Tek kristalli silikonun büyüme süreci tamamen termal alanda gerçekleşir. İyi bir termal alan, kristallerin kalitesini artırmaya ve daha yüksek kristalleşme verimliliğine katkıda bulunur. Termal alanın tasarımı, dinamik termal alandaki sıcaklık gradyanlarındaki değişiklikleri ve fırın odasındaki gaz akışını büyük ölçüde belirler. Termal alanda kullanılan malzemelerdeki farklılık, termal alanın hizmet ömrünü doğrudan belirler. Uygun olmayan bir termal alan, yalnızca kalite gereksinimlerini karşılayan kristallerin yetiştirilmesini zorlaştırmakla kalmaz, aynı zamanda belirli işlem gereksinimleri altında tam tek kristalli silikonun yetiştirilmesini de engeller. Bu nedenle, doğrudan çekmeli tek kristalli silikon endüstrisi, termal alan tasarımını en temel teknoloji olarak görür ve termal alan araştırma ve geliştirmesine büyük insan gücü ve malzeme kaynakları yatırır.
Termal sistem çeşitli termal alan malzemelerinden oluşmaktadır. Burada sadece termal alanda kullanılan malzemeleri kısaca tanıtacağız. Termal alandaki sıcaklık dağılımı ve bunun kristal çekimi üzerindeki etkisine gelince, bunu burada analiz etmeyeceğiz. Termal alan malzemesi, yarı iletken eriyiği ve kristal çevresinde uygun bir sıcaklık dağılımı oluşturmak için gerekli olan, kristal büyümesinin vakum fırını odasındaki yapı ve ısı yalıtım parçasını ifade eder.
1. Termal alan yapısı malzemesi
Tek kristalli silikonun doğrudan çekme yöntemiyle yetiştirilmesinde temel destek malzemesi yüksek saflıkta grafittir. Grafit malzemeler modern endüstride çok önemli bir rol oynamaktadır. Isı alanı yapısal bileşenleri gibi çeşitli alanlarda kullanılabilirler.ısıtıcılar, kılavuz tüpler, potalarCzochralski yöntemiyle tek kristalli silikon hazırlanmasında kullanılan yalıtım tüpleri, pota tepsileri vb.
Grafit malzemelerKolayca büyük miktarlarda hazırlanabilmeleri, işlenebilmeleri ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmaları nedeniyle tercih edilirler. Elmas veya grafit formundaki karbon, herhangi bir element veya bileşikten daha yüksek bir erime noktasına sahiptir. Grafit malzemeler, özellikle yüksek sıcaklıklarda oldukça güçlüdür ve elektriksel ve termal iletkenlikleri de oldukça iyidir. Elektriksel iletkenliği, onu uygun hale getirir.ısıtıcıMalzeme, tatmin edici bir ısı iletkenlik katsayısına sahiptir; bu da ısıtıcı tarafından üretilen ısının potaya ve ısı alanının diğer kısımlarına eşit olarak dağılmasını sağlar. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıklarda, özellikle uzun mesafelerde, ana ısı transfer modu radyasyondur.
Grafit parçalar başlangıçta ince karbonlu parçacıkların bir bağlayıcı ile karıştırılması ve ekstrüzyon veya izostatik presleme ile şekillendirilmesiyle üretilir. Yüksek kaliteli grafit parçalar genellikle izostatik olarak preslenir. Parçanın tamamı önce karbonize edilir ve ardından 3000°C'ye yakın çok yüksek sıcaklıklarda grafitize edilir. Bu bütün parçalardan işlenen parçalar, yarı iletken endüstrisinin gereksinimlerini karşılamak için metal kirliliğini gidermek amacıyla genellikle yüksek sıcaklıklarda klor içeren bir atmosferde saflaştırılır. Bununla birlikte, uygun saflaştırmadan sonra bile, metal kirliliği seviyesi, silikon monokristal malzemeler için izin verilen seviyeden birkaç kat daha yüksektir. Bu nedenle, bu bileşenlerin eriyik veya kristal yüzeyine kirlenmesini önlemek için termal alan tasarımında dikkatli olunmalıdır.
Grafit malzemeler hafif geçirgendir, bu da içeride kalan metalin yüzeye ulaşmasını kolaylaştırır. Ayrıca, grafit yüzeyinin etrafındaki temizleme gazında bulunan silikon monoksit, çoğu malzemenin içine nüfuz edebilir ve reaksiyona girebilir.
İlk monokristal silikon fırın ısıtıcıları, tungsten ve molibden gibi refrakter metallerden yapılıyordu. Grafit işleme teknolojisinin olgunlaşmasıyla birlikte, grafit bileşenleri arasındaki bağlantının elektriksel özellikleri istikrarlı hale geldi ve monokristal silikon fırın ısıtıcıları, tungsten, molibden ve diğer malzemelerden yapılan ısıtıcıların yerini tamamen aldı. Şu anda en yaygın kullanılan grafit malzeme izostatik grafittir. Ülkemizin izostatik grafit hazırlama teknolojisi nispeten geri kalmış durumda ve yerli fotovoltaik endüstrisinde kullanılan grafit malzemelerin çoğu yurt dışından ithal ediliyor. Yabancı izostatik grafit üreticileri arasında başlıca Almanya'nın SGL'si, Japonya'nın Tokai Carbon'u, Japonya'nın Toyo Tanso'su vb. yer almaktadır. Czochralski monokristal silikon fırınlarında bazen C/C kompozit malzemeler kullanılmaktadır ve bunlar cıvata, somun, pota, yük plakaları ve diğer bileşenlerin üretiminde kullanılmaya başlanmıştır. Karbon/karbon (C/C) kompozitler, yüksek özgül mukavemet, yüksek özgül modül, düşük termal genleşme katsayısı, iyi elektriksel iletkenlik, yüksek kırılma tokluğu, düşük özgül ağırlık, termal şok direnci, korozyon direnci ve yüksek sıcaklık direnci gibi bir dizi mükemmel özelliğe sahip karbon fiber takviyeli karbon bazlı kompozitlerdir. Şu anda, havacılık, yarış, biyomalzemeler ve diğer alanlarda yeni yüksek sıcaklığa dayanıklı yapısal malzemeler olarak yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Şu anda, yerli C/C kompozitlerin karşılaştığı başlıca darboğazlar hala maliyet ve sanayileşme sorunlarıdır.
Termal alanlar oluşturmak için kullanılan birçok başka malzeme de vardır. Karbon fiber takviyeli grafit daha iyi mekanik özelliklere sahiptir; ancak daha pahalıdır ve tasarım için başka gereksinimleri vardır.Silisyum karbür (SiC)SiC birçok açıdan grafitten daha iyi bir malzemedir, ancak çok daha pahalıdır ve büyük hacimli parçaların hazırlanması zordur. Bununla birlikte, SiC genellikle birCVD kaplamaAşındırıcı silikon monoksit gazına maruz kalan grafit parçaların ömrünü uzatmak ve grafit kaynaklı kirlenmeyi azaltmak için yoğun CVD silisyum karbür kaplama, mikro gözenekli grafit malzemenin içindeki kirleticilerin yüzeye ulaşmasını etkili bir şekilde önler.
Bir diğeri ise, grafit kısmının üzerinde yoğun bir katman oluşturabilen CVD karbonudur. Erimeyi kirletme riski olmadığı durumlarda, molibden veya çevreyle uyumlu seramik malzemeler gibi yüksek sıcaklığa dayanıklı diğer malzemeler kullanılabilir. Bununla birlikte, oksit seramiklerin yüksek sıcaklıklarda grafit malzemelere uygulanabilirliği genellikle sınırlıdır ve yalıtım gerekiyorsa başka çok az seçenek vardır. Bunlardan biri altıgen bor nitrürdür (benzer özelliklerinden dolayı bazen beyaz grafit olarak da adlandırılır), ancak mekanik özellikleri zayıftır. Molibden, orta derecede maliyeti, silikon kristallerindeki düşük difüzyon hızı ve kristal yapıyı bozmadan önce belirli bir miktarda molibden kirlenmesine izin veren yaklaşık 5×10⁸'lik çok düşük bir segregasyon katsayısı nedeniyle yüksek sıcaklık durumlarında genellikle makul bir şekilde kullanılır.
2. Isı yalıtım malzemeleri
En yaygın kullanılan yalıtım malzemesi, çeşitli formlardaki karbon keçesidir. Karbon keçesi, kısa mesafede termal radyasyonu birden fazla kez bloke ederek yalıtım görevi gören ince liflerden yapılır. Yumuşak karbon keçesi, nispeten ince malzeme tabakaları halinde dokunur, daha sonra istenen şekle kesilir ve makul bir yarıçapa sıkıca bükülür. Kürlenmiş keçeler, benzer lif malzemelerinden oluşur ve dağılmış lifleri daha sağlam ve şekillendirilmiş bir nesneye bağlamak için karbon içeren bir bağlayıcı kullanılır. Bağlayıcı yerine karbonun kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle kullanılması, malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirebilir.
Genellikle, ısı yalıtım keçesinin dış yüzeyi, aşınmayı ve yıpranmayı ve ayrıca partikül kirlenmesini azaltmak için sürekli bir grafit kaplama veya folyo ile kaplanır. Karbon köpüğü gibi diğer karbon bazlı ısı yalıtım malzemeleri de mevcuttur. Genel olarak, grafitlenmiş malzemeler açıkça tercih edilir çünkü grafitleme, lifin yüzey alanını büyük ölçüde azaltır. Bu yüksek yüzey alanlı malzemelerin gaz salınımı büyük ölçüde azalır ve fırının uygun bir vakuma pompalanması daha az zaman alır. Bir diğeri ise, hafiflik, yüksek hasar toleransı ve yüksek mukavemet gibi üstün özelliklere sahip C/C kompozit malzemedir. Isı alanlarında grafit parçaların yerine kullanılması, grafit parçaların değiştirilme sıklığını önemli ölçüde azaltır, monokristalin kalitesini ve üretim istikrarını iyileştirir.
Hammadde sınıflandırmasına göre karbon keçe, poliakrilonitril bazlı karbon keçe, viskoz bazlı karbon keçe ve zift bazlı karbon keçe olmak üzere üç kategoriye ayrılabilir.
Poliakrilonitril bazlı karbon keçe, yüksek kül içeriğine sahiptir. Yüksek sıcaklık işleminden sonra tek lif kırılgan hale gelir. Çalışma sırasında, fırın ortamını kirletecek toz oluşumu kolaydır. Aynı zamanda, lif kolayca insan vücudunun gözeneklerine ve solunum yollarına girebilir ve insan sağlığına zararlıdır. Viskoz bazlı karbon keçe, iyi ısı yalıtım performansına sahiptir. Isı işleminden sonra nispeten yumuşaktır ve toz oluşumu kolay değildir. Bununla birlikte, viskoz bazlı ham lifin kesiti düzensizdir ve lif yüzeyinde birçok oluk bulunur. CZ silikon fırınının oksitleyici atmosferi altında CO2 gibi gazların oluşması kolaydır ve bu da monokristal silikon malzemede oksijen ve karbon elementlerinin çökelmesine neden olur. Başlıca üreticiler arasında Alman SGL ve diğer şirketler yer almaktadır. Şu anda, yarı iletken monokristal endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan, viskoz bazlı karbon keçeye göre daha kötü ısı yalıtım performansına sahip olan, ancak daha yüksek saflığa ve daha düşük toz emisyonuna sahip olan zift bazlı karbon keçedir. Üreticiler arasında Japonya'dan Kureha Chemical ve Osaka Gas şirketleri yer alıyor.
Karbon keçesinin şekli sabit olmadığı için kullanımı zahmetlidir. Bu nedenle birçok şirket, karbon keçesine dayalı yeni bir ısı yalıtım malzemesi olan sertleştirilmiş karbon keçesi geliştirmiştir. Sertleştirilmiş karbon keçesi, yumuşak keçe reçine ile emprenye edildikten, lamine edildikten, sertleştirildikten ve karbonlaştırıldıktan sonra belirli bir şekle ve kendi kendini koruma özelliğine sahip bir karbon keçesidir.
Tek kristalli silikonun büyüme kalitesi doğrudan termal ortamdan etkilenir ve karbon fiber ısı yalıtım malzemeleri bu ortamda önemli bir rol oynar. Karbon fiber ısı yalıtım yumuşak keçesi, maliyet avantajı, mükemmel ısı yalıtım etkisi, esnek tasarım ve özelleştirilebilir şekli nedeniyle fotovoltaik yarı iletken endüstrisinde hala önemli bir avantaja sahiptir. Buna ek olarak, karbon fiber sert ısı yalıtım keçesi, belirli mukavemeti ve daha yüksek işlenebilirliği nedeniyle ısı yalıtım malzemesi pazarında daha büyük bir gelişme alanına sahip olacaktır. Isı yalıtım malzemeleri alanında araştırma ve geliştirmeye kendimizi adadık ve fotovoltaik yarı iletken endüstrisinin refahını ve gelişimini desteklemek için ürün performansını sürekli olarak optimize ediyoruz.
Yayın tarihi: 12 Haz-2024