El proceso de crecimiento del silicio monocristalino se lleva a cabo completamente en el campo térmico. Un buen campo térmico favorece la mejora de la calidad de los cristales y una mayor eficiencia de cristalización. El diseño del campo térmico determina en gran medida los cambios en los gradientes de temperatura en el campo térmico dinámico y 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 excesivo no solo dificulta el crecimiento de cristales que cumplan con los requisitos de calidad, sino que también impide el crecimiento monocristalino completo bajo ciertas condiciones de proceso. Por ello, la industria del silicio monocristalino de extracción directa considera el diseño del campo térmico como la tecnología clave e invierte una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales en investigación y desarrollo de campos térmicos.
El sistema térmico se compone de diversos materiales de campo térmico. Solo presentaremos brevemente los materiales utilizados en el campo térmico. En cuanto a la distribución de temperatura en el campo térmico y su impacto en la extracción de cristales, no la analizaremos aquí. El material de campo térmico se refiere a la estructura y al aislamiento térmico de la cámara del horno de vacío para el crecimiento de cristales, lo cual es esencial para crear una distribución de temperatura adecuada alrededor de la masa fundida y el cristal del semiconductor.
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 fundamental en la industria moderna. Se pueden utilizar como componentes estructurales de campos térmicos, como...calentadores, tubos guía, crisoles, tubos aislantes, bandejas de crisol, etc. en la preparación de silicio monocristalino por el método Czochralski.
materiales de grafitoSe seleccionan por su facilidad de preparación en grandes volúmenes, su capacidad de procesamiento y su resistencia a altas temperaturas. El carbono en forma de diamante o grafito tiene un punto de fusión más alto que cualquier 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 como...calentadorMaterial. Posee un coeficiente de conductividad térmica satisfactorio, lo que permite que el calor generado por el calentador se distribuya uniformemente al crisol y a otras partes del campo térmico. Sin embargo, a altas temperaturas, especialmente en largas distancias, el principal modo de transferencia de calor es la radiación.
Las piezas de grafito se fabrican inicialmente con finas partículas carbonosas mezcladas con un aglutinante y se forman mediante extrusión o prensado isostático. Las piezas de grafito de alta calidad suelen prensarse isostáticamente. La pieza completa se carboniza primero y luego se grafitiza a temperaturas muy altas, cercanas a los 3000 °C. Las piezas procesadas a partir de estas piezas completas suelen purificarse en una atmósfera clorada a alta temperatura 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, se debe tener cuidado en el diseño del campo térmico para evitar que la contaminación de estos componentes entre en la masa fundida o la superficie del cristal.
Los materiales de grafito son ligeramente permeables, lo que facilita que el metal restante en su interior alcance 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 horno de silicio monocristalino se fabricaban con metales refractarios como el tungsteno y el molibdeno. Con la creciente madurez de la tecnología de procesamiento del grafito, las propiedades eléctricas de la conexión entre los componentes de grafito se han estabilizado, y los calentadores de horno de silicio monocristalino han reemplazado por completo a los calentadores de tungsteno, molibdeno y otros materiales. Actualmente, el grafito más utilizado es el grafito isostático. La tecnología de preparación de grafito isostático en mi país es relativamente anticuada, y la mayoría de los materiales de grafito utilizados en la industria fotovoltaica nacional se importan del extranjero. Entre los fabricantes extranjeros de grafito isostático se incluyen principalmente SGL (Alemania), Tokai Carbon (Japón) y Toyo Tanso (Japón). En los hornos de silicio monocristalino Czochralski, a veces se utilizan materiales compuestos C/C, que han comenzado a emplearse para la fabricación de 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, con excelentes propiedades como alta resistencia específica, alto módulo específico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena conductividad eléctrica, alta tenacidad a la fractura, baja gravedad específica, resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión y resistencia a altas temperaturas. Actualmente, se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, las carreras de autos, los biomateriales y otros campos como nuevos materiales estructurales resistentes a altas temperaturas. Actualmente, los principales obstáculos que enfrentan los compuestos de C/C nacionales siguen siendo el costo y los problemas de industrialización.
Existen muchos otros materiales para fabricar campos térmicos. El grafito reforzado con fibra de carbono ofrece mejores propiedades mecánicas, pero es más caro y presenta otros requisitos de diseño.carburo de silicio (SiC)Es un material mejor que el grafito en muchos aspectos, pero es mucho más caro y difícil de preparar para piezas de gran volumen. Sin embargo, el SiC se utiliza a menudo como...Recubrimiento CVDAumenta la vida útil de las piezas de grafito expuestas al gas corrosivo de monóxido de silicio y reduce la contaminación del grafito. El denso recubrimiento de carburo de silicio CVD impide eficazmente que los contaminantes del grafito microporoso alcancen la superficie.
Otro es el carbono CVD, que también puede formar una capa densa sobre la pieza de grafito. Se pueden utilizar otros materiales resistentes a altas temperaturas, como el molibdeno o los materiales cerámicos que pueden coexistir con el medio ambiente, donde no hay riesgo de contaminar la masa fundida. Sin embargo, la cerámica de óxido generalmente tiene una aplicabilidad limitada a los materiales de grafito a altas temperaturas, y existen pocas otras opciones si se requiere aislamiento. Una de ellas es el nitruro de boro hexagonal (a veces llamado grafito blanco debido a sus propiedades similares), pero sus propiedades mecánicas son deficientes. El molibdeno generalmente se utiliza razonablemente para situaciones de alta temperatura debido a su costo moderado, baja tasa de difusión en cristales de silicio y un coeficiente de segregación muy bajo de aproximadamente 5×10⁻, lo que permite 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 material está compuesto de fibras delgadas que actúan como aislante, bloqueando la radiación térmica repetidamente en una distancia corta. El fieltro de carbono blando se teje en láminas relativamente delgadas, que luego se cortan en la forma deseada y se doblan firmemente con un radio razonable. Los fieltros curados se componen de fibras similares, y se utiliza un aglutinante que contiene carbono para conectar las fibras dispersas y formar un objeto más sólido y con forma. El uso de 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 lámina o revestimiento continuo de grafito 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 considerablemente y se necesita menos tiempo para bombear el horno a un vacío adecuado. Otro material es el compuesto C/C, que posee características excepcionales como ligereza, alta tolerancia al daño y alta resistencia. Su uso en el campo térmico para reemplazar piezas de grafito reduce significativamente la frecuencia de reemplazo de las mismas, 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 presenta un alto contenido de cenizas. Tras el tratamiento a alta temperatura, la fibra 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, lo cual es perjudicial para la salud. El fieltro de carbono a base de viscosa ofrece un buen aislamiento térmico. Es relativamente blando tras el tratamiento térmico y no genera polvo fácilmente. Sin embargo, la sección transversal de la fibra cruda a base de viscosa es irregular y presenta numerosas ranuras en su superficie. En la atmósfera oxidante del horno de silicio CZ, es fácil generar gases como el CO₂, lo que provoca la precipitación de oxígeno y carbono en el silicio monocristalino. Entre los principales fabricantes se encuentran la alemana SGL y otras empresas. Actualmente, el más utilizado en la industria de semiconductores monocristalinos es el fieltro de carbono a base de brea, que presenta un menor aislamiento térmico que el fieltro de carbono a base de viscosa, pero presenta mayor pureza y menor emisión de polvo. Los fabricantes incluyen a Kureha Chemical y Osaka Gas de Japón.
Debido a que la forma del fieltro de carbono no es fija, su manejo resulta complicado. Actualmente, muchas empresas han desarrollado un nuevo material de aislamiento térmico basado en fieltro de carbono curado. El fieltro de carbono curado, también llamado fieltro duro, es un fieltro de carbono con una forma específica y propiedades autosuficientes tras impregnarse con resina, laminarse, curarse y carbonizarse.
La calidad de 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 teniendo una ventaja significativa en la industria de semiconductores fotovoltaicos gracias a su bajo coste, excelente aislamiento térmico, diseño flexible y forma personalizable. Además, el fieltro duro de aislamiento térmico de fibra de carbono tendrá un mayor potencial de desarrollo en el mercado de materiales para el sector térmico 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.
Hora de publicación: 12 de junio de 2024