Het groeiproces van monokristallijn silicium vindt volledig plaats in het thermische veld. Een goed thermisch veld bevordert de verbetering van de kristalkwaliteit en heeft een hogere kristallisatie-efficiëntie. Het ontwerp van het thermische veld bepaalt grotendeels de veranderingen in temperatuurgradiënten in het dynamische thermische veld en de gasstroom in de ovenkamer. De verschillen in de gebruikte materialen in het thermische veld bepalen direct de levensduur ervan. Een onredelijk thermisch veld maakt het niet alleen moeilijk om kristallen te laten groeien die aan de kwaliteitseisen voldoen, maar kan ook niet volledig monokristallijn groeien onder bepaalde procesvereisten. Daarom beschouwt de direct-pull monokristallijn siliciumindustrie het ontwerp van thermische velden als de belangrijkste technologie en investeert ze enorm veel mankracht en materiaal in onderzoek en ontwikkeling op thermisch gebied.
Het thermische systeem bestaat uit verschillende thermische veldmaterialen. We introduceren slechts kort de materialen die in het thermische veld worden gebruikt. De temperatuurverdeling in het thermische veld en de invloed ervan op kristaltrekking zullen we hier niet analyseren. Het thermische veldmateriaal verwijst naar de structuur en thermische isolatie in de vacuümovenkamer voor kristalgroei, wat essentieel is voor het creëren van een geschikte temperatuurverdeling rond de halfgeleidersmelt en het kristal.
1. Thermisch veldstructuurmateriaal
Het basismateriaal voor de direct-pull-methode voor de groei van monokristallijn silicium is grafiet met een hoge zuiverheidsgraad. Grafietmaterialen spelen een zeer belangrijke rol in de moderne industrie. Ze kunnen worden gebruikt als structurele componenten voor warmtevelden, zoalsverwarmingselementen, geleidebuizen, smeltkroezen, isolatiebuizen, kroesplaten, enz. bij de bereiding van monokristallijn silicium volgens de Czochralski-methode.
Grafietmaterialenworden geselecteerd omdat ze gemakkelijk in grote hoeveelheden te bereiden zijn, verwerkbaar zijn en bestand zijn tegen hoge temperaturen. Koolstof in de vorm van diamant of grafiet heeft een hoger smeltpunt dan welk element of welke verbinding dan ook. Grafietmaterialen zijn vrij sterk, vooral bij hoge temperaturen, en hun elektrische en thermische geleidbaarheid is ook vrij goed. De elektrische geleidbaarheid maakt het geschikt alsverwarmingHet materiaal heeft een goede thermische geleidbaarheid, waardoor de door de verwarmer gegenereerde warmte gelijkmatig wordt verdeeld over de smeltkroes en andere delen van het warmteveld. Bij hoge temperaturen, vooral over lange afstanden, is straling echter de belangrijkste warmteoverdrachtsmethode.
Grafietonderdelen worden in eerste instantie gemaakt van fijne koolstofdeeltjes gemengd met een bindmiddel en gevormd door extrusie of isostatisch persen. Hoogwaardige grafietonderdelen worden meestal isostatisch geperst. Het geheel wordt eerst gecarboniseerd en vervolgens gegrafitiseerd bij zeer hoge temperaturen, bijna 3000 °C. De onderdelen die uit deze complete onderdelen worden vervaardigd, worden meestal gezuiverd in een chloorhoudende atmosfeer bij hoge temperaturen om metaalverontreiniging te verwijderen en zo te voldoen aan de eisen van de halfgeleiderindustrie. Zelfs na een correcte zuivering is de metaalverontreiniging echter vele malen hoger dan toegestaan voor monokristallijn silicium. Daarom is het belangrijk om bij het ontwerp van het thermische veld zorgvuldig te voorkomen dat verontreiniging van deze componenten in het smelt- of kristaloppervlak terechtkomt.
Grafietmaterialen zijn licht permeabel, waardoor het resterende metaal binnenin gemakkelijk het oppervlak kan bereiken. Bovendien kan het siliciummonoxide in het spoelgas rond het grafietoppervlak in de meeste materialen doordringen en reageren.
Vroege monokristallijne silicium ovenverwarmers werden gemaakt van vuurvaste metalen zoals wolfraam en molybdeen. Met de toenemende ontwikkeling van de grafietverwerkingstechnologie zijn de elektrische eigenschappen van de verbinding tussen grafietcomponenten stabieler geworden en hebben monokristallijne silicium ovenverwarmers wolfraam, molybdeen en andere materialen volledig vervangen. Momenteel is isostatisch grafiet het meest gebruikte grafietmateriaal. De technologie voor de bereiding van isostatisch grafiet in mijn land is relatief achtergebleven en de meeste grafietmaterialen die in de binnenlandse fotovoltaïsche industrie worden gebruikt, worden uit het buitenland geïmporteerd. Buitenlandse producenten van isostatisch grafiet zijn voornamelijk het Duitse SGL, het Japanse Tokai Carbon, het Japanse Toyo Tanso, enz. In monokristallijne silicium ovens van Czochralski worden soms C/C-composietmaterialen gebruikt, en deze worden nu ook gebruikt voor de productie van bouten, moeren, smeltkroezen, lastplaten en andere componenten. Koolstof/koolstof (C/C) composieten zijn koolstofvezelversterkte composieten op koolstofbasis met een reeks uitstekende eigenschappen, zoals een hoge soortelijke sterkte, een hoge soortelijke modulus, een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, een goede elektrische geleidbaarheid, een hoge breuktaaiheid, een laag soortelijk gewicht, thermische schokbestendigheid, corrosiebestendigheid en hoge temperatuurbestendigheid. Momenteel worden ze veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de racesport, biomaterialen en andere sectoren als nieuwe hittebestendige constructiematerialen. De belangrijkste knelpunten voor binnenlandse C/C-composieten zijn momenteel nog steeds de kosten en de industrialisatie.
Er zijn veel andere materialen die gebruikt worden om thermische velden te maken. Koolstofvezelversterkt grafiet heeft betere mechanische eigenschappen, maar is duurder en stelt andere eisen aan het ontwerp.Siliciumcarbide (SiC)is in veel opzichten een beter materiaal dan grafiet, maar het is veel duurder en moeilijker om onderdelen met een groot volume te vervaardigen. SiC wordt echter vaak gebruikt alsCVD-coatingOm de levensduur van grafietonderdelen die worden blootgesteld aan corrosief siliciummonoxidegas te verlengen en tevens verontreiniging door grafiet te verminderen. De dichte CVD-siliciumcarbidecoating voorkomt effectief dat verontreinigingen in het microporeuze grafietmateriaal het oppervlak bereiken.
Een andere is CVD-koolstof, dat ook een dichte laag boven het grafietdeel kan vormen. Andere hittebestendige materialen, zoals molybdeen of keramische materialen die in de omgeving kunnen samenleven, kunnen worden gebruikt wanneer er geen risico is op verontreiniging van de smelt. Oxidekeramiek is echter over het algemeen beperkt toepasbaar op grafietmaterialen bij hoge temperaturen, en er zijn weinig andere opties als isolatie vereist is. Een daarvan is hexagonaal boornitride (soms wit grafiet genoemd vanwege vergelijkbare eigenschappen), maar de mechanische eigenschappen zijn slecht. Molybdeen wordt over het algemeen redelijk gebruikt voor hoge temperaturen vanwege de gematigde prijs, de lage diffusiesnelheid in siliciumkristallen en een zeer lage segregatiecoëfficiënt van ongeveer 5×108, waardoor een zekere mate van molybdeenverontreiniging mogelijk is voordat de kristalstructuur wordt vernietigd.
2. Thermische isolatiematerialen
Het meest gebruikte isolatiemateriaal is koolstofvilt in verschillende vormen. Koolstofvilt bestaat uit dunne vezels die isolerend werken doordat ze thermische straling over een korte afstand meerdere keren blokkeren. Het zachte koolstofvilt wordt geweven tot relatief dunne vellen materiaal, die vervolgens in de gewenste vorm worden gesneden en strak worden gebogen tot een redelijke radius. Uitgeharde vilten bestaan uit vergelijkbare vezelmaterialen en een koolstofhoudend bindmiddel wordt gebruikt om de verspreide vezels te verbinden tot een steviger en gevormd object. Het gebruik van chemische dampdepositie van koolstof in plaats van een bindmiddel kan de mechanische eigenschappen van het materiaal verbeteren.
Meestal is het buitenoppervlak van de thermische isolatievilt bekleed met een doorlopende grafietcoating of -folie om erosie en slijtage te verminderen, evenals verontreiniging door deeltjes. Er bestaan ook andere soorten thermische isolatiematerialen op koolstofbasis, zoals koolstofschuim. Over het algemeen hebben gegrafitiseerde materialen de voorkeur, omdat grafitisering het oppervlak van de vezel aanzienlijk verkleint. De gasuitstoot van deze materialen met een groot oppervlak wordt aanzienlijk verminderd en het kost minder tijd om de oven tot een geschikt vacuüm te pompen. Een ander voorbeeld is C/C-composietmateriaal, dat uitstekende eigenschappen heeft zoals een laag gewicht, een hoge schadebestendigheid en een hoge sterkte. Gebruikt in thermische toepassingen ter vervanging van grafietonderdelen, vermindert dit de frequentie van vervanging van grafietonderdelen aanzienlijk en verbetert het de kwaliteit en productiestabiliteit van monokristallijne materialen.
Afhankelijk van de classificatie van de grondstoffen kan koolstofvilt worden onderverdeeld in koolstofvilt op basis van polyacrylonitril, koolstofvilt op basis van viscose en koolstofvilt op basis van pek.
Koolstofvilt op basis van polyacrylonitril heeft een hoog asgehalte. Na behandeling bij hoge temperaturen wordt de afzonderlijke vezel broos. Tijdens het gebruik kan er gemakkelijk stof ontstaan dat de ovenomgeving verontreinigt. Tegelijkertijd kan de vezel gemakkelijk de poriën en luchtwegen van het menselijk lichaam binnendringen, wat schadelijk is voor de gezondheid. Koolstofvilt op viscosebasis heeft een goede thermische isolatie. Het is relatief zacht na de warmtebehandeling en produceert weinig stof. De doorsnede van de ruwe viscosevezel is echter onregelmatig en er zitten veel groeven op het vezeloppervlak. Onder de oxiderende atmosfeer van de CZ-siliciumoven kunnen gemakkelijk gassen zoals CO2 ontstaan, waardoor zuurstof en koolstofelementen in het monokristallijne siliciummateriaal neerslaan. De belangrijkste fabrikanten zijn onder andere het Duitse SGL en andere bedrijven. Momenteel wordt koolstofvilt op pekbasis het meest gebruikt in de monokristallijne halfgeleiderindustrie. Dit vilt heeft een slechtere thermische isolatie dan koolstofvilt op viscosebasis, maar heeft een hogere zuiverheid en een lagere stofemissie. Fabrikanten zijn onder meer het Japanse Kureha Chemical en Osaka Gas.
Omdat de vorm van koolstofvilt niet vastligt, is het lastig te bedienen. Veel bedrijven hebben nu een nieuw thermisch isolatiemateriaal ontwikkeld op basis van koolstofvilt. Gehard koolstofvilt, ook wel hardvilt genoemd, is een koolstofvilt met een bepaalde vorm en zelfbehoudend vermogen nadat zacht vilt met hars is geïmpregneerd, gelamineerd, uitgehard en gecarboniseerd.
De groeikwaliteit van monokristallijn silicium wordt direct beïnvloed door de thermische omgeving, en thermische isolatiematerialen van koolstofvezel spelen hierin een sleutelrol. Zacht isolatievilt van koolstofvezel heeft nog steeds een aanzienlijk voordeel in de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie vanwege het kostenvoordeel, de uitstekende thermische isolatie, het flexibele ontwerp en de aanpasbare vorm. Bovendien zal hard isolatievilt van koolstofvezel meer ontwikkelingsruimte hebben op de markt voor thermische isolatiematerialen vanwege de hoge sterkte en de hogere gebruiksvriendelijkheid. Wij zetten ons in voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van thermische isolatiematerialen en optimaliseren continu de productprestaties om de bloei en ontwikkeling van de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie te bevorderen.
Plaatsingstijd: 12 juni 2024