Het groeiproces van monokristallijn silicium vindt volledig plaats in een thermisch veld. Een goed thermisch veld draagt bij aan de verbetering van de kristalkwaliteit en zorgt voor een hogere kristallisatie-efficiëntie. Het ontwerp van het thermisch veld bepaalt in grote mate de veranderingen in temperatuurgradiënten in het dynamische thermische veld en de gasstroom in de ovenkamer. De gebruikte materialen in het thermisch veld hebben direct invloed op de levensduur ervan. Een ongeschikt thermisch veld maakt het niet alleen moeilijk om kristallen te kweken die aan de kwaliteitseisen voldoen, maar kan onder bepaalde procesomstandigheden ook geen volledig monokristallijne kristallen produceren. Daarom beschouwt de direct-pull monokristallijne siliciumindustrie het ontwerp van het thermisch veld als de meest cruciale technologie en investeert zij enorm veel mankracht en materiële middelen in onderzoek en ontwikkeling op dit gebied.
Het thermische systeem is opgebouwd uit verschillende materialen voor het thermische veld. We zullen de materialen die in het thermische veld worden gebruikt slechts kort toelichten. De temperatuurverdeling in het thermische veld en de invloed daarvan op het kristalgroeiproces zullen we hier niet verder analyseren. Het materiaal voor het thermische veld verwijst naar de structuur en de thermische isolatie in de vacuümovenkamer voor kristalgroei, die essentieel zijn voor het creëren van een geschikte temperatuurverdeling rond het halfgeleidersmeltbad en het kristal.
1. Structuurmateriaal voor het thermische veld
Het basismateriaal voor de directe-trekmethode om monokristallijn silicium te kweken is grafiet van hoge zuiverheid. Grafietmaterialen spelen een zeer belangrijke rol in de moderne industrie. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt als structurele componenten voor warmteafvoersystemen.verwarmingselementen, geleidebuizen, smeltkroezenisolatiebuizen, smeltkroesbakjes, enz. bij de bereiding van monokristallijn silicium volgens de Czochralski-methode.
GrafietmaterialenZe worden gekozen 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 ander element of 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 als eenverwarmingHet materiaal heeft een bevredigende warmtegeleidingscoëfficiënt, waardoor de door de verwarmer gegenereerde warmte gelijkmatig over de smeltkroes en andere delen van het warmteveld wordt verdeeld. Bij hoge temperaturen, vooral over lange afstanden, vindt warmteoverdracht echter voornamelijk plaats door straling.
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 gehele werkstuk wordt eerst gecarboniseerd en vervolgens gegrafiteerd bij zeer hoge temperaturen, bijna 3000 °C. De onderdelen die uit deze werkstukken worden vervaardigd, worden gewoonlijk 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 juiste zuivering is de mate van metaalverontreiniging echter vele malen hoger dan toegestaan voor monokristallijn silicium. Daarom moet bij het ontwerp van het thermische veld zorgvuldig worden gehandeld om te voorkomen dat verontreiniging van deze componenten in het smeltbad of op het kristaloppervlak terechtkomt.
Grafietmaterialen zijn licht poreus, 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.
De eerste verwarmingselementen voor monokristallijne siliciumovens werden gemaakt van vuurvaste metalen zoals wolfraam en molybdeen. Met de toenemende ontwikkeling van de verwerkingstechnologie voor grafiet zijn de elektrische eigenschappen van de verbinding tussen de grafietcomponenten stabieler geworden, waardoor verwarmingselementen van monokristallijn silicium de verwarmingselementen van wolfraam, molybdeen en andere materialen volledig hebben vervangen. Momenteel is isostatisch grafiet het meest gebruikte grafietmateriaal. De technologie voor de productie van isostatisch grafiet in ons land is relatief achtergebleven, en het grootste deel van het grafiet dat in de binnenlandse fotovoltaïsche industrie wordt gebruikt, wordt uit het buitenland geïmporteerd. Buitenlandse fabrikanten van isostatisch grafiet zijn onder andere het Duitse SGL, het Japanse Tokai Carbon en het Japanse Toyo Tanso. In Czochralski monokristallijne siliciumovens worden soms C/C-composietmaterialen gebruikt, die steeds vaker worden toegepast voor de productie van bouten, moeren, smeltkroezen, laadplaten en andere componenten. Koolstof/koolstof (C/C) composieten zijn koolstofvezelversterkte composieten op basis van koolstof 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 veelvuldig gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de autosport, biomaterialen en andere sectoren als nieuwe, hittebestendige constructiematerialen. De belangrijkste knelpunten voor de binnenlandse C/C composieten zijn momenteel nog steeds de kosten en de industrialisatie.
Er worden nog veel andere materialen gebruikt voor het maken van thermische velden. Met koolstofvezel versterkt grafiet heeft betere mechanische eigenschappen, maar het is duurder en stelt andere eisen aan het ontwerp.Siliciumcarbide (SiC)SiC is in veel opzichten een beter materiaal dan grafiet, maar het is veel duurder en lastiger om er grote hoeveelheden van te produceren. Desondanks wordt SiC vaak gebruikt als eenCVD-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 optie is CVD-koolstof, dat ook een dichte laag boven het grafietgedeelte kan vormen. Andere hittebestendige materialen, zoals molybdeen of keramische materialen die in de omgeving kunnen bestaan, kunnen worden gebruikt waar geen risico is op verontreiniging van het smeltbad. Oxidekeramiek is echter over het algemeen beperkt in zijn toepasbaarheid 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 in situaties met hoge temperaturen vanwege de relatief lage kosten, 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 aangetast.
2. Thermische isolatiematerialen
Het meest gebruikte isolatiemateriaal is koolstofvilt in verschillende vormen. Koolstofvilt is gemaakt van dunne vezels die isoleren doordat ze warmtestraling over een korte afstand meerdere malen blokkeren. Het zachte koolstofvilt wordt geweven tot relatief dunne vellen, die vervolgens in de gewenste vorm worden gesneden en strak in een redelijke radius worden gebogen. Gevulkaniseerd vilt bestaat uit vergelijkbare vezelmaterialen, waarbij een koolstofhoudend bindmiddel wordt gebruikt om de verspreide vezels met elkaar te verbinden tot een steviger en beter gevormd geheel. Het gebruik van chemische dampafzetting van koolstof in plaats van een bindmiddel kan de mechanische eigenschappen van het materiaal verbeteren.
Het buitenoppervlak van het uithardingsvilt voor thermische isolatie is doorgaans voorzien van een doorlopende grafietlaag of -folie om erosie, slijtage en verontreiniging door deeltjes te verminderen. Er bestaan ook andere soorten koolstofgebaseerde thermische isolatiematerialen, zoals koolstofschuim. Over het algemeen hebben gegrafiteerde materialen de voorkeur, omdat grafitisatie het oppervlak van de vezels aanzienlijk verkleint. De ontgassing van deze materialen met een groot oppervlak wordt sterk verminderd en het kost minder tijd om de oven tot een geschikt vacuüm te brengen. Een ander voorbeeld is C/C-composietmateriaal, dat uitstekende eigenschappen heeft zoals een laag gewicht, hoge schadetolerantie en hoge sterkte. Het gebruik ervan in thermische toepassingen ter vervanging van grafietonderdelen vermindert de frequentie van vervanging van grafietonderdelen aanzienlijk, verbetert de monokristallijne kwaliteit en de productiestabiliteit.
Op basis van de grondstofclassificatie 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 op hoge temperatuur worden de afzonderlijke vezels broos. Tijdens het gebruik ontstaat er gemakkelijk stof, wat de ovenomgeving vervuilt. Bovendien kunnen de vezels gemakkelijk in de poriën en luchtwegen van het menselijk lichaam terechtkomen, wat schadelijk is voor de gezondheid. Koolstofvilt op basis van viscose heeft goede thermische isolatie-eigenschappen. Het is relatief zacht na warmtebehandeling en er ontstaat niet gemakkelijk stof. De dwarsdoorsnede van de ruwe viscosevezel is echter onregelmatig en er zijn veel groeven op het vezeloppervlak. Onder de oxiderende atmosfeer van de CZ-siliciumoven kan er gemakkelijk gas zoals CO2 ontstaan, wat leidt tot de neerslag van zuurstof- en koolstofelementen in het monokristallijne siliciummateriaal. De belangrijkste fabrikanten zijn onder andere het Duitse SGL. Momenteel wordt in de halfgeleiderindustrie voor monokristallijn silicium het meest gebruik gemaakt van pek. Hoewel pek een slechtere thermische isolatie heeft dan viscose, is het wel zuiverder en stoot het minder stof uit. Tot de fabrikanten behoren de Japanse bedrijven Kureha Chemical en Osaka Gas.
Omdat koolstofvilt geen vaste vorm heeft, is het lastig te verwerken. Veel bedrijven hebben nu een nieuw thermisch isolatiemateriaal ontwikkeld op basis van koolstofvilt: uitgehard koolstofvilt. Uitgehard koolstofvilt, ook wel hard vilt genoemd, is koolstofvilt met een vaste vorm en zelfdragende eigenschappen, verkregen door zacht vilt te impregneren met hars, te lamineren, uit te harden en te carboniseren.
De groeikwaliteit van monokristallijn silicium wordt direct beïnvloed door de thermische omgeving, en koolstofvezel-isolatiematerialen spelen hierin een cruciale rol. Zacht koolstofvezel-isolatievilt heeft nog steeds een aanzienlijk voordeel in de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie vanwege de kostenvoordelen, uitstekende thermische isolatie, flexibele ontwerpen en aanpasbare vormen. Daarnaast heeft hard koolstofvezel-isolatievilt een grotere ontwikkelingspotentie in de markt voor thermische isolatiematerialen vanwege de hogere sterkte en betere verwerkbaarheid. 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.
Geplaatst op: 12 juni 2024