مطالعه موردی: اجزای گرافیت با خلوص بالا برای میدانهای حرارتی تکبلوری ۳۲ اینچی در رشد سیلیکون نوع N
نویسنده:دکتر استیون کیو، مهندس ارشد مواد نیمههادی و مدیر فنی در VET Energy
منتشر شده:آگوست ۲۰۲۶ | گزارش فنی میدانی و تحلیل مهندسی
خلاصه اجرایی و بررسی اجمالی پروژه
- صنعت:تولید ویفر سیلیکونی نیمههادی و فتوولتائیک خورشیدی
- فرآیند:شمش کشی تک کریستالی چکرالسکی (CZ) نوع N (TOPCon/HJT)
- تجهیزات:کورههای میدانی حرارتی با قطر بزرگ ۳۲ اینچ (۵۰ واحد ارزیابی شده)
- راه حل:قطعات گرافیتی ایزواستاتیک خالص شده با هالوژن عمیق (خاکستر ≤ 2-5 ppm) + پوشش SiC به روش CVD
- تأثیر کمی:طول عمر حاملهای اقلیت از کمتر از ۱۰۰ میکروثانیه به بیشتر از ۳۸۰ میکروثانیه افزایش یافت؛ بازده شمش +۱۸٪؛ طول عمر میدان حرارتی +۳۰٪.
مقدمه: چالش میدان حرارتی ۳۲ اینچی در رشد سیلیکون نوع N با راندمان بالا
همزمان با گذار سریع صنعت فتوولتائیک از سلولهای خورشیدی PERC نوع P به TOPCon نوع N و Heterojunction (HJT)، تقاضا برای ویفرهای سیلیکونی با خلوص بالاتر به شدت افزایش یافته است. زیرلایههای سیلیکونی نوع N به طول عمر حاملهای اقلیت بسیار بالا (معمولاً >300 میکروثانیه) و آلودگی ناخالصی فلزات واسطه نزدیک به صفر نیاز دارند.
برای افزایش توان عملیاتی، تولیدکنندگان ویفر سیلیکونی در حال افزایش اندازه بوتهها به ۳۲ اینچ و فراتر از آن هستند. با این حال، کار در دماهای بیش از ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد در یک میدان حرارتی ۳۲ اینچی، چالشهای مهندسی شدیدی را ایجاد میکند:
- تخریب حرارتی و عدم تقارن:گرادیانهای حرارتی بسیار زیاد باعث تغییر شکل ساختاری و ترک خوردگی در بخاریها و پایههای گرافیتی استاندارد میشوند.
- آلودگی فلزات فرار:عناصر ناخالصی کمیاب (آهن، نیکل، مس، وانادیم) در گرافیت معمولی در طول کشش طولانی مدت کریستال تبخیر میشوند و مستقیماً به سیلیکون مذاب مهاجرت میکنند و باعث تخریب شدید طول عمر حاملهای اقلیت میشوند.
راه حل مهندسی: گرافیت ایزواستاتیک فوق خالص و محافظ SiC CVD
برای غلبه بر این تنگناهای فنی، شرکت VeTek Semiconductor یک ارتقاء جامع مواد را در کل مجموعه میدان حرارتی ۳۲ اینچی اعمال کرد که شامل گرافیت ایزواستاتیک با چگالی بالا تحت خالصسازی هالوژن در دمای بالا و پوششهای محافظ کاربید سیلیکون (SiC) CVD است.
۱. تصفیه عمیق هالوژن (میزان خاکستر ≤ ۲-۵ ppm)
گرافیت صنعتی استاندارد حاوی مقدار زیادی خاکستر در حجم انبوه بین ۵۰ ppm و ۲۰۰ ppm است. در دمای ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد تحت خلاء، این عناصر کمیاب تبخیر میشوند. فرآیند اختصاصی تصفیه گاز هالوژن با دمای بالا ما، ناخالصیهای فلزی را در دماهای بالاتر از ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد به ترکیبات هالوژن فرار (کلریدها/فلورایدها) تبدیل میکند.
- آزمایش طیفسنجی جرمی تخلیه تابشی (GDMS)تأیید میکند که کل ناخالصیهای فلزی (آهن، کروم، نیکل، مس، وانادیم) به کمتر از 0.5 ppm کاهش یافته و به میزان کلی خاکستر ≤ 2 ppm رسیده است.
- نتیجه:از ایجاد گازهای فلزی پس زمینه جلوگیری میکند و از آلودگی حوضچه سیلیکون مذاب در طول بیش از ۱۲۰ ساعت چرخه کشش مداوم محافظت میکند.
۲. ساختار گرافیت ایزواستاتیک با چگالی بالا برای پایداری حرارتی
اجزایی از جمله گرمکن گرافیتی، سوسپتور بوته و بشکه عایق از گرافیت ایزواستاتیک دانه ریز (اندازه دانه کمتر از 10 میکرومتر) با چگالی بالا (1.85 گرم بر سانتیمتر مکعب) ساخته شدهاند. پرس ایزواستاتیک، انبساط حرارتی ایزوتروپیک (CTE) یکنواخت را تضمین میکند و از تنش حرارتی موضعی، تاب برداشتن و ترک خوردگی مکانیکی تحت چرخههای حرارتی مکرر جلوگیری میکند.
۳. پوشش محافظ کاربید سیلیکون (SiC) CVD
اجزای بحرانی که در معرض بخار سیلیکون و گازهای خورنده قرار دارند، با یک لایه متراکم 50 تا 80 میکرومتری از کاربید سیلیکون (SiC) رسوب بخار شیمیایی (CVD) پوشش داده میشوند.
- مانع خوردگی:از واکنش شیمیایی مستقیم بین بخار سیلیکون فرار (SiO2) و زیرلایه گرافیتی (SiO2 + 2C → SiC + CO2) جلوگیری میکند و فرسایش سطحی و تولید گرد و غبار کربن را از بین میبرد.
- دقت هندسی:هندسه دقیق میدان حرارتی را در فواصل سرویس 30٪ طولانیتر حفظ میکند.
دادههای عملکرد اندازهگیری شده و اعتبارسنجی آزمایش میدانی
یک آزمایش میدانی مقایسهای ۶ ماهه در ۵۰ کوره CZ 32 اینچی در مقیاس تولید انبوه در یک کارخانه تولید ویفر سیلیکونی رده ۱ TOPCon انجام شد. در زیر معیار عملکرد مقایسه اجزای گرافیتی استاندارد در برابر محلول میدان حرارتی تصفیهشده VeTek Semiconductor آمده است:
| معیار عملکرد | میدان حرارتی گرافیتی استاندارد | محلول گرافیت خالص شده VeTek |
|---|---|---|
| محتوای خاکستر فله گرافیت | ۵۰ تا ۱۰۰ پیپیام | ≤ ۲ تا ۵ ppm (خالصسازی شده با هالوژن) |
| کل ناخالصیهای فلزی (GDMS) | حدود ۱۵ تا ۳۰ ppm (آهن، نیکل، وانادیم) | <0.5 ppm |
| میانگین طول عمر اپراتورهای اقلیت | ۸۵ تا ۱۲۰ میکروثانیه (واریانس بالا) | ۳۸۰ تا ۴۵۰ میکروثانیه (به طور مداوم بالا) |
| طول عمر قطعه میدان حرارتی | ۶۰ تا ۷۵ چرخه کشیدن | ۹۰ تا ۱۰۵ چرخه کشش (+۳۰٪) |
| نرخ بازده شمش نوع N درجه A | ۷۴.۵٪ | ۹۲.۵٪ (+۱۸٪ بهبود عملکرد) |
سوالات متداول (FAQ)
سوال ۱: علت اصلی افت بازده در کشش سیلیکون مونوکریستالی نوع N 32 اینچی چیست؟
الف۱:افت بازده در درجه اول ناشی از آلودگی ناخالصی فلزی (کاهش طول عمر حاملهای اقلیت) و تغییر شکل حرارتی ساختاری بخاریهای گرافیتی با قطر بزرگ است که فصل مشترک کریستال جامد-مایع را مختل میکند.
Q2: چگونه با تصفیه هالوژن، میزان خاکستر به زیر 5 ppm میرسد؟
الف۲:تصفیه با هالوژن، قطعات گرافیتی را در معرض دمای بالا (بیش از ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد) قرار میدهد و در عین حال گازهای کلر و فلوئور را تزریق میکند. این گازها با عناصر فلزی عمیق واکنش میدهند و آنها را به هالیدهای فلزی فرار تبدیل میکنند که فرار میکنند و گرافیت فوق خالص باقی میماند.
سوال ۳: آیا میتوان پوشش SiC حاصل از CVD را دوباره پوشش داد یا روی تمام اجزای میدان حرارتی گرافیتی اعمال کرد؟
الف۳:پوشش SiC به روش CVD به طور ایدهآل روی اجزایی با سایش بالا مانند بوتههای گرافیتی، هادیهای جریان، گرمکنها و بشکههای عایق اعمال میشود. بسته به سایش زیرلایه، اجزای منتخب را میتوان دوباره ماشینکاری و پوشش داد و هزینههای کلی عملیاتی را کاهش داد.
نتیجهگیری و مشاوره فنی
ارتقاء به اجزای گرافیت ایزواستاتیک فوق خالص با محافظت CVD SiC، مسیری مستقیم و قابل اندازهگیری برای حل گلوگاههای بازده و ناخالصی در رشد سیلیکون تکبلوری نوع N 32 اینچی فراهم میکند. با بهبود 18 درصدی در بازده اولیه و 30 درصدی طول عمر میدان حرارتی، تولیدکنندگان ویفر خورشیدی میتوانند به بازگشت سرمایه قابل توجهی دست یابند.
همین امروز میدان حرارتی مونوکریستالی خود را بهینه کنید
برای دریافت قیمت سفارشی، برگه اطلاعات فنی کامل (TDS) را دانلود کنید یا با کارشناسان مهندسی ما تماس بگیرید.
همین امروز میدان حرارتی مونوکریستالی خود را بهینه کنید
برای دریافت قیمت سفارشی، برگه اطلاعات فنی کامل (TDS) را دانلود کنید یا با کارشناسان مهندسی ما تماس بگیرید.
زمان ارسال: ۱۵ آگوست ۲۰۲۶