Monokristallilise räni kasvuprotsess toimub täielikult termoväljas. Hea termoväli soodustab kristallide kvaliteedi paranemist ja omab suuremat kristalliseerumise efektiivsust. Termovälja disain määrab suuresti temperatuurigradientide muutused dünaamilises termoväljas ja gaasivoolu ahjukambris. Termoväljas kasutatavate materjalide erinevus määrab otseselt termovälja kasutusea. Ebamõistlik termoväli mitte ainult ei raskenda kvaliteedinõuetele vastavate kristallide kasvatamist, vaid ei võimalda teatud protsessinõuete kohaselt ka täielikult monokristallilist kristalli kasvatada. Seetõttu peab otsetõmbega monokristallilise räni tööstus termovälja disaini kõige olulisemaks tehnoloogiaks ning investeerib termovälja uurimis- ja arendustegevusse tohutuid tööjõu- ja materiaalseid ressursse.
Soojussüsteem koosneb erinevatest soojusvälja materjalidest. Tutvustame vaid lühidalt soojusväljas kasutatavaid materjale. Soojusvälja temperatuurijaotust ja selle mõju kristallide tõmbamisele me siinkohal ei analüüsi. Soojusvälja materjal viitab kristallide kasvu vaakumahju kambri struktuurile ja soojusisolatsiooni osale, mis on oluline pooljuhtsula ja kristalli ümber sobiva temperatuurijaotuse loomiseks.
1. Soojusvälja struktuurimaterjal
Monokristallilise räni kasvatamise otsetõmbemeetodi põhiline tugimaterjal on kõrge puhtusastmega grafiit. Grafiitmaterjalidel on tänapäeva tööstuses väga oluline roll. Neid saab kasutada soojusvälja konstruktsioonielementidena, näitekskütteseadmed, juhttorud, tiiglid, isolatsioonitorud, tiiglialused jne monokristallilise räni valmistamisel Czochralski meetodil.
Grafiitmaterjalidvalitakse seetõttu, et neid on lihtne suurtes kogustes valmistada, neid saab töödelda ja need on vastupidavad kõrgetele temperatuuridele. Teemandi või grafiidi kujul oleval süsinikul on kõrgem sulamistemperatuur kui ühelgi teisel elemendil või ühendil. Grafiitmaterjalid on üsna tugevad, eriti kõrgetel temperatuuridel, ning nende elektri- ja soojusjuhtivus on samuti üsna hea. Selle elektrijuhtivus muudab selle sobivakskütteseadematerjal. Sellel on rahuldav soojusjuhtivuskoefitsient, mis võimaldab küttekeha tekitatud soojusel tiiglisse ja teistesse soojusvälja osadesse ühtlaselt jaotuda. Kõrgetel temperatuuridel, eriti pikkade vahemaade korral, on aga peamiseks soojusülekande viisiks kiirgus.
Grafiidist osad valmistatakse algselt peentest süsinikuosakestest, mis segatakse sideainega ja moodustatakse ekstrusiooni või isostaatilise pressimise teel. Kvaliteetsed grafiidist osad pressitakse tavaliselt isostaatiliselt. Kogu tükk karboniseeritakse esmalt ja seejärel grafitiseeritakse väga kõrgetel temperatuuridel, umbes 3000 °C juures. Nendest tervikdetailidest valmistatud osad puhastatakse tavaliselt kloori sisaldavas atmosfääris kõrgetel temperatuuridel, et eemaldada metalli saastumine, et see vastaks pooljuhtide tööstuse nõuetele. Isegi pärast nõuetekohast puhastamist on metalli saastumise tase mitu suurusjärku kõrgem kui räni monokristalliliste materjalide puhul lubatud. Seetõttu tuleb termilise välja kujundamisel olla ettevaatlik, et vältida nende komponentide saastumise sattumist sulami või kristalli pinnale.
Grafiitmaterjalid on kergelt läbilaskvad, mis teeb järelejäänud metalli pinnale jõudmise lihtsaks. Lisaks võib grafiidipinna ümber olevas puhastusgaasis olev ränimonooksiid tungida enamikku materjalidesse ja reageerida.
Varased monokristallilise räni ahjukütteseadmed valmistati tulekindlatest metallidest, näiteks volframist ja molübdeenist. Grafiidi töötlemise tehnoloogia küpsemisega on grafiidikomponentide vahelise ühenduse elektrilised omadused stabiliseerunud ning monokristallilise räni ahjukütteseadmed on volframi, molübdeeni ja muude materjalide kütteseadmed täielikult asendanud. Praegu on enimkasutatav grafiidimaterjal isostaatiline grafiit. Meie riigi isostaatilise grafiidi valmistamise tehnoloogia on suhteliselt mahajäänud ja enamik kodumaises fotogalvaanikatööstuses kasutatavaid grafiidimaterjale imporditakse välismaalt. Välismaiste isostaatilise grafiidi tootjate hulka kuuluvad peamiselt Saksamaa SGL, Jaapani Tokai Carbon, Jaapani Toyo Tanso jne. Czochralski monokristallilise räni ahjudes kasutatakse mõnikord C/C komposiitmaterjale ja neid on hakatud kasutama poltide, mutrite, tiiglite, koormusplaatide ja muude komponentide tootmiseks. Süsinik/süsinik (C/C) komposiidid on süsinikkiuga tugevdatud süsinikpõhised komposiidid, millel on mitmeid suurepäraseid omadusi, nagu kõrge eritugevus, kõrge erimoodul, madal soojuspaisumistegur, hea elektrijuhtivus, kõrge purunemiskindlus, madal erikaal, termiline löögikindlus, korrosioonikindlus ja kõrge temperatuuritaluvus. Praegu kasutatakse neid laialdaselt lennunduses, võidusõidus, biomaterjalides ja muudes valdkondades uute kõrge temperatuurikindlate konstruktsioonimaterjalidena. Praegu on kodumaiste C/C-komposiitide peamised kitsaskohad endiselt kulud ja industrialiseerimisega seotud probleemid.
Soojusväljade valmistamiseks kasutatakse palju teisi materjale. Süsinikkiuga tugevdatud grafiidil on paremad mehaanilised omadused, kuid see on kallim ja selle disainile esitatakse teised nõuded.Ränikarbiid (SiC)on mitmes mõttes parem materjal kui grafiit, kuid see on palju kallim ja suuremahuliste osade valmistamine on keerulisem. SiC-i kasutatakse aga sageliCVD-kateet pikendada söövitava ränimonoksiidigaasiga kokkupuutuvate grafiidist osade eluiga ja vähendada grafiidist tulenevat saastumist. Tihe CVD ränikarbiidist kate takistab tõhusalt mikropoorse grafiidimaterjali sees olevate saasteainete pinnale jõudmist.
Teine on CVD-süsinik, mis võib samuti moodustada grafiidiosa kohale tiheda kihi. Kui sulami saastumise ohtu pole, saab kasutada ka teisi kõrge temperatuuriga vastupidavaid materjale, näiteks molübdeeni või keraamilisi materjale, mis võivad keskkonnaga koos eksisteerida. Oksiidkeraamika rakendatavus grafiitmaterjalide puhul kõrgetel temperatuuridel on aga üldiselt piiratud ja kui on vaja isolatsiooni, on vähe muid võimalusi. Üks neist on kuusnurkne boornitriid (sarnaste omaduste tõttu nimetatakse seda mõnikord ka valgeks grafiidiks), kuid selle mehaanilised omadused on halvad. Molübdeeni kasutatakse kõrge temperatuuri korral üldiselt mõistlikult selle mõõduka hinna, madala difusioonikiiruse ränikristallides ja väga madala eraldusteguri (umbes 5 × 108) tõttu, mis võimaldab teatud määral molübdeeni saastumist enne kristallstruktuuri hävitamist.
2. Soojusisolatsioonimaterjalid
Kõige sagedamini kasutatav isolatsioonimaterjal on erinevates vormides süsinikvilt. Süsinikvilt on valmistatud õhukestest kiududest, mis toimivad isolatsioonina, kuna blokeerivad lühikese vahemaa tagant mitu korda soojuskiirgust. Pehmest süsinikvildist kootakse suhteliselt õhukesi materjalilehti, mis seejärel lõigatakse soovitud kujuga ja painutatakse tihedalt mõistliku raadiusega. Kõvastunud vildid koosnevad sarnastest kiudmaterjalidest ja süsinikku sisaldavat sideainet kasutatakse hajutatud kiudude ühendamiseks tahkemaks ja vormikamaks objektiks. Süsiniku keemilise aurustamise kasutamine sideaine asemel võib parandada materjali mehaanilisi omadusi.
Tavaliselt kaetakse soojusisolatsioonivildi välispind pideva grafiitkatte või -fooliumiga, et vähendada erosiooni ja kulumist ning tahkete osakeste saastumist. Samuti on olemas muud tüüpi süsinikupõhiseid soojusisolatsioonimaterjale, näiteks süsinikvaht. Üldiselt on grafiitmaterjalid ilmselgelt eelistatud, kuna grafiitimine vähendab oluliselt kiudude pindala. Nende suure pindalaga materjalide gaaside eraldumine väheneb oluliselt ja ahju sobiva vaakumini pumpamine võtab vähem aega. Teine on C/C komposiitmaterjal, millel on silmapaistvad omadused, nagu kerge kaal, kõrge kahjustustaluvus ja suur tugevus. Grafiitdetailide asendamine termoväljadel vähendab oluliselt grafiitdetailide vahetamise sagedust, parandab monokristallide kvaliteeti ja tootmise stabiilsust.
Tooraine klassifikatsiooni järgi saab süsinikvildi jagada polüakrüülnitriilil põhinevaks süsinikvildiks, viskoosil põhinevaks süsinikvildiks ja pigil põhinevaks süsinikvildiks.
Polüakrüülnitriilil põhinev süsinikvilt on suure tuhasisaldusega. Pärast kõrgel temperatuuril töötlemist muutub üksikkiud hapraks. Töötamise ajal tekib kergesti tolmu, mis saastab ahju keskkonda. Samal ajal võib kiud kergesti sattuda inimkeha pooridesse ja hingamisteedesse, mis on kahjulik inimeste tervisele. Viskoosil põhinev süsinikvilt on hea soojusisolatsioonivõimega. Pärast kuumtöötlust on see suhteliselt pehme ja tolmu ei teki kergesti. Viskoosil põhineva toorkiu ristlõige on aga ebakorrapärane ja kiu pinnal on palju sooni. CZ räniahju oksüdeerivas atmosfääris tekib kergesti gaase, näiteks CO2, mis põhjustab hapniku ja süsiniku elementide sadestumist monokristallilisse ränimaterjali. Peamised tootjad on Saksa SGL ja teised ettevõtted. Praegu kasutatakse pooljuhtide monokristallilises tööstuses kõige laialdasemalt pigil põhinevat süsinikvilti, millel on halvem soojusisolatsioonivõime kui viskoosil põhineval süsinikvildil, kuid pigil põhinev süsinikvilt on puhtusastmelt kõrgem ja tolmuemissioon madalam. Tootjate hulka kuuluvad Jaapani Kureha Chemical ja Osaka Gas.
Kuna süsinikvildi kuju pole fikseeritud, on selle käsitsemine ebamugav. Nüüd on paljud ettevõtted välja töötanud uue soojusisolatsioonimaterjali, mis põhineb süsinikvildiga kõvendatud süsinikvildil. Kõvendatud süsinikvilt, mida nimetatakse ka kõvaks vildiks, on süsinikvilt, millel on teatud kuju ja isemajandav omadus pärast pehme vildi immutamist vaiguga, lamineerimist, kõvendamist ja karboniseerimist.
Monokristallilise räni kasvukvaliteeti mõjutab otseselt termiline keskkond ja süsinikkiust soojusisolatsioonimaterjalid mängivad selles keskkonnas võtmerolli. Süsinikkiust soojusisolatsiooni pehmel vildil on fotogalvaaniliste pooljuhtide tööstuses endiselt märkimisväärne eelis tänu oma kulueelise, suurepärase soojusisolatsiooniefekti, paindliku disaini ja kohandatava kuju tõttu. Lisaks on süsinikkiust kõval soojusisolatsioonivildil oma teatud tugevuse ja parema töökindluse tõttu soojusvälja materjalide turul suurem arendusruum. Oleme pühendunud teadus- ja arendustegevusele soojusisolatsioonimaterjalide valdkonnas ning optimeerime pidevalt toote toimivust, et edendada fotogalvaaniliste pooljuhtide tööstuse õitsengut ja arengut.
Postituse aeg: 12. juuni 2024