ประเด็นสำคัญ
- เตาผลึกซิลิคอน CZ (Czochralski) ทำงานที่ 1400℃ ซิลิคอนหลอมเหลวและสุญญากาศสูง 10⁻⁵ Pa; สิ่งเจือปนโลหะใดๆ จะปนเปื้อนผลึกซิลิคอน ทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเบี่ยงเบน
- ซีลคาร์บอนกราไฟต์ใช้ที่เพลาหม้อเหล็กไพว์เซียม เพลาผลึกเมล็ด และแฟลงก้นเตา — ข้อกำหนดความบริสุทธิ์สิ่งเจือปนโลหะรวม < 10 ppm (เหล็ก ทองแดง นิกเกิล แต่ละตัว < 1 ppm)
- ต้องใช้กราไฟต์ไอโซสเตติกความบริสุทธิ์สูง (เช่น IG-43) ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ด้วยฮาโลเจนที่ 2800℃ เพื่อขจัดสิ่งเจือปนโลหะ
- การออกแบบโครงสร้างใช้ซีลท่อระฆังโลหะ + แจ็คเก็ตระบายน้ำเย็น ควบคุมอุณหภูมิซีลให้ต่ำกว่า 200℃ เพื่อหลีกเลี่ยงการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง
- Huahao Sealing บรรลุอายุการใช้งาน 200+ รอบเตาในเตาผลึกซิลิคอน 12 นิ้ว สิ่งเจือปนโลหะตรงตามมาตรฐาน SEMI
วิธี CZ (Czochralski) เป็นกระบวนการหลักในการเติบโตผลึกซิลิคอน 300mm (12 นิ้ว) และต่ำกว่า เตา CZ ทำงานที่อุณหภูมิสูง 1400℃ และสุญญากาศสูง 10⁻⁵ Pa; ชิ้นส่วนใดที่ปล่อยสิ่งเจือปนโลหะจะถูกกระแส Ar นำไปสู่พื้นผิวซิลิคอนหลอมเหลว ปนเปื้อนผลึก ซีลคาร์บอนกราไฟต์เป็นชิ้นส่วนซีลไดนามิกหลักของเตา กำหนดความสม่ำเสมอของความต้านทานไฟฟ้าผลึกซิลิคอนโดยตรง
1. ลักษณะสภาวะการทำงาน
อุณหภูมิห้องเตา CZ 1400-1420℃ (จุดหลอมเหลวซิลิคอน 1414℃) สุญญากาศ 10⁻⁵ Pa ก๊าซ Ar คุ้มกันรักษาความดันบวกเล็กน้อย เพลาหม้อเหล็กไพว์เซียมและเพลาผลึกเมล็ดต้องการการหมุนและการดึง ต้องมีซีลไดนามิก ถ้าซีลปล่อยเหล็ก ทองแดง นิกเกิลหรือสิ่งเจือปนโลหะอื่น จะเข้าสู่ซิลิคอนหลอมเหลวเป็นศูนย์กลางรวมตัวใหม่ ลดอายุพาหะน้อยของผลึกซิลิคอน ความต้านทานไฟฟ้าเบี่ยงเบนจากเป้าหมาย
2. ข้อกำหนดความบริสุทธิ์วัสดุ
2.1 กราไฟต์ไอโซสเตติกความบริสุทธิ์สูง
ต้องใช้กราไฟต์ไอโซสเตติกความบริสุทธิ์สูง (เช่น IG-43) ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ด้วยฮาโลเจนที่ 2800℃ (ก๊าซผสม Cl₂+F₂) ลดสิ่งเจือปนโลหะรวมให้ต่ำกว่า 10 ppm เหล็ก ทองแดง นิกเกิลแต่ละตัวต่ำกว่า 1 ppm กราไฟต์เชิงกลทั่วไป (สิ่งเจือปนโลหะ 100-500 ppm) ห้ามใช้อย่างเคร่งครัด
2.2 การทดสอบความบริสุทธิ์
แต่ละล็อตต้องทดสอบธาตุโลหะ 30+ ชนิดด้วย GDMS (กลอว์ดิสชาร์จแมสสเปกโตรเมทรี) ตามมาตรฐาน SEMI PV17 Huahao Sealing ให้รายงานการทดสอบ GDMS สำหรับทุกล็อต
3. การออกแบบโครงสร้าง
3.1 ซีลท่อระฆัง + ระบายน้ำเย็น
เพลาหม้อเหล็กไพว์เซียมและเพลาผลึกเมล็ดใช้ซีลท่อระฆังโลหะ (วัสดุ Inconel 625) ด้านนอกท่อระฆังมีแจ็คเก็ตระบายน้ำเย็น ป้อนน้ำเย็น 0.3-0.5 MPa ควบคุมอุณหภูมิซีลให้ต่ำกว่า 200℃ โดยไม่ระบายน้ำเย็นอุณหภูมิซีลอาจถึง 600-800℃ กราไฟต์จะออกซิไดซ์เป็น CO₂ ทำลายสุญญากาศ
3.2 ซีลแฟลงก้นเตา
แฟลงก้นเตาใช้ซีล O-ring + สลักเกลียว; O-ring ใช้ยางฟลูออโร FKM (ทนอุณหภูมิ 200℃ ตรงกับอุณหภูมิแฟลงหลังระบายน้ำเย็น) O-ring เปลี่ยนหลังทุกรอบเตา หลีกเลี่ยงการสะสมการเสื่อมสภาพจากความร้อน
4. รูปแบบความเสียหาย
ความเสียหายหลัก: วงแหวนกราไฟต์ออกซิไดซ์เป็นผง (40% เนื่องจากระบบระบายน้ำเย็นล้มเหลวทำให้ออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง) ท่อระฆังแตกร้าวจากความเหนื่อยล้า (25%) O-ring เสื่อมสภาพจากความร้อน (20%) สิ่งเจือปนโลหะเกินมาตรฐานปนเปื้อนผลึก (15%)
5. กรณีศึกษา Huahao Sealing
เตาผลึกซิลิคอน 12 นิ้วของบริษัทวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (เส้นผ่านศูนย์กลางหม้อ 22 นิ้ว น้ำหนักบรรจุ 150 kg) เดิมใช้ซีลกราไฟต์แบรนด์นำเข้าอายุการใช้งานเฉลี่ย 120 รอบเตา เคยทำให้เหล็กเกินมาตรฐานทำให้ความต้านทานไฟฟ้าผลึกทั้งล็อตเบี่ยงเบน สูญเสียประมาณ 500000 CNY ปี 2022 เปลี่ยนเป็นโซลูชันกราไฟต์ความบริสุทธิ์สูง IG-43 + ท่อระฆัง Inconel 625 + แจ็คเก็ตระบายน้ำเย็นของ Huahao Sealing อายุการใช้งานถึง 200+ รอบเตา GDMS ทดสอบสิ่งเจือปนโลหะรวมคงที่ต่ำกว่า 5 ppm ไม่มีเหตุการณ์ปนเปื้อนอีก
หลักการเลือก: ระดับความบริสุทธิ์กำหนดเกรดวัสดุ (เลือก IG-43 + ทำให้บริสุทธิ์ด้วยฮาโลเจน) การควบคุมอุณหภูมิกำหนดการออกแบบโครงสร้าง (ท่อระฆัง + ระบายน้ำเย็น) ความน่าเชื่อถือซีลกำหนดความเสถียรกระบวนการ