Применение CFC для полупроводниковых компонентов термического поля – печи для выращивания монокристаллического кремния/SiC
Автор: Люси (продажа) @ Semicera Semiconductor Technology Co., Ltd.
ХФУ углерод-углеродные композиционные материалы, отличающийся исключительной чистотой , устойчивость к высоким температурам , низкое тепловое расширение , превосходная теплопроводность , и минимальное осаждение примесей , специально разработаны для печей для выращивания кристаллов монокристаллического кремния и карбида кремния (SiC). Они предоставляют широкий спектр высокотемпературных компонентов термического поля, которые заменяют традиционные графитовые детали, оптимизируя производительность для современных процессов выращивания полупроводниковых и фотоэлектрических кристаллов, одновременно решая критические проблемы, такие как высокотемпературная деформация, загрязнение примесями, нестабильность теплового поля и сокращение срока службы.
Болевая точка исходного материала — графита.
До широкого внедрения ХФУ в промышленности в основном использовался изостатический графит в качестве материала для структур теплового поля и опорных компонентов. Эти материалы были экономически эффективны и хорошо зарекомендовали себя в переработке, однако их характеристики были существенно ограничены в экстремальных условиях эксплуатации. Традиционный графит склонен к деформации ползучести при высоких температурах, что приводит к нестабильности теплового поля и ухудшению качества роста кристаллов. Кроме того, графит подвергается сублимации и окислению в высокотемпературных средах, что приводит к сокращению срока службы, проблемам с отслаиванием порошка, которые вызывают загрязнение кристаллов и снижение выхода продукции, а его непредсказуемая теплопроводность делает его неподходящим для точного проектирования теплового поля, необходимого для передовых процессов.
В этих обстоятельствах существует острая необходимость идентифицировать другой материал, демонстрирующий высокая термостойкость, минимальная деформация, длительный срок службы, превосходное качество кристаллов и низкий риск загрязнения, что соответствует строгим требованиям. передовых процессов для точного проектирования теплового поля. ХФУ материалы теперь стали идеальным решением!
Что такое CFC (углерод-углеродный композитный материал)?
Определение: Углеродно-углеродные композиционные материалы представляют собой полностью основанные на углероде двухфазные конструкционные композиты, изготовленные с использованием углеродных волокон в качестве армирующей фазы и углеродсодержащих материалов, таких как пиролитический углерод, смоляной углерод и асфальтовый углерод в качестве матрицы. Процесс изготовления включает плетение прекурсоров, уплотнение матрицы (CVD), высокотемпературную карбонизацию в инертной атмосфере и графитацию.
Углеродные волокна обычно составляют 30%–50% объема материала; их непрерывный каркас обеспечивает структурную прочность сердцевины, устойчивость к термическому удару и способность ингибировать растрескивание, в то время как углеродная матрица заполняет поры внутри предшественников волокна, обеспечивая структурную интеграцию и эффективную передачу нагрузки.
Материал механические свойства, теплопроводность и высокотемпературная термодинамическая стабильность. можно точно контролировать, регулируя структуру плетения волокон, расположение волокон, процесс уплотнения и степень графитации.
Почему в качестве армирующей фазы выбрано углеродное волокно полупроводникового класса с низким содержанием примесей на основе ПАН высокой чистоты?
Углеродные волокна на основе ПАН имеют чрезвычайно низкий уровень содержания природных примесей, щелочных и тяжелых металлов, что делает их устойчивыми к испарению и осаждению в условиях высоких температур. Рост кристаллов кремния и карбида кремния происходит в герметичной инертной атмосфере при температурах от 1400–2400°С , предотвращая улетучивание и диффузию примесей, таких как железо, натрий и кальций, содержащихся в обычных волокнах, которые в противном случае могли бы вызвать загрязнение кристаллов, дефекты решетки и ухудшение электрических характеристик.
Кроме того, углеродные волокна на основе ПАН демонстрируют структурную стабильность при высоких температурах и отличную термостойкость, что делает их пригодными для многомерных процессов ткачества. Кроме того, поскольку в углеродных волокнах используется постоянный армирующий каркас на основе ХФУ, который не может быть подвергнут глубокой очистке в дальнейшем, с самого начала необходимо использовать материалы высокой чистоты, чтобы устранить источники высокотемпературных загрязнений и обеспечить чистоту и выход выращенных кристаллов продуктов.
Характеристики материалов CFC:
-Исключительная термостойкость (подходит для длительного использования выше 2000°С )
-Выдающееся сопротивление ползучести (минимизирует деформацию при высоких температурах)
-Скорость ползучести (1600–2000°С) : 10⁻⁷ – 10⁻⁵ с⁻¹ -Отличная термостойкость (отсутствие растрескивания при резких изменениях температуры).
-Коэффициент теплового расширения (КТР): 0,5 – 2,5 × 10⁻⁶/К , обеспечивая трещиностойкость и эффективное рассеивание термических напряжений.
-Высокая прочность на сжатие: 150–300 МПа
-Низкая плотность: 1,6–1,9 г/см³ (легкий, но структурно стабильный)
-Анизотропная теплопроводность позволяет оптимизировать распределение тепла за счет конструкции конструкции.
Кроме того, материалы CFC могут повысить устойчивость к окислению и загрязнению за счет последующие покрытия, такие как SiC или TaC .
Какие факторы влияют на срок службы материалов CFC?
Срок службы любого материала не фиксирован и зависит от множества факторов.:
1. В монокристаллической печи кварцевые тигли (SiO₂) реагируют с углеродом при высоких температурах.: SiO₂ + C → SiO + CO , и полученный SiO газовые отложения на поверхности CFC, изменяющие структуру материала (образуя SiC или слои осадка).
2. Поскольку ХФУ обычно используются для нагревательных элементов, расходомерных трубок (компонентов расходомерной трубки/теплового поля) и опорных конструкций внутри печи, жесткость их материала снижается при длительном воздействии высоких температур. Непрерывная деформация и постепенный изгиб происходят вследствие длительного воздействия собственного веса и монтажных нагрузок, что приводит к пониженная однородность теплового поля . Одновременно медленное скольжение и перегруппировка на атомном уровне в материалах на основе углерода вызывают деформацию расходомерной трубки, изменение расстояния между нагревателями и нестабильность теплового поля внутри печи. Неравномерное распределение напряжений в конструктивных стыках, проемах и углах также способствует образованию трещин.
3. Срок службы материалов ХФУ существенно различается у разных производителей, в первую очередь из-за различий в плотности, выбранной каждым предприятием; однако более низкая пористость обычно коррелирует с большей долговечностью. Некоторые производители могут не наносить антиокислительные покрытия, что также влияет на срок службы. Кроме того, различия в исходных структурах волокон (например, 2D и 3D) способствуют различиям в продолжительности жизни. Различные производственные процессы дополнительно влияют на срок службы.
Полуцерия:
Благодаря обширным исследованиям и постоянному совершенствованию процессов компания Semicera разработала передовые механические системы. С момента своего создания в компании в основном работали Технология 3D плетения для волокнистых структур, существенно снижая пористость ХФУ-материалов.
Кроме того, Semicera использует специализированное оборудование для нанесения антиокислительных покрытий, позволяющих продлить срок службы изделий из ХФУ.
Процесс
Semicra использует специализированный производственный процесс, поддерживаемый специальным оборудованием.
1. Для изготовления сборных кузовов:
Углеродные волокна высокой чистоты (в первую очередь на основе PAN с низким содержанием примесей полупроводникового качества).
Они перерабатываются в заготовки-преформы посредством двумерного/трехмерного плетения, иглопробивания и ламинирования.
Эти преформы служат для создания непрерывной волокнистой матрицы, определяющей фундаментальную прочность материала, устойчивость к термическому удару и анизотропные свойства.
Оборудование компании Semicera ：
Оборудование Semicera включает в себя трехмерные ткацкие станки и иглопробивные станки из углеродного волокна, позволяющие производить трехмерные цельные преформы, такие как цилиндры, диски, нестандартные формы и толстые пластины.
2. Уплотнение
Процесс уплотнения Semicera предлагает два метода.: ССЗ (Химическое осаждение из паровой фазы) и жидкофазная пропитка-карбюрация .
① Химическое осаждение из паровой фазы CVD (основной метод высококачественного выращивания кристаллов в процессах CFC):
Углеводородные газы (например, пропан, метан) вводятся в высокотемпературную печь.
При высокотемпературном крекинге образуется пиролитический углерод, который осаждается слой за слоем, заполняя поры волокна.
Преимущества : высокая чистота, однородная структура, пригодность для термических сред выращивания монокристаллов/кристаллов SiC и устойчивость к высокотемпературной коррозии.
Оборудование компании Semicera:
В компании Semicera работают Печи химического осаждения из паровой фазы CVI/CVD для уплотнения углерод-углеродных композитов CFC и нанесения покрытия SiC, отвечающего строгим требованиям чистоты термических сред выращивания кристаллов полупроводников.
② Жидкофазная пропитка, карбонизация (пропитка смолой/асфальтом):
Пропитка прекурсоров, таких как смола и асфальт → Отверждение → Карбонизация. Многократные циклы повторной пропитки и карбонизации позволяют добиться постепенного уплотнения.
Преимущества: Низкая стоимость; широко используется в промышленном оборудовании CFCS от Semicera.
Оборудование компании Semicera:
Semicera также предлагает печи карбонизации пропитки со встроенными термическими системами, которые сочетают в себе пропитку, отверждение и карбонизацию/спекание в одном блоке, лучше подходит для процессов уплотнения CFC.
Semicera рекомендует различные производственные процессы в зависимости от конкретных требований клиентов. Ниже приведены подробные характеристики и различия между этими двумя процессами.:
|
Размер сравнения |
CVD-осаждение из паровой фазы (высококачественный рост кристаллов) |
Жидкая пропитка – карбонизация (общепромышленный класс) |
|
Тип матрицы углерода |
Пиролитический углерод высокой чистоты |
Смола углеродная, смоляная углеродистая |
|
Сырье Среднее |
Газы высокой чистоты, такие как метан и пропан. |
Синтетическая смола, каменноугольный пек, пропиточный раствор. |
|
Степень чистоты |
Полупроводниковый класс , сверхнизкое содержание металлических примесей |
Относительно высокое содержание примесей и золы, не позволяет достичь высокой чистоты. |
|
Структурная однородность |
Цельная однородная структура, низкое внутреннее напряжение |
Большая разница внутренней и внешней плотности; склонен к расслоению и остаточному напряжению |
|
Высокая термостойкость |
Стабильно на 2200–2400℃, отличная стойкость к термическому удару |
Склонен к разложению и осаждению примесей при высокой температуре, низкая термостойкость |
|
Воздухопроницаемость/Уплотнение |
Сверхнизкая воздухопроницаемость и высокая компактность |
Обилие остаточных пор, высокая воздухопроницаемость. |
|
Производственный цикл |
Длинный цикл с многораундовым осаждением |
Короткий цикл, подходит для массового производства. |
|
Стоимость производства |
Высококачественное оборудование, высокое энергопотребление и общая стоимость. |
Недорогое оборудование, экономически эффективное с высокими эксплуатационными характеристиками. |
|
Срок службы |
12–18 Срок службы компонентов термического поля для выращивания кристаллов, месяцев |
Короткий срок службы; легкое растрескивание, окисление и деформация |
|
Основные приложения |
Тепловые поля печи для выращивания кристаллов монокристаллического кремния и SiC, полупроводниковые высокотемпературные компоненты |
Промышленные печи, металлургия, антикоррозийная и общая высокотемпературная теплоизоляция. |
3. Высокотемпературная карбонизация + обработка графита
После процесса уплотнения материал подвергается высокотемпературной карбонизации и графитизации перед поступлением на последующую стадию высокотемпературной термообработки.
Карбонизация и графитизация представляют собой критически важные этапы высокотемпературного формования и глубокой очистки углерод-углеродных композитов CFC: карбонизация удаляет неуглеродные элементы из органических предшественников, превращая их в углеродную матрицу; графитизация, достигаемая за счет сверхвысокой температуры, превышающей 2200 ° C, вызывает перестройку решетки углерода в графитовую структуру, удаляя при этом металлические примеси. Этот процесс наделяет материал высокой чистотой, отличной теплопроводностью, устойчивостью к высоким температурам и термоударам, что отвечает строгим требованиям термической среды для выращивания полупроводников и фотоэлектрических кристаллов.
Оборудование компании Semicera:
Семицера предлагает печи карбонизации в инертной атмосфере/печи высокотемпературной графитации . Оборудование имеет полностью автоматизированное управление с возможностью работы в условиях вакуума, инертной атмосферы или высокого давления.
4. Обработка и отделка
Чтобы предоставлять клиентам услуги и продукты высшего качества, Semicera включает процесс отделки после вышеупомянутых трех этапов. Благодаря механической обработке с ЧПУ и обработке поверхности компания предоставляет индивидуальные решения, адаптированные к требованиям клиентов, что позволяет производить разнообразную продукцию.
Оборудование компании Semicera:
Система Semicera оснащена Пятиосевой обрабатывающий центр с ЧПУ. Это позволяет однократно зажимать материалы высокой чистоты CFC после карбонизации/графитизации для выполнения точной обработки сложные криволинейные поверхности, высокоточные отверстия и пазы, неровные контуры, обеспечение точности размеров, чистоты поверхности и взаимозаменяемости тепловых полей.
5. Последующая обработка
Для удовлетворения требований некоторых клиентов к покрытиям Semicera также предлагает специализированное оборудование, предназначенное для нанесения покрытий, обеспечивающее стойкость к окислению и повышенную твердость.
Оборудование компании Semicera:
Возможности системы Semicera Карбид кремния – CVD-печи с максимальной температурой 1500°С , достижение чистота покрытия ≥99,9995% и совместим с тепловыми средами полупроводникового класса. Повышает устойчивость к высоким температурам, окислению и загрязнению.
Выберите Семицеру
Semicera строго придерживается комплексного производственного процесса, используя передовое основное оборудование как импортного, так и отечественного производства, чтобы обеспечить полностью самоконтролируемое производство углерод-углеродных композитов CFC на всех этапах. От предварительной сборки и парофазного уплотнения до высокотемпературной термообработки, прецизионной механической обработки и обработки покрытия SiC высокой чистоты — каждый этап строго стандартизирован и контролируется качество, чтобы точно соответствовать индивидуальным требованиям к полупроводникам, выращиванию кристаллов и другим приложениям. Благодаря строгому комплексному управлению качеством и комплексному, тщательному обслуживанию Semicera обеспечивает решения для высокостабильных и высокочистых углеродных материалов премиум-класса для своих клиентов.
Благодаря этой серии производственных процессов Semicera предлагает широкий спектр компонентов из материалов CFC, в том числе изоляционные цилиндры, опорные конструкции из изоляционного войлока, опоры верхней крышки/основания, компоненты теплозащитного экрана, опорные основания тигля и другие несущие и опорные элементы. , а также направляющие цилиндры потока и другие компоненты управления тепловым полем.
Кроме того, Semicera адаптирует продукцию в соответствии с конкретными требованиями клиентов и обеспечивает отличное послепродажное обслуживание.
Доверьтесь Semicera – выберите Semicera, и стабильность теплового поля обеспечит успех во всем мире!
