Proces rasta monokristalnog silicija u potpunosti se provodi u toplinskom polju. Dobro toplinsko polje pogoduje poboljšanju kvalitete kristala i ima veću učinkovitost kristalizacije. Dizajn toplinskog polja uvelike određuje promjene temperaturnih gradijenata u dinamičkom toplinskom polju i protok plina u komori peći. Razlika u materijalima koji se koriste u toplinskom polju izravno određuje vijek trajanja toplinskog polja. U nerazumno jakom toplinskom polju ne samo da je teško uzgojiti kristale koji zadovoljavaju zahtjeve kvalitete, već se ne mogu uzgojiti ni potpuni monokristalni kristali pod određenim zahtjevima procesa. Zbog toga industrija monokristalnog silicija s izravnim povlačenjem smatra dizajn toplinskog polja najvažnijom tehnologijom i ulaže ogromne ljudske i materijalne resurse u istraživanje i razvoj toplinskog polja.
Toplinski sustav sastoji se od različitih materijala toplinskog polja. Ukratko ćemo predstaviti materijale koji se koriste u toplinskom polju. Što se tiče raspodjele temperature u toplinskom polju i njezinog utjecaja na izvlačenje kristala, ovdje to nećemo analizirati. Materijal toplinskog polja odnosi se na strukturu i toplinsku izolaciju u komori vakuumske peći za rast kristala, što je bitno za stvaranje odgovarajuće raspodjele temperature oko poluvodičke taline i kristala.
1. Materijal za strukturu toplinskog polja
Osnovni potporni materijal za metodu izravnog izvlačenja za uzgoj monokristalnog silicija je grafit visoke čistoće. Grafitni materijali igraju vrlo važnu ulogu u modernoj industriji. Mogu se koristiti kao strukturne komponente toplinskog polja kao što sugrijači, vodilice, lonci, izolacijske cijevi, posude za lončiće itd. u pripremi monokristalnog silicija Czochralskijevom metodom.
Grafitni materijaliodabrani su jer se lako pripremaju u velikim količinama, mogu se obrađivati i otporni su na visoke temperature. Ugljik u obliku dijamanta ili grafita ima višu točku taljenja od bilo kojeg elementa ili spoja. Grafitni materijali su prilično jaki, posebno na visokim temperaturama, a njihova električna i toplinska vodljivost je također prilično dobra. Njegova električna vodljivost čini ga prikladnim kaogrijačmaterijal. Ima zadovoljavajući koeficijent toplinske vodljivosti, što omogućuje ravnomjernu raspodjelu topline koju stvara grijač na lonac i ostale dijelove toplinskog polja. Međutim, pri visokim temperaturama, posebno na velikim udaljenostima, glavni način prijenosa topline je zračenje.
Grafitni dijelovi se u početku izrađuju od finih ugljičnih čestica pomiješanih s vezivom i formiraju ekstruzijom ili izostatskim prešanjem. Visokokvalitetni grafitni dijelovi obično se izostatski prešaju. Cijeli komad se prvo karbonizira, a zatim grafitizira na vrlo visokim temperaturama, blizu 3000 °C. Dijelovi obrađeni od tih cijelih komada obično se pročišćavaju u atmosferi koja sadrži klor na visokim temperaturama kako bi se uklonila metalna kontaminacija i zadovoljili zahtjevi poluvodičke industrije. Međutim, čak i nakon pravilnog pročišćavanja, razina metalne kontaminacije je nekoliko redova veličine veća od one dopuštene za silicijeve monokristalne materijale. Stoga se pri dizajnu toplinskog polja mora paziti da kontaminacija tih komponenti ne uđe u talinu ili površinu kristala.
Grafitni materijali su slabo propusni, što preostalom metalu unutra olakšava dosezanje površine. Osim toga, silicijev monoksid prisutan u plinu za pročišćavanje oko grafitne površine može prodrijeti u većinu materijala i reagirati.
Rani grijači peći od monokristalnog silicija izrađivali su se od vatrostalnih metala poput volframa i molibdena. S rastućom zrelošću tehnologije obrade grafita, električna svojstva veze između grafitnih komponenti postala su stabilna, a grijači peći od monokristalnog silicija potpuno su zamijenili grijače od volframa, molibdena i drugih materijala. Trenutno je najčešće korišteni grafitni materijal izostatički grafit. Tehnologija pripreme izostatičkog grafita u mojoj zemlji relativno je zaostala, a većina grafitnih materijala koji se koriste u domaćoj fotonaponskoj industriji uvozi se iz inozemstva. Strani proizvođači izostatičkog grafita uglavnom uključuju njemački SGL, japanski Tokai Carbon, japanski Toyo Tanso itd. U Czochralskijevim pećima od monokristalnog silicija ponekad se koriste C/C kompozitni materijali, a počeli su se koristiti za proizvodnju vijaka, matica, lončića, ploča za opterećenje i drugih komponenti. Ugljik/ugljik (C/C) kompoziti su kompoziti na bazi ugljika ojačani ugljičnim vlaknima s nizom izvrsnih svojstava kao što su visoka specifična čvrstoća, visoki specifični modul, niski koeficijent toplinskog širenja, dobra električna vodljivost, visoka žilavost na lom, niska specifična težina, otpornost na toplinske udare, otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature. Trenutno se široko koriste u zrakoplovstvu, utrkama, biomaterijalima i drugim područjima kao novi konstrukcijski materijali otporni na visoke temperature. Trenutno su glavna uska grla s kojima se susreću domaći C/C kompoziti i dalje troškovi i problemi industrijalizacije.
Postoje mnogi drugi materijali koji se koriste za izradu toplinskih polja. Grafit ojačan ugljičnim vlaknima ima bolja mehanička svojstva; ali je skuplji i ima druge zahtjeve za dizajn.Silicijev karbid (SiC)je bolji materijal od grafita u mnogim aspektima, ali je puno skuplji i teže ga je pripremiti za dijelove velikog volumena. Međutim, SiC se često koristi kaoCVD premazkako bi se povećao vijek trajanja grafitnih dijelova izloženih korozivnom plinu silicijevog monoksida, a također može smanjiti kontaminaciju grafitom. Gusti CVD premaz silicijevog karbida učinkovito sprječava da kontaminanti unutar mikroporoznog grafitnog materijala dopru do površine.
Drugi je CVD ugljik, koji također može formirati gusti sloj iznad grafitnog dijela. Drugi materijali otporni na visoke temperature, poput molibdena ili keramičkih materijala koji mogu koegzistirati s okolinom, mogu se koristiti tamo gdje ne postoji rizik od onečišćenja taline. Međutim, oksidna keramika općenito je ograničena u svojoj primjenjivosti na grafitne materijale na visokim temperaturama, a postoji malo drugih opcija ako je potrebna izolacija. Jedan je heksagonalni borov nitrid (ponekad se naziva bijeli grafit zbog sličnih svojstava), ali mehanička svojstva su loša. Molibden se općenito razumno koristi za situacije s visokim temperaturama zbog umjerene cijene, niske brzine difuzije u silicijevim kristalima i vrlo niskog koeficijenta segregacije od oko 5×108, što omogućuje određenu količinu onečišćenja molibdenom prije uništavanja kristalne strukture.
2. Toplinskoizolacijski materijali
Najčešće korišteni izolacijski materijal je ugljični filc u raznim oblicima. Ugljični filc izrađen je od tankih vlakana koja djeluju kao izolacija jer više puta blokiraju toplinsko zračenje na kratkoj udaljenosti. Meki ugljični filc tkan je u relativno tanke listove materijala, koji se zatim režu u željeni oblik i čvrsto savijaju u razumni radijus. Vulkanizirani filc sastoji se od sličnih vlaknastih materijala, a vezivo koje sadrži ugljik koristi se za povezivanje raspršenih vlakana u čvršći i oblikovaniji predmet. Korištenje kemijskog taloženja ugljika iz pare umjesto veziva može poboljšati mehanička svojstva materijala.
Tipično, vanjska površina toplinski izolacijskog filca prekrivena je kontinuiranim grafitnim premazom ili folijom kako bi se smanjila erozija i trošenje, kao i onečišćenje česticama. Postoje i druge vrste toplinski izolacijskih materijala na bazi ugljika, poput ugljične pjene. Općenito, grafitizirani materijali su očito poželjniji jer grafitizacija uvelike smanjuje površinu vlakana. Ispuštanje plinova kod ovih materijala s velikom površinom uvelike je smanjeno, a potrebno je manje vremena za pumpanje peći do odgovarajućeg vakuuma. Drugi je C/C kompozitni materijal, koji ima izvanredne karakteristike poput male težine, visoke tolerancije na oštećenja i visoke čvrstoće. Korištenje u toplinskim poljima za zamjenu grafitnih dijelova značajno smanjuje učestalost zamjene grafitnih dijelova, poboljšava monokristalnu kvalitetu i stabilnost proizvodnje.
Prema klasifikaciji sirovine, ugljični filc može se podijeliti na ugljični filc na bazi poliakrilonitrila, ugljični filc na bazi viskoze i ugljični filc na bazi smole.
Ugljični filc na bazi poliakrilonitrila ima veliki sadržaj pepela. Nakon obrade na visokim temperaturama, pojedinačna vlakna postaju krhka. Tijekom rada lako se stvara prašina koja zagađuje okolinu peći. Istovremeno, vlakna lako uđu u pore i dišne puteve ljudskog tijela, što je štetno za ljudsko zdravlje. Ugljični filc na bazi viskoze ima dobre toplinske izolacijske performanse. Nakon toplinske obrade relativno je mekan i ne stvara lako prašinu. Međutim, presjek sirovih vlakana na bazi viskoze je nepravilan, a na površini vlakana ima mnogo žljebova. U oksidirajućoj atmosferi CZ silicijske peći lako se stvaraju plinovi poput CO2, što uzrokuje taloženje kisika i ugljikovih elemenata u monokristalnom silicijskom materijalu. Glavni proizvođači uključuju njemački SGL i druge tvrtke. Trenutno se u monokristalnoj industriji poluvodiča najčešće koristi ugljični filc na bazi smole, koji ima lošije toplinske izolacijske performanse od ugljičnog filca na bazi viskoze, ali ugljični filc na bazi smole ima veću čistoću i nižu emisiju prašine. Proizvođači uključuju japanske tvrtke Kureha Chemical i Osaka Gas.
Budući da oblik karbonskog filca nije fiksan, nezgodno ga je koristiti. Sada su mnoge tvrtke razvile novi toplinski izolacijski materijal na bazi karbonskog filca - vulkaniziranog karbonskog filca. Tvrdi karbonski filc, također nazvan tvrdi filc, je karbonski filc određenog oblika i samoodrživog svojstva nakon što se meki filc impregnira smolom, laminira, vulkanizira i karbonizira.
Kvaliteta rasta monokristalnog silicija izravno je utjecana toplinskim okruženjem, a toplinskoizolacijski materijali od karbonskih vlakana igraju ključnu ulogu u tom okruženju. Meki filc od karbonskih vlakana za toplinsku izolaciju i dalje ima značajnu prednost u industriji fotonaponskih poluvodiča zbog svoje cjenovne prednosti, izvrsnog učinka toplinske izolacije, fleksibilnog dizajna i prilagodljivog oblika. Osim toga, tvrdi filc od karbonskih vlakana za toplinsku izolaciju imat će veći prostor za razvoj na tržištu materijala za toplinsku izolaciju zbog svoje određene čvrstoće i veće operativnosti. Posvećeni smo istraživanju i razvoju u području toplinskih izolacijskih materijala i kontinuirano optimiziramo performanse proizvoda kako bismo potaknuli prosperitet i razvoj industrije fotonaponskih poluvodiča.
Vrijeme objave: 12. lipnja 2024.