O processo de crescimento do silício monocristalino é realizado integralmente no campo térmico. Um bom campo térmico contribui para a melhoria da qualidade dos cristais e proporciona uma maior eficiência de cristalização. O projeto do campo térmico determina em grande parte as mudanças 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 campo térmico. Um campo térmico desproporcional não só dificulta o crescimento de cristais que atendam aos requisitos de qualidade, como também impede o crescimento de cristais monocristalinos completos sob certos requisitos de processo. É por isso que a indústria de silício monocristalino de atração direta considera o projeto do campo térmico como a tecnologia mais importante e investe enormes recursos humanos e materiais em pesquisa e desenvolvimento de campos térmicos.
O sistema térmico é composto por diversos materiais de campo térmico. Apresentaremos apenas brevemente os materiais utilizados no campo térmico. Quanto à distribuição de temperatura no campo térmico e seu impacto na tração de cristais, não os analisaremos aqui. O material do campo térmico refere-se à estrutura e à parte de isolamento térmico na câmara do forno a vácuo para crescimento de cristais, 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 tração direta para o crescimento de silício monocristalino 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 de campos térmicos, comoaquecedores, tubos guia, cadinhos, tubos de isolamento, bandejas de cadinhos, etc. na preparação de silício monocristalino pelo método de Czochralski.
Materiais de grafitesão selecionados por serem fáceis de preparar em grandes volumes, podem ser processados e são resistentes a altas temperaturas. O carbono na forma de diamante ou grafite tem um ponto de fusão mais alto do que qualquer elemento ou composto. Os materiais de grafite são bastante resistentes, especialmente em altas temperaturas, e sua condutividade elétrica e térmica também é bastante boa. Sua condutividade elétrica o torna adequado comoaquecedorMaterial. Possui um coeficiente de condutividade térmica satisfatório, o que permite que o calor gerado pelo aquecedor seja distribuído uniformemente entre 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 feitas de finas partículas carbonosas misturadas com um ligante e formadas por extrusão ou prensagem isostática. Peças de grafite de alta qualidade geralmente são prensadas isostaticamente. A peça inteira é primeiro carbonizada e, em seguida, grafitada a temperaturas muito altas, próximas a 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 maior do que o permitido para materiais monocristalinos de silício. Portanto, deve-se tomar cuidado no projeto do campo térmico para evitar que a contaminação desses componentes entre na superfície do fundido ou do cristal.
Os materiais de grafite são ligeiramente permeáveis, o que facilita a penetração do metal remanescente na superfície. Além disso, o monóxido de silício presente no gás de purga ao redor da superfície de 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 a crescente maturidade da tecnologia de processamento de grafite, as propriedades elétricas da conexão entre os componentes de grafite se estabilizaram, e os aquecedores de fornos de silício monocristalino substituíram completamente os de tungstênio, molibdênio e outros materiais. Atualmente, o material de grafite mais utilizado é o grafite isostático. A tecnologia de preparação de grafite isostático em meu país é relativamente atrasada, e a maioria dos materiais de grafite usados na indústria fotovoltaica nacional são importados do exterior. Os fabricantes estrangeiros de grafite isostático incluem principalmente a SGL da Alemanha, a Tokai Carbon do Japão, a Toyo Tanso do Japão, etc. Nos fornos de silício monocristalino da Czochralski, materiais compósitos C/C são ocasionalmente usados, e eles começaram a ser usados para fabricar 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, com 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, de corrida, de biomateriais e outras, como novos materiais estruturais resistentes a altas temperaturas. Atualmente, os principais gargalos enfrentados pelos compósitos C/C nacionais ainda são questões de custo e industrialização.
Existem muitos outros materiais usados para criar campos térmicos. O grafite reforçado com fibra de carbono tem melhores propriedades mecânicas; mas é mais caro e tem 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 preparar peças de grande volume. No entanto, o SiC é frequentemente usado comoRevestimento CVDPara aumentar a vida útil das peças de grafite expostas ao gás corrosivo de monóxido de silício, além de reduzir a contaminação por grafite. O denso revestimento de carboneto de silício CVD impede efetivamente que os contaminantes presentes no interior do material de grafite microporoso atinjam a superfície.
Outro é o carbono CVD, que também pode formar uma camada densa acima da 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 do fundido. No entanto, as cerâmicas de óxido são geralmente limitadas em sua aplicabilidade a materiais de grafite em altas temperaturas, e há poucas outras opções se o isolamento for necessário. Um é o nitreto de boro hexagonal (às vezes chamado de grafite branco devido às propriedades semelhantes), mas as propriedades mecânicas são ruins. O molibdênio é geralmente usado razoavelmente para 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 utilizado é o feltro de carbono, em suas diversas formas. O feltro de carbono é feito de fibras finas, que atuam como isolantes, pois bloqueiam a radiação térmica várias vezes em uma curta distância. O feltro de carbono macio é tecido em folhas relativamente finas de material, que são então cortadas no formato desejado e dobradas firmemente em um raio razoável. Os feltros curados são compostos de materiais fibrosos semelhantes, e um ligante contendo carbono é usado para conectar as fibras dispersas em um objeto mais sólido e moldado. O uso de deposição química de vapor de carbono em vez de um ligante pode melhorar as propriedades mecânicas do material.
Normalmente, a superfície externa do feltro de cura do isolamento térmico é revestida com uma camada contínua de grafite ou folha metálica para reduzir a erosão e o desgaste, bem como a contaminação por partículas. Outros tipos de materiais de isolamento térmico à base de carbono também estão disponíveis, como a espuma de carbono. Em geral, os materiais grafitados são obviamente 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 de bombeamento do forno para um vácuo adequado é menor. Outro material é o compósito C/C, que possui características excepcionais, como leveza, alta tolerância a danos e alta resistência. Usado em campos térmicos para substituir peças de grafite, reduz significativamente a frequência de substituição de peças de grafite, 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 o tratamento em alta temperatura, a fibra única torna-se quebradiça. Durante a operação, é fácil gerar poeira, poluindo o ambiente do forno. Ao mesmo tempo, a fibra pode facilmente entrar nos poros e no trato respiratório do corpo humano, o que é prejudicial à saúde humana. O feltro de carbono à base de viscose apresenta bom desempenho de isolamento térmico. É relativamente macio após o tratamento térmico e não é fácil de gerar poeira. No entanto, a seção transversal da fibra bruta à base de viscose é irregular e há muitas ranhuras na superfície da fibra. É fácil gerar gases como CO2 sob a atmosfera oxidante do forno de silício CZ, causando a precipitação de oxigênio e elementos de carbono no material de silício monocristalino. Os principais fabricantes incluem a alemã SGL e outras empresas. Atualmente, o feltro de carbono à base de piche mais utilizado na indústria de semicondutores monocristalinos é o feltro de carbono à base de piche, que apresenta pior desempenho de isolamento térmico do que o feltro de carbono à base de viscose, mas o feltro de carbono à base de piche apresenta maior pureza e menor emissão de poeira. Os fabricantes incluem a japonesa Kureha Chemical e a Osaka Gas.
Como o formato do feltro de carbono não é fixo, sua operação é inconveniente. Atualmente, muitas empresas desenvolveram um novo material de isolamento térmico à base de feltro de carbono curado. O feltro de carbono curado, também chamado de feltro duro, é um feltro de carbono com formato específico e propriedades autossustentáveis após o feltro macio ser impregnado com resina, laminado, curado e carbonizado.
A qualidade de 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 macio para isolamento térmico de fibra de carbono ainda apresenta uma vantagem significativa na indústria de semicondutores fotovoltaicos devido à sua vantagem de custo, excelente efeito de isolamento térmico, design flexível e formato personalizável. Além disso, o feltro rígido para isolamento térmico de fibra de carbono terá maior espaço de desenvolvimento no mercado de materiais para campos térmicos devido à sua alta resistência e operabilidade. Estamos comprometidos com a pesquisa e o desenvolvimento na área de materiais de isolamento térmico e otimizamos continuamente o desempenho dos produtos para promover a prosperidade e o desenvolvimento da indústria de semicondutores fotovoltaicos.
Horário da publicação: 12/06/2024