Процесът на растеж на монокристалния силиций се осъществява изцяло в термичното поле. Доброто термично поле е благоприятно за подобряване на качеството на кристалите и има по-висока ефективност на кристализация. Дизайнът на термичното поле до голяма степен определя промените в температурните градиенти в динамичното термично поле и потока газ в камерата на пещта. Разликата в използваните материали в термичното поле пряко определя експлоатационния живот на термичното поле. Неразумното термично поле е не само трудно за отглеждане на кристали, които отговарят на изискванията за качество, но също така не може да израсне напълно монокристален при определени изисквания на процеса. Ето защо индустрията на монокристален силиций с директно изтегляне разглежда дизайна на термичното поле като най-основната технология и инвестира огромни човешки ресурси и материални ресурси в изследване и развитие на термично поле.
Термичната система е съставена от различни материали за термично поле. Ние само накратко представяме материалите, използвани в термичната област. Що се отнася до разпределението на температурата в топлинното поле и влиянието му върху издърпването на кристала, ние няма да го анализираме тук. Материалът на термичното поле се отнася до структурата и топлоизолационната част в камерата на вакуумната пещ за растеж на кристали, което е от съществено значение за създаване на подходящо разпределение на температурата около полупроводниковата стопилка и кристала.
1. Материал на структурата на термично поле
Основният поддържащ материал за метода на директно издърпване за отглеждане на монокристален силиций е графитът с висока чистота. Графитните материали играят много важна роля в съвременната индустрия. Те могат да се използват като структурни компоненти на топлинно поле катонагреватели, направляващи тръби, тигели, изолационни тръби, тарелки за тигели и др. при получаването на монокристален силиций по метода на Чохралски.
Графитни материалиса избрани, защото са лесни за приготвяне в големи обеми, могат да се обработват и са устойчиви на високи температури. Въглеродът под формата на диамант или графит има по-висока точка на топене от всеки елемент или съединение. Графитните материали са доста здрави, особено при високи температури, а тяхната електрическа и топлопроводимост също е доста добра. Електрическата му проводимост го прави подходящ катонагревателматериал. Има задоволителен коефициент на топлопроводимост, което позволява генерираната от нагревателя топлина да се разпределя равномерно към тигела и другите части на топлинното поле. Въпреки това, при високи температури, особено на дълги разстояния, основният начин на пренос на топлина е радиацията.
Графитните части първоначално са направени от фини въглеродни частици, смесени със свързващо вещество и оформени чрез екструзия или изостатично пресоване. Висококачествените графитни части обикновено са изостатично пресовани. Цялото парче първо е карбонизирано и след това графитизирано при много високи температури, близо до 3000°C. Частите, обработени от тези цели части, обикновено се пречистват в атмосфера, съдържаща хлор, при високи температури, за да се отстрани замърсяването с метал, за да се отговори на изискванията на полупроводниковата индустрия. Въпреки това, дори след правилно пречистване, нивото на замърсяване с метали е с няколко порядъка по-високо от допустимото за силициеви монокристални материали. Следователно трябва да се внимава при проектирането на термичното поле, за да се предотврати навлизането на замърсяване на тези компоненти в стопилката или кристалната повърхност.
Графитните материали са леко пропускливи, което улеснява оставащия метал вътре да достигне повърхността. В допълнение, силициевият моноксид, присъстващ в продухващия газ около графитната повърхност, може да проникне в повечето материали и да реагира.
Ранните нагреватели на монокристални силициеви пещи са направени от огнеупорни метали като волфрам и молибден. С нарастващата зрялост на технологията за обработка на графит, електрическите свойства на връзката между графитните компоненти станаха стабилни и нагревателите от монокристални силициеви пещи напълно замениха нагревателите от волфрам, молибден и други материали. Понастоящем най-широко използваният графитен материал е изостатичният графит. технологията за получаване на изостатичен графит в моята страна е сравнително изостанала и повечето от графитните материали, използвани в местната фотоволтаична индустрия, се внасят от чужбина. Чуждестранните производители на изостатичен графит включват главно германската SGL, японската Tokai Carbon, японската Toyo Tanso и т.н. В пещите за монокристален силиций Czochralski понякога се използват C/C композитни материали и те започнаха да се използват за производство на болтове, гайки, тигели, натоварване плочи и други компоненти. Композитите въглерод/въглерод (C/C) са подсилени с въглеродни влакна композити на базата на въглерод със серия от отлични свойства като висока специфична якост, висок специфичен модул, нисък коефициент на термично разширение, добра електрическа проводимост, висока якост на счупване, ниско специфично тегло, устойчивост на термичен удар, устойчивост на корозия и устойчивост на висока температура. Понастоящем те се използват широко в космическото пространство, състезанията, биоматериалите и други области като нови устойчиви на висока температура структурни материали. Понастоящем основните пречки, с които се сблъскват местните C/C композити, все още са проблеми с разходите и индустриализацията.
Има много други материали, използвани за създаване на термични полета. Подсиленият с въглеродни влакна графит има по-добри механични свойства; но е по-скъп и има други изисквания към дизайна.Силициев карбид (SiC)е по-добър материал от графита в много аспекти, но е много по-скъп и труден за изготвяне на части с голям обем. SiC обаче често се използва като aCVD покритиеза увеличаване на живота на графитните части, изложени на корозивен газ силициев оксид, и може също да намали замърсяването от графит. Плътното CVD покритие от силициев карбид ефективно предотвратява достигането на повърхността на замърсители вътре в микропорестия графитен материал.
Друг е CVD въглеродът, който също може да образува плътен слой над графитната част. Други материали, устойчиви на висока температура, като молибден или керамични материали, които могат да съществуват съвместно с околната среда, могат да се използват, когато няма риск от замърсяване на стопилката. Въпреки това, оксидната керамика обикновено е ограничена в своята приложимост към графитни материали при високи температури и има няколко други опции, ако се изисква изолация. Единият е хексагонален борен нитрид (понякога наричан бял графит поради подобни свойства), но механичните свойства са лоши. Молибденът обикновено се използва разумно за високотемпературни ситуации поради неговата умерена цена, ниска скорост на дифузия в силициевите кристали и много нисък коефициент на сегрегация от около 5 × 108, което позволява известно количество молибденово замърсяване преди разрушаване на кристалната структура.
2. Топлоизолационни материали
Най-често използваният изолационен материал е въглероден филц в различни форми. Въглеродният филц е направен от тънки влакна, които действат като изолация, тъй като блокират топлинното излъчване многократно на кратко разстояние. Мекият въглероден филц се изтъкава в сравнително тънки листове материал, които след това се нарязват в желаната форма и плътно се огъват в разумен радиус. Втвърдените филцове са съставени от подобни влакнести материали и се използва свързващо вещество, съдържащо въглерод, за да се свържат диспергираните влакна в по-здрав и оформен обект. Използването на химическо парно отлагане на въглерод вместо свързващо вещество може да подобри механичните свойства на материала.
Обикновено външната повърхност на термоизолационния втвърдяващ се филц е покрита с непрекъснато графитено покритие или фолио, за да се намали ерозията и износването, както и замърсяването с частици. Съществуват и други видове топлоизолационни материали на базата на въглерод, като например въглеродна пяна. Като цяло графитизираните материали очевидно са предпочитани, тъй като графитизацията значително намалява повърхностната площ на влакното. Отделянето на газове от тези материали с висока повърхност е значително намалено и отнема по-малко време за изпомпване на пещта до подходящ вакуум. Друг е C/C композитен материал, който има изключителни характеристики като леко тегло, висока устойчивост на повреди и висока якост. Използва се в термични полета за замяна на графитни части, значително намалява честотата на смяна на графитни части, подобрява монокристалното качество и стабилността на производството.
Според класификацията на суровините въглеродният филц може да бъде разделен на въглероден филц на основата на полиакрилонитрил, въглероден филц на базата на вискоза и въглероден филц на базата на смола.
Въглеродният филц на основата на полиакрилонитрил има голямо съдържание на пепел. След обработка с висока температура, единичното влакно става крехко. По време на работа е лесно да се генерира прах, който да замърсява околната среда на пещта. В същото време фибрите могат лесно да навлязат в порите и дихателните пътища на човешкото тяло, което е вредно за човешкото здраве. Въглероден филц на основата на вискоза има добри топлоизолационни характеристики. Той е сравнително мек след топлинна обработка и не е лесно да генерира прах. Въпреки това, напречното сечение на суровото влакно на базата на вискоза е неправилно и има много канали по повърхността на влакното. Лесно е да се генерират газове като C02 под окислителната атмосфера на CZ силициевата пещ, причинявайки утаяване на кислород и въглеродни елементи в монокристалния силициев материал. Основните производители включват немската SGL и други компании. Понастоящем най-широко използваният в полупроводниковата монокристална индустрия е въглероден филц на базата на смола, който има по-лоши топлоизолационни характеристики от въглеродния филц на базата на вискоза, но въглеродният филц на базата на смола има по-висока чистота и по-ниски емисии на прах. Сред производителите са японските Kureha Chemical и Osaka Gas.
Тъй като формата на въглеродния филц не е фиксирана, работата с него е неудобна. Сега много компании са разработили нов топлоизолационен материал на базата на втвърден въглероден филц. Втвърден въглероден филц, наричан още твърд филц, е въглероден филц с определена форма и самоподдържащо се свойство, след като мекият филц е импрегниран със смола, ламиниран, втвърден и карбонизиран.
Качеството на растеж на монокристалния силиций се влияе пряко от топлинната среда, а топлоизолационните материали от въглеродни влакна играят ключова роля в тази среда. Топлоизолационният мек филц от въглеродни влакна все още има значително предимство във фотоволтаичната полупроводникова индустрия поради своето предимство в цената, отличния топлоизолационен ефект, гъвкавия дизайн и персонализираната форма. В допълнение, твърдият топлоизолационен филц от въглеродни влакна ще има по-голямо пространство за развитие на пазара на материали за термично поле поради определената си здравина и по-висока оперативност. Ние се ангажираме с изследвания и разработки в областта на топлоизолационните материали и непрекъснато оптимизираме производителността на продуктите, за да насърчим просперитета и развитието на индустрията за фотоволтаични полупроводници.
Време на публикуване: 12 юни 2024 г