Proses pertumbuhan silikon monokristalin dijalankan sepenuhnya dalam medan terma. Medan terma yang baik kondusif untuk meningkatkan kualiti kristal dan mempunyai kecekapan penghabluran yang lebih tinggi. Reka bentuk medan terma sebahagian besarnya menentukan perubahan kecerunan suhu dalam medan terma dinamik dan aliran gas dalam ruang relau. Perbezaan bahan yang digunakan dalam medan terma secara langsung menentukan jangka hayat medan terma. Medan terma yang tidak munasabah bukan sahaja sukar untuk menumbuhkan kristal yang memenuhi keperluan kualiti, tetapi juga tidak dapat menumbuhkan monokristalin lengkap di bawah keperluan proses tertentu. Inilah sebabnya mengapa industri silikon monokristalin tarik langsung menganggap reka bentuk medan terma sebagai teknologi paling teras dan melabur tenaga kerja dan sumber bahan yang besar dalam penyelidikan dan pembangunan medan terma.
Sistem terma terdiri daripada pelbagai bahan medan terma. Kami hanya memperkenalkan secara ringkas bahan yang digunakan dalam medan terma. Bagi taburan suhu dalam medan terma dan kesannya terhadap tarikan kristal, kami tidak akan menganalisisnya di sini. Bahan medan terma merujuk kepada struktur dan bahagian penebat haba dalam ruang relau vakum pertumbuhan kristal, yang penting untuk mewujudkan taburan suhu yang sesuai di sekitar leburan semikonduktor dan kristal.
1. Bahan struktur medan terma
Bahan sokongan asas untuk kaedah tarik terus bagi menumbuhkan silikon monokristalin ialah grafit berketulenan tinggi. Bahan grafit memainkan peranan yang sangat penting dalam industri moden. Ia boleh digunakan sebagai komponen struktur medan haba sepertipemanas, tiub panduan, mangkuk pijar, tiub penebat, dulang mangkuk pijar, dsb. dalam penyediaan silikon monokristalin melalui kaedah Czochralski.
Bahan grafitdipilih kerana ia mudah disediakan dalam jumlah yang besar, boleh diproses dan tahan terhadap suhu tinggi. Karbon dalam bentuk berlian atau grafit mempunyai takat lebur yang lebih tinggi daripada mana-mana unsur atau sebatian. Bahan grafit agak kuat, terutamanya pada suhu tinggi, dan kekonduksian elektrik dan habanya juga agak baik. Kekonduksian elektriknya menjadikannya sesuai sebagaipemanasbahan. Ia mempunyai pekali kekonduksian terma yang memuaskan, yang membolehkan haba yang dihasilkan oleh pemanas diagihkan secara sekata ke mangkuk pijar dan bahagian lain medan haba. Walau bagaimanapun, pada suhu tinggi, terutamanya dalam jarak jauh, mod pemindahan haba utama ialah sinaran.
Bahagian grafit pada mulanya diperbuat daripada zarah karbon halus yang dicampur dengan pengikat dan dibentuk melalui penyemperitan atau penekanan isostatik. Bahagian grafit berkualiti tinggi biasanya ditekan secara isostatik. Keseluruhan kepingan tersebut dikarbonkan terlebih dahulu dan kemudian digrafitkan pada suhu yang sangat tinggi, hampir 3000°C. Bahagian yang diproses daripada keseluruhan kepingan ini biasanya ditulenkan dalam atmosfera yang mengandungi klorin pada suhu tinggi untuk menghilangkan pencemaran logam bagi memenuhi keperluan industri semikonduktor. Walau bagaimanapun, walaupun selepas penulenan yang betul, tahap pencemaran logam adalah beberapa peringkat magnitud yang lebih tinggi daripada yang dibenarkan untuk bahan silikon monokristalin. Oleh itu, penjagaan mesti diambil dalam reka bentuk medan haba untuk mengelakkan pencemaran komponen ini daripada memasuki permukaan cair atau kristal.
Bahan grafit sedikit telap, yang memudahkan baki logam di dalamnya sampai ke permukaan. Di samping itu, silikon monoksida yang terdapat dalam gas pembersih di sekitar permukaan grafit boleh menembusi kebanyakan bahan dan bertindak balas.
Pemanas relau silikon monokristalin awal diperbuat daripada logam refraktori seperti tungsten dan molibdenum. Dengan peningkatan kematangan teknologi pemprosesan grafit, sifat elektrik sambungan antara komponen grafit telah menjadi stabil, dan pemanas relau silikon monokristalin telah menggantikan sepenuhnya tungsten, molibdenum dan pemanas bahan lain. Pada masa ini, bahan grafit yang paling banyak digunakan ialah grafit isostatik. Teknologi penyediaan grafit isostatik negara saya agak ketinggalan zaman, dan kebanyakan bahan grafit yang digunakan dalam industri fotovoltaik domestik diimport dari luar negara. Pengeluar grafit isostatik asing terutamanya termasuk SGL Jerman, Tokai Carbon Jepun, Toyo Tanso Jepun, dan sebagainya. Dalam relau silikon monokristalin Czochralski, bahan komposit C/C kadangkala digunakan, dan ia telah mula digunakan untuk mengeluarkan bolt, nat, mangkuk pijar, plat beban dan komponen lain. Komposit karbon/karbon (C/C) ialah komposit berasaskan karbon yang diperkukuh gentian karbon dengan beberapa ciri cemerlang seperti kekuatan spesifik yang tinggi, modulus spesifik yang tinggi, pekali pengembangan haba yang rendah, kekonduksian elektrik yang baik, ketahanan patah yang tinggi, graviti spesifik yang rendah, rintangan kejutan haba, rintangan kakisan dan rintangan suhu tinggi. Pada masa ini, ia digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, perlumbaan, biobahan dan bidang lain sebagai bahan struktur tahan suhu tinggi yang baharu. Pada masa ini, kesesakan utama yang dihadapi oleh komposit C/C domestik masih merupakan isu kos dan perindustrian.
Terdapat banyak bahan lain yang digunakan untuk membuat medan terma. Grafit bertetulang gentian karbon mempunyai sifat mekanikal yang lebih baik; tetapi ia lebih mahal dan mempunyai keperluan reka bentuk yang lain.Silikon karbida (SiC)merupakan bahan yang lebih baik daripada grafit dalam banyak aspek, tetapi ia jauh lebih mahal dan sukar untuk menyediakan bahagian dalam jumlah besar. Walau bagaimanapun, SiC sering digunakan sebagaiSalutan CVDuntuk memanjangkan jangka hayat bahagian grafit yang terdedah kepada gas silikon monoksida yang menghakis, dan juga boleh mengurangkan pencemaran daripada grafit. Salutan silikon karbida CVD yang padat berkesan menghalang bahan cemar di dalam bahan grafit mikroporous daripada sampai ke permukaan.
Satu lagi ialah karbon CVD, yang juga boleh membentuk lapisan padat di atas bahagian grafit. Bahan tahan suhu tinggi yang lain, seperti molibdenum atau bahan seramik yang boleh wujud bersama dengan persekitaran, boleh digunakan di tempat yang tidak terdapat risiko pencemaran leburan. Walau bagaimanapun, seramik oksida secara amnya terhad dalam kebolehgunaannya pada bahan grafit pada suhu tinggi, dan terdapat beberapa pilihan lain jika penebat diperlukan. Salah satunya ialah boron nitrida heksagon (kadangkala dipanggil grafit putih kerana sifat yang serupa), tetapi sifat mekanikalnya lemah. Molibdenum secara amnya digunakan secara munasabah untuk situasi suhu tinggi kerana kosnya yang sederhana, kadar resapan yang rendah dalam kristal silikon, dan pekali pengasingan yang sangat rendah iaitu kira-kira 5×108, yang membolehkan sejumlah pencemaran molibdenum sebelum memusnahkan struktur kristal.
2. Bahan penebat haba
Bahan penebat yang paling biasa digunakan ialah felt karbon dalam pelbagai bentuk. Felt karbon diperbuat daripada gentian nipis, yang bertindak sebagai penebat kerana ia menyekat sinaran haba beberapa kali dalam jarak yang pendek. Felt karbon lembut ditenun menjadi kepingan bahan yang agak nipis, yang kemudiannya dipotong menjadi bentuk yang diingini dan dibengkokkan rapat ke dalam jejari yang munasabah. Felt yang diawet terdiri daripada bahan gentian yang serupa, dan pengikat yang mengandungi karbon digunakan untuk menyambungkan gentian yang tersebar menjadi objek yang lebih pepejal dan berbentuk. Penggunaan pemendapan wap kimia karbon dan bukannya pengikat boleh meningkatkan sifat mekanikal bahan tersebut.
Biasanya, permukaan luar felt pengawetan penebat haba disalut dengan salutan grafit berterusan atau kerajang untuk mengurangkan hakisan dan haus serta pencemaran zarah. Jenis bahan penebat haba berasaskan karbon lain juga wujud, seperti buih karbon. Secara amnya, bahan grafit jelas diutamakan kerana penggrafitan mengurangkan luas permukaan gentian dengan ketara. Pengeluaran gas daripada bahan-bahan permukaan tinggi ini berkurangan dengan ketara, dan masa yang diperlukan untuk mengepam relau ke vakum yang sesuai adalah lebih singkat. Satu lagi ialah bahan komposit C/C, yang mempunyai ciri-ciri cemerlang seperti ringan, toleransi kerosakan yang tinggi dan kekuatan yang tinggi. Digunakan dalam medan haba untuk menggantikan bahagian grafit dengan ketara mengurangkan kekerapan penggantian bahagian grafit, meningkatkan kualiti monokristalin dan kestabilan pengeluaran.
Mengikut klasifikasi bahan mentah, felt karbon boleh dibahagikan kepada felt karbon berasaskan poliakrilonitril, felt karbon berasaskan viskos, dan felt karbon berasaskan pic.
Karbon berasaskan poliakrilonitril mempunyai kandungan abu yang tinggi. Selepas rawatan suhu tinggi, gentian tunggal menjadi rapuh. Semasa operasi, mudah menghasilkan habuk untuk mencemarkan persekitaran relau. Pada masa yang sama, gentian boleh memasuki liang dan saluran pernafasan badan manusia dengan mudah, yang berbahaya kepada kesihatan manusia. Karbon berasaskan viskos mempunyai prestasi penebat haba yang baik. Ia agak lembut selepas rawatan haba dan tidak mudah menghasilkan habuk. Walau bagaimanapun, keratan rentas gentian mentah berasaskan viskos adalah tidak sekata, dan terdapat banyak alur pada permukaan gentian. Ia mudah menghasilkan gas seperti C02 di bawah atmosfera pengoksidaan relau silikon CZ, menyebabkan pemendakan oksigen dan unsur karbon dalam bahan silikon monokristalin. Pengilang utama termasuk SGL Jerman dan syarikat lain. Pada masa ini, yang paling banyak digunakan dalam industri semikonduktor monokristalin ialah karbon berasaskan pic, yang mempunyai prestasi penebat haba yang lebih buruk daripada karbon berasaskan viskos, tetapi karbon berasaskan pic mempunyai ketulenan yang lebih tinggi dan pelepasan habuk yang lebih rendah. Pengilang termasuk Kureha Chemical dan Osaka Gas dari Jepun.
Oleh kerana bentuk felt karbon tidak tetap, ia menyusahkan untuk dikendalikan. Kini banyak syarikat telah membangunkan bahan penebat haba baharu berdasarkan felt karbon yang diawetkan. Felt karbon yang diawetkan, juga dikenali sebagai felt keras, ialah felt karbon dengan bentuk tertentu dan sifat kendiri selepas felt lembut diresapi dengan resin, dilaminasi, diawetkan dan dikarbonkan.
Kualiti pertumbuhan silikon monokristalin dipengaruhi secara langsung oleh persekitaran terma, dan bahan penebat haba gentian karbon memainkan peranan penting dalam persekitaran ini. Kain lembut penebat haba gentian karbon masih mempunyai kelebihan yang ketara dalam industri semikonduktor fotovoltaik kerana kelebihan kosnya, kesan penebat haba yang sangat baik, reka bentuk fleksibel dan bentuk yang boleh disesuaikan. Di samping itu, kain penebat haba keras gentian karbon akan mempunyai ruang pembangunan yang lebih besar dalam pasaran bahan medan terma kerana kekuatannya yang tertentu dan kebolehkendaliannya yang lebih tinggi. Kami komited untuk penyelidikan dan pembangunan dalam bidang bahan penebat haba, dan sentiasa mengoptimumkan prestasi produk untuk menggalakkan kemakmuran dan pembangunan industri semikonduktor fotovoltaik.
Masa siaran: 12 Jun 2024