Proces růstu monokrystalického křemíku probíhá kompletně v tepelném poli. Dobré tepelné pole přispívá ke zlepšení kvality krystalů a má vyšší účinnost krystalizace. Konstrukce tepelného pole do značné míry určuje změny teplotních gradientů v dynamickém tepelném poli a proudění plynu v komoře pece. Rozdíl v materiálech použitých v tepelném poli přímo určuje životnost tepelného pole. V nepřiměřeně silném tepelném poli je nejen obtížné pěstovat krystaly, které splňují požadavky na kvalitu, ale také nelze za určitých procesních požadavků vypěstovat kompletní monokrystalický křemík. Proto průmysl s přímým tažením monokrystalického křemíku považuje konstrukci tepelných polí za nejdůležitější technologii a investuje obrovské množství pracovních sil a materiálních zdrojů do výzkumu a vývoje tepelných polí.
Tepelný systém se skládá z různých materiálů tepelného pole. Materiály používané v tepelném poli představíme pouze stručně. Rozložení teploty v tepelném poli a jeho vliv na tažení krystalů zde nebudeme analyzovat. Materiál tepelného pole se vztahuje ke strukturní a tepelně izolační části ve vakuové komoře pece pro růst krystalů, což je nezbytné pro vytvoření vhodného rozložení teploty kolem polovodičové taveniny a krystalu.
1. Materiál pro strukturu tepelného pole
Základním nosným materiálem pro metodu přímého tažení k pěstování monokrystalického křemíku je vysoce čistý grafit. Grafitové materiály hrají v moderním průmyslu velmi důležitou roli. Mohou být použity jako konstrukční prvky tepelného pole, jako napříkladohřívače, vodicí trubky, kelímky, izolační trubice, kelímkové misky atd. při přípravě monokrystalického křemíku Czochralského metodou.
Grafitové materiályjsou vybírány, protože se snadno připravují ve velkých objemech, lze je zpracovávat a jsou odolné vůči vysokým teplotám. Uhlík ve formě diamantu nebo grafitu má vyšší bod tání než jakýkoli jiný prvek nebo sloučenina. Grafitové materiály jsou poměrně pevné, zejména při vysokých teplotách, a jejich elektrická a tepelná vodivost je také docela dobrá. Jeho elektrická vodivost ho činí vhodným jakoohřívačmateriál. Má uspokojivý koeficient tepelné vodivosti, který umožňuje rovnoměrné rozložení tepla generovaného ohřívačem do kelímku a dalších částí tepelného pole. Při vysokých teplotách, zejména na velké vzdálenosti, je však hlavním způsobem přenosu tepla sálání.
Grafitové díly se zpočátku vyrábějí z jemných uhlíkatých částic smíchaných s pojivem a tvarují se extruzí nebo izostatickým lisováním. Vysoce kvalitní grafitové díly se obvykle izostaticky lisují. Celý kus se nejprve karbonizuje a poté grafitizuje při velmi vysokých teplotách, blízkých 3000 °C. Díly zpracované z těchto celých kusů se obvykle čistí v atmosféře obsahující chlór při vysokých teplotách, aby se odstranila kovová kontaminace a splnily se požadavky polovodičového průmyslu. I po řádném čištění je však úroveň kovové kontaminace o několik řádů vyšší, než je povoleno pro křemíkové monokrystalické materiály. Proto je třeba při návrhu tepelného pole dbát na to, aby se zabránilo vniknutí kontaminace těchto složek do taveniny nebo povrchu krystalu.
Grafitové materiály jsou mírně propustné, což usnadňuje zbývajícímu kovu uvnitř dosáhnout povrchu. Oxid křemičitý přítomný v proplachovacím plynu kolem grafitového povrchu navíc může proniknout do většiny materiálů a reagovat.
Rané monokrystalické křemíkové ohřívače pecí byly vyrobeny ze žáruvzdorných kovů, jako je wolfram a molybden. S rostoucí vyspělostí technologie zpracování grafitu se elektrické vlastnosti spojení mezi grafitovými složkami stabilizovaly a monokrystalické křemíkové ohřívače pecí zcela nahradily wolframové, molybdenové a další materiály. V současné době je nejrozšířenějším grafitovým materiálem izostatický grafit. Technologie přípravy izostatického grafitu v naší zemi je relativně zaostalá a většina grafitových materiálů používaných v domácím fotovoltaickém průmyslu se dováží ze zahraničí. Mezi zahraniční výrobce izostatického grafitu patří zejména německá společnost SGL, japonská společnost Tokai Carbon, japonská společnost Toyo Tanso atd. V Czochralského monokrystalických křemíkových pecích se někdy používají kompozitní materiály C/C, které se začaly používat k výrobě šroubů, matic, kelímků, zátěžových desek a dalších součástí. Kompozity uhlík/uhlík (C/C) jsou kompozity na bázi uhlíku vyztužené uhlíkovými vlákny s řadou vynikajících vlastností, jako je vysoká specifická pevnost, vysoký specifický modul, nízký koeficient tepelné roztažnosti, dobrá elektrická vodivost, vysoká lomová houževnatost, nízká specifická hmotnost, odolnost vůči tepelným šokům, odolnost proti korozi a odolnost vůči vysokým teplotám. V současné době se široce používají v leteckém průmyslu, závodech, biomateriálech a dalších oblastech jako nové konstrukční materiály odolné vůči vysokým teplotám. Hlavními problémy, se kterými se domácí kompozity C/C potýkají, jsou v současnosti stále náklady a problémy s industrializací.
Existuje mnoho dalších materiálů používaných k výrobě tepelných polí. Grafit vyztužený uhlíkovými vlákny má lepší mechanické vlastnosti, ale je dražší a má jiné požadavky na konstrukci.Karbid křemíku (SiC)je v mnoha ohledech lepší materiál než grafit, ale je mnohem dražší a obtížnější na výrobu velkoobjemových dílů. SiC se však často používá jakoCVD povlakovánípro prodloužení životnosti grafitových dílů vystavených korozivnímu plynu oxidu křemičitého a také může snížit kontaminaci grafitem. Hustý CVD povlak z karbidu křemíku účinně zabraňuje tomu, aby se kontaminanty uvnitř mikroporézního grafitového materiálu dostaly na povrch.
Dalším je CVD uhlík, který může také tvořit hustou vrstvu nad grafitovou částí. Jiné materiály odolné vůči vysokým teplotám, jako je molybden nebo keramické materiály, které mohou koexistovat s prostředím, lze použít tam, kde nehrozí riziko kontaminace taveniny. Oxidová keramika je však obecně omezená ve své použitelnosti pro grafitové materiály při vysokých teplotách a existuje jen málo dalších možností, pokud je vyžadována izolace. Jedním z nich je hexagonální nitrid boru (někdy nazývaný bílý grafit kvůli podobným vlastnostem), ale mechanické vlastnosti jsou špatné. Molybden se obecně rozumně používá pro situace s vysokými teplotami kvůli jeho mírné ceně, nízké rychlosti difúze v krystalech křemíku a velmi nízkému segregačnímu koeficientu asi 5×108, což umožňuje určité množství kontaminace molybdenem před zničením krystalové struktury.
2. Tepelněizolační materiály
Nejčastěji používaným izolačním materiálem je uhlíková plsť v různých formách. Uhlíková plsť je vyrobena z tenkých vláken, která fungují jako izolace, protože na krátkou vzdálenost několikrát blokují tepelné záření. Měkká uhlíková plsť je tkaná do relativně tenkých listů materiálu, které se poté nastříhají do požadovaného tvaru a pevně ohnou do rozumného poloměru. Vulkanizované plsti se skládají z podobných vláknitých materiálů a k propojení rozptýlených vláken do pevnějšího a tvarovanějšího předmětu se používá pojivo obsahující uhlík. Použití chemického nanášení uhlíku z plynné fáze místo pojiva může zlepšit mechanické vlastnosti materiálu.
Vnější povrch tepelně izolační vytvrzovací plsti je obvykle potažen souvislým grafitovým povlakem nebo fólií, aby se snížila eroze a opotřebení, a také kontaminace částicemi. Existují i jiné typy tepelně izolačních materiálů na bázi uhlíku, jako je uhlíková pěna. Obecně se grafitizované materiály upřednostňují, protože grafitizace výrazně zmenšuje povrchovou plochu vláken. U těchto materiálů s vysokým povrchem se výrazně snižuje odplyňování a načerpání pece do vhodného vakua trvá kratší dobu. Dalším je kompozitní materiál C/C, který má vynikající vlastnosti, jako je nízká hmotnost, vysoká odolnost proti poškození a vysoká pevnost. Použití v tepelných oborech k výměně grafitových dílů výrazně snižuje frekvenci výměny grafitových dílů, zlepšuje monokrystalickou kvalitu a stabilitu výroby.
Podle klasifikace suroviny lze uhlíkovou plsť rozdělit na uhlíkovou plsť na bázi polyakrylonitrilu, uhlíkovou plsť na bázi viskózy a uhlíkovou plsť na bázi smoly.
Uhlíková plsť na bázi polyakrylonitrilu má vysoký obsah popela. Po vysokoteplotním zpracování se jednotlivé vlákno stává křehkým. Během provozu se snadno vytváří prach, který znečišťuje prostředí pece. Zároveň se vlákno může snadno dostat do pórů a dýchacích cest lidského těla, což je škodlivé pro lidské zdraví. Uhlíková plsť na bázi viskózy má dobré tepelně izolační vlastnosti. Po tepelném zpracování je relativně měkká a snadno se v ní netvoří prach. Průřez surového vlákna na bázi viskózy je však nepravidelný a na povrchu vlákna je mnoho drážek. V oxidační atmosféře křemíkové pece CZ se snadno vytvářejí plyny, jako je CO2, což způsobuje srážení kyslíku a uhlíkových prvků v monokrystalickém křemíkovém materiálu. Mezi hlavní výrobce patří německá společnost SGL a další společnosti. V současné době se v polovodičovém monokrystalickém průmyslu nejčastěji používá uhlíková plsť na bázi dehtu, která má horší tepelně izolační vlastnosti než uhlíková plsť na bázi viskózy, ale uhlíková plsť na bázi dehtu má vyšší čistotu a nižší emise prachu. Mezi výrobce patří japonské společnosti Kureha Chemical a Osaka Gas.
Protože tvar uhlíkové plsti není pevný, je její obsluha nepohodlná. V současné době mnoho společností vyvinulo nový tepelněizolační materiál na bázi uhlíkové plsti - vytvrzené uhlíkové plsti. Vytvrzená uhlíková plsť, nazývaná také tvrdá plsť, je uhlíková plsť s určitým tvarem a samoudržitelnými vlastnostmi po impregnaci měkké plsti pryskyřicí, laminaci, vytvrzení a karbonizaci.
Kvalita růstu monokrystalického křemíku je přímo ovlivněna tepelným prostředím a tepelně izolační materiály z uhlíkových vláken hrají v tomto prostředí klíčovou roli. Měkká tepelně izolační plsť z uhlíkových vláken má stále značnou výhodu v průmyslu fotovoltaických polovodičů díky své cenové výhodě, vynikajícímu tepelně izolačnímu účinku, flexibilnímu designu a přizpůsobitelnému tvaru. Kromě toho bude mít tvrdá tepelně izolační plsť z uhlíkových vláken větší prostor pro rozvoj na trhu s tepelně izolačními materiály díky své určité pevnosti a vyšší provozuschopnosti. Jsme odhodláni k výzkumu a vývoji v oblasti tepelně izolačních materiálů a neustále optimalizujeme výkon produktů s cílem podpořit prosperitu a rozvoj průmyslu fotovoltaických polovodičů.
Čas zveřejnění: 12. června 2024