Monokiteisen piin kasvuprosessi tapahtuu kokonaan lämpökentässä. Hyvä lämpökenttä parantaa kiteiden laatua ja sillä on korkeampi kiteytymistehokkuus. Lämpökentän suunnittelu määrää suurelta osin lämpötilagradienttien muutokset dynaamisessa lämpökentässä ja kaasun virtauksen uunikammiossa. Lämpökentässä käytettyjen materiaalien erot määräävät suoraan lämpökentän käyttöiän. Kohtuuton lämpökenttä ei ainoastaan vaikeuta laatuvaatimukset täyttävien kiteiden kasvattamista, vaan se ei myöskään pysty kasvattamaan täydellisiä monokiteisiä tuotteita tietyissä prosessivaatimuksissa. Siksi suoravetoinen monokiteinen piiteollisuus pitää lämpökentän suunnittelua tärkeimpänä teknologianaan ja investoi valtavia työvoima- ja materiaaliresursseja lämpökentän tutkimukseen ja kehitykseen.
Lämpöjärjestelmä koostuu erilaisista lämpökenttämateriaaleista. Esittelemme vain lyhyesti lämpökentässä käytetyt materiaalit. Lämpökentän lämpötilajakaumaa ja sen vaikutusta kiteen vetämiseen emme analysoi tässä. Lämpökenttämateriaalilla tarkoitetaan kiteenkasvatuskammion tyhjiökammion rakennetta ja lämmöneristysosaa, joka on välttämätön sopivan lämpötilajakauman luomiseksi puolijohdesulaan ja kiteeseen.
1. Lämpökentän rakennemateriaali
Yksikiteisen piin suoravetomenetelmän perusmateriaali on erittäin puhdas grafiitti. Grafiittimateriaaleilla on erittäin tärkeä rooli nykyaikaisessa teollisuudessa. Niitä voidaan käyttää lämpökentän rakenneosina, kutenlämmittimet, ohjausputket, upokkaat, eristysputket, upokasalustat jne. monokiteisen piin valmistuksessa Czochralskin menetelmällä.
Grafiittimateriaalitvalitaan, koska niitä on helppo valmistaa suuria määriä, ne voidaan käsitellä ja ne kestävät korkeita lämpötiloja. Timantin tai grafiitin muodossa olevalla hiilellä on korkeampi sulamispiste kuin millään alkuaineella tai yhdisteellä. Grafiittimateriaalit ovat melko vahvoja, erityisesti korkeissa lämpötiloissa, ja niiden sähkön- ja lämmönjohtavuus on myös melko hyvä. Sen sähkönjohtavuus tekee siitä sopivanlämmitinmateriaali. Sillä on tyydyttävä lämmönjohtavuuskerroin, jonka ansiosta lämmittimen tuottama lämpö jakautuu tasaisesti upokkaaseen ja muihin lämpökentän osiin. Korkeissa lämpötiloissa, erityisesti pitkillä etäisyyksillä, pääasiallinen lämmönsiirtotapa on kuitenkin säteily.
Grafiittiosat valmistetaan alun perin hienoista hiilipitoisista hiukkasista, jotka sekoitetaan sideaineen kanssa ja muovataan ekstruusiolla tai isostaattisella puristuksella. Korkealaatuiset grafiittiosat puristetaan yleensä isostaattisesti. Koko kappale ensin hiilestetään ja sitten grafitoidaan erittäin korkeissa lämpötiloissa, lähes 3000 °C:ssa. Näistä kokonaisista kappaleista valmistetut osat puhdistetaan yleensä klooripitoisessa ilmakehässä korkeissa lämpötiloissa metallikontaminaation poistamiseksi puolijohdeteollisuuden vaatimusten täyttämiseksi. Kuitenkin jopa asianmukaisen puhdistuksen jälkeen metallikontaminaation taso on useita kertaluokkia korkeampi kuin piimonokiteisten materiaalien sallittu taso. Siksi lämpökentän suunnittelussa on oltava huolellinen, jotta näiden komponenttien kontaminaatio ei pääse sulan tai kiteen pinnalle.
Grafiittimateriaalit ovat hieman läpäiseviä, minkä ansiosta jäljelle jäänyt metalli pääsee helposti pintaan. Lisäksi grafiittipinnan ympärillä oleva puhdistuskaasun piimonoksidi voi tunkeutua useimpiin materiaaleihin ja reagoida.
Varhaiset monokiteiset piiuunit valmistettiin tulenkestävistä metalleista, kuten volframista ja molybdeenistä. Grafiitin jalostustekniikan kypsyessä grafiittikomponenttien välisten liitosten sähköiset ominaisuudet ovat vakiintuneet, ja monokiteiset piiuunit ovat korvanneet volframin, molybdeenin ja muut materiaalilämmittimet kokonaan. Tällä hetkellä yleisimmin käytetty grafiittimateriaali on isostaattinen grafiitti. Isostaattisen grafiitin valmistustekniikka on suhteellisen takapajuista, ja suurin osa kotimaisessa aurinkosähköteollisuudessa käytetyistä grafiittimateriaaleista tuodaan ulkomailta. Ulkomaisia isostaattisen grafiitin valmistajia ovat pääasiassa Saksan SGL, Japanin Tokai Carbon ja Japanin Toyo Tanso. Czochralskin monokiteisissä piiuuneissa käytetään joskus C/C-komposiittimateriaaleja, ja niitä on alettu käyttää pulttien, muttereiden, upokkaiden, kuormituslevyjen ja muiden komponenttien valmistukseen. Hiili/hiili (C/C) -komposiitit ovat hiilikuitulujitettuja hiilipohjaisia komposiitteja, joilla on useita erinomaisia ominaisuuksia, kuten korkea ominaislujuus, korkea ominaismoduuli, alhainen lämpölaajenemiskerroin, hyvä sähkönjohtavuus, korkea murtumissitkeys, alhainen ominaispaino, lämmönshokin kestävyys, korroosionkestävyys ja korkean lämpötilan kestävyys. Tällä hetkellä niitä käytetään laajalti ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, kilpa-autoilussa, biomateriaaleissa ja muilla aloilla uusina korkeita lämpötiloja kestävinä rakennemateriaaleina. Tällä hetkellä kotimaisten hiili-hiilikomposiittien suurimmat pullonkaulat ovat edelleen kustannukset ja teollistumisongelmat.
Lämpökenttien valmistukseen käytetään monia muita materiaaleja. Hiilikuituvahvisteisella grafiitilla on paremmat mekaaniset ominaisuudet, mutta se on kalliimpaa ja sen suunnittelulle asetetaan muita vaatimuksia.Piikarbidi (SiC)on monessa suhteessa grafiittia parempi materiaali, mutta se on paljon kalliimpaa ja vaikeampaa valmistaa suuria osia. Piikarbidia käytetään kuitenkin useinCVD-pinnoitepidentää syövyttävälle piimonoksidikaasulle altistuvien grafiittiosien käyttöikää ja vähentää grafiitista johtuvaa kontaminaatiota. Tiheä CVD-piikarbidipinnoite estää tehokkaasti mikrohuokoisen grafiittimateriaalin sisällä olevien epäpuhtauksien pääsyn pintaan.
Toinen on CVD-hiili, joka voi myös muodostaa tiheän kerroksen grafiittiosan yläpuolelle. Muita korkeita lämpötiloja kestäviä materiaaleja, kuten molybdeeniä tai keraamisia materiaaleja, jotka voivat esiintyä rinnakkain ympäristön kanssa, voidaan käyttää, jos ei ole vaaraa sulan kontaminaatiosta. Oksidikeraamien soveltuvuus grafiittimateriaaleihin korkeissa lämpötiloissa on kuitenkin yleensä rajallista, ja jos eristystä tarvitaan, muita vaihtoehtoja on vähän. Yksi on kuusikulmainen boorinitridi (joskus kutsutaan valkoiseksi grafiitiksi samankaltaisten ominaisuuksien vuoksi), mutta sen mekaaniset ominaisuudet ovat huonot. Molybdeeniä käytetään yleensä kohtuullisesti korkeissa lämpötiloissa sen kohtuullisen hinnan, alhaisen diffuusionopeuden piikiteissä ja erittäin alhaisen noin 5 × 108:n erottumiskertoimen vuoksi, mikä sallii tietyn määrän molybdeenikontaminaatiota ennen kiderakenteen tuhoutumista.
2. Lämmöneristysmateriaalit
Yleisimmin käytetty eristemateriaali on hiilihuopa eri muodoissa. Hiilihuopa on valmistettu ohuista kuiduista, jotka toimivat eristeenä, koska ne estävät lämpösäteilyn useita kertoja lyhyellä matkalla. Pehmeä hiilihuopa kudotaan suhteellisen ohuiksi materiaalilevyiksi, jotka sitten leikataan haluttuun muotoon ja taivutetaan tiukasti kohtuulliseen säteeseen. Kovettuneet huovat koostuvat samankaltaisista kuitumateriaaleista, ja hiiltä sisältävää sideainetta käytetään yhdistämään dispergoituneet kuidut kiinteämmäksi ja muotoillummaksi kappaleeksi. Hiilen kemiallisen höyrypinnoituksen käyttö sideaineen sijaan voi parantaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.
Tyypillisesti lämpöeristyskovetushuovan ulkopinta päällystetään jatkuvalla grafiittipinnoitteella tai -kalvolla eroosion ja kulumisen sekä hiukkaskontaminaation vähentämiseksi. On olemassa myös muita hiilipohjaisia lämmöneristysmateriaaleja, kuten hiilivaahto. Yleisesti ottaen grafitoituja materiaaleja suositaan luonnollisesti, koska grafitointi pienentää huomattavasti kuidun pinta-alaa. Näiden suuren pinta-alan materiaalien kaasunmuodostus vähenee huomattavasti, ja uunin pumppaaminen sopivaan tyhjiöön vie vähemmän aikaa. Toinen on C/C-komposiittimateriaali, jolla on erinomaisia ominaisuuksia, kuten keveys, korkea vaurionsietokyky ja korkea lujuus. Lämpökentillä grafiittiosien korvaaminen vähentää merkittävästi grafiittiosien vaihtotiheyttä, parantaa monokiteistä laatua ja tuotannon vakautta.
Raaka-aineluokituksen mukaan hiilihuopa voidaan jakaa polyakrylonitriilipohjaiseen hiilihuopaan, viskoosipohjaiseen hiilihuopaan ja pihkapohjaiseen hiilihuopaan.
Polyakrylonitriilipohjaisella hiilihuovalla on suuri tuhkapitoisuus. Korkean lämpötilan käsittelyn jälkeen yksittäinen kuitu haurastuu. Käytön aikana syntyy helposti pölyä, joka saastuttaa uunin ympäristöä. Samalla kuitu voi helposti päästä ihmiskehon huokosiin ja hengitysteihin, mikä on haitallista ihmisten terveydelle. Viskoosipohjaisella hiilihuovalla on hyvä lämmöneristyskyky. Se on lämpökäsittelyn jälkeen suhteellisen pehmeää eikä pölyä helposti. Viskoosipohjaisen raakakuidun poikkileikkaus on kuitenkin epäsäännöllinen, ja kuidun pinnalla on paljon uria. CZ-piiuunin hapettavassa ilmakehässä syntyy helposti kaasuja, kuten C02:ta, mikä aiheuttaa hapen ja hiilen saostumista monokiteiseen piimateriaaliin. Tärkeimpiä valmistajia ovat saksalainen SGL ja muut yritykset. Tällä hetkellä puolijohdemonokiteisessä teollisuudessa yleisimmin käytetty on pihkapohjainen hiilihuopa, jonka lämmöneristyskyky on huonompi kuin viskoosipohjaisella hiilihuovalla, mutta pihkapohjaisella hiilihuovalla on korkeampi puhtaus ja alhaisempi pölypäästö. Valmistajia ovat japanilainen Kureha Chemical ja Osaka Gas.
Koska hiilihuovan muoto ei ole kiinteä, sen käyttö on hankalaa. Nyt monet yritykset ovat kehittäneet uuden lämmöneristysmateriaalin, joka perustuu hiilihuovalla kovetettuun hiilihuopaan. Kovetettu hiilihuopa, jota kutsutaan myös kovaksi huovaksi, on hiilihuopa, jolla on tietty muoto ja itsestään ylläpitävä ominaisuus, kun pehmeä huopa kyllästetään hartsilla, laminoidaan, kovetetaan ja hiiletetään.
Monokiteisen piin kasvulaatuun vaikuttaa suoraan lämpöympäristö, ja hiilikuitueristemateriaaleilla on tässä ympäristössä keskeinen rooli. Hiilikuitueristehuovalla on edelleen merkittävä etu aurinkosähköpuolijohdeteollisuudessa kustannusedunsa, erinomaisen lämmöneristyskykynsä, joustavan suunnittelunsa ja muokattavansa muotonsa ansiosta. Lisäksi hiilikuituisella kovalla lämpöeristehuovalla on enemmän kehitystilaa lämpökenttämateriaalien markkinoilla tietyn lujuutensa ja paremman käytettävyytensä ansiosta. Olemme sitoutuneet tutkimukseen ja kehitykseen lämmöneristysmateriaalien alalla ja optimoimme jatkuvasti tuotteiden suorituskykyä edistääksemme aurinkosähköpuolijohdeteollisuuden vaurautta ja kehitystä.
Julkaisun aika: 12. kesäkuuta 2024