Mahahalagang materyales na tumutukoy sa kalidad ng paglaki ng monocrystalline silicon – thermal field

Ang proseso ng paglaki ng monocrystalline silicon ay ganap na isinasagawa sa thermal field. Ang isang mahusay na thermal field ay nakakatulong sa pagpapabuti ng kalidad ng mga kristal at may mas mataas na kahusayan sa crystallization. Ang disenyo ng thermal field ay higit na tumutukoy sa mga pagbabago sa mga gradient ng temperatura sa dynamic thermal field at sa daloy ng gas sa furnace chamber. Ang pagkakaiba sa mga materyales na ginamit sa thermal field ay direktang tumutukoy sa buhay ng serbisyo ng thermal field. Ang isang hindi makatwirang thermal field ay hindi lamang mahirap palaguin ang mga kristal na nakakatugon sa mga kinakailangan sa kalidad, kundi hindi rin maaaring palaguin ang kumpletong monocrystalline sa ilalim ng ilang mga kinakailangan sa proseso. Ito ang dahilan kung bakit itinuturing ng industriya ng direct-pull monocrystalline silicon ang disenyo ng thermal field bilang pinakamahalagang teknolohiya at namumuhunan ng malaking lakas-tao at mga mapagkukunang materyal sa pananaliksik at pagpapaunlad ng thermal field.

Ang thermal system ay binubuo ng iba't ibang materyales sa thermal field. Maikli lamang naming ipakikilala ang mga materyales na ginamit sa thermal field. Tungkol naman sa distribusyon ng temperatura sa thermal field at ang epekto nito sa paghila ng kristal, hindi namin ito susuriin dito. Ang thermal field material ay tumutukoy sa istruktura at bahagi ng thermal insulation sa vacuum furnace chamber ng paglaki ng kristal, na mahalaga para sa paglikha ng naaangkop na distribusyon ng temperatura sa paligid ng semiconductor melt at kristal.

1. Materyal na istruktura ng thermal field

Ang pangunahing materyal na sumusuporta para sa direktang paghila na pamamaraan upang mapalago ang monocrystalline silicon ay ang high-purity graphite. Ang mga materyales na graphite ay gumaganap ng napakahalagang papel sa modernong industriya. Maaari itong gamitin bilang mga bahagi ng istruktura sa larangan ng init tulad ngmga pampainit, mga tubo ng gabay, mga tunawan ng metal, mga tubo ng insulasyon, mga tray ng tunawan, atbp. sa paghahanda ng monocrystalline silicon sa pamamagitan ng pamamaraang Czochralski.

Mga materyales na grapaytay pinipili dahil madali itong ihanda sa malalaking volume, maaaring iproseso at lumalaban sa mataas na temperatura. Ang carbon sa anyo ng diamante o grapayt ay may mas mataas na melting point kaysa sa anumang elemento o compound. Ang mga materyales na grapayt ay medyo malakas, lalo na sa mataas na temperatura, at ang kanilang electrical at thermal conductivity ay medyo mahusay din. Ang electrical conductivity nito ay ginagawa itong angkop bilang isangpampainitmateryal. Mayroon itong kasiya-siyang thermal conductivity coefficient, na nagpapahintulot sa init na nalilikha ng heater na pantay na maipamahagi sa crucible at iba pang bahagi ng heat field. Gayunpaman, sa mataas na temperatura, lalo na sa malalayong distansya, ang pangunahing paraan ng paglipat ng init ay radiation.

Ang mga bahagi ng grapayt ay unang gawa sa pinong mga partikulo ng carbon na hinaluan ng isang binder at nabubuo sa pamamagitan ng extrusion o isostatic pressing. Ang mga de-kalidad na bahagi ng grapayt ay karaniwang pinipindot nang isostatic. Ang buong piraso ay unang nilalagay sa carbon at pagkatapos ay nilalagay sa grapayt sa napakataas na temperatura, malapit sa 3000°C. Ang mga bahaging pinoproseso mula sa mga buong pirasong ito ay karaniwang dinadalisay sa isang kapaligirang naglalaman ng chlorine sa mataas na temperatura upang maalis ang kontaminasyon ng metal upang matugunan ang mga kinakailangan ng industriya ng semiconductor. Gayunpaman, kahit na matapos ang wastong paglilinis, ang antas ng kontaminasyon ng metal ay ilang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa pinapayagan para sa mga materyales na silicon monocrystalline. Samakatuwid, dapat mag-ingat sa disenyo ng thermal field upang maiwasan ang kontaminasyon ng mga bahaging ito na makapasok sa ibabaw ng tinunaw o kristal.

Ang mga materyales na grapayt ay bahagyang natatagusan, kaya madali para sa natitirang metal sa loob na makarating sa ibabaw. Bukod pa rito, ang silicon monoxide na nasa purge gas sa paligid ng ibabaw ng grapayt ay maaaring tumagos sa karamihan ng mga materyales at mag-react.

Ang mga sinaunang monocrystalline silicon furnace heater ay gawa sa mga refractory metal tulad ng tungsten at molybdenum. Dahil sa pag-unlad ng teknolohiya sa pagproseso ng graphite, ang mga electrical properties ng koneksyon sa pagitan ng mga bahagi ng graphite ay naging matatag, at ang mga monocrystalline silicon furnace heater ay ganap na pumalit sa tungsten, molybdenum at iba pang mga materyal na pampainit. Sa kasalukuyan, ang pinakalawak na ginagamit na materyal ng graphite ay isostatic graphite. Ang teknolohiya ng paghahanda ng isostatic graphite sa ating bansa ay medyo atrasado, at karamihan sa mga materyales ng graphite na ginagamit sa industriya ng photovoltaic sa loob ng bansa ay inaangkat mula sa ibang bansa. Ang mga dayuhang tagagawa ng isostatic graphite ay pangunahing kinabibilangan ng SGL ng Germany, Tokai Carbon ng Japan, Toyo Tanso ng Japan, atbp. Sa mga Czochralski monocrystalline silicon furnace, minsan ay ginagamit ang mga C/C composite material, at nagsimula na itong gamitin sa paggawa ng mga bolt, nut, crucible, load plate at iba pang mga bahagi. Ang mga carbon/carbon (C/C) composite ay mga carbon fiber reinforced carbon-based composite na may serye ng mga mahuhusay na katangian tulad ng mataas na specific strength, mataas na specific modulus, mababang thermal expansion coefficient, mahusay na electrical conductivity, mataas na fracture toughness, mababang specific gravity, thermal shock resistance, corrosion resistance, at high temperature resistance. Sa kasalukuyan, malawakang ginagamit ang mga ito sa aerospace, racing, biomaterials at iba pang larangan bilang mga bagong high-temperature resistant structural materials. Sa kasalukuyan, ang mga pangunahing bottleneck na kinakaharap ng mga domestic C/C composite ay ang mga isyu pa rin sa gastos at industriyalisasyon.

Maraming iba pang materyales na ginagamit sa paggawa ng mga thermal field. Ang carbon fiber reinforced graphite ay may mas mahusay na mekanikal na katangian; ngunit ito ay mas mahal at may iba pang mga kinakailangan para sa disenyo.Silikon karbida (SiC)ay isang mas mahusay na materyal kaysa sa grapayt sa maraming aspeto, ngunit ito ay mas mahal at mahirap maghanda ng malalaking bahagi. Gayunpaman, ang SiC ay kadalasang ginagamit bilangPatong na CVDupang pahabain ang buhay ng mga bahagi ng graphite na nalantad sa kinakaing unti-unting silicon monoxide gas, at maaari ring mabawasan ang kontaminasyon mula sa graphite. Ang siksik na CVD silicon carbide coating ay epektibong pumipigil sa mga kontaminante sa loob ng microporous graphite material na makarating sa ibabaw.

Ang isa pa ay ang CVD carbon, na maaari ring bumuo ng isang siksik na patong sa ibabaw ng bahagi ng grapayt. Ang iba pang mga materyales na lumalaban sa mataas na temperatura, tulad ng molybdenum o mga materyales na seramiko na maaaring umiral sa kapaligiran, ay maaaring gamitin kung saan walang panganib na mahawahan ang natunaw na materyal. Gayunpaman, ang mga oxide ceramic ay karaniwang limitado sa kanilang kakayahang magamit sa mga materyales na grapayt sa mataas na temperatura, at kakaunti ang iba pang mga opsyon kung kinakailangan ang insulasyon. Ang isa ay ang hexagonal boron nitride (minsan tinatawag na puting grapayt dahil sa mga katulad na katangian), ngunit ang mga mekanikal na katangian ay mababa. Ang molybdenum ay karaniwang ginagamit nang makatwiran para sa mga sitwasyon na may mataas na temperatura dahil sa katamtamang gastos nito, mababang rate ng diffusion sa mga kristal ng silicon, at isang napakababang segregation coefficient na humigit-kumulang 5 × 108, na nagpapahintulot sa isang tiyak na dami ng kontaminasyon ng molybdenum bago sirain ang istruktura ng kristal.

2. Mga materyales sa pagkakabukod ng init

Ang pinakakaraniwang ginagamit na materyal sa pagkakabukod ay ang carbon felt sa iba't ibang anyo. Ang carbon felt ay gawa sa manipis na mga hibla, na nagsisilbing insulasyon dahil hinaharangan nito ang thermal radiation nang maraming beses sa isang maikling distansya. Ang malambot na carbon felt ay hinabi sa medyo manipis na mga piraso ng materyal, na pagkatapos ay pinuputol sa nais na hugis at mahigpit na binabaluktot sa isang makatwirang radius. Ang mga cured felt ay binubuo ng mga katulad na materyales ng hibla, at isang carbon-containing binder ang ginagamit upang pagdugtungin ang mga nakakalat na hibla sa isang mas solid at hugis na bagay. Ang paggamit ng kemikal na pagdeposito ng singaw ng carbon sa halip na isang binder ay maaaring mapabuti ang mga mekanikal na katangian ng materyal.

Kadalasan, ang panlabas na ibabaw ng thermal insulation curing felt ay binabalutan ng tuloy-tuloy na graphite coating o foil upang mabawasan ang erosyon at pagkasira pati na rin ang kontaminasyon ng particulate. Mayroon ding iba pang mga uri ng carbon-based thermal insulation materials, tulad ng carbon foam. Sa pangkalahatan, ang mga graphitized materials ay malinaw na mas gusto dahil ang graphitization ay lubos na nakakabawas sa surface area ng fiber. Ang outgassing ng mga high-surface-area materials na ito ay lubos na nababawasan, at mas kaunting oras ang kailangan upang i-pump ang furnace sa isang angkop na vacuum. Ang isa pa ay ang C/C composite material, na may mga natatanging katangian tulad ng magaan, mataas na damage tolerance at mataas na lakas. Ang paggamit sa mga thermal field upang palitan ang mga graphite parts ay makabuluhang nakakabawas sa dalas ng pagpapalit ng mga graphite parts, nagpapabuti sa kalidad ng monocrystalline at katatagan ng produksyon.

Ayon sa klasipikasyon ng hilaw na materyal, ang carbon felt ay maaaring hatiin sa polyacrylonitrile-based carbon felt, viscose-based carbon felt, at pitch-based carbon felt.
Ang polyacrylonitrile-based carbon felt ay may malaking nilalaman ng abo. Pagkatapos ng mataas na temperaturang paggamot, ang nag-iisang hibla ay nagiging malutong. Habang ginagamit, madaling makabuo ng alikabok na magpaparumi sa kapaligiran ng pugon. Kasabay nito, ang hibla ay madaling makapasok sa mga pores at respiratory tract ng katawan ng tao, na nakakapinsala sa kalusugan ng tao. Ang viscose-based carbon felt ay may mahusay na thermal insulation performance. Ito ay medyo malambot pagkatapos ng heat treatment at hindi madaling makabuo ng alikabok. Gayunpaman, ang cross-section ng viscose-based raw fiber ay hindi regular, at maraming uka sa ibabaw ng hibla. Madaling makabuo ng mga gas tulad ng C02 sa ilalim ng oxidizing atmosphere ng CZ silicon furnace, na nagiging sanhi ng pag-ulan ng oxygen at mga elemento ng carbon sa monocrystalline silicon material. Kabilang sa mga pangunahing tagagawa ang German SGL at iba pang mga kumpanya. Sa kasalukuyan, ang pinakalawak na ginagamit sa industriya ng semiconductor monocrystalline ay ang pitch-based carbon felt, na may mas mababang thermal insulation performance kaysa sa viscose-based carbon felt, ngunit ang pitch-based carbon felt ay may mas mataas na kadalisayan at mas mababang dust emission. Kabilang sa mga tagagawa ang Kureha Chemical ng Japan at Osaka Gas.
Dahil hindi permanente ang hugis ng carbon felt, mahirap itong gamitin. Ngayon, maraming kumpanya ang nakabuo ng bagong thermal insulation material batay sa carbon felt-cured carbon felt. Ang cured carbon felt, na tinatawag ding hard felt, ay isang carbon felt na may tiyak na hugis at self-sustaining properties pagkatapos na ang malambot na felt ay ibabad sa resin, laminated, cured at carbonized.

Ang kalidad ng paglaki ng monocrystalline silicon ay direktang naaapektuhan ng thermal environment, at ang mga materyales na gawa sa carbon fiber thermal insulation ay may mahalagang papel sa kapaligirang ito. Ang carbon fiber thermal insulation soft felt ay mayroon pa ring malaking kalamangan sa industriya ng photovoltaic semiconductor dahil sa bentahe nito sa gastos, mahusay na thermal insulation effect, flexible na disenyo at napapasadyang hugis. Bukod pa rito, ang carbon fiber hard thermal insulation felt ay magkakaroon ng mas malawak na espasyo sa pag-unlad sa merkado ng thermal field material dahil sa tiyak na lakas at mas mataas na operability nito. Nakatuon kami sa pananaliksik at pagpapaunlad sa larangan ng mga materyales na gawa sa thermal insulation, at patuloy na ino-optimize ang performance ng produkto upang itaguyod ang kasaganaan at pag-unlad ng industriya ng photovoltaic semiconductor.