资讯 | 决定单晶硅生长质量重要材料——热场

时间：2023-11-27 13:54

单晶硅生长过程完全在热场中进行，好的热场有利于改善晶体品质，具有较高的成晶效率，热场的设计很大程度上决定了动态热场中各温度梯度的变化及气体在炉室内的流动，热场所用材料的差异直接决定了热场的使用寿命。而设计不合理的热场不仅很难生长出满足品质要求的晶体，在某些工艺要求下不能生长出完整的单晶。这也是为什么直拉单晶硅行业都将热场设计作为最核心的技术，并投入巨大的人力、物力进行热场研发。

热系统是由各热场材料组成的，我们仅就热场所用材料进行简单介绍，至于热场中的温度分布及对拉晶的影响此处不做分析热场材料指的是晶体生长真空炉室中的结构和隔热保温部分，这对于围绕半导体熔体和晶体创造适当的温度布是必不可少的。

一．热场结构材料

直拉法生长单晶硅的基本支撑材料为高纯石墨。石墨材料在现代工业中扮演着非常重要的角色，在直拉法制备单晶硅中可作为加热器、导流筒、坩埚、保温筒、坩埚托盘等热场结构部件。

选择石墨材料是因为它易于制备大体积，可加工和耐高温特性。金刚石或石墨形式的碳比任何元素或者化合物的熔点都高。石墨材料相当坚固，特别是在高温状态下，导电导热性能也相当不错。它的导电性使它适合作为加热器材料，它具有令人满意的导热系数，可以使加热器产生的热量均匀的分布到坩埚和热场的其他部位。然而，在高温下，特别是在长距离内的主要传热方式以辐射为主。

石墨部件最初由细碳质颗粒与粘合剂混合，通过挤压或等静压成型。高质量的石墨件通常是等静压成型的。整块首先碳化，然后在非常高的温度下石墨化，接近3000℃。从这些整块中加工出来的部件通常在高温下的含氯气氛中净化，清除金属污染以符合半导体工业的要求。然而，即使经过适当的净化，金属污染水平也比硅单晶材料允许的高几个数量级。因此，在热场设计中必须注意防止这些部件的污染进入熔体或晶体表面。

石墨材料具有轻微的可渗透性，这使得内部剩余的金属很容易到达表面。此外，石墨表面周围存在于净化气体中的一氧化硅，能够深入到大部分材料中并在发生反应。

早期单晶硅炉内加热器是由钨钼等难熔金属制造。随着石墨加工工艺的日渐成熟，石墨部件之间的连接电性能变得稳定，单晶硅炉加热器已完全取代钨钼等材料加热器。目前应用最为广泛的石墨材料为等静压石墨。我国等静压石墨制备技术相对落后，国内光伏行业用石墨材料大部分靠国外进口。国外等静压石墨生产企业主要有德国西格里(SGL)、日本东海炭素、日本东洋炭素等。

在直拉单晶硅炉中，有时也用C／C复合材料，目前已经开始用来制造螺栓螺母、坩埚、承载板等部件。炭／炭(c／c)复合材料是碳纤维增强炭基复合材料，具有比强度高、比模量高、热膨胀系数低、导电性好、断裂韧性大、比重低、抗热震、耐腐蚀、耐高温等一系列优良性能，目前作为新型耐高温结构材料广泛应用于航空航天、赛车、生物材料等领域。目前国内C／C复合材料遇到的主要瓶颈还是成本和产业化问题。

还有许多其他材料被用来制作热场。碳纤维增强石墨机械性能更好；但是价格更贵而且对设计提出其他的要求。碳化硅（SiC）是在许多方面比石墨更好的材料，但它的成本要高得多，而且难以制备大体积部件。然而，SiC经常被用作CVD涂层，以提高暴露在侵蚀性一氧化硅气体中石墨部件的寿命，也可以减少来自石墨的污染。致密的CVD碳化硅涂层有效地阻止了微孔石墨材料内部的污染物到达表面。

另外一种是CVD碳，也可以在石墨部件上方形成致密层。其他耐高温材料，比如能与环境共存的钼或陶瓷材料，可用于不存在沾污熔体风险的地方。然而，氧化物陶瓷在高温下通常直接接触石墨材料的适用性有限，如果需要绝缘，几乎没有其他选择。一种是六方氮化硼（由于性质相似，有时被称为白色石墨），但是机械性能很差。钼通常合理的用于高温情况，因为它成本中等，在硅晶体中的扩散率低，以及很低的偏析系数，大概5×108，这使得在破坏晶体结构之前允许存在一定的钼污染。

二．热场保温材料

最常用的隔热材料是不同形式的碳毡。碳毡是由薄纤维制成的，薄纤维起到隔热作用，是因为它们在短距离内多次阻挡热辐射。柔软的碳毡编织成相对较薄的片状材料，然后切割成所需形状，紧密弯曲成合理的半径。固化毡由相似的纤维材料组成，使用含碳粘结剂使分散的纤维连接成更坚实、有型的物体。使用碳的化学气相沉积用来代替粘结剂可以提高材料的力学性能。

通常，绝热固化毡的外表面涂有一层连续的石墨涂层或箔，以减少侵蚀和磨损以及微粒污染。其他类型的碳基绝热材料也存在，如碳泡沫。一般来说，石墨化材料显然是首选的，因为石墨化大大减少了纤维的表面积。这些高表面积材料的出气量大大减少，将炉子抽到合适的真空花费的时间更短。另外一种是C/C复合材料，它具有质量轻、损伤容限高、强度高等突出特点。用于热场代替石墨部件显著减少石墨件更换频率，提高单晶品质和生产稳定性。

按照原料分类，炭毡可分为聚丙烯腈基炭毡、黏胶基炭毡、沥青基炭毡。

聚丙烯腈基炭毡灰分大，高温处理后单丝变脆，在操作过程中容易产生粉尘污染炉内环境，同时纤维容易进入人的毛孔和呼吸道，对人体健康产生危害；黏胶基炭毡隔热性能较好，热处理后比较柔软，不容易产生粉尘，但黏胶基原丝截面呈不规则形状，纤维表面有较多沟壑，在直拉单晶硅炉存在氧化性气氛条件下容易生成C02等气体，造成单晶硅料里的氧元素和碳元素的沉降，主要厂家有德国西格里等企业；目前半导体单晶行业应用最多的还是沥青基炭毡，其隔热保温性能比黏胶基炭毡差，但是沥青基炭毡纯度比较高，而且发尘量比较低，生产厂家有有日本吴羽化学、大阪煤气等。

由于炭毡形状不固定，操作起来比较不方便。现在很多企业在炭毡基础上开发出一种新的隔热保温材料一固化炭毡。固化炭毡也叫硬毡，是将软毡含浸树脂后进行叠层固化、炭化后，具有一定形状和自持性的炭毡。

东映碳材有话说：

单晶硅的生长质量受到热场环境的直接影响，而碳纤维隔热材料在此环境中起到关键作用。碳纤维保温软毡因其成本优势、出色的隔热效果、灵活的设计性和可定制的形状，使其在光伏半导体行业中仍然占据显著优势。另外，碳纤维硬质保温毡因其具备一定的强度和更高的操作性，在热场材料市场中将具有更大的发展空间。我们致力于在隔热材料领域中的研究与开发，不断优化产品性能，以推动光伏半导体行业的繁荣发展。