Працэс росту монакрышталічнага крэмнію цалкам ажыццяўляецца ў цеплавым полі. Добрае цеплавое поле спрыяе паляпшэнню якасці крышталяў і мае больш высокую эфектыўнасць крышталізацыі. Канструкцыя цеплавога поля ў значнай ступені вызначае змены тэмпературных градыентаў у дынамічным цеплавым полі і патоку газу ў камеры печы. Розніца ў матэрыялах, якія выкарыстоўваюцца ў цеплавым полі, непасрэдна вызначае тэрмін службы цеплавога поля. Пры неадэкватным цеплавым полі не толькі цяжка вырошчваць крышталі, якія адпавядаюць патрабаванням якасці, але і немагчыма вырасціць цалкам монакрышталічны крэмній пры пэўных патрабаваннях працэсу. Вось чаму прамысловасць прамога выцягвання монакрышталічнага крэмнію разглядае распрацоўку цеплавога поля як найважнейшую тэхналогію і ўкладвае велізарныя працоўныя і матэрыяльныя рэсурсы ў даследаванні і распрацоўкі ў галіне цеплавога поля.
Цеплавая сістэма складаецца з розных матэрыялаў цеплавога поля. Мы толькі коратка разгледзім матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў цеплавым полі. Што тычыцца размеркавання тэмпературы ў цеплавым полі і яго ўплыву на выцягванне крышталяў, мы тут не будзем гэта аналізаваць. Матэрыял цеплавога поля адносіцца да структуры і цеплаізаляцыйнай часткі ў камеры вакуумнай печы для росту крышталяў, што неабходна для стварэння адпаведнага размеркавання тэмпературы вакол расплаву паўправадніка і крышталя.
1. Матэрыял структуры цеплавога поля
Асноўным дапаможным матэрыялам для вырошчвання монакрышталічнага крэмнію метадам прамога выцягвання з'яўляецца графіт высокай чысціні. Графітавыя матэрыялы адыгрываюць вельмі важную ролю ў сучаснай прамысловасці. Яны могуць выкарыстоўвацца ў якасці структурных кампанентаў цеплавога поля, такіх якабагравальнікі, накіроўвалыя трубкі, тыглі, ізаляцыйныя трубкі, тыглявыя паддоны і г.д. пры падрыхтоўцы монакрышталічнага крэмнію метадам Чохральскага.
Графітавыя матэрыялывыбіраюцца таму, што іх лёгка падрыхтаваць у вялікіх аб'ёмах, яны могуць апрацоўвацца і ўстойлівыя да высокіх тэмператур. Вуглярод у выглядзе алмаза або графіту мае больш высокую тэмпературу плаўлення, чым любы элемент або злучэнне. Графітавыя матэрыялы даволі трывалыя, асабліва пры высокіх тэмпературах, а іх электра- і цеплаправоднасць таксама даволі добрая. Яго электраправоднасць робіць іх прыдатнымі ў якасці...абагравальнікматэрыял. Ён мае здавальняючы каэфіцыент цеплаправоднасці, што дазваляе раўнамерна размеркаваць цяпло, якое выпрацоўваецца награвальнікам, па тыгля і іншых частках цеплавога поля. Аднак пры высокіх тэмпературах, асабліва на вялікіх адлегласцях, асноўным рэжымам цеплаперадачы з'яўляецца выпраменьванне.
Графітавыя дэталі першапачаткова вырабляюцца з дробных вугляродных часціц, змяшаных са звязальным рэчывам, і фармуюцца шляхам экструзіі або ізастатычнага прэсавання. Высокаякасныя графітавыя дэталі звычайна прэсуюцца ізастатычна. Спачатку ўся дэталь карбанізуецца, а затым графітызуецца пры вельмі высокіх тэмпературах, блізкіх да 3000°C. Дэталі, апрацаваныя з гэтых цэлых кавалкаў, звычайна ачышчаюцца ў атмасферы, якая змяшчае хлор, пры высокіх тэмпературах для выдалення забруджванняў металам у адпаведнасці з патрабаваннямі паўправадніковай прамысловасці. Аднак нават пасля належнай ачысткі ўзровень забруджвання металам на некалькі парадкаў вышэйшы за дапушчальны для крэмніевых монакрышталічных матэрыялаў. Таму пры праектаванні цеплавога поля неабходна сачыць за тым, каб прадухіліць трапленне забруджвання гэтых кампанентаў у расплав або паверхню крышталя.
Графітавыя матэрыялы слаба пранікальныя, што дазваляе рэшткам металу ўнутры лёгка дасягнуць паверхні. Акрамя таго, аксід крэмнію, які прысутнічае ў прамыўным газе вакол паверхні графіту, можа пранікаць у большасць матэрыялаў і ўступаць у рэакцыю.
Раннія награвальнікі для печаў з монакрышталічнага крэмнію вырабляліся з тугаплаўкіх металаў, такіх як вальфрам і малібдэн. З удасканаленнем тэхналогіі апрацоўкі графіту электрычныя ўласцівасці злучэння паміж графітавымі кампанентамі сталі стабільнымі, і монакрышталічныя награвальнікі для печаў цалкам замянілі награвальнікі з вальфраму, малібдэну і іншых матэрыялаў. У цяперашні час найбольш шырока выкарыстоўваным графітавым матэрыялам з'яўляецца ізастатычны графіт. Тэхналогія атрымання ізастатычнага графіту ў маёй краіне адносна адсталая, і большасць графітавых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў айчыннай фотаэлектрычнай прамысловасці, імпартуюцца з-за мяжы. Замежныя вытворцы ізастатычнага графіту ў асноўным ўключаюць нямецкую SGL, японскую Tokai Carbon, японскую Toyo Tanso і г.д. У печах з монакрышталічнага крэмнію Чохральскага часам выкарыстоўваюцца кампазітныя матэрыялы C/C, якія пачалі выкарыстоўвацца для вырабу нітаў, гаек, тыгля, нагрузачных пліт і іншых кампанентаў. Вуглярод/вугляродныя (C/C) кампазіты — гэта вугляродныя кампазіты на аснове вугляроду, узмоцненыя вугляродным валакном, якія валодаюць шэрагам выдатных уласцівасцей, такіх як высокая ўдзельная трываласць, высокі ўдзельны модуль пругкасці, нізкі каэфіцыент цеплавога пашырэння, добрая электраправоднасць, высокая глейкасць на разлом, нізкая ўдзельная вага, устойлівасць да тэрмічных удараў, каразійная стойкасць і высокая тэмпература. У цяперашні час яны шырока выкарыстоўваюцца ў аэракасмічнай прамысловасці, гонках, вытворчасці біяматэрыялаў і іншых галінах у якасці новых высокатэмпературных канструкцыйных матэрыялаў. У цяперашні час асноўнымі праблемамі, з якімі сутыкаюцца айчынныя C/C кампазіты, па-ранейшаму застаюцца праблемы кошту і індустрыялізацыі.
Існуе мноства іншых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца для стварэння цеплавых палёў. Графіт, узмоцнены вугляродным валакном, мае лепшыя механічныя ўласцівасці, але ён даражэйшы і мае іншыя патрабаванні да канструкцыі.Карбід крэмнію (SiC)з'яўляецца лепшым матэрыялам, чым графіт, у многіх аспектах, але ён значна даражэйшы і складанейшы ў вырабе дэталяў вялікага аб'ёму. Аднак карбід крэмнію часта выкарыстоўваецца ў якасціCVD-пакрыццёкаб павялічыць тэрмін службы графітавых дэталяў, якія падвяргаюцца ўздзеянню каразійнага газападобных аксідаў крэмнію, а таксама можа паменшыць забруджванне графітам. Шчыльнае пакрыццё з карбіду крэмнію, атрыманае метадам CVD, эфектыўна прадухіляе трапленне забруджванняў унутры мікрапорыстага графітавага матэрыялу на паверхню.
Іншы варыянт — вуглярод, атрыманы метадам хімічнага осаду (CVD), які таксама можа ўтвараць шчыльны пласт над графітавай часткай. Іншыя матэрыялы, устойлівыя да высокіх тэмператур, такія як малібдэн або керамічныя матэрыялы, якія могуць суіснаваць з навакольным асяроддзем, можна выкарыстоўваць там, дзе няма рызыкі забруджвання расплаву. Аднак аксідная кераміка звычайна абмежаваная ў сваёй прыдатнасці для графітавых матэрыялаў пры высокіх тэмпературах, і існуе некалькі іншых варыянтаў, калі патрабуецца ізаляцыя. Адным з іх з'яўляецца гексаганальны нітрыд бору (часам яго называюць белым графітам з-за падобных уласцівасцей), але механічныя ўласцівасці нізкія. Малібдэн звычайна разумна выкарыстоўваецца ў сітуацыях з высокімі тэмпературамі з-за яго ўмеранага кошту, нізкай хуткасці дыфузіі ў крышталях крэмнію і вельмі нізкага каэфіцыента сегрэгацыі каля 5×108, што дазваляе пэўную колькасць забруджвання малібдэнам перад разбурэннем крышталічнай структуры.
2. Цеплаізаляцыйныя матэрыялы
Найбольш распаўсюджаным ізаляцыйным матэрыялам з'яўляецца вугляродны лямец у розных формах. Вугляродны лямец вырабляецца з тонкіх валокнаў, якія дзейнічаюць як ізаляцыя, бо яны блакуюць цеплавое выпраменьванне ў некалькі разоў на кароткай адлегласці. Мяккі вугляродны лямец плятуць у адносна тонкія лісты матэрыялу, якія затым разразаюць у патрэбную форму і шчыльна згінаюць па разумным радыусе. Отвержденія лямца складаюцца з падобных валакністых матэрыялаў, і для злучэння дыспергаваных валокнаў у больш цвёрды і сфармаваны аб'ект выкарыстоўваецца вугляродзмяшчальнае злучнае рэчыва. Выкарыстанне хімічнага асаджэння вугляроду з паравой фазы замест злучнага рэчыва можа палепшыць механічныя ўласцівасці матэрыялу.
Звычайна вонкавая паверхня цеплаізаляцыйнага лямца пакрыта суцэльным графітавым пакрыццём або фальгой для памяншэння эрозіі і зносу, а таксама забруджвання часціцамі. Існуюць і іншыя тыпы цеплаізаляцыйных матэрыялаў на аснове вугляроду, такія як вугляродная пена. У цэлым, графітызаваныя матэрыялы, відавочна, пераважнейшыя, таму што графітызацыя значна памяншае плошчу паверхні валакна. Выдзяленне газаў з гэтых матэрыялаў з вялікай плошчай паверхні значна зніжаецца, і патрабуецца менш часу для перапампоўкі печы да адпаведнага вакууму. Іншым з'яўляецца кампазітны матэрыял C/C, які валодае выдатнымі характарыстыкамі, такімі як лёгкая вага, высокая ўстойлівасць да пашкоджанняў і высокая трываласць. Выкарыстанне ў цеплавых галінах для замены графітавых дэталяў значна зніжае частату замены графітавых дэталяў, паляпшае якасць монакрышталічных матэрыялаў і стабільнасць вытворчасці.
Згодна з класіфікацыяй сыравіны, вугляродны лямец можна падзяліць на вугляродны лямец на аснове поліакрыланітрылу, вугляродны лямец на аснове віскозы і вугляродны лямец на аснове пеку.
Вугляродны лямец на аснове поліакрыланітрылу мае вялікае ўтрыманне попелу. Пасля апрацоўкі высокай тэмпературай асобнае валакно становіцца далікатным. Падчас працы лёгка ўтварае пыл, які забруджвае навакольнае асяроддзе печы. У той жа час валакно можа лёгка пранікаць у пары і дыхальныя шляхі арганізма чалавека, што шкодна для здароўя чалавека. Вугляродны лямец на аснове віскозы мае добрыя цеплаізаляцыйныя характарыстыкі. Пасля тэрмічнай апрацоўкі ён адносна мяккі і не лёгка ўтварае пылу. Аднак папярочны перасек неапрацаванага валакна на аснове віскозы няправільны, і на паверхні валакна ёсць шмат канаўак. У акісляльнай атмасферы печы для вырабу крэмнію CZ лёгка ўтвараюцца газы, такія як CO2, што прыводзіць да асадка кіслароду і вугляродных элементаў у монакрышталічным крэмніі. Асноўнымі вытворцамі з'яўляюцца нямецкая SGL і іншыя кампаніі. У цяперашні час у паўправадніковай монакрышталічнай прамысловасці найбольш шырока выкарыстоўваецца вугляродны лямец на аснове пеку, які мае горшыя цеплаізаляцыйныя характарыстыкі, чым вугляродны лямец на аснове віскозы, але вугляродны лямец на аснове пеку мае больш высокую чысціню і меншае выкідванне пылу. Сярод вытворцаў - японскія Kureha Chemical і Osaka Gas.
Паколькі форма вугляроднага лямцу не фіксаваная, ім нязручна працаваць. Зараз многія кампаніі распрацавалі новы цеплаізаляцыйны матэрыял на аснове вугляроднага лямцу, зацвярдзелага вугляроднага лямцу. Зацвярдзелы вугляродны лямец, таксама вядомы як цвёрды лямец, — гэта вугляродны лямец з пэўнай формай і самападтрымліваючымі ўласцівасцямі пасля прапіткі мяккага лямцу смалой, ламінавання, зацвярдзення і карбанізацыі.
Якасць росту монакрышталічнага крэмнію непасрэдна залежыць ад цеплавога асяроддзя, і вугляродныя валакністыя цеплаізаляцыйныя матэрыялы адыгрываюць ключавую ролю ў гэтым асяроддзі. Мяккі вугляродны цеплаізаляцыйны лямец па-ранейшаму мае значную перавагу ў фотаэлектрычнай паўправадніковай прамысловасці дзякуючы сваёй эканамічнай выгаднасці, выдатнаму цеплаізаляцыйнаму эфекту, гнуткай канструкцыі і наладжвальнай форме. Акрамя таго, цвёрды вугляродны цеплаізаляцыйны лямец будзе мець больш шырокія магчымасці для развіцця на рынку цеплатэхнічных матэрыялаў дзякуючы сваёй пэўнай трываласці і больш высокай працаздольнасці. Мы імкнемся да даследаванняў і распрацовак у галіне цеплаізаляцыйных матэрыялаў і пастаянна аптымізуем характарыстыкі прадукцыі, каб спрыяць росквіту і развіццю фотаэлектрычнай паўправадніковай прамысловасці.
Час публікацыі: 12 чэрвеня 2024 г.