- ▸เตาคริสตัลซิลิคอนแบบ Czochralski (CZ) ทำงานที่อุณหภูมิซิลิคอนหลอมเหลว 1400℃ และสุญญากาศสูง 10⁻⁵ Pa; สิ่งเจือปนโลหะเพียงเล็กน้อยก็สามารถปนเปื้อนผลึกซิลิคอนได้ ทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเบี่ยงเบน
- ▸แหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ใช้ที่เพลาหลอมควอตซ์ เพลาผลึกเมล็ด และหน้าแปลนก้นเตา — ความบริสุทธิ์ของวัสดุต้องมีโลหะเจือปนรวมต่ำกว่า 10 ppm (เหล็ก ทองแดง นิกเกิล แต่ละชนิดต่ำกว่า 1 ppm)
- ▸ต้องใช้กราไฟต์ไอโซสแตติกความบริสุทธิ์สูง (เช่น IG-43) ผ่านการทำความสะอาดด้วยฮาโลเจนที่ 2800℃ เพื่อลดโลหะเจือปน
- ▸การออกแบบโครงสร้างใช้ซีลเบลโลว์สโลหะ + แจ็กเก็ตระบายความร้อนด้วยน้ำ ควบคุมอุณหภูมิซีลต่ำกว่า 200℃ เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง
- ▸Huahao Sealing สามารถทำงานได้มากกว่า 200 รอบในเตาคริสตัลซิลิคอนขนาด 12 นิ้ว โดยการตกตะกอนโลหะเจือปนเป็นไปตามมาตรฐาน SEMI
Czochralski (CZ) เป็นกระบวนการหลักสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนขนาด 300 มม. (12 นิ้ว) หรือต่ำกว่า เตา CZ ทำงานที่อุณหภูมิสูง 1400℃ และสุญญากาศสูง 10⁻⁵ Pa; ส่วนประกอบใดที่ปล่อยโลหะเจือปนจะถูกพาโดยกระแส Ar ไปยังผิวซิลิคอนหลอมเหลว ปนเปื้อนผลึก แหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ซึ่งเป็นชิ้นส่วนซีลไดนามิกของเตาโดยตรงกำหนดความสม่ำเสมอของความต้านทานไฟฟ้าของผลึกซิลิคอน
1. ลักษณะการใช้งาน
อุณหภูมิห้องเตา CZ อยู่ที่ 1400-1420℃ (จุดหลอมเหลวซิลิคอน 1414℃) สุญญากาศ 10⁻⁵ Pa ใช้ก๊าซป้องกัน Ar รักษาความดันบวกเล็กน้อย เพลาหลอมควอตซ์และเพลาผลึกเมล็ดต้องหมุนและดึงขึ้นลง จึงต้องใช้ซีลไดนามิก หากซีลปล่อยเหล็ก ทองแดง นิกเกิล หรือโลหะเจือปนอื่น ๆ จะเข้าสู่ซิลิคอนหลอมเหลวก่อให้เกิดศูนย์รวมการรวมตัวใหม่ ลดอายุของตัวพาหะส่วนน้อย และทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเบี่ยงเบนจากค่าที่ตั้งไว้
2. ข้อกำหนดความบริสุทธิ์วัสดุ
2.1 กราไฟต์ไอโซสแตติกความบริสุทธิ์สูง
ต้องใช้กราไฟต์ไอโซสแตติกความบริสุทธิ์สูง (เช่น IG-43) ผ่านการทำความสะอาดด้วยฮาโลเจนที่ 2800℃ (ก๊าซผสม Cl₂+F₂) เพื่อลดโลหะเจือปนรวมต่ำกว่า 10 ppm โดยเหล็ก ทองแดง นิกเกิล แต่ละชนิดต่ำกว่า 1 ppm ห้ามใช้กราไฟต์กลไกทั่วไปที่มีโลหะเจือปน 100-500 ppm อย่างเด็ดขาด
2.2 การทดสอบความบริสุทธิ์
แต่ละล็อตต้องทดสอบด้วย GDMS (glow discharge mass spectrometry) สำหรับโลหะมากกว่า 30 ชนิด ให้เป็นไปตามมาตรฐาน SEMI PV17 Huahao Sealing มีรายงานผลการทดสอบ GDMS สำหรับแต่ละล็อต
3. การออกแบบโครงสร้าง
3.1 ซีลเบลโลว์ส + ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ
เพลาหลอมควอตซ์และเพลาผลึกเมล็ดใช้ซีลเบลโลว์สโลหะ (วัสดุ Inconel 625) มีแจ็กเก็ตระบายความร้อนด้วยน้ำรอบนอกเบลโลว์ส ใช้น้ำหล่อเย็นแรงดัน 0.3-0.5 MPa ควบคุมอุณหภูมิซีลต่ำกว่า 200℃ หากไม่มีระบบระบายความร้อน อุณหภูมิซีลจะสูงถึง 600-800℃ กราไฟต์จะถูกออกซิไดซ์เป็น CO₂ ทำลายสุญญากาศ
3.2 ซีลหน้าแปลนก้นเตา
หน้าแปลนก้นเตาใช้ซีล O-ring + ตัวยึด O-ring ทำจากฟลูออโรรับอล์ FKM (ทนอุณหภูมิ 200℃ สอดคล้องกับอุณหภูมิหน้าแปลนที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ) เปลี่ยน O-ring ทุกรอบการใช้งานเตาเพื่อหลีกเลี่ยงการรั่วซึมสะสมจากการเสื่อมสภาพความร้อน
4. รูปแบบความล้มเหลว
ความล้มเหลวหลัก ได้แก่ การสึกกร่อนและแตกละเอียดของแหวนกราไฟต์ (40% เกิดจากความล้มเหลวของระบบระบายความร้อนทำให้ออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง), รอยแตกจากความเมื่อยล้าของเบลโลว์ส (25%), การเสื่อมสภาพความร้อนของ O-ring (20%), โลหะเจือปนเกินมาตรฐานปนเปื้อนผลึก (15%)
5. กรณีศึกษา Huahao Sealing
เตาคริสตัลซิลิคอนขนาด 12 นิ้วของบริษัทวัสดุกึ่งตัวนำ (เส้นผ่านศูนย์กลางครูซิเบิล 22 นิ้ว น้ำหนักบรรจุ 150 กก.) เดิมใช้แหวนซีลกราไฟต์ยี่ห้อนำเข้าที่มีอายุการใช้งานเฉลี่ย 120 รอบเตา ซึ่งเคยทำให้สิ่งเจือปนของเหล็กเกินมาตรฐานและความต้านทานของคริสตัลทั้งล็อตเบี่ยงเบน ส่งผลให้สูญเสียประมาณ 500000 หยวน หลังจากเปลี่ยนมาใช้โซลูชัน IG-43 กราไฟต์ความบริสุทธิ์สูง + เบลโลว์ Inconel 625 + แจ็กเก็ตระบายความร้อนด้วยน้ำของ Huahao Sealing ในปี 2022 อายุการใช้งานเพิ่มขึ้นเป็นกว่า 200 รอบเตา โดยสิ่งเจือปนโลหะรวมที่ทดสอบด้วย GDMS อยู่ต่ำกว่า 5 ppm อย่างเสถียร และไม่มีเหตุการณ์การปนเปื้อนสิ่งเจือปนเพิ่มเติมเกิดขึ้นอีก
หัวใจของการเลือก: เกรดความบริสุทธิ์กำหนดเกรดวัสดุ (เลือก IG-43 + การทำความบริสุทธิ์ด้วยฮาโลเจน) การควบคุมอุณหภูมิกำหนดการออกแบบโครงสร้าง (เบลโลว์ + การระบายความร้อนด้วยน้ำ) ความน่าเชื่อถือของแหวนซีลกำหนดความเสถียรของกระบวนการ