חומר חשוב הקובע את איכות צמיחת סיליקון גביש יחיד – שדה תרמי

תהליך הצמיחה של סיליקון גביש יחיד מתבצע לחלוטין בשדה התרמי. שדה תרמי טוב תורם לשיפור איכות הגביש ובעל יעילות התגבשות גבוהה. עיצוב השדה התרמי קובע במידה רבה את השינויים והשינויים בשיפוע הטמפרטורה בשדה התרמי הדינמי. זרימת הגז בתא התנור וההבדל בחומרים המשמשים בתחום התרמי קובעים ישירות את חיי השירות של השדה התרמי. שדה תרמי שתוכנן בצורה לא סבירה לא רק מקשה על גידול גבישים העומדים בדרישות איכות, אלא גם אינו יכול לגדל גבישים בודדים שלמים תחת דרישות תהליך מסוימות. זו הסיבה שתעשיית הסיליקון החד-גבישי של צ'וקרלסקי רואה בתכנון שדות תרמיים את טכנולוגיית הליבה ומשקיעה כוח אדם ומשאבי חומר עצומים במחקר ופיתוח בתחום התרמי.

המערכת התרמית מורכבת מחומרי שדה תרמיים שונים. נציג רק בקצרה את החומרים המשמשים בתחום התרמי. באשר לפיזור הטמפרטורה בשדה התרמי והשפעתה על משיכת גבישים, לא ננתח אותה כאן. חומר השדה התרמי מתייחס לתנור ואקום לצמיחת גבישים. חלקים מבניים ומבודדים תרמית של החדר, החיוניים ליצירת בד הטמפרטורה המתאימה סביב המוליך למחצה נמס וגבישים.

אֶחָד. חומרים מבניים בשדה תרמי
החומר התומך הבסיסי לגידול סיליקון קריסטל יחיד בשיטת צ'וקרלסקי הוא גרפיט בטוהר גבוה. לחומרי גרפיט תפקיד חשוב מאוד בתעשייה המודרנית. בהכנת סיליקון קריסטל יחיד בשיטת צ'וקרלסקי, הם יכולים לשמש כרכיבים מבניים של שדה תרמי כגון תנורי חימום, צינורות מובילים, כור היתוך, צינורות בידוד ומגשי היתוך.

חומר גרפיט נבחר בשל קלות ההכנה שלו בנפחים גדולים, יכולת העיבוד ותכונות העמידות בטמפרטורה גבוהה. לפחמן בצורת יהלום או גרפיט יש נקודת התכה גבוהה יותר מכל יסוד או תרכובת. חומר הגרפיט חזק למדי, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, וגם המוליכות החשמלית והתרמית שלו טובה למדי. המוליכות החשמלית שלו הופכת אותו למתאים כחומר לחימום, והוא בעל מוליכות תרמית מספקת שיכולה לפזר באופן שווה את החום שנוצר מהמחמם אל כור ההיתוך ושאר חלקי השדה התרמי. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות, במיוחד למרחקים ארוכים, אופן העברת החום העיקרי הוא קרינה.

חלקי גרפיט נוצרים בתחילה על ידי אקסטרוזיה או לחיצה איזוסטטית של חלקיקים פחמניים עדינים מעורבבים עם חומר מקשר. חלקי גרפיט איכותיים נלחצים בדרך כלל בצורה איזוסטטית. כל היצירה עוברת תחילה מוגז ולאחר מכן גרפיט בטמפרטורות גבוהות מאוד, קרוב ל-3000 מעלות צלזיוס. חלקים המעובדים ממונוליטים אלה מטוהרים לעתים קרובות באווירה המכילה כלור בטמפרטורות גבוהות כדי להסיר זיהום מתכת כדי לעמוד בדרישות תעשיית המוליכים למחצה. עם זאת, אפילו עם טיהור נאות, רמות זיהום המתכת גבוהות בסדרי גודל מהמותר בחומרי גביש חד-סיליקון. לכן, יש להקפיד בתכנון שדה תרמי כדי למנוע זיהום של רכיבים אלה להיכנס למשטח ההמסה או הגביש.

חומר הגרפיט חדיר מעט, מה שמאפשר לשארית המתכת בפנים להגיע בקלות אל פני השטח. בנוסף, חד תחמוצת הסיליקון הקיים בגז הטיהור סביב משטח הגרפיט יכול לחדור עמוק לתוך רוב החומרים ולהגיב.

מחממי תנורי סיליקון עם גביש חד-קדום היו עשויים ממתכות עקשניות כמו טונגסטן ומוליבדן. ככל שטכנולוגיית עיבוד הגרפיט מתבגרת, המאפיינים החשמליים של החיבורים בין רכיבי הגרפיט הופכים יציבים, ומחממי תנורי סיליקון קריסטל יחיד החליפו לחלוטין את מחממי הטונגסטן והמוליבדן וחומרים אחרים. חומר הגרפיט הנפוץ ביותר כיום הוא גרפיט איזוסטטי. semicera יכולה לספק חומרי גרפיט בלחץ איזוסטטית באיכות גבוהה.

בתנורי סיליקון קריסטל יחיד של צ'וקרלסקי, משתמשים לפעמים בחומרים מרוכבים של C/C, והם משמשים כיום לייצור ברגים, אומים, כור היתוך, לוחות נושאות עומס ורכיבים אחרים. חומרים מרוכבים פחמן/פחמן (c/c) הם חומרים מרוכבים מבוססי פחמן מחוזקים בסיבי פחמן. יש להם חוזק סגולי גבוה, מודול סגולי גבוה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, מוליכות חשמלית טובה, קשיחות שבר גדולה, משקל סגולי נמוך, עמידות בפני זעזועים תרמיים, עמידות בפני קורוזיה, יש לו סדרה של תכונות מצוינות כמו עמידות בטמפרטורה גבוהה וכיום הוא נרחב משמש בתעופה וחלל, מרוצים, חומרים ביולוגיים ותחומים אחרים כסוג חדש של חומר מבני עמיד לטמפרטורה גבוהה. נכון לעכשיו, צוואר הבקבוק העיקרי בו נתקלים חומרים מרוכבים C/C מקומיים הוא בעיות עלות ותיעוש.

ישנם חומרים רבים אחרים המשמשים ליצירת שדות תרמיים. לגרפיט מחוזק בסיבי פחמן יש תכונות מכניות טובות יותר; עם זאת, הוא יקר יותר ומטיל דרישות עיצוב אחרות. סיליקון קרביד (SiC) הוא חומר טוב יותר מגרפיט במובנים רבים, אבל זה הרבה יותר יקר וקשה לייצר חלקים בנפח גדול. עם זאת, SiC משמש לעתים קרובות כציפוי CVD כדי להאריך את החיים של חלקי גרפיט החשופים לגז סיליקון חד-חמצני אגרסיבי וגם כדי להפחית זיהום מגרפיט. ציפוי סיליקון קרביד הצפוף CVD מונע ביעילות ממזהמים בתוך חומר הגרפיט המיקרו-נקבי להגיע אל פני השטח.

השני הוא פחמן CVD, שיכול ליצור גם שכבה צפופה על גבי חלקי גרפיט. ניתן להשתמש בחומרים אחרים עמידים לטמפרטורות גבוהות, כגון מוליבדן או חומרים קרמיים התואמים את הסביבה, כאשר אין סיכון לזיהום ההמסה. עם זאת, לקרמיקה תחמוצת יש התאמה מוגבלת למגע ישיר עם חומרי גרפיט בטמפרטורות גבוהות, ולעתים קרובות משאירים מעט חלופות אם נדרש בידוד. האחד הוא בורון ניטריד משושה (נקרא לפעמים גרפיט לבן בשל תכונות דומות), אך יש לו תכונות מכניות גרועות. מוליבדן הוא בדרך כלל סביר ליישומים בטמפרטורה גבוהה בגלל העלות המתונה שלו, הדיפוזיות הנמוכה בגבישי הסיליקון ומקדם הפרדה נמוך, בערך 5 × 108, המאפשר זיהום מוליבדן מסוים לפני הרס מבנה הגביש.

דוּ. חומרי בידוד שדה תרמי
חומר הבידוד הנפוץ ביותר הוא לבד פחמן בצורות שונות. לבד פחמן עשוי מסיבים דקים הפועלים כבידוד תרמי מכיוון שהם חוסמים קרינה תרמית פעמים רבות על פני מרחק קצר. לבד פחמן רך נארגים ליריעות חומר דקות יחסית, שאותן נחתכות לצורה הרצויה וכופפו היטב לרדיוס סביר. לבד נרפא מורכב מחומרי סיבים דומים, באמצעות קלסר המכיל פחמן כדי לחבר את הסיבים המפוזרים לאובייקט מוצק ומסוגנן יותר. שימוש באדי כימי של פחמן במקום קלסרים יכול לשפר את התכונות המכניות של החומר.

בדרך כלל, המשטח החיצוני של לבד מבודד מצופה מצופה בציפוי גרפיט מתמשך או בנייר כסף כדי להפחית שחיקה ובלאי, כמו גם זיהום חלקיקים. קיימים גם סוגים אחרים של חומרי בידוד על בסיס פחמן, כגון קצף פחמן. באופן כללי, חומרים שעברו גרפיט מועדפים בבירור מכיוון שגרפיטציה מפחיתה מאוד את שטח הפנים של הסיב. חומרים אלה בעלי שטח פנים גבוה מאפשרים הרבה פחות יציאת גז ולוקח פחות זמן כדי למשוך את התנור לשואב תקין. הסוג השני הוא חומר מרוכב C/C, בעל תכונות יוצאות דופן כמו משקל קל, סובלנות גבוהה לנזק וחוזק גבוה. משמש בתחומים תרמיים להחלפת חלקי גרפיט, מה שמפחית משמעותית את תדירות ההחלפה של חלקי גרפיט ומשפר את איכות הגביש החד ויציבות הייצור.

לפי סיווג חומרי הגלם ניתן לחלק לבד פחמן לבד פחמן על בסיס פולי-אקרילוניטריל, לבד פחמן על בסיס ויסקוזה ולבד פחמן על בסיס אספלט.

לבד פחמן על בסיס פוליאקרילוניטריל יש תכולת אפר גדולה, והמונופילמנטים הופכים שבירים לאחר טיפול בטמפרטורה גבוהה. במהלך הפעולה, אבק מיוצר בקלות כדי לזהם את סביבת התנור. יחד עם זאת, הסיבים חודרים בקלות לנקבוביות אנושיות ודרכי הנשימה, וגורמים לפגיעה בבריאות האדם; לבד פחמן על בסיס ויסקוזה יש לו תכונות בידוד תרמי טובות, הוא רך יחסית לאחר טיפול בחום, ויש לו פחות סיכוי לייצר אבק. עם זאת, לחתך הרוחב של הגדילים המבוססים על ויסקוזה יש צורה לא סדירה ויש נקיקים רבים על פני הסיבים, שקל להיווצר בנוכחות אטמוספרה מחמצנת בכבשן סיליקון חד-גביש של צ'וצ'רלסקי. גזים כמו CO2 גורמים למשקעים של חמצן ואלמנטים פחמן בחומרי סיליקון חד גבישי. היצרנים העיקריים כוללים את SGL הגרמנית וחברות נוספות. נכון לעכשיו, לבד פחמן על בסיס זפת הוא הנפוץ ביותר בתעשיית הגביש היחיד המוליך למחצה, וביצועי הבידוד התרמי שלו טובים יותר משל לבד פחמן דביק. לבד פחמן על בסיס מסטיק הוא נחות, אבל לבד פחמן על בסיס אספלט יש טוהר גבוה יותר ופליטת אבק נמוכה יותר. היצרנים כוללים את Kureha Chemical היפנית, Osaka Gas וכו'.

מכיוון שצורת לבד הפחמן אינה קבועה, זה לא נוח לתפעול. כעת חברות רבות פיתחו חומר בידוד תרמי חדש המבוסס על לבד קרבון - לבד פחמן נרפא. לבד פחמן נרפא נקרא גם לבד קשה. זהו לבד פחמן בעל צורה מסוימת וקיימות עצמית לאחר הספגה בשרף, למינציה, התמצקות ופחם.

איכות הצמיחה של סיליקון גביש יחיד מושפעת ישירות מסביבת השדה התרמי, וחומרי בידוד מסיבי פחמן ממלאים תפקיד מפתח בסביבה זו. לבד רך בידוד תרמי של סיבי פחמן עדיין תופס יתרון משמעותי בתעשיית המוליכים למחצה הפוטו-וולטאיים בשל יתרונות העלות שלו, אפקט בידוד תרמי מעולה, עיצוב גמיש וצורה הניתנת להתאמה אישית. בנוסף, לבד לבידוד קשיח של סיבי פחמן יהיה מקום גדול יותר לפיתוח בשוק החומרים בשדה תרמי בגלל החוזק המסוים שלו ויכולת התפעול הגבוהה יותר. אנו מחויבים למחקר ופיתוח בתחום חומרי בידוד תרמי ולמטב באופן רציף את ביצועי המוצר כדי לקדם את השגשוג והפיתוח של תעשיית המוליכים למחצה הפוטו-וולטאיים.