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 sebagian besar menentukan perubahan gradien suhu dalam medan termal dinamis dan aliran gas di ruang tungku. Perbedaan bahan yang digunakan dalam medan termal secara langsung menentukan umur pakai medan termal. Medan termal yang tidak tepat 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 inti terpenting dan menginvestasikan sumber daya manusia dan material yang besar dalam penelitian dan pengembangan medan termal.
Sistem termal terdiri dari berbagai material medan termal. Kami hanya akan memperkenalkan secara singkat material yang digunakan dalam medan termal. Adapun distribusi suhu dalam medan termal dan dampaknya pada penarikan kristal, kami tidak akan menganalisisnya di sini. Material medan termal mengacu pada struktur dan bagian isolasi termal di dalam ruang tungku vakum pertumbuhan kristal, yang sangat penting untuk menciptakan distribusi suhu yang tepat di sekitar lelehan semikonduktor dan kristal.
1. Material struktur medan termal
Bahan pendukung dasar untuk metode penarikan langsung dalam menumbuhkan silikon monokristalin adalah grafit dengan kemurnian tinggi. Material grafit memainkan peran yang sangat penting dalam industri modern. Material ini dapat digunakan sebagai komponen struktural medan panas seperti...pemanas, tabung pemandu, wadah peleburan, tabung isolasi, baki krusibel, dll. dalam pembuatan silikon monokristalin dengan metode Czochralski.
Bahan grafitDipilih karena mudah disiapkan dalam volume besar, dapat diproses, dan tahan terhadap suhu tinggi. Karbon dalam bentuk intan atau grafit memiliki titik leleh yang lebih tinggi daripada unsur atau senyawa apa pun. Material grafit cukup kuat, terutama pada suhu tinggi, dan konduktivitas listrik dan termalnya juga cukup baik. Konduktivitas listriknya membuatnya cocok sebagaipemanasMaterial ini memiliki koefisien konduktivitas termal yang memuaskan, yang memungkinkan panas yang dihasilkan oleh pemanas terdistribusi 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.
Komponen grafit awalnya terbuat dari partikel karbon halus yang dicampur dengan pengikat dan dibentuk melalui ekstrusi atau pengepresan isostatik. Komponen grafit berkualitas tinggi biasanya diproses dengan pengepresan isostatik. Seluruh bagian tersebut pertama-tama dikarbonisasi dan kemudian digrafitisasi pada suhu yang sangat tinggi, mendekati 3000°C. Komponen yang diproses dari seluruh bagian tersebut biasanya dimurnikan dalam atmosfer yang mengandung klorin pada suhu tinggi untuk menghilangkan kontaminasi logam agar memenuhi persyaratan industri semikonduktor. Namun, bahkan setelah pemurnian yang tepat, tingkat kontaminasi logam beberapa kali lipat lebih tinggi daripada yang diizinkan untuk material silikon monokristalin. Oleh karena itu, perlu diperhatikan desain medan termal untuk mencegah kontaminasi komponen ini memasuki lelehan atau permukaan kristal.
Material grafit memiliki permeabilitas yang rendah, sehingga memudahkan sisa logam di dalamnya untuk mencapai permukaan. Selain itu, silikon monoksida yang terdapat dalam gas pembersih di sekitar permukaan grafit dapat menembus sebagian besar material dan bereaksi.
Pemanas tungku silikon monokristalin awal terbuat dari logam tahan api seperti tungsten dan molibdenum. Dengan semakin matangnya teknologi pengolahan grafit, sifat listrik sambungan antar 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 pembuatan grafit isostatik di negara kita relatif tertinggal, dan sebagian besar material grafit yang digunakan dalam industri fotovoltaik domestik 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 kadang-kadang digunakan, dan telah mulai digunakan untuk memproduksi baut, mur, wadah, pelat beban, dan komponen lainnya. Komposit karbon/karbon (C/C) adalah komposit berbasis karbon yang diperkuat serat karbon dengan serangkaian sifat unggul seperti kekuatan spesifik tinggi, modulus spesifik tinggi, koefisien ekspansi termal rendah, konduktivitas listrik yang baik, ketangguhan retak tinggi, berat jenis rendah, ketahanan terhadap guncangan termal, ketahanan terhadap korosi, dan ketahanan terhadap suhu tinggi. Saat ini, komposit C/C banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, balap, biomaterial, dan bidang lainnya sebagai material struktural tahan suhu tinggi yang baru. Saat ini, kendala utama yang dihadapi oleh komposit C/C domestik masih berupa masalah biaya dan industrialisasi.
Terdapat banyak material lain yang digunakan untuk membuat medan termal. Grafit yang diperkuat serat karbon memiliki sifat mekanik yang lebih baik; namun lebih mahal dan memiliki persyaratan desain yang berbeda.Silikon karbida (SiC)SiC merupakan material yang lebih baik daripada grafit dalam banyak aspek, tetapi jauh lebih mahal dan sulit untuk memproduksi komponen dalam jumlah 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.
Salah satunya 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 di tempat yang tidak berisiko 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 serupa), tetapi sifat mekaniknya 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 merusak struktur kristal.
2. Bahan isolasi termal
Bahan isolasi yang paling umum digunakan adalah felt karbon dalam berbagai bentuk. Felt karbon terbuat dari serat tipis, yang berfungsi sebagai isolasi karena menghalangi radiasi termal berkali-kali dalam jarak pendek. Felt karbon yang lunak ditenun menjadi lembaran material yang relatif tipis, yang kemudian dipotong sesuai bentuk yang diinginkan dan ditekuk rapat hingga membentuk radius yang wajar. Felt yang telah mengeras terdiri dari bahan serat serupa, dan pengikat yang mengandung karbon digunakan untuk menghubungkan serat-serat yang tersebar menjadi objek yang lebih padat dan berbentuk. Penggunaan deposisi uap kimia karbon sebagai pengganti pengikat dapat meningkatkan sifat mekanik material.
Biasanya, permukaan luar bahan isolasi termal berbahan felt dilapisi dengan lapisan atau foil grafit kontinu untuk mengurangi erosi dan keausan serta kontaminasi partikulat. Jenis bahan isolasi termal berbasis karbon lainnya juga ada, seperti busa karbon. Secara umum, bahan yang digrafitisasi jelas lebih disukai karena grafitisasi sangat mengurangi luas permukaan serat. Pelepasan gas dari bahan dengan luas permukaan tinggi ini sangat berkurang, dan dibutuhkan waktu lebih singkat untuk memompa tungku ke vakum yang sesuai. Jenis lainnya adalah material komposit C/C, yang memiliki karakteristik luar biasa seperti ringan, toleransi kerusakan tinggi, dan kekuatan tinggi. Digunakan di bidang termal untuk menggantikan bagian grafit secara signifikan mengurangi frekuensi penggantian bagian grafit, meningkatkan kualitas monokristalin dan stabilitas produksi.
Berdasarkan klasifikasi bahan baku, felt karbon dapat dibagi menjadi felt karbon berbasis poliakrilonitril, felt karbon berbasis viskosa, dan felt karbon berbasis pitch.
Serat karbon berbahan dasar poliakrilonitril memiliki kandungan abu yang tinggi. Setelah perlakuan suhu tinggi, serat tunggal menjadi rapuh. Selama pengoperasian, mudah menghasilkan debu yang 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 viskosa memiliki kinerja isolasi termal yang baik. Serat ini relatif lunak setelah perlakuan panas dan tidak mudah menghasilkan debu. Namun, penampang serat mentah berbahan dasar viskosa tidak beraturan, dan terdapat banyak alur pada permukaan serat. Mudah menghasilkan gas seperti CO2 di bawah atmosfer oksidasi tungku silikon CZ, menyebabkan pengendapan unsur oksigen dan karbon dalam material silikon monokristalin. Produsen utama termasuk SGL Jerman dan perusahaan lain. Saat ini, yang paling banyak digunakan dalam industri semikonduktor monokristalin adalah serat karbon berbahan dasar pitch, yang memiliki kinerja isolasi termal lebih buruk daripada serat karbon berbahan dasar viskosa, tetapi serat karbon berbahan dasar pitch memiliki kemurnian yang lebih tinggi dan emisi debu yang lebih rendah. Produsennya termasuk Kureha Chemical dari Jepang dan Osaka Gas.
Karena bentuk kain felt karbon tidak tetap, pengoperasiannya menjadi kurang praktis. Kini banyak perusahaan telah mengembangkan material isolasi termal baru berbasis kain felt karbon—kain felt karbon yang diawetkan. Kain felt karbon yang diawetkan, juga disebut kain felt keras, adalah kain felt karbon dengan bentuk tertentu dan sifat mandiri setelah kain felt lunak diresapi dengan resin, dilaminasi, diawetkan, dan dikarbonisasi.
Kualitas pertumbuhan silikon monokristalin dipengaruhi langsung oleh lingkungan termal, dan material isolasi termal serat karbon memainkan peran kunci dalam lingkungan ini. Bahan isolasi termal serat karbon lunak masih memiliki keunggulan signifikan dalam industri semikonduktor fotovoltaik karena keunggulan biaya, efek isolasi termal yang sangat baik, desain yang fleksibel, dan bentuk yang dapat disesuaikan. Selain itu, bahan isolasi termal serat karbon keras akan memiliki ruang pengembangan yang lebih besar di pasar material medan termal karena kekuatan tertentu dan pengoperasian yang lebih tinggi. Kami berkomitmen pada penelitian dan pengembangan di bidang material isolasi termal, dan terus mengoptimalkan kinerja produk untuk mendorong kemakmuran dan perkembangan industri semikonduktor fotovoltaik.
Waktu posting: 12 Juni 2024