단결정 실리콘의 성장 과정은 전적으로 열장에서 이루어진다. 좋은 열장은 결정 품질을 향상시키는 데 도움이 되며 결정화 효율이 높습니다. 열장의 설계는 동적 열장의 온도 구배의 변화와 변화를 크게 결정합니다. 퍼니스 챔버의 가스 흐름과 열장에 사용된 재료의 차이가 열장의 수명을 직접적으로 결정합니다. 불합리하게 설계된 열장은 품질 요구 사항을 충족하는 결정 성장을 어렵게 할 뿐만 아니라 특정 공정 요구 사항에서 완전한 단결정을 성장시킬 수도 없습니다. 초크랄스키 단결정 실리콘 업계가 열장 설계를 핵심 기술로 여기고 열장 연구개발에 막대한 인력과 물적 자원을 투자하는 이유도 바로 여기에 있다.
열 시스템은 다양한 열장 재료로 구성됩니다. 열분야에 사용되는 재료에 대해서만 간략하게 소개하겠습니다. 열장의 온도 분포와 이것이 결정 당김에 미치는 영향에 대해서는 여기서 분석하지 않겠습니다. 열장 재료는 결정 성장 진공로를 의미합니다. 반도체 용융물과 결정 주위에 적절한 온도의 천을 만드는 데 필수적인 챔버의 구조적 및 단열 부분입니다.
하나. 열장 구조 재료
초크랄스키법으로 단결정 실리콘을 성장시키기 위한 기본 지지체는 고순도 흑연이다. 흑연 재료는 현대 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. Czochralski 방법으로 단결정 실리콘을 제조할 때 히터, 가이드 튜브, 도가니, 절연 튜브 및 도가니 트레이와 같은 열장 구조 부품으로 사용할 수 있습니다.
흑연 재료는 대량 제조의 용이성, 가공성 및 고온 저항 특성으로 인해 선택되었습니다. 다이아몬드나 흑연 형태의 탄소는 어떤 원소나 화합물보다 녹는점이 더 높습니다. 흑연 소재는 특히 고온에서 매우 강하며 전기 및 열 전도성도 매우 좋습니다. 전기전도도가 높아 히터재료로 적합하며, 히터에서 발생한 열을 도가니와 열장의 다른 부분에 고르게 분배할 수 있는 만족스러운 열전도도를 가지고 있습니다. 그러나 고온, 특히 장거리에서 열 전달의 주요 모드는 복사입니다.
흑연 부품은 바인더와 혼합된 미세한 탄소질 입자의 압출 또는 등압 성형에 의해 초기에 형성됩니다. 고품질 흑연 부품은 일반적으로 등압 압착됩니다. 전체 조각은 먼저 탄화되고 3000°C에 가까운 매우 높은 온도에서 흑연화됩니다. 이러한 단일체로 가공된 부품은 반도체 산업 요구 사항을 준수하기 위해 금속 오염을 제거하기 위해 고온의 염소 함유 대기에서 종종 정제됩니다. 그러나 적절한 정제를 하더라도 금속 오염 수준은 실리콘 단결정 재료에서 허용되는 것보다 훨씬 더 높습니다. 따라서 이러한 구성 요소의 오염이 용융물이나 결정 표면에 유입되지 않도록 열장 설계에 주의를 기울여야 합니다.
흑연 소재는 투과성이 낮아 내부에 남아 있는 금속이 쉽게 표면에 닿을 수 있습니다. 또한 흑연 표면 주변의 퍼지 가스에 존재하는 일산화규소는 대부분의 재료에 깊숙이 침투하여 반응할 수 있습니다.
초기 단결정 실리콘 퍼니스 히터는 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 내화성 금속으로 만들어졌습니다. 흑연 가공 기술이 성숙해짐에 따라 흑연 구성 요소 간 연결의 전기적 특성이 안정되고 단결정 실리콘로 히터가 텅스텐, 몰리브덴 및 기타 재료 히터를 완전히 대체했습니다. 현재 가장 널리 사용되는 흑연 재료는 등방성 흑연입니다. semicera는 고품질의 등방압착 흑연 재료를 제공할 수 있습니다.
Czochralski 단결정 실리콘 용광로에서는 C/C 복합 재료가 때때로 사용되며 현재는 볼트, 너트, 도가니, 하중 지지 플레이트 및 기타 구성 요소를 제조하는 데 사용되고 있습니다. 탄소/탄소(c/c) 복합재료는 탄소섬유 강화 탄소 기반 복합재료입니다. 그들은 높은 비강도, 높은 비탄성 계수, 낮은 열팽창 계수, 우수한 전기 전도성, 큰 파괴 인성, 낮은 비중, 열충격 저항, 내식성, 고온 저항과 같은 일련의 우수한 특성을 가지며 현재 널리 사용되고 있습니다. 항공 우주, 경주, 생체 재료 및 기타 분야에서 새로운 유형의 고온 내성 구조 재료로 사용됩니다. 현재 국내 C/C복합재료가 직면하고 있는 주요 병목현상은 비용과 산업화 문제이다.
열장을 생성하는 데 사용되는 다른 많은 재료가 있습니다. 탄소 섬유 강화 흑연은 더 나은 기계적 특성을 가지고 있습니다. 그러나 비용이 더 많이 들고 다른 설계 요구 사항이 부과됩니다. 탄화규소(SiC)는 흑연보다 여러 면에서 좋은 소재지만 가격이 훨씬 비싸고 대량 부품 제작이 어렵다. 그러나 SiC는 공격적인 일산화규소 가스에 노출된 흑연 부품의 수명을 늘리고 흑연으로 인한 오염을 줄이기 위해 CVD 코팅으로 자주 사용됩니다. 조밀한 CVD 실리콘 카바이드 코팅은 미세 다공성 흑연 재료 내부의 오염 물질이 표면에 도달하는 것을 효과적으로 방지합니다.
다른 하나는 CVD 탄소로, 흑연 부품 위에 치밀한 층을 형성할 수도 있습니다. 환경과 호환되는 몰리브덴 또는 세라믹 재료와 같은 기타 고온 내성 재료는 용융물 오염 위험이 없는 경우 사용할 수 있습니다. 그러나 산화물 세라믹은 고온에서 흑연 재료와 직접 접촉하기에는 적합성이 제한되어 절연이 필요한 경우 대안이 거의 남지 않는 경우가 많습니다. 하나는 육방정계 질화붕소(유사한 특성으로 인해 백색 흑연이라고도 함)이지만 기계적 특성이 좋지 않습니다. 몰리브덴은 적당한 가격, 실리콘 결정의 낮은 확산성, 약 5 × 108의 낮은 분리 계수로 인해 일반적으로 고온 응용 분야에 적합합니다. 이는 결정 구조를 파괴하기 전에 일부 몰리브덴 오염을 허용합니다.
둘. 단열재
가장 일반적으로 사용되는 단열재는 다양한 형태의 카본펠트(Carbon Felt)입니다. 카본펠트는 얇은 섬유로 이루어져 있어 짧은 거리에서 열복사를 여러 번 차단해 단열 역할을 합니다. 소프트 카본 펠트는 상대적으로 얇은 소재 시트로 직조된 후 원하는 모양으로 절단되고 적당한 반경으로 단단히 구부러집니다. 경화 펠트는 유사한 섬유 재료로 구성되며 탄소 함유 바인더를 사용하여 분산된 섬유를 더욱 견고하고 세련된 물체로 연결합니다. 바인더 대신 탄소의 화학 기상 증착을 사용하면 재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
일반적으로 단열 경화 펠트의 외부 표면은 침식 및 마모는 물론 미립자 오염을 줄이기 위해 연속 흑연 코팅 또는 호일로 코팅됩니다. 탄소 폼과 같은 다른 유형의 탄소 기반 단열재도 존재합니다. 일반적으로 흑연화는 섬유의 표면적을 크게 감소시키기 때문에 흑연화 재료가 확실히 선호됩니다. 이러한 높은 표면적 재료는 가스 방출을 훨씬 적게 허용하고 퍼니스를 적절한 진공 상태로 끌어들이는 데 더 적은 시간이 걸립니다. 또 다른 유형은 C/C 복합재료로 경량, 높은 손상 내구성, 고강도 등 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 흑연 부품을 교체하기 위해 열장에 사용되며 흑연 부품의 교체 빈도를 크게 줄이고 단결정 품질과 생산 안정성을 향상시킵니다.
카본펠트는 원료의 분류에 따라 폴리아크릴로니트릴계 카본펠트, 비스코스계 카본펠트, 아스팔트계 카본펠트로 나눌 수 있습니다.
폴리아크릴로니트릴 기반의 카본 펠트는 회분 함량이 높아 고온 처리 후에 모노필라멘트가 부서지기 쉽습니다. 작동 중에는 먼지가 쉽게 발생하여 퍼니스 환경을 오염시킵니다. 동시에 섬유는 사람의 모공과 호흡기로 쉽게 들어가 인체 건강에 해를 끼칩니다. 비스코스 기반의 카본 펠트는 단열성이 좋고 열처리 후 상대적으로 부드러우며 분진 발생 가능성이 적습니다. 그러나 비스코스 기반 스트랜드의 단면은 불규칙한 모양을 가지며 섬유 표면에 계곡이 많아 Czochralski 단결정 실리콘 용해로의 산화 분위기에서 형성되기 쉽습니다. CO2와 같은 가스는 단결정 실리콘 재료에 산소와 탄소 원소가 침전되는 원인이 됩니다. 주요 제조업체에는 독일 SGL 및 기타 회사가 포함됩니다. 현재 피치 기반 탄소 펠트는 반도체 단결정 산업에서 가장 널리 사용되며 단열 성능은 끈적한 탄소 펠트보다 우수합니다. 껌 기반 카본 펠트는 품질이 떨어지지만 아스팔트 기반 카본 펠트는 순도가 더 높고 분진 배출도 적습니다. 제조사로는 일본 구레하화학, 오사카가스 등이 있다.
카본펠트의 형태가 고정되어 있지 않아 조작이 불편하다. 이제 많은 회사들이 탄소 펠트를 기반으로 한 새로운 단열재인 경화 탄소 펠트를 개발했습니다. 경화 탄소 펠트는 하드 펠트라고도 합니다. 수지를 함침시켜 적층, 고화, 탄화시킨 후 일정한 형상과 자립성을 갖는 카본펠트입니다.
단결정 실리콘의 성장 품질은 열장 환경에 직접적인 영향을 받으며 탄소 섬유 단열재는 이러한 환경에서 중요한 역할을 합니다. 탄소 섬유 단열 소프트 펠트는 비용 이점, 우수한 단열 효과, 유연한 디자인 및 맞춤형 모양으로 인해 광전지 반도체 산업에서 여전히 중요한 이점을 차지하고 있습니다. 또한, 탄소섬유 경질 단열 펠트는 특정 강도와 높은 조작성으로 인해 열전장 재료 시장에서 개발 가능성이 더 커질 것입니다. 우리는 단열재 분야의 연구개발에 전념하고 있으며, 지속적으로 제품 성능을 최적화하여 광전지 반도체 산업의 번영과 발전을 촉진하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 5월 15일