Monokristalin silisyumun büyüme süreci tamamen termal alanda gerçekleştirilir. İyi bir termal alan, kristallerin kalitesini iyileştirmeye elverişlidir ve daha yüksek bir kristalleşme verimliliğine sahiptir. Termal alanın tasarımı, büyük ölçüde dinamik termal alandaki sıcaklık gradyanlarındaki değişiklikleri ve fırın odasındaki gaz akışını belirler. Termal alanda kullanılan malzemelerdeki fark, termal alanın hizmet ömrünü doğrudan belirler. Mantıksız bir termal alan, yalnızca kalite gereksinimlerini karşılayan kristallerin büyümesini zorlaştırmakla kalmaz, aynı zamanda belirli işlem gereksinimleri altında tam monokristalin de büyüyemez. Bu nedenle, doğrudan çekmeli monokristalin silisyum endüstrisi termal alan tasarımını en temel teknoloji olarak görür ve termal alan araştırma ve geliştirmeye büyük insan gücü ve malzeme kaynakları yatırır.
Termal sistem çeşitli termal alan malzemelerinden oluşur. Termal alanda kullanılan malzemeleri sadece kısaca tanıtacağız. Termal alandaki sıcaklık dağılımı ve kristal çekimi üzerindeki etkisine gelince, bunu burada analiz etmeyeceğiz. Termal alan malzemesi, yarı iletken eriyiği ve kristal etrafında uygun bir sıcaklık dağılımı oluşturmak için gerekli olan kristal büyümesinin vakum fırını odasındaki yapı ve termal yalıtım parçasını ifade eder.
1. Termal alan yapı malzemesi
Monokristalin silikon yetiştirmek için doğrudan çekme yönteminin temel destekleyici malzemesi yüksek saflıkta grafittir. Grafit malzemeler modern endüstride çok önemli bir rol oynar. Bunlar ısı alanı yapısal bileşenleri olarak kullanılabilirler, örneğin:ısıtıcılar, kılavuz tüpler, potaMonokristalin silisyumun Czochralski yöntemi ile hazırlanmasında yalıtım boruları, pota tepsileri vb.
Grafit malzemelerbüyük hacimlerde hazırlanmaları kolay olduğu, işlenebildikleri ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı oldukları için seçilirler. 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 birısıtıcımalzeme. Isıtıcı tarafından üretilen ısının potaya ve ısı alanının diğer kısımlarına eşit şekilde dağıtılmasını sağlayan tatmin edici bir termal iletkenlik katsayısına sahiptir. Ancak, özellikle uzun mesafelerde yüksek sıcaklıklarda, ana ısı transfer modu radyasyondur.
Grafit parçalar başlangıçta bir bağlayıcı ile karıştırılmış ince karbonlu parçacıklardan yapılır ve ekstrüzyon veya izostatik presleme ile oluşturulur. Yüksek kaliteli grafit parçalar genellikle izostatik olarak preslenir. Tüm parça önce karbonize edilir ve ardından 3000°C'ye yakın çok yüksek sıcaklıklarda grafitlenir. Bu tüm parçalardan işlenen parçalar genellikle yarı iletken endüstrisinin gereksinimlerini karşılamak için metal kirliliğini gidermek üzere yüksek sıcaklıklarda klor içeren bir atmosferde saflaştırılır. Ancak, uygun saflaştırmadan sonra bile, metal kirliliği seviyesi silikon monokristalin malzemeler için izin verilenden birkaç kat daha yüksektir. Bu nedenle, bu bileşenlerin kirlenmesinin eriyik veya kristal yüzeye girmesini 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 silisyum monoksit çoğu malzemeye nüfuz edebilir ve reaksiyona girebilir.
İlk monokristalin silikon fırın ısıtıcıları tungsten ve molibden gibi refrakter metallerden yapılmıştır. Grafit işleme teknolojisinin giderek olgunlaşmasıyla, grafit bileşenleri arasındaki bağlantının elektriksel özellikleri kararlı hale gelmiş ve monokristalin silikon fırın ısıtıcıları tungsten, molibden ve diğer malzeme ısıtıcılarının yerini tamamen almıştır. Şu anda en yaygın kullanılan grafit malzemesi izostatik grafittir. Ülkemizin izostatik grafit hazırlama teknolojisi nispeten geri kalmış olup, yerli fotovoltaik endüstrisinde kullanılan grafit malzemelerin çoğu yurt dışından ithal edilmektedir. Yabancı izostatik grafit üreticileri arasında çoğunlukla Almanya'nın SGL'si, Japonya'nın Tokai Carbon'u, Japonya'nın Toyo Tanso'su vb. yer almaktadır. Czochralski monokristalin silikon fırınlarında bazen C/C kompozit malzemeler kullanılmakta olup, 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 kompozitlerinin karşılaştığı ana darboğazlar hala maliyet ve endüstriyelleşme sorunlarıdır.
Termal alanlar oluşturmak için kullanılan birçok başka malzeme vardır. Karbon fiber takviyeli grafit daha iyi mekanik özelliklere sahiptir; ancak daha pahalıdır ve tasarım için başka gereksinimleri vardır.Silisyum karbür (SiC)birçok açıdan grafitten daha iyi bir malzemedir, ancak çok daha pahalıdır ve büyük hacimli parçalar hazırlamak zordur. Ancak, SiC genellikle birCVD kaplamaaşındırıcı silikon monoksit gazına maruz kalan grafit parçaların ömrünü uzatmak ve ayrıca grafitten kaynaklanan kirlenmeyi azaltmak için. Yoğun CVD silikon karbür kaplaması, mikro gözenekli grafit malzemenin içindeki kirleticilerin yüzeye ulaşmasını etkili bir şekilde önler.
Bir diğeri de grafit kısmının üzerinde yoğun bir tabaka oluşturabilen CVD karbondur. Eriyik maddeyi kirletme riski olmayan yerlerde çevreyle bir arada bulunabilen molibden veya seramik malzemeler gibi diğer yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler kullanılabilir. Ancak oksit seramikler genellikle yüksek sıcaklıklarda grafit malzemelere uygulanabilirlik açısından sınırlıdır ve yalıtım gerekiyorsa başka birkaç seçenek vardır. Biri hekzagonal bor nitrürdür (benzer özellikleri nedeniyle bazen beyaz grafit olarak adlandırılır), ancak mekanik özellikleri zayıftır. Molibden, orta düzeydeki maliyeti, silikon kristallerindeki düşük difüzyon hızı ve kristal yapıyı tahrip etmeden önce belirli miktarda molibden kirlenmesine izin veren yaklaşık 5×108'lik çok düşük bir ayrışma katsayısı nedeniyle genellikle yüksek sıcaklık durumlarında makul bir şekilde kullanılır.
2. Isı yalıtım malzemeleri
En yaygın kullanılan yalıtım malzemesi çeşitli formlarda karbon keçedir. Karbon keçe, kısa bir mesafede termal radyasyonu birkaç kez engellediği için yalıtım görevi gören ince liflerden yapılır. Yumuşak karbon keçe, daha sonra istenen şekilde kesilen ve makul bir yarıçapa sıkıca bükülen nispeten ince malzeme tabakalarına dokunur. Sertleştirilmiş keçeler benzer lif malzemelerinden oluşur ve dağılmış lifleri daha sağlam ve şekilli bir nesneye bağlamak için karbon içeren bir bağlayıcı kullanılır. Bir bağlayıcı yerine karbonun kimyasal buhar birikiminin kullanılması, malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirebilir.
Tipik olarak, termal yalıtım kürleme keçesinin dış yüzeyi, erozyonu ve aşınmayı ve ayrıca partikül kontaminasyonunu azaltmak için sürekli bir grafit kaplama veya folyo ile kaplanır. Karbon köpüğü gibi diğer karbon bazlı termal yalıtım malzemeleri de mevcuttur. Genel olarak, grafitleştirilmiş malzemeler açıkça tercih edilir çünkü grafitleşme elyafın yüzey alanını büyük ölçüde azaltır. Bu yüksek yüzey alanlı malzemelerin gaz çıkışı büyük ölçüde azalır ve fırını uygun bir vakuma pompalamak daha az zaman alır. Bir diğeri ise hafiflik, yüksek hasar toleransı ve yüksek mukavemet gibi olağanüstü özelliklere sahip C/C kompozit malzemedir. Grafit parçaları değiştirmek için termal alanlarda kullanıldığında grafit parçaların değiştirilme sıklığını önemli ölçüde azaltır, monokristalin kalitesini ve üretim kararlılığını artırır.
Karbon keçe hammadde sınıflandırmasına göre poliakrilonitril esaslı karbon keçe, viskon esaslı karbon keçe ve zift esaslı karbon keçe olmak üzere üçe ayrılabilir.
Poliakrilonitril bazlı karbon keçe büyük bir kül içeriğine sahiptir. Yüksek sıcaklık işleminden sonra, tek elyaf kırılgan hale gelir. Çalışma sırasında, fırın ortamını kirletecek toz üretmek kolaydır. Aynı zamanda, elyaf insan sağlığına zararlı olan insan vücudunun gözeneklerine ve solunum yollarına kolayca girebilir. Viskon bazlı karbon keçe iyi bir termal yalıtım performansına sahiptir. Isıl işlemden sonra nispeten yumuşaktır ve toz üretmek kolay değildir. Ancak, viskon bazlı ham elyafın enine kesiti düzensizdir ve elyaf yüzeyinde birçok oluk vardır. CZ silikon fırınının oksitleyici atmosferi altında CO2 gibi gazların üretilmesi kolaydır ve bu da monokristalin silikon malzemede oksijen ve karbon elementlerinin çökelmesine neden olur. Ana üreticiler arasında Alman SGL ve diğer şirketler yer almaktadır. Şu anda, yarı iletken monokristalin endüstrisinde en yaygın kullanılan, viskon bazlı karbon keçeden daha kötü termal yalıtım performansına sahip olan zift bazlı karbon keçedir, ancak zift bazlı karbon keçe daha yüksek bir saflığa ve daha düşük bir toz emisyonuna sahiptir. Üreticiler arasında Japonya'nın Kureha Chemical ve Osaka Gas şirketleri de yer alıyor.
Karbon keçenin şekli sabit olmadığından, çalıştırılması elverişsizdir. Şimdi birçok şirket karbon keçe-kürlenmiş karbon keçeye dayalı yeni bir termal yalıtım malzemesi geliştirdi. Sert keçe olarak da adlandırılan kürlenmiş karbon keçe, yumuşak keçe reçine ile emprenye edildikten, lamine edildikten, kürlendikten ve karbonize edildikten sonra belirli bir şekle ve kendi kendine yeten özelliğe sahip bir karbon keçedir.
Monokristalin silikonun büyüme kalitesi doğrudan termal ortamdan etkilenir ve karbon fiber termal yalıtım malzemeleri bu ortamda önemli bir rol oynar. Karbon fiber termal yalıtım yumuşak keçe, maliyet avantajı, mükemmel termal yalıtım etkisi, esnek tasarımı ve özelleştirilebilir şekli nedeniyle fotovoltaik yarı iletken endüstrisinde hala önemli bir avantaja sahiptir. Ek olarak, karbon fiber sert termal yalıtım keçesi, belirli mukavemeti ve daha yüksek çalışabilirliği nedeniyle termal alan malzeme pazarında daha büyük bir geliştirme alanına sahip olacaktır. Termal yalıtım malzemeleri alanında araştırma ve geliştirmeye kendimizi adadık ve fotovoltaik yarı iletken endüstrisinin refahını ve gelişimini teşvik etmek için ürün performansını sürekli olarak optimize ediyoruz.
Gönderi zamanı: 12-Haz-2024