Procesul de creștere a siliciului monocristalin se desfășoară complet în câmp termic. Un câmp termic bun contribuie la îmbunătățirea calității cristalelor și are o eficiență de cristalizare mai mare. Designul câmpului termic determină în mare măsură schimbările gradienților de temperatură în câmpul termic dinamic și fluxul de gaz în camera cuptorului. Diferența dintre materialele utilizate în câmpul termic determină direct durata de viață a acestuia. Un câmp termic nerezonabil nu numai că este dificil să crești cristale care să îndeplinească cerințele de calitate, dar nici nu poate crește complet monocristalin în anumite cerințe de proces. Acesta este motivul pentru care industria siliciului monocristalin cu tragere directă consideră designul câmpului termic ca fiind tehnologia de bază și investește resurse uriașe de forță de muncă și materiale în cercetarea și dezvoltarea câmpului termic.
Sistemul termic este compus din diverse materiale pentru câmp termic. Vom introduce doar pe scurt materialele utilizate în câmpul termic. În ceea ce privește distribuția temperaturii în câmpul termic și impactul acesteia asupra extragerii cristalelor, nu le vom analiza aici. Materialul câmpului termic se referă la structura și partea de izolație termică din camera cuptorului cu vid pentru creșterea cristalelor, care este esențială pentru crearea unei distribuții adecvate a temperaturii în jurul topiturii semiconductoare și a cristalului.
1. Materialul structurii câmpului termic
Materialul de bază pentru metoda de extragere directă a siliciului monocristalin este grafitul de înaltă puritate. Materialele grafitice joacă un rol foarte important în industria modernă. Acestea pot fi utilizate ca și componente structurale ale câmpului termic, cum ar fiîncălzitoare, tuburi de ghidare, creuzete, tuburi izolatoare, tăvi pentru creuzete etc. în prepararea siliciului monocristalin prin metoda Czochralski.
Materiale de grafitsunt selectate deoarece sunt ușor de preparat în volume mari, pot fi procesate și sunt rezistente la temperaturi ridicate. Carbonul sub formă de diamant sau grafit are un punct de topire mai ridicat decât orice element sau compus. Materialele din grafit sunt destul de rezistente, în special la temperaturi ridicate, iar conductivitatea lor electrică și termică este, de asemenea, destul de bună. Conductivitatea sa electrică îl face potrivit ca...încălzitormaterial. Are un coeficient de conductivitate termică satisfăcător, care permite distribuirea uniformă a căldurii generate de încălzitor către creuzet și alte părți ale câmpului termic. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, în special pe distanțe lungi, principalul mod de transfer de căldură este radiația.
Piesele din grafit sunt inițial realizate din particule fine carbonice amestecate cu un liant și formate prin extrudare sau presare izostatică. Piesele din grafit de înaltă calitate sunt de obicei presate izostatic. Întreaga piesă este mai întâi carbonizată și apoi grafitizată la temperaturi foarte ridicate, aproape de 3000°C. Piesele prelucrate din aceste bucăți întregi sunt de obicei purificate într-o atmosferă care conține clor la temperaturi ridicate pentru a îndepărta contaminarea cu metale și a îndeplini cerințele industriei semiconductorilor. Cu toate acestea, chiar și după o purificare corespunzătoare, nivelul de contaminare cu metale este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cel permis pentru materialele monocristaline de siliciu. Prin urmare, trebuie acordată atenție proiectării câmpului termic pentru a preveni pătrunderea contaminării acestor componente în topitură sau pe suprafața cristalului.
Materialele grafitice sunt ușor permeabile, ceea ce facilitează accesul metalului rămas în interior la suprafață. În plus, monoxidul de siliciu prezent în gazul de purjare din jurul suprafeței grafitului poate pătrunde în majoritatea materialelor și poate reacționa.
Încălzitoarele timpurii ale cuptoarelor cu siliciu monocristalin erau fabricate din metale refractare precum tungstenul și molibdenul. Odată cu maturizarea crescândă a tehnologiei de prelucrare a grafitului, proprietățile electrice ale conexiunii dintre componentele din grafit au devenit stabile, iar încălzitoarele pentru cuptoare cu siliciu monocristalin au înlocuit complet încălzitoarele din tungsten, molibden și alte materiale. În prezent, cel mai utilizat material de grafit este grafitul izostatic. Tehnologia de preparare a grafitului izostatic din țara mea este relativ înapoiată, iar majoritatea materialelor de grafit utilizate în industria fotovoltaică internă sunt importate din străinătate. Printre producătorii străini de grafit izostatic se numără în principal SGL din Germania, Tokai Carbon din Japonia, Toyo Tanso din Japonia etc. În cuptoarele cu siliciu monocristalin Czochralski, uneori se utilizează materiale compozite C/C, care au început să fie utilizate pentru fabricarea șuruburilor, piulițelor, creuzetelor, plăcilor de încărcare și a altor componente. Compozitele carbon/carbon (C/C) sunt compozite pe bază de carbon armate cu fibre de carbon, cu o serie de proprietăți excelente, cum ar fi rezistență specifică ridicată, modul specific ridicat, coeficient de dilatare termică scăzut, conductivitate electrică bună, tenacitate ridicată la fractură, greutate specifică scăzută, rezistență la șocuri termice, rezistență la coroziune și rezistență la temperaturi ridicate. În prezent, acestea sunt utilizate pe scară largă în industria aerospațială, curse, biomateriale și alte domenii ca noi materiale structurale rezistente la temperaturi ridicate. În prezent, principalele blocaje întâmpinate de compozitele C/C autohtone sunt încă problemele legate de cost și industrializare.
Există multe alte materiale folosite pentru realizarea câmpurilor termice. Grafitul armat cu fibră de carbon are proprietăți mecanice mai bune, dar este mai scump și are alte cerințe de proiectare.Carbură de siliciu (SiC)este un material mai bun decât grafitul în multe aspecte, dar este mult mai scump și mai dificil de preparat piese de volum mare. Cu toate acestea, SiC este adesea folosit caAcoperire CVDpentru a crește durata de viață a pieselor din grafit expuse la gaz coroziv de monoxid de siliciu și poate reduce, de asemenea, contaminarea cu grafit. Acoperirea densă din carbură de siliciu CVD previne eficient contaminanții din interiorul materialului microporos de grafit să ajungă la suprafață.
O altă opțiune este carbonul CVD, care poate forma, de asemenea, un strat dens deasupra părții de grafit. Alte materiale rezistente la temperaturi ridicate, cum ar fi molibdenul sau materialele ceramice care pot coexista cu mediul înconjurător, pot fi utilizate acolo unde nu există riscul contaminării topiturii. Cu toate acestea, ceramica oxidică este în general limitată în aplicabilitatea sa la materialele de grafit la temperaturi ridicate și există puține alte opțiuni dacă este necesară izolația. Una este nitrura de bor hexagonală (uneori numită grafit alb datorită proprietăților similare), dar proprietățile mecanice sunt slabe. Molibdenul este în general utilizat în mod rezonabil pentru situații de temperatură ridicată datorită costului său moderat, ratei scăzute de difuzie în cristalele de siliciu și unui coeficient de segregare foarte scăzut de aproximativ 5×108, care permite o anumită cantitate de contaminare cu molibden înainte de distrugerea structurii cristaline.
2. Materiale de izolație termică
Cel mai frecvent utilizat material izolant este pâsla de carbon în diferite forme. Pâsla de carbon este fabricată din fibre subțiri, care acționează ca izolație deoarece blochează radiația termică de mai multe ori pe o distanță scurtă. Pâsla de carbon moale este țesută în foi relativ subțiri de material, care sunt apoi tăiate în forma dorită și îndoite strâns într-o rază rezonabilă. Pâslele întărite sunt compuse din materiale fibroase similare, iar un liant care conține carbon este utilizat pentru a conecta fibrele dispersate într-un obiect mai solid și mai modelat. Utilizarea depunerii chimice din vapori de carbon în loc de un liant poate îmbunătăți proprietățile mecanice ale materialului.
De obicei, suprafața exterioară a pâslei de întărire a izolației termice este acoperită cu un strat sau folie continuă de grafit pentru a reduce eroziunea și uzura, precum și contaminarea cu particule. Există și alte tipuri de materiale de izolație termică pe bază de carbon, cum ar fi spuma de carbon. În general, materialele grafitizate sunt evident preferate deoarece grafitizarea reduce considerabil suprafața fibrei. Degazarea acestor materiale cu suprafață mare este mult redusă și durează mai puțin timp pentru a pompa cuptorul la un vid adecvat. Un alt material este materialul compozit C/C, care are caracteristici remarcabile, cum ar fi greutatea redusă, toleranța ridicată la deteriorare și rezistența ridicată. Utilizat în câmpuri termice pentru înlocuirea pieselor de grafit, reduce semnificativ frecvența de înlocuire a pieselor de grafit, îmbunătățește calitatea monocristalină și stabilitatea producției.
Conform clasificării materiilor prime, pâsla de carbon poate fi împărțită în pâslă de carbon pe bază de poliacrilonitril, pâslă de carbon pe bază de vâscoză și pâslă de carbon pe bază de smoală.
Pâsla de carbon pe bază de poliacrilonitril are un conținut mare de cenușă. După tratamentul la temperatură înaltă, fibra individuală devine fragilă. În timpul funcționării, este ușor să se genereze praf care poluează mediul cuptorului. În același timp, fibra poate pătrunde cu ușurință în porii și tractul respirator al corpului uman, ceea ce este dăunător sănătății umane. Pâsla de carbon pe bază de vâscoză are performanțe bune de izolare termică. Este relativ moale după tratamentul termic și nu este ușor să genereze praf. Cu toate acestea, secțiunea transversală a fibrei brute pe bază de vâscoză este neregulată și există multe caneluri pe suprafața fibrei. Este ușor să se genereze gaze precum CO2 în atmosfera oxidantă a cuptorului de siliciu CZ, provocând precipitarea oxigenului și a elementelor de carbon în materialul de siliciu monocristalin. Principalii producători includ SGL german și alte companii. În prezent, cea mai utilizată în industria semiconductorilor monocristalini este pâsla de carbon pe bază de smoală, care are performanțe de izolare termică mai slabe decât pâsla de carbon pe bază de vâscoză, dar pâsla de carbon pe bază de smoală are o puritate mai mare și o emisie mai mică de praf. Printre producători se numără Kureha Chemical și Osaka Gas din Japonia.
Deoarece forma pâslei de carbon nu este fixă, operarea sa este incomodă. În prezent, multe companii au dezvoltat un nou material de izolație termică pe bază de pâslă de carbon întărită. Pâsla de carbon întărită, numită și pâslă dură, este o pâslă de carbon cu o anumită formă și proprietate de auto-susținere după ce pâsla moale este impregnată cu rășină, laminată, întărită și carbonizată.
Calitatea de creștere a siliciului monocristalin este afectată direct de mediul termic, iar materialele de izolație termică din fibră de carbon joacă un rol cheie în acest mediu. Pâsla moale de izolație termică din fibră de carbon are încă un avantaj semnificativ în industria semiconductorilor fotovoltaici datorită avantajului său de cost, efectului excelent de izolație termică, designului flexibil și formei personalizabile. În plus, pâsla dură de izolație termică din fibră de carbon va avea un spațiu de dezvoltare mai mare pe piața materialelor pentru domeniul termic datorită rezistenței sale sigure și operabilității superioare. Ne angajăm să cercetăm și să dezvoltăm în domeniul materialelor de izolație termică și optimizăm continuu performanța produselor pentru a promova prosperitatea și dezvoltarea industriei semiconductorilor fotovoltaici.
Data publicării: 12 iunie 2024