วัสดุสำคัญที่กำหนดคุณภาพของการเจริญเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยว – สนามความร้อน

กระบวนการเจริญเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยวเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ในสนามความร้อน สนามความร้อนที่ดีเอื้อต่อการปรับปรุงคุณภาพของผลึกและมีประสิทธิภาพการตกผลึกสูงขึ้น การออกแบบสนามความร้อนเป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนแปลงของความชันอุณหภูมิในสนามความร้อนแบบไดนามิกและการไหลของก๊าซในห้องเตาเผาเป็นอย่างมาก ความแตกต่างของวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของสนามความร้อนโดยตรง สนามความร้อนที่ไม่เหมาะสมไม่เพียงแต่ทำให้ยากต่อการปลูกผลึกที่ตรงตามข้อกำหนดด้านคุณภาพเท่านั้น แต่ยังไม่สามารถปลูกผลึกผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์ได้ภายใต้ข้อกำหนดของกระบวนการบางอย่าง นี่คือเหตุผลที่อุตสาหกรรมซิลิคอนผลึกเดี่ยวแบบดึงโดยตรงถือว่าการออกแบบสนามความร้อนเป็นเทคโนโลยีหลักที่สำคัญที่สุดและลงทุนกำลังคนและทรัพยากรจำนวนมากในการวิจัยและพัฒนาสนามความร้อน

ระบบระบายความร้อนประกอบด้วยวัสดุสนามความร้อนหลายชนิด เราจะแนะนำวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนโดยสังเขปเท่านั้น ส่วนการกระจายอุณหภูมิในสนามความร้อนและผลกระทบต่อการดึงผลึกนั้น เราจะไม่วิเคราะห์ในที่นี้ วัสดุสนามความร้อนหมายถึงโครงสร้างและส่วนฉนวนกันความร้อนในห้องเตาสุญญากาศสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก ซึ่งจำเป็นต่อการสร้างการกระจายอุณหภูมิที่เหมาะสมรอบๆ สารกึ่งตัวนำหลอมเหลวและผลึก

1. วัสดุโครงสร้างสนามความร้อน

วัสดุรองรับพื้นฐานสำหรับวิธีการดึงโดยตรงในการปลูกซิลิคอนผลึกเดี่ยวคือแกรไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง วัสดุแกรไฟต์มีบทบาทสำคัญมากในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ สามารถใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างระบายความร้อนได้ เช่นเครื่องทำความร้อน, ท่อนำทาง, เบ้าหลอมเช่น ท่อฉนวน ถาดเบ้าหลอม ฯลฯ ในการเตรียมซิลิคอนผลึกเดี่ยวด้วยวิธี Czochralski

วัสดุกราไฟต์วัสดุเหล่านี้ถูกเลือกใช้เนื่องจากเตรียมได้ง่ายในปริมาณมาก สามารถแปรรูปได้ และทนต่ออุณหภูมิสูง คาร์บอนในรูปของเพชรหรือกราไฟต์มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าธาตุหรือสารประกอบใดๆ วัสดุกราไฟต์มีความแข็งแรงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง และมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีมาก คุณสมบัติการนำไฟฟ้าทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุต่างๆเครื่องทำความร้อนวัสดุนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่เหมาะสม ซึ่งช่วยให้ความร้อนที่เกิดจากตัวทำความร้อนกระจายไปยังเบ้าหลอมและส่วนอื่นๆ ของบริเวณที่มีความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะทางไกล โหมดการถ่ายเทความร้อนหลักคือการแผ่รังสี

ชิ้นส่วนกราไฟต์เริ่มต้นจากการนำอนุภาคคาร์บอนละเอียดมาผสมกับสารยึดเกาะ แล้วขึ้นรูปด้วยกระบวนการอัดรีดหรือการอัดแบบไอโซสแตติก ชิ้นส่วนกราไฟต์คุณภาพสูงมักจะขึ้นรูปด้วยการอัดแบบไอโซสแตติก โดยชิ้นงานทั้งหมดจะถูกทำให้เป็นคาร์บอนก่อน แล้วจึงทำให้เป็นกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงมาก ใกล้เคียง 3000°C ชิ้นส่วนที่แปรรูปจากชิ้นงานทั้งหมดเหล่านี้มักจะถูกทำให้บริสุทธิ์ในบรรยากาศที่มีคลอรีนที่อุณหภูมิสูงเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่เป็นโลหะให้เป็นไปตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตาม แม้จะผ่านการทำให้บริสุทธิ์อย่างเหมาะสมแล้ว ระดับการปนเปื้อนของโลหะก็ยังสูงกว่าระดับที่อนุญาตสำหรับวัสดุซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์หลายเท่า ดังนั้นจึงต้องระมัดระวังในการออกแบบสนามความร้อนเพื่อป้องกันการปนเปื้อนของชิ้นส่วนเหล่านี้ไม่ให้เข้าไปในเนื้อวัสดุหลอมเหลวหรือพื้นผิวผลึก

วัสดุกราไฟต์มีความซึมผ่านได้เล็กน้อย ทำให้โลหะที่เหลืออยู่ภายในสามารถขึ้นมาอยู่บนพื้นผิวได้ง่าย นอกจากนี้ ซิลิคอนโมโนออกไซด์ที่มีอยู่ในก๊าซที่ใช้ในการชะล้างรอบ ๆ พื้นผิวกราไฟต์ยังสามารถแทรกซึมเข้าไปในวัสดุส่วนใหญ่และทำปฏิกิริยาได้

เตาหลอมซิลิคอนผลึกเดี่ยวรุ่นแรกๆ ทำจากโลหะทนความร้อน เช่น ทังสเตนและโมลิบเดนัม แต่ด้วยเทคโนโลยีการแปรรูปกราไฟต์ที่พัฒนาขึ้น คุณสมบัติทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วนกราไฟต์จึงมีความเสถียรมากขึ้น และเตาหลอมซิลิคอนผลึกเดี่ยวได้เข้ามาแทนที่เตาหลอมที่ทำจากทังสเตน โมลิบเดนัม และวัสดุอื่นๆ อย่างสมบูรณ์ ปัจจุบัน วัสดุกราไฟต์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือกราไฟต์ไอโซสแตติก เทคโนโลยีการผลิตกราไฟต์ไอโซสแตติกในประเทศของเรายังค่อนข้างล้าหลัง และวัสดุกราไฟต์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ในประเทศจึงต้องนำเข้าจากต่างประเทศ ผู้ผลิตกราไฟต์ไอโซสแตติกในต่างประเทศส่วนใหญ่ ได้แก่ SGL ของเยอรมนี Tokai Carbon ของญี่ปุ่น Toyo Tanso ของญี่ปุ่น เป็นต้น ในเตาหลอมซิลิคอนผลึกเดี่ยวแบบ Czochralski บางครั้งมีการใช้วัสดุคอมโพสิต C/C และเริ่มมีการนำไปใช้ในการผลิตสลักเกลียว น็อต เบ้าหลอม แผ่นรับน้ำหนัก และชิ้นส่วนอื่นๆ ด้วย วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน (C/C) คือวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนที่มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งแรงจำเพาะสูง โมดูลัสจำเพาะสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำไฟฟ้าที่ดี ความเหนียวแตกหักสูง ความหนาแน่นจำเพาะต่ำ ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทนต่อการกัดกร่อน และทนต่ออุณหภูมิสูง ปัจจุบันมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแข่งรถ วัสดุชีวภาพ และสาขาอื่นๆ ในฐานะวัสดุโครงสร้างที่ทนต่ออุณหภูมิสูงชนิดใหม่ อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันอุปสรรคสำคัญที่พบในวัสดุคอมโพสิต C/C ในประเทศยังคงเป็นเรื่องต้นทุนและการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

มีวัสดุอื่นๆ อีกมากมายที่ใช้ในการสร้างแผ่นระบายความร้อน กราไฟต์เสริมใยคาร์บอนมีคุณสมบัติทางกลที่ดีกว่า แต่มีราคาแพงกว่าและมีข้อกำหนดด้านการออกแบบอื่นๆ อีกด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุที่ดีกว่ากราไฟต์ในหลายด้าน แต่มีราคาแพงกว่ามากและยากต่อการผลิตชิ้นส่วนจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนคาร์ไบด์มักถูกนำมาใช้เป็นวัสดุหลักการเคลือบ CVDเพื่อยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนกราไฟต์ที่สัมผัสกับก๊าซซิลิคอนโมโนออกไซด์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และยังช่วยลดการปนเปื้อนจากกราไฟต์ได้อีกด้วย การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์แบบ CVD ที่หนาแน่นช่วยป้องกันสิ่งปนเปื้อนภายในวัสดุกราไฟต์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กไม่ให้เข้าถึงพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อีกทางเลือกหนึ่งคือคาร์บอน CVD ซึ่งสามารถสร้างชั้นหนาแน่นเหนือส่วนที่เป็นกราไฟต์ได้ วัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูงอื่นๆ เช่น โมลิบเดนัมหรือวัสดุเซรามิกที่สามารถอยู่ร่วมกับสิ่งแวดล้อมได้ สามารถนำมาใช้ได้ในกรณีที่ไม่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของโลหะหลอมเหลว อย่างไรก็ตาม เซรามิกออกไซด์โดยทั่วไปมีข้อจำกัดในการใช้งานกับวัสดุกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง และมีตัวเลือกอื่นๆ น้อยมากหากต้องการฉนวนกันความร้อน หนึ่งในนั้นคือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (บางครั้งเรียกว่ากราไฟต์ขาวเนื่องจากมีคุณสมบัติคล้ายกัน) แต่คุณสมบัติทางกลไม่ดี โมลิบเดนัมโดยทั่วไปใช้ได้อย่างเหมาะสมในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงเนื่องจากต้นทุนปานกลาง อัตราการแพร่กระจายต่ำในผลึกซิลิคอน และค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวต่ำมากประมาณ 5×10⁸ ซึ่งอนุญาตให้มีการปนเปื้อนของโมลิบเดนัมในปริมาณหนึ่งก่อนที่จะทำลายโครงสร้างผลึก

2. วัสดุฉนวนกันความร้อน

วัสดุฉนวนที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือแผ่นคาร์บอนเฟลต์ในรูปแบบต่างๆ คาร์บอนเฟลต์ทำจากเส้นใยบางๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนเพราะสามารถกันรังสีความร้อนได้หลายครั้งในระยะทางสั้นๆ คาร์บอนเฟลต์ที่อ่อนนุ่มจะถูกทอเป็นแผ่นวัสดุที่ค่อนข้างบาง จากนั้นจึงตัดเป็นรูปทรงที่ต้องการและดัดให้โค้งงออย่างแน่นหนาเป็นรัศมีที่เหมาะสม เฟลต์ที่ผ่านการอบแล้วจะประกอบด้วยวัสดุเส้นใยที่คล้ายกัน และใช้สารยึดเกาะที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบเพื่อเชื่อมต่อเส้นใยที่กระจายตัวเข้าด้วยกันให้เป็นวัตถุที่แข็งและมีรูปทรงมากขึ้น การใช้การตกตะกอนไอเคมีของคาร์บอนแทนสารยึดเกาะสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุได้

โดยทั่วไป พื้นผิวด้านนอกของแผ่นใยฉนวนกันความร้อนจะเคลือบด้วยกราไฟต์ต่อเนื่องหรือฟอยล์เพื่อลดการกัดกร่อนและการสึกหรอ รวมถึงการปนเปื้อนของอนุภาค นอกจากนี้ยังมีวัสดุฉนวนกันความร้อนชนิดคาร์บอนอื่นๆ เช่น โฟมคาร์บอน โดยทั่วไปแล้ว วัสดุกราไฟต์เป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากกระบวนการกราไฟต์ช่วยลดพื้นที่ผิวของเส้นใยได้อย่างมาก การปล่อยก๊าซของวัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูงเหล่านี้ลดลงอย่างมาก และใช้เวลาน้อยลงในการดูดอากาศออกจากเตาเผาให้ได้สุญญากาศที่เหมาะสม อีกทางเลือกหนึ่งคือวัสดุคอมโพสิต C/C ซึ่งมีคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น น้ำหนักเบา ทนต่อความเสียหายสูง และมีความแข็งแรงสูง การนำมาใช้ในด้านความร้อนเพื่อทดแทนชิ้นส่วนกราไฟต์ช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนชิ้นส่วนกราไฟต์ ปรับปรุงคุณภาพของผลึกเดี่ยว และความเสถียรในการผลิตได้อย่างมาก

ตามการจำแนกประเภทวัตถุดิบ แผ่นใยคาร์บอนสามารถแบ่งออกเป็นแผ่นใยคาร์บอนที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ แผ่นใยคาร์บอนที่ทำจากวิสโคส และแผ่นใยคาร์บอนที่ทำจากน้ำมันดิน
แผ่นคาร์บอนเฟลต์ที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์มีปริมาณเถ้าสูง หลังจากผ่านการอบด้วยความร้อนสูง เส้นใยเดี่ยวจะเปราะแตกง่าย ในระหว่างการใช้งาน จะเกิดฝุ่นละอองได้ง่าย ทำให้สภาพแวดล้อมในเตาเผาเป็นมลพิษ ในขณะเดียวกัน เส้นใยยังสามารถเข้าสู่รูขุมขนและทางเดินหายใจของร่างกายมนุษย์ได้ง่าย ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ ส่วนแผ่นคาร์บอนเฟลต์ที่ทำจากวิสโคสมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนที่ดี หลังจากอบด้วยความร้อนแล้วจะค่อนข้างนุ่มและไม่เกิดฝุ่นง่าย อย่างไรก็ตาม หน้าตัดของเส้นใยดิบที่ทำจากวิสโคสไม่สม่ำเสมอ และมีร่องจำนวนมากบนพื้นผิวเส้นใย ทำให้เกิดก๊าซ เช่น CO2 ได้ง่ายภายใต้บรรยากาศออกซิไดซ์ของเตาเผาซิลิคอน CZ ทำให้เกิดการตกตะกอนของธาตุออกซิเจนและคาร์บอนในวัสดุซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ SGL จากประเทศเยอรมนีและบริษัทอื่นๆ ปัจจุบัน แผ่นคาร์บอนเฟลต์ที่ทำจากพิทช์ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์โมโนคริสตัลไลน์ มีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนต่ำกว่าแผ่นคาร์บอนเฟลต์ที่ทำจากวิสโคส แต่แผ่นคาร์บอนเฟลต์ที่ทำจากพิทช์มีความบริสุทธิ์สูงกว่าและปล่อยฝุ่นน้อยกว่า ผู้ผลิต ได้แก่ บริษัท Kureha Chemical และ Osaka Gas จากประเทศญี่ปุ่น
เนื่องจากรูปทรงของแผ่นคาร์บอนเฟลต์ไม่คงที่ ทำให้ใช้งานได้ไม่สะดวก ปัจจุบันหลายบริษัทได้พัฒนาวัสดุฉนวนกันความร้อนชนิดใหม่โดยใช้คาร์บอนเฟลต์เป็นพื้นฐาน นั่นคือ คาร์บอนเฟลต์อบแข็ง คาร์บอนเฟลต์อบแข็ง หรือที่เรียกว่าเฟลต์แข็ง คือคาร์บอนเฟลต์ที่มีรูปทรงและคุณสมบัติคงตัวได้เอง หลังจากที่คาร์บอนเฟลต์อ่อนถูกชุบด้วยเรซิน เคลือบ อบ และเผาไหม้

คุณภาพการเจริญเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยวได้รับผลกระทบโดยตรงจากสภาพแวดล้อมทางความร้อน และวัสดุฉนวนกันความร้อนใยคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในสภาพแวดล้อมนี้ แผ่นใยคาร์บอนฉนวนกันความร้อนแบบอ่อนยังคงมีข้อได้เปรียบอย่างมากในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เซลล์แสงอาทิตย์ เนื่องจากต้นทุนที่ต่ำกว่า ประสิทธิภาพการเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม การออกแบบที่ยืดหยุ่น และรูปทรงที่ปรับแต่งได้ นอกจากนี้ แผ่นใยคาร์บอนฉนวนกันความร้อนแบบแข็งจะมีพื้นที่การพัฒนาที่มากขึ้นในตลาดวัสดุฉนวนกันความร้อน เนื่องจากมีความแข็งแรงและใช้งานได้ดีกว่า เรามุ่งมั่นที่จะวิจัยและพัฒนาในด้านวัสดุฉนวนกันความร้อน และปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่อง เพื่อส่งเสริมความเจริญรุ่งเรืองและการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เซลล์แสงอาทิตย์