Vekstprosessen til monokrystallinsk silisium utføres fullstendig i det termiske feltet. Et godt termisk felt bidrar til å forbedre krystallkvaliteten og har høyere krystalliseringseffektivitet. Utformingen av det termiske feltet bestemmer i stor grad endringene i temperaturgradienter i det dynamiske termiske feltet og gassstrømmen i ovnskammeret. Forskjellen i materialene som brukes i det termiske feltet bestemmer direkte levetiden til det termiske feltet. Et urimelig termisk felt er ikke bare vanskelig å dyrke krystaller som oppfyller kvalitetskravene, men kan heller ikke dyrke fullstendig monokrystallinsk under visse prosesskrav. Dette er grunnen til at direkte-pull monokrystallinsk silisiumindustri anser termisk feltdesign som den viktigste teknologien og investerer enorme arbeidskraft- og materialressurser i forskning og utvikling innen termiske felt.
Det termiske systemet består av ulike termiske feltmaterialer. Vi presenterer bare kort materialene som brukes i det termiske feltet. Når det gjelder temperaturfordelingen i det termiske feltet og dens innvirkning på krystalltrekking, vil vi ikke analysere det her. Termisk feltmateriale refererer til strukturen og den termiske isolasjonsdelen i vakuumovnkammeret for krystallvekst, noe som er essensielt for å skape en passende temperaturfordeling rundt halvledersmelten og krystallen.
1. Termisk feltstrukturmateriale
Det grunnleggende støttematerialet for direktetrekkingsmetoden for å dyrke monokrystallinsk silisium er grafitt med høy renhet. Grafittmaterialer spiller en svært viktig rolle i moderne industri. De kan brukes som strukturelle varmefeltkomponenter som f.eks.varmeovner, føringsrør, digler, isolasjonsrør, digelbrett, etc. i fremstillingen av monokrystallinsk silisium ved hjelp av Czochralski-metoden.
Grafittmaterialerer valgt fordi de er enkle å fremstille i store volum, kan bearbeides og er motstandsdyktige mot høye temperaturer. Karbon i form av diamant eller grafitt har et høyere smeltepunkt enn noe annet element eller forbindelse. Grafittmaterialer er ganske sterke, spesielt ved høye temperaturer, og deres elektriske og termiske ledningsevne er også ganske god. Den elektriske ledningsevnen gjør det egnet som envarmeapparatmateriale. Den har en tilfredsstillende varmeledningsevne, som gjør at varmen som genereres av varmeren fordeles jevnt til digelen og andre deler av varmefeltet. Ved høye temperaturer, spesielt over lange avstander, er imidlertid den viktigste varmeoverføringsmetoden stråling.
Grafittdeler lages i utgangspunktet av fine karbonholdige partikler blandet med et bindemiddel og formes ved ekstrudering eller isostatisk pressing. Grafittdeler av høy kvalitet presses vanligvis isostatisk. Hele stykket karboniseres først og deretter grafittiseres ved svært høye temperaturer, nær 3000 °C. Delene som bearbeides fra disse hele delene renses vanligvis i en klorholdig atmosfære ved høye temperaturer for å fjerne metallforurensning for å oppfylle kravene i halvlederindustrien. Selv etter riktig rensing er imidlertid nivået av metallforurensning flere størrelsesordener høyere enn det som er tillatt for monokrystallinske silisiummaterialer. Derfor må det utvises forsiktighet ved termisk feltdesign for å forhindre at forurensning av disse komponentene kommer inn i smelten eller krystalloverflaten.
Grafittmaterialer er svakt permeable, noe som gjør det enkelt for gjenværende metall inni å nå overflaten. I tillegg kan silisiummonoksidet som finnes i spylegassen rundt grafittoverflaten trenge inn i de fleste materialer og reagere.
Tidlige monokrystallinske silisiumovnsvarmere ble laget av ildfaste metaller som wolfram og molybden. Med den økende modenheten innen grafittbehandlingsteknologi har de elektriske egenskapene til forbindelsen mellom grafittkomponentene blitt stabile, og monokrystallinske silisiumovnsvarmere har fullstendig erstattet wolfram-, molybden- og andre materialevarmere. For tiden er det mest brukte grafittmaterialet isostatisk grafitt. Mitt lands teknologi for fremstilling av isostatisk grafitt er relativt tilbakestående, og de fleste grafittmaterialene som brukes i den innenlandske solcelleindustrien importeres fra utlandet. Utenlandske produsenter av isostatisk grafitt inkluderer hovedsakelig Tysklands SGL, Japans Tokai Carbon, Japans Toyo Tanso, etc. I Czochralskis monokrystallinske silisiumovner brukes noen ganger C/C-komposittmaterialer, og de har begynt å bli brukt til å produsere bolter, muttere, digler, lasteplater og andre komponenter. Karbon/karbon (C/C)-kompositter er karbonfiberforsterkede karbonbaserte kompositter med en rekke utmerkede egenskaper som høy spesifikk styrke, høy spesifikk modul, lav termisk ekspansjonskoeffisient, god elektrisk ledningsevne, høy bruddseighet, lav spesifikk tyngdekraft, termisk sjokkmotstand, korrosjonsmotstand og høy temperaturmotstand. For tiden er de mye brukt innen luftfart, racing, biomaterialer og andre felt som nye høytemperaturbestandige strukturmaterialer. For tiden er de viktigste flaskehalsene som innenlandske C/C-kompositter støter på fortsatt kostnads- og industrialiseringsproblemer.
Det finnes mange andre materialer som brukes til å lage termiske felt. Karbonfiberforsterket grafitt har bedre mekaniske egenskaper, men den er dyrere og har andre krav til design.Silisiumkarbid (SiC)er et bedre materiale enn grafitt på mange måter, men det er mye dyrere og vanskeligere å fremstille deler i store volum. SiC brukes imidlertid ofte som etCVD-beleggfor å øke levetiden til grafittdeler som er utsatt for korrosiv silisiummonoksidgass, og kan også redusere forurensning fra grafitt. Det tette CVD-silisiumkarbidbelegget forhindrer effektivt at forurensninger inne i det mikroporøse grafittmaterialet når overflaten.
En annen er CVD-karbon, som også kan danne et tett lag over grafittdelen. Andre høytemperaturbestandige materialer, som molybden eller keramiske materialer som kan sameksistere med miljøet, kan brukes der det ikke er risiko for å forurense smelten. Imidlertid er oksidkeramikk generelt begrenset i sin anvendelighet til grafittmaterialer ved høye temperaturer, og det finnes få andre alternativer hvis isolasjon er nødvendig. En er heksagonal bornitrid (noen ganger kalt hvit grafitt på grunn av lignende egenskaper), men de mekaniske egenskapene er dårlige. Molybden brukes generelt rimelig i høytemperatursituasjoner på grunn av sin moderate kostnad, lave diffusjonshastighet i silisiumkrystaller og en svært lav segregeringskoeffisient på omtrent 5 × 108, noe som tillater en viss mengde molybdenforurensning før krystallstrukturen ødelegges.
2. Varmeisolasjonsmaterialer
Det mest brukte isolasjonsmaterialet er karbonfilt i ulike former. Karbonfilt er laget av tynne fibre, som fungerer som isolasjon fordi de blokkerer varmestråling flere ganger over en kort avstand. Den myke karbonfilten veves til relativt tynne materialark, som deretter kuttes i ønsket form og bøyes tett i en rimelig radius. Herdet filt er sammensatt av lignende fibermaterialer, og et karbonholdig bindemiddel brukes til å koble de spredte fibrene til et mer solid og formet objekt. Bruk av kjemisk dampavsetning av karbon i stedet for et bindemiddel kan forbedre materialets mekaniske egenskaper.
Vanligvis er den ytre overflaten av den termiske isolasjonsherdende filten belagt med et kontinuerlig grafittbelegg eller folie for å redusere erosjon og slitasje samt partikkelforurensning. Andre typer karbonbaserte termiske isolasjonsmaterialer finnes også, for eksempel karbonskum. Generelt er grafittiserte materialer åpenbart foretrukket fordi grafittisering reduserer fiberens overflateareal betraktelig. Utgassingen av disse materialene med stort overflateareal reduseres betraktelig, og det tar kortere tid å pumpe ovnen til et passende vakuum. Et annet er C/C-komposittmateriale, som har enestående egenskaper som lett vekt, høy skadetoleranse og høy styrke. Bruk i termiske felt for å erstatte grafittdeler reduserer hyppigheten av utskifting av grafittdeler betydelig, forbedrer monokrystallinsk kvalitet og produksjonsstabilitet.
I henhold til råvareklassifiseringen kan karbonfilt deles inn i polyakrylonitrilbasert karbonfilt, viskosebasert karbonfilt og bekbasert karbonfilt.
Polyakrylonitrilbasert karbonfilt har et høyt askeinnhold. Etter høytemperaturbehandling blir den enkelte fiber sprø. Under drift er det lett å generere støv som forurenser ovnsmiljøet. Samtidig kan fiberen lett trenge inn i porene og luftveiene i menneskekroppen, noe som er skadelig for menneskers helse. Viskosebasert karbonfilt har god varmeisolasjonsytelse. Den er relativt myk etter varmebehandling og er ikke lett å generere støv. Tverrsnittet av den viskosebaserte råfiberen er imidlertid uregelmessig, og det er mange spor på fiberoverflaten. Det er lett å generere gasser som CO2 under den oksiderende atmosfæren i CZ-silisiumovnen, noe som forårsaker utfelling av oksygen og karbonelementer i det monokrystallinske silisiummaterialet. De viktigste produsentene inkluderer tyske SGL og andre selskaper. For tiden er bekbasert karbonfilt den mest brukte typen i halvledermonokrystallinsk industri, som har dårligere varmeisolasjonsytelse enn viskosebasert karbonfilt, men bekbasert karbonfilt har høyere renhet og lavere støvutslipp. Produsenter inkluderer japanske Kureha Chemical og Osaka Gas.
Fordi formen på karbonfilt ikke er fast, er den upraktisk å bruke. Nå har mange selskaper utviklet et nytt varmeisolasjonsmateriale basert på karbonfilt-herdet karbonfilt. Herdet karbonfilt, også kalt hardfilt, er en karbonfilt med en viss form og selvopprettholdende egenskaper etter at myk filt er impregnert med harpiks, laminert, herdet og karbonisert.
Vekstkvaliteten til monokrystallinsk silisium påvirkes direkte av det termiske miljøet, og karbonfiber-termisolasjonsmaterialer spiller en nøkkelrolle i dette miljøet. Myk karbonfiber-termisolasjonsfilt har fortsatt en betydelig fordel i den fotovoltaiske halvlederindustrien på grunn av sin kostnadsfordel, utmerkede termiske isolasjonseffekt, fleksible design og tilpassbare form. I tillegg vil hard karbonfiber-termisolasjonsfilt ha større utviklingsrom i markedet for termiske feltmaterialer på grunn av sin visse styrke og høyere driftssikkerhet. Vi er forpliktet til forskning og utvikling innen termiske isolasjonsmaterialer, og optimaliserer kontinuerlig produktets ytelse for å fremme velstand og utvikling av den fotovoltaiske halvlederindustrien.
Publisert: 12. juni 2024