O processo de crescimento do silício monocristalino ocorre inteiramente em um campo térmico. Um bom campo térmico contribui para a melhoria da qualidade dos cristais e para uma maior eficiência de cristalização. O projeto do campo térmico determina em grande parte as variações nos gradientes de temperatura no campo térmico dinâmico e o fluxo de gás na câmara do forno. A diferença nos materiais utilizados no campo térmico determina diretamente a vida útil do mesmo. Um campo térmico inadequado não só dificulta o crescimento de cristais que atendam aos requisitos de qualidade, como também impede o crescimento de monocristais perfeitos sob certas condições de processo. É por isso que a indústria de silício monocristalino por extração direta considera o projeto do campo térmico como a tecnologia mais importante e investe enormes recursos humanos e materiais em pesquisa e desenvolvimento nessa área.
O sistema térmico é composto por diversos materiais de campo térmico. Apresentaremos brevemente os materiais utilizados no campo térmico. Quanto à distribuição de temperatura no campo térmico e seu impacto na extração do cristal, não a analisaremos aqui. O material de campo térmico refere-se à estrutura e à parte de isolamento térmico na câmara do forno a vácuo para crescimento de cristais, que é essencial para criar uma distribuição de temperatura adequada ao redor do semicondutor fundido e do cristal.
1. Material da estrutura do campo térmico
O material de suporte básico para o método de crescimento de silício monocristalino por extração direta é o grafite de alta pureza. Os materiais de grafite desempenham um papel muito importante na indústria moderna. Eles podem ser usados como componentes estruturais para campos térmicos, como...aquecedores, tubos guia, cadinhos, tubos de isolamento, bandejas de cadinhos, etc., na preparação de silício monocristalino pelo método Czochralski.
Materiais de grafiteSão selecionados por serem fáceis de preparar em grandes volumes, processáveis e resistentes a altas temperaturas. O carbono, na forma de diamante ou grafite, possui um ponto de fusão mais alto do que qualquer outro elemento ou composto. Os materiais de grafite são bastante resistentes, especialmente em altas temperaturas, e sua condutividade elétrica e térmica também é muito boa. Sua condutividade elétrica o torna adequado como...aquecedorO material possui um coeficiente de condutividade térmica satisfatório, o que permite que o calor gerado pelo aquecedor seja distribuído uniformemente para o cadinho e outras partes do campo térmico. No entanto, em altas temperaturas, especialmente em longas distâncias, o principal modo de transferência de calor é a radiação.
As peças de grafite são inicialmente fabricadas a partir de finas partículas carbonáceas misturadas com um aglutinante e moldadas por extrusão ou prensagem isostática. Peças de grafite de alta qualidade são geralmente prensadas isostaticamente. A peça inteira é primeiro carbonizada e depois grafitizada a temperaturas muito elevadas, próximas de 3000 °C. As peças processadas a partir dessas peças inteiras são geralmente purificadas em uma atmosfera contendo cloro a altas temperaturas para remover a contaminação metálica e atender aos requisitos da indústria de semicondutores. No entanto, mesmo após a purificação adequada, o nível de contaminação metálica é várias ordens de magnitude superior ao permitido para materiais monocristalinos de silício. Portanto, deve-se ter cuidado no projeto do campo térmico para evitar que a contaminação desses componentes penetre na fusão ou na superfície do cristal.
Os materiais de grafite são ligeiramente permeáveis, o que facilita que o metal remanescente em seu interior alcance a superfície. Além disso, o monóxido de silício presente no gás de purga ao redor da superfície da grafite pode penetrar na maioria dos materiais e reagir.
Os primeiros aquecedores de fornos de silício monocristalino eram feitos de metais refratários como tungstênio e molibdênio. Com o amadurecimento da tecnologia de processamento de grafite, as propriedades elétricas da conexão entre os componentes de grafite se estabilizaram, e os aquecedores de silício monocristalino substituíram completamente os aquecedores de tungstênio, molibdênio e outros materiais. Atualmente, o material de grafite mais utilizado é a grafite isostática. A tecnologia de preparação de grafite isostática no meu país é relativamente atrasada, e a maior parte do material de grafite utilizado na indústria fotovoltaica nacional é importada. Os principais fabricantes estrangeiros de grafite isostática incluem a alemã SGL, a japonesa Tokai Carbon e a japonesa Toyo Tanso. Em fornos de silício monocristalino Czochralski, materiais compósitos C/C são utilizados ocasionalmente e começaram a ser empregados na fabricação de parafusos, porcas, cadinhos, placas de carga e outros componentes. Os compósitos carbono/carbono (C/C) são compósitos à base de carbono reforçados com fibra de carbono, que apresentam uma série de excelentes propriedades, como alta resistência específica, alto módulo específico, baixo coeficiente de expansão térmica, boa condutividade elétrica, alta tenacidade à fratura, baixa densidade, resistência ao choque térmico, resistência à corrosão e resistência a altas temperaturas. Atualmente, são amplamente utilizados nas áreas aeroespacial, automobilística, de biomateriais e outras, como novos materiais estruturais resistentes a altas temperaturas. Os principais obstáculos enfrentados pelos compósitos C/C no mercado interno ainda são o custo e a industrialização.
Existem muitos outros materiais usados para criar campos térmicos. O grafite reforçado com fibra de carbono possui melhores propriedades mecânicas, porém é mais caro e apresenta outros requisitos de projeto.Carboneto de silício (SiC)É um material melhor que o grafite em muitos aspectos, mas é muito mais caro e difícil de produzir em grande volume. No entanto, o SiC é frequentemente usado como um...revestimento CVDAumenta a vida útil de peças de grafite expostas ao gás corrosivo monóxido de silício e também reduz a contaminação proveniente da grafite. O revestimento denso de carbeto de silício depositado por CVD impede eficazmente que contaminantes presentes no interior do material de grafite microporoso atinjam a superfície.
Outra opção é o carbono CVD, que também pode formar uma camada densa sobre a parte de grafite. Outros materiais resistentes a altas temperaturas, como molibdênio ou materiais cerâmicos que podem coexistir com o ambiente, podem ser usados onde não há risco de contaminação da fusão. No entanto, as cerâmicas de óxido geralmente têm aplicabilidade limitada em materiais de grafite em altas temperaturas, e existem poucas outras opções se for necessário isolamento. Uma delas é o nitreto de boro hexagonal (às vezes chamado de grafite branco devido a propriedades semelhantes), mas suas propriedades mecânicas são deficientes. O molibdênio geralmente é usado de forma razoável em situações de alta temperatura devido ao seu custo moderado, baixa taxa de difusão em cristais de silício e um coeficiente de segregação muito baixo, de cerca de 5×10⁸, o que permite uma certa quantidade de contaminação por molibdênio antes de destruir a estrutura cristalina.
2. Materiais de isolamento térmico
O material isolante mais comumente usado é o feltro de carbono em suas diversas formas. O feltro de carbono é feito de fibras finas que atuam como isolantes, bloqueando a radiação térmica várias vezes em curtas distâncias. O feltro de carbono macio é tecido em folhas relativamente finas, que são então cortadas no formato desejado e dobradas firmemente em um raio adequado. Os feltros vulcanizados são compostos de materiais fibrosos semelhantes, e um aglutinante contendo carbono é usado para unir as fibras dispersas em um objeto mais sólido e moldado. O uso da deposição química de vapor de carbono em vez de um aglutinante pode melhorar as propriedades mecânicas do material.
Normalmente, a superfície externa do feltro isolante térmico é revestida com uma camada ou folha contínua de grafite para reduzir a erosão, o desgaste e a contaminação por partículas. Outros tipos de materiais isolantes térmicos à base de carbono também existem, como a espuma de carbono. Em geral, os materiais grafitizados são preferidos, pois a grafitização reduz significativamente a área superficial da fibra. A liberação de gases desses materiais de alta área superficial é bastante reduzida, e o tempo necessário para atingir o vácuo adequado no forno é menor. Outra opção é o material compósito C/C, que possui características excepcionais, como leveza, alta tolerância a danos e alta resistência. Seu uso em aplicações térmicas para substituir peças de grafite reduz significativamente a frequência de substituição dessas peças, melhora a qualidade monocristalina e a estabilidade da produção.
De acordo com a classificação da matéria-prima, o feltro de carbono pode ser dividido em feltro de carbono à base de poliacrilonitrila, feltro de carbono à base de viscose e feltro de carbono à base de piche.
O feltro de carbono à base de poliacrilonitrila possui um alto teor de cinzas. Após tratamento em alta temperatura, a fibra individual torna-se quebradiça. Durante a operação, gera facilmente poeira que polui o ambiente do forno. Ao mesmo tempo, a fibra pode penetrar facilmente nos poros e no trato respiratório do corpo humano, sendo prejudicial à saúde. O feltro de carbono à base de viscose apresenta bom desempenho de isolamento térmico. É relativamente macio após o tratamento térmico e não gera poeira com facilidade. No entanto, a seção transversal da fibra bruta à base de viscose é irregular, apresentando muitos sulcos na superfície. Isso facilita a geração de gases como CO2 sob a atmosfera oxidante do forno de silício CZ, causando a precipitação de oxigênio e carbono no material de silício monocristalino. Os principais fabricantes incluem a empresa alemã SGL e outras. Atualmente, o feltro de carbono à base de piche é o mais utilizado na indústria de semicondutores monocristalinos, apresentando desempenho de isolamento térmico inferior ao do feltro de carbono à base de viscose, porém com maior pureza e menor emissão de poeira. Entre os fabricantes estão a Kureha Chemical e a Osaka Gas, ambas do Japão.
Como a forma do feltro de carbono não é fixa, seu manuseio é inconveniente. Atualmente, muitas empresas desenvolveram um novo material de isolamento térmico à base de feltro de carbono: o feltro de carbono curado. O feltro de carbono curado, também chamado de feltro rígido, é um feltro de carbono com forma definida e propriedade autossustentável, obtido após ser impregnado com resina, laminado, curado e carbonizado.
A qualidade do crescimento do silício monocristalino é diretamente afetada pelo ambiente térmico, e os materiais de isolamento térmico de fibra de carbono desempenham um papel fundamental nesse ambiente. O feltro isolante térmico de fibra de carbono macio ainda apresenta uma vantagem significativa na indústria de semicondutores fotovoltaicos devido ao seu custo reduzido, excelente efeito de isolamento térmico, design flexível e formato personalizável. Além disso, o feltro isolante térmico de fibra de carbono rígido terá um potencial de desenvolvimento ainda maior no mercado de materiais para isolamento térmico devido à sua resistência e maior operabilidade. Estamos comprometidos com a pesquisa e o desenvolvimento na área de materiais de isolamento térmico e com a otimização contínua do desempenho dos produtos para promover a prosperidade e o desenvolvimento da indústria de semicondutores fotovoltaicos.
Data da publicação: 12 de junho de 2024