Працэс росту монакрышталічнага крэмнія цалкам ажыццяўляецца ў цеплавым полі. Добрае цеплавое поле спрыяе паляпшэнню якасці крышталяў і мае больш высокую эфектыўнасць крышталізацыі. Канструкцыя цеплавога поля ў значнай ступені вызначае змены тэмпературных градыентаў у дынамічным цеплавым полі і патоку газу ў камеры топкі. Розніца ў матэрыялах, якія выкарыстоўваюцца ў цеплавым полі, наўпрост вызначае тэрмін службы цеплавога поля. Неабгрунтаванае цеплавое поле не толькі ўскладняе вырошчванне крышталяў, якія адпавядаюць патрабаванням якасці, але і не можа вырасціць цалкам монакрышталічны пры пэўных патрабаваннях працэсу. Вось чаму прамысловасць монакрышталічнага крэмнію з прамой цягай разглядае праектаванне цеплавога поля як асноўную тэхналогію і ўкладвае велізарныя працоўныя і матэрыяльныя рэсурсы ў даследаванні і распрацоўку цеплавога поля.
Цеплавая сістэма складаецца з розных матэрыялаў цеплавога поля. Мы толькі коратка прадстаўляем матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў цеплавой сферы. Што тычыцца размеркавання тэмпературы ў цеплавым полі і яго ўплыву на выцягванне крышталя, мы не будзем аналізаваць яго тут. Матэрыял цеплавога поля адносіцца да структуры і цеплаізаляцыйнай часткі ў камеры вакуумнай печы росту крышталяў, якая важная для стварэння адпаведнага размеркавання тэмпературы вакол расплаву паўправадніка і крышталя.
1. Матэрыял структуры цеплавога поля
Асноўным дапаможным матэрыялам для метаду прамога выцягвання для вырошчвання монакрышталічнага крэмнію з'яўляецца графіт высокай чысціні. Графітавыя матэрыялы гуляюць вельмі важную ролю ў сучаснай прамысловасці. Іх можна выкарыстоўваць у якасці структурных кампанентаў цеплавога поля, напрыкладабагравальнікі, накіроўвалыя трубкі, тыглі, ізаляцыйныя трубкі, тыгельныя паддоны і інш. пры атрыманні монакрышталічнага крэмнію па метадзе Чахральскага.
Графітавыя матэрыялывыбраны таму, што іх лёгка прыгатаваць у вялікіх аб'ёмах, яны паддаюцца апрацоўцы і ўстойлівыя да высокіх тэмператур. Вуглярод у выглядзе алмаза або графіту мае больш высокую тэмпературу плаўлення, чым любы элемент або злучэнне. Графітавыя матэрыялы даволі трывалыя, асабліва пры высокіх тэмпературах, і іх электра- і цеплаправоднасць таксама даволі добрая. Яго электраправоднасць робіць яго прыдатным у якасці аабагравальнікматэрыял. Мае здавальняючы каэфіцыент цеплаправоднасці, што дазваляе раўнамерна размяркоўваць цяпло, якое выдзяляецца награвальнікам, на тыгель і іншыя часткі цеплавога поля. Аднак пры высокіх тэмпературах, асабліва на вялікіх адлегласцях, асноўным спосабам цеплааддачы з'яўляецца выпраменьванне.
Графітавыя дэталі першапачаткова вырабляюцца з дробных вугляродзістых часціц, змешаных са звязальным рэчывам і сфармаваных шляхам экструзіі або ізастатычнага прэсавання. Высакаякасныя дэталі з графіту звычайна ізастатычна прэсуюць. Увесь кавалак спачатку карбанізуецца, а потым графітуецца пры вельмі высокіх тэмпературах, блізкіх да 3000°C. Дэталі, апрацаваныя з гэтых суцэльных частак, звычайна ачышчаюцца ў атмасферы, якая змяшчае хлор, пры высокіх тэмпературах для выдалення металічных забруджванняў у адпаведнасці з патрабаваннямі паўправадніковай прамысловасці. Аднак нават пасля належнай ачысткі ўзровень забруджвання металам на некалькі парадкаў вышэй, чым дапушчальны для крэмніевых монакрышталічных матэрыялаў. Такім чынам, пры распрацоўцы цеплавога поля трэба быць асцярожным, каб прадухіліць трапленне гэтых кампанентаў у расплав або паверхню крышталя.
Графітавыя матэрыялы злёгку пранікаюць, што дазваляе пакінутаму ўнутры металу лёгка дабрацца да паверхні. Акрамя таго, монааксід крэмнію, які прысутнічае ў ачышчальным газе вакол паверхні графіту, можа пранікаць у большасць матэрыялаў і ўступаць у рэакцыю.
Першыя печы з монакрышталічнага крэмнію вырабляліся з тугаплаўкіх металаў, такіх як вальфрам і малібдэн. З павелічэннем сталасці тэхналогіі апрацоўкі графіту электрычныя ўласцівасці злучэння паміж графітавымі кампанентамі сталі стабільнымі, і награвальныя печы з монакрышталічнага крэмнію цалкам замянілі награвальнікі з вальфраму, малібдэна і іншых матэрыялаў. У цяперашні час найбольш шырока выкарыстоўваным графітавым матэрыялам з'яўляецца ізастатычны графіт. Тэхналогія падрыхтоўкі ізастатычнага графіту ў маёй краіне адносна адсталая, і большасць графітавых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў айчыннай фотаэлектрычнай прамысловасці, імпартуюцца з-за мяжы. Замежныя вытворцы ізастатычнага графіту ў асноўным уключаюць нямецкую SGL, японскую Tokai Carbon, японскую Toyo Tanso і інш. У печах Чахральскага з монакрышталічнага крэмнію часам выкарыстоўваюцца кампазітныя матэрыялы C/C, і яны пачалі выкарыстоўвацца для вытворчасці нітаў, гаек, тыгляў, нагрузкі пліты і іншыя кампаненты. Кампазіты вуглярод/вуглярод (C/C) - гэта армаваныя вугляродным валакном кампазіты на аснове вугляроду з шэрагам выдатных уласцівасцей, такіх як высокая ўдзельная трываласць, высокі ўдзельны модуль, нізкі каэфіцыент цеплавога пашырэння, добрая электраправоднасць, высокая трываласць на разрыў, нізкая ўдзельная вага, ўстойлівасць да тэрмічнага ўдару, устойлівасць да карозіі і ўстойлівасць да высокіх тэмператур. У цяперашні час яны шырока выкарыстоўваюцца ў аэракасмічнай прамысловасці, гонках, вытворчасці біяматэрыялаў і іншых галінах у якасці новых канструкцыйных матэрыялаў, устойлівых да высокіх тэмператур. У цяперашні час асноўнымі вузкімі месцамі, з якімі сутыкаюцца айчынныя C/C кампазіты, па-ранейшаму з'яўляюцца праблемы кошту і індустрыялізацыі.
Ёсць шмат іншых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца для стварэння цеплавых палёў. Армаваны вугляродным валакном графіт мае лепшыя механічныя ўласцівасці; але ён даражэй і мае іншыя патрабаванні да дызайну.Карбід крэмнію (SiC)з'яўляецца лепшым матэрыялам, чым графіт, у многіх аспектах, але гэта значна даражэй і складаней для падрыхтоўкі дэталяў вялікага аб'ёму. Тым не менш, SiC часта выкарыстоўваецца ў якасціCVD пакрыццёдля павелічэння тэрміну службы графітавых дэталяў, якія падвяргаюцца ўздзеянню агрэсіўнага газу монааксіду крэмнію, а таксама можа паменшыць забруджванне ад графіту. Шчыльнае CVD-пакрыццё з карбіду крэмнію эфектыўна прадухіляе трапленне забруджванняў ўнутры мікрапорыстага графітавага матэрыялу на паверхню.
Іншы - CVD вуглярод, які таксама можа ўтвараць шчыльны пласт над графітавай часткай. Іншыя матэрыялы, устойлівыя да высокіх тэмператур, такія як малібдэн або кераміка, якія могуць суіснаваць з навакольным асяроддзем, могуць выкарыстоўвацца там, дзе няма рызыкі забруджвання расплаву. Аднак аксідная кераміка, як правіла, абмежаваная ў сваёй прыдатнасці да графітавых матэрыялаў пры высокіх тэмпературах, і ёсць некалькі іншых варыянтаў, калі патрабуецца ізаляцыя. Адным з іх з'яўляецца шасцігранны нітрыд бору (часам яго называюць белым графітам з-за падобных уласцівасцяў), але механічныя ўласцівасці дрэнныя. Малібдэн звычайна разумна выкарыстоўваецца для сітуацый з высокімі тэмпературамі з-за яго ўмеранага кошту, нізкай хуткасці дыфузіі ў крышталях крэмнію і вельмі нізкага каэфіцыента сегрэгацыі каля 5×108, што дапускае пэўную колькасць забруджвання малібдэнам перад разбурэннем крышталічнай структуры.
2. Цеплаізаляцыйныя матэрыялы
Найбольш часта выкарыстоўваным ізаляцыйным матэрыялам з'яўляецца вугляродны лямец у розных формах. Вугляродны лямец зроблены з тонкіх валокнаў, якія дзейнічаюць як ізаляцыя, таму што яны некалькі разоў блакуюць цеплавое выпраменьванне на невялікай адлегласці. Мяккі вугляродны лямец сплятаецца ў адносна тонкія лісты матэрыялу, якія затым наразаюцца ў патрэбнай форме і шчыльна згінаюцца ў разумным радыусе. Зацвярдзелы лямец складаецца з падобных валаконных матэрыялаў, а злучнае, якое змяшчае вуглярод, выкарыстоўваецца для злучэння дысперсных валокнаў у больш трывалы аб'ект большай формы. Выкарыстанне хімічнага асаджэння вугляроду з паравай фазы замест злучнага можа палепшыць механічныя ўласцівасці матэрыялу.
Як правіла, вонкавая паверхня цеплаізаляцыйнага лямца пакрываецца суцэльным графітавым пакрыццём або фальгой для памяншэння эрозіі і зносу, а таксама забруджвання часціцамі. Існуюць і іншыя віды цеплаізаляцыйных матэрыялаў на аснове вугляроду, напрыклад, пенавуглярод. Увогуле, графітаваныя матэрыялы, відавочна, пераважней, таму што графітызацыі значна памяншае плошчу паверхні валакна. Вылучэнне газаў з гэтых матэрыялаў з вялікай плошчай паверхні значна памяншаецца, і патрабуецца менш часу, каб напампаваць печ да патрэбнага вакууму. Іншым з'яўляецца кампазітны матэрыял C/C, які валодае выдатнымі характарыстыкамі, такімі як лёгкі вага, высокая ўстойлівасць да пашкоджанняў і высокая трываласць. Выкарыстоўваецца ў цеплавых палях для замены графітавых дэталяў, што значна зніжае частату замены графітавых дэталяў, паляпшае якасць монакрышталяў і стабільнасць вытворчасці.
У адпаведнасці з класіфікацыяй сыравіны вугляродны лямец можна падзяліць на вугляродны лямец на аснове поліакрыланітрылу, вугляродны лямец на аснове віскозы і вугляродны лямец на аснове смалы.
Вугляродны лямец на аснове полиакрилонитрила адрозніваецца вялікай зольнасцю. Пасля апрацоўкі высокай тэмпературай асобнае валакно становіцца далікатным. Падчас працы лёгка ўтвараецца пыл, які забруджвае навакольнае асяроддзе печы. У той жа час абалоніна можа лёгка пранікаць у пары і дыхальныя шляхі чалавечага цела, што шкодзіць здароўю чалавека. Карбонавы лямец на аснове віскозы валодае добрымі цеплаізаляцыйнымі паказчыкамі. Ён адносна мяккі пасля тэрмічнай апрацоўкі і нялёгка ўтварае пыл. Аднак папярочны перасек неапрацаванага валакна на аснове віскозы няправільны, і на паверхні валакна шмат баразёнак. У акісляльнай атмасферы крамянёвай печы CZ лёгка ўтвараць такія газы, як C02, выклікаючы выпадзенне кіслароду і вугляродных элементаў у монакрышталічным крэмніевым матэрыяле. Сярод асноўных вытворцаў - нямецкая SGL і іншыя кампаніі. У цяперашні час у вытворчасці паўправадніковых монакрышталяў найбольш шырока выкарыстоўваецца вугляродны лямец на аснове смалы, які мае горшыя характарыстыкі цеплаізаляцыі, чым вугляродны лямец на аснове віскозы, але вугляродны лямец на аснове смалы мае больш высокую чысціню і меншае выкід пылу. Сярод вытворцаў - японскія Kureha Chemical і Osaka Gas.
Паколькі форма вугляроднага лямца не з'яўляецца фіксаванай, працаваць з ім нязручна. У цяперашні час многія кампаніі распрацавалі новы цеплаізаляцыйны матэрыял на аснове вугляроднага лямца, адверджанага вугляродным лямцам. Вугляродны лямец, таксама званы цвёрдым лямцом, - гэта вугляродны лямец з пэўнай формай і ўласцівасцю самападтрымкі пасля таго, як мяккі лямец прасякнуты смалой, ламінаваны, отверждены і карбонизирован.
На якасць росту монакрышталічнага крэмнію непасрэдна ўплывае цеплавое асяроддзе, і цеплаізаляцыйныя матэрыялы з вугляроднага валакна гуляюць у гэтым асяроддзі ключавую ролю. Цеплаізаляцыйны мяккі лямец з вугляроднага валакна па-ранейшаму мае значную перавагу ў прамысловасці фотаэлектрычных паўправаднікоў дзякуючы перавагам у кошце, выдатнаму цеплаізаляцыйнаму эфекту, гнуткай канструкцыі і наладжвальнай форме. Акрамя таго, цвёрды цеплаізаляцыйны лямец з вугляроднага валакна будзе мець большую прастору для развіцця на рынку матэрыялаў для цеплавога поля з-за яго пэўнай трываласці і больш высокай працаздольнасці. Мы імкнемся да даследаванняў і распрацовак у галіне цеплаізаляцыйных матэрыялаў і пастаянна аптымізуем прадукцыйнасць прадукцыі, каб спрыяць росквіту і развіццю прамысловасці фотаэлектрычных паўправаднікоў.
Час публікацыі: 12 чэрвеня 2024 г