Il processo di crescita del silicio monocristallino avviene interamente in un campo termico. Un buon campo termico contribuisce a migliorare la qualità dei cristalli e a ottenere una maggiore efficienza di cristallizzazione. La progettazione del campo termico determina in larga misura le variazioni dei gradienti di temperatura nel campo termico dinamico e il flusso di gas nella camera del forno. La differenza nei materiali utilizzati nel campo termico influisce direttamente sulla sua durata. Un campo termico inadeguato non solo rende difficile la crescita di cristalli che soddisfino i requisiti di qualità, ma non consente nemmeno la crescita di silicio monocristallino completo in determinate condizioni di processo. Per questo motivo, l'industria del silicio monocristallino a estrazione diretta considera la progettazione del campo termico una tecnologia fondamentale e investe ingenti risorse umane e materiali nella ricerca e sviluppo in questo ambito.
Il sistema termico è composto da diversi materiali per il campo termico. Ci limiteremo a una breve introduzione sui materiali utilizzati nel campo termico. Non analizzeremo in questa sede la distribuzione della temperatura nel campo termico e il suo impatto sull'estrazione del cristallo. Il materiale del campo termico si riferisce alla struttura e all'isolamento termico presenti nella camera del forno a vuoto per la crescita del cristallo, elementi essenziali per creare un'adeguata distribuzione della temperatura attorno al fuso semiconduttore e al cristallo.
1. Materiale strutturale del campo termico
Il materiale di supporto di base per il metodo di trazione diretta per la crescita del silicio monocristallino è la grafite ad alta purezza. I materiali in grafite svolgono un ruolo molto importante nell'industria moderna. Possono essere utilizzati come componenti strutturali del campo termico comeriscaldatori, tubi guida, crogiolitubi isolanti, vassoi per crogioli, ecc. nella preparazione del silicio monocristallino con il metodo Czochralski.
Materiali in grafitevengono selezionati perché sono facili da preparare in grandi volumi, possono essere lavorati e sono resistenti alle alte temperature. Il carbonio sotto forma di diamante o grafite ha un punto di fusione più alto di qualsiasi elemento o composto. I materiali in grafite sono piuttosto resistenti, soprattutto alle alte temperature, e anche la loro conduttività elettrica e termica è piuttosto buona. La sua conduttività elettrica lo rende adatto comestufaIl materiale presenta un coefficiente di conducibilità termica soddisfacente, che consente una distribuzione uniforme del calore generato dal riscaldatore al crogiolo e alle altre parti del campo termico. Tuttavia, ad alte temperature, soprattutto su lunghe distanze, la principale modalità di trasferimento del calore è l'irraggiamento.
I componenti in grafite sono inizialmente costituiti da particelle carboniose fini mescolate con un legante e formate mediante estrusione o pressatura isostatica. I componenti in grafite di alta qualità sono solitamente ottenuti tramite pressatura isostatica. L'intero pezzo viene prima carbonizzato e poi grafitizzato ad altissime temperature, prossime ai 3000 °C. I componenti ricavati da questi pezzi interi vengono solitamente purificati in atmosfera contenente cloro ad alte temperature per rimuovere la contaminazione da metalli e soddisfare i requisiti dell'industria dei semiconduttori. Tuttavia, anche dopo un'adeguata purificazione, il livello di contaminazione da metalli è di diversi ordini di grandezza superiore a quello consentito per i materiali monocristallini di silicio. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione nella progettazione del campo termico per impedire che la contaminazione di questi componenti penetri nella massa fusa o sulla superficie del cristallo.
I materiali in grafite sono leggermente permeabili, il che facilita la risalita in superficie del metallo residuo all'interno. Inoltre, il monossido di silicio presente nel gas di spurgo attorno alla superficie della grafite può penetrare nella maggior parte dei materiali e reagire.
I primi elementi riscaldanti per forni a silicio monocristallino erano realizzati in metalli refrattari come tungsteno e molibdeno. Con la crescente maturità della tecnologia di lavorazione della grafite, le proprietà elettriche delle connessioni tra i componenti in grafite si sono stabilizzate e gli elementi riscaldanti per forni a silicio monocristallino hanno completamente sostituito quelli in tungsteno, molibdeno e altri materiali. Attualmente, il materiale in grafite più utilizzato è la grafite isostatica. La tecnologia di preparazione della grafite isostatica nel mio paese è relativamente arretrata e la maggior parte dei materiali in grafite utilizzati nell'industria fotovoltaica nazionale viene importata dall'estero. I principali produttori esteri di grafite isostatica includono la tedesca SGL, la giapponese Tokai Carbon, la giapponese Toyo Tanso, ecc. Nei forni a silicio monocristallino Czochralski, a volte vengono utilizzati materiali compositi C/C, che hanno iniziato ad essere impiegati nella produzione di bulloni, dadi, crogioli, piastre di carico e altri componenti. I compositi carbonio/carbonio (C/C) sono compositi a base di carbonio rinforzati con fibre di carbonio, dotati di una serie di eccellenti proprietà quali elevata resistenza specifica, elevato modulo specifico, basso coefficiente di dilatazione termica, buona conduttività elettrica, elevata tenacità alla frattura, basso peso specifico, resistenza agli shock termici, resistenza alla corrosione e resistenza alle alte temperature. Attualmente, sono ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, dei biomateriali e in altri campi come nuovi materiali strutturali resistenti alle alte temperature. Al momento, i principali ostacoli allo sviluppo dei compositi C/C a livello nazionale rimangono i costi e le problematiche legate all'industrializzazione.
Esistono molti altri materiali utilizzati per realizzare campi termici. La grafite rinforzata con fibra di carbonio ha migliori proprietà meccaniche, ma è più costosa e presenta requisiti di progettazione diversi.carburo di silicio (SiC)è un materiale migliore della grafite sotto molti aspetti, ma è molto più costoso e difficile da preparare in grandi volumi. Tuttavia, il SiC è spesso utilizzato comeRivestimento CVDAumenta la durata dei componenti in grafite esposti al gas corrosivo di monossido di silicio e può anche ridurre la contaminazione della grafite. Il denso rivestimento in carburo di silicio CVD impedisce efficacemente ai contaminanti presenti all'interno del materiale di grafite microporosa di raggiungere la superficie.
Un altro materiale è il carbonio CVD, che può anche formare uno strato denso sopra la parte in grafite. Altri materiali resistenti alle alte temperature, come il molibdeno o materiali ceramici compatibili con l'ambiente, possono essere utilizzati laddove non vi sia rischio di contaminazione del fuso. Tuttavia, le ceramiche ossidiche sono generalmente limitate nella loro applicabilità ai materiali in grafite ad alte temperature e ci sono poche altre opzioni se è richiesto l'isolamento. Una di queste è il nitruro di boro esagonale (a volte chiamato grafite bianca per via di proprietà simili), ma le sue proprietà meccaniche sono scarse. Il molibdeno è generalmente utilizzato in modo ragionevole in situazioni ad alta temperatura grazie al suo costo moderato, alla bassa velocità di diffusione nei cristalli di silicio e a un coefficiente di segregazione molto basso di circa 5×10⁸, che consente una certa quantità di contaminazione da molibdeno prima che la struttura cristallina venga distrutta.
2. Materiali isolanti termici
Il materiale isolante più comunemente utilizzato è il feltro di carbonio in varie forme. Il feltro di carbonio è costituito da fibre sottili che agiscono da isolante bloccando la radiazione termica più volte su una breve distanza. Il feltro di carbonio, morbido, viene tessuto in fogli di materiale relativamente sottili, che vengono poi tagliati nella forma desiderata e piegati strettamente con un raggio adeguato. I feltri polimerizzati sono composti da materiali fibrosi simili e un legante contenente carbonio viene utilizzato per unire le fibre disperse in un oggetto più solido e sagomato. L'utilizzo della deposizione chimica da fase vapore (CVD) del carbonio al posto di un legante può migliorare le proprietà meccaniche del materiale.
In genere, la superficie esterna del feltro isolante termico è rivestita con un rivestimento o una lamina di grafite continua per ridurre l'erosione e l'usura, nonché la contaminazione da particolato. Esistono anche altri tipi di materiali isolanti termici a base di carbonio, come la schiuma di carbonio. In generale, i materiali grafitizzati sono ovviamente preferiti perché la grafitizzazione riduce notevolmente la superficie delle fibre. Il degassamento di questi materiali ad alta superficie specifica è notevolmente ridotto e occorre meno tempo per portare il forno al vuoto adeguato. Un altro materiale è il composito C/C, che presenta caratteristiche eccezionali come leggerezza, elevata tolleranza ai danni e alta resistenza. Il suo utilizzo in ambito termico per sostituire le parti in grafite riduce significativamente la frequenza di sostituzione delle parti in grafite, migliora la qualità monocristallina e la stabilità della produzione.
In base alla classificazione delle materie prime, il feltro di carbonio può essere suddiviso in feltro di carbonio a base di poliacrilonitrile, feltro di carbonio a base di viscosa e feltro di carbonio a base di pece.
Il feltro di carbonio a base di poliacrilonitrile ha un elevato contenuto di ceneri. Dopo il trattamento ad alta temperatura, la singola fibra diventa fragile. Durante il funzionamento, tende a generare polvere che inquina l'ambiente del forno. Allo stesso tempo, la fibra può facilmente penetrare nei pori e nelle vie respiratorie del corpo umano, risultando dannosa per la salute. Il feltro di carbonio a base di viscosa ha buone prestazioni di isolamento termico. È relativamente morbido dopo il trattamento termico e non genera facilmente polvere. Tuttavia, la sezione trasversale della fibra grezza a base di viscosa è irregolare e presenta numerose scanalature sulla superficie. Questo facilita la generazione di gas come la CO2 nell'atmosfera ossidante del forno per silicio CZ, causando la precipitazione di ossigeno e carbonio nel materiale di silicio monocristallino. Tra i principali produttori figurano la tedesca SGL e altre aziende. Attualmente, il feltro di carbonio più utilizzato nell'industria dei semiconduttori monocristallini è quello a base di pece, che ha prestazioni di isolamento termico inferiori rispetto al feltro di carbonio a base di viscosa, ma presenta una purezza maggiore e minori emissioni di polvere. Tra i produttori figurano le giapponesi Kureha Chemical e Osaka Gas.
Poiché la forma del feltro di carbonio non è fissa, il suo utilizzo risulta scomodo. Per questo motivo, molte aziende hanno sviluppato un nuovo materiale isolante termico a base di feltro di carbonio: il feltro di carbonio vulcanizzato. Il feltro di carbonio vulcanizzato, detto anche feltro rigido, è un feltro di carbonio che, dopo aver impregnato il feltro morbido con resina, laminato, vulcanizzato e carbonizzato, acquisisce una forma specifica e proprietà autoportanti.
La qualità di crescita del silicio monocristallino è direttamente influenzata dall'ambiente termico, e i materiali isolanti termici in fibra di carbonio svolgono un ruolo chiave in questo contesto. Il feltro isolante termico morbido in fibra di carbonio continua a godere di un vantaggio significativo nel settore dei semiconduttori fotovoltaici grazie al suo costo contenuto, all'eccellente effetto isolante termico, alla flessibilità di progettazione e alla possibilità di personalizzare la forma. Inoltre, il feltro isolante termico rigido in fibra di carbonio avrà un maggiore potenziale di sviluppo nel mercato dei materiali per il campo termico grazie alla sua resistenza e alla maggiore operatività. Ci impegniamo nella ricerca e nello sviluppo nel campo dei materiali isolanti termici e ottimizziamo costantemente le prestazioni dei nostri prodotti per promuovere la prosperità e lo sviluppo del settore dei semiconduttori fotovoltaici.
Data di pubblicazione: 12 giugno 2024