Vækstprocessen for monokrystallinsk silicium udføres fuldstændigt i det termiske felt. Et godt termisk felt bidrager til at forbedre krystallernes kvalitet og har en højere krystallisationseffektivitet. Designet af det termiske felt bestemmer i høj grad ændringerne i temperaturgradienter i det dynamiske termiske felt og gasstrømmen i ovnkammeret. Forskellen i de anvendte materialer i det termiske felt bestemmer direkte levetiden for det termiske felt. Et urimeligt termisk felt er ikke kun vanskeligt at dyrke krystaller, der opfylder kvalitetskravene, men kan heller ikke dyrke fuldstændigt monokrystallinsk under visse proceskrav. Derfor anser direct-pull monokrystallinsk siliciumindustri termisk feltdesign som den mest centrale teknologi og investerer enorme arbejdskraft- og materialeressourcer i forskning og udvikling inden for termiske felter.
Det termiske system er sammensat af forskellige termiske feltmaterialer. Vi introducerer kun kort de materialer, der anvendes i det termiske felt. Hvad angår temperaturfordelingen i det termiske felt og dens indvirkning på krystaludtrækning, vil vi ikke analysere det her. Termisk feltmateriale refererer til strukturen og den termiske isoleringsdel i vakuumovnkammeret for krystalvækst, hvilket er afgørende for at skabe en passende temperaturfordeling omkring halvledersmelten og krystallen.
1. Termisk feltstrukturmateriale
Det grundlæggende støttemateriale til direct-pull-metoden til dyrkning af monokrystallinsk silicium er grafit med høj renhed. Grafitmaterialer spiller en meget vigtig rolle i den moderne industri. De kan bruges som strukturelle komponenter i varmefelter, f.eks.varmeapparater, føringsrør, digler, isoleringsrør, digelbakker osv. i fremstillingen af monokrystallinsk silicium ved hjælp af Czochralski-metoden.
Grafitmaterialerer valgt, fordi de er nemme at fremstille i store mængder, kan forarbejdes og er modstandsdygtige over for høje temperaturer. Kulstof i form af diamant eller grafit har et højere smeltepunkt end noget andet element eller forbindelse. Grafitmaterialer er ret stærke, især ved høje temperaturer, og deres elektriske og termiske ledningsevne er også ret god. Dens elektriske ledningsevne gør det velegnet som envarmeapparatmateriale. Det har en tilfredsstillende varmeledningsevne, som gør det muligt for den varme, der genereres af varmelegemet, at blive jævnt fordelt til diglen og andre dele af varmefeltet. Ved høje temperaturer, især over lange afstande, er den primære varmeoverføringsmetode dog stråling.
Grafitdele fremstilles oprindeligt af fine kulstofholdige partikler blandet med et bindemiddel og formes ved ekstrudering eller isostatisk presning. Grafitdele af høj kvalitet presses normalt isostatisk. Hele stykket karboniseres først og derefter grafitiseres ved meget høje temperaturer, tæt på 3000 °C. De dele, der forarbejdes fra disse hele stykker, renses normalt i en klorholdig atmosfære ved høje temperaturer for at fjerne metalforurening og opfylde kravene i halvlederindustriens produktion. Men selv efter korrekt rensning er niveauet af metalforurening flere størrelsesordener højere end det, der er tilladt for monokrystallinske siliciummaterialer. Derfor skal der udvises forsigtighed ved termisk feltdesign for at forhindre forurening af disse komponenter i at trænge ind i smelten eller krystaloverfladen.
Grafitmaterialer er let permeable, hvilket gør det nemt for det resterende metal indeni at nå overfladen. Derudover kan siliciummonoxidet, der er til stede i rensegassen omkring grafitoverfladen, trænge ind i de fleste materialer og reagere.
Tidlige monokrystallinske siliciumovne blev lavet af ildfaste metaller som wolfram og molybdæn. Med den stigende modenhed inden for grafitforarbejdningsteknologi er de elektriske egenskaber ved forbindelsen mellem grafitkomponenter blevet stabile, og monokrystallinske siliciumovne har fuldstændig erstattet wolfram-, molybdæn- og andre materialeovne. I øjeblikket er det mest anvendte grafitmateriale isostatisk grafit. Vores lands teknologi til fremstilling af isostatisk grafit er relativt tilbagestående, og de fleste grafitmaterialer, der anvendes i den indenlandske solcelleindustri, importeres fra udlandet. Udenlandske producenter af isostatisk grafit omfatter primært Tysklands SGL, Japans Tokai Carbon, Japans Toyo Tanso osv. I Czochralskis monokrystallinske siliciumovne anvendes undertiden C/C-kompositmaterialer, og de er begyndt at blive brugt til at fremstille bolte, møtrikker, digler, belastningsplader og andre komponenter. Kulstof/kulstof (C/C) kompositter er kulfiberforstærkede kulstofbaserede kompositter med en række fremragende egenskaber såsom høj specifik styrke, højt specifikt modul, lav termisk udvidelseskoefficient, god elektrisk ledningsevne, høj brudstyrke, lav specifik tyngdekraft, termisk stødmodstand, korrosionsbestandighed og høj temperaturbestandighed. I øjeblikket anvendes de i vid udstrækning inden for luftfart, racerløb, biomaterialer og andre områder som nye højtemperaturbestandige strukturmaterialer. I øjeblikket er de største flaskehalse, som indenlandske C/C-kompositter støder på, stadig omkostnings- og industrialiseringsproblemer.
Der findes mange andre materialer, der bruges til at lave termiske felter. Kulfiberforstærket grafit har bedre mekaniske egenskaber, men det er dyrere og har andre krav til design.Siliciumkarbid (SiC)er et bedre materiale end grafit på mange måder, men det er meget dyrere og vanskeligere at fremstille dele i store mængder. SiC bruges dog ofte som etCVD-belægningfor at forlænge levetiden for grafitdele, der udsættes for korrosiv siliciummonoxidgas, og kan også reducere kontaminering fra grafit. Den tætte CVD-siliciumcarbidbelægning forhindrer effektivt forurenende stoffer inde i det mikroporøse grafitmateriale i at nå overfladen.
Et andet materiale er CVD-kulstof, som også kan danne et tæt lag over grafitdelen. Andre højtemperaturbestandige materialer, såsom molybdæn eller keramiske materialer, der kan sameksistere med miljøet, kan anvendes, hvor der ikke er risiko for at forurene smelten. Oxidkeramik er dog generelt begrænset i deres anvendelighed til grafitmaterialer ved høje temperaturer, og der er få andre muligheder, hvis isolering er påkrævet. En er hexagonal bornitrid (undertiden kaldet hvid grafit på grund af lignende egenskaber), men de mekaniske egenskaber er dårlige. Molybdæn anvendes generelt med rimelighed til høje temperaturer på grund af dets moderate pris, lave diffusionshastighed i siliciumkrystaller og en meget lav segregationskoefficient på omkring 5×108, hvilket tillader en vis mængde molybdænforurening, før krystalstrukturen ødelægges.
2. Varmeisoleringsmaterialer
Det mest anvendte isoleringsmateriale er kulfilt i forskellige former. Kulfilt er lavet af tynde fibre, der fungerer som isolering, fordi de blokerer for termisk stråling flere gange over en kort afstand. Den bløde kulfilt væves til relativt tynde materialeark, som derefter skæres i den ønskede form og bøjes tæt i en rimelig radius. Hærdede filttyper er sammensat af lignende fibermaterialer, og et kulstofholdigt bindemiddel bruges til at forbinde de dispergerede fibre til et mere solidt og formet objekt. Brugen af kemisk dampaflejring af kulstof i stedet for et bindemiddel kan forbedre materialets mekaniske egenskaber.
Typisk er den ydre overflade af den termiske isoleringshærdende filt belagt med en kontinuerlig grafitbelægning eller folie for at reducere erosion og slid samt partikelforurening. Andre typer kulstofbaserede termiske isoleringsmaterialer findes også, såsom kulstofskum. Generelt foretrækkes grafitiserede materialer naturligvis, fordi grafitisering reducerer fiberens overfladeareal betydeligt. Udgasningen af disse materialer med stort overfladeareal reduceres betydeligt, og det tager kortere tid at pumpe ovnen til et passende vakuum. Et andet er C/C-kompositmateriale, som har fremragende egenskaber såsom let vægt, høj skadestolerance og høj styrke. Anvendes i termiske felter til udskiftning af grafitdele, reduceres hyppigheden af udskiftning af grafitdele betydeligt, forbedres monokrystallinsk kvalitet og produktionsstabilitet.
Ifølge råmaterialeklassificeringen kan kulstoffilt opdeles i polyacrylonitrilbaseret kulstoffilt, viskosebaseret kulstoffilt og begbaseret kulstoffilt.
Polyacrylonitril-baseret kulfilt har et højt askeindhold. Efter højtemperaturbehandling bliver den enkelte fiber sprød. Under drift er det let at generere støv, der forurener ovnmiljøet. Samtidig kan fibrene let trænge ind i porerne og luftvejene i menneskekroppen, hvilket er skadeligt for menneskers sundhed. Viskosebaseret kulfilt har god varmeisoleringsevne. Den er relativt blød efter varmebehandling og er ikke let at generere støv. Tværsnittet af den viskosebaserede råfiber er dog uregelmæssigt, og der er mange riller på fiberoverfladen. Det er let at generere gasser som CO2 under den oxiderende atmosfære i CZ-siliciumovnen, hvilket forårsager udfældning af ilt og kulstofelementer i det monokrystallinske siliciummateriale. De vigtigste producenter inkluderer tyske SGL og andre virksomheder. I øjeblikket er den mest anvendte i halvledermonokrystallinske industri begbaseret kulfilt, som har dårligere varmeisoleringsevne end viskosebaseret kulfilt, men begbaseret kulfilt har en højere renhed og en lavere støvemission. Producenter inkluderer japanske Kureha Chemical og Osaka Gas.
Fordi formen på kulfilt ikke er fast, er det ubelejligt at betjene. Nu har mange virksomheder udviklet et nyt varmeisoleringsmateriale baseret på kulfilthærdet kulfilt. Hærdet kulfilt, også kaldet hård filt, er en kulfilt med en bestemt form og selvbærende egenskaber, efter at blød filt er imprægneret med harpiks, lamineret, hærdet og karboniseret.
Vækstkvaliteten af monokrystallinsk silicium påvirkes direkte af det termiske miljø, og kulfiber-termiske isoleringsmaterialer spiller en nøglerolle i dette miljø. Kulfiber-termisk isoleringsfilt har stadig en betydelig fordel i den fotovoltaiske halvlederindustri på grund af dens omkostningsfordel, fremragende termiske isoleringseffekt, fleksible design og tilpassede form. Derudover vil hård kulfiber-termisk isoleringsfilt have større udviklingsplads på markedet for termiske feltmaterialer på grund af dens visse styrke og højere driftssikkerhed. Vi er forpligtet til forskning og udvikling inden for termiske isoleringsmaterialer og optimerer løbende produktets ydeevne for at fremme velstanden og udviklingen af den fotovoltaiske halvlederindustri.
Opslagstidspunkt: 12. juni 2024