Proces wzrostu monokrystalicznego krzemu odbywa się w całości w polu termicznym. Dobre pole termiczne sprzyja poprawie jakości kryształów i zapewnia wyższą wydajność krystalizacji. Konstrukcja pola termicznego w dużej mierze determinuje zmiany gradientów temperatury w dynamicznym polu termicznym oraz przepływ gazu w komorze pieca. Różnica w materiałach użytych w polu termicznym bezpośrednio determinuje jego żywotność. Nieracjonalne pole termiczne nie tylko utrudnia wzrost kryształów spełniających wymagania jakościowe, ale także uniemożliwia uzyskanie pełnej monokrystaliczności przy spełnieniu określonych wymagań procesowych. Właśnie dlatego przemysł monokrystalicznego krzemu typu direct-pull uważa projektowanie pola termicznego za najważniejszą technologię i inwestuje ogromne zasoby ludzkie i materiałowe w badania i rozwój pola termicznego.
Układ termiczny składa się z różnych materiałów pola termicznego. Przedstawimy je jedynie pokrótce. Rozkład temperatury w polu termicznym i jego wpływ na wyciąganie kryształów nie będą tutaj analizowane. Materiał pola termicznego odnosi się do struktury i izolacji termicznej w komorze pieca próżniowego do wzrostu kryształów, co jest niezbędne do uzyskania odpowiedniego rozkładu temperatury wokół stopionego półprzewodnika i kryształu.
1. Materiał struktury pola termicznego
Podstawowym materiałem nośnym do produkcji monokrystalicznego krzemu metodą bezpośredniego ciągnięcia jest grafit o wysokiej czystości. Materiały grafitowe odgrywają bardzo ważną rolę we współczesnym przemyśle. Mogą być wykorzystywane jako elementy konstrukcyjne w polu cieplnym, takie jak:grzejniki, rurki prowadzące, tygle, rurki izolacyjne, tace tyglowe itp. w procesie otrzymywania monokrystalicznego krzemu metodą Czochralskiego.
Materiały grafitoweSą wybierane ze względu na łatwość przygotowania w dużych ilościach, możliwość przetwarzania i odporność na wysokie temperatury. Węgiel w postaci diamentu lub grafitu ma wyższą temperaturę topnienia niż jakikolwiek inny pierwiastek lub związek. Materiały grafitowe są dość wytrzymałe, szczególnie w wysokich temperaturach, a ich przewodność elektryczna i cieplna jest również dość dobra. Jego przewodność elektryczna sprawia, że nadaje się jako…podgrzewaczMateriał ten charakteryzuje się zadowalającym współczynnikiem przewodzenia ciepła, co pozwala na równomierne rozprowadzanie ciepła generowanego przez grzałkę do tygla i innych części pola cieplnego. Jednak w wysokich temperaturach, zwłaszcza na duże odległości, głównym sposobem przenoszenia ciepła jest promieniowanie.
Elementy grafitowe są początkowo wykonane z drobnych cząstek węglowych zmieszanych ze spoiwem i formowane metodą wytłaczania lub prasowania izostatycznego. Wysokiej jakości elementy grafitowe są zazwyczaj prasowane izostatycznie. Cały element jest najpierw karbonizowany, a następnie grafityzowany w bardzo wysokich temperaturach, bliskich 3000°C. Elementy wytwarzane z tych całych elementów są zazwyczaj oczyszczane w atmosferze zawierającej chlor w wysokich temperaturach w celu usunięcia zanieczyszczeń metalicznych, aby spełnić wymagania przemysłu półprzewodnikowego. Jednak nawet po odpowiednim oczyszczeniu poziom zanieczyszczeń metalicznych jest o kilka rzędów wielkości wyższy niż dopuszczalny w przypadku monokrystalicznych materiałów krzemowych. Dlatego należy zadbać o odpowiednią konstrukcję pola termicznego, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń do stopu lub powierzchni kryształu.
Materiały grafitowe są lekko przepuszczalne, co ułatwia dostęp pozostałego metalu do powierzchni. Ponadto tlenek krzemu obecny w gazie płuczącym wokół powierzchni grafitu może przenikać do większości materiałów i wchodzić z nimi w reakcje.
Wczesne monokrystaliczne krzemowe piece grzewcze były wykonane z metali ogniotrwałych, takich jak wolfram i molibden. Wraz ze wzrostem dojrzałości technologii przetwarzania grafitu, właściwości elektryczne połączeń między elementami grafitowymi stały się stabilne, a monokrystaliczne krzemowe piece grzewcze całkowicie zastąpiły wolfram, molibden i inne materiały grzewcze. Obecnie najpowszechniej stosowanym materiałem grafitowym jest grafit izostatyczny. Technologia wytwarzania grafitu izostatycznego w moim kraju jest stosunkowo zacofana, a większość materiałów grafitowych wykorzystywanych w krajowym przemyśle fotowoltaicznym jest importowana z zagranicy. Do zagranicznych producentów grafitu izostatycznego należą głównie niemiecki SGL, japoński Tokai Carbon, japoński Toyo Tanso itp. W monokrystalicznych piecach krzemowych Czochralskiego czasami stosuje się materiały kompozytowe C/C, które zaczęto wykorzystywać do produkcji śrub, nakrętek, tygli, płyt wsadowych i innych komponentów. Kompozyty węglowo-węglowe (C/C) to kompozyty węglowe wzmacniane włóknami węglowymi, charakteryzujące się szeregiem doskonałych właściwości, takich jak wysoka wytrzymałość właściwa, wysoki moduł sprężystości, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobre przewodnictwo elektryczne, wysoka odporność na pękanie, niski ciężar właściwy, odporność na szok termiczny, odporność na korozję i odporność na wysokie temperatury. Obecnie są one szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, wyścigowym, biomateriałach i innych dziedzinach jako nowe materiały konstrukcyjne odporne na wysokie temperatury. Głównymi problemami napotykanymi przez krajowe kompozyty C/C są obecnie koszty i kwestie związane z industrializacją.
Do tworzenia pól termicznych stosuje się wiele innych materiałów. Grafit wzmocniony włóknem węglowym ma lepsze właściwości mechaniczne, ale jest droższy i ma inne wymagania projektowe.Węglik krzemu (SiC)SiC jest pod wieloma względami lepszym materiałem niż grafit, ale jest znacznie droższy i trudniejszy w przygotowaniu elementów o dużej objętości. Jednak SiC jest często używany jakoPowłoka CVDAby wydłużyć żywotność części grafitowych narażonych na działanie żrącego tlenku krzemu, a także zmniejszyć zanieczyszczenie grafitem. Gęsta powłoka z węglika krzemu CVD skutecznie zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczeń z mikroporowatego materiału grafitowego do powierzchni.
Innym materiałem jest węgiel CVD, który może również tworzyć gęstą warstwę nad częścią grafitową. Inne materiały odporne na wysokie temperatury, takie jak molibden lub materiały ceramiczne, które mogą współistnieć ze środowiskiem, mogą być stosowane tam, gdzie nie ma ryzyka zanieczyszczenia stopu. Jednak ceramika tlenkowa ma zazwyczaj ograniczone zastosowanie do materiałów grafitowych w wysokich temperaturach i istnieje niewiele innych opcji, jeśli wymagana jest izolacja. Jednym z nich jest heksagonalny azotek boru (czasami nazywany białym grafitem ze względu na podobne właściwości), ale jego właściwości mechaniczne są słabe. Molibden jest zazwyczaj rozsądnie stosowany w warunkach wysokich temperatur ze względu na jego umiarkowany koszt, niską szybkość dyfuzji w kryształach krzemu i bardzo niski współczynnik segregacji wynoszący około 5×108, co pozwala na pewną ilość zanieczyszczenia molibdenem przed zniszczeniem struktury krystalicznej.
2. Materiały termoizolacyjne
Najczęściej stosowanym materiałem izolacyjnym jest filc węglowy w różnych formach. Filc węglowy składa się z cienkich włókien, które pełnią funkcję izolacyjną, ponieważ wielokrotnie blokują promieniowanie cieplne na krótkim dystansie. Miękki filc węglowy jest tkany w stosunkowo cienkie arkusze materiału, które następnie są cięte do pożądanego kształtu i ciasno zginane do rozsądnego promienia. Utwardzone filce składają się z podobnych materiałów włóknistych, a spoiwo zawierające węgiel służy do połączenia rozproszonych włókien w bardziej zwarty i ukształtowany obiekt. Zastosowanie chemicznego osadzania węgla z fazy gazowej zamiast spoiwa może poprawić właściwości mechaniczne materiału.
Zazwyczaj zewnętrzna powierzchnia filcu termoizolacyjnego jest pokryta ciągłą powłoką grafitową lub folią, aby zmniejszyć erozję i zużycie, a także zanieczyszczenie cząstkami stałymi. Istnieją również inne rodzaje materiałów termoizolacyjnych na bazie węgla, takie jak pianka węglowa. Generalnie, preferowane są materiały grafitowane, ponieważ grafityzacja znacznie zmniejsza powierzchnię włókna. Odgazowywanie tych materiałów o dużej powierzchni jest znacznie ograniczone, a czas pompowania pieca do odpowiedniej próżni jest krótszy. Innym materiałem jest kompozyt C/C, który charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami, takimi jak lekkość, wysoka odporność na uszkodzenia i wysoka wytrzymałość. Zastosowanie w polach termicznych do wymiany elementów grafitowych znacznie zmniejsza częstotliwość wymiany elementów grafitowych, poprawia jakość monokrystaliczną i stabilność produkcji.
Ze względu na klasyfikację surowca filc węglowy można podzielić na filc węglowy na bazie poliakrylonitrylu, filc węglowy na bazie wiskozy oraz filc węglowy na bazie smoły.
Filc węglowy na bazie poliakrylonitrylu charakteryzuje się wysoką zawartością popiołu. Po obróbce w wysokiej temperaturze pojedyncze włókno staje się kruche. Podczas pracy łatwo wytwarza się pył, który zanieczyszcza środowisko pieca. Jednocześnie włókno może łatwo przedostać się do porów i dróg oddechowych ludzkiego ciała, co jest szkodliwe dla zdrowia. Filc węglowy na bazie wiskozy charakteryzuje się dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi. Po obróbce cieplnej jest stosunkowo miękki i nie pyli się łatwo. Jednak przekrój poprzeczny surowego włókna na bazie wiskozy jest nieregularny, a na jego powierzchni znajduje się wiele rowków. W atmosferze utleniającej pieca krzemowego CZ łatwo wytwarzają się gazy, takie jak CO2, co powoduje wytrącanie się tlenu i pierwiastków węgla w monokrystalicznym materiale krzemowym. Głównymi producentami są niemiecka firma SGL i inne. Obecnie w przemyśle półprzewodników monokrystalicznych najczęściej stosowany jest filc węglowy na bazie smoły, który ma gorsze właściwości termoizolacyjne niż filc węglowy na bazie wiskozy, ale filc węglowy na bazie smoły charakteryzuje się wyższą czystością i niższą emisją pyłu. Wśród producentów znajdują się japońskie firmy Kureha Chemical i Osaka Gas.
Ponieważ kształt filcu węglowego nie jest stały, jego obsługa jest niewygodna. Wiele firm opracowało nowy materiał termoizolacyjny na bazie filcu węglowego – utwardzonego filcu węglowego. Utwardzony filc węglowy, zwany również twardym filcem, to filc węglowy o określonym kształcie i właściwościach samowystarczalnych po zaimpregnowaniu miękkiego filcu żywicą, laminowaniu, utwardzeniu i karbonizacji.
Jakość wzrostu krzemu monokrystalicznego jest bezpośrednio zależna od środowiska termicznego, a materiały termoizolacyjne z włókna węglowego odgrywają w tym środowisku kluczową rolę. Miękki filc termoizolacyjny z włókna węglowego nadal ma znaczącą przewagę w branży półprzewodników fotowoltaicznych ze względu na swoją przewagę cenową, doskonałe właściwości termoizolacyjne, elastyczną konstrukcję i możliwość dostosowania kształtu. Ponadto, twardy filc termoizolacyjny z włókna węglowego będzie miał większą przestrzeń do rozwoju na rynku materiałów termoizolacyjnych ze względu na swoją wytrzymałość i lepszą funkcjonalność. Jesteśmy zaangażowani w badania i rozwój w dziedzinie materiałów termoizolacyjnych i stale optymalizujemy wydajność naszych produktów, aby promować dobrobyt i rozwój branży półprzewodników fotowoltaicznych.
Czas publikacji: 12 czerwca 2024 r.