Aplicação CFC para Componentes de Campo Térmico Semicondutores – Fornos de Crescimento de Silício Monocristalino/SiC

Por Lucy (Vendas) @ semicera semiconductor technology co., ltd.

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CFC materiais compostos de carbono-carbono, ostentando pureza excepcional , resistência a altas temperaturas , baixa expansão térmica , condutividade térmica superior , e precipitação mínima de impurezas , são projetados especificamente para fornos de crescimento de cristal de silício monocristalino e carboneto de silício (SiC). Eles fornecem uma linha abrangente de componentes de campo térmico de alta temperatura que substituem as peças tradicionais de grafite, otimizando o desempenho para processos avançados de crescimento de cristais fotovoltaicos e semicondutores, ao mesmo tempo que abordam desafios críticos, como deformação em alta temperatura, contaminação por impurezas, instabilidade de campo térmico e vida útil reduzida.

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O ponto problemático do material original - grafite

Antes da ampla adoção dos CFCs, a indústria utilizava principalmente grafite isostática como material para estruturas de campo térmico e componentes de suporte. Esses materiais eram econômicos e bem estabelecidos no processamento, mas seu desempenho era significativamente limitado sob condições operacionais extremas. A grafite tradicional é propensa à deformação por fluência em altas temperaturas, levando à instabilidade do campo térmico e comprometendo a qualidade do crescimento do cristal. Além disso, o grafite sofre sublimação e oxidação em ambientes de alta temperatura, resultando em vida útil mais curta, problemas de derramamento de pó que causam contaminação de cristais e rendimento reduzido, e sua condutividade térmica imprevisível o torna inadequado para o projeto preciso do campo térmico exigido por processos avançados.

 

Nestas circunstâncias, há uma necessidade urgente de identificar outro material que apresente resistência a altas temperaturas, deformação mínima, longa vida útil, qualidade de cristal superior e baixo risco de contaminação para atender aos requisitos rigorosos de processos avançados para projeto preciso de campo térmico. CFC materiais surgiram agora como a solução ideal!

O que é CFC (material compósito carbono-carbono)?

Definição: Os materiais compósitos carbono-carbono são compósitos estruturais bifásicos totalmente à base de carbono preparados usando fibras de carbono como fase de reforço e materiais carbonáceos como carbono pirolítico, carbono resinoso e carbono asfáltico como matriz. O processo de fabricação inclui tecelagem de precursores, densificação de matriz (CVD), carbonização em atmosfera inerte de alta temperatura e grafitização.

As fibras de carbono normalmente são responsáveis ​​por 30%–50% do volume do material; sua estrutura contínua fornece resistência estrutural central, resistência ao choque térmico e capacidade de inibição de trincas, enquanto a matriz de carbono preenche os poros dentro dos precursores da fibra, permitindo a integração estrutural e a transferência eficaz de carga.

O material propriedades mecânicas, condutividade térmica e estabilidade termodinâmica em alta temperatura pode ser controlado com precisão ajustando a estrutura de tecelagem da fibra, o arranjo das fibras, o processo de densificação e o grau de grafitização.

Por que a fibra de carbono de baixa impureza e grau semicondutor baseado em PAN de alta pureza é escolhida como fase de reforço?

As fibras de carbono à base de PAN apresentam níveis extremamente baixos de impurezas nativas, metais alcalinos e metais pesados, tornando-as resistentes à volatilização e precipitação sob condições de alta temperatura. O crescimento do cristal de silício e carboneto de silício ocorre em uma atmosfera inerte selada a temperaturas que variam de 1400–2400°C , evitando a volatilização e difusão de impurezas como ferro, sódio e cálcio encontradas em fibras convencionais, que poderiam causar contaminação de cristais, defeitos de rede e degradação do desempenho elétrico.

Além disso, as fibras de carbono à base de PAN demonstram estabilidade estrutural a altas temperaturas e excelente resistência ao choque térmico, tornando-as adequadas para processos de tecelagem multidimensionais. Além disso, uma vez que as fibras de carbono empregam estruturas de reforço permanente baseadas em CFC que não podem ser profundamente purificadas posteriormente, materiais de alta pureza devem ser utilizados desde o início para eliminar fontes de contaminação de alta temperatura e garantir a pureza e o rendimento dos produtos cultivados com cristais.

Características dos materiais CFC:

-Resistência excepcional à temperatura (adequada para uso a longo prazo acima 2.000°C )

-Excelente resistência à fluência (minimiza a deformação em altas temperaturas) 

-Taxa de avanço (1600–2000°C) : 10⁻⁷ – 10⁻⁵ s⁻¹ -Excelente resistência ao choque térmico (sem rachaduras sob rápidas mudanças de temperatura)

-Coeficiente de expansão térmica (CTE): 0,5 – 2,5 × 10⁻⁶/K , garantindo resistência a trincas e dissipação eficiente de tensões térmicas

-Alta resistência à compressão: 150–300MPa

-Baixa densidade: 1,6–1,9g/cm³ (leve, mas estruturalmente estável)

-A condutividade térmica anisotrópica permite uma distribuição otimizada de calor através do projeto estrutural 

Além disso, os materiais CFC podem aumentar a resistência à oxidação e à contaminação através de revestimentos subsequentes, como SiC ou TaC .

Que fatores afetam a vida útil dos materiais CFC?

A vida útil de qualquer material não é fixa e é influenciada por múltiplos fatores:

1. Em um forno monocristalino, os cadinhos de quartzo (SiO₂) reagem com o carbono em altas temperaturas: SiO₂ + C → SiO + CO , e o SiO resultante depósitos de gás na superfície do CFC, alterando a estrutura do material (formando SiC ou camadas de depósito).

2. Como os CFCs são normalmente usados ​​para elementos de aquecimento, tubos de fluxo (tubos de fluxo/componentes de campo térmico) e estruturas de suporte dentro do forno, a rigidez do material diminui sob altas temperaturas prolongadas. A deformação contínua e a flexão gradual ocorrem devido à exposição prolongada ao seu próprio peso e às cargas de montagem, levando a uniformidade de campo térmico reduzida . Ao mesmo tempo, o deslizamento e o rearranjo lento do nível atômico em materiais à base de carbono causam deformação do tubo de fluxo, mudanças no espaçamento do aquecedor e instabilidade do campo térmico dentro do forno. A distribuição desigual de tensões em juntas estruturais, aberturas e cantos também facilita a formação de fissuras.

3. A vida útil dos materiais CFC varia significativamente entre os diferentes fabricantes, principalmente devido às diferenças na densidade selecionada por cada instalação; no entanto, uma porosidade mais baixa geralmente se correlaciona com uma maior durabilidade. Alguns fabricantes podem não aplicar revestimentos antioxidantes, o que também afeta a vida útil. Além disso, variações nas estruturas iniciais das fibras (por exemplo, 2D vs. 3D) contribuem para diferenças na vida útil. Diferentes processos de fabricação influenciam ainda mais a vida útil.

Semícera:

Através de extensa pesquisa e refinamento contínuo do processo, a Semicera desenvolveu sistemas mecânicos avançados. Desde a sua criação, a empresa empregou principalmente Tecnologia de tecelagem 3D para estruturas de fibra, reduzindo significativamente a porosidade dos materiais CFC.

Além disso, a Semicera utiliza equipamentos especializados para aplicação de revestimentos antioxidantes para prolongar a vida útil dos produtos CFC.

Processo

A Semicra emprega um fluxo de trabalho de produção especializado apoiado por equipamentos dedicados.

1. Para fabricação de carrocerias pré-fabricadas:

Fibras de carbono de alta pureza (principalmente Baseado em PAN com baixas impurezas de grau semicondutor) são selecionados.

Eles são processados ​​em peças pré-formadas por meio de tecelagem bidimensional/tridimensional, perfuração com agulha e costura de laminação.

Essas pré-formas servem para estabelecer uma matriz de fibra contínua, determinando a resistência fundamental do material, a resistência ao choque térmico e as propriedades anisotrópicas.

 

Equipamentos da Semicera ：

Os equipamentos da Semicera incluem teares tridimensionais e puncionadeiras de fibra de carbono, permitindo a produção de pré-formas integrais tridimensionais, como cilindros, discos, formatos personalizados e chapas grossas.

 

2. Densificação

O processo de densificação Semicera oferece dois métodos: DCV (Deposição Química de Vapor) e impregnação-carburação em fase líquida .

① Deposição química de vapor CVD (o método principal para crescimento de cristais de alta qualidade em processos CFC):

 

Gases de hidrocarbonetos (por exemplo, propano, metano) são introduzidos no forno de alta temperatura

O craqueamento em alta temperatura gera carbono pirolítico, que é depositado camada por camada para preencher os poros da fibra

Vantagens : alta pureza, estrutura uniforme, adequação para ambientes térmicos de crescimento de cristal monocristalino/SiC e resistência à corrosão em alta temperatura.

 

Equipamentos da Semicera:

Semicera emprega Fornos de deposição química de vapor CVI/CVD para densificação de compósitos carbono-carbono CFC e deposição de revestimento de SiC, atendendo aos rigorosos requisitos de pureza de ambientes térmicos de crescimento de cristais semicondutores.

②  Carbonização por impregnação em fase líquida (impregnação de resina/asfalto):

Impregnação de precursores como resina e asfalto → Cura → Carbonização. Múltiplas rodadas de impregnação e carbonização repetidas alcançam uma densificação gradual.

Vantagens: Baixo custo; amplamente utilizado em equipamentos CFCS de nível industrial da Semicera. 

 

Equipamentos da Semicera:

Semicera também oferece fornos de carbonização de impregnação com sistemas térmicos integrados que combinam impregnação, cura e carbonização/sinterização em uma única unidade, mais adequada para processos de densificação com CFC.

     

A Semicera recomenda diferentes processos de fabricação de acordo com as necessidades específicas do cliente. Abaixo estão as especificações detalhadas e diferenças entre esses dois processos:

Dimensão de comparação	Deposição de vapor CVD (crescimento de cristal de alta qualidade)	Impregnação Líquida – Carbonização (Grau Industrial Geral)
Tipo de Carbono Matriz	Carbono pirolítico de alta pureza	Carbono de resina, carbono de piche
Meio de Matéria Prima	Gases de alta pureza, como metano e propano	Resina sintética, piche de carvão, solução impregnante
Grau de Pureza	Grau de semicondutor , impurezas metálicas ultrabaixas	Conteúdo relativamente alto de impurezas e cinzas, incapaz de atingir alta pureza
Uniformidade Estrutural	Estrutura uniforme integral, baixo estresse interno	Grande diferença de densidade interna-externa; propenso a delaminação e estresse residual
Resistência a altas temperaturas	Estável em 2200–2400℃, excelente resistência ao choque térmico	Propenso à decomposição e precipitação de impurezas em alta temperatura, resistência à temperatura inferior
Permeabilidade/densificação do ar	Permeabilidade ao ar ultrabaixa e alta compacidade	Poros residuais em abundância, alta permeabilidade ao ar
Ciclo de Produção	Ciclo longo com deposição multi-round	Ciclo curto, adequado para produção em massa
Custo de fabricação	Equipamentos de última geração, alto consumo de energia e custo geral	Equipamento de baixo custo, econômico com desempenho de alto custo
Vida útil	12–18 meses de vida útil para componentes de campo térmico de crescimento de cristal	Vida útil curta; fácil rachadura, oxidação e deformação
Principais aplicações	Campos térmicos de forno de crescimento de cristal de silício monocristalino e SiC, componentes semicondutores de alta temperatura	Fornos industriais, metalurgia, anticorrosão e isolamento térmico geral de alta temperatura

3. Carbonização em alta temperatura + tratamento com grafite

Após o processo de densificação, o material passa por carbonização e grafitização em alta temperatura antes de entrar na fase subsequente de tratamento térmico em alta temperatura.

Carbonização e grafitização constituem as etapas críticas de modelagem em alta temperatura e purificação profunda para compósitos CFC carbono-carbono: a carbonização remove elementos não carbonosos de precursores orgânicos, convertendo-os em uma matriz de carbono; a grafitização, obtida por meio de tratamento em temperatura ultra-alta superior a 2.200°C, induz o rearranjo da rede de carbono em uma estrutura de grafite, ao mesmo tempo que elimina impurezas metálicas. Este processo confere ao material alta pureza, excelente condutividade térmica, resistência a altas temperaturas e resistência ao choque térmico, atendendo aos rigorosos requisitos de ambientes térmicos de crescimento de cristais semicondutores e fotovoltaicos.

 

Equipamentos da Semicera:

Ofertas semicera fornos de carbonização em atmosfera inerte/fornos de grafitização de alta temperatura . O equipamento possui controle totalmente automatizado, com opções para condições de vácuo, atmosfera inerte ou alta pressão.

4. Usinagem e Acabamento

Para entregar serviços e produtos de qualidade superior aos clientes, a Semicera incorpora um processo de acabamento após as três etapas mencionadas. Através de usinagem CNC e tratamento superficial, a empresa oferece soluções customizadas e adaptadas às necessidades do cliente, possibilitando a produção de diversos produtos.

 

Equipamentos da Semicera: 

O sistema Semicera está equipado com um centro de usinagem CNC de cinco eixos. Ele permite a fixação única de materiais CFC altamente puros após carbonização/grafitização para realizar usinagem de precisão de superfícies curvas complexas, furos e ranhuras de alta precisão e contornos irregulares, garantindo precisão dimensional, acabamento superficial e intercambialidade de campos térmicos.

   

5. Pós-tratamento

Para atender às necessidades de revestimento de determinados clientes, a Semicera também oferece equipamentos especializados projetados para aplicações de revestimento, proporcionando resistência à oxidação e maior dureza.

 

Equipamentos da Semicera:

O sistema Semicera apresenta SiC – Fornos CVD com temperatura máxima de 1500ºC , conseguindo pureza do revestimento ≥99,9995% , e é compatível com ambientes térmicos de nível semicondutor. Aumenta a resistência a altas temperaturas, oxidação e contaminação.

Escolha Semícera

A Semicera segue estritamente um processo de produção abrangente, utilizando equipamentos básicos avançados de fontes nacionais e importadas premium para alcançar a fabricação totalmente autocontrolada de compósitos carbono-carbono CFC em todas as etapas. Da pré-fabricação e densificação em fase de vapor ao tratamento térmico em alta temperatura, usinagem de precisão e tratamento de revestimento de SiC de alta pureza, cada etapa é rigorosamente padronizada e com qualidade controlada para atender com precisão aos requisitos personalizados para semicondutores, crescimento de cristais e outras aplicações. Através de um rigoroso gerenciamento de qualidade ponta a ponta e serviços abrangentes e meticulosos, a Semicera oferece soluções de materiais de carbono premium de alta estabilidade e alta pureza para seus clientes.

 

Através desta série de processos de fabricação, a Semicera oferece uma ampla gama de componentes de materiais CFC, incluindo i cilindros de isolamento, estruturas de suporte de feltro de isolamento, suportes de tampa/base superiores, componentes de proteção térmica, bases de suporte de cadinho e outros elementos de suporte e suporte de carga , bem como cilindros guia de fluxo e outros componentes de controle de campo térmico.

Além disso, a Semicera customiza produtos para atender às necessidades específicas do cliente e oferece excelente serviço pós-venda.

Confie na Semicera – escolha a Semicera e a estabilidade do campo térmico garante sucesso em todo o mundo!