Il processo di crescita del silicio monocristallino avviene interamente in campo termico. Un buon campo termico favorisce il miglioramento della qualità dei cristalli e presenta 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 determina direttamente la durata del campo termico stesso. Un campo termico non adeguato non solo rende difficile la crescita di cristalli che soddisfino i requisiti di qualità, ma non consente nemmeno la crescita di cristalli monocristallini completi in base a determinati requisiti di processo. Per questo motivo, l'industria del silicio monocristallino direct-pull considera la progettazione del campo termico la tecnologia più importante e investe ingenti risorse umane e materiali nella ricerca e sviluppo in questo campo.
Il sistema termico è composto da vari materiali per il campo termico. Presenteremo brevemente i materiali utilizzati nel campo termico. Per quanto riguarda la distribuzione della temperatura nel campo termico e il suo impatto sull'estrazione dei cristalli, non la analizzeremo qui. Il materiale per il campo termico si riferisce alla struttura e all'isolamento termico nella camera del forno a vuoto per la crescita dei cristalli, essenziale per creare un'adeguata distribuzione della temperatura attorno al fuso semiconduttore e al cristallo.
1. Materiale della struttura del campo termico
Il materiale di supporto di base per il metodo direct-pull 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 per campi termici comeriscaldatori, tubi guida, crogioli, tubi isolanti, vassoi per crogioli, ecc. nella preparazione del silicio monocristallino con il metodo Czochralski.
Materiali in grafitesono 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 altro elemento o composto. I materiali in grafite sono piuttosto resistenti, soprattutto ad alte temperature, e anche la loro conduttività elettrica e termica è piuttosto buona. La sua conduttività elettrica lo rende adatto comestufaMateriale. Presenta un coefficiente di conduttività termica soddisfacente, che consente al calore generato dal riscaldatore di essere distribuito uniformemente 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 pressati isostaticamente. L'intero pezzo viene prima carbonizzato e poi grafitizzato a temperature molto elevate, prossime ai 3000 °C. I componenti lavorati da questi pezzi interi vengono solitamente purificati in un'atmosfera contenente cloro ad alte temperature per rimuovere la contaminazione metallica e soddisfare i requisiti dell'industria dei semiconduttori. Tuttavia, anche dopo un'adeguata purificazione, il livello di contaminazione metallica è di diversi ordini di grandezza superiore a quello consentito per i materiali monocristallini al silicio. Pertanto, è necessario prestare attenzione nella progettazione del campo termico per evitare che la contaminazione di questi componenti penetri nella fusione o nella superficie del cristallo.
I materiali in grafite sono leggermente permeabili, il che facilita il raggiungimento della superficie da parte del metallo rimanente 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 riscaldatori per forni in silicio monocristallino erano realizzati con metalli refrattari come tungsteno e molibdeno. Con la crescente maturità della tecnologia di lavorazione della grafite, le proprietà elettriche della connessione tra i componenti in grafite sono diventate stabili e i riscaldatori per forni in silicio monocristallino hanno completamente sostituito i riscaldatori 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. Tra i produttori esteri di grafite isostatica figurano principalmente la tedesca SGL, la giapponese Tokai Carbon, la giapponese Toyo Tanso, ecc. Nei forni in silicio monocristallino Czochralski vengono talvolta utilizzati materiali compositi C/C, che hanno iniziato a essere utilizzati per la 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 con una serie di eccellenti proprietà come 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 in ambito aerospaziale, automobilistico, biomateriali e altri settori come nuovi materiali strutturali resistenti alle alte temperature. Attualmente, i principali colli di bottiglia riscontrati dai compositi C/C nazionali sono ancora i costi e i problemi di industrializzazione.
Esistono molti altri materiali utilizzati per realizzare campi termici. La grafite rinforzata con fibra di carbonio ha proprietà meccaniche migliori, ma è più costosa e presenta altri requisiti di progettazione.Carburo di silicio (SiC)è un materiale migliore della grafite sotto molti aspetti, ma è molto più costoso e difficile da preparare parti di grandi volumi. Tuttavia, il SiC è spesso utilizzato comeRivestimento CVDPer aumentare la durata dei componenti in grafite esposti al gas corrosivo monossido di silicio e ridurre la contaminazione da grafite. Il denso rivestimento in carburo di silicio CVD impedisce efficacemente ai contaminanti presenti all'interno del materiale microporoso in grafite di raggiungere la superficie.
Un altro 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 che possono coesistere con l'ambiente, possono essere utilizzati laddove non vi sia il rischio di contaminazione della massa fusa. Tuttavia, gli ossidi ceramici sono generalmente limitati nella loro applicabilità ai materiali in grafite ad alte temperature e ci sono poche altre opzioni se è necessario un isolamento. Una è il nitruro di boro esagonale (a volte chiamato grafite bianca per proprietà simili), ma le proprietà meccaniche sono scarse. Il molibdeno è generalmente utilizzato ragionevolmente per 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 di distruggere la struttura cristallina.
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 come isolante poiché bloccano 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 ragionevole. I feltri polimerizzati sono composti da materiali fibrosi simili e un legante contenente carbonio viene utilizzato per collegare le fibre disperse in un oggetto più solido e sagomato. L'uso della deposizione chimica da vapore del carbonio al posto di un legante può migliorare le proprietà meccaniche del materiale.
In genere, la superficie esterna del feltro di indurimento per isolamento termico è rivestita con uno strato continuo o una lamina di grafite 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 della fibra. Il degasaggio di questi materiali ad alta superficie è notevolmente ridotto e richiede meno tempo per pompare il forno a un livello di vuoto adeguato. Un altro materiale composito è il C/C, che presenta caratteristiche eccezionali come leggerezza, elevata tolleranza ai danni ed elevata resistenza. Utilizzato in campo termico per sostituire parti in grafite, riduce significativamente la frequenza di sostituzione delle parti in grafite, migliora la qualità del monocristallino e la stabilità produttiva.
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 presenta un elevato contenuto di ceneri. Dopo il trattamento ad alta temperatura, la singola fibra diventa fragile. Durante il funzionamento, è facile che si generi polvere, contaminando l'ambiente del forno. Allo stesso tempo, la fibra può facilmente penetrare nei pori e nelle vie respiratorie del corpo umano, con conseguenti danni alla salute. Il feltro di carbonio a base di viscosa offre 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 della fibra. È facile che si generino gas come CO2 nell'atmosfera ossidante del forno di silicio CZ, causando la precipitazione di ossigeno e elementi di carbonio nel materiale di silicio monocristallino. I principali produttori includono la tedesca SGL e altre aziende. Attualmente, il feltro di carbonio a base di pece più utilizzato nell'industria dei semiconduttori monocristallini, che presenta prestazioni di isolamento termico inferiori rispetto al feltro di carbonio a base di viscosa, ma il feltro di carbonio a base di pece presenta una maggiore purezza e una minore emissione di polvere. Tra i produttori figurano le giapponesi Kureha Chemical e Osaka Gas.
Poiché la forma del feltro di carbonio non è fissa, risulta scomodo da utilizzare. Molte aziende hanno ora sviluppato un nuovo materiale isolante termico a base di feltro di carbonio vulcanizzato. Il feltro di carbonio vulcanizzato, noto anche come feltro duro, è un feltro di carbonio che acquisisce una forma specifica e proprietà autosufficienti dopo essere stato impregnato di resina, laminato, vulcanizzato e carbonizzato.
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 tale contesto. Il feltro morbido isolante termico in fibra di carbonio continua a offrire un vantaggio significativo nel settore dei semiconduttori fotovoltaici grazie al suo costo contenuto, all'eccellente effetto isolante termico, alla flessibilità di design e alla forma personalizzabile. Inoltre, il feltro isolante termico rigido in fibra di carbonio avrà un maggiore spazio di sviluppo nel mercato dei materiali per il settore termico grazie alla sua elevata resistenza e alla maggiore operabilità. Siamo impegnati nella ricerca e nello sviluppo nel campo dei materiali isolanti termici e ottimizziamo costantemente le prestazioni dei prodotti per promuovere la prosperità e lo sviluppo del settore dei semiconduttori fotovoltaici.
Data di pubblicazione: 12 giugno 2024