El procés de creixement del silici monocristal·lí es realitza completament en el camp tèrmic. Un bon camp tèrmic és propici per millorar la qualitat dels cristalls i té una major eficiència de cristal·lització. El disseny del camp tèrmic determina en gran mesura els canvis en els gradients de temperatura en el camp tèrmic dinàmic i el flux de gas a la cambra del forn. La diferència en els materials utilitzats en el camp tèrmic determina directament la vida útil del camp tèrmic. Un camp tèrmic no raonable no només és difícil de fer créixer cristalls que compleixin els requisits de qualitat, sinó que també no pot créixer monocristal·lí complet sota determinats requisits de procés. És per això que la indústria del silici monocristal·lí d'atracció directa considera el disseny del camp tèrmic com la tecnologia més bàsica i inverteix enormes recursos materials i de mà d'obra en la investigació i el desenvolupament del camp tèrmic.
El sistema tèrmic està format per diversos materials de camp tèrmic. Només presentem breument els materials utilitzats en l'àmbit tèrmic. Pel que fa a la distribució de la temperatura en el camp tèrmic i el seu impacte en l'extracció del cristall, no l'analitzarem aquí. El material del camp tèrmic es refereix a l'estructura i a la part d'aïllament tèrmic de la cambra del forn de buit de creixement del cristall, que és essencial per crear una distribució de temperatura adequada al voltant de la fusió i el cristall dels semiconductors.
1. Material d'estructura de camp tèrmic
El material de suport bàsic per al mètode d'extracció directa per créixer silici monocristal·lí és el grafit d'alta puresa. Els materials de grafit tenen un paper molt important en la indústria moderna. Es poden utilitzar com a components estructurals de camp de calor com araescalfadors, tubs guia, gresols, tubs aïllants, safates de gresol, etc. en la preparació de silici monocristal·lí pel mètode Czochralski.
Materials de grafites seleccionen perquè són fàcils de preparar en grans volums, es poden processar i són resistents a altes temperatures. El carboni en forma de diamant o grafit té un punt de fusió més alt que qualsevol element o compost. Els materials de grafit són força forts, especialment a altes temperatures, i la seva conductivitat elèctrica i tèrmica també és força bona. La seva conductivitat elèctrica el fa adequat com aescalfadormaterial. Té un coeficient de conductivitat tèrmica satisfactori, que permet que la calor generada per l'escalfador es distribueixi uniformement al gresol i altres parts del camp de calor. Tanmateix, a altes temperatures, especialment a llargues distàncies, el principal mode de transferència de calor és la radiació.
Les peces de grafit estan fetes inicialment de fines partícules carbonades barrejades amb un aglutinant i formades per extrusió o premsat isostàtica. Les peces de grafit d'alta qualitat solen ser premsades isostàticament. Primer es carboniza tota la peça i després es grafititza a temperatures molt elevades, properes als 3000°C. Les peces processades a partir d'aquestes peces senceres se solen purificar en una atmosfera que conté clor a altes temperatures per eliminar la contaminació metàl·lica per satisfer els requisits de la indústria dels semiconductors. Tanmateix, fins i tot després d'una purificació adequada, el nivell de contaminació metàl·lica és diversos ordres de magnitud superior al permès per als materials monocristal·lins de silici. Per tant, s'ha de tenir cura en el disseny del camp tèrmic per evitar que la contaminació d'aquests components entri a la superfície de fusió o cristall.
Els materials de grafit són lleugerament permeables, cosa que facilita que el metall restant a l'interior arribi a la superfície. A més, el monòxid de silici present al gas de purga al voltant de la superfície del grafit pot penetrar a la majoria de materials i reaccionar.
Els primers escalfadors de forn de silici monocristal·lí estaven fets de metalls refractaris com el tungstè i el molibdè. Amb la maduresa creixent de la tecnologia de processament de grafit, les propietats elèctriques de la connexió entre els components de grafit s'han tornat estables i els escalfadors de forn de silici monocristal·lí han substituït completament els escalfadors de tungstè, molibdè i altres materials. Actualment, el material de grafit més utilitzat és el grafit isostàtic. La tecnologia de preparació de grafit isostàtic del meu país és relativament endarrerida i la majoria dels materials de grafit utilitzats a la indústria fotovoltaica nacional s'importen de l'estranger. Els fabricants estrangers de grafit isostàtic inclouen principalment SGL d'Alemanya, Tokai Carbon del Japó, Toyo Tanso del Japó, etc. Als forns de silici monocristal·lí de Czochralski, de vegades s'utilitzen materials compostos C/C i s'han començat a utilitzar per fabricar cargols, femelles, gresols, càrrega. plaques i altres components. Els compostos de carboni/carboni (C/C) són compostos basats en carboni reforçats amb fibra de carboni amb una sèrie d'excel·lents propietats com ara una alta resistència específica, alt mòdul específic, baix coeficient d'expansió tèrmica, bona conductivitat elèctrica, alta tenacitat a la fractura, baixa gravetat específica, resistència al xoc tèrmic, resistència a la corrosió i resistència a altes temperatures. Actualment, s'utilitzen àmpliament en aeroespacials, carreres, biomaterials i altres camps com a nous materials estructurals resistents a altes temperatures. En l'actualitat, els principals colls d'ampolla amb què es troben els compostos C/C nacionals segueixen sent problemes de costos i industrialització.
Hi ha molts altres materials utilitzats per fer camps tèrmics. El grafit reforçat amb fibra de carboni té millors propietats mecàniques; però és més car i té altres requisits de disseny.Carbur de silici (SiC)és un material millor que el grafit en molts aspectes, però és molt més car i difícil de preparar peces de gran volum. Tanmateix, el SiC s'utilitza sovint com aRecobriment CVDper augmentar la vida útil de les peces de grafit exposades al gas de monòxid de silici corrosiu i també pot reduir la contaminació del grafit. El dens recobriment de carbur de silici CVD evita eficaçment que els contaminants dins del material de grafit microporós arribin a la superfície.
Un altre és el carboni CVD, que també pot formar una capa densa per sobre de la part de grafit. Altres materials resistents a altes temperatures, com el molibdè o els materials ceràmics que poden conviure amb l'entorn, es poden utilitzar on no hi hagi risc de contaminar la fosa. Tanmateix, les ceràmiques d'òxid generalment estan limitades en la seva aplicabilitat als materials de grafit a altes temperatures, i hi ha poques opcions més si es requereix un aïllament. Un és el nitrur de bor hexagonal (de vegades anomenat grafit blanc a causa de propietats similars), però les propietats mecàniques són pobres. El molibdè s'utilitza generalment de manera raonable per a situacions d'alta temperatura a causa del seu cost moderat, la seva baixa velocitat de difusió en cristalls de silici i un coeficient de segregació molt baix d'uns 5 × 108, que permet una certa quantitat de contaminació per molibdè abans de destruir l'estructura cristal·lina.
2. Materials d'aïllament tèrmic
El material aïllant més utilitzat és el feltre de carboni en diverses formes. El feltre de carboni està fet de fibres primes, que actuen com a aïllament perquè bloquegen la radiació tèrmica diverses vegades a una distància curta. El feltre de carboni suau es teixeix en làmines de material relativament primes, que després es tallen a la forma desitjada i es dobleguen fortament en un radi raonable. Els feltres curats es componen de materials de fibra similars i s'utilitza un aglutinant que conté carboni per connectar les fibres disperses en un objecte més sòlid i amb forma. L'ús de la deposició química de vapor de carboni en lloc d'un aglutinant pot millorar les propietats mecàniques del material.
Normalment, la superfície exterior del feltre de curat d'aïllament tèrmic està recoberta amb un recobriment o làmina de grafit continu per reduir l'erosió i el desgast, així com la contaminació per partícules. També existeixen altres tipus de materials d'aïllament tèrmic basats en carboni, com l'escuma de carboni. En general, els materials grafitats són òbviament preferits perquè la grafitització redueix molt la superfície de la fibra. La desgasificació d'aquests materials de gran superfície es redueix molt i es necessita menys temps per bombejar el forn a un buit adequat. Un altre és el material compost C/C, que té característiques destacades com ara pes lleuger, alta tolerància a danys i alta resistència. S'utilitza en camps tèrmics per substituir peces de grafit redueix significativament la freqüència de substitució de peces de grafit, millora la qualitat monocristal·lina i l'estabilitat de la producció.
Segons la classificació de les matèries primeres, el feltre de carboni es pot dividir en feltre de carboni a base de poliacrilonitril, feltre de carboni a base de viscosa i feltre de carboni a base de breu.
El feltre de carboni a base de poliacrilonitril té un gran contingut de cendres. Després del tractament a alta temperatura, la fibra única es torna trencadissa. Durant el funcionament, és fàcil generar pols per contaminar l'entorn del forn. Al mateix temps, la fibra pot entrar fàcilment als porus i al tracte respiratori del cos humà, cosa que és perjudicial per a la salut humana. El feltre de carboni a base de viscosa té un bon rendiment d'aïllament tèrmic. És relativament suau després del tractament tèrmic i no és fàcil generar pols. Tanmateix, la secció transversal de la fibra bruta a base de viscosa és irregular i hi ha moltes ranures a la superfície de la fibra. És fàcil generar gasos com el CO2 sota l'atmosfera oxidant del forn de silici CZ, provocant la precipitació d'elements d'oxigen i carboni en el material de silici monocristal·lí. Els principals fabricants inclouen German SGL i altres empreses. Actualment, el més utilitzat a la indústria monocristal·lí de semiconductors és el feltre de carboni basat en brea, que té un rendiment d'aïllament tèrmic pitjor que el feltre de carboni basat en viscosa, però el feltre de carboni basat en brea té una puresa més alta i una menor emissió de pols. Els fabricants inclouen Kureha Chemical del Japó i Osaka Gas.
Com que la forma del feltre de carboni no està fixada, és inconvenient operar. Ara moltes empreses han desenvolupat un nou material d'aïllament tèrmic basat en feltre de carboni curat amb feltre. El feltre de carboni curat, també anomenat feltre dur, és un feltre de carboni amb una certa forma i propietats autosostenibles després que el feltre tou sigui impregnat de resina, laminat, curat i carbonitzat.
La qualitat de creixement del silici monocristal·lí es veu afectada directament per l'entorn tèrmic, i els materials d'aïllament tèrmic de fibra de carboni tenen un paper clau en aquest entorn. El feltre suau d'aïllament tèrmic de fibra de carboni encara té un avantatge significatiu en la indústria dels semiconductors fotovoltaics a causa del seu avantatge de costos, un excel·lent efecte d'aïllament tèrmic, un disseny flexible i una forma personalitzable. A més, el feltre d'aïllament tèrmic dur de fibra de carboni tindrà un major espai de desenvolupament al mercat de materials de camp tèrmic a causa de la seva certa resistència i major operativitat. Estem compromesos amb la investigació i el desenvolupament en el camp dels materials d'aïllament tèrmic i optimitzem contínuament el rendiment del producte per promoure la prosperitat i el desenvolupament de la indústria de semiconductors fotovoltaics.
Hora de publicació: 12-juny-2024