単結晶シリコンの成長プロセスは完全に熱場内で行われます。良好な熱場は結晶品質の向上に役立ち、結晶化効率が高くなります。熱場の設計は、動的熱場の変化と温度勾配の変化を大きく決定します。炉室内のガスの流れと熱フィールドで使用される材料の違いが、熱フィールドの耐用年数に直接影響します。不当に設計された熱場は、品質要件を満たす結晶の成長を困難にするだけでなく、特定のプロセス要件の下では完全な単結晶を成長させることもできません。これが、チョクラルスキー単結晶シリコン業界が熱場の設計を中核技術とみなし、熱場の研究開発に多大な人的資源と物的資源を投資する理由です。
熱システムはさまざまな熱場材料で構成されています。熱分野で使用される材料について簡単に紹介します。熱場の温度分布と結晶引き上げへの影響については、ここでは解析しません。熱場材料とは、結晶成長真空炉を指します。チャンバーの構造部分と断熱部分。半導体融液と結晶の周囲に適切な温度の布地を作成するために不可欠です。
1つ。熱場構造材料
チョクラルスキー法により単結晶シリコンを成長させるための基本的な支持体材料は高純度グラファイトです。黒鉛材料は現代の産業において非常に重要な役割を果たしています。チョクラルスキー法による単結晶シリコンの製造において、ヒーター、ガイドチューブ、るつぼ、断熱管、るつぼトレイなどの熱場構造部品として使用できます。
グラファイト材料は、大量の調製の容易さ、加工性、および高温耐性の特性により選択されました。ダイヤモンドまたはグラファイトの形の炭素は、どの元素や化合物よりも高い融点を持っています。グラファイト材料は、特に高温において非常に強く、電気伝導性と熱伝導性も非常に優れています。導電性があるためヒーター材料として適しており、ヒーターで発生した熱をるつぼなどの熱場に均一に伝えることができる良好な熱伝導率を持っています。ただし、高温、特に長距離では、熱伝達の主なモードは放射です。
グラファイト部品は、バインダーと混合された微細な炭素質粒子の押出成形または静水圧プレスによって最初に形成されます。高品質のグラファイト部品は通常、静水圧プレスされます。まず全体が炭化され、次に 3000°C に近い非常に高い温度で黒鉛化されます。これらのモノリスから機械加工された部品は、半導体業界の要件を満たすために金属汚染を除去するために高温の塩素含有雰囲気で精製されることがよくあります。しかし、適切な精製を行ったとしても、金属汚染レベルはシリコン単結晶材料で許容されるレベルよりも桁違いに高くなります。したがって、熱場の設計では、これらの成分の汚染が融液または結晶表面に入らないように注意する必要があります。
グラファイト素材はわずかに透過性があるため、内部に残った金属が表面に容易に到達します。さらに、グラファイト表面周囲のパージガス中に存在する一酸化ケイ素は、ほとんどの材料の奥深くまで浸透して反応する可能性があります。
初期の単結晶シリコン炉ヒーターは、タングステンやモリブデンなどの高融点金属で作られていました。グラファイト処理技術が成熟するにつれて、グラファイト部品間の接続の電気的特性が安定し、単結晶シリコン炉ヒーターがタングステンやモリブデンなどの材料ヒーターに完全に取って代わりました。現在最も広く使用されている黒鉛材料は等方性黒鉛です。semiceraは高品質の等方加圧グラファイト材料を提供できます。
チョクラルスキー単結晶シリコン炉では、C/C 複合材料が使用されることもあり、現在ではボルト、ナット、るつぼ、耐荷重プレート、その他のコンポーネントの製造に使用されています。カーボン/カーボン (c/c) 複合材料は、炭素繊維強化された炭素ベースの複合材料です。高比強度、高比弾性率、低熱膨張係数、良好な導電性、大きな破壊靱性、低比重、耐熱衝撃性、耐食性、耐高温性など一連の優れた特性を有しており、現在広く使用されています。新しいタイプの耐高温構造材料として、航空宇宙、レース、生体材料などの分野で使用されています。現在、国産のC/Cコンポジット材料が直面している主なボトルネックはコストと工業化の問題です。
熱フィールドの作成には他にも多くの材料が使用されます。炭素繊維強化グラファイトは機械的特性が優れています。ただし、高価であり、他の設計要件も課せられます。炭化ケイ素 (SiC) は多くの点でグラファイトよりも優れた材料ですが、はるかに高価であり、大量の部品を製造するのが困難です。ただし、SiC は、攻撃的な一酸化ケイ素ガスにさらされるグラファイト部品の寿命を延ばし、グラファイトによる汚染を減らすために、CVD コーティングとしてよく使用されます。高密度 CVD 炭化ケイ素コーティングは、微多孔性グラファイト材料内部の汚染物質が表面に到達するのを効果的に防ぎます。
もう 1 つは CVD カーボンで、これもグラファイト部品の上に緻密な層を形成できます。環境に適合したモリブデンやセラミック材料など、他の耐高温材料も、溶融物が汚染される危険性がない場合に使用できます。ただし、酸化物セラミックは高温でグラファイト材料と直接接触する場合の適合性が限られており、絶縁が必要な場合には代替品がほとんどないことがよくあります。1 つは六方晶窒化ホウ素 (同様の特性のため白色グラファイトと呼ばれることもあります) ですが、機械的特性が劣ります。モリブデンは、コストが中程度で、シリコン結晶内での拡散率が低く、偏析係数が約 5 × 108 と低く、結晶構造を破壊する前にある程度のモリブデンの汚染が許容されるため、一般に高温用途に適しています。
二。熱場断熱材
最も一般的に使用される断熱材は、さまざまな形のカーボンフェルトです。カーボンフェルトは細い繊維でできており、短距離で熱放射を何度も遮断するため、断熱材として機能します。ソフトカーボンフェルトは、比較的薄い材料シートに織り込まれ、その後、希望の形状に切断され、適切な半径にしっかりと曲げられます。硬化フェルトは同様の繊維材料で構成されており、炭素含有バインダーを使用して分散した繊維を結合して、より堅牢でスタイリッシュなオブジェクトを作ります。バインダーの代わりにカーボンの化学蒸着を使用すると、材料の機械的特性を向上させることができます。
通常、絶縁硬化フェルトの外面は、浸食や摩耗、さらには粒子による汚染を軽減するために、連続的なグラファイトコーティングまたはフォイルでコーティングされています。カーボンフォームなど、他のタイプのカーボンベースの断熱材も存在します。一般に、黒鉛化により繊維の表面積が大幅に減少するため、黒鉛化材料が明らかに好ましい。これらの高表面積材料により、ガスの放出が大幅に減少し、炉を適切な真空に引き込むのにかかる時間が短縮されます。もう1つはC/Cコンポジット材で、軽量、高耐傷性、高強度といった優れた特徴を持っています。熱分野における黒鉛部品の交換に使用され、黒鉛部品の交換頻度を大幅に削減し、単結晶の品質と生産の安定性を向上させます。
カーボンフェルトは原料の分類により、ポリアクリロニトリル系カーボンフェルト、ビスコース系カーボンフェルト、アスファルト系カーボンフェルトに分けられます。
ポリアクリロニトリル系カーボンフェルトは灰分が多く、高温処理後にモノフィラメントが脆くなってしまいます。運転中は粉塵が発生しやすく炉環境を汚染します。同時に、繊維は人間の毛穴や気道に入り込みやすく、人間の健康に害を及ぼします。ビスコース系カーボンフェルト 断熱性に優れ、熱処理後は比較的柔らかく、発塵も少ない。しかし、ビスコース系ストランドの断面は不規則な形状をしており、繊維表面には多くの谷があり、チョクラルスキー単結晶シリコン炉内の酸化雰囲気下では谷が形成されやすい。CO2 などのガスは、単結晶シリコン材料内で酸素と炭素元素の沈殿を引き起こします。主なメーカーとしてはドイツのSGL社などが挙げられます。現在、半導体単結晶業界ではピッチ系カーボンフェルトが最も広く使用されており、粘着性カーボンフェルトよりも断熱性能が優れています。ガム系カーボンフェルトは劣りますが、アスファルト系カーボンフェルトの方が純度が高く、発塵も少ないです。メーカーとしては日本のクレハケミカルや大阪ガスなどが挙げられます。
カーボンフェルトの形状が固定されていないため、操作が不便です。現在、多くの企業がカーボンフェルトをベースとした新しい断熱材、つまり硬化カーボンフェルトを開発しています。硬化カーボンフェルトはハードフェルトとも呼ばれます。樹脂を含浸、積層、固化、炭化させて一定の形状と自立性を持たせたカーボンフェルトです。
単結晶シリコンの成長品質は熱場環境に直接影響され、炭素繊維絶縁材料はこの環境において重要な役割を果たします。炭素繊維断熱ソフトフェルトは、コスト面での優位性、優れた断熱効果、柔軟な設計、カスタマイズ可能な形状により、太陽光発電半導体産業において依然として大きな利点を占めています。また、炭素繊維硬質断熱フェルトは、一定の強度と操作性の高さから、熱分野の材料市場においても発展の余地が大きいと考えられます。当社は、太陽光発電半導体産業の繁栄と発展を促進するために、断熱材料の分野での研究開発に注力し、製品性能の継続的な最適化に取り組んでいます。
投稿日時: 2024 年 5 月 15 日