Графитовая горячая зона для вытягивания монокристаллического кремния

Графитовая горячая зона Введение

Графитовая горячая зона является важнейшим компонентом метода Чохральского (CZ) для вытягивания слитков монокристаллического кремния. Ниже приведено описание ее функции, конструктивных соображений и причины использования графита:

Функция горячей зоны графита для вытягивания монокристаллического кремния

Основная цель графитовой горячей зоны:

Создание и поддержание равномерного распределения температуры: горячая зона отвечает за создание и поддержание очень точного и стабильного температурного профиля внутри тигля. Это необходимо для контролируемого плавления кремния и правильного затвердевания на границе раздела твердое тело-жидкость.

Защита и изоляция тигля: он действует как тепловой барьер, уменьшая потери тепла из расплава кремния и направляя тепловой поток в соответствующие области тигля.

Управление формой расплава и фронтом затвердевания: распределение температуры в горячей зоне существенно влияет на форму расплава (мениска) в верхней части тигля и форму фронта затвердевания по мере вытягивания кристалла. Плоский или слегка выпуклый фронт затвердевания обычно желателен для высокого качества кристалла.

Поддержка тигля: хотя это и не его основная функция, структура горячей зоны часто обеспечивает физическую поддержку кварцевого тигля.

Основные компоненты графитовой горячей зоны (типичная конфигурация)

Графитовый нагреватель: основной источник тепла. Обычно это цилиндрический графитовый нагреватель сопротивления, который нагревается резистивно, пропуская через него большой ток.

Существуют различные конструкции нагревателей:

Кольцевой нагреватель: простой полый графитовый цилиндр.

Сетчатый нагреватель: графитовый цилиндр с сетчатым рисунком, вырезанным в нем для улучшения однородности температуры и гибкости.

Щелевой нагреватель: графитовый цилиндр с прорезями, вырезанными в нем для управления распределением тепла.

Многозонный нагреватель: графитовые нагреватели, состоящие из нескольких независимо управляемых зон нагрева.

Графитовая изоляция: слои графитового войлока, графитовой плиты или других высокотемпературных изоляционных материалов, окружающих нагреватель. Они минимизируют потери тепла и создают желаемый градиент температуры. Количество слоев и их толщина являются критическими параметрами конструкции.

Графитовый токоприемник (держатель тигля): графитовая структура, которая поддерживает кварцевый тигель. Он может быть отдельным от нагревателя или интегрированным с ним. Конструкция токоприемника влияет на передачу тепла к тиглю.

Графитовый верхний экран/отражатель: графитовая пластина или сборка, расположенная над тиглем. Она отражает тепло обратно в расплав и помогает контролировать температуру на поверхности расплава. Часто регулируется для точной настройки температурного профиля.

Графитовый нижний экран: похож на верхний экран, но расположен под тиглем. Помогает контролировать градиент температуры в расплаве.

Почему графит?

Графит является основным материалом для горячих зон в процессе роста кристаллов кремния благодаря своему уникальному сочетанию свойств:

Высокотемпературная стабильность: графит сублимируется (переходит непосредственно из твердого состояния в газообразное) при очень высоких температурах (около 3600 °C), что делает его пригодным для высоких температур, необходимых для плавления кремния (1414 °C).

Теплопроводность: графит обладает относительно хорошей теплопроводностью, что обеспечивает эффективную передачу тепла и равномерное распределение температуры. Теплопроводность можно регулировать с помощью марки используемого графита.

Электропроводность: графит является электропроводным, что позволяет использовать его в качестве резистивного нагревателя при прохождении через него тока.

Низкое давление паров: графит имеет низкое давление паров при рабочих температурах, что сводит к минимуму загрязнение расплава кремния. Однако важно использовать графит высокой чистоты, чтобы минимизировать примеси.

Обрабатываемость: графит относительно легко поддается обработке в сложные формы, что позволяет изготавливать сложные конструкции горячих зон.

Стоимость: по сравнению с некоторыми другими высокотемпературными материалами графит относительно экономически эффективен.

Химическая инертность: графит, как правило, химически инертен, то есть он не вступает в реакцию с кремнием или инертными газами (аргоном), обычно используемыми в процессе выращивания кристаллов.

Конструктивные особенности графитовой горячей зоны

Проектирование эффективной горячей зоны — сложная инженерная задача. Ключевые соображения включают:

Температурный профиль: желаемый температурный профиль в расплаве и на границе раздела твердое тело-жидкость. Это имеет решающее значение для контроля качества кристалла (плотность дислокаций, сегрегация примесей). Анализ методом конечных элементов (FEA) часто используется для моделирования и оптимизации распределения температуры.

Потери тепла: минимизация потерь тепла за счет излучения и проводимости для повышения энергоэффективности.

Размер и геометрия тигля: размер и форма тигля определяют размеры горячей зоны.

Скорость вытягивания: скорость, с которой вытягивается кристалл, влияет на тепловую среду и должна учитываться при проектировании.

Скорости вращения: скорости вращения тигля и кристалла также влияют на температурные градиенты и смешивание расплава.

Поток газа: поток инертного газа (обычно аргона) в камере роста кристаллов влияет на теплопередачу и может удалять летучие примеси.

Чистота материала: использование высокочистого графита необходимо для минимизации загрязнения кристалла кремния. Примеси в графите могут диффундировать в расплав и ухудшать качество кристалла. Это особенно важно для легирующих добавок, используемых для создания желаемых электрических свойств полупроводника.

Механическая устойчивость: структура горячей зоны должна быть механически устойчивой при высоких температурах и выдерживать термические напряжения.

Простота обслуживания: конструкция должна обеспечивать относительно легкую замену компонентов, таких как нагреватель и изоляция, которые со временем изнашиваются.

Управление мощностью: точное и стабильное управление мощностью нагревателя необходимо для поддержания постоянного температурного профиля.