วัสดุสำคัญที่กำหนดคุณภาพของการเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยว – สนามความร้อน

กระบวนการเจริญเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยวดำเนินการอย่างสมบูรณ์ในสนามความร้อน สนามความร้อนที่ดีมีส่วนช่วยปรับปรุงคุณภาพผลึกและประสิทธิภาพในการตกผลึกสูง การออกแบบสนามความร้อนส่วนใหญ่จะกำหนดการเปลี่ยนแปลงและการเปลี่ยนแปลงของการไล่ระดับอุณหภูมิในสนามความร้อนแบบไดนามิก การไหลของก๊าซในห้องเตาเผาและความแตกต่างของวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนจะกำหนดอายุการใช้งานของสนามความร้อนโดยตรง สนามความร้อนที่ออกแบบมาอย่างไม่สมเหตุสมผลไม่เพียงแต่ทำให้ยากต่อการปลูกคริสตัลที่ตรงตามข้อกำหนดด้านคุณภาพ แต่ยังไม่สามารถสร้างผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์ภายใต้ข้อกำหนดของกระบวนการบางอย่างได้ นี่คือสาเหตุที่อุตสาหกรรมซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ของ Czochralski ถือว่าการออกแบบสนามความร้อนเป็นเทคโนโลยีหลัก และลงทุนกำลังคนและทรัพยากรวัสดุจำนวนมหาศาลในการวิจัยและพัฒนาสนามระบายความร้อน

ระบบระบายความร้อนประกอบด้วยวัสดุสนามความร้อนหลายชนิด เราจะแนะนำวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนโดยย่อเท่านั้น สำหรับการกระจายอุณหภูมิในสนามความร้อนและผลกระทบต่อการดึงคริสตัล เราจะไม่วิเคราะห์ในที่นี้ วัสดุสนามความร้อนหมายถึงเตาสุญญากาศการเติบโตของคริสตัล ส่วนที่มีโครงสร้างและฉนวนความร้อนของห้องซึ่งจำเป็นต่อการสร้างผ้าที่มีอุณหภูมิเหมาะสมรอบๆ สารกึ่งตัวนำที่หลอมละลายและคริสตัล

หนึ่ง. วัสดุโครงสร้างสนามความร้อน
วัสดุรองรับพื้นฐานสำหรับการปลูกซิลิคอนผลึกเดี่ยวโดยวิธี Czochralski คือกราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง วัสดุกราไฟท์มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ในการเตรียมซิลิคอนผลึกเดี่ยวโดยวิธี Czochralski สามารถใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างสนามความร้อน เช่น เครื่องทำความร้อน ท่อนำ ถ้วยใส่ตัวอย่าง ท่อฉนวน และถาดใส่ถ้วยใส่ตัวอย่าง

เลือกวัสดุกราไฟท์เนื่องจากความง่ายในการเตรียมในปริมาณมาก ความสามารถในการแปรรูป และคุณสมบัติต้านทานอุณหภูมิสูง คาร์บอนในรูปของเพชรหรือกราไฟต์มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าธาตุหรือสารประกอบใดๆ วัสดุกราไฟท์มีความแข็งแรงค่อนข้างมาก โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง และยังมีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนค่อนข้างดีอีกด้วย ค่าการนำไฟฟ้าทำให้เหมาะสมสำหรับเป็นวัสดุทำความร้อน และมีค่าการนำความร้อนที่น่าพอใจซึ่งสามารถกระจายความร้อนที่เกิดจากเครื่องทำความร้อนไปยังถ้วยใส่ตัวอย่างและส่วนอื่นๆ ของสนามความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะในระยะทางไกล รูปแบบการถ่ายเทความร้อนหลักคือการแผ่รังสี

ชิ้นส่วนกราไฟท์เริ่มแรกก่อตัวขึ้นโดยการอัดขึ้นรูปหรือการกดแบบไอโซสแตติกของอนุภาคคาร์บอนละเอียดผสมกับสารยึดเกาะ ชิ้นส่วนกราไฟท์คุณภาพสูงมักจะถูกกดด้วยวิธีไอโซสแตติก ชิ้นส่วนทั้งหมดจะถูกคาร์บอไนซ์ก่อนแล้วจึงกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงมากประมาณ 3000°C ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเครื่องจักรจากเสาหินเหล่านี้มักจะถูกทำให้บริสุทธิ์ในบรรยากาศที่มีคลอรีนที่อุณหภูมิสูง เพื่อขจัดการปนเปื้อนของโลหะเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีการทำให้บริสุทธิ์อย่างเหมาะสม ระดับการปนเปื้อนของโลหะก็ยังสูงกว่าที่อนุญาตโดยวัสดุผลึกเดี่ยวของซิลิคอน ดังนั้น การออกแบบสนามความร้อนจึงต้องระมัดระวังเพื่อป้องกันการปนเปื้อนของส่วนประกอบเหล่านี้ไม่ให้เข้าสู่พื้นผิวหลอมเหลวหรือคริสตัล

วัสดุกราไฟท์สามารถซึมผ่านได้เล็กน้อย ซึ่งช่วยให้โลหะที่เหลืออยู่ภายในเข้าถึงพื้นผิวได้ง่าย นอกจากนี้ ซิลิคอนมอนอกไซด์ที่อยู่ในก๊าซไล่อากาศรอบๆ พื้นผิวกราไฟท์สามารถเจาะลึกเข้าไปในวัสดุส่วนใหญ่และทำปฏิกิริยาได้

เครื่องทำความร้อนจากเตาซิลิกอนผลึกเดี่ยวในยุคแรกๆ ทำจากโลหะทนไฟ เช่น ทังสเตนและโมลิบดีนัม เมื่อเทคโนโลยีการประมวลผลกราไฟท์เติบโตขึ้น คุณสมบัติทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบกราไฟท์จะมีเสถียรภาพ และเครื่องทำความร้อนเตาซิลิกอนผลึกเดี่ยวได้เข้ามาแทนที่ทังสเตน โมลิบดีนัม และเครื่องทำความร้อนวัสดุอื่นๆ อย่างสมบูรณ์ วัสดุกราไฟท์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันคือกราไฟท์แบบไอโซสแตติก Semicera สามารถผลิตวัสดุกราไฟท์อัดแบบไอโซสแตติกคุณภาพสูงได้

ในเตาเผาซิลิคอนผลึกเดี่ยวของ Czochralski บางครั้งมีการใช้วัสดุคอมโพสิต C/C และตอนนี้กำลังถูกนำมาใช้เพื่อผลิตสลักเกลียว น็อต ถ้วยใส่ตัวอย่าง แผ่นรับน้ำหนัก และส่วนประกอบอื่นๆ วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน (c/c) เป็นวัสดุคอมโพสิตที่มีคาร์บอนเสริมด้วยเส้นใยคาร์บอน พวกเขามีความแข็งแรงจำเพาะสูง โมดูลัสจำเพาะสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำไฟฟ้าที่ดี ความเหนียวแตกหักมาก ความถ่วงจำเพาะต่ำ ความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อน ความต้านทานการกัดกร่อน มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมหลายอย่างเช่นทนต่ออุณหภูมิสูง และในปัจจุบันใช้กันอย่างแพร่หลาย ใช้ในการบินและอวกาศ การแข่งรถ วัสดุชีวภาพ และสาขาอื่น ๆ เป็นวัสดุโครงสร้างทนอุณหภูมิสูงชนิดใหม่ ในปัจจุบัน ปัญหาคอขวดหลักที่วัสดุคอมโพสิต C/C ในประเทศพบคือปัญหาด้านต้นทุนและปัญหาด้านอุตสาหกรรม

มีวัสดุอื่นอีกมากมายที่ใช้ในการสร้างสนามความร้อน กราไฟท์เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีกว่า อย่างไรก็ตามมีราคาแพงกว่าและมีข้อกำหนดการออกแบบอื่น ๆ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุที่ดีกว่ากราไฟท์ในหลาย ๆ ด้าน แต่มีราคาแพงกว่ามากและยากต่อการผลิตชิ้นส่วนปริมาณมาก อย่างไรก็ตาม มักใช้ SiC เป็นการเคลือบ CVD เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นส่วนกราไฟท์ที่สัมผัสกับก๊าซซิลิคอนมอนอกไซด์ที่มีฤทธิ์รุนแรง และยังช่วยลดการปนเปื้อนจากกราไฟท์อีกด้วย การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ CVD ที่มีความหนาแน่นสูงช่วยป้องกันสิ่งปนเปื้อนภายในวัสดุกราไฟท์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กไม่ให้เข้าถึงพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อีกประการหนึ่งคือคาร์บอน CVD ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นชั้นหนาแน่นที่ด้านบนของชิ้นส่วนกราไฟท์ได้ วัสดุทนอุณหภูมิสูงอื่นๆ เช่น โมลิบดีนัมหรือวัสดุเซรามิกที่เข้ากันได้กับสภาพแวดล้อม สามารถใช้ในบริเวณที่ไม่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของวัสดุหลอม อย่างไรก็ตาม เซรามิกออกไซด์มีความเหมาะสมจำกัดสำหรับการสัมผัสโดยตรงกับวัสดุกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งมักจะเหลือทางเลือกน้อยหากจำเป็นต้องใช้ฉนวน ชนิดหนึ่งคือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (บางครั้งเรียกว่ากราไฟท์สีขาวเนื่องจากมีคุณสมบัติคล้ายกัน) แต่มีคุณสมบัติเชิงกลต่ำ โดยทั่วไปโมลิบดีนัมมีความสมเหตุสมผลสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากมีต้นทุนปานกลาง มีการแพร่กระจายต่ำในผลึกซิลิคอน และมีค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวต่ำ ประมาณ 5 × 108 ซึ่งทำให้โมลิบดีนัมมีการปนเปื้อนก่อนที่จะทำลายโครงสร้างผลึก

สอง. วัสดุฉนวนสนามความร้อน
วัสดุฉนวนที่ใช้กันมากที่สุดคือคาร์บอนสักหลาดในรูปแบบต่างๆ สักหลาดคาร์บอนทำจากเส้นใยบางๆ ที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อน เนื่องจากปิดกั้นการแผ่รังสีความร้อนหลายครั้งในระยะทางสั้นๆ สักหลาดคาร์บอนอ่อนถูกถักทอเป็นแผ่นวัสดุที่ค่อนข้างบาง จากนั้นจึงตัดให้เป็นรูปทรงที่ต้องการและโค้งงออย่างแน่นหนาจนถึงรัศมีที่เหมาะสม สักหลาดที่แห้งแล้วประกอบด้วยวัสดุไฟเบอร์ที่คล้ายกัน โดยใช้สารยึดเกาะที่มีคาร์บอนเพื่อเชื่อมต่อเส้นใยที่กระจัดกระจายให้เป็นวัตถุที่แข็งแกร่งและมีสไตล์มากขึ้น การใช้การสะสมไอสารเคมีของคาร์บอนแทนสารยึดเกาะสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุได้

โดยทั่วไป พื้นผิวด้านนอกของสักหลาดที่บ่มด้วยฉนวนจะถูกเคลือบด้วยกราไฟท์หรือฟอยล์อย่างต่อเนื่องเพื่อลดการสึกกร่อนและการสึกหรอ รวมถึงการปนเปื้อนของอนุภาค วัสดุฉนวนคาร์บอนประเภทอื่นๆ ก็มีเช่นกัน เช่น โฟมคาร์บอน โดยทั่วไป วัสดุกราไฟท์เป็นที่ต้องการอย่างชัดเจน เนื่องจากการกราไฟท์จะช่วยลดพื้นที่ผิวของไฟเบอร์ได้อย่างมาก วัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูงเหล่านี้ช่วยให้ปล่อยก๊าซออกมาน้อยลงมากและใช้เวลาน้อยลงในการดึงเตาให้เป็นสุญญากาศที่เหมาะสม อีกประเภทคือวัสดุคอมโพสิต C/C ซึ่งมีคุณสมบัติโดดเด่น เช่น น้ำหนักเบา ทนต่อความเสียหายได้สูง และมีความแข็งแรงสูง ใช้ในด้านความร้อนเพื่อทดแทนชิ้นส่วนกราไฟท์ ซึ่งจะช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนชิ้นส่วนกราไฟท์ลงอย่างมาก และปรับปรุงคุณภาพผลึกเดี่ยวและเสถียรภาพในการผลิต

ตามการจำแนกประเภทของวัตถุดิบ ผ้าสักหลาดคาร์บอนสามารถแบ่งออกเป็นสักหลาดคาร์บอนที่ใช้โพลีอะคริโลไนไตรล์ สักหลาดคาร์บอนที่ใช้วิสโคส และสักหลาดคาร์บอนที่ใช้แอสฟัลต์

สักหลาดคาร์บอนที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์มีปริมาณเถ้าจำนวนมาก และเส้นใยเดี่ยวจะเปราะหลังจากผ่านการบำบัดที่อุณหภูมิสูง ในระหว่างการทำงาน ฝุ่นจะถูกสร้างขึ้นอย่างง่ายดายเพื่อสร้างมลภาวะต่อสภาพแวดล้อมเตาเผา ในเวลาเดียวกัน เส้นใยเข้าไปในรูขุมขนของมนุษย์และทางเดินหายใจได้ง่าย ก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ สักหลาดคาร์บอนที่มีฤทธิ์วิสโคส มีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนที่ดี ค่อนข้างอ่อนหลังจากการอบชุบ และมีโอกาสเกิดฝุ่นน้อย อย่างไรก็ตาม หน้าตัดของเส้นใยวิสโคสมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ และมีร่องมากมายบนพื้นผิวของเส้นใย ซึ่งเกิดขึ้นได้ง่ายเมื่อมีบรรยากาศออกซิไดซ์ในเตาซิลิกอนผลึกเดี่ยวของ Czochralski ก๊าซ เช่น CO2 ทำให้เกิดการตกตะกอนของออกซิเจนและองค์ประกอบคาร์บอนในวัสดุซิลิกอนผลึกเดี่ยว ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ German SGL และบริษัทอื่นๆ ปัจจุบัน ผ้าสักหลาดคาร์บอนที่ใช้พิทช์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ผลึกเดี่ยว และประสิทธิภาพของฉนวนความร้อนดีกว่าผ้าสักหลาดคาร์บอนเหนียว ผ้าสักหลาดที่มีส่วนผสมหลักจากยางกัมนั้นด้อยกว่า แต่ผ้าสักหลาดที่มีส่วนผสมจากแอสฟัลต์มีความบริสุทธิ์สูงกว่าและการปล่อยฝุ่นน้อยกว่า ผู้ผลิต ได้แก่ Kureha Chemical ของญี่ปุ่น, Osaka Gas เป็นต้น

เนื่องจากรูปร่างของสักหลาดคาร์บอนไม่คงที่ จึงไม่สะดวกในการใช้งาน ปัจจุบัน หลายบริษัทได้พัฒนาวัสดุฉนวนความร้อนใหม่โดยใช้สักหลาดคาร์บอน - สักหลาดคาร์บอนที่ผ่านการบ่มแล้ว สักหลาดคาร์บอนที่บ่มแล้วเรียกอีกอย่างว่าสักหลาดแข็ง เป็นสักหลาดคาร์บอนที่มีรูปร่างที่แน่นอนและคงตัวได้เองหลังจากถูกชุบด้วยเรซิน เคลือบ แข็งตัว และคาร์บอไนซ์

คุณภาพการเติบโตของซิลิกอนผลึกเดี่ยวได้รับผลกระทบโดยตรงจากสภาพแวดล้อมของสนามความร้อน และวัสดุฉนวนคาร์บอนไฟเบอร์มีบทบาทสำคัญในสภาพแวดล้อมนี้ ผ้าสักหลาดฉนวนกันความร้อนคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ เนื่องจากความได้เปรียบด้านต้นทุน ผลของฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม การออกแบบที่ยืดหยุ่น และรูปร่างที่ปรับแต่งได้ นอกจากนี้ ผ้าสักหลาดฉนวนแข็งคาร์บอนไฟเบอร์จะมีพื้นที่มากขึ้นสำหรับการพัฒนาในตลาดวัสดุสนามความร้อน เนื่องจากมีความแข็งแกร่งและความสามารถในการทำงานสูงกว่า เรามุ่งมั่นที่จะวิจัยและพัฒนาในด้านวัสดุฉนวนความร้อนและเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่องเพื่อส่งเสริมความเจริญรุ่งเรืองและการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์