Η διαδικασία ανάπτυξης του μονοκρυσταλλικού πυριτίου πραγματοποιείται πλήρως στο θερμικό πεδίο. Ένα καλό θερμικό πεδίο συμβάλλει στη βελτίωση της ποιότητας των κρυστάλλων και έχει υψηλότερη απόδοση κρυστάλλωσης. Ο σχεδιασμός του θερμικού πεδίου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις αλλαγές στις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας στο δυναμικό θερμικό πεδίο και τη ροή αερίου στον θάλαμο του κλιβάνου. Η διαφορά στα υλικά που χρησιμοποιούνται στο θερμικό πεδίο καθορίζει άμεσα τη διάρκεια ζωής του θερμικού πεδίου. Ένα παράλογο θερμικό πεδίο όχι μόνο είναι δύσκολο να αναπτυχθούν κρύσταλλοι που πληρούν τις απαιτήσεις ποιότητας, αλλά επίσης δεν μπορεί να αναπτυχθεί πλήρως μονοκρυσταλλικός υπό ορισμένες απαιτήσεις διεργασίας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η βιομηχανία μονοκρυσταλλικού πυριτίου άμεσης έλξης θεωρεί τον σχεδιασμό θερμικού πεδίου ως την πιο βασική τεχνολογία και επενδύει τεράστιο ανθρώπινο δυναμικό και υλικούς πόρους στην έρευνα και ανάπτυξη θερμικού πεδίου.
Το θερμικό σύστημα αποτελείται από διάφορα υλικά θερμικού πεδίου. Παρουσιάζουμε μόνο εν συντομία τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο θερμικό πεδίο. Όσον αφορά την κατανομή της θερμοκρασίας στο θερμικό πεδίο και την επίδρασή της στην έλξη των κρυστάλλων, δεν θα την αναλύσουμε εδώ. Το υλικό του θερμικού πεδίου αναφέρεται στη δομή και το τμήμα θερμομόνωσης στον θάλαμο κλιβάνου κενού ανάπτυξης κρυστάλλων, το οποίο είναι απαραίτητο για τη δημιουργία μιας κατάλληλης κατανομής θερμοκρασίας γύρω από το τήγμα ημιαγωγών και τον κρύσταλλο.
1. Υλικό δομής θερμικού πεδίου
Το βασικό υποστηρικτικό υλικό για τη μέθοδο άμεσης έλξης για την ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι ο γραφίτης υψηλής καθαρότητας. Τα υλικά γραφίτη παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη βιομηχανία. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία θερμικού πεδίου, όπωςθερμαντήρες, σωλήνες οδηγών, χωνευτήρια, μονωτικοί σωλήνες, δίσκοι χωνευτηρίου κ.λπ. στην παρασκευή μονοκρυσταλλικού πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski.
Γραφιτικά υλικάεπιλέγονται επειδή είναι εύκολο να παρασκευαστούν σε μεγάλους όγκους, μπορούν να υποστούν επεξεργασία και είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο άνθρακας με τη μορφή διαμαντιού ή γραφίτη έχει υψηλότερο σημείο τήξης από οποιοδήποτε στοιχείο ή ένωση. Τα υλικά γραφίτη είναι αρκετά ισχυρά, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, και η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητά τους είναι επίσης αρκετά καλή. Η ηλεκτρική του αγωγιμότητα το καθιστά κατάλληλο ωςθερμάστραυλικό. Έχει ικανοποιητικό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, ο οποίος επιτρέπει την ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας που παράγεται από τον θερμαντήρα στο χωνευτήριο και σε άλλα μέρη του θερμικού πεδίου. Ωστόσο, σε υψηλές θερμοκρασίες, ειδικά σε μεγάλες αποστάσεις, ο κύριος τρόπος μεταφοράς θερμότητας είναι η ακτινοβολία.
Τα μέρη γραφίτη κατασκευάζονται αρχικά από λεπτά ανθρακούχα σωματίδια αναμεμειγμένα με ένα συνδετικό υλικό και σχηματίζονται με εξώθηση ή ισοστατική συμπίεση. Τα μέρη γραφίτη υψηλής ποιότητας συνήθως συμπιέζονται ισοστατικά. Ολόκληρο το κομμάτι πρώτα ανθρακοποιείται και στη συνέχεια γραφιτοποιείται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 3000°C. Τα μέρη που υποβάλλονται σε επεξεργασία από αυτά τα ολόκληρα κομμάτια συνήθως καθαρίζονται σε ατμόσφαιρα που περιέχει χλώριο σε υψηλές θερμοκρασίες για την απομάκρυνση της μεταλλικής μόλυνσης, ώστε να πληρούνται οι απαιτήσεις της βιομηχανίας ημιαγωγών. Ωστόσο, ακόμη και μετά τον κατάλληλο καθαρισμό, το επίπεδο μόλυνσης του μετάλλου είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερο από αυτό που επιτρέπεται για τα μονοκρυσταλλικά υλικά πυριτίου. Επομένως, πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα κατά τον σχεδιασμό του θερμικού πεδίου για να αποτρέπεται η είσοδος μόλυνσης αυτών των εξαρτημάτων στην επιφάνεια τήγματος ή κρυστάλλου.
Τα υλικά γραφίτη είναι ελαφρώς διαπερατά, γεγονός που διευκολύνει την πρόσβαση στην επιφάνεια του υπολειπόμενου μετάλλου στο εσωτερικό. Επιπλέον, το μονοξείδιο του πυριτίου που υπάρχει στο αέριο καθαρισμού γύρω από την επιφάνεια του γραφίτη μπορεί να διεισδύσει στα περισσότερα υλικά και να αντιδράσει.
Οι πρώιμοι θερμαντήρες μονοκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονταν από πυρίμαχα μέταλλα όπως βολφράμιο και μολυβδαίνιο. Με την αυξανόμενη ωριμότητα της τεχνολογίας επεξεργασίας γραφίτη, οι ηλεκτρικές ιδιότητες της σύνδεσης μεταξύ των εξαρτημάτων γραφίτη έχουν σταθεροποιηθεί και οι θερμαντήρες μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αντικαταστήσει πλήρως τους θερμαντήρες βολφραμίου, μολυβδαινίου και άλλων υλικών. Προς το παρόν, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό γραφίτη είναι ο ισοστατικός γραφίτης. Η τεχνολογία παρασκευής ισοστατικού γραφίτη της χώρας μου είναι σχετικά καθυστερημένη και τα περισσότερα από τα υλικά γραφίτη που χρησιμοποιούνται στην εγχώρια φωτοβολταϊκή βιομηχανία εισάγονται από το εξωτερικό. Οι ξένοι κατασκευαστές ισοστατικού γραφίτη περιλαμβάνουν κυρίως την SGL της Γερμανίας, την Tokai Carbon της Ιαπωνίας, την Toyo Tanso της Ιαπωνίας κ.λπ. Στους μονοκρυσταλλικούς φούρνους πυριτίου Czochralski, χρησιμοποιούνται μερικές φορές σύνθετα υλικά C/C και έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μπουλονιών, παξιμαδιών, χωνευτηρίων, πλακών φορτίου και άλλων εξαρτημάτων. Τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα (C/C) είναι σύνθετα υλικά με βάση τον άνθρακα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, με μια σειρά από εξαιρετικές ιδιότητες όπως υψηλή ειδική αντοχή, υψηλό ειδικό μέτρο ελαστικότητας, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, υψηλή αντοχή σε θραύση, χαμηλό ειδικό βάρος, αντοχή σε θερμικά σοκ, αντοχή στη διάβρωση και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Προς το παρόν, χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, τους αγώνες, τα βιοϋλικά και άλλους τομείς ως νέα δομικά υλικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Προς το παρόν, τα κύρια σημεία συμφόρησης που αντιμετωπίζουν τα εγχώρια σύνθετα υλικά άνθρακα/ανθρακονήματος εξακολουθούν να είναι τα ζητήματα κόστους και βιομηχανοποίησης.
Υπάρχουν πολλά άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή θερμικών πεδίων. Ο γραφίτης ενισχυμένος με ίνες άνθρακα έχει καλύτερες μηχανικές ιδιότητες, αλλά είναι πιο ακριβός και έχει άλλες απαιτήσεις σχεδιασμού.Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένα καλύτερο υλικό από τον γραφίτη από πολλές απόψεις, αλλά είναι πολύ πιο ακριβό και δύσκολο να κατασκευαστούν εξαρτήματα μεγάλου όγκου. Ωστόσο, το SiC χρησιμοποιείται συχνά ωςΕπίστρωση καρδιαγγειακών παθήσεων (CVD)για την αύξηση της διάρκειας ζωής των γραφιτικών εξαρτημάτων που εκτίθενται σε διαβρωτικό αέριο μονοξειδίου του πυριτίου και μπορεί επίσης να μειώσει τη μόλυνση από γραφίτη. Η πυκνή επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου CVD εμποδίζει αποτελεσματικά τους ρύπους στο εσωτερικό του μικροπορώδους γραφιτικού υλικού να φτάσουν στην επιφάνεια.
Ένα άλλο είναι ο άνθρακας CVD, ο οποίος μπορεί επίσης να σχηματίσει ένα πυκνό στρώμα πάνω από το τμήμα γραφίτη. Άλλα υλικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως το μολυβδαίνιο ή τα κεραμικά υλικά που μπορούν να συνυπάρχουν με το περιβάλλον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου δεν υπάρχει κίνδυνος μόλυνσης του τήγματος. Ωστόσο, τα κεραμικά οξειδίου έχουν γενικά περιορισμένη εφαρμογή σε υλικά γραφίτη σε υψηλές θερμοκρασίες και υπάρχουν λίγες άλλες επιλογές εάν απαιτείται μόνωση. Μία είναι το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (μερικές φορές ονομάζεται λευκός γραφίτης λόγω παρόμοιων ιδιοτήτων), αλλά οι μηχανικές ιδιότητες είναι κακές. Το μολυβδαίνιο χρησιμοποιείται γενικά εύλογα για καταστάσεις υψηλής θερμοκρασίας λόγω του μέτριου κόστους του, του χαμηλού ρυθμού διάχυσης σε κρυστάλλους πυριτίου και ενός πολύ χαμηλού συντελεστή διαχωρισμού περίπου 5×108, ο οποίος επιτρέπει μια ορισμένη ποσότητα μόλυνσης από μολυβδαίνιο πριν καταστραφεί η κρυσταλλική δομή.
2. Θερμομονωτικά υλικά
Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μονωτικό υλικό είναι η τσόχα άνθρακα σε διάφορες μορφές. Η τσόχα άνθρακα είναι κατασκευασμένη από λεπτές ίνες, οι οποίες λειτουργούν ως μόνωση επειδή εμποδίζουν την θερμική ακτινοβολία πολλές φορές σε μικρή απόσταση. Η μαλακή τσόχα άνθρακα υφαίνεται σε σχετικά λεπτά φύλλα υλικού, τα οποία στη συνέχεια κόβονται στο επιθυμητό σχήμα και κάμπτονται σφιχτά σε λογική ακτίνα. Οι σκληρυμένες τσόχες αποτελούνται από παρόμοια ινώδη υλικά και χρησιμοποιείται ένα συνδετικό υλικό που περιέχει άνθρακα για να συνδέσει τις διασκορπισμένες ίνες σε ένα πιο συμπαγές και διαμορφωμένο αντικείμενο. Η χρήση χημικής εναπόθεσης ατμών άνθρακα αντί για συνδετικό υλικό μπορεί να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού.
Συνήθως, η εξωτερική επιφάνεια του θερμομονωτικού υλικού σκληρύνσεως επικαλύπτεται με μια συνεχή επίστρωση ή φύλλο γραφίτη για τη μείωση της διάβρωσης και της φθοράς, καθώς και της μόλυνσης από σωματίδια. Υπάρχουν επίσης και άλλοι τύποι θερμομονωτικών υλικών με βάση τον άνθρακα, όπως ο αφρός άνθρακα. Γενικά, τα γραφιτοποιημένα υλικά προτιμώνται προφανώς επειδή η γραφιτοποίηση μειώνει σημαντικά την επιφάνεια της ίνας. Η απαγωγή αερίων από αυτά τα υλικά μεγάλης επιφάνειας μειώνεται σημαντικά και χρειάζεται λιγότερος χρόνος για την άντληση του κλιβάνου σε κατάλληλο κενό. Ένα άλλο είναι το σύνθετο υλικό C/C, το οποίο έχει εξαιρετικά χαρακτηριστικά όπως ελαφρύ βάρος, υψηλή ανοχή σε ζημιές και υψηλή αντοχή. Χρησιμοποιείται σε θερμικά πεδία για την αντικατάσταση εξαρτημάτων γραφίτη και μειώνει σημαντικά τη συχνότητα αντικατάστασης εξαρτημάτων γραφίτη, βελτιώνει την ποιότητα των μονοκρυσταλλικών και τη σταθερότητα της παραγωγής.
Σύμφωνα με την ταξινόμηση των πρώτων υλών, το ανθρακούχο πέλμα μπορεί να χωριστεί σε ανθρακούχο πέλμα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο, ανθρακούχο πέλμα με βάση τη βισκόζη και ανθρακούχο πέλμα με βάση την πίσσα.
Το ανθρακούχο τσόχα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε τέφρα. Μετά από επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία, η ενιαία ίνα γίνεται εύθραυστη. Κατά τη λειτουργία, είναι εύκολο να δημιουργηθεί σκόνη που μολύνει το περιβάλλον του κλιβάνου. Ταυτόχρονα, η ίνα μπορεί εύκολα να εισέλθει στους πόρους και την αναπνευστική οδό του ανθρώπινου σώματος, κάτι που είναι επιβλαβές για την ανθρώπινη υγεία. Το ανθρακούχο τσόχα με βάση τη βισκόζη έχει καλή απόδοση θερμομόνωσης. Είναι σχετικά μαλακό μετά τη θερμική επεξεργασία και δεν είναι εύκολο να δημιουργηθεί σκόνη. Ωστόσο, η διατομή της ακατέργαστης ίνας με βάση τη βισκόζη είναι ακανόνιστη και υπάρχουν πολλές αυλακώσεις στην επιφάνεια της ίνας. Είναι εύκολο να παραχθούν αέρια όπως το C02 κάτω από την οξειδωτική ατμόσφαιρα του κλιβάνου πυριτίου CZ, προκαλώντας την καθίζηση οξυγόνου και στοιχείων άνθρακα στο μονοκρυσταλλικό πυριτικό υλικό. Οι κύριοι κατασκευαστές περιλαμβάνουν τη γερμανική SGL και άλλες εταιρείες. Προς το παρόν, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο στη βιομηχανία μονοκρυσταλλικών ημιαγωγών είναι το ανθρακούχο τσόχα με βάση την πίσσα, το οποίο έχει χειρότερη απόδοση θερμομόνωσης από το ανθρακούχο τσόχα με βάση τη βισκόζη, αλλά το ανθρακούχο τσόχα με βάση την πίσσα έχει υψηλότερη καθαρότητα και χαμηλότερη εκπομπή σκόνης. Οι κατασκευαστές περιλαμβάνουν τις ιαπωνικές Kureha Chemical και Osaka Gas.
Επειδή το σχήμα του ανθρακονήματος δεν είναι σταθερό, είναι άβολο στη λειτουργία του. Πλέον, πολλές εταιρείες έχουν αναπτύξει ένα νέο θερμομονωτικό υλικό βασισμένο στο ανθρακονημα που έχει σκληρυνθεί με ανθρακονημα. Το σκληρυμένο ανθρακονημα, που ονομάζεται επίσης σκληρό τσόχα, είναι ένα ανθρακονημα με ένα συγκεκριμένο σχήμα και αυτοσυντηρούμενη ιδιότητα αφού το μαλακό τσόχα εμποτιστεί με ρητίνη, ελασματοποιηθεί, σκληρυνθεί και ενανθραυστοποιηθεί.
Η ποιότητα ανάπτυξης του μονοκρυσταλλικού πυριτίου επηρεάζεται άμεσα από το θερμικό περιβάλλον και τα θερμομονωτικά υλικά από ανθρακονήματα παίζουν βασικό ρόλο σε αυτό το περιβάλλον. Η μαλακή τσόχα από θερμομονωτικά υλικά από ανθρακονήματα εξακολουθεί να έχει σημαντικό πλεονέκτημα στη βιομηχανία φωτοβολταϊκών ημιαγωγών λόγω του πλεονεκτήματος κόστους, της εξαιρετικής θερμομονωτικής δράσης, του ευέλικτου σχεδιασμού και του προσαρμόσιμου σχήματος. Επιπλέον, η σκληρή θερμομονωτική τσόχα από ανθρακονήματα θα έχει μεγαλύτερο χώρο ανάπτυξης στην αγορά υλικών θερμικού πεδίου λόγω της συγκεκριμένης αντοχής και της υψηλότερης λειτουργικότητάς της. Έχουμε δεσμευτεί για έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα των θερμομονωτικών υλικών και βελτιστοποιούμε συνεχώς την απόδοση των προϊόντων για να προωθήσουμε την ευημερία και την ανάπτυξη της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών ημιαγωγών.
Ώρα δημοσίευσης: 12 Ιουνίου 2024