एक महत्वपूर्ण सामग्री जो एकल क्रिस्टल सिलिकॉन विकास की गुणवत्ता निर्धारित करती है - थर्मल क्षेत्र

एकल क्रिस्टल सिलिकॉन की विकास प्रक्रिया पूरी तरह से थर्मल क्षेत्र में की जाती है। एक अच्छा तापीय क्षेत्र क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार के लिए अनुकूल होता है और इसमें उच्च क्रिस्टलीकरण दक्षता होती है। तापीय क्षेत्र का डिज़ाइन मोटे तौर पर गतिशील तापीय क्षेत्र में तापमान प्रवणता में परिवर्तन और परिवर्तनों को निर्धारित करता है। भट्ठी कक्ष में गैस का प्रवाह और थर्मल क्षेत्र में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में अंतर सीधे थर्मल क्षेत्र की सेवा जीवन को निर्धारित करता है। अनुचित रूप से डिज़ाइन किया गया थर्मल क्षेत्र न केवल गुणवत्ता की आवश्यकताओं को पूरा करने वाले क्रिस्टल को विकसित करना मुश्किल बनाता है, बल्कि कुछ प्रक्रिया आवश्यकताओं के तहत पूर्ण एकल क्रिस्टल भी विकसित नहीं कर सकता है। यही कारण है कि Czochralski मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उद्योग थर्मल फील्ड डिजाइन को मुख्य तकनीक मानता है और थर्मल फील्ड अनुसंधान और विकास में विशाल जनशक्ति और भौतिक संसाधनों का निवेश करता है।

तापीय प्रणाली विभिन्न तापीय क्षेत्र सामग्रियों से बनी है। हम केवल तापीय क्षेत्र में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों का संक्षेप में परिचय देंगे। जहां तक ​​तापीय क्षेत्र में तापमान वितरण और क्रिस्टल खींचने पर इसके प्रभाव का सवाल है, हम यहां इसका विश्लेषण नहीं करेंगे। थर्मल फील्ड सामग्री क्रिस्टल ग्रोथ वैक्यूम फर्नेस को संदर्भित करती है। चैम्बर के संरचनात्मक और थर्मली इंसुलेटेड हिस्से, जो सेमीकंडक्टर पिघल और क्रिस्टल के चारों ओर उचित तापमान कपड़ा बनाने के लिए आवश्यक हैं।

एक। थर्मल क्षेत्र संरचनात्मक सामग्री
Czochralski विधि द्वारा एकल क्रिस्टल सिलिकॉन उगाने के लिए मूल सहायक सामग्री उच्च शुद्धता वाला ग्रेफाइट है। आधुनिक उद्योग में ग्रेफाइट सामग्री बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। Czochralski विधि द्वारा एकल क्रिस्टल सिलिकॉन की तैयारी में, उनका उपयोग थर्मल क्षेत्र संरचनात्मक घटकों जैसे हीटर, गाइड ट्यूब, क्रूसिबल, इन्सुलेशन ट्यूब और क्रूसिबल ट्रे के रूप में किया जा सकता है।

ग्रेफाइट सामग्री को बड़ी मात्रा में तैयार करने में आसानी, प्रक्रियात्मकता और उच्च तापमान प्रतिरोधी गुणों के कारण चुना गया था। हीरे या ग्रेफाइट के रूप में कार्बन का गलनांक किसी भी तत्व या यौगिक से अधिक होता है। ग्रेफाइट सामग्री काफी मजबूत होती है, खासकर उच्च तापमान पर, और इसकी विद्युत और तापीय चालकता भी काफी अच्छी होती है। इसकी विद्युत चालकता इसे हीटर सामग्री के रूप में उपयुक्त बनाती है, और इसमें संतोषजनक थर्मल चालकता होती है जो हीटर द्वारा उत्पन्न गर्मी को क्रूसिबल और थर्मल क्षेत्र के अन्य हिस्सों में समान रूप से वितरित कर सकती है। हालाँकि, उच्च तापमान पर, विशेष रूप से लंबी दूरी पर, गर्मी हस्तांतरण का मुख्य तरीका विकिरण है।

ग्रेफाइट के हिस्से शुरू में एक बाइंडर के साथ मिश्रित बारीक कार्बोनेसियस कणों को बाहर निकालने या आइसोस्टैटिक दबाने से बनते हैं। उच्च गुणवत्ता वाले ग्रेफाइट भागों को आमतौर पर आइसोस्टैटिक रूप से दबाया जाता है। पूरे टुकड़े को पहले कार्बोनाइज्ड किया जाता है और फिर 3000 डिग्री सेल्सियस के करीब, बहुत उच्च तापमान पर ग्रेफाइटाइज किया जाता है। सेमीकंडक्टर उद्योग की आवश्यकताओं का अनुपालन करने के लिए धातु संदूषण को हटाने के लिए इन मोनोलिथ से मशीनीकृत भागों को अक्सर उच्च तापमान पर क्लोरीन युक्त वातावरण में शुद्ध किया जाता है। हालाँकि, उचित शुद्धिकरण के साथ भी, धातु संदूषण का स्तर सिलिकॉन एकल क्रिस्टल सामग्री द्वारा अनुमत परिमाण से अधिक है। इसलिए, इन घटकों के संदूषण को पिघल या क्रिस्टल सतह में प्रवेश करने से रोकने के लिए थर्मल फ़ील्ड डिज़ाइन में सावधानी बरतनी चाहिए।

ग्रेफाइट सामग्री थोड़ी पारगम्य होती है, जो अंदर बची हुई धातु को सतह तक आसानी से पहुंचने देती है। इसके अलावा, ग्रेफाइट सतह के आसपास शुद्ध गैस में मौजूद सिलिकॉन मोनोऑक्साइड अधिकांश सामग्रियों में गहराई से प्रवेश कर सकता है और प्रतिक्रिया कर सकता है।

शुरुआती सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन फर्नेस हीटर टंगस्टन और मोलिब्डेनम जैसी दुर्दम्य धातुओं से बने होते थे। जैसे-जैसे ग्रेफाइट प्रसंस्करण तकनीक परिपक्व होती है, ग्रेफाइट घटकों के बीच कनेक्शन के विद्युत गुण स्थिर हो जाते हैं, और एकल क्रिस्टल सिलिकॉन फर्नेस हीटर ने टंगस्टन और मोलिब्डेनम और अन्य सामग्री हीटरों को पूरी तरह से बदल दिया है। वर्तमान में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली ग्रेफाइट सामग्री आइसोस्टैटिक ग्रेफाइट है। सेमीसेरा उच्च गुणवत्ता वाले आइसोस्टैटिक रूप से दबाए गए ग्रेफाइट सामग्री प्रदान कर सकता है।

Czochralski सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन भट्टियों में, C/C मिश्रित सामग्री का उपयोग कभी-कभी किया जाता है, और अब इसका उपयोग बोल्ट, नट, क्रूसिबल, लोड-बेयरिंग प्लेट और अन्य घटकों के निर्माण के लिए किया जा रहा है। कार्बन/कार्बन (सी/सी) मिश्रित सामग्री कार्बन फाइबर प्रबलित कार्बन-आधारित मिश्रित सामग्री हैं। इनमें उच्च विशिष्ट शक्ति, उच्च विशिष्ट मापांक, कम तापीय विस्तार गुणांक, अच्छी विद्युत चालकता, बड़ी फ्रैक्चर कठोरता, कम विशिष्ट गुरुत्व, थर्मल शॉक प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध है, इसमें उच्च तापमान प्रतिरोध जैसे उत्कृष्ट गुणों की एक श्रृंखला है और वर्तमान में व्यापक रूप से उपलब्ध है एयरोस्पेस, रेसिंग, बायोमटेरियल्स और अन्य क्षेत्रों में एक नए प्रकार के उच्च तापमान प्रतिरोधी संरचनात्मक सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। वर्तमान में, घरेलू सी/सी मिश्रित सामग्रियों के सामने आने वाली मुख्य बाधा लागत और औद्योगीकरण के मुद्दे हैं।

तापीय क्षेत्र बनाने के लिए कई अन्य सामग्रियों का उपयोग किया जाता है। कार्बन फाइबर प्रबलित ग्रेफाइट में बेहतर यांत्रिक गुण हैं; हालाँकि, यह अधिक महंगा है और अन्य डिज़ाइन आवश्यकताओं को लागू करता है। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) कई मायनों में ग्रेफाइट से बेहतर सामग्री है, लेकिन यह अधिक महंगा है और बड़ी मात्रा में भागों का निर्माण करना कठिन है। हालाँकि, आक्रामक सिलिकॉन मोनोऑक्साइड गैस के संपर्क में आने वाले ग्रेफाइट भागों के जीवन को बढ़ाने और ग्रेफाइट से प्रदूषण को कम करने के लिए अक्सर सीवीडी कोटिंग के रूप में SiC का उपयोग किया जाता है। घनी सीवीडी सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग सूक्ष्म छिद्रित ग्रेफाइट सामग्री के अंदर के दूषित पदार्थों को सतह तक पहुंचने से प्रभावी ढंग से रोकती है।

दूसरा सीवीडी कार्बन है, जो ग्रेफाइट भागों के ऊपर एक घनी परत भी बना सकता है। अन्य उच्च तापमान प्रतिरोधी सामग्री, जैसे मोलिब्डेनम या सिरेमिक सामग्री जो पर्यावरण के अनुकूल हैं, का उपयोग किया जा सकता है जहां पिघल के दूषित होने का कोई खतरा नहीं है। हालाँकि, ऑक्साइड सिरेमिक में उच्च तापमान पर ग्रेफाइट सामग्री के साथ सीधे संपर्क के लिए सीमित उपयुक्तता होती है, यदि इन्सुलेशन की आवश्यकता होती है तो अक्सर कुछ विकल्प छोड़ दिए जाते हैं। एक है हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (कभी-कभी समान गुणों के कारण इसे सफेद ग्रेफाइट भी कहा जाता है), लेकिन इसमें खराब यांत्रिक गुण होते हैं। मोलिब्डेनम आम तौर पर उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए उचित है क्योंकि इसकी मध्यम लागत, सिलिकॉन क्रिस्टल में कम प्रसारशीलता, और कम पृथक्करण गुणांक, लगभग 5 × 108 है, जो क्रिस्टल संरचना को नष्ट करने से पहले कुछ मोलिब्डेनम संदूषण की अनुमति देता है।

दो। थर्मल क्षेत्र इन्सुलेशन सामग्री
विभिन्न रूपों में सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली इन्सुलेशन सामग्री कार्बन फेल्ट है। कार्बन फेल्ट पतले रेशों से बना होता है जो थर्मल इन्सुलेशन के रूप में कार्य करता है क्योंकि वे कम दूरी पर कई बार थर्मल विकिरण को रोकते हैं। नरम कार्बन फेल्ट को सामग्री की अपेक्षाकृत पतली शीटों में बुना जाता है, जिन्हें फिर वांछित आकार में काटा जाता है और एक उचित दायरे में कसकर मोड़ दिया जाता है। ठीक किया गया फेल्ट समान फाइबर सामग्री से बना होता है, जो बिखरे हुए फाइबर को अधिक ठोस और स्टाइलिश वस्तु में जोड़ने के लिए कार्बन युक्त बाइंडर का उपयोग करता है। बाइंडरों के बजाय कार्बन के रासायनिक वाष्प जमाव का उपयोग करने से सामग्री के यांत्रिक गुणों में सुधार हो सकता है।

आमतौर पर, इंसुलेटिंग क्योर फेल्ट की बाहरी सतह को कटाव और घिसाव के साथ-साथ कण संदूषण को कम करने के लिए निरंतर ग्रेफाइट कोटिंग या पन्नी के साथ लेपित किया जाता है। अन्य प्रकार की कार्बन-आधारित इन्सुलेशन सामग्री भी मौजूद हैं, जैसे कार्बन फोम। सामान्य तौर पर, ग्रेफाइटाइज्ड सामग्रियों को स्पष्ट रूप से प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि ग्रेफाइटाइजेशन फाइबर के सतह क्षेत्र को बहुत कम कर देता है। ये उच्च सतह क्षेत्र वाली सामग्रियां बहुत कम गैस उत्सर्जन की अनुमति देती हैं और भट्ठी को उचित वैक्यूम में खींचने में कम समय लेती हैं। दूसरा प्रकार सी/सी मिश्रित सामग्री है, जिसमें हल्के वजन, उच्च क्षति सहनशीलता और उच्च शक्ति जैसी उत्कृष्ट विशेषताएं हैं। ग्रेफाइट भागों को बदलने के लिए थर्मल क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है, जो ग्रेफाइट भागों की प्रतिस्थापन आवृत्ति को काफी कम कर देता है और एकल क्रिस्टल गुणवत्ता और उत्पादन स्थिरता में सुधार करता है।

कच्चे माल के वर्गीकरण के अनुसार, कार्बन फेल्ट को पॉलीएक्रिलोनिट्राइल-आधारित कार्बन फेल्ट, विस्कोस-आधारित कार्बन फेल्ट और डामर-आधारित कार्बन फेल्ट में विभाजित किया जा सकता है।

पॉलीएक्रिलोनिट्राइल-आधारित कार्बन फेल्ट में राख की मात्रा अधिक होती है, और उच्च तापमान उपचार के बाद मोनोफिलामेंट्स भंगुर हो जाते हैं। ऑपरेशन के दौरान, भट्ठी के वातावरण को प्रदूषित करने के लिए धूल आसानी से उत्पन्न होती है। साथ ही, रेशे आसानी से मानव छिद्रों और श्वसन पथों में प्रवेश कर जाते हैं, जिससे मानव स्वास्थ्य को नुकसान होता है; विस्कोस-आधारित कार्बन फेल्ट में अच्छे थर्मल इन्सुलेशन गुण होते हैं, गर्मी उपचार के बाद अपेक्षाकृत नरम होता है, और धूल पैदा होने की संभावना कम होती है। हालाँकि, विस्कोस-आधारित स्ट्रैंड्स के क्रॉस-सेक्शन में एक अनियमित आकार होता है और फाइबर की सतह पर कई खड्ड होते हैं, जो कि Czochralski सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन भट्टी में ऑक्सीकरण वातावरण की उपस्थिति में बनाना आसान होता है। CO2 जैसी गैसें एकल क्रिस्टल सिलिकॉन सामग्री में ऑक्सीजन और कार्बन तत्वों की वर्षा का कारण बनती हैं। मुख्य निर्माताओं में जर्मन एसजीएल और अन्य कंपनियां शामिल हैं। वर्तमान में, सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल उद्योग में पिच-आधारित कार्बन फेल्ट का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, और इसका थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन चिपचिपा कार्बन फेल्ट की तुलना में बेहतर है। गम-आधारित कार्बन फेल्ट घटिया है, लेकिन डामर-आधारित कार्बन फेल्ट में उच्च शुद्धता और कम धूल उत्सर्जन है। निर्माताओं में जापान की कुरेहा केमिकल, ओसाका गैस आदि शामिल हैं।

चूंकि कार्बन फेल्ट का आकार निश्चित नहीं है, इसलिए इसे संचालित करना असुविधाजनक है। अब कई कंपनियों ने कार्बन फेल्ट - क्योर्ड कार्बन फेल्ट पर आधारित एक नई थर्मल इन्सुलेशन सामग्री विकसित की है। ठीक किए गए कार्बन फेल्ट को हार्ड फेल्ट भी कहा जाता है। यह एक कार्बन फेल्ट है जिसका राल के साथ संसेचन, लेमिनेटेड, ठोस और कार्बोनाइज्ड होने के बाद एक निश्चित आकार और आत्मनिर्भरता होती है।

एकल क्रिस्टल सिलिकॉन की विकास गुणवत्ता थर्मल क्षेत्र के वातावरण से सीधे प्रभावित होती है, और कार्बन फाइबर इन्सुलेशन सामग्री इस वातावरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। कार्बन फाइबर थर्मल इन्सुलेशन सॉफ्ट फेल्ट अभी भी अपने लागत लाभ, उत्कृष्ट थर्मल इन्सुलेशन प्रभाव, लचीले डिजाइन और अनुकूलन आकार के कारण फोटोवोल्टिक सेमीकंडक्टर उद्योग में एक महत्वपूर्ण लाभ रखता है। इसके अलावा, कार्बन फाइबर कठोर इन्सुलेशन फेल्ट में इसकी निश्चित ताकत और उच्च संचालन क्षमता के कारण थर्मल फील्ड सामग्री बाजार में विकास के लिए अधिक जगह होगी। हम थर्मल इन्सुलेशन सामग्री के क्षेत्र में अनुसंधान और विकास के लिए प्रतिबद्ध हैं और फोटोवोल्टिक सेमीकंडक्टर उद्योग की समृद्धि और विकास को बढ़ावा देने के लिए उत्पाद प्रदर्शन को लगातार अनुकूलित करते हैं।