A monokristályos szilícium növekedési folyamata teljes mértékben hőtérben megy végbe. A jó hőtér elősegíti a kristályok minőségének javítását és nagyobb kristályosodási hatékonyságot biztosít. A hőtér kialakítása nagymértékben meghatározza a hőmérsékleti gradiensek változását a dinamikus hőtérben és a gáz áramlását a kemencekamrában. A hőtérben felhasznált anyagok különbsége közvetlenül meghatározza a hőtér élettartamát. Az ésszerűtlen hőtér nemcsak a minőségi követelményeknek megfelelő kristályok növesztését nehezíti meg, hanem bizonyos folyamatkövetelmények mellett sem képes teljes monokristályos anyagot növeszteni. Ezért a közvetlen húzású monokristályos szilíciumipar a hőtér-tervezést tekinti a legfontosabb technológiának, és hatalmas munkaerő- és anyagi erőforrásokat fektet be a hőtér-kutatásba és -fejlesztésbe.
A termikus rendszer különféle termikus térben használt anyagokból áll. Csak röviden mutatjuk be a termikus térben használt anyagokat. A termikus térben uralkodó hőmérséklet-eloszlást és annak a kristályhúzásra gyakorolt hatását itt nem elemezzük. A termikus tér anyaga a kristálynövekedés vákuumkemence kamrájában található szerkezeti és hőszigetelő részt jelenti, amely elengedhetetlen a félvezető olvadék és a kristály körüli megfelelő hőmérséklet-eloszlás létrehozásához.
1. Hőmező szerkezeti anyaga
A monokristályos szilícium közvetlen húzásos növesztésének alapvető hordozóanyaga a nagy tisztaságú grafit. A grafitanyagok nagyon fontos szerepet játszanak a modern iparban. Hőtér szerkezeti elemként használhatók, mint példáulfűtőberendezések, vezetőcsövek, olvasztótégelyek, szigetelőcsövek, olvasztótégely-tálcák stb. a monokristályos szilícium Czochralski-módszerrel történő előállításában.
Grafit anyagokazért választják őket, mert könnyen előállíthatók nagy mennyiségben, feldolgozhatók és ellenállnak a magas hőmérsékletnek. A gyémánt vagy grafit formájában lévő szén olvadáspontja magasabb, mint bármely elemnek vagy vegyületnek. A grafit anyagok meglehetősen erősek, különösen magas hőmérsékleten, és elektromos és hővezető képességük is meglehetősen jó. Elektromos vezetőképessége alkalmassá teszi őketfűtőberendezésanyag. Kielégítő hővezetési együtthatóval rendelkezik, amely lehetővé teszi, hogy a fűtőberendezés által termelt hő egyenletesen oszoljon el a tégelyben és a hőtér más részein. Magas hőmérsékleten, különösen nagy távolságokon, azonban a fő hőátadási mód a sugárzás.
A grafit alkatrészeket kezdetben finom széntartalmú részecskékből állítják elő, amelyeket kötőanyaggal kevernek össze, és extrudálással vagy izosztatikus préseléssel alakítják ki. A kiváló minőségű grafit alkatrészeket általában izosztatikusan préselik. Az egész darabot először karbonizálják, majd nagyon magas hőmérsékleten, közel 3000°C-on grafitizálják. Az ezekből az egész darabokból előállított alkatrészeket általában klórtartalmú atmoszférában, magas hőmérsékleten tisztítják, hogy eltávolítsák a fémszennyeződéseket, megfelelve a félvezető ipar követelményeinek. A fémszennyeződés szintje azonban még a megfelelő tisztítás után is nagyságrendekkel magasabb, mint amit a szilícium monokristályos anyagoknál megengednek. Ezért a hőtér kialakításánál ügyelni kell arra, hogy ezen alkatrészek szennyeződése ne kerülhessen az olvadékba vagy a kristály felületére.
A grafit anyagok enyhén áteresztőek, ami megkönnyíti a bennük maradó fém felület elérését. Ezenkívül a grafit felülete körüli tisztítógázban jelen lévő szilícium-monoxid a legtöbb anyagba behatolhat és reakcióba léphet.
A korai monokristályos szilícium kemencefűtőket tűzálló fémekből, például volfrámból és molibdénből készítették. A grafitfeldolgozási technológia egyre fejlettebbé válásával a grafitkomponensek közötti csatlakozás elektromos tulajdonságai stabilizálódtak, és a monokristályos szilícium kemencefűtők teljesen felváltották a volfrám, molibdén és más anyagokból készült fűtőberendezéseket. Jelenleg a legszélesebb körben használt grafitanyag az izosztatikus grafit. Hazánk izosztatikus grafitelőállítási technológiája viszonylag elmaradott, és a hazai fotovoltaikus iparban használt grafitanyagok nagy részét külföldről importálják. A külföldi izosztatikus grafitgyártók közé tartozik főként a német SGL, a japán Tokai Carbon, a japán Toyo Tanso stb. A Czochralski monokristályos szilícium kemencéiben néha C/C kompozit anyagokat is használnak, és ezeket elkezdték csavarok, anyák, olvasztótégelyek, teherlemezek és egyéb alkatrészek gyártására használni. A szén/szén (C/C) kompozitok szénszállal erősített szén alapú kompozitok, amelyek számos kiváló tulajdonsággal rendelkeznek, mint például a nagy fajlagos szilárdság, a nagy fajlagos modulus, az alacsony hőtágulási együttható, a jó elektromos vezetőképesség, a nagy törési szívósság, az alacsony fajsúly, a hősokk-állóság, a korrózióállóság és a magas hőmérséklet-állóság. Jelenleg széles körben használják őket a repülőgépiparban, a versenyzésben, a bioanyagokban és más területeken új, magas hőmérsékletnek ellenálló szerkezeti anyagként. Jelenleg a hazai C/C kompozitok fő szűk keresztmetszeteit továbbra is a költségek és az iparosítás kérdései jelentik.
Sok más anyagot is használnak hőterek létrehozására. A szénszállal erősített grafit jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, de drágább, és más tervezési követelmények vonatkoznak rá.Szilícium-karbid (SiC)sok szempontból jobb anyag, mint a grafit, de sokkal drágább és nehezebb belőle nagyméretű alkatrészeket előállítani. A SiC-t azonban gyakran használjákCVD-bevonat...hogy növelje a korrozív szilícium-monoxid gáznak kitett grafit alkatrészek élettartamát, és csökkentse a grafit okozta szennyeződéseket is. A sűrű CVD szilícium-karbid bevonat hatékonyan megakadályozza, hogy a mikroporózus grafit anyagban lévő szennyeződések elérjék a felületet.
Egy másik lehetőség a CVD-szén, amely szintén sűrű réteget képezhet a grafit rész felett. Más, magas hőmérsékletnek ellenálló anyagok, például molibdén vagy kerámia anyagok, amelyek képesek együtt élni a környezettel, ott használhatók, ahol nem áll fenn az olvadék szennyeződésének veszélye. Az oxidkerámiák azonban általában korlátozottan alkalmazhatók grafit anyagok esetén magas hőmérsékleten, és kevés más lehetőség van, ha szigetelésre van szükség. Az egyik a hexagonális bór-nitrid (hasonló tulajdonságai miatt néha fehér grafitnak is nevezik), de a mechanikai tulajdonságai gyengék. A molibdént általában ésszerűen használják magas hőmérsékletű helyzetekben, mérsékelt költsége, alacsony diffúziós sebessége a szilíciumkristályokban, és nagyon alacsony, körülbelül 5×108 szegregációs együtthatója miatt, ami bizonyos mértékű molibdénszennyeződést tesz lehetővé a kristályszerkezet tönkremenetele előtt.
2. Hőszigetelő anyagok
A leggyakrabban használt szigetelőanyag a szénfilc különböző formáiban. A szénfilc vékony szálakból készül, amelyek szigetelésként működnek, mivel rövid távolságon többszörösen blokkolják a hősugárzást. A puha szénfilcet viszonylag vékony anyaglapokká szőik, amelyeket ezután a kívánt formára vágnak, és megfelelő sugárban szorosan meghajlítanak. A kikeményedett filcek hasonló szálas anyagokból állnak, és egy széntartalmú kötőanyagot használnak a diszpergált szálak szilárdabb és formáltabb tárggyá való összekapcsolására. A szén kémiai gőzfázisú leválasztása kötőanyag helyett javíthatja az anyag mechanikai tulajdonságait.
A hőszigetelő filc külső felületét jellemzően folytonos grafitbevonattal vagy fóliával vonják be, hogy csökkentsék az eróziót és a kopást, valamint a részecskeszennyeződést. Más típusú szén alapú hőszigetelő anyagok is léteznek, például szénhab. Általánosságban elmondható, hogy a grafitizált anyagokat részesítik előnyben, mivel a grafitizáció nagymértékben csökkenti a szál felületét. Ezeknek a nagy felületű anyagoknak a gázkibocsátása nagymértékben csökken, és kevesebb időbe telik a kemence megfelelő vákuum eléréséig történő pumpálása. Egy másik példa a C/C kompozit anyag, amely kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a könnyű súly, a magas sérüléstűrés és a nagy szilárdság. A hőterekben a grafit alkatrészek helyettesítésére használva jelentősen csökken a grafit alkatrészek cseréjének gyakorisága, javul a monokristályos minőség és a termelési stabilitás.
A nyersanyag-besorolás szerint a szénfilc poliakrilnitril alapú szénfilcre, viszkóz alapú szénfilcre és szurok alapú szénfilcre osztható.
A poliakrilnitril alapú szénfilc nagy hamutartalommal rendelkezik. Magas hőmérsékletű kezelés után az egyes szálak rideggé válnak. Működés közben könnyen por képződik, ami szennyezi a kemence környezetét. Ugyanakkor a szál könnyen bejuthat az emberi test pórusaiba és légzőrendszerébe, ami káros az emberi egészségre. A viszkóz alapú szénfilc jó hőszigetelő tulajdonságokkal rendelkezik. Hőkezelés után viszonylag puha, és nem könnyen porosodik. A viszkóz alapú nyers szál keresztmetszete azonban szabálytalan, és a szál felületén sok barázda található. A CZ szilícium kemence oxidáló atmoszférája alatt könnyen keletkeznek gázok, például CO2, ami oxigén és szén elemek kicsapódását okozza a monokristályos szilícium anyagban. A fő gyártók közé tartozik a német SGL és más cégek. Jelenleg a félvezető monokristályos iparban a legszélesebb körben használt anyag a szurok alapú szénfilc, amelynek rosszabb a hőszigetelő teljesítménye, mint a viszkóz alapú szénfilcnek, de a szurok alapú szénfilc nagyobb tisztaságú és alacsonyabb porkibocsátású. A gyártók közé tartozik a japán Kureha Chemical és az Osaka Gas.
Mivel a karbonfilc alakja nincs rögzítve, kényelmetlen a kezelése. Manapság számos vállalat fejlesztett ki egy új hőszigetelő anyagot, amely karbonfilccel kikeményedett karbonfilc alapú. A kikeményedett karbonfilc, más néven keményfilc, egy olyan karbonfilc, amely egy bizonyos formát és önfenntartó tulajdonságot kap, miután a lágyfilcet gyantával impregnálták, laminálták, kikeményítették és karbonizálták.
A monokristályos szilícium növekedési minőségét közvetlenül befolyásolja a termikus környezet, és a szénszálas hőszigetelő anyagok kulcsszerepet játszanak ebben a környezetben. A szénszálas hőszigetelő lágy filc továbbra is jelentős előnnyel rendelkezik a fotovoltaikus félvezető iparban költségelőnye, kiváló hőszigetelő hatása, rugalmas kialakítása és testreszabható alakja miatt. Ezenkívül a szénszálas kemény hőszigetelő filc nagyobb fejlesztési teret kap a hőtéri anyagok piacán bizonyos szilárdsága és nagyobb működőképessége miatt. Elkötelezettek vagyunk a hőszigetelő anyagok területén végzett kutatás és fejlesztés iránt, és folyamatosan optimalizáljuk a termékteljesítményt a fotovoltaikus félvezető ipar virágzásának és fejlődésének elősegítése érdekében.
Közzététel ideje: 2024. június 12.