-Verbundwerkstoffe verwendet, die heute zur Herstellung von Schrauben, Muttern, Tiegeln, tragenden Platten und anderen Komponenten verwendet werden. Kohlenstoff/Kohlenstoff (c/c)-Verbundwerkstoffe sind kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Kohlenstoffbasis. Sie haben eine hohe spezifische Festigkeit, einen hohen spezifischen Modul, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Bruchzähigkeit, ein niedriges spezifisches Gewicht, eine Thermoschockbeständigkeit und eine Korrosionsbeständigkeit. Sie verfügen über eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit und sind derzeit weit verbreitet Wird in der Luft- und Raumfahrt, im Rennsport, bei Biomaterialien und anderen Bereichen als neuartiger hochtemperaturbeständiger Strukturwerkstoff eingesetzt. Der größte Engpass bei inländischen C/C-Verbundwerkstoffen sind derzeit Kosten- und Industrialisierungsprobleme.
Es gibt viele andere Materialien, die zur Erzeugung von Wärmefeldern verwendet werden. Kohlenstofffaserverstärkter Graphit weist bessere mechanische Eigenschaften auf; Allerdings ist es teurer und stellt andere Designanforderungen. Siliziumkarbid (SiC) ist in vielerlei Hinsicht ein besseres Material als Graphit, aber es ist viel teurer und schwieriger in der Herstellung großvolumiger Teile. Allerdings wird SiC häufig als CVD-Beschichtung verwendet, um die Lebensdauer von Graphitteilen zu erhöhen, die aggressivem Siliziummonoxidgas ausgesetzt sind, und um auch die Kontamination durch Graphit zu reduzieren. Die dichte CVD-Siliziumkarbidbeschichtung verhindert wirksam, dass Verunreinigungen im mikroporösen Graphitmaterial an die Oberfläche gelangen.
Das andere ist CVD-Kohlenstoff, der ebenfalls eine dichte Schicht auf Graphitteilen bilden kann. Wo keine Gefahr einer Kontamination der Schmelze besteht, können auch andere hochtemperaturbeständige Materialien wie Molybdän oder umweltverträgliche Keramikmaterialien eingesetzt werden. Allerdings sind Oxidkeramiken für den direkten Kontakt mit Graphitmaterialien bei hohen Temperaturen nur begrenzt geeignet, so dass oft nur wenige Alternativen bestehen, wenn eine Isolierung erforderlich ist. Eines davon ist hexagonales Bornitrid (aufgrund ähnlicher Eigenschaften manchmal auch weißer Graphit genannt), das jedoch schlechte mechanische Eigenschaften aufweist. Molybdän eignet sich im Allgemeinen für Hochtemperaturanwendungen aufgrund seiner moderaten Kosten, seines geringen Diffusionsvermögens in Siliziumkristallen und seines niedrigen Segregationskoeffizienten (ca. 5 × 108), der eine gewisse Molybdänverunreinigung vor der Zerstörung der Kristallstruktur ermöglicht.
zwei. Materialien zur Wärmefeldisolierung
Das am häufigsten verwendete Dämmmaterial ist Carbonfilz in verschiedenen Formen. Carbonfilz besteht aus dünnen Fasern, die als Wärmedämmung dienen, da sie die Wärmestrahlung über eine kurze Distanz mehrfach blockieren. Weicher Carbonfilz wird zu relativ dünnen Materialbahnen verwoben, die dann in die gewünschte Form geschnitten und auf einen angemessenen Radius eng gebogen werden. Ausgehärteter Filz besteht aus ähnlichen Fasermaterialien, wobei ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel verwendet wird, um die verteilten Fasern zu einem stabileren und stilvolleren Objekt zu verbinden. Durch die chemische Gasphasenabscheidung von Kohlenstoff anstelle von Bindemitteln können die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert werden.
Typischerweise ist die Außenfläche von isolierendem, gehärtetem Filz mit einer durchgehenden Graphitbeschichtung oder -folie beschichtet, um Erosion und Verschleiß sowie Partikelkontamination zu reduzieren. Es gibt auch andere Arten von Dämmstoffen auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Kohlenstoffschaum. Im Allgemeinen werden graphitisierte Materialien eindeutig bevorzugt, da die Graphitierung die Oberfläche der Faser stark verringert. Diese Materialien mit großer Oberfläche ermöglichen eine viel geringere Ausgasung und benötigen weniger Zeit, um den Ofen auf ein ordnungsgemäßes Vakuum zu bringen. Der andere Typ ist C/C-Verbundwerkstoff, der herausragende Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Schadenstoleranz und hohe Festigkeit aufweist. Wird in thermischen Feldern zum Ersetzen von Graphitteilen verwendet, wodurch die Austauschhäufigkeit von Graphitteilen erheblich reduziert und die Qualität und Produktionsstabilität des Einkristalls verbessert wird.
Entsprechend der Klassifizierung der Rohstoffe kann Kohlenstofffilz in Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis, Kohlenstofffilz auf Viskosebasis und Kohlenstofffilz auf Asphaltbasis unterteilt werden.
Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis hat einen hohen Aschegehalt und die Monofilamente werden nach der Hochtemperaturbehandlung spröde. Während des Betriebs entsteht leicht Staub, der die Ofenumgebung verunreinigt. Gleichzeitig gelangen die Fasern leicht in die Poren und Atemwege des Menschen und schädigen die menschliche Gesundheit. Kohlenstofffilz auf Viskosebasis. Es verfügt über gute Wärmedämmeigenschaften, ist nach der Wärmebehandlung relativ weich und neigt weniger zur Staubbildung. Allerdings hat der Querschnitt der Stränge auf Viskosebasis eine unregelmäßige Form und es gibt viele Schluchten auf der Faseroberfläche, die sich in Gegenwart einer oxidierenden Atmosphäre in einem Czochralski-Einkristall-Siliziumofen leicht bilden können. Gase wie CO2 verursachen die Ausfällung von Sauerstoff- und Kohlenstoffelementen in einkristallinen Siliziummaterialien. Zu den Hauptherstellern zählen die deutsche SGL und andere Unternehmen. Derzeit wird Kohlenstofffilz auf Pechbasis in der Halbleiter-Einkristallindustrie am häufigsten verwendet und seine Wärmedämmleistung ist besser als die von klebrigem Kohlenstofffilz. Kohlenstofffilz auf Gummibasis ist minderwertig, Kohlenstofffilz auf Asphaltbasis weist jedoch eine höhere Reinheit und eine geringere Staubemission auf. Zu den Herstellern gehören die japanische Firma Kureha Chemical, Osaka Gas usw.
Da die Form des Kohlenstofffilzes nicht festgelegt ist, ist die Bedienung umständlich. Mittlerweile haben viele Unternehmen ein neues Wärmedämmmaterial auf Basis von Carbonfilz entwickelt – ausgehärtetem Carbonfilz. Ausgehärteter Kohlenstofffilz wird auch Hartfilz genannt. Dabei handelt es sich um einen Kohlenstofffilz, der nach der Imprägnierung mit Harz, der Laminierung, der Verfestigung und der Karbonisierung eine bestimmte Form und Eigenständigkeit aufweist.
Die Wachstumsqualität von einkristallinem Silizium wird direkt von der Wärmefeldumgebung beeinflusst, und Kohlefaser-Isoliermaterialien spielen in dieser Umgebung eine Schlüsselrolle. Aufgrund seiner Kostenvorteile, der hervorragenden Wärmedämmwirkung, des flexiblen Designs und der anpassbaren Form nimmt der Weichfilz aus Kohlefaser-Wärmedämmung in der Photovoltaik-Halbleiterindustrie immer noch einen erheblichen Vorteil ein. Darüber hinaus wird der starre Isolationsfilz aus Kohlefaser aufgrund seiner gewissen Festigkeit und besseren Bedienbarkeit größeren Raum für die Entwicklung auf dem Markt für Wärmefeldmaterialien haben. Wir engagieren uns für Forschung und Entwicklung im Bereich Wärmedämmstoffe und optimieren kontinuierlich die Produktleistung, um den Wohlstand und die Entwicklung der Photovoltaik-Halbleiterindustrie zu fördern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Mai 2024