Der Wachstumsprozess von monokristallinem Silizium erfolgt vollständig im Thermofeld. Ein gutes Thermofeld verbessert die Kristallqualität und erhöht die Kristallisationseffizienz. Die Auslegung des Thermofelds bestimmt maßgeblich die Temperaturgradienten im dynamischen Thermofeld und den Gasstrom im Ofenraum. Die unterschiedlichen Materialien im Thermofeld beeinflussen direkt dessen Lebensdauer. Ein ungeeignetes Thermofeld erschwert nicht nur die Kristallzüchtung in Qualitätsanforderungen, sondern ermöglicht unter bestimmten Prozessanforderungen auch kein vollständiges monokristallines Wachstum. Deshalb betrachtet die Industrie für direktgezogenes monokristallines Silizium die Auslegung von Thermofeldern als Kerntechnologie und investiert enorme personelle und materielle Ressourcen in die Forschung und Entwicklung im Thermofeldbereich.
Das thermische System besteht aus verschiedenen Thermofeldmaterialien. Wir stellen die im Thermofeld verwendeten Materialien nur kurz vor. Die Temperaturverteilung im Thermofeld und ihre Auswirkungen auf das Kristallziehen werden hier nicht näher erläutert. Das Thermofeldmaterial bezieht sich auf die Struktur und den Wärmedämmungsteil in der Vakuumofenkammer des Kristallwachstums, der für eine angemessene Temperaturverteilung um die Halbleiterschmelze und den Kristall unerlässlich ist.
1. Thermisches Feldstrukturmaterial
Das grundlegende Trägermaterial für das Direktziehverfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium ist hochreiner Graphit. Graphitmaterialien spielen in der modernen Industrie eine sehr wichtige Rolle. Sie können als Wärmefeld-Strukturkomponenten eingesetzt werden, beispielsweiseHeizungen, Führungsrohre, Tiegel, Isolierrohre, Tiegelschalen usw. bei der Herstellung von monokristallinem Silizium nach der Czochralski-Methode.
Graphitmaterialienwerden ausgewählt, weil sie leicht in großen Mengen hergestellt werden können, sich verarbeiten lassen und hohen Temperaturen standhalten. Kohlenstoff in Form von Diamant oder Graphit hat einen höheren Schmelzpunkt als jedes andere Element oder jede andere Verbindung. Graphitmaterialien sind besonders bei hohen Temperaturen sehr fest und haben eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet es sich alsHeizungMaterial. Es verfügt über einen zufriedenstellenden Wärmeleitkoeffizienten, wodurch die vom Heizgerät erzeugte Wärme gleichmäßig auf den Tiegel und andere Teile des Heizfeldes verteilt wird. Bei hohen Temperaturen, insbesondere über große Entfernungen, ist jedoch Strahlung der Hauptwärmeübertragungsmodus.
Graphitteile bestehen zunächst aus feinen kohlenstoffhaltigen Partikeln, die mit einem Bindemittel vermischt und durch Extrusion oder isostatisches Pressen geformt werden. Hochwertige Graphitteile werden üblicherweise isostatisch gepresst. Das gesamte Stück wird zunächst karbonisiert und anschließend bei sehr hohen Temperaturen, nahe 3000 °C, graphitiert. Die aus diesen Teilen hergestellten Teile werden üblicherweise in einer chlorhaltigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen gereinigt, um metallische Verunreinigungen zu entfernen und den Anforderungen der Halbleiterindustrie gerecht zu werden. Selbst nach ordnungsgemäßer Reinigung ist der Grad der metallischen Verunreinigungen jedoch um mehrere Größenordnungen höher als der für einkristalline Siliziummaterialien zulässige Wert. Daher muss bei der Auslegung des Wärmefelds darauf geachtet werden, dass keine Verunreinigungen dieser Komponenten in die Schmelze oder auf die Kristalloberfläche gelangen.
Graphitmaterialien sind leicht durchlässig, wodurch das darin verbleibende Metall leicht an die Oberfläche gelangen kann. Darüber hinaus kann das im Spülgas um die Graphitoberfläche vorhandene Siliziummonoxid in die meisten Materialien eindringen und reagieren.
Frühe monokristalline Siliziumofenheizungen wurden aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram und Molybdän hergestellt. Mit der zunehmenden Reife der Graphitverarbeitungstechnologie wurden die elektrischen Eigenschaften der Verbindung zwischen Graphitkomponenten stabiler, und monokristalline Siliziumofenheizungen haben Wolfram, Molybdän und andere Heizmaterialien vollständig ersetzt. Das derzeit am häufigsten verwendete Graphitmaterial ist isostatischer Graphit. Die Technologie zur Herstellung von isostatischem Graphit in China ist relativ rückständig, und die meisten in der heimischen Photovoltaikindustrie verwendeten Graphitmaterialien werden aus dem Ausland importiert. Zu den ausländischen Herstellern von isostatischem Graphit zählen vor allem die deutschen Unternehmen SGL, Tokai Carbon und Toyo Tanso aus Japan usw. In Czochralski-Öfen für monokristallines Silizium werden manchmal C/C-Verbundwerkstoffe verwendet, und diese werden mittlerweile zur Herstellung von Schrauben, Muttern, Tiegeln, Lastplatten und anderen Komponenten eingesetzt. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe (C/C) sind kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Kohlenstoffbasis mit einer Reihe hervorragender Eigenschaften wie hoher spezifischer Festigkeit, hohem spezifischen Modul, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, guter elektrischer Leitfähigkeit, hoher Bruchzähigkeit, geringer Dichte, Thermoschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit. Sie werden derzeit häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Rennsport, in der Biomaterialindustrie und anderen Bereichen als neue hochtemperaturbeständige Strukturwerkstoffe eingesetzt. Die größten Engpässe bei inländischen C/C-Verbundwerkstoffen sind derzeit noch Kosten- und Industrialisierungsprobleme.
Es gibt viele weitere Materialien zur Herstellung von Wärmefeldern. Kohlenstofffaserverstärkter Graphit hat bessere mechanische Eigenschaften, ist aber teurer und stellt andere Anforderungen an die Konstruktion.Siliziumkarbid (SiC)ist in vielerlei Hinsicht ein besseres Material als Graphit, aber es ist viel teurer und die Herstellung großvolumiger Teile ist schwieriger. SiC wird jedoch häufig alsCVD-BeschichtungDie Lebensdauer von Graphitteilen, die korrosivem Siliziummonoxidgas ausgesetzt sind, wird verlängert und die Graphitverunreinigung kann reduziert werden. Die dichte CVD-Siliziumkarbidbeschichtung verhindert effektiv, dass Verunreinigungen im mikroporösen Graphitmaterial an die Oberfläche gelangen.
Ein weiteres Material ist CVD-Kohlenstoff, der ebenfalls eine dichte Schicht über dem Graphitteil bilden kann. Andere hochtemperaturbeständige Materialien wie Molybdän oder umgebungsbeständige Keramikmaterialien können verwendet werden, wenn keine Gefahr einer Verunreinigung der Schmelze besteht. Allerdings sind Oxidkeramiken im Allgemeinen in ihrer Anwendbarkeit auf Graphitmaterialien bei hohen Temperaturen beschränkt, und es gibt nur wenige andere Optionen, wenn eine Isolierung erforderlich ist. Ein Beispiel ist hexagonales Bornitrid (aufgrund ähnlicher Eigenschaften manchmal auch weißer Graphit genannt), dessen mechanische Eigenschaften jedoch schlecht sind. Molybdän wird im Allgemeinen sinnvoll für Hochtemperaturanwendungen verwendet, da es kostengünstig ist, eine geringe Diffusionsrate in Siliziumkristallen aufweist und einen sehr niedrigen Segregationskoeffizienten von etwa 5×108 hat, der eine gewisse Menge an Molybdänverunreinigungen zulässt, bevor die Kristallstruktur zerstört wird.
2. Wärmedämmstoffe
Das am häufigsten verwendete Dämmmaterial ist Kohlenstofffilz in verschiedenen Formen. Kohlenstofffilz besteht aus dünnen Fasern, die isolierend wirken, da sie die Wärmestrahlung über kurze Distanz mehrfach blockieren. Der weiche Kohlenstofffilz wird zu relativ dünnen Bahnen gewebt, die anschließend in die gewünschte Form geschnitten und in einem angemessenen Radius gebogen werden. Ausgehärtete Filze bestehen aus ähnlichen Fasermaterialien, und ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel verbindet die verteilten Fasern zu einem festeren und formstabileren Objekt. Die chemische Gasphasenabscheidung von Kohlenstoff anstelle eines Bindemittels kann die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessern.
Typischerweise ist die Außenfläche des Wärmedämmfilzes mit einer durchgehenden Graphitschicht oder -folie beschichtet, um Erosion und Verschleiß sowie die Partikelverunreinigung zu reduzieren. Es gibt auch andere Arten von kohlenstoffbasierten Wärmedämmstoffen, wie beispielsweise Kohlenstoffschaum. Generell sind graphitierte Materialien offensichtlich vorzuziehen, da die Graphitisierung die Oberfläche der Fasern stark reduziert. Die Ausgasung dieser Materialien mit großer Oberfläche wird deutlich reduziert, und das Aufpumpen des Ofens auf ein geeignetes Vakuum verkürzt die Zeit. Ein weiteres Beispiel ist C/C-Verbundwerkstoff, der sich durch herausragende Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Schadenstoleranz und hohe Festigkeit auszeichnet. Der Einsatz in thermischen Bereichen als Ersatz für Graphitteile reduziert die Austauschhäufigkeit deutlich und verbessert die monokristalline Qualität und die Produktionsstabilität.
Entsprechend der Rohstoffklassifizierung kann Kohlenstofffilz in Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis, Kohlenstofffilz auf Viskosebasis und Kohlenstofffilz auf Pechbasis unterteilt werden.
Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis hat einen hohen Aschegehalt. Nach der Hochtemperaturbehandlung werden die einzelnen Fasern spröde. Während des Betriebs entsteht leicht Staub, der die Ofenumgebung verschmutzt. Gleichzeitig können die Fasern leicht in die Poren und Atemwege des menschlichen Körpers gelangen, was gesundheitsschädlich ist. Kohlenstofffilz auf Viskosebasis weist eine gute Wärmedämmung auf. Er ist nach der Wärmebehandlung relativ weich und staubt nicht so leicht. Der Querschnitt der viskosebasierten Rohfaser ist jedoch unregelmäßig, und die Faseroberfläche weist viele Rillen auf. In der oxidierenden Atmosphäre des CZ-Siliziumofens können leicht Gase wie CO2 entstehen, die zur Ausfällung von Sauerstoff und Kohlenstoffelementen im monokristallinen Siliziummaterial führen. Zu den wichtigsten Herstellern zählen die deutsche SGL und andere Unternehmen. Derzeit wird in der monokristallinen Halbleiterindustrie am häufigsten pechbasierter Kohlenstofffilz verwendet. Dieser weist eine schlechtere Wärmedämmung als viskosebasierter Kohlenstofffilz auf, ist jedoch reiner und staubärmer. Zu den Herstellern zählen die japanischen Firmen Kureha Chemical und Osaka Gas.
Da die Form von Carbonfilz nicht festgelegt ist, ist seine Handhabung umständlich. Viele Unternehmen haben mittlerweile ein neues Wärmedämmmaterial auf Basis von gehärtetem Carbonfilz entwickelt. Gehärteter Carbonfilz, auch Hartfilz genannt, ist ein Carbonfilz mit einer bestimmten Form und selbsttragenden Eigenschaften, nachdem Weichfilz mit Harz imprägniert, laminiert, gehärtet und karbonisiert wurde.
Die Wachstumsqualität von monokristallinem Silizium wird direkt von der thermischen Umgebung beeinflusst. Wärmedämmstoffe aus Kohlefaser spielen dabei eine Schlüsselrolle. Weicher Wärmedämmfilz aus Kohlefaser bietet in der Photovoltaik-Halbleiterindustrie aufgrund seiner Kostenvorteile, seiner hervorragenden Wärmedämmwirkung, seines flexiblen Designs und seiner individuellen Formgebung weiterhin erhebliche Vorteile. Darüber hinaus bietet harter Wärmedämmfilz aus Kohlefaser aufgrund seiner Festigkeit und höheren Funktionalität einen größeren Entwicklungsspielraum im Markt für Wärmedämmstoffe. Wir engagieren uns in der Forschung und Entwicklung im Bereich der Wärmedämmstoffe und optimieren kontinuierlich die Produktleistung, um den Erfolg und die Entwicklung der Photovoltaik-Halbleiterindustrie zu fördern.
Veröffentlichungszeit: 12. Juni 2024