U prucessu di crescita di silicium monocristalinu hè cumpletamente realizatu in u campu termale. Un bonu campu termale conduce à migliurà a qualità di i cristalli è hà una efficienza di cristallizazione più altu. U disignu di u campu termale determina largamente i cambiamenti in i gradienti di temperatura in u campu termale dinamicu è u flussu di gas in a camera di furnace. A diferenza in i materiali utilizati in u campu termale determina direttamente a vita di serviziu di u campu termale. Un campu termale irragionevule ùn hè micca solu difficiuli di cultivà cristalli chì rispondenu à i requisiti di qualità, ma ancu ùn pò micca cultivà monocristalline cumpletu sottu certi requisiti di prucessu. Hè per quessa chì l'industria di u silicuu monocristallino à tirazione diretta cunsidereghja u disignu di u campu termale cum'è a tecnulugia più core è investe enormi risorse umane è materiali in a ricerca è u sviluppu di u campu termale.
U sistema termale hè cumpostu di diversi materiali di campu termale. Prestu solu brevemente i materiali utilizati in u campu termale. In quantu à a distribuzione di a temperatura in u campu termale è u so impattu nantu à u pulling di cristalli, ùn avemu micca analizà quì. U materiale di u campu termale si riferisce à a struttura è a parte di l'insulazione termale in a camera di furnace à vacuum di crescita di cristalli, chì hè essenziale per creà una distribuzione di temperatura adattata intornu à a fusione è u cristallu di semiconductor.
1. Materiale struttura di campu termale
U materiale di supportu di basa per u metudu di pull-direct per cultivà silicium monocristalinu hè grafite d'alta purezza. I materiali di grafite ghjucanu un rolu assai impurtante in l'industria muderna. Puderanu esse aduprati cum'è cumpunenti strutturali di u campu di calore cum'èriscaldatori, tubi guida, cruciuli, tubi insulation, crucible vassoi, etc. in a preparazione di silicium monocrystalline da u metu Czochralski.
Materiali di grafitesò selezziunati perchè sò faciuli di preparà in volumi grossi, ponu esse processati è sò resistenti à l'alte temperature. U carbone in forma di diamante o grafitu hà un puntu di fusione più altu ch'è qualsiasi elementu o compostu. I materiali di grafite sò abbastanza forti, soprattuttu à e alte temperature, è a so cunduttività elettrica è termale hè ancu abbastanza bona. A so cunductività elettrica rende adattatu cum'è ariscaldatoremateriale. Havi un coefficient di conductività termale satisfactoriu, chì permette chì u calore generatu da u calefactore sia distribuitu uniformemente à u crucible è à altre parti di u campu di calore. In ogni casu, à alte temperature, soprattuttu à longu distanzi, u modu principale di trasferimentu di calore hè a radiazione.
I pezzi di grafite sò inizialmente fatti di particelle di carbone fini mischiate cù un legante è formate da estrusione o pressing isostatic. E parti di grafite d'alta qualità sò generalmente pressate isostaticamente. U pezzu sanu hè prima carbonizatu è dopu grafitizatu à temperature assai elevate, vicinu à 3000 ° C. E parti trattate da sti pezzi sanu sò generalmente purificati in una atmosfera chì cuntene cloru à alte temperature per sguassà a contaminazione di metalli per risponde à i bisogni di l'industria di i semiconduttori. In ogni casu, ancu dopu a purificazione propria, u livellu di contaminazione di metalli hè parechji ordini di grandezza più altu di quellu permessu per i materiali monocristallini di silicium. Dunque, a cura deve esse presa in u disignu di u campu termale per impedisce a contaminazione di sti cumpunenti da entra in a superficia di fusione o di cristallo.
I materiali di grafite sò ligeramente permeabili, chì facenu fàciule per u metale restante à l'internu per ghjunghje à a superficia. Inoltre, u monossidu di siliciu presente in u gasu di purga intornu à a superficia di grafite pò penetrà in a maiò parte di i materiali è reagisce.
I primi riscaldatori di u fornu di silicuu monocristalinu eranu fatti di metalli refrattarii cum'è tungstenu è molibdenu. Cù a crescente maturità di a tecnulugia di trasfurmazioni di grafite, e proprietà elettriche di a cunnessione trà i cumpunenti di grafite sò diventate stabile, è i riscaldatori di furnace di siliciu monocristalinu anu rimpiazzatu cumplettamente i riscaldatori di tungstenu, molibdenu è altri materiali. Attualmente, u materiale di grafite più utilizatu hè u grafite isostaticu. Tecnulugia di preparazione di grafite isostaticu di u mo paese hè relativamente arretratu, è a maiò parte di i materiali di grafite utilizati in l'industria fotovoltaica domestica sò impurtati da l'esteru. I pruduttori stranieri di grafite isostaticu includenu principalmente SGL di Germania, Tokai Carbon di Giappone, Toyo Tanso di Giappone, etc. In i forni di siliciu monocristallino Czochralski, i materiali cumposti C / C sò qualchì volta utilizati, è anu cuminciatu à esse usatu per fabricà bulloni, nuts, crucibles, carica. platti è altri cumpunenti. I composti di carbone / carbone (C / C) sò cumposti di carbonu rinforzati cù fibra di carbonu cù una serie di proprietà eccellenti cum'è una forza specifica alta, un modulu specificu elevatu, un coefficientu di espansione termica bassu, una bona conduttività elettrica, una alta tenacità di frattura, una gravità specifica bassa, resistenza à u scossa termale, resistenza à a corrosione, è resistenza à alta temperatura. Attualmente, sò largamente usati in l'aerospaziali, a corsa, i biomateriali è altri campi cum'è novi materiali strutturali resistenti à alta temperatura. Attualmente, i buttiglii principali incontrati da i cumposti C / C domestici sò sempre prublemi di costu è industrializazione.
Ci sò assai altri materiali usati per fà campi termali. U grafitu rinforzatu in fibra di carbonu hà megliu proprietà meccaniche; ma hè più caru è hà altre esigenze per u disignu.carbure de silicium (SiC)hè un materiale megliu cà u grafite in parechji aspetti, ma hè assai più caru è difficiule di preparà pezzi di grande volume. Tuttavia, SiC hè spessu usatu cum'è aRivestimentu CVDper aumentà a vita di e parti di grafite esposti à u gasu di monossidu di siliciu corrosivu, è pò ancu riduce a contaminazione da u grafite. U densu rivestimentu di carburu di siliciu CVD impedisce efficacemente i contaminanti in u materiale di grafite microporoso di ghjunghje à a superficia.
Un altru hè u carbone CVD, chì pò ancu formate una capa densa sopra a parte di grafite. L'altri materiali resistenti à a temperatura alta, cum'è u molibdenu o i materiali ceramichi chì ponu coexistenu cù l'ambiente, ponu esse usatu induve ùn ci hè risicu di contaminazione di u fustu. In ogni casu, a ceramica d'ossidu sò generalmente limitate in a so applicabilità à i materiali di grafite à alte temperature, è ci sò poche altre opzioni se l'insulazione hè necessariu. Unu hè nitruru di boru esagonale (qualchì volta chjamatu grafitu biancu per via di pruprietà simili), ma e proprietà meccaniche sò poveri. U molibdenu hè generalmente usatu ragiunate per situazioni di temperatura alta per via di u so costu moderatu, a bassa diffusione in cristalli di silicuu, è un coefficient di segregazione assai bassu di circa 5 × 108, chì permette una certa quantità di contaminazione di molibdenu prima di distrugge a struttura di cristalli.
2. Materiali d'insulazione termale
U materiale d'insulazione più cumunimenti utilizatu hè u feltru di carbone in diverse forme. U feltru di carbone hè fattu di fibre sottili, chì agiscenu cum'è insulazione perchè bloccanu a radiazione termale parechje volte nantu à una corta distanza. U feltru di carbonu morbidu hè intrecciatu in fogli relativamente sottili di materiale, chì sò dopu tagliati in a forma desiderata è strettamente curvati in un raghju raghjone. I feltri curati sò cumposti da materiali di fibra simili, è un ligatu chì cuntene carbone hè utilizatu per cunnette e fibre disperse in un oggettu più solidu è furmatu. L'usu di a deposizione chimica di vapore di carbone invece di un legante pò migliurà e proprietà meccaniche di u materiale.
Di genere, a superficia esterna di u feltru di cura di l'insulazione termale hè rivestita da un revestimentu di grafite cuntinuu o foglia per riduce l'erosione è l'usura, è ancu a contaminazione particulata. Esistinu ancu altri tipi di materiali d'insulazione termale basati in carbonu, cum'è a spuma di carbone. In generale, i materiali grafitizzati sò ovviamente preferiti perchè a grafitizazione riduce assai a superficia di a fibra. L'outgassing di sti materiali d'altitudine superficia hè assai ridutta, è ci vole menu tempu per pump the furnace à un vacuum adattatu. Un altru hè u materiale cumpostu C / C, chì hà caratteristiche eccezziunale cum'è pesu ligeru, alta toleranza di danni è alta forza. Adupratu in i campi termali per rimpiazzà e parti di grafite riduce significativamente a freccia di rimpiazzamentu di e parti di grafite, migliurà a qualità monocristallina è a stabilità di a produzzione.
Sicondu a classificazione di a materia prima, u feltru di carbone pò esse divisu in u feltru di carbone basatu in poliacrilonitrile, u feltru di carbone basatu in viscosa è u feltru di carbone basatu in pitch.
U feltru di carbone basatu in poliacrilonitrile hà un grande cuntenutu di cendra. Dopu u trattamentu à alta temperatura, a sola fibra diventa fragile. Durante u funziunamentu, hè faciule generà polvera per inquinate l'ambiente di u fornu. À u listessu tempu, a fibra pò entre facilmente in i pori è e vie respiratorie di u corpu umanu, chì hè dannusu per a salute umana. U feltru di carbone à base di viscosa hà una bona prestazione d'insulazione termica. Hè relativamente suave dopu à u trattamentu termale è ùn hè micca faciule di generà polvera. In ogni casu, a sezione trasversale di a fibra cruda basata in viscosa hè irregulare, è ci sò parechji grooves nantu à a superficia di a fibra. Hè facilitu di generà gasi cum'è C02 sottu l'atmosfera oxidante di u furnace di siliciu CZ, pruvucannu a precipitazione di l'ossigenu è l'elementi di carbone in u materiale di siliciu monocristalinu. I pruduttori principali includenu SGL tedesca è altre cumpagnie. Attualmente, u più largamente utilizatu in l'industria monocristallina di semiconductor hè u feltru di carbonu basatu in pitch, chì hà un rendimentu di insulazione termica peghju di u feltru di carbone basatu in viscosa, ma u feltru di carbone basatu in pitch hà una purezza più alta è una emissione di polvera più bassa. I pruduttori includenu u Giappone Kureha Chemical è Osaka Gas.
Perchè a forma di u feltru di carbone ùn hè micca fissatu, hè inconveniente per operà. Avà parechje cumpagnie anu sviluppatu un novu materiale d'insulazione termale basatu nantu à u feltru di carbone di carbone curatu. U feltru di carbone curatu, chjamatu ancu u feltro duru, hè un feltru di carbone cù una certa forma è una pruprietà autosostenibile dopu chì u feltru molle hè impregnatu di resina, laminatu, curatu è carbonizatu.
A qualità di crescita di u siliciu monocristalinu hè direttamente affettata da l'ambiente termale, è i materiali d'insulazione termale di fibra di carbonu ghjucanu un rolu chjave in questu ambiente. L'isolamentu termale in fibra di carbonu hè sempre un vantaghju significativu in l'industria di i semiconduttori fotovoltaici per via di u so vantaghju di costu, un eccellente effettu d'insulazione termale, un disignu flessibile è una forma persunalizabile. In più, fibra di carboniu dura insulation termale sintimu averà più spaziu di sviluppu in u mercatu di materia di campu termale per via di a so certa forza è uperabilità più altu. Semu impegnati in a ricerca è u sviluppu in u campu di i materiali d'isolamentu termale, è ottimisimu continuamente u rendiment di u produttu per prumove a prosperità è u sviluppu di l'industria di i semiconduttori fotovoltaici.
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