วัสดุสำคัญที่กำหนดคุณภาพของการเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัล – สนามความร้อน

กระบวนการเจริญเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์นั้นดำเนินการอย่างสมบูรณ์ในสนามความร้อน สนามความร้อนที่ดีนั้นเอื้อต่อการปรับปรุงคุณภาพของผลึกและมีประสิทธิภาพในการตกผลึกที่สูงขึ้น การออกแบบสนามความร้อนนั้นกำหนดการเปลี่ยนแปลงของการไล่ระดับอุณหภูมิในสนามความร้อนแบบไดนามิกและการไหลของก๊าซในห้องเตาเป็นส่วนใหญ่ ความแตกต่างของวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนนั้นกำหนดอายุการใช้งานของสนามความร้อนโดยตรง สนามความร้อนที่ไม่สมเหตุสมผลนั้นไม่เพียงแต่ทำให้ผลึกเติบโตได้ยากเท่านั้น แต่ยังไม่สามารถเติบโตเป็นโมโนคริสตัลไลน์ได้อย่างสมบูรณ์ภายใต้ข้อกำหนดของกระบวนการบางอย่างอีกด้วย นี่คือสาเหตุที่อุตสาหกรรมซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์แบบดึงตรงถือว่าการออกแบบสนามความร้อนเป็นเทคโนโลยีหลักที่สุด และทุ่มกำลังคนและทรัพยากรวัสดุจำนวนมากในการวิจัยและพัฒนาสนามความร้อน

ระบบความร้อนประกอบด้วยวัสดุสนามความร้อนต่างๆ เราจะแนะนำวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนอย่างคร่าวๆ เท่านั้น สำหรับการกระจายอุณหภูมิในสนามความร้อนและผลกระทบต่อการดึงคริสตัล เราจะไม่วิเคราะห์ในที่นี้ วัสดุสนามความร้อนหมายถึงโครงสร้างและส่วนฉนวนกันความร้อนในห้องเตาสูญญากาศสำหรับการเติบโตของคริสตัล ซึ่งมีความจำเป็นในการสร้างการกระจายอุณหภูมิที่เหมาะสมรอบ ๆ หลอมเหลวและคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์

1.วัสดุโครงสร้างสนามความร้อน

วัสดุรองรับพื้นฐานสำหรับวิธีการดึงตรงเพื่อปลูกซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์คือกราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง วัสดุกราไฟต์มีบทบาทสำคัญมากในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ สามารถใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างสนามความร้อน เช่นเครื่องทำความร้อน, ท่อไกด์, เบ้าหลอม, ท่อฉนวน ถาดเบ้าหลอม ฯลฯ ในการเตรียมซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์โดยวิธี Czochralski

วัสดุกราไฟท์ถูกเลือกเพราะเตรียมได้ง่ายในปริมาณมาก สามารถแปรรูปได้และทนต่ออุณหภูมิสูง คาร์บอนในรูปของเพชรหรือกราไฟต์มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าธาตุหรือสารประกอบใดๆ วัสดุกราไฟต์มีความแข็งแรงค่อนข้างมาก โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง และยังมีการนำไฟฟ้าและความร้อนได้ค่อนข้างดีอีกด้วย การนำไฟฟ้าจึงเหมาะสำหรับใช้เป็นเครื่องทำความร้อนวัสดุนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่น่าพอใจ ซึ่งช่วยให้ความร้อนที่เกิดจากเครื่องทำความร้อนกระจายไปยังเบ้าหลอมและส่วนอื่นๆ ของสนามความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ในอุณหภูมิสูง โดยเฉพาะในระยะทางไกล โหมดการถ่ายเทความร้อนหลักคือการแผ่รังสี

ชิ้นส่วนกราไฟต์นั้นทำมาจากอนุภาคคาร์บอนละเอียดผสมกับสารยึดเกาะและขึ้นรูปโดยการอัดรีดหรือการกดแบบไอโซสแตติก ชิ้นส่วนกราไฟต์คุณภาพสูงนั้นมักจะถูกกดแบบไอโซสแตติก ชิ้นส่วนทั้งหมดจะถูกคาร์บอไนซ์ก่อนแล้วจึงค่อยทำการกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงมาก ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 3,000°C ชิ้นส่วนที่แปรรูปจากชิ้นส่วนทั้งหมดเหล่านี้นั้นมักจะถูกทำให้บริสุทธิ์ในบรรยากาศที่มีคลอรีนที่อุณหภูมิสูงเพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนของโลหะเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีการทำให้บริสุทธิ์อย่างเหมาะสมแล้ว ระดับของการปนเปื้อนของโลหะก็ยังสูงกว่าระดับที่อนุญาตสำหรับวัสดุโมโนคริสตัลไลน์ซิลิกอนหลายเท่า ดังนั้น จึงต้องระมัดระวังในการออกแบบสนามความร้อนเพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งปนเปื้อนของส่วนประกอบเหล่านี้เข้าไปในของเหลวที่หลอมละลายหรือพื้นผิวของผลึก

วัสดุกราไฟต์สามารถซึมผ่านได้เล็กน้อย ซึ่งทำให้โลหะที่เหลือภายในเข้าถึงพื้นผิวได้ง่าย นอกจากนี้ ซิลิกอนมอนอกไซด์ที่มีอยู่ในก๊าซไล่อากาศรอบพื้นผิวกราไฟต์สามารถแทรกซึมเข้าไปในวัสดุส่วนใหญ่และทำปฏิกิริยาได้

เครื่องทำความร้อนเตาเผาซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ในยุคแรกๆ ทำจากโลหะทนไฟ เช่น ทังสเตนและโมลิบดีนัม ด้วยเทคโนโลยีการแปรรูปกราไฟต์ที่เพิ่มมากขึ้น คุณสมบัติทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบกราไฟต์จึงมีเสถียรภาพ และเครื่องทำความร้อนเตาเผาซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ได้เข้ามาแทนที่เครื่องทำความร้อนทังสเตน โมลิบดีนัม และวัสดุอื่นๆ อย่างสมบูรณ์ ปัจจุบัน วัสดุกราไฟต์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือกราไฟต์แบบไอโซสแตติก เทคโนโลยีการเตรียมกราไฟต์แบบไอโซสแตติกของประเทศของฉันค่อนข้างล้าหลัง และวัสดุกราไฟต์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมโฟโตวอลตาอิคในประเทศนำเข้าจากต่างประเทศ ผู้ผลิตกราไฟต์แบบไอโซสแตติกจากต่างประเทศส่วนใหญ่ได้แก่ SGL ของเยอรมนี Tokai Carbon ของญี่ปุ่น Toyo Tanso ของญี่ปุ่น เป็นต้น ในเตาเผาซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ของ Czochralski บางครั้งก็ใช้วัสดุคอมโพสิต C/C และเริ่มใช้ในการผลิตสลักเกลียว น็อต เบ้าหลอม แผ่นรับน้ำหนัก และส่วนประกอบอื่นๆ คอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน (C/C) คือคอมโพสิตคาร์บอนที่เสริมด้วยเส้นใยคาร์บอนซึ่งมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งแรงจำเพาะสูง โมดูลัสจำเพาะสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ การนำไฟฟ้าดี ความเหนียวในการแตกสูง ความถ่วงจำเพาะต่ำ ทนต่อการกระแทกเนื่องจากความร้อน ทนต่อการกัดกร่อน และทนต่ออุณหภูมิสูง ปัจจุบัน คอมโพสิตดังกล่าวใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแข่งขัน วัสดุชีวภาพ และสาขาอื่นๆ ในฐานะวัสดุโครงสร้างที่ทนต่ออุณหภูมิสูงชนิดใหม่ ปัจจุบัน คอขวดหลักที่คอมโพสิต C/C ในประเทศพบยังคงเป็นปัญหาด้านต้นทุนและการผลิตทางอุตสาหกรรม

มีวัสดุอื่นๆ อีกหลายชนิดที่ใช้ในการผลิตสนามความร้อน กราไฟท์ที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีกว่า แต่มีราคาแพงกว่าและมีข้อกำหนดอื่นๆ ในการออกแบบซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นวัสดุที่ดีกว่ากราไฟต์ในหลายๆ ด้าน แต่มีราคาแพงกว่ามากและเตรียมชิ้นส่วนปริมาณมากได้ยาก อย่างไรก็ตาม มักใช้ SiC เป็นการเคลือบ CVDเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นส่วนกราไฟต์ที่สัมผัสกับก๊าซซิลิกอนมอนอกไซด์ที่กัดกร่อน และยังช่วยลดการปนเปื้อนจากกราไฟต์ได้อีกด้วย การเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์ CVD ที่มีความหนาแน่นสูงช่วยป้องกันไม่ให้สิ่งปนเปื้อนภายในวัสดุกราไฟต์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กเข้าถึงพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อีกประการหนึ่งคือคาร์บอน CVD ซึ่งสามารถสร้างชั้นหนาแน่นเหนือส่วนของกราไฟต์ได้เช่นกัน วัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูงอื่นๆ เช่น โมลิบดีนัมหรือวัสดุเซรามิกที่สามารถอยู่ร่วมกับสิ่งแวดล้อมได้ สามารถนำมาใช้ได้ในกรณีที่ไม่มีความเสี่ยงในการปนเปื้อนของของเหลวที่หลอมละลาย อย่างไรก็ตาม เซรามิกออกไซด์โดยทั่วไปมีข้อจำกัดในการใช้งานกับวัสดุกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง และมีตัวเลือกอื่นๆ เพียงไม่กี่ตัวเลือกหากจำเป็นต้องใช้ฉนวน หนึ่งคือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (บางครั้งเรียกว่ากราไฟต์สีขาวเนื่องจากคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกัน) แต่คุณสมบัติเชิงกลไม่ดี โดยทั่วไปแล้วโมลิบดีนัมจะใช้ในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงได้อย่างเหมาะสม เนื่องจากมีต้นทุนปานกลาง อัตราการแพร่กระจายต่ำในผลึกซิลิกอน และค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวต่ำมากที่ประมาณ 5×108 ซึ่งช่วยให้โมลิบดีนัมปนเปื้อนได้ในระดับหนึ่งก่อนที่จะทำลายโครงสร้างผลึก

2.วัสดุฉนวนกันความร้อน

วัสดุฉนวนที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือแผ่นคาร์บอนในรูปแบบต่างๆ แผ่นคาร์บอนทำมาจากเส้นใยบางๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนเพราะสามารถป้องกันรังสีความร้อนได้หลายครั้งในระยะทางสั้นๆ แผ่นคาร์บอนอ่อนจะถูกทอเป็นแผ่นวัสดุที่ค่อนข้างบาง จากนั้นจึงตัดเป็นรูปร่างที่ต้องการแล้วดัดให้โค้งงออย่างแน่นหนาเป็นรัศมีที่เหมาะสม แผ่นคาร์บอนที่บ่มแล้วประกอบด้วยวัสดุเส้นใยที่คล้ายคลึงกัน และใช้สารยึดเกาะที่มีคาร์บอนเพื่อเชื่อมเส้นใยที่กระจัดกระจายให้เป็นวัตถุที่มีรูปร่างและแข็งขึ้น การใช้คาร์บอนในการสะสมไอเคมีแทนสารยึดเกาะสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุได้

โดยทั่วไปพื้นผิวด้านนอกของแผ่นฉนวนกันความร้อนจะเคลือบด้วยกราไฟท์เคลือบต่อเนื่องหรือฟอยล์เพื่อลดการสึกกร่อนและการสึกหรอ ตลอดจนการปนเปื้อนของอนุภาค นอกจากนี้ยังมีวัสดุฉนวนกันความร้อนประเภทอื่นๆ ที่ทำจากคาร์บอน เช่น โฟมคาร์บอน โดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่ผ่านการกราไฟท์จะได้รับความนิยมมากกว่าเนื่องจากกราไฟท์จะช่วยลดพื้นที่ผิวของเส้นใยได้อย่างมาก การปล่อยก๊าซของวัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูงเหล่านี้จะลดลงอย่างมาก และใช้เวลาในการสูบเตาเผาไปยังสุญญากาศที่เหมาะสมน้อยลง อีกประเภทหนึ่งคือวัสดุคอมโพสิต C/C ซึ่งมีคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น น้ำหนักเบา ทนทานต่อความเสียหายสูง และมีความแข็งแรงสูง การใช้งานในด้านความร้อนเพื่อทดแทนชิ้นส่วนกราไฟท์ช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนชิ้นส่วนกราไฟท์ได้อย่างมาก ปรับปรุงคุณภาพโมโนคริสตัลไลน์และความเสถียรของการผลิต

ตามการจำแนกประเภทวัตถุดิบ คาร์บอนสามารถแบ่งได้เป็น คาร์บอนจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ คาร์บอนจากวิสโคส และคาร์บอนจากพิทช์
คาร์บอนเฟลต์ที่มีฐานเป็นโพลีอะคริโลไนไตรล์มีปริมาณเถ้าสูง หลังจากการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง เส้นใยเดี่ยวจะเปราะบาง ในระหว่างการทำงาน ฝุ่นละอองสามารถก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมของเตาได้ง่าย ในเวลาเดียวกัน เส้นใยสามารถเข้าไปในรูพรุนและทางเดินหายใจของร่างกายมนุษย์ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ คาร์บอนเฟลต์ที่มีฐานเป็นวิสโคสมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดี มีความนุ่มค่อนข้างมากหลังการอบด้วยความร้อน และไม่เกิดฝุ่นละอองได้ง่าย อย่างไรก็ตาม หน้าตัดของเส้นใยดิบที่มีฐานเป็นวิสโคสนั้นไม่สม่ำเสมอ และมีร่องจำนวนมากบนพื้นผิวของเส้นใย สามารถสร้างก๊าซ เช่น CO2 ได้ง่ายภายใต้บรรยากาศออกซิไดซ์ของเตาเผาซิลิกอน CZ ทำให้เกิดการตกตะกอนของออกซิเจนและธาตุคาร์บอนในวัสดุซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ SGL ของเยอรมันและบริษัทอื่นๆ ในปัจจุบัน คาร์บอนเฟลต์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมโมโนคริสตัลไลน์เซมิคอนดักเตอร์คือคาร์บอนเฟลต์ที่มีฐานเป็นพิทช์ ซึ่งมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนที่แย่กว่าคาร์บอนเฟลต์ที่มีฐานเป็นวิสโคส แต่คาร์บอนเฟลต์ที่มีฐานเป็นพิทช์มีความบริสุทธิ์ที่สูงกว่าและปล่อยฝุ่นละอองน้อยกว่า ผู้ผลิตได้แก่ Kureha Chemical และ Osaka Gas ของญี่ปุ่น
เนื่องจากรูปร่างของแผ่นสักหลาดคาร์บอนไม่คงที่ ทำให้ใช้งานไม่สะดวก ปัจจุบัน บริษัทหลายแห่งได้พัฒนาวัสดุฉนวนกันความร้อนชนิดใหม่โดยใช้แผ่นสักหลาดคาร์บอนที่บ่มแล้ว แผ่นสักหลาดคาร์บอนที่บ่มแล้ว หรือเรียกอีกอย่างว่าแผ่นสักหลาดแข็ง เป็นแผ่นสักหลาดคาร์บอนที่มีรูปร่างเฉพาะและคุณสมบัติที่ยั่งยืนได้ด้วยตัวเองหลังจากแผ่นสักหลาดอ่อนได้รับการชุบด้วยเรซิน เคลือบ บ่ม และเผาด้วยคาร์บอน

คุณภาพการเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ได้รับผลกระทบโดยตรงจากสภาพแวดล้อมทางความร้อน และวัสดุฉนวนความร้อนคาร์บอนไฟเบอร์มีบทบาทสำคัญในสภาพแวดล้อมนี้ ฉนวนความร้อนคาร์บอนไฟเบอร์แบบนิ่มยังคงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์โฟโตวอลตาอิกเนื่องจากข้อได้เปรียบด้านต้นทุน ประสิทธิภาพการกันความร้อนที่ยอดเยี่ยม การออกแบบที่ยืดหยุ่น และรูปร่างที่ปรับแต่งได้ นอกจากนี้ ฉนวนความร้อนคาร์บอนไฟเบอร์แบบแข็งจะมีพื้นที่การพัฒนาที่มากขึ้นในตลาดวัสดุสนามความร้อน เนื่องจากมีความแข็งแรงและการทำงานที่สูงขึ้น เรามุ่งมั่นที่จะวิจัยและพัฒนาในด้านวัสดุฉนวนความร้อน และปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่องเพื่อส่งเสริมความเจริญรุ่งเรืองและการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์โฟโตวอลตาอิก