Monokristalinio silicio augimo procesas vyksta visiškai terminiame lauke. Geras terminis laukas padeda pagerinti kristalų kokybę ir pasižymi didesniu kristalizacijos efektyvumu. Terminio lauko konstrukcija daugiausia lemia temperatūros gradientų pokyčius dinaminiame terminiame lauke ir dujų srautą krosnies kameroje. Terminiame lauke naudojamų medžiagų skirtumas tiesiogiai lemia terminio lauko tarnavimo laiką. Dėl nepagrįsto terminio lauko ne tik sunku užauginti kokybės reikalavimus atitinkančius kristalus, bet ir neįmanoma užauginti visiškai monokristalinio kristalo laikantis tam tikrų proceso reikalavimų. Štai kodėl tiesioginio traukimo monokristalinio silicio pramonė terminio lauko dizainą laiko svarbiausia technologija ir investuoja didžiulius darbo jėgos bei materialinius išteklius į terminio lauko tyrimus ir plėtrą.
Šiluminė sistema sudaryta iš įvairių šiluminio lauko medžiagų. Mes tik trumpai pristatysime šiluminiame lauke naudojamas medžiagas. Kalbant apie temperatūros pasiskirstymą šiluminiame lauke ir jo įtaką kristalų traukimui, čia to neanalizuosime. Šiluminio lauko medžiaga – tai kristalų augimo vakuuminės krosnies kameros konstrukcija ir šilumos izoliacijos dalis, kuri yra būtina norint sukurti tinkamą temperatūros pasiskirstymą aplink puslaidininkio lydalą ir kristalą.
1. Šiluminio lauko konstrukcijos medžiaga
Pagrindinė tiesioginio traukimo metodo monokristaliniam siliciui auginti atraminė medžiaga yra labai grynas grafitas. Grafito medžiagos vaidina labai svarbų vaidmenį šiuolaikinėje pramonėje. Jos gali būti naudojamos kaip šilumos lauko konstrukciniai komponentai, tokie kaipšildytuvai, kreipiamieji vamzdžiai, tigliai, izoliaciniai vamzdeliai, tiglių padėklai ir kt., gaminant monokristalinį silicį Čochralskio metodu.
Grafito medžiagosyra atrenkami, nes juos lengva paruošti dideliais kiekiais, galima apdoroti ir jie yra atsparūs aukštai temperatūrai. Deimanto ar grafito pavidalo anglis turi aukštesnę lydymosi temperatūrą nei bet kuris elementas ar junginys. Grafito medžiagos yra gana stiprios, ypač aukštoje temperatūroje, o jų elektrinis ir šiluminis laidumas taip pat yra gana geras. Dėl elektrinio laidumo jis tinka kaipšildytuvasmedžiaga. Ji turi patenkinamą šilumos laidumo koeficientą, kuris leidžia šildytuvo generuojamai šilumai tolygiai paskirstyti tiglyje ir kitose šilumos lauko dalyse. Tačiau esant aukštai temperatūrai, ypač dideliais atstumais, pagrindinis šilumos perdavimo būdas yra spinduliuotė.
Grafito detalės iš pradžių gaminamos iš smulkių anglies dalelių, sumaišytų su rišikliu, ir formuojamos ekstruzijos arba izostatinio presavimo būdu. Aukštos kokybės grafito detalės paprastai presuojamos izostatiniu būdu. Visas gabalas pirmiausia karbonizuojamas, o po to grafituojamas labai aukštoje temperatūroje, artimoje 3000 °C. Iš šių gabalų pagamintos detalės paprastai valomos chloro turinčioje atmosferoje aukštoje temperatūroje, siekiant pašalinti metalo užterštumą, kad būtų patenkinti puslaidininkių pramonės reikalavimai. Tačiau net ir po tinkamo valymo metalo užterštumo lygis yra keliais dydžio eilėmis didesnis nei leidžiama silicio monokristalinėms medžiagoms. Todėl projektuojant terminį lauką reikia imtis atsargumo priemonių, kad šių komponentų užterštumas nepatektų į lydalo ar kristalo paviršių.
Grafito medžiagos yra šiek tiek pralaidžios, todėl likusiam metalui lengvai pasiekiamas paviršius. Be to, valymo dujose aplink grafito paviršių esantis silicio monoksidas gali prasiskverbti į daugumą medžiagų ir sureaguoti.
Ankstyvieji monokristalinio silicio krosnių šildytuvai buvo gaminami iš ugniai atsparių metalų, tokių kaip volframas ir molibdenas. Tobulėjant grafito apdorojimo technologijai, grafito komponentų jungčių elektrinės savybės tapo stabilios, o monokristalinio silicio krosnių šildytuvai visiškai pakeitė volframo, molibdeno ir kitų medžiagų šildytuvus. Šiuo metu plačiausiai naudojama grafito medžiaga yra izostatinis grafitas. Mūsų šalies izostatinio grafito paruošimo technologija yra gana atsilikusi, o dauguma grafito medžiagų, naudojamų vidaus fotovoltinių elementų pramonėje, yra importuojamos iš užsienio. Užsienio izostatinio grafito gamintojai daugiausia yra Vokietijos SGL, Japonijos Tokai Carbon, Japonijos Toyo Tanso ir kt. Čochralskio monokristalinio silicio krosnyse kartais naudojamos C/C kompozicinės medžiagos, kurios pradėtos naudoti varžtams, veržlėms, tigliams, apkrovos plokštėms ir kitiems komponentams gaminti. Anglies/anglies (C/C) kompozitai yra anglies pluoštu sustiprinti anglies pagrindo kompozitai, pasižymintys daugybe puikių savybių, tokių kaip didelis savitasis stiprumas, didelis savitasis modulis, mažas šiluminio plėtimosi koeficientas, geras elektrinis laidumas, didelis atsparumas lūžiams, mažas savitasis svoris, atsparumas šiluminiam smūgiui, atsparumas korozijai ir atsparumas aukštai temperatūrai. Šiuo metu jie plačiai naudojami aviacijos ir kosmoso, lenktynių, biomedžiagų ir kitose srityse kaip naujos, aukštai temperatūrai atsparios konstrukcinės medžiagos. Šiuo metu pagrindinės kliūtys, su kuriomis susiduria vietiniai C/C kompozitai, vis dar yra kainos ir industrializacijos klausimai.
Šiluminiams laukams gaminti naudojama daug kitų medžiagų. Anglies pluoštu sustiprintas grafitas pasižymi geresnėmis mechaninėmis savybėmis, tačiau yra brangesnis ir jam keliami kiti projektavimo reikalavimai.Silicio karbidas (SiC)daugeliu aspektų yra geresnė medžiaga nei grafitas, tačiau ji yra daug brangesnė ir sunkiau pagaminama didelio tūrio detalėms. Tačiau SiC dažnai naudojamas kaipCVD dangasiekiant pailginti grafito dalių, veikiamų korozinių silicio monoksido dujų, tarnavimo laiką ir sumažinti grafito užterštumą. Tanki CVD silicio karbido danga efektyviai neleidžia mikroporinės grafito medžiagos teršalams pasiekti paviršiaus.
Kitas variantas yra CVD anglis, kuri taip pat gali sudaryti tankų sluoksnį virš grafito dalies. Kitos aukštai temperatūrai atsparios medžiagos, tokios kaip molibdenas arba keraminės medžiagos, kurios gali egzistuoti kartu su aplinka, gali būti naudojamos ten, kur nėra lydalo užteršimo rizikos. Tačiau oksido keramikos pritaikymas grafito medžiagoms aukštoje temperatūroje paprastai yra ribotas, o jei reikia izoliacijos, yra nedaug kitų variantų. Viena iš jų yra šešiakampis boro nitridas (dėl panašių savybių kartais vadinamas baltuoju grafitu), tačiau jo mechaninės savybės yra prastos. Molibdenas paprastai yra pagrįstai naudojamas aukštoje temperatūroje dėl vidutinės kainos, mažo difuzijos greičio silicio kristaluose ir labai mažo segregacijos koeficiento (apie 5 × 108), kuris leidžia tam tikrą kiekį molibdeno užterštumo prieš sunaikinant kristalo struktūrą.
2. Šilumos izoliacinės medžiagos
Dažniausiai naudojama izoliacinė medžiaga yra įvairių formų anglies veltinis. Anglies veltinis pagamintas iš plonų pluoštų, kurie veikia kaip izoliacija, nes daug kartų blokuoja šiluminę spinduliuotę per trumpą atstumą. Minkštas anglies veltinis yra audžiamas į gana plonus medžiagos lakštus, kurie vėliau supjaustomi norima forma ir sandariai sulenkiami iki reikiamo spindulio. Sukietėję veltiniai sudaryti iš panašių pluoštinių medžiagų, o anglies turintis rišiklis naudojamas dispersiniams pluoštams sujungti į tvirtesnį ir formos objektą. Cheminio anglies nusodinimo iš garų metodas vietoj rišiklio gali pagerinti medžiagos mechanines savybes.
Paprastai išorinis šilumos izoliacijos veltinio paviršius yra padengtas ištisine grafito danga arba folija, siekiant sumažinti eroziją ir dilimą, taip pat kietųjų dalelių užterštumą. Taip pat egzistuoja ir kitų tipų anglies pagrindo šilumos izoliacinės medžiagos, pavyzdžiui, anglies putplastis. Apskritai, grafitizuotos medžiagos yra akivaizdžiai pageidaujamos, nes grafitizavimas labai sumažina pluošto paviršiaus plotą. Šių didelio paviršiaus ploto medžiagų dujų išsiskyrimas labai sumažėja, o krosnies pumpavimas į tinkamą vakuumą užtrunka trumpiau. Kita medžiaga yra C/C kompozicinė medžiaga, pasižyminti išskirtinėmis savybėmis, tokiomis kaip lengvas svoris, didelis atsparumas pažeidimams ir didelis stiprumas. Naudojama terminiuose laukuose grafito dalims pakeisti, grafito dalių keitimo dažnumas žymiai sumažėja, pagerėja monokristalų kokybė ir gamybos stabilumas.
Pagal žaliavų klasifikaciją anglies veltinį galima suskirstyti į poliakrilnitrilo pagrindu pagamintą anglies veltinį, viskozės pagrindu pagamintą anglies veltinį ir dervos pagrindu pagamintą anglies veltinį.
Poliakrilnitrilo pagrindu pagamintas anglies veltinis turi didelį pelenų kiekį. Po apdorojimo aukštoje temperatūroje vienas pluoštas tampa trapus. Eksploatacijos metu lengvai susidaro dulkės, kurios užteršia krosnies aplinką. Tuo pačiu metu pluoštas gali lengvai patekti į žmogaus kūno poras ir kvėpavimo takus, o tai kenkia žmonių sveikatai. Viskozės pagrindu pagamintas anglies veltinis pasižymi geromis šilumos izoliacijos savybėmis. Po terminio apdorojimo jis yra gana minkštas ir nelengvai susidaro dulkės. Tačiau viskozės pagrindu pagaminto neapdoroto pluošto skerspjūvis yra netaisyklingas, o pluošto paviršiuje yra daug griovelių. CZ silicio krosnies oksiduojančioje atmosferoje lengva susidaryti dujoms, tokioms kaip CO2, dėl kurių monokristalinėje silicio medžiagoje nusėda deguonis ir anglies elementai. Pagrindiniai gamintojai yra Vokietijos SGL ir kitos įmonės. Šiuo metu puslaidininkių monokristalinėje pramonėje plačiausiai naudojamas pikio pagrindu pagamintas anglies veltinis, kurio šilumos izoliacijos savybės yra prastesnės nei viskozės pagrindu pagamintas anglies veltinio, tačiau pikio pagrindu pagamintas anglies veltinis yra grynesnis ir išskiria mažiau dulkių. Gamintojai yra Japonijos „Kureha Chemical“ ir „Osaka Gas“.
Kadangi anglies veltinio forma nėra fiksuota, jį nepatogu eksploatuoti. Dabar daugelis įmonių sukūrė naują šilumos izoliacinę medžiagą, pagrįstą anglies veltiniu sukietintu anglies veltiniu. Sukietintas anglies veltinis, dar vadinamas kietuoju veltiniu, yra anglies veltinys, turintis tam tikrą formą ir savitvardą po to, kai minkštas veltinys yra impregnuojamas derva, laminuojamas, sukietinamas ir karbonizuojamas.
Monokristalinio silicio augimo kokybę tiesiogiai veikia šiluminė aplinka, o anglies pluošto šiluminės izoliacinės medžiagos šioje aplinkoje vaidina pagrindinį vaidmenį. Anglies pluošto šiluminės izoliacijos minkštasis veltinis vis dar turi didelį pranašumą fotovoltinių puslaidininkių pramonėje dėl savo kainos pranašumo, puikaus šiluminės izoliacijos efekto, lanksčios konstrukcijos ir pritaikomos formos. Be to, anglies pluošto kietasis šiluminės izoliacijos veltinis turės didesnę plėtros erdvę šiluminio lauko medžiagų rinkoje dėl tam tikro stiprumo ir didesnio eksploatacinių savybių. Esame įsipareigoję atlikti tyrimus ir plėtrą šiluminės izoliacinės medžiagos srityje ir nuolat optimizuoti gaminių našumą, kad skatintume fotovoltinių puslaidininkių pramonės klestėjimą ir plėtrą.
Įrašo laikas: 2024 m. birželio 12 d.