Կարևոր նյութեր, որոնք որոշում են մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճի որակը՝ ջերմային դաշտ

Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճի գործընթացն ամբողջությամբ իրականացվում է ջերմային դաշտում: Լավ ջերմային դաշտը նպաստում է բյուրեղների որակի բարելավմանը և ունի ավելի բարձր բյուրեղացման արդյունավետություն: Ջերմային դաշտի նախագծումը մեծապես որոշում է դինամիկ ջերմային դաշտում ջերմաստիճանի գրադիենտների փոփոխությունները և վառարանի խցիկում գազի հոսքը: Ջերմային դաշտում օգտագործվող նյութերի տարբերությունն անմիջականորեն որոշում է ջերմային դաշտի ծառայության ժամկետը: Անհիմն ջերմային դաշտում ոչ միայն դժվար է աճեցնել որակի պահանջները բավարարող բյուրեղներ, այլև չի կարող աճեցնել ամբողջական մոնոբյուրեղային որոշակի գործընթացային պահանջների դեպքում: Ահա թե ինչու ուղղակի քաշող մոնոբյուրեղային սիլիցիումի արդյունաբերությունը ջերմային դաշտի նախագծումը համարում է ամենակարևոր տեխնոլոգիան և ներդնում է հսկայական մարդկային և նյութական ռեսուրսներ ջերմային դաշտի հետազոտությունների և զարգացման մեջ:

Ջերմային համակարգը կազմված է տարբեր ջերմային դաշտի նյութերից: Մենք միայն համառոտ կներկայացնենք ջերմային դաշտում օգտագործվող նյութերը: Ինչ վերաբերում է ջերմային դաշտում ջերմաստիճանի բաշխմանը և դրա ազդեցությանը բյուրեղի ձգման վրա, մենք այստեղ չենք վերլուծի այն: Ջերմային դաշտի նյութը վերաբերում է բյուրեղի աճեցման վակուումային վառարանի խցիկում կառուցվածքին և ջերմամեկուսացման մասին, որը կարևոր է կիսահաղորդչային հալույթի և բյուրեղի շուրջ համապատասխան ջերմաստիճանի բաշխում ստեղծելու համար:

1. Ջերմային դաշտի կառուցվածքի նյութ

Մոնոկրիստալային սիլիցիումի աճեցման ուղղակի քաշման մեթոդի հիմնական օժանդակ նյութը բարձր մաքրության գրաֆիտն է: Գրաֆիտային նյութերը շատ կարևոր դեր են խաղում ժամանակակից արդյունաբերության մեջ: Դրանք կարող են օգտագործվել որպես ջերմային դաշտի կառուցվածքային բաղադրիչներ, ինչպիսիք են՝ջեռուցիչներ, ուղեցույց խողովակներ, հալոցքներ, մեկուսիչ խողովակներ, հալոցքային սկուտեղներ և այլն՝ Չոխրալսկու մեթոդով մոնոբյուրեղային սիլիցիումի ստացման ժամանակ։

Գրաֆիտային նյութերընտրվում են, քանի որ դրանք հեշտ է պատրաստել մեծ ծավալներով, կարող են մշակվել և դիմացկուն են բարձր ջերմաստիճաններին: Ալմաստի կամ գրաֆիտի տեսքով ածխածինն ունի ավելի բարձր հալման ջերմաստիճան, քան ցանկացած տարր կամ միացություն: Գրաֆիտային նյութերը բավականին ամուր են, հատկապես բարձր ջերմաստիճաններում, և դրանց էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակությունը նույնպես բավականին լավ է: Դրա էլեկտրական հաղորդունակությունը այն դարձնում է հարմար որպեսջեռուցիչնյութ։ Այն ունի բավարար ջերմահաղորդականության գործակից, որը թույլ է տալիս ջեռուցիչի կողմից առաջացող ջերմությունը հավասարաչափ բաշխել հալոցքի և ջերմային դաշտի այլ մասերի միջև։ Սակայն բարձր ջերմաստիճաններում, հատկապես մեծ հեռավորությունների վրա, ջերմափոխանակման հիմնական եղանակը ճառագայթումն է։

Գրաֆիտային մասերը սկզբում պատրաստվում են կապակցանյութի հետ խառնված մանր ածխածնային մասնիկներից և ձևավորվում են էքստրուզիայի կամ իզոստատիկ սեղմման միջոցով: Բարձրորակ գրաֆիտային մասերը սովորաբար իզոստատիկ սեղմվում են: Ամբողջ կտորը նախ ածխացվում է, ապա գրաֆիտացվում շատ բարձր ջերմաստիճաններում՝ մոտ 3000°C: Այս ամբողջական կտորներից մշակված մասերը սովորաբար մաքրվում են քլոր պարունակող մթնոլորտում՝ բարձր ջերմաստիճաններում՝ մետաղական աղտոտումը հեռացնելու համար՝ կիսահաղորդչային արդյունաբերության պահանջները բավարարելու համար: Այնուամենայնիվ, նույնիսկ պատշաճ մաքրումից հետո, մետաղի աղտոտման մակարդակը մի քանի կարգի մեծությամբ ավելի բարձր է, քան թույլատրվում է սիլիցիումային մոնոբյուրեղային նյութերի համար: Հետևաբար, ջերմային դաշտի նախագծման մեջ պետք է զգույշ լինել՝ կանխելու համար այս բաղադրիչների աղտոտման ներթափանցումը հալույթի կամ բյուրեղային մակերես:

Գրաֆիտային նյութերը թույլ թափանցելի են, ինչը հեշտացնում է ներսում մնացած մետաղի մակերևույթին հասնելը: Բացի այդ, գրաֆիտի մակերեսի շուրջ մաքրող գազում առկա սիլիցիումի մոնօքսիդը կարող է ներթափանցել նյութերի մեծ մասի մեջ և ռեակցիայի մեջ մտնել:

Վաղ մոնոբյուրեղային սիլիցիումային վառարանների ջեռուցիչները պատրաստվում էին դժվարահալ մետաղներից, ինչպիսիք են վոլֆրամը և մոլիբդենը: Գրաֆիտի մշակման տեխնոլոգիայի զարգացմանը զուգընթաց, գրաֆիտային բաղադրիչների միջև կապի էլեկտրական հատկությունները կայունացել են, և մոնոբյուրեղային սիլիցիումային վառարանների ջեռուցիչները ամբողջությամբ փոխարինել են վոլֆրամի, մոլիբդենի և այլ նյութերի ջեռուցիչներին: Ներկայումս ամենատարածված գրաֆիտային նյութը իզոստատիկ գրաֆիտն է: Իմ երկրում իզոստատիկ գրաֆիտի պատրաստման տեխնոլոգիան համեմատաբար հետամնաց է, և ներքին ֆոտովոլտային արդյունաբերության մեջ օգտագործվող գրաֆիտային նյութերի մեծ մասը ներմուծվում է արտասահմանից: Արտասահմանյան իզոստատիկ գրաֆիտի արտադրողներից հիմնականում են Գերմանիայի SGL-ը, Ճապոնիայի Tokai Carbon-ը, Ճապոնիայի Toyo Tanso-ն և այլն: Չոչրալսկու մոնոբյուրեղային սիլիցիումային վառարաններում երբեմն օգտագործվում են C/C կոմպոզիտային նյութեր, և դրանք սկսել են օգտագործվել պտուտակներ, ընկույզներ, հալոցքներ, բեռնաթափման թիթեղներ և այլ բաղադրիչներ արտադրելու համար: Ածխածին/ածխածին (C/C) կոմպոզիտները ածխածնային մանրաթելերով ամրացված ածխածնային հիմքով կոմպոզիտներ են, որոնք ունեն մի շարք գերազանց հատկություններ, ինչպիսիք են բարձր տեսակարար ամրությունը, բարձր տեսակարար մոդուլը, ցածր ջերմային ընդարձակման գործակիցը, լավ էլեկտրահաղորդականությունը, բարձր կոտրման դիմադրությունը, ցածր տեսակարար կշիռը, ջերմային հարվածի դիմադրությունը, կոռոզիայի դիմադրությունը և բարձր ջերմաստիճանի դիմադրությունը: Ներկայումս դրանք լայնորեն կիրառվում են ավիատիեզերական, մրցարշավային, կենսանյութերի և այլ ոլորտներում՝ որպես նոր բարձր ջերմաստիճանի դիմացկուն կառուցվածքային նյութեր: Ներկայումս տեղական C/C կոմպոզիտների հետ կապված հիմնական խոչընդոտները դեռևս արժեքն ու արդյունաբերականացման հարցերն են:

Ջերմային դաշտեր ստեղծելու համար օգտագործվում են բազմաթիվ այլ նյութեր: Ածխածնային մանրաթելով ամրացված գրաֆիտն ունի ավելի լավ մեխանիկական հատկություններ, բայց այն ավելի թանկ է և ունի նախագծման այլ պահանջներ:Սիլիցիումի կարբիդ (SiC)շատ առումներով ավելի լավ նյութ է, քան գրաֆիտը, բայց այն շատ ավելի թանկ է և դժվար է պատրաստել մեծ ծավալի մասեր։ Այնուամենայնիվ, SiC-ն հաճախ օգտագործվում է որպեսCVD ծածկույթերկարացնել կոռոզիոն սիլիցիումի մոնօքսիդ գազի ազդեցությանը ենթարկված գրաֆիտային մասերի կյանքը, ինչպես նաև կարող է նվազեցնել գրաֆիտից աղտոտվածությունը: Խիտ CVD սիլիցիումի կարբիդային ծածկույթը արդյունավետորեն կանխում է միկրոծակոտկեն գրաֆիտային նյութի ներսում գտնվող աղտոտիչների մակերեսին հասնելը:

Մեկ այլ նյութ է CVD ածխածինը, որը նույնպես կարող է խիտ շերտ ձևավորել գրաֆիտային մասի վերևում: Այլ բարձր ջերմաստիճանակայուն նյութեր, ինչպիսիք են մոլիբդենը կամ կերամիկական նյութերը, որոնք կարող են համակեցություն ունենալ շրջակա միջավայրի հետ, կարող են օգտագործվել այն դեպքերում, երբ հալույթը աղտոտելու ռիսկ չկա: Այնուամենայնիվ, օքսիդային կերամիկան, որպես կանոն, սահմանափակ է գրաֆիտային նյութերի վրա բարձր ջերմաստիճաններում կիրառելիության առումով, և եթե անհրաժեշտ է մեկուսացում, կան քիչ այլ տարբերակներ: Մեկը վեցանկյուն բորի նիտրիդն է (երբեմն կոչվում է սպիտակ գրաֆիտ՝ նմանատիպ հատկությունների պատճառով), բայց մեխանիկական հատկությունները վատ են: Մոլիբդենը, որպես կանոն, ողջամտորեն օգտագործվում է բարձր ջերմաստիճանային իրավիճակներում՝ իր չափավոր արժեքի, սիլիցիումային բյուրեղներում ցածր դիֆուզիայի արագության և մոտ 5×108 շատ ցածր տարանջատման գործակցի շնորհիվ, որը թույլ է տալիս որոշակի քանակությամբ մոլիբդենի աղտոտում ստանալ՝ նախքան բյուրեղային կառուցվածքը քայքայելը:

2. Ջերմամեկուսիչ նյութեր

Ամենատարածված օգտագործվող մեկուսիչ նյութը ածխածնային թաղանթն է՝ տարբեր ձևերով: Ածխածնային թաղանթը պատրաստված է բարակ մանրաթելերից, որոնք հանդես են գալիս որպես մեկուսիչ, քանի որ կարճ հեռավորության վրա բազմիցս արգելափակում են ջերմային ճառագայթումը: Փափուկ ածխածնային թաղանթը հյուսվում է համեմատաբար բարակ թերթերի տեսքով, որոնք այնուհետև կտրվում են ցանկալի ձևի և ամուր ծռվում են ողջամիտ շառավղով: Չորացրած թաղանթները կազմված են նմանատիպ մանրաթելային նյութերից, և ածխածին պարունակող կապակցանյութն օգտագործվում է ցրված մանրաթելերը ավելի ամուր և ձևավորված առարկայի մեջ միացնելու համար: Ածխածնի քիմիական գոլորշու նստեցման օգտագործումը կապակցանյութի փոխարեն կարող է բարելավել նյութի մեխանիկական հատկությունները:

Սովորաբար, ջերմամեկուսացման կարծրացնող թաղանթի արտաքին մակերեսը պատվում է անընդհատ գրաֆիտային ծածկույթով կամ փայլաթիթեղով՝ էրոզիան և մաշվածությունը, ինչպես նաև մասնիկային աղտոտումը նվազեցնելու համար: Գոյություն ունեն նաև ածխածնային հիմքով ջերմամեկուսացման այլ տեսակներ, ինչպիսին է ածխածնային փրփուրը: Ընդհանուր առմամբ, գրաֆիտացված նյութերը ակնհայտորեն նախընտրելի են, քանի որ գրաֆիտացումը զգալիորեն նվազեցնում է մանրաթելի մակերեսը: Այս բարձր մակերեսային մակերես ունեցող նյութերի գազերի արտանետումը զգալիորեն նվազում է, և վառարանը համապատասխան վակուում մղելու համար ավելի քիչ ժամանակ է պահանջվում: Մեկ այլ տարբերակ է C/C կոմպոզիտային նյութը, որն ունի ակնառու բնութագրեր, ինչպիսիք են թեթև քաշը, բարձր վնասի դիմադրությունը և բարձր ամրությունը: Ջերմային դաշտերում գրաֆիտային մասերը փոխարինելու համար օգտագործվող նյութը զգալիորեն նվազեցնում է գրաֆիտային մասերի փոխարինման հաճախականությունը, բարելավում է մոնոբյուրեղային որակը և արտադրության կայունությունը:

Հումքի դասակարգման համաձայն, ածխածնային թաղանթը կարելի է բաժանել պոլիակրիլոնիտրիլի վրա հիմնված ածխածնային թաղանթի, վիսկոզի վրա հիմնված ածխածնային թաղանթի և խեժի վրա հիմնված ածխածնային թաղանթի։
Պոլիակրիլոնիտրիլի վրա հիմնված ածխածնային թաղանթը մեծ մոխրի պարունակություն ունի։ Բարձր ջերմաստիճանային մշակումից հետո միակ մանրաթելը դառնում է փխրուն։ Գործողության ընթացքում այն ​​հեշտությամբ կարող է փոշի առաջացնել՝ աղտոտելով վառարանի միջավայրը։ Միևնույն ժամանակ, մանրաթելը կարող է հեշտությամբ մտնել մարդու մարմնի ծակոտիներ և շնչառական ուղիներ, ինչը վնասակար է մարդու առողջության համար։ Վիսկոզային վրա հիմնված ածխածնային թաղանթը լավ ջերմամեկուսիչ հատկություններ ունի։ Ջերմային մշակումից հետո այն համեմատաբար փափուկ է և հեշտ չէ փոշի առաջացնել։ Այնուամենայնիվ, վիսկոզային վրա հիմնված հում մանրաթելի լայնական հատույթը անկանոն է, և մանրաթելի մակերեսին կան բազմաթիվ ակոսներ։ CZ սիլիցիումային վառարանի օքսիդացնող մթնոլորտում հեշտ է գազեր առաջացնել, ինչպիսիք են CO2-ը, ինչը հանգեցնում է թթվածնի և ածխածնային տարրերի նստվածքի մոնոբյուրեղային սիլիցիումային նյութում։ Հիմնական արտադրողների թվում են գերմանական SGL-ը և այլ ընկերություններ։ Ներկայումս կիսահաղորդչային մոնոբյուրեղային արդյունաբերության մեջ ամենատարածվածը խեժի վրա հիմնված ածխածնային թաղանթն է, որն ունի ավելի վատ ջերմամեկուսիչ հատկություններ, քան վիսկոզային վրա հիմնված ածխածնային թաղանթը, բայց խեժի վրա հիմնված ածխածնային թաղանթն ունի ավելի բարձր մաքրություն և ավելի ցածր փոշու արտանետում։ Արտադրողների թվում են ճապոնական Kureha Chemical-ը և Osaka Gas-ը։
Քանի որ ածխածնային թաղիքե ձևը ֆիքսված չէ, այն անհարմար է շահագործելու համար: Այժմ շատ ընկերություններ մշակել են նոր ջերմամեկուսիչ նյութ՝ հիմնված ածխածնային թաղիքե-կարծրացված ածխածնային թաղիքե նյութի վրա: Չորացրած ածխածնային թաղիքե նյութը, որը կոչվում է նաև կարծր թաղիք, ածխածնային թաղիք է, որն ունի որոշակի ձև և ինքնապահպանվող հատկություն՝ փափուկ թաղիքե նյութը խեժով ներծծվելուց, շերտավորվելուց, կարծրացվելուց և ածխածնացվելուց հետո:

Մոնոբյուրեղային սիլիցիումի աճի որակը անմիջականորեն կախված է ջերմային միջավայրից, և ածխածնային մանրաթելային ջերմամեկուսիչ նյութերը կարևոր դեր են խաղում այս միջավայրում: Ածխածնային մանրաթելային ջերմամեկուսիչ փափուկ թաղիք դեռևս զգալի առավելություն ունի ֆոտովոլտային կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ՝ իր գնային առավելության, գերազանց ջերմամեկուսիչ ազդեցության, ճկուն դիզայնի և հարմարեցվող ձևի շնորհիվ: Բացի այդ, ածխածնային մանրաթելային կոշտ ջերմամեկուսիչ թաղիքն ավելի մեծ զարգացման տարածք կունենա ջերմային դաշտի նյութերի շուկայում՝ իր որոշակի ամրության և ավելի բարձր շահագործման շնորհիվ: Մենք հանձնառու ենք ջերմամեկուսիչ նյութերի ոլորտում հետազոտություններին և զարգացմանը և անընդհատ օպտիմալացնում ենք արտադրանքի կատարողականը՝ ֆոտովոլտային կիսահաղորդչային արդյունաբերության բարգավաճումն ու զարգացումը խթանելու համար: