Proces rastu monokryštalického kremíka prebieha kompletne v tepelnom poli. Dobré tepelné pole prispieva k zlepšeniu kvality kryštálov a má vyššiu účinnosť kryštalizácie. Dizajn tepelného poľa do značnej miery určuje zmeny teplotných gradientov v dynamickom tepelnom poli a prúdenie plynu v komore pece. Rozdiel v materiáloch použitých v tepelnom poli priamo určuje životnosť tepelného poľa. V neprimeranom tepelnom poli je nielen ťažké pestovať kryštály, ktoré spĺňajú požiadavky na kvalitu, ale ani nie je možné pestovať kompletný monokryštalický kremík za určitých procesných požiadaviek. Preto priemysel s priamym ťahaním monokryštalického kremíka považuje dizajn tepelného poľa za najdôležitejšiu technológiu a investuje obrovské množstvo ľudských a materiálnych zdrojov do výskumu a vývoja tepelného poľa.
Tepelný systém sa skladá z rôznych materiálov tepelného poľa. Materiály používané v tepelnom poli predstavíme len stručne. Pokiaľ ide o rozloženie teploty v tepelnom poli a jeho vplyv na rast kryštálov, nebudeme to tu analyzovať. Materiál tepelného poľa sa vzťahuje na štruktúru a tepelnú izolačnú časť vo vákuovej peci pre rast kryštálov, ktorá je nevyhnutná na vytvorenie vhodného rozloženia teploty okolo polovodičovej taveniny a kryštálu.
1. Materiál štruktúry tepelného poľa
Základným nosným materiálom pre metódu priameho ťahania na pestovanie monokryštalického kremíka je vysoko čistý grafit. Grafitové materiály zohrávajú veľmi dôležitú úlohu v modernom priemysle. Môžu sa použiť ako konštrukčné prvky tepelného poľa, ako napríkladohrievače, vodiace rúrky, tégliky, izolačné trubice, tégliky atď. pri príprave monokryštalického kremíka Czochralského metódou.
Grafitové materiálysú vybrané, pretože sa ľahko pripravujú vo veľkých objemoch, dajú sa spracovať a sú odolné voči vysokým teplotám. Uhlík vo forme diamantu alebo grafitu má vyššiu teplotu topenia ako ktorýkoľvek iný prvok alebo zlúčenina. Grafitové materiály sú pomerne pevné, najmä pri vysokých teplotách, a ich elektrická a tepelná vodivosť je tiež pomerne dobrá. Jeho elektrická vodivosť ho robí vhodným akoohrievačmateriál. Má uspokojivý koeficient tepelnej vodivosti, ktorý umožňuje rovnomerné rozloženie tepla generovaného ohrievačom do téglika a ďalších častí tepelného poľa. Pri vysokých teplotách, najmä na dlhé vzdialenosti, je však hlavným spôsobom prenosu tepla žiarenie.
Grafitové diely sa pôvodne vyrábajú z jemných uhlíkových častíc zmiešaných so spojivom a formujú sa extrúziou alebo izostatickým lisovaním. Vysokokvalitné grafitové diely sa zvyčajne izostaticky lisujú. Celý kus sa najprv karbonizuje a potom grafitizuje pri veľmi vysokých teplotách, blízkych 3000 °C. Diely spracované z týchto celých kusov sa zvyčajne čistia v atmosfére obsahujúcej chlór pri vysokých teplotách, aby sa odstránila kontaminácia kovmi a splnili požiadavky polovodičového priemyslu. Avšak aj po správnom čistení je úroveň kontaminácie kovmi o niekoľko rádov vyššia, ako je povolené pre kremíkové monokryštalické materiály. Preto je potrebné pri návrhu tepelného poľa dbať na to, aby sa zabránilo kontaminácii týchto zložiek do povrchu taveniny alebo kryštálu.
Grafitové materiály sú mierne priepustné, čo uľahčuje zvyšnému kovu vo vnútri dosiahnutie povrchu. Okrem toho môže oxid kremičitý prítomný v preplachovacom plyne okolo grafitového povrchu preniknúť do väčšiny materiálov a reagovať.
Prvé ohrievače pecí z monokryštalického kremíka boli vyrobené zo žiaruvzdorných kovov, ako je volfrám a molybdén. S rastúcou zrelosťou technológie spracovania grafitu sa elektrické vlastnosti spojenia medzi grafitovými zložkami stabilizovali a ohrievače pecí z monokryštalického kremíka úplne nahradili ohrievače z volfrámu, molybdénu a iných materiálov. V súčasnosti je najpoužívanejším grafitovým materiálom izostatický grafit. Technológia prípravy izostatického grafitu v našej krajine je relatívne zaostalá a väčšina grafitových materiálov používaných v domácom fotovoltaickom priemysle sa dováža zo zahraničia. Medzi zahraničných výrobcov izostatického grafitu patria najmä nemecká spoločnosť SGL, japonská spoločnosť Tokai Carbon, japonská spoločnosť Toyo Tanso atď. V Czochralského monokryštalických kremíkových peciach sa niekedy používajú kompozitné materiály C/C, ktoré sa začali používať na výrobu skrutiek, matíc, téglikov, zaťažovacích dosiek a iných komponentov. Kompozity uhlík/uhlík (C/C) sú uhlíkové kompozity vystužené uhlíkovými vláknami s radom vynikajúcich vlastností, ako je vysoká špecifická pevnosť, vysoký špecifický modul, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, dobrá elektrická vodivosť, vysoká lomová húževnatosť, nízka špecifická hmotnosť, odolnosť voči tepelným šokom, odolnosť voči korózii a odolnosť voči vysokým teplotám. V súčasnosti sa široko používajú v leteckom priemysle, pretekárskom priemysle, biomateriáloch a ďalších oblastiach ako nové konštrukčné materiály odolné voči vysokým teplotám. V súčasnosti sú hlavnými problémami, s ktorými sa stretávajú domáce kompozity C/C, stále náklady a problémy s industrializáciou.
Na výrobu tepelných polí sa používa mnoho ďalších materiálov. Grafit vystužený uhlíkovými vláknami má lepšie mechanické vlastnosti, ale je drahší a má iné požiadavky na dizajn.Karbid kremíka (SiC)je v mnohých ohľadoch lepší materiál ako grafit, ale je oveľa drahší a ťažšie sa s ním vyrábajú veľkoobjemové diely. SiC sa však často používa akoCVD povlakovaniena zvýšenie životnosti grafitových dielov vystavených korozívnemu plynu oxidu kremičitého a tiež môže znížiť kontamináciu grafitom. Hustý CVD povlak z karbidu kremíka účinne zabraňuje tomu, aby sa kontaminanty vo vnútri mikroporézneho grafitového materiálu dostali na povrch.
Ďalším je CVD uhlík, ktorý môže tiež tvoriť hustú vrstvu nad grafitovou časťou. Iné materiály odolné voči vysokým teplotám, ako je molybdén alebo keramické materiály, ktoré môžu koexistovať s prostredím, sa môžu použiť tam, kde nehrozí riziko kontaminácie taveniny. Oxidová keramika je však vo všeobecnosti obmedzená vo svojej použiteľnosti pre grafitové materiály pri vysokých teplotách a existuje len málo ďalších možností, ak je potrebná izolácia. Jednou z nich je hexagonálny nitrid bóru (niekedy nazývaný biely grafit kvôli podobným vlastnostiam), ale mechanické vlastnosti sú slabé. Molybdén sa vo všeobecnosti rozumne používa pre situácie s vysokými teplotami kvôli jeho miernym nákladom, nízkej rýchlosti difúzie v kremíkových kryštáloch a veľmi nízkemu koeficientu segregácie približne 5×108, čo umožňuje určité množstvo kontaminácie molybdénom pred zničením kryštálovej štruktúry.
2. Tepelnoizolačné materiály
Najbežnejšie používaným izolačným materiálom je uhlíková plsť v rôznych formách. Uhlíková plsť je vyrobená z tenkých vlákien, ktoré pôsobia ako izolácia, pretože viacnásobne blokujú tepelné žiarenie na krátku vzdialenosť. Mäkká uhlíková plsť je tkaná do relatívne tenkých plátov materiálu, ktoré sa potom narežú do požadovaného tvaru a pevne ohnú do primeraného polomeru. Vulkanizované plsti sú zložené z podobných vláknitých materiálov a na spojenie rozptýlených vlákien do pevnejšieho a tvarovanejšieho predmetu sa používa spojivo obsahujúce uhlík. Použitie chemického nanášania uhlíka z pár namiesto spojiva môže zlepšiť mechanické vlastnosti materiálu.
Vonkajší povrch tepelnoizolačnej vytvrdzovacej plsti je typicky potiahnutý súvislým grafitovým povlakom alebo fóliou, aby sa znížila erózia a opotrebovanie, ako aj kontaminácia časticami. Existujú aj iné typy tepelnoizolačných materiálov na báze uhlíka, ako napríklad uhlíková pena. Vo všeobecnosti sú grafitizované materiály zjavne uprednostňované, pretože grafitizácia výrazne znižuje povrchovú plochu vlákien. Uvoľňovanie plynov z týchto materiálov s vysokou povrchovou plochou je výrazne znížené a prečerpanie pece do vhodného vákua trvá kratšie. Ďalším je kompozitný materiál C/C, ktorý má vynikajúce vlastnosti, ako je nízka hmotnosť, vysoká odolnosť voči poškodeniu a vysoká pevnosť. Použitie v tepelných oblastiach na výmenu grafitových dielov výrazne znižuje frekvenciu výmeny grafitových dielov, zlepšuje monokryštalickú kvalitu a stabilitu výroby.
Podľa klasifikácie suroviny možno uhlíkovú plsť rozdeliť na uhlíkovú plsť na báze polyakrylonitrilu, uhlíkovú plsť na báze viskózy a uhlíkovú plsť na báze smoly.
Uhlíková plsť na báze polyakrylonitrilu má vysoký obsah popola. Po vysokoteplotnom spracovaní sa jednotlivé vlákno stáva krehkým. Počas prevádzky sa ľahko vytvára prach, ktorý znečisťuje prostredie pece. Zároveň sa vlákno môže ľahko dostať do pórov a dýchacích ciest ľudského tela, čo je škodlivé pre ľudské zdravie. Uhlíková plsť na báze viskózy má dobrý tepelnoizolačný výkon. Po tepelnom spracovaní je relatívne mäkká a ľahko sa v nej netvorí prach. Prierez surového vlákna na báze viskózy je však nepravidelný a na povrchu vlákna je veľa drážok. V oxidačnej atmosfére kremíkovej pece CZ sa ľahko vytvárajú plyny, ako je CO2, čo spôsobuje zrážanie kyslíka a uhlíkových prvkov v monokryštalickom kremíkovom materiáli. Medzi hlavných výrobcov patrí nemecká spoločnosť SGL a ďalšie spoločnosti. V súčasnosti sa v polovodičovom monokryštalickom priemysle najpoužívanejšia uhlíková plsť na báze smoly, ktorá má horší tepelnoizolačný výkon ako uhlíková plsť na báze viskózy, ale uhlíková plsť na báze smoly má vyššiu čistotu a nižšie emisie prachu. Medzi výrobcov patria japonské spoločnosti Kureha Chemical a Osaka Gas.
Pretože tvar uhlíkovej plsti nie je pevný, je jej obsluha nepohodlná. V súčasnosti mnoho spoločností vyvinulo nový tepelnoizolačný materiál na báze uhlíkovej plsti - vytvrdenej uhlíkovej plsti. Vytvrdená uhlíková plsť, nazývaná aj tvrdá plsť, je uhlíková plsť s určitým tvarom a samoudržateľnými vlastnosťami po impregnácii mäkkej plsti živicou, laminovaní, vytvrdení a karbonizácii.
Kvalita rastu monokryštalického kremíka je priamo ovplyvnená tepelným prostredím a tepelnoizolačné materiály z uhlíkových vlákien v tomto prostredí zohrávajú kľúčovú úlohu. Mäkká tepelnoizolačná plsť z uhlíkových vlákien má stále významnú výhodu v priemysle fotovoltaických polovodičov vďaka svojej cenovej výhode, vynikajúcemu tepelnoizolačnému účinku, flexibilnému dizajnu a prispôsobiteľnému tvaru. Okrem toho bude mať tvrdá tepelnoizolačná plsť z uhlíkových vlákien väčší priestor pre rozvoj na trhu s tepelnými materiálmi vďaka svojej určitej pevnosti a vyššej prevádzkyschopnosti. Zaviazali sme sa k výskumu a vývoju v oblasti tepelnoizolačných materiálov a neustále optimalizujeme výkon produktov s cieľom podporiť prosperitu a rozvoj priemyslu fotovoltaických polovodičov.
Čas uverejnenia: 12. júna 2024