Die groeiproses van monokristallyne silikon word volledig in die termiese veld uitgevoer. 'n Goeie termiese veld is bevorderlik vir die verbetering van die kwaliteit van kristalle en het 'n hoër kristallisasie-doeltreffendheid. Die ontwerp van die termiese veld bepaal grootliks die veranderinge in temperatuurgradiënte in die dinamiese termiese veld en die vloei van gas in die oondkamer. Die verskil in die materiale wat in die termiese veld gebruik word, bepaal direk die lewensduur van die termiese veld. 'n Onredelike termiese veld is nie net moeilik om kristalle te kweek wat aan die kwaliteitsvereistes voldoen nie, maar kan ook nie volledig monokristallyn onder sekere prosesvereistes kweek nie. Daarom beskou die direkte-trek monokristallyne silikonbedryf termiese veldontwerp as die kerntegnologie en belê enorme mannekrag en materiaalbronne in termiese veldnavorsing en -ontwikkeling.
Die termiese stelsel bestaan uit verskeie termiese veldmateriale. Ons stel slegs kortliks die materiale bekend wat in die termiese veld gebruik word. Wat die temperatuurverspreiding in die termiese veld en die impak daarvan op kristaltrekking betref, sal ons dit nie hier analiseer nie. Die termiese veldmateriaal verwys na die struktuur en termiese isolasiedeel in die vakuumoondkamer van kristalgroei, wat noodsaaklik is om 'n gepaste temperatuurverspreiding rondom die halfgeleiersmelt en kristal te skep.
1. Termiese veldstruktuurmateriaal
Die basiese ondersteunende materiaal vir die direkte-trek-metode om monokristallyne silikon te kweek, is hoë-suiwerheid grafiet. Grafietmateriale speel 'n baie belangrike rol in die moderne nywerheid. Hulle kan gebruik word as hitteveldstrukturele komponente soosverwarmers, gidsbuise, smeltkroeë, isolasiebuise, kroesiebakke, ens. in die voorbereiding van monokristallyne silikon volgens die Czochralski-metode.
Grafietmaterialeword gekies omdat hulle maklik is om in groot volumes voor te berei, verwerk kan word en bestand is teen hoë temperature. Koolstof in die vorm van diamant of grafiet het 'n hoër smeltpunt as enige element of verbinding. Grafietmateriale is redelik sterk, veral by hoë temperature, en hul elektriese en termiese geleidingsvermoë is ook redelik goed. Die elektriese geleidingsvermoë maak dit geskik as 'nverwarmermateriaal. Dit het 'n bevredigende termiese geleidingskoëffisiënt, wat toelaat dat die hitte wat deur die verwarmer gegenereer word, eweredig na die smeltkroes en ander dele van die hitteveld versprei word. By hoë temperature, veral oor lang afstande, is die hoof hitte-oordragmodus egter straling.
Grafietonderdele word aanvanklik gemaak van fyn koolstofhoudende deeltjies gemeng met 'n bindmiddel en gevorm deur ekstrusie of isostatiese persing. Hoëgehalte-grafietonderdele word gewoonlik isostaties gepers. Die hele stuk word eers gekarboniseer en dan gegrafiseer by baie hoë temperature, naby 3000°C. Die onderdele wat van hierdie hele stukke verwerk word, word gewoonlik in 'n chloorbevattende atmosfeer by hoë temperature gesuiwer om metaalbesoedeling te verwyder om aan die vereistes van die halfgeleierbedryf te voldoen. Selfs na behoorlike suiwering is die vlak van metaalbesoedeling egter verskeie ordes van grootte hoër as wat toegelaat word vir silikon monokristallyne materiale. Daarom moet sorg gedra word in die termiese veldontwerp om te verhoed dat besoedeling van hierdie komponente die smelt- of kristaloppervlak binnedring.
Grafietmateriale is effens deurlaatbaar, wat dit maklik maak vir die oorblywende metaal binne om die oppervlak te bereik. Boonop kan die silikonmonoksied wat in die spoelgas rondom die grafietoppervlak teenwoordig is, in die meeste materiale binnedring en reageer.
Vroeë monokristallyne silikon-oondverwarmers is gemaak van vuurvaste metale soos wolfram en molibdeen. Met die toenemende volwassenheid van grafietverwerkingstegnologie het die elektriese eienskappe van die verbinding tussen grafietkomponente stabiel geword, en monokristallyne silikon-oondverwarmers het wolfram, molibdeen en ander materiaalverwarmers heeltemal vervang. Tans is die mees gebruikte grafietmateriaal isostatiese grafiet. My land se isostatiese grafietvoorbereidingstegnologie is relatief agterlik, en die meeste van die grafietmateriale wat in die plaaslike fotovoltaïese industrie gebruik word, word uit die buiteland ingevoer. Buitelandse isostatiese grafietvervaardigers sluit hoofsaaklik Duitsland se SGL, Japan se Tokai Carbon, Japan se Toyo Tanso, ens. in. In Czochralski monokristallyne silikon-oonde word C/C-saamgestelde materiale soms gebruik, en dit het begin om gebruik te word om boute, moere, kroesies, lasplate en ander komponente te vervaardig. Koolstof/koolstof (K/K)-komposiete is koolstofveselversterkte koolstofgebaseerde komposiete met 'n reeks uitstekende eienskappe soos hoë spesifieke sterkte, hoë spesifieke modulus, lae termiese uitbreidingskoëffisiënt, goeie elektriese geleidingsvermoë, hoë breuktaaiheid, lae spesifieke swaartekrag, termiese skokweerstand, korrosiebestandheid en hoë temperatuurweerstand. Tans word hulle wyd gebruik in lugvaart, wedrenne, biomateriale en ander velde as nuwe hoëtemperatuurbestande strukturele materiale. Tans is die belangrikste knelpunte wat huishoudelike K/K-komposiete ondervind, steeds koste- en industrialiseringskwessies.
Daar is baie ander materiale wat gebruik word om termiese velde te maak. Koolstofveselversterkte grafiet het beter meganiese eienskappe; maar dit is duurder en het ander vereistes vir ontwerp.Silikonkarbied (SiC)is in baie opsigte 'n beter materiaal as grafiet, maar dit is baie duurder en moeiliker om grootmaat-onderdele voor te berei. SiC word egter dikwels as 'nCVD-laagom die lewensduur van grafietonderdele wat aan korrosiewe silikonmonoksiedgas blootgestel word, te verhoog, en kan ook kontaminasie deur grafiet verminder. Die digte CVD-silikonkarbiedlaag verhoed effektief dat kontaminante binne die mikroporeuse grafietmateriaal die oppervlak bereik.
Nog een is CVD-koolstof, wat ook 'n digte laag bo die grafietgedeelte kan vorm. Ander hoëtemperatuurbestande materiale, soos molibdeen of keramiekmateriale wat met die omgewing kan saamleef, kan gebruik word waar daar geen risiko is om die smelt te besoedel nie. Oksiedkeramiek is egter oor die algemeen beperk in hul toepaslikheid op grafietmateriale by hoë temperature, en daar is min ander opsies as isolasie benodig word. Een is seshoekige boornitried (soms wit grafiet genoem as gevolg van soortgelyke eienskappe), maar die meganiese eienskappe is swak. Molibdeen word oor die algemeen redelik gebruik vir hoëtemperatuursituasies as gevolg van sy matige koste, lae diffusiesnelheid in silikonkristalle en 'n baie lae segregasiekoëffisiënt van ongeveer 5 × 108, wat 'n sekere mate van molibdeenbesoedeling toelaat voordat die kristalstruktuur vernietig word.
2. Termiese isolasiemateriaal
Die mees gebruikte isolasiemateriaal is koolstofvilt in verskeie vorme. Koolstofvilt word gemaak van dun vesels, wat as isolasie dien omdat hulle termiese straling verskeie kere oor 'n kort afstand blokkeer. Die sagte koolstofvilt word in relatief dun velle materiaal geweef, wat dan in die verlangde vorm gesny en styf in 'n redelike radius gebuig word. Geharde vilt bestaan uit soortgelyke veselmateriale, en 'n koolstofbevattende bindmiddel word gebruik om die verspreide vesels in 'n meer soliede en gevormde voorwerp te verbind. Die gebruik van chemiese dampafsetting van koolstof in plaas van 'n bindmiddel kan die meganiese eienskappe van die materiaal verbeter.
Tipies word die buitenste oppervlak van die termiese isolasie-uithardingsvilt bedek met 'n deurlopende grafietlaag of foelie om erosie en slytasie sowel as partikelbesoedeling te verminder. Ander tipes koolstofgebaseerde termiese isolasiemateriale bestaan ook, soos koolstofskuim. Oor die algemeen word grafitiseerde materiale natuurlik verkies omdat grafitisasie die oppervlakarea van die vesel aansienlik verminder. Die uitgassing van hierdie materiale met 'n hoë oppervlakarea word aansienlik verminder, en dit neem minder tyd om die oond na 'n geskikte vakuum te pomp. 'n Ander is C/C-saamgestelde materiaal, wat uitstekende eienskappe het soos ligte gewig, hoë skadeverdraagsaamheid en hoë sterkte. Gebruik in termiese velde om grafietonderdele te vervang, verminder die frekwensie van vervanging van grafietonderdele aansienlik, verbeter monokristallyne kwaliteit en produksiestabiliteit.
Volgens die klassifikasie van grondstowwe kan koolstofvilt verdeel word in poliakrilonitriel-gebaseerde koolstofvilt, viskose-gebaseerde koolstofvilt en pik-gebaseerde koolstofvilt.
Poliakrilonitriel-gebaseerde koolstofvilt het 'n hoë asinhoud. Na hoëtemperatuurbehandeling word die enkele vesel bros. Tydens werking is dit maklik om stof te genereer wat die oondomgewing besoedel. Terselfdertyd kan die vesel maklik die porieë en lugweë van die menslike liggaam binnedring, wat skadelik is vir die menslike gesondheid. Viskose-gebaseerde koolstofvilt het goeie termiese isolasieprestasie. Dit is relatief sag na hittebehandeling en is nie maklik om stof te genereer nie. Die dwarssnit van die viskose-gebaseerde rou vesel is egter onreëlmatig, en daar is baie groewe op die veseloppervlak. Dit is maklik om gasse soos CO2 te genereer onder die oksiderende atmosfeer van die CZ-silikonoond, wat die neerslag van suurstof en koolstofelemente in die monokristallyne silikonmateriaal veroorsaak. Die belangrikste vervaardigers sluit in die Duitse SGL en ander maatskappye. Tans is pik-gebaseerde koolstofvilt die mees gebruikte in die halfgeleier-monokristallyne industrie, wat swakker termiese isolasieprestasie het as viskose-gebaseerde koolstofvilt, maar pik-gebaseerde koolstofvilt het 'n hoër suiwerheid en 'n laer stofvrystelling. Vervaardigers sluit in Japan se Kureha Chemical en Osaka Gas.
Omdat die vorm van koolstofvilt nie vas is nie, is dit ongerieflik om te gebruik. Nou het baie maatskappye 'n nuwe termiese isolasiemateriaal ontwikkel gebaseer op koolstofvilt-geharde koolstofvilt. Geharde koolstofvilt, ook genoem harde vilt, is 'n koolstofvilt met 'n sekere vorm en selfonderhoudende eienskap nadat sagte vilt met hars geïmpregneer, gelamineer, gehard en gekarboniseer is.
Die groeikwaliteit van monokristallyne silikon word direk beïnvloed deur die termiese omgewing, en koolstofvesel termiese isolasiemateriaal speel 'n sleutelrol in hierdie omgewing. Koolstofvesel termiese isolasie sagte vilt het steeds 'n beduidende voordeel in die fotovoltaïese halfgeleierbedryf as gevolg van sy kostevoordeel, uitstekende termiese isolasie-effek, buigsame ontwerp en aanpasbare vorm. Boonop sal koolstofvesel harde termiese isolasievilt groter ontwikkelingsruimte in die termiese veldmateriaalmark hê as gevolg van sy sekere sterkte en hoër bruikbaarheid. Ons is verbind tot navorsing en ontwikkeling op die gebied van termiese isolasiemateriaal, en optimaliseer voortdurend produkprestasie om die voorspoed en ontwikkeling van die fotovoltaïese halfgeleierbedryf te bevorder.
Plasingstyd: 12 Junie 2024