Proces rasta monokristalnog silicijuma u potpunosti se odvija u termičkom polju. Dobro termalno polje pogoduje poboljšanju kvaliteta kristala i ima veću efikasnost kristalizacije. Dizajn termičkog polja u velikoj mjeri određuje promjene temperaturnih gradijenata u dinamičkom toplinskom polju i protok plina u komori peći. Razlika u materijalima koji se koriste u termičkom polju direktno određuje vijek trajanja termičkog polja. Nerazumno termalno polje ne samo da je teško uzgajati kristale koji ispunjavaju zahtjeve kvaliteta, već se ne mogu razviti i potpuni monokristalni pod određenim zahtjevima procesa. Zbog toga industrija monokristalnog silicijuma direktnog povlačenja smatra dizajn termičkih polja najosnovniju tehnologiju i ulaže ogromne ljudske snage i materijalne resurse u istraživanje i razvoj termičkih polja.
Termalni sistem se sastoji od različitih materijala termičkog polja. Samo ukratko predstavljamo materijale koji se koriste u termalnom polju. Što se tiče raspodjele temperature u termičkom polju i njenog utjecaja na povlačenje kristala, ovdje je nećemo analizirati. Materijal toplotnog polja odnosi se na strukturu i termoizolacioni deo u komori vakuumske peći rasta kristala, što je neophodno za stvaranje odgovarajuće raspodele temperature oko taline poluprovodnika i kristala.
1. Materijal strukture toplotnog polja
Osnovni potporni materijal za metodu direktnog povlačenja za uzgoj monokristalnog silicijuma je grafit visoke čistoće. Grafitni materijali igraju veoma važnu ulogu u savremenoj industriji. Mogu se koristiti kao strukturne komponente toplotnog polja kao nprgrijalice, vodilice, crucibles, izolacijske cijevi, posude za lončiće itd. u pripremi monokristalnog silicija metodom Czochralskog.
Grafitni materijaliodabrani su jer se lako pripremaju u velikim količinama, mogu se prerađivati i otporni su na visoke temperature. Ugljik u obliku dijamanta ili grafita ima višu tačku topljenja od bilo kojeg elementa ili spoja. Grafitni materijali su prilično jaki, posebno na visokim temperaturama, a njihova električna i toplinska provodljivost je također prilično dobra. Njegova električna provodljivost ga čini pogodnim kao agrijačmaterijal. Ima zadovoljavajući koeficijent toplotne provodljivosti, koji omogućava da se toplota koju stvara grejač ravnomerno raspoređuje na lončić i druge delove toplotnog polja. Međutim, pri visokim temperaturama, posebno na velikim udaljenostima, glavni način prijenosa topline je zračenje.
Grafitni dijelovi su u početku izrađeni od finih karbonskih čestica pomiješanih s vezivom i formiranih ekstruzijom ili izostatičkim presovanjem. Visokokvalitetni grafitni dijelovi se obično izostatički prešu. Cijeli komad se prvo karbonizira, a zatim grafitizira na vrlo visokim temperaturama, blizu 3000°C. Dijelovi prerađeni od ovih cijelih komada obično se pročišćavaju u atmosferi koja sadrži hlor na visokim temperaturama kako bi se uklonila kontaminacija metala kako bi se ispunili zahtjevi industrije poluvodiča. Međutim, čak i nakon pravilnog pročišćavanja, nivo kontaminacije metalom je nekoliko redova veličine veći od dozvoljenog za silicijumske monokristalne materijale. Stoga se mora voditi računa o dizajnu termičkog polja kako bi se spriječilo da kontaminacija ovih komponenti uđe na površinu rastaline ili kristala.
Grafitni materijali su blago propusni, što olakšava preostalom metalu unutra da dopre do površine. Osim toga, silicijum monoksid prisutan u plinu za pročišćavanje oko površine grafita može prodrijeti u većinu materijala i reagirati.
Rani monokristalni silicijumski grijači za peći bili su napravljeni od vatrostalnih metala kao što su volfram i molibden. Sa rastućom zrelošću tehnologije obrade grafita, električna svojstva veze između grafitnih komponenti su postala stabilna, a grijači peći od monokristalnog silicija u potpunosti su zamijenili grijače od volframa, molibdena i drugih materijala. Trenutno je najrasprostranjeniji grafitni materijal izostatski grafit. Tehnologija pripreme izostatičkog grafita u mojoj zemlji je relativno zaostala, a većina grafitnih materijala koji se koriste u domaćoj fotonaponskoj industriji uvozi se iz inostranstva. Strani proizvođači izostatičnog grafita uglavnom uključuju njemački SGL, japanski Tokai Carbon, japanski Toyo Tanso, itd. U pećima na monokristalni silicijum Czochralski ponekad se koriste C/C kompozitni materijali, koji su počeli da se koriste za proizvodnju vijaka, matica, lonaca, lonca. ploče i druge komponente. Ugljik/ugljik (C/C) kompoziti su kompoziti na bazi ugljika ojačani karbonskim vlaknima sa nizom odličnih svojstava kao što su visoka specifična čvrstoća, visoki specifični modul, nizak koeficijent toplinskog širenja, dobra električna provodljivost, visoka žilavost loma, niska specifična težina, otpornost na termalni udar, otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature. Trenutno se široko koriste u vazduhoplovstvu, trkama, biomaterijalima i drugim poljima kao novi konstrukcijski materijali otporni na visoke temperature. Trenutno, glavna uska grla s kojima se susreću domaći C/C kompoziti su još uvijek pitanja troškova i industrijalizacije.
Postoje mnogi drugi materijali koji se koriste za izradu termalnih polja. Grafit ojačan karbonskim vlaknima ima bolja mehanička svojstva; ali je skuplji i ima druge zahtjeve za dizajn.Silicijum karbid (SiC)je bolji materijal od grafita u mnogim aspektima, ali je mnogo skuplji i težak za pripremu dijelova velike zapremine. Međutim, SiC se često koristi kao aCVD premazkako bi se produžio vijek trajanja grafitnih dijelova izloženih korozivnom plinu silicijum monoksida, a također može smanjiti kontaminaciju od grafita. Gusti CVD premaz od silicijum karbida efikasno sprečava da zagađivači unutar mikroporoznog grafitnog materijala dođu do površine.
Drugi je CVD ugljik, koji također može formirati gust sloj iznad grafitnog dijela. Ostali materijali otporni na visoke temperature, kao što su molibden ili keramički materijali koji mogu koegzistirati s okolinom, mogu se koristiti tamo gdje ne postoji rizik od kontaminacije taline. Međutim, oksidna keramika je općenito ograničena u svojoj primjenjivosti na grafitne materijale na visokim temperaturama, a postoji nekoliko drugih opcija ako je potrebna izolacija. Jedan je heksagonalni bor nitrid (koji se ponekad naziva bijeli grafit zbog sličnih svojstava), ali su mehanička svojstva loša. Molibden se općenito razumno koristi za situacije s visokim temperaturama zbog svoje umjerene cijene, niske stope difuzije u kristalima silicija i vrlo niskog koeficijenta segregacije od oko 5×108, koji dozvoljava određenu količinu kontaminacije molibdenom prije uništavanja kristalne strukture.
2. Termoizolacioni materijali
Najčešće korišteni izolacijski materijal je karbonski filc u različitim oblicima. Karbonski filc je napravljen od tankih vlakana, koja djeluju kao izolacija jer blokiraju toplinsko zračenje više puta na kratkoj udaljenosti. Mekani karbonski filc je utkan u relativno tanke listove materijala, koji se zatim režu u željeni oblik i čvrsto savijaju u razumnom radijusu. Osušeni filc sastoje se od sličnih vlaknastih materijala, a vezivo koje sadrži ugljik koristi se za povezivanje dispergiranih vlakana u čvršći i oblikovaniji predmet. Upotreba hemijskog taloženja ugljika iz pare umjesto veziva može poboljšati mehanička svojstva materijala.
Tipično, vanjska površina termoizolacijskog filca za očvršćavanje je obložena kontinuiranim grafitnim premazom ili folijom kako bi se smanjila erozija i habanje, kao i kontaminacija česticama. Postoje i druge vrste termoizolacionih materijala na bazi ugljenika, kao što je ugljenična pjena. Općenito, grafitizirani materijali su očito poželjniji jer grafitizacija uvelike smanjuje površinu vlakana. Otplinjavanje ovih materijala velike površine je uvelike smanjeno i potrebno je manje vremena za pumpanje peći do odgovarajućeg vakuuma. Drugi je C/C kompozitni materijal, koji ima izvanredne karakteristike kao što su mala težina, visoka tolerancija oštećenja i visoka čvrstoća. Korištenje u termičkim poljima za zamjenu grafitnih dijelova značajno smanjuje učestalost zamjene grafitnih dijelova, poboljšava monokristalni kvalitet i stabilnost proizvodnje.
Prema klasifikaciji sirovina, karbonski filc se može podijeliti na karbonski filc na bazi poliakrilonitrila, ugljični filc na bazi viskoze i karbonski filc na bazi smole.
Ugljični filc na bazi poliakrilonitrila ima veliki sadržaj pepela. Nakon tretmana na visokim temperaturama, jedno vlakno postaje krhko. Tokom rada, lako se stvara prašina koja zagađuje okolinu peći. Istovremeno, vlakna mogu lako ući u pore i respiratorni trakt ljudskog tijela, što je štetno za ljudsko zdravlje. Karbonski filc na bazi viskoze ima dobre performanse toplotne izolacije. Relativno je mekan nakon termičke obrade i nije lako stvoriti prašinu. Međutim, poprečni presjek sirovog vlakna na bazi viskoze je nepravilan, a na površini vlakana ima mnogo žljebova. Lako je stvoriti plinove kao što je C02 u oksidirajućoj atmosferi CZ silicijumske peći, uzrokujući taloženje kisika i ugljičnih elemenata u monokristalnom silicijumskom materijalu. Glavni proizvođači su njemački SGL i druge kompanije. Trenutno se u industriji poluvodičkih monokristalnih materijala najviše koristi karbonski filc na bazi smole, koji ima lošije performanse toplinske izolacije od ugljičnog filca na bazi viskoze, ali ugljični filc na bazi smole ima veću čistoću i nižu emisiju prašine. Proizvođači su japanski Kureha Chemical i Osaka Gas.
Budući da oblik karbonskog filca nije fiksiran, nezgodan je za rukovanje. Sada su mnoge kompanije razvile novi termoizolacioni materijal baziran na ugljičnom filcu osušenom karbonskom filcom. Stvrdnuti karbonski filc, koji se naziva i tvrdi filc, je karbonski filc određenog oblika i samoodrživog svojstva nakon što je meki filc impregniran smolom, laminiran, očvrsnuo i karboniziran.
Na kvalitet rasta monokristalnog silicijuma direktno utiče toplotno okruženje, a termoizolacioni materijali od ugljeničnih vlakana igraju ključnu ulogu u ovom okruženju. Toplotna izolacija od karbonskih vlakana, mekani filc i dalje ima značajnu prednost u industriji fotonaponskih poluvodiča zbog svoje prednosti u cijeni, odličnog efekta toplinske izolacije, fleksibilnog dizajna i prilagodljivog oblika. Osim toga, filc za tvrdu termoizolaciju od karbonskih vlakana imat će veći razvojni prostor na tržištu materijala za toplinsko polje zbog svoje određene čvrstoće i veće operativnosti. Posvećeni smo istraživanju i razvoju u oblasti termoizolacionih materijala, i kontinuirano optimizujemo performanse proizvoda kako bismo promovisali prosperitet i razvoj industrije fotonaponskih poluprovodnika.
Vrijeme objave: Jun-12-2024