Процесът на растеж на монокристален силиций се осъществява изцяло в термично поле. Доброто термично поле благоприятства подобряването на качеството на кристалите и има по-висока ефективност на кристализация. Дизайнът на термичното поле до голяма степен определя промените в температурните градиенти в динамичното термично поле и потока на газ в пещната камера. Разликата в използваните материали в термичното поле директно определя експлоатационния живот на термичното поле. Неразумно термично поле не само е трудно за отглеждане на кристали, които отговарят на изискванията за качество, но и не може да отглежда напълно монокристален при определени технологични изисквания. Ето защо индустрията за директно извличане на монокристален силиций счита дизайна на термично поле за най-основната технология и инвестира огромни човешки и материални ресурси в изследвания и разработки в областта на термичното поле.
Термичната система е съставена от различни материали за термично поле. Ще представим само накратко материалите, използвани в термичното поле. Що се отнася до разпределението на температурата в термичното поле и неговото влияние върху издърпването на кристали, тук няма да го анализираме. Материалът за термично поле се отнася до структурата и топлоизолационната част във вакуумната пещ за растеж на кристали, което е от съществено значение за създаването на подходящо разпределение на температурата около полупроводниковата стопилка и кристала.
1. Материал за структура на термично поле
Основният поддържащ материал за метода на директно издърпване за отглеждане на монокристален силиций е високочист графит. Графитните материали играят много важна роля в съвременната промишленост. Те могат да се използват като структурни компоненти за топлинно поле, като например...нагреватели, направляващи тръби, тигли, изолационни тръби, тигелни тави и др. при получаването на монокристален силиций по метода на Чохралски.
Графитни материалиса избрани, защото са лесни за приготвяне в големи обеми, могат да се обработват и са устойчиви на високи температури. Въглеродът под формата на диамант или графит има по-висока точка на топене от всеки друг елемент или съединение. Графитните материали са доста здрави, особено при високи температури, а тяхната електрическа и топлопроводимост също е доста добра. Неговата електрическа проводимост го прави подходящ катонагревателматериал. Той има задоволителен коефициент на топлопроводимост, което позволява топлината, генерирана от нагревателя, да се разпределя равномерно към тигела и другите части на топлинното поле. Въпреки това, при високи температури, особено на дълги разстояния, основният начин на топлопреминаване е радиацията.
Графитните части първоначално се изработват от фини въглеродни частици, смесени със свързващо вещество, и се оформят чрез екструдиране или изостатично пресоване. Висококачествените графитни части обикновено се пресоват изостатично. Цялото парче първо се карбонизира и след това се графитизира при много високи температури, близки до 3000°C. Частите, обработени от тези цели парчета, обикновено се пречистват в хлорсъдържаща атмосфера при високи температури, за да се отстранят металните замърсявания и да се отговорят на изискванията на полупроводниковата индустрия. Въпреки това, дори след правилно пречистване, нивото на метално замърсяване е с няколко порядъка по-високо от допустимото за силициеви монокристални материали. Следователно, при проектирането на термично поле трябва да се внимава, за да се предотврати навлизането на замърсяване на тези компоненти в стопилката или кристалната повърхност.
Графитните материали са слабо пропускливи, което улеснява достигането на останалия метал вътре до повърхността. Освен това, силициевият оксид, присъстващ в продухващия газ около графитната повърхност, може да проникне в повечето материали и да реагира.
Ранните нагреватели за пещи от монокристален силиций са били изработени от огнеупорни метали като волфрам и молибден. С нарастващото усъвършенстване на технологията за обработка на графит, електрическите свойства на връзката между графитните компоненти са се стабилизирали и нагревателите от монокристален силиций са напълно заменили нагревателите от волфрам, молибден и други материали. В момента най-широко използваният графитен материал е изостатичният графит. Технологията за приготвяне на изостатичен графит в моята страна е сравнително изостанала и повечето графитни материали, използвани в местната фотоволтаична индустрия, се внасят от чужбина. Чуждестранните производители на изостатичен графит включват главно германската SGL, японската Tokai Carbon, японската Toyo Tanso и др. В монокристалните силициеви пещи на Чохралски понякога се използват C/C композитни материали, които са започнали да се използват за производство на болтове, гайки, тигели, товарни плочи и други компоненти. Въглерод/въглерод (C/C) композитите са въглеродни композити, подсилени с въглеродни влакна, с редица отлични свойства, като висока специфична якост, висок специфичен модул, нисък коефициент на термично разширение, добра електрическа проводимост, висока жилавост на счупване, ниско специфично тегло, устойчивост на термичен удар, устойчивост на корозия и устойчивост на високи температури. В момента те се използват широко в аерокосмическата индустрия, състезанията, биоматериалите и други области като нови устойчиви на високи температури структурни материали. В момента основните пречки, с които се сблъскват местните C/C композити, все още са проблемите с цената и индустриализацията.
Има много други материали, използвани за създаване на термични полета. Графитът, подсилен с въглеродни влакна, има по-добри механични свойства, но е по-скъп и има други изисквания за дизайн.Силициев карбид (SiC)е по-добър материал от графита в много аспекти, но е много по-скъп и труден за производство на части с голям обем. Въпреки това, SiC често се използва катоCVD покритиеда се увеличи живота на графитните части, изложени на корозивен силициев оксид, а също така може да се намали замърсяването от графит. Плътното CVD силициево-карбидно покритие ефективно предотвратява достигането на замърсители във вътрешността на микропорестия графитен материал до повърхността.
Друг е CVD въглеродът, който също може да образува плътен слой над графитната част. Други устойчиви на висока температура материали, като молибден или керамични материали, които могат да съществуват едновременно с околната среда, могат да се използват там, където няма риск от замърсяване на стопилката. Оксидната керамика обаче обикновено е ограничена в приложимостта си към графитни материали при високи температури и има малко други опции, ако е необходима изолация. Един от тях е хексагонален боров нитрид (понякога наричан бял графит поради подобни свойства), но механичните свойства са лоши. Молибденът обикновено се използва разумно за ситуации с висока температура поради умерената си цена, ниската скорост на дифузия в силициеви кристали и много ниския коефициент на сегрегация от около 5×108, което позволява известно количество замърсяване с молибден, преди да се разруши кристалната структура.
2. Топлоизолационни материали
Най-често използваният изолационен материал е въглеродният филц в различни форми. Въглеродният филц е направен от тънки влакна, които действат като изолация, защото блокират топлинното излъчване многократно на кратко разстояние. Мекият въглероден филц е втъкан в относително тънки листове материал, които след това се нарязват в желаната форма и се огъват плътно в разумен радиус. Втвърдените филцове са съставени от подобни влакнести материали, а свързващо вещество, съдържащо въглерод, се използва за свързване на диспергираните влакна в по-твърд и оформен обект. Използването на химическо отлагане на въглерод от пари вместо свързващо вещество може да подобри механичните свойства на материала.
Обикновено външната повърхност на топлоизолационния втвърдяващ се филц е покрита с непрекъснато графитно покритие или фолио, за да се намали ерозията и износването, както и замърсяването с частици. Съществуват и други видове топлоизолационни материали на въглеродна основа, като например въглеродна пяна. Като цяло, графитизираните материали очевидно са предпочитани, защото графитизацията значително намалява повърхността на влакното. Отделянето на газове от тези материали с голяма повърхност е значително намалено и отнема по-малко време за изпомпване на пещта до подходящ вакуум. Друг е C/C композитният материал, който има изключителни характеристики като леко тегло, висока устойчивост на повреди и висока якост. Използването му в термични области за подмяна на графитни части значително намалява честотата на подмяна на графитните части, подобрява качеството на монокристалните частици и стабилността на производството.
Според класификацията на суровините, въглеродният филц може да бъде разделен на въглероден филц на базата на полиакрилонитрил, въглероден филц на базата на вискоза и въглероден филц на базата на смола.
Въглеродният филц на базата на полиакрилонитрил има високо съдържание на пепел. След обработка с висока температура, единичното влакно става крехко. По време на работа е лесно да се генерира прах, който замърсява средата на пещта. В същото време влакната могат лесно да проникнат в порите и дихателните пътища на човешкото тяло, което е вредно за човешкото здраве. Въглеродният филц на базата на вискоза има добри топлоизолационни характеристики. След термична обработка е сравнително мек и не е лесно да се генерира прах. Напречното сечение на суровото влакно на базата на вискоза обаче е неправилно и има много канали по повърхността на влакното. Лесно се генерират газове като CO2 в окислителната атмосфера на силициевата пещ CZ, което води до утаяване на кислород и въглеродни елементи в монокристалния силициев материал. Основните производители включват немската SGL и други компании. В момента най-широко използваният в полупроводниковата монокристална индустрия е въглеродният филц на базата на катран, който има по-лоши топлоизолационни характеристики от въглеродния филц на базата на вискоза, но въглеродният филц на базата на катран има по-висока чистота и по-ниски емисии на прах. Производителите включват японските Kureha Chemical и Osaka Gas.
Тъй като формата на въглеродния филц не е фиксирана, работата с него е неудобна. Сега много компании са разработили нов топлоизолационен материал на базата на въглероден филц - втвърден въглероден филц. Втвърденият въглероден филц, наричан още твърд филц, е въглероден филц с определена форма и самоподдържащи се свойства, след като мекият филц е импрегниран със смола, ламиниран, втвърден и карбонизиран.
Качеството на растеж на монокристалния силиций е пряко повлияно от топлинната среда, а топлоизолационните материали от въглеродни влакна играят ключова роля в тази среда. Мекият филц от въглеродни влакна за топлоизолация все още има значително предимство в индустрията за фотоволтаични полупроводници поради ценовото си предимство, отличния топлоизолационен ефект, гъвкавия дизайн и възможността за персонализиране на формата. Освен това, твърдият филц от въглеродни влакна за топлоизолация ще има по-голямо пространство за развитие на пазара на материали за топлинна област поради определената си здравина и по-високата си експлоатационна годност. Ние сме ангажирани с научноизследователска и развойна дейност в областта на топлоизолационните материали и непрекъснато оптимизираме производителността на продуктите, за да насърчим просперитета и развитието на индустрията за фотоволтаични полупроводници.
Време на публикуване: 12 юни 2024 г.