Monokristāliskā silīcija augšanas process pilnībā notiek termiskajā laukā. Labs termiskais lauks veicina kristālu kvalitātes uzlabošanos un nodrošina augstāku kristalizācijas efektivitāti. Termiskā lauka konstrukcija lielā mērā nosaka temperatūras gradientu izmaiņas dinamiskajā termiskajā laukā un gāzes plūsmu krāsns kamerā. Termiskajā laukā izmantoto materiālu atšķirība tieši nosaka termiskā lauka kalpošanas laiku. Nepamatoti spēcīgs termiskais lauks ne tikai apgrūtina kristālu audzēšanu, kas atbilst kvalitātes prasībām, bet arī nespēj pilnībā izaudzēt monokristāliskus kristālus, ievērojot noteiktas procesa prasības. Tāpēc tiešās vilkšanas monokristāliskā silīcija nozare uzskata termiskā lauka dizainu par galveno tehnoloģiju un iegulda milzīgus darbaspēka un materiālos resursus termiskā lauka pētniecībā un attīstībā.
Termiskā sistēma sastāv no dažādiem termiskā lauka materiāliem. Mēs tikai īsumā iepazīstinām ar termiskajā laukā izmantotajiem materiāliem. Šeit mēs neanalizēsim temperatūras sadalījumu termiskajā laukā un tā ietekmi uz kristāla vilkšanu. Termiskā lauka materiāls attiecas uz struktūru un siltumizolācijas daļu kristāla augšanas vakuuma krāsns kamerā, kas ir būtiska, lai radītu atbilstošu temperatūras sadalījumu ap pusvadītāju kausējumu un kristālu.
1. Termiskā lauka struktūras materiāls
Tiešās vilkšanas metodes monokristāliskā silīcija audzēšanai pamatmateriāls ir augstas tīrības pakāpes grafīts. Grafīta materiāliem ir ļoti svarīga loma mūsdienu rūpniecībā. Tos var izmantot kā siltuma lauka konstrukcijas komponentus, piemēram,sildītāji, vadotnes caurules, tīģeļi, izolācijas caurules, tīģeļu paplātes utt. monokristāliskā silīcija sagatavošanā pēc Čohraļska metodes.
Grafīta materiālitiek izvēlēti tāpēc, ka tos ir viegli pagatavot lielos apjomos, tos var apstrādāt un tie ir izturīgi pret augstām temperatūrām. Oglekļa dimanta vai grafīta formā kušanas temperatūra ir augstāka nekā jebkuram elementam vai savienojumam. Grafīta materiāli ir diezgan izturīgi, īpaši augstās temperatūrās, un to elektriskā un siltumvadītspēja ir arī diezgan laba. Tā elektriskā vadītspēja padara to piemērotu kāsildītājsmateriāls. Tam ir apmierinošs siltumvadītspējas koeficients, kas ļauj sildītāja radītajam siltumam vienmērīgi sadalīties tīģelī un citās siltuma lauka daļās. Tomēr augstās temperatūrās, īpaši lielos attālumos, galvenais siltuma pārneses veids ir starojums.
Grafīta detaļas sākotnēji tiek izgatavotas no smalkām oglekļa daļiņām, kas sajauktas ar saistvielu, un veidotas ar ekstrūzijas vai izostatiskās presēšanas palīdzību. Augstas kvalitātes grafīta detaļas parasti tiek izostatiski presētas. Visa detaļa vispirms tiek karbonizēta un pēc tam grafitizēta ļoti augstā temperatūrā, tuvu 3000°C. No šīm veselajām detaļām izgatavotās detaļas parasti tiek attīrītas hloru saturošā atmosfērā augstā temperatūrā, lai noņemtu metāla piesārņojumu atbilstoši pusvadītāju rūpniecības prasībām. Tomēr pat pēc pienācīgas attīrīšanas metāla piesārņojuma līmenis ir par vairākām pakāpēm augstāks nekā tas, kas pieļaujams silīcija monokristāliskajiem materiāliem. Tāpēc termiskā lauka projektēšanā jāievēro piesardzība, lai novērstu šo komponentu piesārņojuma iekļūšanu kausējumā vai kristāla virsmā.
Grafīta materiāli ir nedaudz caurlaidīgi, kas atvieglo atlikušā metāla nokļūšanu virsmā. Turklāt silīcija monoksīds, kas atrodas attīrīšanas gāzē ap grafīta virsmu, var iekļūt lielākajā daļā materiālu un reaģēt.
Agrīnie monokristāliskā silīcija krāsns sildītāji tika izgatavoti no ugunsizturīgiem metāliem, piemēram, volframa un molibdēna. Attīstoties grafīta apstrādes tehnoloģijai, grafīta komponentu savienojuma elektriskās īpašības ir kļuvušas stabilākas, un monokristāliskā silīcija krāsns sildītāji ir pilnībā aizstājuši volframa, molibdēna un citu materiālu sildītājus. Pašlaik visplašāk izmantotais grafīta materiāls ir izostatiskais grafīts. Mūsu valsts izostatiskā grafīta sagatavošanas tehnoloģija ir relatīvi atpalikusi, un lielākā daļa grafīta materiālu, ko izmanto vietējā fotoelektriskajā rūpniecībā, tiek importēti no ārzemēm. Ārvalstu izostatiskā grafīta ražotāji galvenokārt ir Vācijas SGL, Japānas Tokai Carbon, Japānas Toyo Tanso u.c. Čochralski monokristāliskā silīcija krāsnīs dažreiz tiek izmantoti C/C kompozītmateriāli, un tos ir sākuši izmantot skrūvju, uzgriežņu, tīģeļu, slodzes plākšņu un citu detaļu ražošanai. Oglekļa/oglekļa (C/C) kompozītmateriāli ir ar oglekļa šķiedru pastiprināti oglekļa bāzes kompozītmateriāli ar virkni izcilu īpašību, piemēram, augstu īpatnējo izturību, augstu īpatnējo moduli, zemu termiskās izplešanās koeficientu, labu elektrovadītspēju, augstu plaisāšanas izturību, zemu īpatnējo svaru, termisko triecienu izturību, izturību pret koroziju un augstu temperatūras izturību. Pašlaik tos plaši izmanto aviācijā, sacīkstēs, biomateriālos un citās jomās kā jaunus augstas temperatūras izturīgus konstrukcijas materiālus. Pašlaik galvenās problēmas, ar kurām saskaras vietējo C/C kompozītmateriālu ražošana, joprojām ir izmaksas un industrializācijas jautājumi.
Termisko lauku izgatavošanai tiek izmantoti daudzi citi materiāli. Ar oglekļa šķiedru pastiprinātam grafītam ir labākas mehāniskās īpašības, taču tas ir dārgāks un tam ir citas prasības attiecībā uz dizainu.Silīcija karbīds (SiC)daudzējādā ziņā ir labāks materiāls nekā grafīts, taču tas ir daudz dārgāks un no tā ir grūtāk izgatavot liela apjoma detaļas. Tomēr SiC bieži tiek izmantots kāCVD pārklājumslai palielinātu grafīta detaļu kalpošanas laiku, kas pakļautas korozīvai silīcija monoksīda gāzei, un var arī samazināt grafīta piesārņojumu. Blīvais CVD silīcija karbīda pārklājums efektīvi novērš mikroporainā grafīta materiāla piesārņotāju nonākšanu uz virsmas.
Vēl viens ir CVD ogleklis, kas arī var veidot blīvu slāni virs grafīta daļas. Citus augstas temperatūras izturīgus materiālus, piemēram, molibdēna vai keramikas materiālus, kas var pastāvēt līdzās vidē, var izmantot, ja nav kausējuma piesārņojuma riska. Tomēr oksīda keramikas piemērojamība grafīta materiāliem augstās temperatūrās parasti ir ierobežota, un, ja nepieciešama izolācija, ir maz citu iespēju. Viens no tiem ir sešstūra bora nitrīds (dažreiz saukts par balto grafītu līdzīgu īpašību dēļ), taču tā mehāniskās īpašības ir sliktas. Molibdēnu parasti saprātīgi izmanto augstas temperatūras situācijās, jo tam ir mērenas izmaksas, zems difūzijas ātrums silīcija kristālos un ļoti zems segregācijas koeficients (aptuveni 5 × 108), kas pieļauj zināmu molibdēna piesārņojumu pirms kristāla struktūras iznīcināšanas.
2. Siltumizolācijas materiāli
Visbiežāk izmantotais izolācijas materiāls ir oglekļa filcs dažādās formās. Oglekļa filcs ir izgatavots no plānām šķiedrām, kas darbojas kā izolācija, jo tās īsā attālumā vairākkārt bloķē termisko starojumu. Mīkstais oglekļa filcs tiek ieausts relatīvi plānās materiāla loksnēs, kuras pēc tam sagriež vēlamajā formā un cieši saliec saprātīgā rādiusā. Sacietējušie filci sastāv no līdzīgiem šķiedru materiāliem, un oglekli saturoša saistviela tiek izmantota, lai savienotu izkliedētās šķiedras cietākā un formīgākā objektā. Oglekļa ķīmiskās tvaiku nogulsnēšanas izmantošana saistvielas vietā var uzlabot materiāla mehāniskās īpašības.
Parasti siltumizolācijas filca ārējā virsma ir pārklāta ar nepārtrauktu grafīta pārklājumu vai foliju, lai samazinātu eroziju un nodilumu, kā arī daļiņu piesārņojumu. Pastāv arī citi uz oglekļa bāzes veidoti siltumizolācijas materiāli, piemēram, oglekļa putas. Kopumā grafitizēti materiāli, protams, ir vēlamāki, jo grafitizācija ievērojami samazina šķiedras virsmas laukumu. Šo augstas virsmas laukuma materiālu gāzu izdalīšanās ir ievērojami samazināta, un krāsns sūknēšana līdz piemērotam vakuumam aizņem mazāk laika. Vēl viens materiāls ir C/C kompozītmateriāls, kam piemīt izcilas īpašības, piemēram, mazs svars, augsta bojājumu tolerance un augsta izturība. Izmantojot grafīta detaļas termiskajos laukos, grafīta detaļu nomaiņas biežums ievērojami samazinās, uzlabojas monokristāliskā kvalitāte un ražošanas stabilitāte.
Saskaņā ar izejvielu klasifikāciju oglekļa filcu var iedalīt uz poliakrilnitrila bāzes izgatavotā oglekļa filcā, uz viskozes bāzes izgatavotā oglekļa filcā un uz darvas bāzes izgatavotā oglekļa filcā.
Poliakrilnitrila bāzes oglekļa filcam ir liels pelnu saturs. Pēc augstas temperatūras apstrādes atsevišķā šķiedra kļūst trausla. Darbības laikā viegli rodas putekļi, kas piesārņo krāsns vidi. Tajā pašā laikā šķiedra var viegli iekļūt cilvēka ķermeņa porās un elpceļos, kas ir kaitīgi cilvēka veselībai. Viskozes bāzes oglekļa filcam ir labas siltumizolācijas īpašības. Pēc termiskās apstrādes tas ir relatīvi mīksts un viegli nerada putekļus. Tomēr viskozes bāzes neapstrādātās šķiedras šķērsgriezums ir neregulārs, un šķiedras virsmā ir daudz rievu. CZ silīcija krāsns oksidējošajā atmosfērā viegli rodas gāzes, piemēram, CO2, izraisot skābekļa un oglekļa elementu nogulsnēšanos monokristāliskā silīcija materiālā. Galvenie ražotāji ir vācu SGL un citi uzņēmumi. Pašlaik pusvadītāju monokristāliskā rūpniecībā visplašāk izmanto uz darvas bāzes izgatavotu oglekļa filcu, kam ir sliktākas siltumizolācijas īpašības nekā uz viskozes bāzes izgatavotam oglekļa filcam, taču uz darvas bāzes izgatavotam oglekļa filcam ir augstāka tīrības pakāpe un zemāka putekļu emisija. Ražotāju vidū ir Japānas Kureha Chemical un Osaka Gas.
Tā kā oglekļa filca forma nav fiksēta, to ir neērti lietot. Tagad daudzi uzņēmumi ir izstrādājuši jaunu siltumizolācijas materiālu, kura pamatā ir ar oglekļa filcu sacietināts oglekļa filcs. Sacietināts oglekļa filcs, ko sauc arī par cieto filcu, ir oglekļa filcs ar noteiktu formu un pašpietiekamu īpašību pēc tam, kad mīkstais filcs ir piesūcināts ar sveķiem, laminēts, sacietēts un karbonizēts.
Monokristāliskā silīcija augšanas kvalitāti tieši ietekmē termiskā vide, un oglekļa šķiedras siltumizolācijas materiāliem šajā vidē ir galvenā loma. Oglekļa šķiedras siltumizolācijas mīkstajam filcam joprojām ir ievērojamas priekšrocības fotoelektrisko pusvadītāju nozarē, pateicoties tā izmaksu priekšrocībai, lieliskajai siltumizolācijas iedarbībai, elastīgajam dizainam un pielāgojamai formai. Turklāt oglekļa šķiedras cietajam siltumizolācijas filcam būs lielāka attīstības telpa siltumlauka materiālu tirgū, pateicoties tā noteiktajai izturībai un augstākai darbspējai. Mēs esam apņēmušies veikt pētniecību un attīstību siltumizolācijas materiālu jomā un nepārtraukti optimizēt produktu veiktspēju, lai veicinātu fotoelektrisko pusvadītāju nozares labklājību un attīstību.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 12. jūnijs