مواد مهمی که کیفیت رشد سیلیکون تک کریستالی را تعیین می‌کنند - میدان حرارتی

فرآیند رشد سیلیکون تک‌بلوری کاملاً در میدان حرارتی انجام می‌شود. یک میدان حرارتی خوب منجر به بهبود کیفیت کریستال‌ها می‌شود و راندمان تبلور بالاتری دارد. طراحی میدان حرارتی تا حد زیادی تغییرات گرادیان دما در میدان حرارتی پویا و جریان گاز در محفظه کوره را تعیین می‌کند. تفاوت در مواد مورد استفاده در میدان حرارتی مستقیماً عمر مفید میدان حرارتی را تعیین می‌کند. یک میدان حرارتی غیرمنطقی نه تنها رشد کریستال‌هایی را که الزامات کیفیت را برآورده می‌کنند دشوار می‌کند، بلکه نمی‌تواند تحت الزامات فرآیندی خاص، تک‌بلوری کامل را نیز رشد دهد. به همین دلیل است که صنعت سیلیکون تک‌بلوری با کشش مستقیم، طراحی میدان حرارتی را به عنوان اصلی‌ترین فناوری در نظر می‌گیرد و نیروی انسانی و منابع مادی عظیمی را در تحقیق و توسعه میدان حرارتی سرمایه‌گذاری می‌کند.

سیستم حرارتی از مواد مختلف میدان حرارتی تشکیل شده است. ما فقط به طور خلاصه مواد مورد استفاده در میدان حرارتی را معرفی می‌کنیم. در مورد توزیع دما در میدان حرارتی و تأثیر آن بر کشش کریستال، در اینجا آن را تجزیه و تحلیل نخواهیم کرد. ماده میدان حرارتی به ساختار و قسمت عایق حرارتی در محفظه کوره خلاء رشد کریستال اشاره دارد که برای ایجاد توزیع دمای مناسب در اطراف مذاب نیمه هادی و کریستال ضروری است.

۱. مواد ساختار میدان حرارتی

ماده پایه برای روش کشش مستقیم جهت رشد سیلیکون تک بلوری، گرافیت با خلوص بالا است. مواد گرافیتی نقش بسیار مهمی در صنعت مدرن ایفا می‌کنند. آنها می‌توانند به عنوان اجزای ساختاری میدان حرارتی مانند ... استفاده شوند.بخاری ها, لوله‌های راهنما, بوته‌ها، لوله‌های عایق، سینی‌های بوته و غیره در تهیه سیلیکون تک‌بلوری به روش چکرالسکی.

مواد گرافیتیبه دلیل سهولت تهیه در حجم زیاد، قابلیت فرآوری و مقاومت در برابر دماهای بالا انتخاب می‌شوند. کربن به شکل الماس یا گرافیت نقطه ذوب بالاتری نسبت به هر عنصر یا ترکیبی دارد. مواد گرافیتی به خصوص در دماهای بالا بسیار قوی هستند و رسانایی الکتریکی و حرارتی آنها نیز بسیار خوب است. رسانایی الکتریکی آن، آن را به عنوان ... مناسب می‌کند.بخاریاین ماده ضریب هدایت حرارتی رضایت‌بخشی دارد که اجازه می‌دهد گرمای تولید شده توسط بخاری به طور یکنواخت در بوته و سایر قسمت‌های میدان گرما توزیع شود. با این حال، در دماهای بالا، به ویژه در فواصل طولانی، حالت اصلی انتقال حرارت، تابش است.

قطعات گرافیتی در ابتدا از ذرات ریز کربنی مخلوط با یک چسب ساخته شده و با اکستروژن یا پرس ایزواستاتیک شکل می‌گیرند. قطعات گرافیتی با کیفیت بالا معمولاً به صورت ایزواستاتیک پرس می‌شوند. کل قطعه ابتدا کربنیزه شده و سپس در دماهای بسیار بالا، نزدیک به 3000 درجه سانتیگراد، گرافیتی می‌شود. قطعات فرآوری شده از این قطعات کامل معمولاً در اتمسفر حاوی کلر در دماهای بالا خالص‌سازی می‌شوند تا آلودگی فلزی از بین برود و الزامات صنعت نیمه‌هادی را برآورده کند. با این حال، حتی پس از خالص‌سازی مناسب، سطح آلودگی فلزی چندین برابر بیشتر از حد مجاز برای مواد تک کریستالی سیلیکون است. بنابراین، باید در طراحی میدان حرارتی دقت شود تا از ورود آلودگی این اجزا به سطح مذاب یا کریستال جلوگیری شود.

مواد گرافیتی کمی نفوذپذیر هستند که باعث می‌شود فلز باقی مانده در داخل به راحتی به سطح برسد. علاوه بر این، مونوکسید سیلیکون موجود در گاز پاک کننده اطراف سطح گرافیت می‌تواند به بیشتر مواد نفوذ کرده و واکنش نشان دهد.

بخاری‌های کوره سیلیکونی تک‌بلوری اولیه از فلزات نسوز مانند تنگستن و مولیبدن ساخته می‌شدند. با بلوغ روزافزون فناوری پردازش گرافیت، خواص الکتریکی اتصال بین اجزای گرافیت پایدار شده و بخاری‌های کوره سیلیکونی تک‌بلوری به طور کامل جایگزین بخاری‌های تنگستن، مولیبدن و سایر مواد شده‌اند. در حال حاضر، پرکاربردترین ماده گرافیتی، گرافیت ایزواستاتیک است. فناوری آماده‌سازی گرافیت ایزواستاتیک کشور من نسبتاً عقب‌مانده است و بیشتر مواد گرافیتی مورد استفاده در صنعت فتوولتائیک داخلی از خارج از کشور وارد می‌شوند. تولیدکنندگان خارجی گرافیت ایزواستاتیک عمدتاً شامل SGL آلمان، Tokai Carbon ژاپن، Toyo Tanso ژاپن و غیره هستند. در کوره‌های سیلیکونی تک‌بلوری Czochralski، گاهی اوقات از مواد کامپوزیت C/C استفاده می‌شود و استفاده از آنها برای ساخت پیچ و مهره، بوته، صفحات بار و سایر قطعات آغاز شده است. کامپوزیت‌های کربن/کربن (C/C) کامپوزیت‌های پایه کربن تقویت‌شده با الیاف کربن هستند که دارای مجموعه‌ای از خواص عالی مانند استحکام ویژه بالا، مدول ویژه بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین، رسانایی الکتریکی خوب، چقرمگی شکست بالا، وزن مخصوص پایین، مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر دمای بالا می‌باشند. در حال حاضر، آنها به طور گسترده در هوافضا، مسابقات اتومبیل‌رانی، مواد زیستی و سایر زمینه‌ها به عنوان مواد ساختاری جدید مقاوم در برابر دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حال حاضر، مشکلات اصلی کامپوزیت‌های C/C داخلی هنوز مسائل مربوط به هزینه و صنعتی‌سازی است.

مواد بسیار دیگری برای ساخت میدان‌های حرارتی استفاده می‌شوند. گرافیت تقویت‌شده با الیاف کربن خواص مکانیکی بهتری دارد؛ اما گران‌تر است و الزامات دیگری برای طراحی دارد.کاربید سیلیکون (SiC)از بسیاری جهات ماده بهتری نسبت به گرافیت است، اما تهیه قطعات با حجم زیاد بسیار گران‌تر و دشوارتر است. با این حال، SiC اغلب به عنوان ... استفاده می‌شود.پوشش‌دهی CVDبرای افزایش عمر قطعات گرافیتی که در معرض گاز خورنده مونوکسید سیلیکون قرار دارند، و همچنین می‌تواند آلودگی ناشی از گرافیت را کاهش دهد. پوشش متراکم کاربید سیلیکون CVD به طور موثری از رسیدن آلودگی‌های داخل ماده گرافیتی ریزمتخلخل به سطح جلوگیری می‌کند.

مورد دیگر کربن CVD است که می‌تواند یک لایه متراکم روی قسمت گرافیتی تشکیل دهد. سایر مواد مقاوم در برابر دمای بالا، مانند مولیبدن یا مواد سرامیکی که می‌توانند با محیط همزیستی داشته باشند، می‌توانند در جایی که خطر آلودگی مذاب وجود ندارد، استفاده شوند. با این حال، سرامیک‌های اکسیدی عموماً در کاربرد خود برای مواد گرافیتی در دماهای بالا محدود هستند و در صورت نیاز به عایق، گزینه‌های کمی دیگر وجود دارد. یکی از آنها نیترید بور شش ضلعی است (که گاهی اوقات به دلیل خواص مشابه گرافیت سفید نامیده می‌شود)، اما خواص مکانیکی آن ضعیف است. مولیبدن به دلیل هزینه متوسط، سرعت انتشار کم در کریستال‌های سیلیکون و ضریب جداسازی بسیار پایین حدود 5×108 که اجازه می‌دهد مقدار مشخصی از آلودگی مولیبدن قبل از تخریب ساختار کریستالی وجود داشته باشد، معمولاً به طور منطقی برای موقعیت‌های دمای بالا استفاده می‌شود.

۲. مواد عایق حرارتی

رایج‌ترین ماده عایق مورد استفاده، نمد کربنی در اشکال مختلف است. نمد کربنی از الیاف نازکی ساخته شده است که به عنوان عایق عمل می‌کنند زیرا تابش حرارتی را چندین بار در یک فاصله کوتاه مسدود می‌کنند. نمد کربنی نرم به صورت ورق‌های نسبتاً نازکی از مواد بافته می‌شود که سپس به شکل مورد نظر برش داده شده و محکم در شعاع معقولی خم می‌شوند. نمدهای پخته شده از مواد الیافی مشابه تشکیل شده‌اند و از یک چسب حاوی کربن برای اتصال الیاف پراکنده به یک جسم جامدتر و شکل‌دارتر استفاده می‌شود. استفاده از رسوب بخار شیمیایی کربن به جای چسب می‌تواند خواص مکانیکی ماده را بهبود بخشد.

معمولاً سطح بیرونی نمد پخت عایق حرارتی با یک پوشش یا فویل گرافیتی پیوسته پوشانده می‌شود تا فرسایش و سایش و همچنین آلودگی ذرات را کاهش دهد. انواع دیگری از مواد عایق حرارتی مبتنی بر کربن نیز وجود دارند، مانند فوم کربن. به طور کلی، مواد گرافیتی شده بدیهی است که ترجیح داده می‌شوند زیرا گرافیتی شدن، سطح الیاف را به میزان زیادی کاهش می‌دهد. خروج گاز از این مواد با سطح بالا به میزان زیادی کاهش می‌یابد و زمان کمتری برای پمپ کردن کوره به خلاء مناسب صرف می‌شود. مورد دیگر، مواد کامپوزیتی C/C است که دارای ویژگی‌های برجسته‌ای مانند وزن سبک، تحمل آسیب بالا و استحکام بالا است. در زمینه‌های حرارتی برای جایگزینی قطعات گرافیتی استفاده می‌شود و به طور قابل توجهی دفعات تعویض قطعات گرافیتی را کاهش می‌دهد، کیفیت تک کریستالی و پایداری تولید را بهبود می‌بخشد.

طبق طبقه‌بندی مواد اولیه، نمد کربن را می‌توان به نمد کربن مبتنی بر پلی‌آکریلونیتریل، نمد کربن مبتنی بر ویسکوز و نمد کربن مبتنی بر قیر تقسیم کرد.
نمد کربنی مبتنی بر پلی‌آکریلونیتریل دارای مقدار زیادی خاکستر است. پس از عملیات حرارتی در دمای بالا، الیاف منفرد شکننده می‌شوند. در حین کار، به راحتی گرد و غبار تولید می‌شود که محیط کوره را آلوده می‌کند. در عین حال، الیاف به راحتی می‌توانند وارد منافذ و مجاری تنفسی بدن انسان شوند که برای سلامتی انسان مضر است. نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز عملکرد عایق حرارتی خوبی دارد. پس از عملیات حرارتی نسبتاً نرم است و به راحتی گرد و غبار تولید نمی‌کند. با این حال، سطح مقطع الیاف خام مبتنی بر ویسکوز نامنظم است و شیارهای زیادی روی سطح الیاف وجود دارد. تولید گازهایی مانند CO2 در جو اکسید کننده کوره سیلیکونی CZ به راحتی انجام می‌شود و باعث رسوب اکسیژن و عناصر کربن در ماده سیلیکونی تک کریستالی می‌شود. تولیدکنندگان اصلی شامل SGL آلمان و سایر شرکت‌ها هستند. در حال حاضر، پرکاربردترین نمد کربنی مبتنی بر قیر در صنعت نیمه‌هادی تک کریستالی، نمد کربنی مبتنی بر قیر است که عملکرد عایق حرارتی بدتری نسبت به نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز دارد، اما نمد کربنی مبتنی بر قیر خلوص بالاتری دارد و انتشار گرد و غبار کمتری دارد. تولیدکنندگان شامل Kureha Chemical ژاپن و Osaka Gas هستند.
از آنجا که شکل نمد کربن ثابت نیست، کار با آن ناخوشایند است. اکنون بسیاری از شرکت‌ها یک ماده عایق حرارتی جدید بر اساس نمد کربنیِ عمل‌آوری‌شده با نمد کربنی توسعه داده‌اند. نمد کربنی عمل‌آوری‌شده که نمد سخت نیز نامیده می‌شود، یک نمد کربنی با شکل خاص و خاصیت خودپایداری است که پس از آغشته شدن نمد نرم با رزین، لمینت شدن، عمل‌آوری و کربنیزه شدن، به دست می‌آید.

کیفیت رشد سیلیکون تک‌بلوری مستقیماً تحت تأثیر محیط حرارتی قرار دارد و مواد عایق حرارتی فیبر کربن نقش کلیدی در این محیط ایفا می‌کنند. نمد نرم عایق حرارتی فیبر کربن به دلیل مزیت هزینه، اثر عایق حرارتی عالی، طراحی انعطاف‌پذیر و شکل قابل تنظیم، هنوز هم در صنعت نیمه‌رسانای فتوولتائیک از مزیت قابل توجهی برخوردار است. علاوه بر این، نمد عایق حرارتی سخت فیبر کربن به دلیل استحکام خاص و قابلیت عملکرد بالاتر، فضای توسعه بیشتری در بازار مواد میدان حرارتی خواهد داشت. ما متعهد به تحقیق و توسعه در زمینه مواد عایق حرارتی هستیم و به طور مداوم عملکرد محصول را بهینه می‌کنیم تا رونق و توسعه صنعت نیمه‌رسانای فتوولتائیک را ارتقا بخشیم.