El proceso de crecimiento del silicio monocristalino se lleva a cabo completamente en un campo térmico. Un buen campo térmico favorece la mejora de la calidad de los cristales y aumenta la eficiencia de la cristalización. El diseño del campo térmico influye considerablemente en las variaciones de los gradientes de temperatura en el campo térmico dinámico y en el flujo de gas en la cámara del horno. La diferencia en los materiales utilizados en el campo térmico determina directamente su vida útil. Un campo térmico inadecuado no solo dificulta el crecimiento de cristales que cumplan con los requisitos de calidad, sino que tampoco permite el crecimiento de cristales monocristalinos completos bajo ciertas condiciones del proceso. Por ello, la industria del silicio monocristalino de extracción directa considera el diseño del campo térmico como la tecnología más importante e invierte grandes recursos humanos y materiales en su investigación y desarrollo.
El sistema térmico se compone de diversos materiales de campo térmico. Solo presentaremos brevemente los materiales utilizados en dicho campo. En cuanto a la distribución de temperatura en el campo térmico y su impacto en la extracción del cristal, no lo analizaremos aquí. El material del campo térmico se refiere a la estructura y el aislamiento térmico en la cámara del horno de vacío para el crecimiento del cristal, lo cual es esencial para crear una distribución de temperatura adecuada alrededor del semiconductor fundido y el cristal.
1. Material de la estructura del campo térmico
El material de soporte básico para el método de extracción directa para el crecimiento de silicio monocristalino es el grafito de alta pureza. Los materiales de grafito desempeñan un papel muy importante en la industria moderna. Se pueden utilizar como componentes estructurales de campo térmico, tales como:calentadores, tubos guía, crisoles, tubos aislantes, bandejas para crisoles, etc., en la preparación de silicio monocristalino mediante el método Czochralski.
Materiales de grafitoSe seleccionan porque son fáciles de preparar en grandes volúmenes, se pueden procesar y son resistentes a altas temperaturas. El carbono en forma de diamante o grafito tiene un punto de fusión más alto que cualquier otro elemento o compuesto. Los materiales de grafito son bastante resistentes, especialmente a altas temperaturas, y su conductividad eléctrica y térmica también es bastante buena. Su conductividad eléctrica lo hace adecuado comocalentadorEl material posee un coeficiente de conductividad térmica satisfactorio, lo que permite que el calor generado por el calentador se distribuya uniformemente en el crisol y otras partes del campo térmico. Sin embargo, a altas temperaturas, especialmente a largas distancias, el principal modo de transferencia de calor es la radiación.
Las piezas de grafito se fabrican inicialmente a partir de finas partículas carbonáceas mezcladas con un aglutinante y se forman mediante extrusión o prensado isostático. Las piezas de grafito de alta calidad se suelen prensar isostáticamente. La pieza completa se carboniza primero y luego se grafitiza a temperaturas muy elevadas, cercanas a los 3000 °C. Las piezas procesadas a partir de estas piezas completas se purifican habitualmente en una atmósfera clorada a altas temperaturas para eliminar la contaminación metálica y cumplir con los requisitos de la industria de semiconductores. Sin embargo, incluso después de una purificación adecuada, el nivel de contaminación metálica es varios órdenes de magnitud superior al permitido para los materiales monocristalinos de silicio. Por lo tanto, es fundamental tener cuidado en el diseño del campo térmico para evitar que la contaminación de estos componentes penetre en la superficie del metal fundido o del cristal.
Los materiales de grafito son ligeramente permeables, lo que facilita que el metal restante en su interior llegue a la superficie. Además, el monóxido de silicio presente en el gas de purga alrededor de la superficie del grafito puede penetrar en la mayoría de los materiales y reaccionar.
Los primeros calentadores de hornos de silicio monocristalino estaban hechos de metales refractarios como el tungsteno y el molibdeno. Con la creciente madurez de la tecnología de procesamiento de grafito, las propiedades eléctricas de la conexión entre los componentes de grafito se han estabilizado, y los calentadores de hornos de silicio monocristalino han reemplazado por completo a los calentadores de tungsteno, molibdeno y otros materiales. Actualmente, el material de grafito más utilizado es el grafito isostático. La tecnología de preparación de grafito isostático de mi país está relativamente atrasada, y la mayor parte del material de grafito utilizado en la industria fotovoltaica nacional se importa del extranjero. Los fabricantes extranjeros de grafito isostático incluyen principalmente a SGL de Alemania, Tokai Carbon de Japón, Toyo Tanso de Japón, etc. En los hornos de silicio monocristalino Czochralski, a veces se utilizan materiales compuestos C/C, y han comenzado a utilizarse para fabricar pernos, tuercas, crisoles, placas de carga y otros componentes. Los compuestos de carbono/carbono (C/C) son compuestos a base de carbono reforzados con fibra de carbono que poseen excelentes propiedades, como alta resistencia específica, alto módulo específico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena conductividad eléctrica, alta tenacidad a la fractura, baja densidad, resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión y resistencia a altas temperaturas. Actualmente, se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, el automovilismo, los biomateriales y otros campos como nuevos materiales estructurales resistentes a altas temperaturas. Sin embargo, los principales obstáculos que enfrentan los compuestos C/C en el mercado nacional siguen siendo los costos y la industrialización.
Existen muchos otros materiales que se utilizan para fabricar campos térmicos. El grafito reforzado con fibra de carbono tiene mejores propiedades mecánicas; sin embargo, es más caro y requiere un diseño específico.Carburo de silicio (SiC)es un material mejor que el grafito en muchos aspectos, pero es mucho más caro y difícil de preparar piezas de gran volumen. Sin embargo, el SiC se usa a menudo como unrecubrimiento CVDPara prolongar la vida útil de las piezas de grafito expuestas al gas corrosivo monóxido de silicio, y también para reducir la contaminación del grafito. El denso recubrimiento de carburo de silicio CVD impide eficazmente que los contaminantes presentes en el interior del material de grafito microporoso lleguen a la superficie.
Otro material es el carbono CVD, que también puede formar una capa densa sobre la parte de grafito. Otros materiales resistentes a altas temperaturas, como el molibdeno o los materiales cerámicos que pueden coexistir con el entorno, pueden utilizarse cuando no existe riesgo de contaminación del fundido. Sin embargo, las cerámicas de óxido generalmente tienen una aplicabilidad limitada a los materiales de grafito a altas temperaturas, y existen pocas alternativas si se requiere aislamiento. Una de ellas es el nitruro de boro hexagonal (a veces llamado grafito blanco debido a propiedades similares), pero sus propiedades mecánicas son deficientes. El molibdeno se utiliza generalmente de forma razonable en situaciones de alta temperatura debido a su coste moderado, su baja tasa de difusión en los cristales de silicio y un coeficiente de segregación muy bajo de aproximadamente 5 × 10⁸, lo que permite una cierta cantidad de contaminación por molibdeno antes de destruir la estructura cristalina.
2. Materiales de aislamiento térmico
El material aislante más utilizado es el fieltro de carbono en diversas formas. Este fieltro está compuesto por fibras finas que actúan como aislante al bloquear la radiación térmica varias veces en distancias cortas. El fieltro de carbono blando se teje en láminas relativamente delgadas, que luego se cortan con la forma deseada y se doblan firmemente hasta obtener un radio adecuado. Los fieltros curados se componen de materiales fibrosos similares, y se utiliza un aglutinante que contiene carbono para unir las fibras dispersas y formar un objeto más sólido y con una forma definida. El uso de la deposición química de vapor de carbono en lugar de un aglutinante puede mejorar las propiedades mecánicas del material.
Normalmente, la superficie exterior del fieltro de curado de aislamiento térmico se recubre con una capa continua de grafito o una lámina para reducir la erosión, el desgaste y la contaminación por partículas. También existen otros tipos de materiales de aislamiento térmico a base de carbono, como la espuma de carbono. En general, se prefieren los materiales grafitizados, ya que la grafitización reduce considerablemente la superficie de la fibra. La desgasificación de estos materiales de gran superficie se reduce notablemente y se requiere menos tiempo para alcanzar el vacío adecuado en el horno. Otro material es el compuesto C/C, que presenta características excepcionales como ligereza, alta tolerancia al daño y alta resistencia. Su uso en aplicaciones térmicas para reemplazar piezas de grafito reduce significativamente la frecuencia de reemplazo de estas piezas, mejora la calidad monocristalina y la estabilidad de la producción.
Según la clasificación de la materia prima, el fieltro de carbono se puede dividir en fieltro de carbono a base de poliacrilonitrilo, fieltro de carbono a base de viscosa y fieltro de carbono a base de brea.
El fieltro de carbono a base de poliacrilonitrilo tiene un alto contenido de cenizas. Tras el tratamiento a alta temperatura, la fibra individual se vuelve quebradiza. Durante el funcionamiento, genera fácilmente polvo que contamina el ambiente del horno. Además, la fibra puede penetrar fácilmente en los poros y las vías respiratorias del cuerpo humano, lo que resulta perjudicial para la salud. El fieltro de carbono a base de viscosa presenta un buen rendimiento de aislamiento térmico. Tras el tratamiento térmico, es relativamente blando y no genera fácilmente polvo. Sin embargo, la sección transversal de la fibra cruda a base de viscosa es irregular y presenta numerosas estrías en su superficie. En la atmósfera oxidante del horno de silicio CZ, se generan fácilmente gases como el CO2, lo que provoca la precipitación de oxígeno y carbono en el material de silicio monocristalino. Entre los principales fabricantes se encuentran la empresa alemana SGL y otras compañías. Actualmente, el fieltro de carbono a base de brea es el más utilizado en la industria de semiconductores monocristalinos. Si bien presenta un rendimiento de aislamiento térmico inferior al del fieltro de carbono a base de viscosa, el fieltro de carbono a base de brea tiene mayor pureza y menor emisión de polvo. Entre los fabricantes se encuentran las empresas japonesas Kureha Chemical y Osaka Gas.
Debido a que la forma del fieltro de carbono no es fija, su manipulación resulta complicada. Actualmente, muchas empresas han desarrollado un nuevo material de aislamiento térmico basado en fieltro de carbono: el fieltro de carbono curado. El fieltro de carbono curado, también llamado fieltro rígido, es un fieltro de carbono con una forma definida y propiedades autosostenibles que se obtiene tras la impregnación, laminación, curado y carbonización del fieltro blando.
La calidad del crecimiento del silicio monocristalino se ve directamente afectada por el entorno térmico, y los materiales de aislamiento térmico de fibra de carbono desempeñan un papel fundamental en este entorno. El fieltro blando de aislamiento térmico de fibra de carbono sigue presentando una ventaja significativa en la industria de semiconductores fotovoltaicos debido a su rentabilidad, excelente efecto de aislamiento térmico, diseño flexible y forma personalizable. Además, el fieltro rígido de aislamiento térmico de fibra de carbono tendrá un mayor potencial de desarrollo en el mercado de materiales térmicos gracias a su resistencia y mayor operatividad. Nos comprometemos con la investigación y el desarrollo en el campo de los materiales de aislamiento térmico y optimizamos continuamente el rendimiento de nuestros productos para impulsar el desarrollo de la industria de semiconductores fotovoltaicos.
Fecha de publicación: 12 de junio de 2024