El procés de creixement del silici monocristal·lí es duu a terme completament en el camp tèrmic. Un bon camp tèrmic afavoreix la millora de la qualitat dels cristalls i té una major eficiència de cristal·lització. El disseny del camp tèrmic determina en gran mesura els canvis en els gradients de temperatura en el camp tèrmic dinàmic i el flux de gas a la cambra del forn. La diferència en els materials utilitzats en el camp tèrmic determina directament la vida útil del camp tèrmic. Un camp tèrmic irraonable no només dificulta el creixement de cristalls que compleixin els requisits de qualitat, sinó que tampoc no pot créixer monocristal·lí complet sota certs requisits del procés. És per això que la indústria del silici monocristal·lí de tracció directa considera el disseny del camp tèrmic com la tecnologia més important i inverteix grans recursos humans i materials en la investigació i el desenvolupament del camp tèrmic.
El sistema tèrmic està compost per diversos materials de camp tèrmic. Només introduirem breument els materials utilitzats en el camp tèrmic. Pel que fa a la distribució de la temperatura en el camp tèrmic i el seu impacte en l'arrossegament del cristall, no l'analitzarem aquí. El material del camp tèrmic fa referència a l'estructura i la part d'aïllament tèrmic de la cambra del forn de buit de creixement del cristall, que és essencial per crear una distribució de temperatura adequada al voltant de la massa fosa del semiconductor i el cristall.
1. Material de l'estructura del camp tèrmic
El material de suport bàsic per al mètode d'extracció directa per fer créixer silici monocristal·lí és el grafit d'alta puresa. Els materials de grafit tenen un paper molt important en la indústria moderna. Es poden utilitzar com a components estructurals de camp de calor, com araescalfadors, tubs guia, gresols, tubs d'aïllament, safates de gresol, etc. en la preparació de silici monocristal·lí mitjançant el mètode de Czochralski.
Materials de grafites seleccionen perquè són fàcils de preparar en grans volums, es poden processar i són resistents a altes temperatures. El carboni en forma de diamant o grafit té un punt de fusió més alt que qualsevol element o compost. Els materials de grafit són força resistents, especialment a altes temperatures, i la seva conductivitat elèctrica i tèrmica també és força bona. La seva conductivitat elèctrica el fa adequat com aescalfadormaterial. Té un coeficient de conductivitat tèrmica satisfactori, que permet que la calor generada per l'escalfador es distribueixi uniformement al gresol i a altres parts del camp de calor. Tanmateix, a altes temperatures, especialment a llargues distàncies, el principal mode de transferència de calor és la radiació.
Les peces de grafit es fabriquen inicialment amb partícules carbonoses fines barrejades amb un aglutinant i formades per extrusió o premsat isostàtic. Les peces de grafit d'alta qualitat solen premsar-se isostàticament. Primer es carbonitza tota la peça i després es grafititza a temperatures molt altes, properes als 3000 °C. Les peces processades a partir d'aquestes peces senceres solen purificar-se en una atmosfera que conté clor a altes temperatures per eliminar la contaminació metàl·lica per complir els requisits de la indústria dels semiconductors. Tanmateix, fins i tot després d'una purificació adequada, el nivell de contaminació metàl·lica és diversos ordres de magnitud superior al permès per als materials monocristal·lins de silici. Per tant, cal tenir cura en el disseny del camp tèrmic per evitar que la contaminació d'aquests components entri a la superfície de la fosa o del cristall.
Els materials de grafit són lleugerament permeables, cosa que facilita que el metall restant a l'interior arribi a la superfície. A més, el monòxid de silici present al gas de purga al voltant de la superfície del grafit pot penetrar a la majoria de materials i reaccionar.
Els primers escalfadors de forn de silici monocristal·lí estaven fets de metalls refractaris com el tungstè i el molibdè. Amb la creixent maduresa de la tecnologia de processament del grafit, les propietats elèctriques de la connexió entre els components del grafit s'han estabilitzat i els escalfadors de forn de silici monocristal·lí han substituït completament els escalfadors de tungstè, molibdè i altres materials. Actualment, el material de grafit més utilitzat és el grafit isostàtic. La tecnologia de preparació de grafit isostàtic del meu país és relativament endarrerida i la majoria dels materials de grafit utilitzats a la indústria fotovoltaica nacional s'importen de l'estranger. Els fabricants estrangers de grafit isostàtic inclouen principalment SGL d'Alemanya, Tokai Carbon del Japó, Toyo Tanso del Japó, etc. Als forns de silici monocristal·lí Czochralski, de vegades s'utilitzen materials compostos C/C i han començat a utilitzar-se per fabricar cargols, femelles, gresols, plaques de càrrega i altres components. Els compostos de carboni/carboni (C/C) són compostos basats en carboni reforçats amb fibra de carboni amb una sèrie d'excel·lents propietats com ara una alta resistència específica, un mòdul específic elevat, un baix coeficient d'expansió tèrmica, una bona conductivitat elèctrica, una alta tenacitat a la fractura, una baixa gravetat específica, resistència al xoc tèrmic, resistència a la corrosió i resistència a altes temperatures. Actualment, s'utilitzen àmpliament en l'aeroespacial, les curses, els biomaterials i altres camps com a nous materials estructurals resistents a altes temperatures. Actualment, els principals colls d'ampolla que troben els compostos de C/C nacionals continuen sent problemes de cost i industrialització.
Hi ha molts altres materials que s'utilitzen per fabricar camps tèrmics. El grafit reforçat amb fibra de carboni té millors propietats mecàniques, però és més car i té altres requisits de disseny.Carbur de silici (SiC)és un material millor que el grafit en molts aspectes, però és molt més car i difícil de preparar peces de gran volum. Tanmateix, el SiC s'utilitza sovint com aRecobriment CVDper augmentar la vida útil de les peces de grafit exposades al gas corrosiu de monòxid de silici i també pot reduir la contaminació del grafit. El dens recobriment de carbur de silici CVD impedeix eficaçment que els contaminants de l'interior del material de grafit microporós arribin a la superfície.
Un altre és el carboni CVD, que també pot formar una capa densa per sobre de la part de grafit. Altres materials resistents a altes temperatures, com el molibdè o els materials ceràmics que poden coexistir amb l'entorn, es poden utilitzar on no hi ha risc de contaminar la fosa. Tanmateix, les ceràmiques d'òxid generalment tenen una aplicabilitat limitada als materials de grafit a altes temperatures, i hi ha poques altres opcions si es requereix aïllament. Una és el nitrur de bor hexagonal (de vegades anomenat grafit blanc a causa de propietats similars), però les propietats mecàniques són deficients. El molibdè s'utilitza generalment raonablement per a situacions d'alta temperatura a causa del seu cost moderat, la baixa taxa de difusió en cristalls de silici i un coeficient de segregació molt baix d'uns 5 × 108, que permet una certa quantitat de contaminació de molibdè abans de destruir l'estructura cristal·lina.
2. Materials d'aïllament tèrmic
El material aïllant més utilitzat és el feltre de carboni en diverses formes. El feltre de carboni està fet de fibres primes, que actuen com a aïllant perquè bloquegen la radiació tèrmica diverses vegades en una distància curta. El feltre de carboni tou es teixeix en làmines de material relativament primes, que després es tallen amb la forma desitjada i es dobleguen fermament en un radi raonable. Els feltres curats estan compostos de materials de fibra similars, i s'utilitza un aglutinant que conté carboni per connectar les fibres disperses en un objecte més sòlid i amb forma. L'ús de la deposició química de vapor de carboni en lloc d'un aglutinant pot millorar les propietats mecàniques del material.
Normalment, la superfície exterior del feltre de curat d'aïllament tèrmic està recoberta amb un recobriment o làmina de grafit continu per reduir l'erosió i el desgast, així com la contaminació per partícules. També existeixen altres tipus de materials d'aïllament tèrmic basats en carboni, com ara l'escuma de carboni. En general, els materials grafititzats són òbviament preferits perquè la grafitització redueix considerablement la superfície de la fibra. La desgasificació d'aquests materials d'alta superfície es redueix considerablement i es triga menys temps a bombar el forn a un buit adequat. Un altre és el material compost C/C, que té característiques destacades com ara pes lleuger, alta tolerància a danys i alta resistència. Utilitzat en camps tèrmics per substituir peces de grafit, redueix significativament la freqüència de substitució de peces de grafit, millora la qualitat monocristal·lina i l'estabilitat de la producció.
Segons la classificació de matèries primeres, el feltre de carboni es pot dividir en feltre de carboni a base de poliacrilonitril, feltre de carboni a base de viscosa i feltre de carboni a base de brea.
El feltre de carboni a base de poliacrilonitril té un alt contingut de cendres. Després del tractament a alta temperatura, la fibra individual es torna fràgil. Durant el funcionament, és fàcil generar pols que contamina l'entorn del forn. Al mateix temps, la fibra pot entrar fàcilment als porus i al tracte respiratori del cos humà, cosa que és perjudicial per a la salut humana. El feltre de carboni a base de viscosa té un bon rendiment d'aïllament tèrmic. És relativament tou després del tractament tèrmic i no és fàcil generar pols. Tanmateix, la secció transversal de la fibra crua a base de viscosa és irregular i hi ha moltes ranures a la superfície de la fibra. És fàcil generar gasos com el C02 sota l'atmosfera oxidant del forn de silici CZ, cosa que provoca la precipitació d'oxigen i elements de carboni al material de silici monocristal·lí. Els principals fabricants inclouen l'alemanya SGL i altres empreses. Actualment, el més utilitzat a la indústria monocristal·lina dels semiconductors és el feltre de carboni a base de brea, que té un pitjor rendiment d'aïllament tèrmic que el feltre de carboni a base de viscosa, però el feltre de carboni a base de brea té una puresa més alta i una menor emissió de pols. Entre els fabricants hi ha les japoneses Kureha Chemical i Osaka Gas.
Com que la forma del feltre de carboni no és fixa, és inconvenient d'operar. Ara moltes empreses han desenvolupat un nou material d'aïllament tèrmic basat en feltre de carboni curat amb feltre de carboni. El feltre de carboni curat, també anomenat feltre dur, és un feltre de carboni amb una determinada forma i propietat autosostenible després que el feltre tou s'impregni amb resina, es lamini, es cura i es carbonitzi.
La qualitat de creixement del silici monocristal·lí es veu afectada directament per l'entorn tèrmic, i els materials d'aïllament tèrmic de fibra de carboni tenen un paper clau en aquest entorn. El feltre tou d'aïllament tèrmic de fibra de carboni encara té un avantatge significatiu en la indústria dels semiconductors fotovoltaics a causa del seu avantatge de cost, l'excel·lent efecte d'aïllament tèrmic, el disseny flexible i la forma personalitzable. A més, el feltre d'aïllament tèrmic dur de fibra de carboni tindrà un major espai de desenvolupament en el mercat de materials de camp tèrmic a causa de la seva certa resistència i major operativitat. Estem compromesos amb la investigació i el desenvolupament en el camp dels materials d'aïllament tèrmic i optimitzem contínuament el rendiment del producte per promoure la prosperitat i el desenvolupament de la indústria dels semiconductors fotovoltaics.
Data de publicació: 12 de juny de 2024