高純度碳纖維、碳碳復(fù)合材料在半導(dǎo)體硅（多晶、單晶）材料生產(chǎn)制造工藝中的應(yīng)用培訓(xùn)課件

高純度碳纖維、碳/碳復(fù)合材料在半導(dǎo)體硅（多晶、單晶）材料生產(chǎn)制造工藝中的應(yīng)用

眾所周知，大直徑直拉硅單晶生長(zhǎng)的整體工藝有著如下四類關(guān)鍵技術(shù)（或稱在生產(chǎn)中必需關(guān)注的關(guān)鍵問題）：硅單晶內(nèi)在質(zhì)量，如無(wú)位錯(cuò)、低微缺陷密度、軸向徑向的電阻率分布高均勻性……等。高的拉制速度—高的單爐產(chǎn)量或稱高的單爐月產(chǎn)量（同時(shí)意味著降低電耗）。2低的電耗，降低生產(chǎn)每一公斤合格硅單晶所消耗的電能，降低生產(chǎn)成本。提高硅單晶生產(chǎn)成品率，降低石墨、石英坩堝和碳素保溫材料的消耗（或稱之為延長(zhǎng)其使用壽命）。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外的生產(chǎn)實(shí)踐證明：解決好上述四個(gè)問題的最關(guān)鍵的核心技術(shù)在于硅單晶生長(zhǎng)的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)與配置。在這里，熱場(chǎng)中的加熱器、坩堝托、坩堝桿……等用大尺寸、高強(qiáng)度、高純度的石墨制造（本文暫不重點(diǎn)談熱場(chǎng)設(shè)計(jì)），熱場(chǎng)的保溫系統(tǒng)則用高純度的碳素系列的保溫材料制造（它們是：碳?xì)?、固化碳?xì)帧⑹珰?、石墨箔、碳纖維和碳/碳復(fù)合材料或按一定尺寸設(shè)計(jì)已定形的固化碳/碳復(fù)合材料保溫系統(tǒng)）。4據(jù)本人調(diào)研得知：至今國(guó)內(nèi)近百家拉制硅單晶的企業(yè)仍然在使用低拉速（約1～1.2毫米/分）的所謂第一代熱場(chǎng)，很少有單位采用1.5毫米/分以上的拉速。而國(guó)外的著名大型硅單晶企業(yè)早已采用高拉速（拉速在1.5～2.5毫米/分）的第三代熱場(chǎng)，其石墨加熱器的熱場(chǎng)分布的計(jì)算與設(shè)計(jì)已做了很大的改進(jìn)，其熱場(chǎng)的保溫材料早已由碳?xì)指臑樘祭w維、碳/碳復(fù)合材料的定型固化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：5碳灰分低很多，大大降低了對(duì)硅單晶中碳的玷污，可以控制硅單晶中碳含量小于1×1016at/㎝3，提高了硅單晶的內(nèi)在質(zhì)量。保溫效果好，可以節(jié)電20%（生產(chǎn)每公斤硅單晶的電耗可以從60度降至50度）。使用壽命長(zhǎng)，一套固化碳纖維、碳/碳復(fù)合材料保溫罩至少可以使用1年以上，降低了成本，而且提高了單晶爐開爐、折爐過程中熱場(chǎng)安裝的重復(fù)性和穩(wěn)定性。高密度的高強(qiáng)度的固化定型碳纖維、碳/碳復(fù)合材料也可以用來(lái)制作加熱器、坩堝托、坩堝桿及其它部件，可以延長(zhǎng)使用壽命，降低成本（由于導(dǎo)熱系數(shù)與石墨不同，在熱場(chǎng)分布計(jì)算上還需進(jìn)一步考慮）。7下面介紹：直拉硅單晶生長(zhǎng)（石墨、碳素保溫材料）熱場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例總結(jié)數(shù)十年來(lái)國(guó)內(nèi)、外在直拉硅單晶爐設(shè)備的設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)存在如下規(guī)律：假定Ф為晶體、坩堝、加熱器、保溫罩和爐室內(nèi)壁的直徑，則一般地會(huì)有如下經(jīng)驗(yàn)公式：（一）Ф爐膛內(nèi)徑＝（Ф單晶×2.5～3）石英坩堝＋（1″～2″）石墨托＋1″間隙＋2″石墨加熱器＋1″間隙＋６″保溫罩＋4″間隙舉例：如要設(shè)計(jì)拉制電路級(jí)８″硅單晶的直拉硅單晶爐：則應(yīng)該是：石英坩堝直徑24″。石墨坩堝托外徑為25″（厚度12.7㎜）。石墨加熱器內(nèi)徑26″，厚度12.7㎜（1/2″）。石墨加熱器外徑27″（注：可以加厚為1″）.碳素保溫罩內(nèi)徑為28″。碳素保溫罩外徑為32″（厚2″）（外徑可以為34″）。爐膛內(nèi)徑為38″～40″（1米）。9因此結(jié)論是：設(shè)計(jì)拉制電路級(jí)8″硅單晶的直拉單晶爐的爐膛內(nèi)徑應(yīng)該是1米。同時(shí)大致也可以得出如下結(jié)論：TDR-70型單晶爐最好裝16″熱系統(tǒng)。TDR-80型爐最好裝18″熱系統(tǒng)。TDR-90型爐最好裝20″熱系統(tǒng)。TDR-95型爐最好裝22″熱系統(tǒng)。10其它有關(guān)熱場(chǎng)的關(guān)鍵尺寸參考：拉制不同直徑硅單晶石墨加熱器的高度與直徑之比（簡(jiǎn)稱高徑比）：6″單晶為1:1，8″單晶為4:5，12″單晶為2:3加熱器頂端與保溫罩蓋頂距離（簡(jiǎn)稱器蓋距）為40㎜至20㎜（加磁場(chǎng)時(shí)）。導(dǎo)流筒底端面離硅液面距離為20～25㎜，導(dǎo)流筒下口內(nèi)徑＝晶體直徑＋2″保溫罩系統(tǒng)采用定形固化碳纖維、碳／碳復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)可節(jié)約電耗20%以上。其厚度可取2″～3″；為保證低的灰分，最好內(nèi)、外徑都襯以石墨筒。11高純度、高密度的碳纖維、碳/碳復(fù)合材料的加熱器（片）在半導(dǎo)體多晶硅生產(chǎn)線的四氯化硅氫化爐中也有著成功的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是：高溫下抗（SiCl4、SiHCl3和HCl）腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，片式加熱器的熱交換面積大，氫化率及產(chǎn)率高，氫化爐中的固化定形的碳纖維、碳/