Proces wzrostu monokrystalicznego krzemu jest całkowicie przeprowadzany w polu termicznym. Dobre pole termiczne sprzyja poprawie jakości kryształów i ma wyższą wydajność krystalizacji. Konstrukcja pola termicznego w dużej mierze determinuje zmiany gradientów temperatury w dynamicznym polu termicznym i przepływ gazu w komorze pieca. Różnica w materiałach użytych w polu termicznym bezpośrednio determinuje żywotność pola termicznego. Nierozsądne pole termiczne nie tylko utrudnia wzrost kryształów spełniających wymagania jakościowe, ale również nie pozwala na wzrost w pełni monokrystaliczny przy określonych wymaganiach procesowych. Dlatego przemysł monokrystalicznego krzemu bezpośredniego uważa projekt pola termicznego za najważniejszą technologię i inwestuje ogromne zasoby siły roboczej i materiałów w badania i rozwój pola termicznego.
Układ cieplny składa się z różnych materiałów pola cieplnego. Przedstawiamy tylko pokrótce materiały używane w polu cieplnym. Jeśli chodzi o rozkład temperatury w polu cieplnym i jego wpływ na wyciąganie kryształów, nie będziemy tego tutaj analizować. Materiał pola cieplnego odnosi się do struktury i części izolacji cieplnej w komorze pieca próżniowego wzrostu kryształów, co jest niezbędne do stworzenia odpowiedniego rozkładu temperatury wokół stopionego półprzewodnika i kryształu.
1. Materiał struktury pola termicznego
Podstawowym materiałem pomocniczym do metody bezpośredniego ciągnięcia w celu uzyskania monokrystalicznego krzemu jest grafit o wysokiej czystości. Materiały grafitowe odgrywają bardzo ważną rolę w nowoczesnym przemyśle. Mogą być stosowane jako elementy konstrukcyjne pola cieplnego, takie jakgrzejniki, rury prowadzące, tygle, rurki izolacyjne, tace tyglowe itp. w procesie otrzymywania monokrystalicznego krzemu metodą Czochralskiego.
Materiały grafitowesą wybierane, ponieważ są łatwe do przygotowania w dużych ilościach, mogą być przetwarzane i są odporne na wysokie temperatury. Węgiel w postaci diamentu lub grafitu ma wyższą temperaturę topnienia niż jakikolwiek pierwiastek lub związek. Materiały grafitowe są dość wytrzymałe, szczególnie w wysokich temperaturach, a ich przewodnictwo elektryczne i cieplne jest również dość dobre. Jego przewodnictwo elektryczne sprawia, że nadaje się jakopodgrzewaczmateriał. Posiada zadowalający współczynnik przewodzenia ciepła, który pozwala na równomierne rozprowadzanie ciepła wytwarzanego przez grzejnik do tygla i innych części pola cieplnego. Jednak w wysokich temperaturach, zwłaszcza na duże odległości, głównym sposobem przenoszenia ciepła jest promieniowanie.
Części grafitowe są początkowo wykonane z drobnych cząstek węglowych zmieszanych ze spoiwem i formowanych przez wytłaczanie lub prasowanie izostatyczne. Wysokiej jakości części grafitowe są zazwyczaj prasowane izostatycznie. Cały element jest najpierw karbonizowany, a następnie grafityzowany w bardzo wysokich temperaturach, zbliżonych do 3000°C. Części przetworzone 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 dozwolony w przypadku monokrystalicznych materiałów krzemowych. Dlatego należy zachować ostrożność w projektowaniu pola termicznego, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń tych elementów do powierzchni stopu lub kryształu.
Materiały grafitowe są lekko przepuszczalne, co ułatwia pozostałym metalom dotarcie do powierzchni. Ponadto tlenek krzemu obecny w gazie oczyszczającym wokół powierzchni grafitu może przenikać do większości materiałów i reagować.
Wczesne monokrystaliczne krzemowe piece grzewcze były wykonane z metali ogniotrwałych, takich jak wolfram i molibden. Wraz ze wzrostem dojrzałości technologii przetwarzania grafitu, właściwości elektryczne połączenia między składnikami grafitu stały się stabilne, a monokrystaliczne krzemowe piece grzewcze całkowicie zastąpiły wolframowe, molibdenowe i inne materiały grzewcze. Obecnie najszerzej stosowanym materiałem grafitowym jest grafit izostatyczny. Technologia przygotowywania grafitu izostatycznego w moim kraju jest stosunkowo zacofana, a większość materiałów grafitowych używanych w krajowym przemyśle fotowoltaicznym jest importowana z zagranicy. Zagraniczni producenci grafitu izostatycznego to głównie niemiecka firma SGL, japońska firma Tokai Carbon, japońska firma Toyo Tanso itp. W monokrystalicznych piecach krzemowych Czochralskiego czasami stosuje się materiały kompozytowe C/C, które zaczęto wykorzystywać do produkcji śrub, nakrętek, tygli, płyt obciążeniowych i innych komponentów. Kompozyty węgiel/węgiel (C/C) to kompozyty węglowe wzmacniane włóknem węglowym o szeregu doskonałych właściwości, takich jak wysoka wytrzymałość właściwa, wysoki moduł właściwy, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobra przewodność elektryczna, wysoka wytrzymałość na pękanie, niski ciężar właściwy, odporność na szok termiczny, odporność na korozję i odporność na wysoką temperaturę. Obecnie są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, wyścigowym, biomateriałach i innych dziedzinach jako nowe materiały konstrukcyjne odporne na wysokie temperatury. Obecnie głównymi wąskimi gardłami napotykanymi przez krajowe kompozyty C/C są nadal kwestie kosztów i industrializacji.
Istnieje wiele innych materiałów używanych do tworzenia pól termicznych. Grafit wzmocniony włóknem węglowym ma lepsze właściwości mechaniczne; ale jest droższy i ma inne wymagania dotyczące projektowania.Węglik krzemu (SiC)jest pod wieloma względami lepszym materiałem niż grafit, ale jest znacznie droższy i trudniejszy w przygotowaniu części o dużej objętości. Jednakże SiC jest często używany jakoPowłoka CVDaby wydłużyć żywotność części grafitowych narażonych na działanie żrącego gazu tlenku krzemu, a także może zmniejszyć zanieczyszczenie grafitem. Gęsta powłoka węglika krzemu CVD skutecznie zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczeń z mikroporowatego materiału grafitowego na powierzchnię.
Innym 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 jest na ogół ograniczona w swojej przydatności 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 na ogół stosowany w rozsądnych warunkach w przypadku 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 jest wykonany z cienkich włókien, które działają jak izolacja, ponieważ blokują promieniowanie cieplne wielokrotnie na krótkim dystansie. Miękki filc węglowy jest tkany w stosunkowo cienkie arkusze materiału, które są następnie cięte do pożądanego kształtu i ciasno wyginane do rozsądnego promienia. Utwardzone filce składają się z podobnych materiałów włóknistych, a spoiwo zawierające węgiel jest używane do łączenia rozproszonych włókien w bardziej solidny i ukształtowany obiekt. Zastosowanie chemicznego osadzania węgla z fazy gazowej zamiast spoiwa może poprawić właściwości mechaniczne materiału.
Zwykle zewnętrzna powierzchnia filcu utwardzanego izolacji termicznej jest pokryta ciągłą powłoką grafitową lub folią w celu zmniejszenia erozji i zużycia, a także zanieczyszczeń cząsteczkowych. Istnieją również inne rodzaje materiałów termoizolacyjnych na bazie węgla, takie jak pianka węglowa. Zasadniczo materiały grafitowane są oczywiście preferowane, ponieważ grafityzacja znacznie zmniejsza powierzchnię włókna. Odgazowanie tych materiałów o dużej powierzchni jest znacznie zmniejszone, a pompowanie pieca do odpowiedniej próżni zajmuje mniej czasu. Innym jest materiał kompozytowy C/C, który ma wyjątkowe właściwości, takie jak lekkość, wysoka tolerancja na uszkodzenia i wysoka wytrzymałość. Stosowany w polach cieplnych do wymiany części grafitowych znacznie zmniejsza częstotliwość wymiany części 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 ma dużą zawartość popiołu. Po obróbce w wysokiej temperaturze pojedyncze włókno staje się kruche. Podczas pracy łatwo jest wytworzyć pył zanieczyszczający środowisko pieca. Jednocześnie włókno może łatwo przedostać się do porów i dróg oddechowych ludzkiego ciała, co jest szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Filc węglowy na bazie wiskozy ma dobre właściwości termoizolacyjne. Jest stosunkowo miękki po obróbce cieplnej i niełatwo wytwarza pył. Jednak przekrój poprzeczny surowego włókna na bazie wiskozy jest nieregularny, a na powierzchni włókna znajduje się wiele rowków. Łatwo jest wytworzyć gazy, takie jak CO2 pod utleniającą atmosferą pieca krzemowego CZ, powodując wytrącanie się tlenu i pierwiastków węglowych w monokrystalicznym materiale krzemowym. Głównymi producentami są niemiecki SGL i inne firmy. Obecnie najczęściej stosowanym w przemyśle półprzewodników monokrystalicznych jest filc węglowy na bazie smoły, który ma gorsze właściwości termoizolacyjne niż filc węglowy na bazie wiskozy, ale filc węglowy na bazie smoły ma wyższą czystość i niższą emisję pyłu. Wśród producentów znajdują się japońska firma Kureha Chemical i Osaka Gas.
Ponieważ kształt filcu węglowego nie jest stały, jest niewygodny w obsłudze. Obecnie 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 samowystarczalnych właściwościach po zaimpregnowaniu miękkiego filcu żywicą, laminowaniu, utwardzeniu i karbonizacji.
Jakość wzrostu monokrystalicznego krzemu jest bezpośrednio zależna od środowiska termicznego, a materiały termoizolacyjne z włókna węglowego odgrywają kluczową rolę w tym środowisku. Miękki filc termoizolacyjny z włókna węglowego nadal ma znaczną przewagę w przemyśle półprzewodników fotowoltaicznych ze względu na przewagę kosztową, doskonały efekt termoizolacyjny, elastyczną konstrukcję i dostosowywalny kształt. Ponadto twardy filc termoizolacyjny z włókna węglowego będzie miał większą przestrzeń rozwojową na rynku materiałów termicznych ze względu na swoją pewną wytrzymałość i wyższą funkcjonalność. Jesteśmy zaangażowani w badania i rozwój w dziedzinie materiałów termoizolacyjnych i stale optymalizujemy wydajność produktu, aby promować dobrobyt i rozwój przemysłu półprzewodników fotowoltaicznych.
Czas publikacji: 12-06-2024