O proceso de crecemento do silicio monocristalino lévase a cabo completamente no campo térmico. Un bo campo térmico favorece a mellora da calidade dos cristais e ten unha maior eficiencia de cristalización. O deseño do campo térmico determina en gran medida os cambios nos gradientes de temperatura no campo térmico dinámico e o fluxo de gas na cámara do forno. A diferenza nos materiais utilizados no campo térmico determina directamente a vida útil do campo térmico. Un campo térmico irracional non só dificulta o cultivo de cristais que cumpran os requisitos de calidade, senón que tampouco pode cultivar cristais monocristalinos completos baixo certos requisitos do proceso. É por iso que a industria do silicio monocristalino de extracción directa considera o deseño do campo térmico como a tecnoloxía máis fundamental e inviste enormes recursos humanos e materiais na investigación e desenvolvemento de campos térmicos.
O sistema térmico está composto por varios materiais de campo térmico. Só presentaremos brevemente os materiais empregados no campo térmico. En canto á distribución da temperatura no campo térmico e o seu impacto na extracción do cristal, non a analizaremos aquí. O material do campo térmico refírese á estrutura e á parte de illamento térmico na cámara do forno de baleiro de crecemento do cristal, que é esencial para crear unha distribución de temperatura axeitada arredor da masa fundida do semicondutor e do cristal.
1. Material da estrutura do campo térmico
O material de soporte básico para o método de extracción directa para cultivar silicio monocristalino é o grafito de alta pureza. Os materiais de grafito desempeñan un papel moi importante na industria moderna. Pódense usar como compoñentes estruturais de campo térmico, comoquentadores, tubos guía, crisois, tubos illantes, bandexas para crisol, etc. na preparación de silicio monocristalino mediante o método de Czochralski.
Materiais de grafitoselecciónanse porque son fáciles de preparar en grandes volumes, pódense procesar e son resistentes ás altas temperaturas. O carbono en forma de diamante ou grafito ten un punto de fusión máis alto que calquera elemento ou composto. Os materiais de grafito son bastante fortes, especialmente a altas temperaturas, e a súa condutividade eléctrica e térmica tamén é bastante boa. A súa condutividade eléctrica faino axeitado comoquentadormaterial. Ten un coeficiente de condutividade térmica satisfactorio, o que permite que a calor xerada polo quentador se distribúa uniformemente ao crisol e outras partes do campo de calor. Non obstante, a altas temperaturas, especialmente a longas distancias, o principal modo de transferencia de calor é a radiación.
As pezas de grafito fabrícanse inicialmente con partículas carbonosas finas mesturadas cun aglutinante e fórmanse por extrusión ou prensado isostático. As pezas de grafito de alta calidade adoitan prensarse isostaticamente. A peza enteira carbonizase primeiro e despois grafitízase a temperaturas moi altas, próximas aos 3000 °C. As pezas procesadas a partir destas pezas enteiras adoitan purificarse nunha atmosfera que contén cloro a altas temperaturas para eliminar a contaminación metálica e cumprir cos requisitos da industria dos semicondutores. Non obstante, mesmo despois dunha purificación axeitada, o nivel de contaminación metálica é varias ordes de magnitude superior ao permitido para os materiais monocristalinos de silicio. Polo tanto, débese ter coidado no deseño do campo térmico para evitar que a contaminación destes compoñentes entre na superficie da masa fundida ou do cristal.
Os materiais de grafito son lixeiramente permeables, o que facilita que o metal restante no interior chegue á superficie. Ademais, o monóxido de silicio presente no gas de purga arredor da superficie de grafito pode penetrar na maioría dos materiais e reaccionar.
Os primeiros quentadores de forno de silicio monocristalino estaban feitos de metais refractarios como o tungsteno e o molibdeno. Coa crecente madurez da tecnoloxía de procesamento do grafito, as propiedades eléctricas da conexión entre os compoñentes de grafito volvéronse estables, e os quentadores de forno de silicio monocristalino substituíron por completo os quentadores de tungsteno, molibdeno e outros materiais. Na actualidade, o material de grafito máis utilizado é o grafito isostático. A tecnoloxía de preparación de grafito isostático do meu país é relativamente atrasada e a maioría dos materiais de grafito utilizados na industria fotovoltaica nacional impórtanse do estranxeiro. Os fabricantes estranxeiros de grafito isostático inclúen principalmente SGL de Alemaña, Tokai Carbon de Xapón, Toyo Tanso de Xapón, etc. Nos fornos de silicio monocristalino Czochralski, ás veces utilízanse materiais compostos C/C e comezaron a utilizarse para fabricar parafusos, porcas, crisol, placas de carga e outros compoñentes. Os materiais compostos de carbono/carbono (C/C) son materiais compostos a base de carbono reforzados con fibra de carbono cunha serie de propiedades excelentes, como alta resistencia específica, alto módulo específico, baixo coeficiente de expansión térmica, boa condutividade eléctrica, alta tenacidade á fractura, baixa gravidade específica, resistencia ao choque térmico, resistencia á corrosión e resistencia ás altas temperaturas. Na actualidade, úsanse amplamente na industria aeroespacial, nas carreiras, nos biomateriais e noutros campos como novos materiais estruturais resistentes ás altas temperaturas. Na actualidade, os principais obstáculos cos materiais compostos de C/C nacionais seguen sendo os problemas de custo e industrialización.
Hai moitos outros materiais que se empregan para fabricar campos térmicos. O grafito reforzado con fibra de carbono ten mellores propiedades mecánicas, pero é máis caro e ten outros requisitos de deseño.Carburo de silicio (SiC)é un material mellor que o grafito en moitos aspectos, pero é moito máis caro e difícil de preparar pezas de gran volume. Non obstante, o SiC úsase a miúdo comoRevestimento CVDpara aumentar a vida útil das pezas de grafito expostas ao gas corrosivo de monóxido de silicio e tamén pode reducir a contaminación do grafito. O denso revestimento de carburo de silicio CVD impide eficazmente que os contaminantes do interior do material de grafito microporoso cheguen á superficie.
Outro é o carbono CVD, que tamén pode formar unha capa densa sobre a parte de grafito. Outros materiais resistentes a altas temperaturas, como o molibdeno ou os materiais cerámicos que poden coexistir co ambiente, pódense usar onde non haxa risco de contaminar a masa fundida. Non obstante, as cerámicas de óxido teñen xeralmente unha aplicabilidade limitada aos materiais de grafito a altas temperaturas e hai poucas outras opcións se se require illamento. Unha delas é o nitruro de boro hexagonal (ás veces chamado grafito branco debido a propiedades similares), pero as propiedades mecánicas son deficientes. O molibdeno úsase xeralmente razoablemente para situacións de altas temperaturas debido ao seu custo moderado, baixa taxa de difusión en cristais de silicio e un coeficiente de segregación moi baixo duns 5 × 108, o que permite unha certa cantidade de contaminación por molibdeno antes de destruír a estrutura cristalina.
2. Materiais de illamento térmico
O material illante máis empregado é o feltro de carbono en diversas formas. O feltro de carbono está feito de fibras finas, que actúan como illamento porque bloquean a radiación térmica varias veces nunha curta distancia. O feltro de carbono brando técese en láminas de material relativamente finas, que logo se cortan na forma desexada e se dóbran firmemente nun radio razoable. Os feltros curados están compostos de materiais de fibra similares e utilízase un aglutinante que contén carbono para conectar as fibras dispersas nun obxecto máis sólido e con forma. O uso da deposición química de vapor de carbono en lugar dun aglutinante pode mellorar as propiedades mecánicas do material.
Normalmente, a superficie exterior do feltro de curado de illamento térmico está revestida cun revestimento ou lámina de grafito continuo para reducir a erosión e o desgaste, así como a contaminación por partículas. Tamén existen outros tipos de materiais de illamento térmico a base de carbono, como a escuma de carbono. En xeral, os materiais grafitizados son obviamente preferidos porque a grafitización reduce en gran medida a superficie da fibra. A desgasificación destes materiais de alta superficie redúcese en gran medida e leva menos tempo bombear o forno a un baleiro axeitado. Outro é o material composto C/C, que ten características excepcionais como peso lixeiro, alta tolerancia a danos e alta resistencia. Usado en campos térmicos para substituír pezas de grafito, reduce significativamente a frecuencia de substitución de pezas de grafito, mellora a calidade monocristalina e a estabilidade da produción.
Segundo a clasificación da materia prima, o feltro de carbono pódese dividir en feltro de carbono a base de poliacrilonitrilo, feltro de carbono a base de viscosa e feltro de carbono a base de brea.
O feltro de carbono a base de poliacrilonitrilo ten un alto contido de cinzas. Despois do tratamento a alta temperatura, a fibra individual vólvese fráxil. Durante o funcionamento, é doado xerar po que contamina o ambiente do forno. Ao mesmo tempo, a fibra pode entrar facilmente nos poros e nas vías respiratorias do corpo humano, o que é prexudicial para a saúde humana. O feltro de carbono a base de viscosa ten un bo rendemento de illamento térmico. É relativamente brando despois do tratamento térmico e non é doado xerar po. Non obstante, a sección transversal da fibra bruta a base de viscosa é irregular e hai moitas ranuras na superficie da fibra. É doado xerar gases como o CO2 baixo a atmosfera oxidante do forno de silicio CZ, o que provoca a precipitación de osíxeno e elementos de carbono no material de silicio monocristalino. Os principais fabricantes inclúen a alemá SGL e outras empresas. Na actualidade, o máis utilizado na industria monocristalina de semicondutores é o feltro de carbono a base de brea, que ten un peor rendemento de illamento térmico que o feltro de carbono a base de viscosa, pero o feltro de carbono a base de brea ten unha maior pureza e unha menor emisión de po. Entre os fabricantes inclúense as xaponesas Kureha Chemical e Osaka Gas.
Debido a que a forma do feltro de carbono non é fixa, o seu funcionamento resulta incómodo. Agora, moitas empresas desenvolveron un novo material de illamento térmico baseado en feltro de carbono curado con feltro de carbono. O feltro de carbono curado, tamén chamado feltro duro, é un feltro de carbono cunha determinada forma e propiedade autosuficiente despois de que o feltro brando sexa impregnado con resina, laminado, curado e carbonizado.
A calidade de crecemento do silicio monocristalino vese directamente afectada polo ambiente térmico, e os materiais de illamento térmico de fibra de carbono desempeñan un papel fundamental neste ambiente. O feltro brando de illamento térmico de fibra de carbono aínda ten unha vantaxe significativa na industria dos semicondutores fotovoltaicos debido á súa vantaxe de custo, excelente efecto de illamento térmico, deseño flexible e forma personalizable. Ademais, o feltro de illamento térmico duro de fibra de carbono terá un maior espazo de desenvolvemento no mercado de materiais de campo térmico debido á súa certa resistencia e maior operabilidade. Estamos comprometidos coa investigación e o desenvolvemento no campo dos materiais de illamento térmico e optimizamos continuamente o rendemento do produto para promover a prosperidade e o desenvolvemento da industria dos semicondutores fotovoltaicos.
Data de publicación: 12 de xuño de 2024