En la industria de semiconductores, el grafito de alta pureza se utiliza principalmente para fabricar sistemas de calefacción de grafito de horno de un solo cristal, moldes de dispositivos electrónicos, moldes de sinterización aislantes y moldes de sinterización de tiristores.
Productos de grafito para hornos de cristal único
1. Calentadores de grafito
Los requisitos para los sistemas de calefacción de horno de un solo cristal son garantizar suficiente calor para derretir rápidamente silicio, germanio y otros materiales, al tiempo que permiten un ajuste de temperatura preciso y conveniente. Por lo tanto, el calentamiento generalmente se logra utilizando calentamiento de resistencia y calentamiento de alta frecuencia.
Los métodos de calentamiento de resistencia común consisten principalmente en un transformador y un calentador de grafito. Las formas comunes del calentador de grafito incluyen taza, recta y espiral.
El tamaño, la forma y la altura de la ranura del calentador están determinados principalmente por el flujo de fusión y la eficiencia de tracción de cristales. Su resistencia debe coincidir con el transformador. El diámetro interno y la altura del calentador se seleccionan para que la parte superior de la bandeja de grafito esté dentro de la zona de alta temperatura del calentador durante la fusión de silicio y la parte inferior de la bandeja esté dentro de la zona de alta temperatura del calentador durante el tirón de cristal. La longitud de la zona de alta temperatura del calentador está relacionada con la longitud de las ranuras del calentador. Una vez que se determinan el diámetro interno y la altura del calentador, el grosor de las palas del calentador se determina en función de la potencia de salida del transformador.
2. Electrodos de grafito, pilares de grafito y otras piezas de grafito
En hornos de cristal único, el grafito de alta pureza se usa no solo para los calentadores sino también para electrodos de grafito, pilares, cubiertas de aislamiento, soportes de cristales de semillas, bandejas de escoria y bandejas.
El principio, el equipo (cuando se usa la tracción de cristal único) y el proceso de operación de tirar de cristales individuales de germanio mediante el método Czochralski son básicamente los mismos que los de tirar de los cristales individuales de silicio mencionados anteriormente. La diferencia es que el grafito se puede usar al extraer cristales individuales de germanio, mientras que el refuerzo de cuarzo debe instalarse en el soporte de grafito al tirar de los cristales de silicio solo porque el silicio y el grafito reaccionan a altas temperaturas.
3. Barril de aislamiento de grafito
En la fusión de la zona, los barriles de aislamiento de grafito a menudo se usan para reducir la densidad de dislocación.
El barril de grafito se sujeta a la bobina inferior de mostrador y se calienta a rojo mediante inducción electromagnética de alta frecuencia. El calor radiante del barril reduce la pérdida de calor en el cristal producido, manteniendo un campo de temperatura relativamente uniforme y logrando el aislamiento deseado.
El extremo superior del barril de grafito debe estar nivelado o ligeramente más alto que la interfaz inferior de la zona de fusión; Esto es crucial para reducir la densidad de dislocación. Si está 2-3 mm por debajo de la interfaz de cristalización, la densidad de dislocación aumentará a decenas de miles por centímetro cuadrado. Si está aproximadamente 10 mm por debajo de la interfaz de cristalización, el cristal único desarrollará numerosos defectos, abordando un estado policristalino. La posición relativa del barril de grafito y la interfaz de cristalización se determina principalmente por la distancia entre la bobina inferior y la bobina principal. El extremo superior del barril de grafito debe estar nivelado con o 0.5-1 mm más alto que la bobina del mostrador inferior.
La temperatura del barril de grafito debe ser apropiada, ni demasiado oscura ni demasiado brillante. La temperatura excesiva puede derretir la superficie de un solo cristal o producir líneas de deslizamiento. La zona caliente del cilindro de grafito tiene una cierta longitud y un gradiente de arriba a abajo. Por lo tanto, una bobina más grande se coloca apropiadamente debajo de la bobina inferior para el calentamiento auxiliar. El enrojecimiento del cilindro de grafito depende de su posición relativa a la contrabanda inferior: cuanto más alto sea, más rojo se vuelve, mientras más bajo se vuelve, más oscura se vuelve. El área de contacto entre el cilindro de grafito y la bobina puede oscurecerse debido al agua de enfriamiento dentro de la bobina, por lo que la bobina solo debe contactar al grafito en unos pocos puntos. En las curvas de la bobina, donde la densidad de flujo magnético es alta, el grafito aparecerá particularmente brillante. Los cortes de sierra deben hacerse en el grafito en estos lugares para eliminar los puntos brillantes.
Aunque el uso de un cilindro de grafito para la preservación del calor es conveniente para la producción estable de cristales individuales de fusión de zona con baja densidad de dislocación y no tiene un efecto perceptible en la resistividad de un solo cristal, se debe prestar atención cuidadosa a la ubicación del cilindro de grafito, así como su manejo estricto y su uso adecuado, para evitar otros efectos adversos.
Molde de grafito para sinterización
Debido a que el grafito de alta pureza tiene las características de alta resistencia a la temperatura, alta pureza, estabilidad dimensional a altas temperaturas y buena resistencia al choque térmico, se usa ampliamente en la industria de los semiconductores para hacer varios moldes sinterizantes.
1. Moldes para dispositivos electrónicos sinterizantes.
Los moldes de sinterización de grafito son adecuados para sinterizar los núcleos de varios tipos de diodos, triodos, tiristores y otros dispositivos. La Figura 4 muestra algunos ejemplos de moldes de sinterización. Los barcos de grafito también se usan cuando se tiran de cristales individuales utilizando el método de fusión de zona de horno de alta frecuencia.
2. Varios moldes de sinterización aislantes.
Los moldes de grafito se utilizan principalmente para sinterizar varios tipos de rectificadores de silicio de triodo, enchufes de tiristores, sinterización de aislantes de condensadores, película gruesa y sinterización de circuitos integrados de círculo de películas delgadas, sinterización de aisladores, ultra pequeños relés, conectores y otros moldes de sinterización de aislantes de componentes, etc. La figura 5 muestra algunos tubos de tiristor y moldes sinsuladores de insuladores.
Selección de materiales de grafito para la industria de semiconductores
La industria de los semiconductores exige la mayor pureza posible para sus materiales de grafito, especialmente para los componentes de grafito que entran en contacto directo con materiales semiconductores, como crisoles y moldes sinterizantes. Debido a que los niveles de impureza son altos, la pureza del grafito crudo debe controlarse estrictamente y el contenido de cenizas debe minimizarse a través de la grafitización de alta temperatura.
La industria de los semiconductores también requiere grafito de grano fino. El grafito de grano fino no solo facilita la precisión del mecanizado, sino que también ofrece alta resistencia a alta temperatura y un desgaste mínimo. Los moldes de sinterización, en particular, requieren una precisión de mecanizado extremadamente alta.
Debido a que los componentes de grafito utilizados en la industria de semiconductores (incluidos los calentadores y los mohos de sinterización) deben soportar ciclos de calentamiento y enfriamiento repetidos, su vida útil requiere una excelente estabilidad dimensional y resistencia al choque térmico a altas temperaturas. Para cumplir con estos requisitos, mi país actualmente produce una gama de materiales de grafito adecuados para la industria de semiconductores. Para obtener calificaciones e información de rendimiento, consulte JB/T 2750.
El grafito hecho de Coca-Cola de petróleo no calcinado es un material estructural de grano fino con alta resistencia mecánica. Se puede utilizar para fabricar productos electrónicos como vidrio, placas delgadas, discos, calentadores para horarios de vacío y alta frecuencia, escudos de calor, platos de grafito para derretir metales puros, pañuelos (chucks) para equipos experimentales de alta temperatura, troqueles de presión caliente y filtros. Este material puede operar a temperaturas inferiores a 2500 grados en atmósferas inerte o protectores y puede operar durante períodos prolongados por debajo de 2000 grados en un vacío (10-4 a 10-5 mmHg). Se enumeran las propiedades del grafito MIIT-8. Este material se puede convertir en productos de forma especial.
El grafito de alta pureza se utiliza en varios componentes de la tecnología de semiconductores. Se produce purificando el grafito estructural ordinario con gases reactivos durante el proceso de grafitización. El grafito purificado debe mecanizarse en condiciones que eviten la contaminación del producto final. El contenido de cenizas de este grafito (después de la purificación) no debe exceder el 1 × 10-3%, el contenido de hierro, aluminio y magnesio no debe exceder el 3 × 10-5%, y el contenido de cobre, boro y manganeso no debe exceder el 1 × 10-3%. Estos límites de impureza cumplen con el grado de pureza. El contenido de silicio y calcio de este grafito no debe exceder los 3 × 10-4 (%de masa). Se muestra el contenido de impureza del grafito de alta pureza y ultra alta pureza (en UG/G).
Disponible industrialmente, incluso el grafito estructural más puro también está disponible. Los productos hechos de este tipo de grafito experimentan purificación adicional después del mecanizado para reducir la contaminación de la superficie. Los límites de impureza incluyen: hierro, aluminio, magnesio, boro, cobre y manganeso no deben exceder el 1 × 10-3%, el silicio no debe exceder el 3 × 10-3%, y el titanio, el níquel, el cromo y otros elementos deben ser menos de 1 × 10-5%. El contenido de cenizas de estos grafitos varía de 0 a 10-4%.
El grafito ultra puro y de alta resistencia con una capa protectora está hecho de grafito estructurado fino ordinario que se ha purificado y desgasificado en un vacío, seguido de densificación superficial con carbono pirolítico. Los productos hechos de este material (calentadores, discos, platos de grafito, etc.) se pueden usar para cultivar películas delgadas de silicio utilizando el método de crecimiento epitaxial de gas. Los niveles de impureza dentro de estos productos son: el hierro que no exceda el 5 × 10-4%, aluminio que no excede el 2 × 10-4%, el magnesio y el cobre no exceden el 5 × 10-5%, el titanio no excede el 1 × 10-4%, y el níquel y el cobalto no exceden 1 × 10-5%.
El grosor de la capa protectora densificada formada por carbono pirolítico no es mayor de 2 mm. Una capa delgada de grafito pirolítico, no más de 0.1 mm de espesor, también se puede depositar en la superficie del producto densificado. Los productos de grafito densificados con carbono pirolítico reducen significativamente su permeabilidad y liberación de gas (tasa de desorción de gas).
Procesamiento de materiales de grafito para la industria de semiconductores
Los elementos de calentamiento de grafito no utilizados, las cubiertas de aislamiento, los soportes, los soportes de semillas y otros componentes de grafito deben pretratarse antes de usarse para evitar la contaminación de los materiales semiconductores. Esto se debe a que el polvo de grafito puede adherirse a la superficie de los componentes o penetrar los poros del grafito durante el mecanizado, y también se pueden introducir otras impurezas en los poros de grafito.
Un método de pretratamiento es remojar los componentes en el tetracloruro de carbono durante varias horas, luego enjuagar con agua desionizada y secarlos. Calcule al vacío a temperatura de funcionamiento durante 3-4 horas y guárdelos para su uso posterior.
Otro método de pretratamiento es remojar los componentes en el agua de la red durante 24 horas, retirarlos y hervirlos varias veces con agua desionizada hasta que la solución sea neutral. Después de secar, coloque los componentes en un horno y caliéntelos en un vacío (generalmente por encima de 10-1 mmHg) durante 1 hora. La temperatura debe ser ligeramente más alta que la temperatura de funcionamiento. Después de enfriar, retírelos y colóquelos en una botella desecante para su uso posterior.
Los componentes de grafito usados deben almacenarse correctamente. Antes de reutilizar, primero retire la capa superficial sin papel de lija metalográfico . 0, luego limpie con agua desionizada y alcohol anhidro, luego seque.
Fuente: Sistema nacional de inspección de calidad abrasiva (NAQS)
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