مادة مهمة تحدد جودة نمو السيليكون أحادي البلورة – المجال الحراري

تتم عملية نمو السيليكون أحادي البلورة بالكامل في المجال الحراري. يؤدي المجال الحراري الجيد إلى تحسين جودة البلورة وله كفاءة تبلور عالية. يحدد تصميم المجال الحراري إلى حد كبير التغيرات والتغيرات في تدرجات درجات الحرارة في المجال الحراري الديناميكي. يحدد تدفق الغاز في غرفة الفرن والاختلاف في المواد المستخدمة في المجال الحراري بشكل مباشر عمر خدمة المجال الحراري. إن المجال الحراري المصمم بشكل غير معقول لا يجعل من الصعب زراعة بلورات تلبي متطلبات الجودة فحسب، بل لا يمكن أيضًا تنمية بلورات مفردة كاملة في ظل متطلبات عملية معينة. ولهذا السبب تعتبر صناعة السيليكون أحادي البلورية في Czochralski تصميم المجال الحراري هو التكنولوجيا الأساسية وتستثمر القوى العاملة والموارد المادية الضخمة في البحث والتطوير في المجال الحراري.

يتكون النظام الحراري من مواد مجال حراري مختلفة. وسوف نقدم بإيجاز فقط المواد المستخدمة في المجال الحراري. أما بالنسبة للتوزيع الحراري في المجال الحراري وتأثيره على سحب البلورات فلن نقوم بتحليله هنا. تشير مادة المجال الحراري إلى فرن فراغ النمو البلوري. الأجزاء الهيكلية والمعزولة حراريًا من الحجرة، والتي تعتبر ضرورية لإنشاء قماش ذو درجة حرارة مناسبة حول ذوبان أشباه الموصلات والبلورات.

واحد. المواد الهيكلية المجال الحراري
المادة الداعمة الأساسية لزراعة السيليكون البلوري الأحادي بطريقة تشوخرالسكي هي الجرافيت عالي النقاء. تلعب مواد الجرافيت دورًا مهمًا جدًا في الصناعة الحديثة. في تحضير السيليكون البلوري الأحادي بطريقة تشوتشرالسكي، يمكن استخدامها كمكونات هيكلية للمجال الحراري مثل السخانات، وأنابيب التوجيه، والبوتقات، وأنابيب العزل، وصواني البوتقة.

تم اختيار مادة الجرافيت نظرًا لسهولة تحضيرها بكميات كبيرة وقابلية المعالجة وخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية. يتمتع الكربون الموجود على شكل ألماس أو جرافيت بنقطة انصهار أعلى من أي عنصر أو مركب. مادة الجرافيت قوية جدًا، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة، كما أن موصليتها الكهربائية والحرارية جيدة جدًا أيضًا. إن موصليتها الكهربائية تجعلها مناسبة كمادة سخان، ولها موصلية حرارية مرضية يمكنها توزيع الحرارة الناتجة عن السخان بالتساوي على البوتقة وأجزاء أخرى من المجال الحراري. ومع ذلك، عند درجات الحرارة المرتفعة، وخاصة لمسافات طويلة، فإن الطريقة الرئيسية لنقل الحرارة هي الإشعاع.

يتم تشكيل أجزاء الجرافيت في البداية عن طريق البثق أو الضغط المتوازن لجزيئات كربونية دقيقة ممزوجة بمادة رابطة. عادة ما يتم ضغط أجزاء الجرافيت عالية الجودة بشكل متساوي. يتم أولاً تفحيم القطعة بأكملها ثم يتم رسمها بالجرافيت في درجات حرارة عالية جدًا، تقترب من 3000 درجة مئوية. غالبًا ما يتم تنقية الأجزاء المصنعة من هذه الأحجار المتراصة في جو يحتوي على الكلور عند درجات حرارة عالية لإزالة التلوث المعدني للتوافق مع متطلبات صناعة أشباه الموصلات. ومع ذلك، حتى مع التنقية المناسبة، تكون مستويات التلوث المعدني أعلى بكثير مما تسمح به مواد السيليكون البلورية المفردة. لذلك، يجب توخي الحذر في تصميم المجال الحراري لمنع تلوث هذه المكونات من دخول السطح المصهور أو البلوري.

مادة الجرافيت نفاذية قليلاً، مما يسمح للمعادن المتبقية بالداخل بالوصول بسهولة إلى السطح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأول أكسيد السيليكون الموجود في غاز التطهير حول سطح الجرافيت أن يتغلغل عميقًا في معظم المواد ويتفاعل.

كانت سخانات فرن السيليكون أحادية البلورة المبكرة مصنوعة من معادن مقاومة للحرارة مثل التنغستن والموليبدينوم. مع نضوج تكنولوجيا معالجة الجرافيت، تصبح الخواص الكهربائية للوصلات بين مكونات الجرافيت مستقرة، وقد حلت سخانات فرن السيليكون أحادية البلورة محل التنغستن والموليبدينوم وسخانات المواد الأخرى تمامًا. مادة الجرافيت الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر هي الجرافيت المتوازن. يمكن أن توفر شركة Semicera مواد جرافيت مضغوطة بشكل متساوي الجودة وعالية الجودة.

في أفران Czochralski المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة، يتم أحيانًا استخدام المواد المركبة C/C، ويتم استخدامها الآن لتصنيع البراغي والصواميل والبوتقات والألواح الحاملة والمكونات الأخرى. المواد المركبة من الكربون/الكربون (c/c) عبارة عن مواد مركبة قائمة على الكربون ومقواة بألياف الكربون. لديهم قوة محددة عالية، معامل محدد عالي، معامل تمدد حراري منخفض، توصيل كهربائي جيد، صلابة كسر كبيرة، جاذبية محددة منخفضة، مقاومة الصدمات الحرارية، مقاومة التآكل، ولها سلسلة من الخصائص الممتازة مثل مقاومة درجات الحرارة العالية وهي حاليًا على نطاق واسع. تستخدم في الفضاء الجوي والسباقات والمواد الحيوية وغيرها من المجالات كنوع جديد من المواد الهيكلية المقاومة لدرجات الحرارة العالية. في الوقت الحاضر، فإن الاختناق الرئيسي الذي تواجهه المواد المركبة C/C المحلية هو قضايا التكلفة والتصنيع.

هناك العديد من المواد الأخرى المستخدمة لإنشاء المجالات الحرارية. يتمتع الجرافيت المقوى بألياف الكربون بخصائص ميكانيكية أفضل؛ ومع ذلك، فهو أكثر تكلفة ويفرض متطلبات تصميم أخرى. يعد كربيد السيليكون (SiC) مادة أفضل من الجرافيت بعدة طرق، ولكنه أكثر تكلفة بكثير ويصعب تصنيع أجزاء كبيرة الحجم. ومع ذلك، غالبًا ما يستخدم SiC كطلاء CVD لزيادة عمر أجزاء الجرافيت المعرضة لغاز أول أكسيد السيليكون العدواني وأيضًا لتقليل التلوث الناتج عن الجرافيت. يمنع طلاء كربيد السيليكون CVD الكثيف بشكل فعال الملوثات الموجودة داخل مادة الجرافيت الصغيرة المسامية من الوصول إلى السطح.

والآخر هو الكربون CVD، والذي يمكن أن يشكل أيضًا طبقة كثيفة فوق أجزاء الجرافيت. ويمكن استخدام مواد أخرى مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مثل الموليبدينوم أو المواد الخزفية المتوافقة مع البيئة، حيث لا يوجد خطر تلوث المصهور. ومع ذلك، فإن سيراميك الأكسيد له ملاءمة محدودة للاتصال المباشر بمواد الجرافيت عند درجات حرارة عالية، وغالبًا ما يترك بدائل قليلة إذا كان العزل مطلوبًا. أحدهما هو نيتريد البورون السداسي (يُسمى أحيانًا الجرافيت الأبيض نظرًا لخصائصه المشابهة)، لكن له خصائص ميكانيكية سيئة. يعتبر الموليبدينوم معقولًا بشكل عام لتطبيقات درجات الحرارة المرتفعة بسبب تكلفته المعتدلة، وانخفاض انتشاره في بلورات السيليكون، ومعامل الفصل المنخفض، حوالي 5 × 108، مما يسمح ببعض التلوث بالموليبدينوم قبل تدمير البنية البلورية.

اثنين. مواد عزل المجال الحراري
المواد العازلة الأكثر استخدامًا هي لباد الكربون بأشكال مختلفة. يتكون لباد الكربون من ألياف رقيقة تعمل كعزل حراري لأنها تحجب الإشعاع الحراري عدة مرات على مسافة قصيرة. يتم نسج لباد الكربون الناعم في صفائح رقيقة نسبيًا من المواد، والتي يتم بعد ذلك تقطيعها إلى الشكل المطلوب وثنيها بإحكام إلى نصف قطر معقول. يتكون اللباد المعالج من مواد ألياف مماثلة، باستخدام مادة رابطة تحتوي على الكربون لربط الألياف المشتتة بجسم أكثر صلابة وأنيقة. يمكن أن يؤدي استخدام ترسيب البخار الكيميائي للكربون بدلاً من المواد الرابطة إلى تحسين الخواص الميكانيكية للمادة.

عادة، يتم تغطية السطح الخارجي للباد العازل المعالج بطبقة من الجرافيت المستمر أو رقائق معدنية لتقليل التآكل والتآكل بالإضافة إلى التلوث بالجسيمات. وتوجد أيضًا أنواع أخرى من المواد العازلة المعتمدة على الكربون، مثل رغوة الكربون. بشكل عام، يتم تفضيل المواد الجرافيتية بشكل واضح لأن الجرافيت يقلل بشكل كبير من مساحة سطح الألياف. تسمح هذه المواد ذات المساحة السطحية العالية بإطلاق كميات أقل من الغازات وتستغرق وقتًا أقل لسحب الفرن إلى فراغ مناسب. النوع الآخر هو المادة المركبة C/C، والتي تتميز بميزات رائعة مثل الوزن الخفيف، تحمل الضرر العالي، والقوة العالية. يستخدم في المجالات الحرارية لاستبدال أجزاء الجرافيت، مما يقلل بشكل كبير من تكرار استبدال أجزاء الجرافيت ويحسن جودة البلورة الفردية واستقرار الإنتاج.

وفقًا لتصنيف المواد الخام، يمكن تقسيم لباد الكربون إلى لباد كربون قائم على البولي أكريلونيتريل، وشعر كربون قائم على الفسكوز، وشعر كربون قائم على الأسفلت.

يحتوي اللباد الكربوني المعتمد على البولي أكريلونيتريل على نسبة كبيرة من الرماد، وتصبح الشعيرات الأحادية هشة بعد المعالجة بدرجة حرارة عالية. أثناء التشغيل، يتم إنتاج الغبار بسهولة لتلويث بيئة الفرن. وفي الوقت نفسه، تدخل الألياف بسهولة إلى المسام البشرية والجهاز التنفسي، مما يسبب ضررًا لصحة الإنسان؛ اللباد الكربوني القائم على الفسكوز له خصائص عزل حراري جيدة، ويكون ناعمًا نسبيًا بعد المعالجة الحرارية، ومن غير المرجح أن ينتج الغبار. ومع ذلك، فإن المقطع العرضي للخيوط القائمة على الفسكوز له شكل غير منتظم وهناك العديد من الوديان على سطح الألياف، والتي يسهل تشكيلها في وجود جو مؤكسد في فرن Czochralski السيليكوني البلوري الأحادي. تتسبب الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون في ترسيب عناصر الأكسجين والكربون في مواد السيليكون أحادية البلورة. وتشمل الشركات المصنعة الرئيسية شركة SGL الألمانية وغيرها من الشركات. في الوقت الحاضر، يعتبر اللباد الكربوني المعتمد على الملعب هو الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في صناعة الكريستال المفرد لأشباه الموصلات، وأداء العزل الحراري أفضل من أداء اللباد الكربوني اللزج. اللباد الكربوني المعتمد على الصمغ هو أقل جودة، لكن اللباد الكربوني المعتمد على الإسفلت يتميز بدرجة نقاء أعلى وانبعاث غبار أقل. وتشمل الشركات المصنعة شركة Kureha Chemical اليابانية، وشركة Osaka Gas، وما إلى ذلك.

نظرًا لأن شكل اللباد الكربوني غير ثابت، فمن غير الملائم تشغيله. الآن طورت العديد من الشركات مادة عازلة حرارية جديدة تعتمد على لباد الكربون - لباد الكربون المعالج. يُطلق على لباد الكربون المعالج أيضًا اسم اللباد الصلب. وهو عبارة عن لباد كربون له شكل معين واستدامة ذاتية بعد تشريبه بالراتنج وتصفيحه وتصلبه وتفحيمه.

تتأثر جودة نمو السيليكون البلوري الأحادي بشكل مباشر ببيئة المجال الحراري، وتلعب المواد العازلة المصنوعة من ألياف الكربون دورًا رئيسيًا في هذه البيئة. لا يزال اللباد الناعم العازل للحرارة من ألياف الكربون يحتل ميزة كبيرة في صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية نظرًا لمزايا التكلفة وتأثير العزل الحراري الممتاز والتصميم المرن والشكل القابل للتخصيص. بالإضافة إلى ذلك، فإن اللباد العازل الصلب المصنوع من ألياف الكربون سيكون له مجال أكبر للتطوير في سوق مواد المجال الحراري بسبب قوته المعينة وقابلية تشغيله العالية. نحن ملتزمون بالبحث والتطوير في مجال مواد العزل الحراري وتحسين أداء المنتج بشكل مستمر لتعزيز ازدهار وتطوير صناعة أشباه الموصلات الكهروضوئية.