Le processus de croissance du silicium monocristallin est entièrement réalisé dans le domaine thermique.Un bon champ thermique favorise l’amélioration de la qualité des cristaux et présente une efficacité de cristallisation élevée.La conception du champ thermique détermine en grande partie les changements et les changements des gradients de température dans le champ thermique dynamique.Le flux de gaz dans la chambre du four et la différence des matériaux utilisés dans le champ thermique déterminent directement la durée de vie du champ thermique.Un champ thermique mal conçu rend non seulement difficile la croissance de cristaux répondant aux exigences de qualité, mais ne permet également pas la croissance de monocristaux complets sous certaines exigences de processus.C'est pourquoi l'industrie du silicium monocristallin de Czochralski considère la conception du champ thermique comme la technologie de base et investit d'énormes ressources humaines et matérielles dans la recherche et le développement du domaine thermique.
Le système thermique est composé de divers matériaux de champ thermique.Nous ne présenterons que brièvement les matériaux utilisés dans le domaine thermique.Quant à la répartition de la température dans le champ thermique et son impact sur l’arrachage des cristaux, nous ne l’analyserons pas ici.Le matériau du champ thermique fait référence au four à vide de croissance cristalline.Parties structurelles et thermiquement isolées de la chambre, qui sont essentielles pour créer le tissu de température approprié autour de la masse fondue et des cristaux du semi-conducteur.
un.matériaux de structure à champ thermique
Le matériau de support de base pour la croissance du silicium monocristallin par la méthode Czochralski est le graphite de haute pureté.Les matériaux graphite jouent un rôle très important dans l’industrie moderne.Dans la préparation du silicium monocristallin par la méthode Czochralski, ils peuvent être utilisés comme composants structurels de champ thermique tels que des éléments chauffants, des tubes de guidage, des creusets, des tubes isolants et des plateaux de creusets.
Le matériau graphite a été choisi en raison de sa facilité de préparation en grands volumes, de sa facilité de transformation et de ses propriétés de résistance aux températures élevées.Le carbone sous forme de diamant ou de graphite a un point de fusion plus élevé que n’importe quel élément ou composé.Le graphite est assez résistant, surtout à haute température, et sa conductivité électrique et thermique est également assez bonne.Sa conductivité électrique le rend approprié comme matériau chauffant, et il possède une conductivité thermique satisfaisante qui peut répartir uniformément la chaleur générée par le radiateur vers le creuset et d'autres parties du champ thermique.Cependant, à des températures élevées, notamment sur de longues distances, le principal mode de transfert de chaleur est le rayonnement.
Les pièces en graphite sont initialement formées par extrusion ou pressage isostatique de fines particules carbonées mélangées à un liant.Les pièces en graphite de haute qualité sont généralement pressées de manière isostatique.L'ensemble est d'abord carbonisé puis graphité à très haute température, proche de 3000°C.Les pièces usinées à partir de ces monolithes sont souvent purifiées dans une atmosphère contenant du chlore à haute température pour éliminer la contamination métallique afin de se conformer aux exigences de l'industrie des semi-conducteurs.Cependant, même avec une purification appropriée, les niveaux de contamination par les métaux sont bien plus élevés que ceux autorisés par les matériaux monocristallins de silicium.Par conséquent, des précautions doivent être prises lors de la conception du champ thermique pour empêcher la contamination de ces composants de pénétrer dans la surface fondue ou cristalline.
Le graphite est légèrement perméable, ce qui permet au métal restant à l’intérieur d’atteindre facilement la surface.De plus, le monoxyde de silicium présent dans le gaz de purge autour de la surface du graphite peut pénétrer profondément dans la plupart des matériaux et réagir.
Les premiers radiateurs de four en silicium monocristallin étaient fabriqués à partir de métaux réfractaires tels que le tungstène et le molybdène.À mesure que la technologie de traitement du graphite évolue, les propriétés électriques des connexions entre les composants en graphite deviennent stables et les radiateurs de four en silicium monocristallin ont complètement remplacé le tungstène, le molybdène et d'autres matériaux chauffants.Le graphite le plus utilisé actuellement est le graphite isostatique.Les semicera peuvent fournir des matériaux en graphite pressés isostatiquement de haute qualité.
Dans les fours de silicium monocristallin Czochralski, des matériaux composites C/C sont parfois utilisés et sont désormais utilisés pour fabriquer des boulons, des écrous, des creusets, des plaques porteuses et d'autres composants.Les matériaux composites carbone/carbone (c/c) sont des matériaux composites à base de carbone renforcés de fibres de carbone.Ils ont une résistance spécifique élevée, un module spécifique élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne conductivité électrique, une grande ténacité à la rupture, une faible densité spécifique, une résistance aux chocs thermiques, une résistance à la corrosion. Ils possèdent une série d'excellentes propriétés telles que la résistance à haute température et sont actuellement largement utilisé dans l'aérospatiale, la course, les biomatériaux et d'autres domaines comme nouveau type de matériau structurel résistant aux hautes températures.À l’heure actuelle, le principal goulot d’étranglement rencontré par les matériaux composites C/C nationaux réside dans les problèmes de coût et d’industrialisation.
Il existe de nombreux autres matériaux utilisés pour créer des champs thermiques.Le graphite renforcé de fibres de carbone présente de meilleures propriétés mécaniques ;cependant, cela coûte plus cher et impose d’autres exigences de conception.Le carbure de silicium (SiC) est un meilleur matériau que le graphite à bien des égards, mais il est beaucoup plus coûteux et difficile à fabriquer des pièces en grand volume.Cependant, le SiC est souvent utilisé comme revêtement CVD pour augmenter la durée de vie des pièces en graphite exposées au monoxyde de silicium agressif et également pour réduire la contamination par le graphite.Le revêtement dense en carbure de silicium CVD empêche efficacement les contaminants présents à l'intérieur du matériau graphite microporeux d'atteindre la surface.
L’autre est le carbone CVD, qui peut également former une couche dense sur les pièces en graphite.D'autres matériaux résistants aux hautes températures, tels que le molybdène ou les matériaux céramiques compatibles avec l'environnement, peuvent être utilisés lorsqu'il n'y a aucun risque de contamination de la masse fondue.Cependant, les céramiques d'oxyde ont une aptitude limitée au contact direct avec des matériaux graphites à haute température, ce qui laisse souvent peu d'alternatives si une isolation est requise.L’un d’eux est le nitrure de bore hexagonal (parfois appelé graphite blanc en raison de propriétés similaires), mais ses propriétés mécaniques sont médiocres.Le molybdène est généralement raisonnable pour les applications à haute température en raison de son coût modéré, de sa faible diffusivité dans les cristaux de silicium et de son faible coefficient de ségrégation, environ 5 × 108, qui permet une certaine contamination par le molybdène avant de détruire la structure cristalline.
deux.Matériaux d'isolation du champ thermique
Le matériau isolant le plus couramment utilisé est le feutre de carbone sous diverses formes.Le feutre de carbone est constitué de fibres fines qui agissent comme une isolation thermique car elles bloquent plusieurs fois le rayonnement thermique sur une courte distance.Le feutre de carbone souple est tissé en feuilles de matériau relativement fines, qui sont ensuite découpées à la forme souhaitée et étroitement pliées à un rayon raisonnable.Le feutre durci est composé de matériaux fibreux similaires, utilisant un liant contenant du carbone pour relier les fibres dispersées en un objet plus solide et élégant.L’utilisation du dépôt chimique en phase vapeur de carbone au lieu de liants peut améliorer les propriétés mécaniques du matériau.
Généralement, la surface extérieure du feutre durci isolant est recouverte d'un revêtement ou d'une feuille de graphite continu pour réduire l'érosion et l'usure ainsi que la contamination particulaire.D’autres types de matériaux isolants à base de carbone existent également, comme la mousse de carbone.En général, les matériaux graphitisés sont clairement préférés car la graphitisation réduit considérablement la surface spécifique de la fibre.Ces matériaux à grande surface permettent beaucoup moins de dégazage et prennent moins de temps pour amener le four à un vide approprié.L'autre type est le matériau composite C/C, qui présente des caractéristiques exceptionnelles telles qu'une légèreté, une tolérance élevée aux dommages et une résistance élevée.Utilisé dans les champs thermiques pour remplacer les pièces en graphite, ce qui réduit considérablement la fréquence de remplacement des pièces en graphite et améliore la qualité des monocristaux et la stabilité de la production.
Selon la classification des matières premières, le feutre de carbone peut être divisé en feutre de carbone à base de polyacrylonitrile, feutre de carbone à base de viscose et feutre de carbone à base d'asphalte.
Le feutre de carbone à base de polyacrylonitrile a une teneur élevée en cendres et les monofilaments deviennent cassants après un traitement à haute température.Pendant le fonctionnement, de la poussière est facilement produite et pollue l’environnement du four.Dans le même temps, les fibres pénètrent facilement dans les pores et les voies respiratoires humaines, nuisant ainsi à la santé humaine ;feutre de carbone à base de viscose Il possède de bonnes propriétés d'isolation thermique, est relativement doux après traitement thermique et est moins susceptible de produire de la poussière.Cependant, la section transversale des brins à base de viscose a une forme irrégulière et il existe de nombreux ravins à la surface des fibres, faciles à former en présence d'une atmosphère oxydante dans un four au silicium monocristallin Czochralski.Les gaz tels que le CO2 provoquent la précipitation d’éléments oxygène et carbone dans les matériaux de silicium monocristallin.Les principaux fabricants sont l'allemand SGL et d'autres sociétés.À l'heure actuelle, le feutre de carbone à base de brai est le plus largement utilisé dans l'industrie des monocristaux semi-conducteurs et ses performances d'isolation thermique sont meilleures que celles du feutre de carbone collant.Le feutre de carbone à base de gomme est de qualité inférieure, mais le feutre de carbone à base d'asphalte a une pureté plus élevée et des émissions de poussière plus faibles.Les fabricants incluent le japonais Kureha Chemical, Osaka Gas, etc.
La forme du feutre de carbone n'étant pas fixe, son utilisation n'est pas pratique.Aujourd'hui, de nombreuses entreprises ont développé un nouveau matériau d'isolation thermique à base de feutre de carbone durci.Le feutre de carbone durci est également appelé feutre dur.Il s'agit d'un feutre de carbone qui a une certaine forme et durabilité après avoir été imprégné de résine, laminé, solidifié et carbonisé.
La qualité de croissance du silicium monocristallin est directement affectée par l'environnement du champ thermique, et les matériaux isolants en fibre de carbone jouent un rôle clé dans cet environnement.Le feutre souple d'isolation thermique en fibre de carbone occupe toujours un avantage significatif dans l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques en raison de ses avantages en termes de coûts, de son excellent effet d'isolation thermique, de sa conception flexible et de sa forme personnalisable.De plus, le feutre isolant rigide en fibre de carbone aura une plus grande marge de développement sur le marché des matériaux pour le domaine thermique en raison de sa certaine résistance et de sa plus grande opérabilité.Nous nous engageons dans la recherche et le développement dans le domaine des matériaux d'isolation thermique et optimisons continuellement les performances des produits pour promouvoir la prospérité et le développement de l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques.
Heure de publication : 15 mai 2024