Proses pertumbuhan silikon monokristalin sepenuhnya dilakukan di medan termal. Medan termal yang baik kondusif untuk meningkatkan kualitas kristal dan memiliki efisiensi kristalisasi yang lebih tinggi. Desain medan termal sangat menentukan perubahan gradien suhu di medan termal dinamis dan aliran gas di ruang tungku. Perbedaan bahan yang digunakan di medan termal secara langsung menentukan masa pakai medan termal. Medan termal yang tidak masuk akal tidak hanya sulit untuk menumbuhkan kristal yang memenuhi persyaratan kualitas, tetapi juga tidak dapat menumbuhkan monokristalin lengkap di bawah persyaratan proses tertentu. Inilah sebabnya mengapa industri silikon monokristalin tarik langsung menganggap desain medan termal sebagai teknologi paling inti dan menginvestasikan tenaga kerja dan sumber daya material yang besar dalam penelitian dan pengembangan medan termal.
Sistem termal tersusun dari berbagai material medan termal. Kami hanya akan memperkenalkan secara singkat material yang digunakan dalam medan termal. Mengenai distribusi suhu dalam medan termal dan dampaknya terhadap penarikan kristal, kami tidak akan menganalisisnya di sini. Material medan termal mengacu pada struktur dan bagian insulasi termal dalam ruang tungku vakum pertumbuhan kristal, yang penting untuk menciptakan distribusi suhu yang tepat di sekitar lelehan semikonduktor dan kristal.
1. Bahan struktur medan termal
Bahan pendukung dasar untuk metode tarik langsung untuk menumbuhkan silikon monokristalin adalah grafit dengan kemurnian tinggi. Bahan grafit memainkan peran yang sangat penting dalam industri modern. Bahan ini dapat digunakan sebagai komponen struktural medan panas sepertipemanas, tabung pemandu, wadah peleburan, tabung insulasi, baki wadah peleburan, dll. dalam persiapan silikon monokristalin dengan metode Czochralski.
Bahan grafitdipilih karena mudah diolah dalam jumlah besar, dapat diolah, dan tahan terhadap suhu tinggi. Karbon dalam bentuk intan atau grafit memiliki titik leleh yang lebih tinggi daripada unsur atau senyawa lainnya. Material grafit cukup kuat, terutama pada suhu tinggi, dan konduktivitas listrik dan termalnya juga cukup baik. Konduktivitas listriknya membuatnya cocok sebagaipemanasmaterial. Memiliki koefisien konduktivitas termal yang memuaskan, yang memungkinkan panas yang dihasilkan oleh pemanas didistribusikan secara merata ke wadah dan bagian lain dari medan panas. Namun, pada suhu tinggi, terutama pada jarak yang jauh, mode perpindahan panas utama adalah radiasi.
Bagian grafit awalnya dibuat dari partikel karbon halus yang dicampur dengan pengikat dan dibentuk dengan ekstrusi atau pengepresan isostatik. Bagian grafit berkualitas tinggi biasanya ditekan secara isostatik. Seluruh bagian tersebut pertama-tama dikarbonisasi dan kemudian digrafitisasi pada suhu yang sangat tinggi, mendekati 3000°C. Bagian yang diproses dari seluruh bagian ini biasanya dimurnikan dalam atmosfer yang mengandung klorin pada suhu tinggi untuk menghilangkan kontaminasi logam guna memenuhi persyaratan industri semikonduktor. Akan tetapi, bahkan setelah pemurnian yang tepat, tingkat kontaminasi logam beberapa kali lipat lebih tinggi daripada yang diizinkan untuk bahan silikon monokristalin. Oleh karena itu, kehati-hatian harus dilakukan dalam desain medan termal untuk mencegah kontaminasi komponen ini memasuki permukaan lelehan atau kristal.
Material grafit sedikit permeabel, yang memudahkan logam yang tersisa di dalamnya mencapai permukaan. Selain itu, silikon monoksida yang ada dalam gas pembersih di sekitar permukaan grafit dapat menembus ke sebagian besar material dan bereaksi.
Pemanas tungku silikon monokristalin awal terbuat dari logam tahan api seperti tungsten dan molibdenum. Dengan semakin matangnya teknologi pemrosesan grafit, sifat listrik sambungan antara komponen grafit menjadi stabil, dan pemanas tungku silikon monokristalin telah sepenuhnya menggantikan pemanas tungsten, molibdenum, dan material lainnya. Saat ini, material grafit yang paling banyak digunakan adalah grafit isostatik. Teknologi persiapan grafit isostatik negara saya relatif terbelakang, dan sebagian besar material grafit yang digunakan dalam industri fotovoltaik dalam negeri diimpor dari luar negeri. Produsen grafit isostatik asing terutama meliputi SGL Jerman, Tokai Carbon Jepang, Toyo Tanso Jepang, dll. Dalam tungku silikon monokristalin Czochralski, material komposit C/C terkadang digunakan, dan sudah mulai digunakan untuk memproduksi baut, mur, wadah peleburan, pelat beban, dan komponen lainnya. Komposit karbon/karbon (C/C) adalah komposit berbasis karbon yang diperkuat serat karbon dengan serangkaian sifat yang sangat baik seperti kekuatan spesifik tinggi, modulus spesifik tinggi, koefisien ekspansi termal rendah, konduktivitas listrik yang baik, ketangguhan fraktur tinggi, berat jenis rendah, ketahanan guncangan termal, ketahanan korosi, dan ketahanan suhu tinggi. Saat ini, komposit ini banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan, balap, biomaterial, dan bidang lainnya sebagai bahan struktural baru yang tahan suhu tinggi. Saat ini, hambatan utama yang dihadapi oleh komposit C/C domestik masih berupa masalah biaya dan industrialisasi.
Ada banyak bahan lain yang digunakan untuk membuat medan termal. Grafit yang diperkuat serat karbon memiliki sifat mekanis yang lebih baik; tetapi lebih mahal dan memiliki persyaratan lain untuk desain.Silikon karbida (SiC)adalah bahan yang lebih baik daripada grafit dalam banyak aspek, tetapi jauh lebih mahal dan sulit untuk menyiapkan bagian volume besar. Namun, SiC sering digunakan sebagaiPelapisan CVDuntuk meningkatkan masa pakai komponen grafit yang terpapar gas silikon monoksida korosif, dan juga dapat mengurangi kontaminasi dari grafit. Lapisan silikon karbida CVD yang padat secara efektif mencegah kontaminan di dalam material grafit mikropori mencapai permukaan.
Yang lainnya adalah karbon CVD, yang juga dapat membentuk lapisan padat di atas bagian grafit. Material tahan suhu tinggi lainnya, seperti molibdenum atau material keramik yang dapat hidup berdampingan dengan lingkungan, dapat digunakan jika tidak ada risiko mencemari lelehan. Namun, keramik oksida umumnya terbatas dalam penerapannya pada material grafit pada suhu tinggi, dan hanya ada sedikit pilihan lain jika diperlukan isolasi. Salah satunya adalah boron nitrida heksagonal (kadang-kadang disebut grafit putih karena sifatnya yang mirip), tetapi sifat mekanisnya buruk. Molibdenum umumnya digunakan secara wajar untuk situasi suhu tinggi karena biayanya yang moderat, laju difusi yang rendah dalam kristal silikon, dan koefisien segregasi yang sangat rendah sekitar 5×108, yang memungkinkan sejumlah kontaminasi molibdenum sebelum menghancurkan struktur kristal.
2. Bahan isolasi termal
Bahan insulasi yang paling umum digunakan adalah serat karbon dalam berbagai bentuk. Serat karbon terbuat dari serat tipis, yang berfungsi sebagai insulasi karena serat tersebut memblokir radiasi termal beberapa kali dalam jarak pendek. Serat karbon yang lembut ditenun menjadi lembaran material yang relatif tipis, yang kemudian dipotong sesuai bentuk yang diinginkan dan ditekuk dengan rapat hingga mencapai radius yang wajar. Serat karbon yang diawetkan terdiri dari bahan serat yang serupa, dan pengikat yang mengandung karbon digunakan untuk menyambung serat yang terdispersi menjadi objek yang lebih padat dan berbentuk. Penggunaan deposisi uap kimia karbon sebagai pengganti pengikat dapat meningkatkan sifat mekanis material.
Biasanya, permukaan luar dari bahan pelapis insulasi termal dilapisi dengan lapisan grafit atau foil kontinu untuk mengurangi erosi dan keausan serta kontaminasi partikulat. Jenis lain dari bahan insulasi termal berbasis karbon juga ada, seperti busa karbon. Secara umum, bahan grafitasi jelas lebih disukai karena grafitasi sangat mengurangi luas permukaan serat. Pelepasan gas dari bahan dengan luas permukaan tinggi ini sangat berkurang, dan dibutuhkan waktu lebih sedikit untuk memompa tungku ke vakum yang sesuai. Yang lainnya adalah bahan komposit C/C, yang memiliki karakteristik luar biasa seperti bobot ringan, toleransi kerusakan tinggi, dan kekuatan tinggi. Digunakan dalam bidang termal untuk mengganti komponen grafit secara signifikan mengurangi frekuensi penggantian komponen grafit, meningkatkan kualitas monokristalin dan stabilitas produksi.
Menurut klasifikasi bahan bakunya, serat karbon dapat dibagi menjadi serat karbon berbasis poliakrilonitril, serat karbon berbasis viscose, dan serat karbon berbasis pitch.
Serat karbon berbahan dasar poliakrilonitril memiliki kadar abu yang tinggi. Setelah perlakuan suhu tinggi, serat tunggal menjadi rapuh. Selama pengoperasian, mudah menghasilkan debu yang dapat mencemari lingkungan tungku. Pada saat yang sama, serat dapat dengan mudah masuk ke pori-pori dan saluran pernapasan tubuh manusia, yang berbahaya bagi kesehatan manusia. Serat karbon berbahan dasar viscose memiliki kinerja insulasi termal yang baik. Serat ini relatif lunak setelah perlakuan panas dan tidak mudah menghasilkan debu. Namun, penampang serat mentah berbahan dasar viscose tidak beraturan, dan terdapat banyak alur pada permukaan serat. Mudah menghasilkan gas seperti C02 di bawah atmosfer pengoksidasi tungku silikon CZ, yang menyebabkan pengendapan oksigen dan unsur karbon dalam bahan silikon monokristalin. Produsen utamanya meliputi SGL Jerman dan perusahaan lainnya. Saat ini, yang paling banyak digunakan dalam industri semikonduktor monokristalin adalah serat karbon berbahan dasar pitch, yang memiliki kinerja insulasi termal yang lebih buruk daripada serat karbon berbahan dasar viscose, tetapi serat karbon berbahan dasar pitch memiliki kemurnian yang lebih tinggi dan emisi debu yang lebih rendah. Produsennya termasuk Kureha Chemical dan Osaka Gas dari Jepang.
Karena bentuk serat karbon tidak tetap, maka tidak nyaman untuk dioperasikan. Kini banyak perusahaan telah mengembangkan bahan insulasi termal baru berdasarkan serat karbon yang diawetkan. Serat karbon yang diawetkan, juga disebut serat keras, adalah serat karbon dengan bentuk tertentu dan sifat yang dapat bertahan sendiri setelah serat lunak diresapi dengan resin, dilaminasi, diawetkan, dan dikarbonisasi.
Kualitas pertumbuhan silikon monokristalin secara langsung dipengaruhi oleh lingkungan termal, dan bahan insulasi termal serat karbon memainkan peran kunci dalam lingkungan ini. Kain felt lembut insulasi termal serat karbon masih memiliki keunggulan signifikan dalam industri semikonduktor fotovoltaik karena keunggulan biaya, efek insulasi termal yang sangat baik, desain yang fleksibel, dan bentuk yang dapat disesuaikan. Selain itu, kain felt insulasi termal keras serat karbon akan memiliki ruang pengembangan yang lebih besar di pasar material bidang termal karena kekuatannya yang pasti dan pengoperasian yang lebih tinggi. Kami berkomitmen untuk melakukan penelitian dan pengembangan di bidang material insulasi termal, dan terus mengoptimalkan kinerja produk untuk mendorong kemakmuran dan pengembangan industri semikonduktor fotovoltaik.
Waktu posting: 12-Jun-2024