Tillväxtprocessen för monokristallint kisel utförs fullständigt i det termiska fältet. Ett bra termiskt fält bidrar till att förbättra kristallernas kvalitet och har en högre kristallisationseffektivitet. Utformningen av det termiska fältet bestämmer i hög grad förändringarna i temperaturgradienter i det dynamiska termiska fältet och gasflödet i ugnskammaren. Skillnaden i material som används i det termiska fältet avgör direkt det termiska fältets livslängd. Ett orimligt termiskt fält är inte bara svårt att odla kristaller som uppfyller kvalitetskraven, utan kan inte heller odla fullständiga monokristallina under vissa processkrav. Det är därför direkt-drag-monokristallint kiselindustrin betraktar termiskt fältdesign som den viktigaste tekniken och investerar enorma arbetskrafts- och materialresurser i forskning och utveckling inom termiskt fält.
Det termiska systemet består av olika termiska fältmaterial. Vi presenterar bara kortfattat de material som används i det termiska fältet. När det gäller temperaturfördelningen i det termiska fältet och dess inverkan på kristalldragning kommer vi inte att analysera det här. Det termiska fältmaterialet avser strukturen och värmeisoleringsdelen i vakuumugnskammaren för kristalltillväxt, vilket är avgörande för att skapa en lämplig temperaturfördelning runt halvledarsmältan och kristallen.
1. Material för termiskt fältstruktur
Det grundläggande stödmaterialet för direktdragningsmetoden för att odla monokristallint kisel är högren grafit. Grafitmaterial spelar en mycket viktig roll i modern industri. De kan användas som strukturella komponenter i värmefält, såsomvärmare, styrrör, deglar, isoleringsrör, degelbrickor etc. vid framställning av monokristallint kisel med Czochralski-metoden.
Grafitmaterialväljs ut eftersom de är lätta att framställa i stora volymer, kan bearbetas och är resistenta mot höga temperaturer. Kol i form av diamant eller grafit har en högre smältpunkt än något element eller någon förening. Grafitmaterial är ganska starka, särskilt vid höga temperaturer, och deras elektriska och termiska ledningsförmåga är också ganska god. Dess elektriska ledningsförmåga gör den lämplig som envärmarematerial. Den har en tillfredsställande värmeledningsförmåga, vilket gör att den värme som genereras av värmaren kan fördelas jämnt till degeln och andra delar av värmefältet. Vid höga temperaturer, särskilt över långa avstånd, är dock den huvudsakliga värmeöverföringsmetoden strålning.
Grafitdelar tillverkas initialt av fina kolhaltiga partiklar blandade med ett bindemedel och formas genom extrudering eller isostatisk pressning. Högkvalitativa grafitdelar pressas vanligtvis isostatiskt. Hela stycket karboniseras först och grafitiseras sedan vid mycket höga temperaturer, nära 3000 °C. De delar som bearbetas från dessa hela stycken renas vanligtvis i en klorhaltig atmosfär vid höga temperaturer för att avlägsna metallföroreningar och uppfylla halvledarindustrins krav. Men även efter korrekt rening är nivån av metallföroreningar flera storleksordningar högre än vad som är tillåtet för monokristallina kiselmaterial. Därför måste försiktighet iakttas vid termisk fältdesign för att förhindra att föroreningar av dessa komponenter kommer in i smältan eller kristallytan.
Grafitmaterial är lätt permeabla, vilket gör det lätt för den återstående metallen inuti att nå ytan. Dessutom kan kiselmonoxiden som finns i spolgasen runt grafitytan tränga in i de flesta material och reagera.
Tidiga monokristallina kiselugnar tillverkades av eldfasta metaller som volfram och molybden. Med den ökande mognaden inom grafitbearbetningstekniken har de elektriska egenskaperna hos förbindelsen mellan grafitkomponenter blivit stabila, och monokristallina kiselugnar har helt ersatt volfram-, molybden- och andra materialvärmare. För närvarande är det mest använda grafitmaterialet isostatisk grafit. Vårt lands teknik för framställning av isostatisk grafit är relativt efterblivet, och de flesta grafitmaterial som används i den inhemska solcellsindustrin importeras från utlandet. Utländska tillverkare av isostatisk grafit inkluderar främst tyska SGL, japanska Tokai Carbon, japanska Toyo Tanso, etc. I Czochralski monokristallina kiselugnar används ibland C/C-kompositmaterial, och de har börjat användas för att tillverka bultar, muttrar, deglar, lastplattor och andra komponenter. Kol/kol (C/C)-kompositer är kolfiberförstärkta kolbaserade kompositer med en rad utmärkta egenskaper såsom hög specifik hållfasthet, hög specifik modul, låg värmeutvidgningskoefficient, god elektrisk ledningsförmåga, hög brottseghet, låg specifik vikt, termisk chockbeständighet, korrosionsbeständighet och hög temperaturbeständighet. För närvarande används de i stor utsträckning inom flyg- och rymdteknik, racing, biomaterial och andra områden som nya högtemperaturbeständiga konstruktionsmaterial. För närvarande är de största flaskhalsarna som inhemska C/C-kompositer stöter på fortfarande kostnads- och industrialiseringsproblem.
Det finns många andra material som används för att skapa termiska fält. Kolfiberförstärkt grafit har bättre mekaniska egenskaper, men den är dyrare och har andra krav på design.Kiselkarbid (SiC)är ett bättre material än grafit i många avseenden, men det är mycket dyrare och svårare att tillverka delar i stora volymer. SiC används dock ofta som ettCVD-beläggningför att öka livslängden på grafitdelar som utsätts för korrosiv kiselmonoxidgas, och kan även minska kontaminering från grafit. Den täta CVD-kiselkarbidbeläggningen förhindrar effektivt att föroreningar inuti det mikroporösa grafitmaterialet når ytan.
Ett annat är CVD-kol, som också kan bilda ett tätt lager ovanför grafitdelen. Andra högtemperaturbeständiga material, såsom molybden eller keramiska material som kan samexistera med miljön, kan användas där det inte finns någon risk att kontaminera smältan. Oxidkeramik är dock generellt begränsad i sin tillämpbarhet på grafitmaterial vid höga temperaturer, och det finns få andra alternativ om isolering krävs. Ett alternativ är hexagonal bornitrid (ibland kallad vit grafit på grund av liknande egenskaper), men de mekaniska egenskaperna är dåliga. Molybden används generellt rimligt för högtemperatursituationer på grund av dess måttliga kostnad, låga diffusionshastighet i kiselkristaller och en mycket låg segregationskoefficient på cirka 5×108, vilket tillåter en viss mängd molybdenkontaminering innan kristallstrukturen förstörs.
2. Värmeisoleringsmaterial
Det vanligaste isoleringsmaterialet är kolfilt i olika former. Kolfilt är tillverkad av tunna fibrer, som fungerar som isolering eftersom de blockerar värmestrålning flera gånger över en kort sträcka. Den mjuka kolfilten vävs till relativt tunna materialark, som sedan skärs till önskad form och böjs tätt till en rimlig radie. Härdade filtar består av liknande fibermaterial, och ett kolinnehållande bindemedel används för att sammanfoga de dispergerade fibrerna till ett mer fast och format föremål. Användningen av kemisk ångavsättning av kol istället för ett bindemedel kan förbättra materialets mekaniska egenskaper.
Vanligtvis är den yttre ytan av den värmeisolerande härdningsfilten belagd med en kontinuerlig grafitbeläggning eller folie för att minska erosion och slitage samt partikelförorening. Andra typer av kolbaserade värmeisoleringsmaterial finns också, såsom kolskum. I allmänhet är grafitiserade material uppenbarligen att föredra eftersom grafitisering kraftigt minskar fiberns yta. Utgasningen av dessa material med stor yta minskas kraftigt, och det tar kortare tid att pumpa ugnen till ett lämpligt vakuum. Ett annat är C/C-kompositmaterial, som har enastående egenskaper som låg vikt, hög skadetolerans och hög hållfasthet. Användning inom termiska fält för att ersätta grafitdelar minskar avsevärt frekvensen av utbyte av grafitdelar, förbättrar monokristallin kvalitet och produktionsstabilitet.
Enligt råmaterialklassificering kan kolfilt delas in i polyakrylnitrilbaserad kolfilt, viskosbaserad kolfilt och beckbaserad kolfilt.
Polyakrylnitrilbaserad kolfilt har en hög askhalt. Efter högtemperaturbehandling blir den enskilda fibern spröd. Under drift är det lätt att generera damm som förorenar ugnsmiljön. Samtidigt kan fibern lätt tränga in i porerna och luftvägarna i människokroppen, vilket är skadligt för människors hälsa. Viskosbaserad kolfilt har god värmeisoleringsprestanda. Den är relativt mjuk efter värmebehandling och är inte lätt att generera damm. Tvärsnittet av den viskosbaserade råfibern är dock oregelbundet, och det finns många spår på fiberytan. Det är lätt att generera gaser som CO2 under den oxiderande atmosfären i CZ-kiselugnen, vilket orsakar utfällning av syre och kolämnen i det monokristallina kiselmaterialet. De viktigaste tillverkarna inkluderar tyska SGL och andra företag. För närvarande är den mest använda inom halvledarindustrin för monokristallina beckbaserad kolfilt, som har sämre värmeisoleringsprestanda än viskosbaserad kolfilt, men beckbaserad kolfilt har en högre renhet och lägre dammutsläpp. Tillverkare inkluderar japanska Kureha Chemical och Osaka Gas.
Eftersom formen på kolfilt inte är fast är den obekväm att använda. Nu har många företag utvecklat ett nytt värmeisoleringsmaterial baserat på kolfiltshärdad kolfilt. Härdad kolfilt, även kallad hårdfilt, är en kolfilt med en viss form och självbärande egenskaper efter att mjukfilt har impregnerats med harts, laminerats, härdats och karboniserats.
Tillväxtkvaliteten hos monokristallint kisel påverkas direkt av den termiska miljön, och kolfiberbaserade värmeisoleringsmaterial spelar en nyckelroll i denna miljö. Mjukt kolfiberbaserad värmeisoleringsmaterial har fortfarande en betydande fördel inom den fotovoltaiska halvledarindustrin tack vare dess kostnadsfördel, utmärkta värmeisoleringseffekt, flexibla design och anpassningsbara form. Dessutom kommer hård kolfiberbaserad värmeisoleringsmaterial att ha större utvecklingsutrymme på marknaden för värmefältsmaterial tack vare dess vissa styrka och högre användbarhet. Vi är engagerade i forskning och utveckling inom området värmeisoleringsmaterial och optimerar kontinuerligt produktens prestanda för att främja välstånd och utveckling inom den fotovoltaiska halvledarindustrin.
Publiceringstid: 12 juni 2024