Proces rasta monokristalnog silicija se u potpunosti odvija u termičkom polju. Dobro termičko polje doprinosi poboljšanju kvaliteta kristala i ima veću efikasnost kristalizacije. Dizajn termičkog polja uveliko određuje promjene temperaturnih gradijenata u dinamičkom termičkom polju i protok plina u komori peći. Razlika u materijalima koji se koriste u termičkom polju direktno određuje vijek trajanja termičkog polja. U nerazumno jakom termičkom polju ne samo da je teško uzgojiti kristale koji zadovoljavaju zahtjeve kvalitete, već se ne mogu uzgojiti ni potpuni monokristalni kristali pod određenim zahtjevima procesa. Zbog toga industrija direktnog povlačenja monokristalnog silicija smatra dizajn termičkog polja najvažnijom tehnologijom i ulaže ogromna radna snaga i materijalni resursi u istraživanje i razvoj termičkog polja.
Termički sistem se sastoji od različitih materijala termičkog polja. Ukratko ćemo predstaviti materijale koji se koriste u termičkom polju. Što se tiče raspodjele temperature u termičkom polju i njenog utjecaja na izvlačenje kristala, ovdje to nećemo analizirati. Materijal termičkog polja odnosi se na strukturu i dio termičke izolacije u komori vakuumske peći za rast kristala, što je ključno za stvaranje odgovarajuće raspodjele temperature oko poluprovodničke taline i kristala.
1. Materijal za strukturu termalnog polja
Osnovni noseći materijal za metodu direktnog izvlačenja za uzgoj monokristalnog silicija je grafit visoke čistoće. Grafitni materijali igraju vrlo važnu ulogu u modernoj industriji. Mogu se koristiti kao strukturne komponente toplinskog polja, kao što su...grijači, vodeće cijevi, lonci, izolacijske cijevi, posude za lončiće itd. u pripremi monokristalnog silicija Czochralskijevom metodom.
Grafitni materijaliOdabrani su jer se lako pripremaju u velikim količinama, mogu se obrađivati i otporni su na visoke temperature. Ugljik u obliku dijamanta ili grafita ima višu tačku topljenja od bilo kojeg elementa ili spoja. Grafitni materijali su prilično jaki, posebno na visokim temperaturama, a njihova električna i toplinska provodljivost je također prilično dobra. Njegova električna provodljivost čini ga pogodnim kaogrijačmaterijal. Ima zadovoljavajući koeficijent toplotne provodljivosti, što omogućava da se toplota koju generiše grijač ravnomjerno rasporedi na lonac i druge dijelove toplotnog polja. Međutim, na visokim temperaturama, posebno na velikim udaljenostima, glavni način prenosa toplote je zračenje.
Grafitni dijelovi se inicijalno izrađuju od finih ugljičnih čestica pomiješanih s vezivom i formiraju ekstruzijom ili izostatičkim presovanjem. Visokokvalitetni grafitni dijelovi obično se izostatički presuju. Cijeli komad se prvo karbonizira, a zatim grafitizira na vrlo visokim temperaturama, blizu 3000°C. Dijelovi obrađeni od ovih cijelih komada obično se pročišćavaju u atmosferi koja sadrži hlor na visokim temperaturama kako bi se uklonila metalna kontaminacija i ispunili zahtjevi poluprovodničke industrije. Međutim, čak i nakon pravilnog pročišćavanja, nivo metalne kontaminacije je nekoliko redova veličine veći od onog dozvoljenog za silicijumske monokristalne materijale. Stoga se pri dizajnu termalnog polja mora voditi računa kako bi se spriječilo da kontaminacija ovih komponenti uđe u talinu ili površinu kristala.
Grafitni materijali su slabo propusni, što olakšava preostalom metalu unutra da dopre do površine. Osim toga, silicijum monoksid prisutan u plinu za pročišćavanje oko grafitne površine može prodrijeti u većinu materijala i reagirati.
Rani grijači peći od monokristalnog silicija izrađivani su od vatrostalnih metala poput volframa i molibdena. S rastućom zrelošću tehnologije obrade grafita, električna svojstva veze između grafitnih komponenti postala su stabilna, a grijači peći od monokristalnog silicija potpuno su zamijenili grijače od volframa, molibdena i drugih materijala. Trenutno je najčešće korišteni grafitni materijal izostatički grafit. Tehnologija pripreme izostatičkog grafita u mojoj zemlji je relativno zaostala, a većina grafitnih materijala koji se koriste u domaćoj fotonaponskoj industriji uvozi se iz inostranstva. Strani proizvođači izostatičkog grafita uglavnom uključuju njemački SGL, japanski Tokai Carbon, japanski Toyo Tanso itd. U Czochralski pećima od monokristalnog silicija ponekad se koriste C/C kompozitni materijali, a počeli su se koristiti za proizvodnju vijaka, matica, lončića, ploča za opterećenje i drugih komponenti. Ugljik/ugljik (C/C) kompoziti su kompoziti na bazi ugljika ojačani ugljičnim vlaknima s nizom izvrsnih svojstava kao što su visoka specifična čvrstoća, visoki specifični modul, nizak koeficijent toplinskog širenja, dobra električna provodljivost, visoka žilavost na lom, niska specifična težina, otpornost na toplinske udare, otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature. Trenutno se široko koriste u zrakoplovstvu, trkama, biomaterijalima i drugim područjima kao novi konstrukcijski materijali otporni na visoke temperature. Trenutno su glavna uska grla s kojima se susreću domaći C/C kompoziti i dalje troškovi i problemi industrijalizacije.
Postoje mnogi drugi materijali koji se koriste za izradu termalnih polja. Grafit ojačan ugljičnim vlaknima ima bolja mehanička svojstva; ali je skuplji i ima druge zahtjeve za dizajn.Silicijum karbid (SiC)je bolji materijal od grafita u mnogim aspektima, ali je mnogo skuplji i teži za pripremu dijelova velikih zapremina. Međutim, SiC se često koristi kaoCVD premazkako bi se povećao vijek trajanja grafitnih dijelova izloženih korozivnom silicijum monoksidu, a također može smanjiti kontaminaciju od grafita. Gusti CVD silicijum karbidni premaz efikasno sprječava da kontaminanti unutar mikroporoznog grafitnog materijala dopru do površine.
Drugi je CVD ugljik, koji također može formirati gusti sloj iznad grafitnog dijela. Drugi materijali otporni na visoke temperature, poput molibdena ili keramičkih materijala koji mogu koegzistirati s okolinom, mogu se koristiti tamo gdje ne postoji rizik od kontaminacije taline. Međutim, oksidna keramika je općenito ograničena u svojoj primjenjivosti na grafitne materijale na visokim temperaturama, a postoji malo drugih opcija ako je potrebna izolacija. Jedan je heksagonalni bor nitrid (ponekad se naziva bijeli grafit zbog sličnih svojstava), ali mehanička svojstva su loša. Molibden se općenito razumno koristi za situacije s visokim temperaturama zbog umjerene cijene, niske brzine difuzije u kristalima silicija i vrlo niskog koeficijenta segregacije od oko 5×108, što omogućava određenu količinu kontaminacije molibdenom prije uništavanja kristalne strukture.
2. Materijali za toplinsku izolaciju
Najčešće korišteni izolacijski materijal je karbonski filc u različitim oblicima. Karbonski filc je napravljen od tankih vlakana, koja djeluju kao izolacija jer više puta blokiraju toplinsko zračenje na kratkoj udaljenosti. Meki karbonski filc je utkan u relativno tanke listove materijala, koji se zatim režu u željeni oblik i čvrsto savijaju u razumnom radijusu. Vulkanizirani filc je sastavljen od sličnih vlaknastih materijala, a vezivo koje sadrži ugljik se koristi za povezivanje dispergiranih vlakana u čvršći i oblikovaniji predmet. Upotreba hemijskog taloženja ugljika iz pare umjesto veziva može poboljšati mehanička svojstva materijala.
Tipično, vanjska površina filca za toplinsku izolaciju prekrivena je kontinuiranim grafitnim premazom ili folijom kako bi se smanjila erozija i habanje, kao i kontaminacija česticama. Postoje i druge vrste materijala za toplinsku izolaciju na bazi ugljika, kao što je ugljična pjena. Općenito, grafitizirani materijali su očito poželjniji jer grafitizacija uvelike smanjuje površinu vlakana. Ispuštanje plinova kod ovih materijala s velikom površinom znatno je smanjeno, a potrebno je manje vremena da se peć ispumpa do odgovarajućeg vakuuma. Drugi je C/C kompozitni materijal, koji ima izvanredne karakteristike kao što su mala težina, visoka tolerancija na oštećenja i visoka čvrstoća. Korištenje u termalnim poljima za zamjenu grafitnih dijelova značajno smanjuje učestalost zamjene grafitnih dijelova, poboljšava kvalitet monokristalne strukture i stabilnost proizvodnje.
Prema klasifikaciji sirovine, karbonski filc se može podijeliti na karbonski filc na bazi poliakrilonitrila, karbonski filc na bazi viskoze i karbonski filc na bazi smole.
Ugljični filc na bazi poliakrilonitrila ima veliki sadržaj pepela. Nakon obrade na visokim temperaturama, pojedinačna vlakna postaju krhka. Tokom rada lako se stvara prašina koja zagađuje okolinu peći. Istovremeno, vlakna mogu lako ući u pore i respiratorni trakt ljudskog tijela, što je štetno za ljudsko zdravlje. Ugljični filc na bazi viskoze ima dobre performanse toplotne izolacije. Nakon toplotne obrade je relativno mekan i nije lako stvarati prašinu. Međutim, poprečni presjek sirovih vlakana na bazi viskoze je nepravilan, a na površini vlakana postoji mnogo žljebova. Lako se stvaraju gasovi poput CO2 pod oksidirajućom atmosferom CZ silicijumske peći, što uzrokuje taloženje kisika i ugljičnih elemenata u monokristalnom silicijumskom materijalu. Glavni proizvođači uključuju njemački SGL i druge kompanije. Trenutno se u monokristalnoj industriji poluprovodnika najčešće koristi ugljični filc na bazi smole, koji ima lošije performanse toplotne izolacije od ugljičnog filca na bazi viskoze, ali ugljični filc na bazi smole ima veću čistoću i nižu emisiju prašine. Proizvođači uključuju japanske Kureha Chemical i Osaka Gas.
Budući da oblik karbonskog filca nije fiksan, nezgodno ga je koristiti. Sada su mnoge kompanije razvile novi materijal za toplinsku izolaciju na bazi karbonskog filca - vulkaniziranog karbonskog filca. Vulkanizirani karbonski filc, koji se naziva i tvrdi filc, je karbonski filc određenog oblika i samoodrživog svojstva nakon što se meki filc impregnira smolom, laminira, vulkanizira i karbonizira.
Kvalitet rasta monokristalnog silicija direktno je pod utjecajem termičke okoline, a materijali za termoizolaciju od karbonskih vlakana igraju ključnu ulogu u tom okruženju. Meki filc od karbonskih vlakana za termoizolaciju i dalje ima značajnu prednost u industriji fotonaponskih poluprovodnika zbog svoje cjenovne prednosti, odličnog efekta termoizolacije, fleksibilnog dizajna i prilagodljivog oblika. Osim toga, tvrdi filc od karbonskih vlakana za termoizolaciju imat će veći prostor za razvoj na tržištu materijala za termoizolaciju zbog svoje određene čvrstoće i veće operativnosti. Posvećeni smo istraživanju i razvoju u oblasti materijala za termoizolaciju i kontinuirano optimiziramo performanse proizvoda kako bismo promovirali prosperitet i razvoj industrije fotonaponskih poluprovodnika.
Vrijeme objave: 12. juni 2024.