Proces rasti monokristalnega silicija v celoti poteka v termičnem polju. Dobro termično polje prispeva k izboljšanju kakovosti kristalov in ima večjo učinkovitost kristalizacije. Zasnova termičnega polja v veliki meri določa spremembe temperaturnih gradientov v dinamičnem termičnem polju in pretok plina v komori peči. Razlika v materialih, uporabljenih v termičnem polju, neposredno določa življenjsko dobo termičnega polja. V nerazumnem termičnem polju ni le težko gojiti kristalov, ki izpolnjujejo zahteve glede kakovosti, ampak tudi ni mogoče gojiti popolnih monokristalov pod določenimi procesnimi zahtevami. Zato industrija direktnega vlečenja monokristalnega silicija meni, da je zasnova termičnega polja najpomembnejša tehnologija in v raziskave in razvoj termičnega polja vlaga ogromno delovne sile in materialnih virov.
Toplotni sistem je sestavljen iz različnih materialov toplotnega polja. Na kratko bomo predstavili le materiale, ki se uporabljajo v toplotnem polju. Porazdelitve temperature v toplotnem polju in njenega vpliva na rast kristalov tukaj ne bomo analizirali. Material toplotnega polja se nanaša na strukturo in toplotnoizolacijski del v vakuumski peči za rast kristalov, kar je bistveno za ustvarjanje ustrezne porazdelitve temperature okoli polprevodniške taline in kristala.
1. Material za strukturo toplotnega polja
Osnovni nosilni material za metodo direktnega vlečenja za rast monokristalnega silicija je grafit visoke čistosti. Grafitni materiali igrajo zelo pomembno vlogo v sodobni industriji. Uporabljajo se lahko kot strukturne komponente toplotnega polja, kot so ...grelniki, vodilne cevi, lončki, izolacijske cevi, pladnji za lončke itd. pri pripravi monokristalnega silicija po Czochralski metodi.
Grafitni materialiso izbrani, ker jih je enostavno pripraviti v velikih količinah, jih je mogoče obdelati in so odporni na visoke temperature. Ogljik v obliki diamanta ali grafita ima višje tališče kot kateri koli element ali spojina. Grafitni materiali so precej močni, zlasti pri visokih temperaturah, njihova električna in toplotna prevodnost pa je prav tako precej dobra. Zaradi električne prevodnosti je primeren kotgrelecmaterial. Ima zadovoljiv koeficient toplotne prevodnosti, ki omogoča enakomerno porazdelitev toplote, ki jo ustvarja grelec, na lonček in druge dele toplotnega polja. Vendar pa je pri visokih temperaturah, zlasti na dolge razdalje, glavni način prenosa toplote sevanje.
Grafitni deli so sprva izdelani iz finih ogljikovih delcev, pomešanih z vezivom, in oblikovani z ekstruzijo ali izostatičnim stiskanjem. Visokokakovostni grafitni deli so običajno izostatično stisnjeni. Celoten kos se najprej karbonizira in nato grafitizira pri zelo visokih temperaturah, blizu 3000 °C. Deli, obdelani iz teh celih kosov, se običajno prečistijo v atmosferi, ki vsebuje klor, pri visokih temperaturah, da se odstranijo kovinske kontaminacije in izpolnijo zahteve polprevodniške industrije. Vendar pa je tudi po ustreznem čiščenju raven kovinske kontaminacije za nekaj velikostnih razredov višja od dovoljene za silicijeve monokristalne materiale. Zato je treba pri načrtovanju toplotnega polja paziti, da se prepreči vdor kontaminacije teh komponent v talino ali površino kristala.
Grafitni materiali so rahlo prepustni, zaradi česar preostala kovina v notranjosti zlahka doseže površino. Poleg tega lahko silicijev monoksid, prisoten v izpihovalnem plinu okoli grafitne površine, prodre v večino materialov in reagira.
Zgodnji grelniki peči iz monokristalnega silicija so bili izdelani iz ognjevzdržnih kovin, kot sta volfram in molibden. Z naraščajočo zrelostjo tehnologije obdelave grafita so se električne lastnosti povezave med grafitnimi komponentami stabilizirale, grelniki peči iz monokristalnega silicija pa so popolnoma nadomestili grelnike iz volframa, molibdena in drugih materialov. Trenutno je najpogosteje uporabljen grafitni material izostatični grafit. Tehnologija priprave izostatičnega grafita v naši državi je relativno zaostala, večina grafitnih materialov, ki se uporabljajo v domači fotovoltaični industriji, pa se uvaža iz tujine. Med tuje proizvajalce izostatičnega grafita spadajo predvsem nemški SGL, japonski Tokai Carbon, japonski Toyo Tanso itd. V Czochralskih pečeh iz monokristalnega silicija se včasih uporabljajo kompozitni materiali C/C, ki se uporabljajo za izdelavo vijakov, matic, lončkov, obremenitvenih plošč in drugih komponent. Ogljik/ogljik (C/C) kompoziti so kompoziti na osnovi ogljika, ojačani z ogljikovimi vlakni, z vrsto odličnih lastnosti, kot so visoka specifična trdnost, visok specifični modul, nizek koeficient toplotnega raztezanja, dobra električna prevodnost, visoka žilavost, nizka specifična teža, odpornost proti toplotnim udarcem, odpornost proti koroziji in odpornost na visoke temperature. Trenutno se pogosto uporabljajo v letalstvu, dirkanju, biomaterialih in drugih področjih kot novi konstrukcijski materiali, odporni na visoke temperature. Trenutno so glavni oviri, s katerimi se srečujejo domači C/C kompoziti, še vedno stroški in industrializacija.
Za izdelavo toplotnih polj se uporablja veliko drugih materialov. Grafit, ojačan z ogljikovimi vlakni, ima boljše mehanske lastnosti, vendar je dražji in ima druge zahteve glede zasnove.Silicijev karbid (SiC)je v mnogih pogledih boljši material od grafita, vendar je veliko dražji in težje ga je izdelati za dele velike količine. Vendar pa se SiC pogosto uporablja kotCVD premazza podaljšanje življenjske dobe grafitnih delov, izpostavljenih korozivnemu silicijevemu monoksidu, in lahko tudi zmanjša kontaminacijo zaradi grafita. Gosta CVD prevleka silicijevega karbida učinkovito preprečuje, da bi onesnaževalci v mikroporoznem grafitnem materialu dosegli površino.
Drug je CVD ogljik, ki lahko prav tako tvori gosto plast nad grafitnim delom. Drugi materiali, odporni na visoke temperature, kot so molibden ali keramični materiali, ki lahko sobivajo z okoljem, se lahko uporabljajo tam, kjer ni nevarnosti kontaminacije taline. Vendar pa je oksidna keramika na splošno omejena v svoji uporabnosti za grafitne materiale pri visokih temperaturah in obstaja malo drugih možnosti, če je potrebna izolacija. Ena od njih je heksagonalni borov nitrid (včasih imenovan beli grafit zaradi podobnih lastnosti), vendar so mehanske lastnosti slabe. Molibden se na splošno razumno uporablja za visokotemperaturne situacije zaradi zmernih stroškov, nizke stopnje difuzije v silicijevih kristalih in zelo nizkega koeficienta segregacije približno 5 × 108, kar omogoča določeno količino kontaminacije z molibdenom, preden se uniči kristalna struktura.
2. Toplotnoizolacijski materiali
Najpogosteje uporabljen izolacijski material je ogljikov filc v različnih oblikah. Ogljikov filc je izdelan iz tankih vlaken, ki delujejo kot izolacija, ker na kratki razdalji večkrat blokirajo toplotno sevanje. Mehki ogljikov filc je spleten v relativno tanke liste materiala, ki se nato razrežejo v želeno obliko in tesno upognejo v razumen polmer. Utrjeni filc je sestavljen iz podobnih vlaknastih materialov, za povezavo razpršenih vlaken v bolj trden in oblikovan predmet pa se uporablja vezivo, ki vsebuje ogljik. Uporaba kemičnega nanašanja ogljika s paro namesto veziva lahko izboljša mehanske lastnosti materiala.
Običajno je zunanja površina toplotnoizolacijskega utrjevalnega filca prevlečena z neprekinjenim grafitnim premazom ali folijo, da se zmanjša erozija in obraba ter onesnaženje z delci. Obstajajo tudi druge vrste toplotnoizolacijskih materialov na osnovi ogljika, kot je ogljikova pena. Na splošno so grafitizirani materiali očitno prednostni, ker grafitizacija močno zmanjša površino vlaken. Odvajanje plinov pri teh materialih z veliko površino se močno zmanjša in črpanje peči do ustreznega vakuuma traja manj časa. Drug je kompozitni material C/C, ki ima izjemne lastnosti, kot so majhna teža, visoka toleranca na poškodbe in visoka trdnost. Uporaba v termičnih področjih za zamenjavo grafitnih delov znatno zmanjša pogostost zamenjave grafitnih delov, izboljša kakovost monokristalov in stabilnost proizvodnje.
Glede na klasifikacijo surovin lahko ogljikov filc razdelimo na ogljikov filc na osnovi poliakrilonitrila, ogljikov filc na osnovi viskoze in ogljikov filc na osnovi smole.
Ogljikov filc na osnovi poliakrilonitrila ima veliko vsebnost pepela. Po visokotemperaturni obdelavi postane posamezno vlakno krhko. Med delovanjem se zlahka ustvari prah, ki onesnaži okolje peči. Hkrati lahko vlakna zlahka vstopijo v pore in dihala človeškega telesa, kar je škodljivo za zdravje ljudi. Ogljikov filc na osnovi viskoze ima dobre toplotnoizolacijske lastnosti. Po toplotni obdelavi je relativno mehak in ne povzroča prahu. Vendar je prečni prerez surovih vlaken na osnovi viskoze nepravilen in na površini vlaken je veliko utorov. V oksidacijski atmosferi silicijeve peči CZ se zlahka ustvarijo plini, kot je CO2, kar povzroči izločanje kisika in ogljikovih elementov v monokristalnem silicijevem materialu. Med glavnimi proizvajalci so nemški SGL in druga podjetja. Trenutno se v industriji polprevodnikov monokristalnega materiala najbolj uporablja ogljikov filc na osnovi smole, ki ima slabše toplotnoizolacijske lastnosti kot ogljikov filc na osnovi viskoze, vendar ima ogljikov filc na osnovi smole višjo čistost in nižje emisije prahu. Med proizvajalci sta japonska Kureha Chemical in Osaka Gas.
Ker oblika ogljikovega filca ni fiksna, je njegovo delovanje neprijetno. Zdaj so številna podjetja razvila nov toplotnoizolacijski material na osnovi ogljikovega filca - utrjenega ogljikovega filca. Utrjeni ogljikov filc, imenovan tudi trdi filc, je ogljikov filc z določeno obliko in lastnostmi samoodrževanja, ki nastanejo po impregnaciji mehkega filca s smolo, laminiranju, utrjevanju in karbonizaciji.
Na kakovost rasti monokristalnega silicija neposredno vpliva toplotno okolje, v tem okolju pa imajo ključno vlogo toplotnoizolacijski materiali iz ogljikovih vlaken. Mehka filc iz ogljikovih vlaken za toplotnoizolacijo ima še vedno pomembno prednost v industriji fotovoltaičnih polprevodnikov zaradi svoje stroškovne prednosti, odličnega toplotnoizolacijskega učinka, prilagodljive zasnove in prilagodljive oblike. Poleg tega bo imel trdi filc iz ogljikovih vlaken za toplotnoizolacijo zaradi svoje določene trdnosti in večje uporabnosti večji razvojni prostor na trgu materialov za toplotno polje. Zavezani smo raziskavam in razvoju na področju toplotnoizolacijskih materialov ter nenehno optimiziramo delovanje izdelkov, da bi spodbudili blaginjo in razvoj industrije fotovoltaičnih polprevodnikov.
Čas objave: 12. junij 2024