Proces růstu monokrystalického křemíku se kompletně provádí v tepelném poli. Dobré tepelné pole přispívá ke zlepšení kvality krystalů a má vyšší účinnost krystalizace. Návrh tepelného pole do značné míry určuje změny teplotních gradientů v dynamickém tepelném poli a proudění plynu v komoře pece. Rozdíl v materiálech použitých v tepelném poli přímo určuje životnost tepelného pole. Nepřiměřené tepelné pole je nejen obtížné pro pěstování krystalů, které splňují požadavky na kvalitu, ale také nemůže růst zcela monokrystalický za určitých požadavků procesu. To je důvod, proč průmysl monokrystalického křemíku s přímým tahem považuje návrh tepelného pole za nejdůležitější technologii a investuje obrovské lidské síly a materiálové zdroje do výzkumu a vývoje tepelného pole.
Tepelný systém se skládá z různých materiálů tepelného pole. Jen stručně představíme materiály používané v tepelné oblasti. Co se týče rozložení teplot v tepelném poli a jeho vlivu na tahání krystalu, nebudeme to zde rozebírat. Materiál tepelného pole označuje strukturu a tepelně izolační část v komoře vakuové pece růstu krystalů, která je nezbytná pro vytvoření vhodné distribuce teploty kolem polovodičové taveniny a krystalu.
1. Materiál struktury tepelného pole
Základním nosným materiálem pro metodu přímého tahu pro pěstování monokrystalického křemíku je vysoce čistý grafit. Grafitové materiály hrají v moderním průmyslu velmi důležitou roli. Mohou být použity jako konstrukční prvky tepelného pole jako napřohřívače, vodicí trubky, kelímky, izolační trubičky, kelímkové tácky atd. při přípravě monokrystalického křemíku Czochralského metodou.
Grafitové materiályjsou vybírány proto, že se snadno připravují ve velkých objemech, lze je zpracovávat a jsou odolné vůči vysokým teplotám. Uhlík ve formě diamantu nebo grafitu má vyšší bod tání než jakýkoli prvek nebo sloučenina. Grafitové materiály jsou poměrně pevné, zejména při vysokých teplotách, a jejich elektrická a tepelná vodivost je také docela dobrá. Díky své elektrické vodivosti je vhodný jako aohřívačmateriál. Má vyhovující součinitel tepelné vodivosti, který umožňuje rovnoměrné rozložení tepla generovaného ohřívačem do kelímku a dalších částí tepelného pole. Při vysokých teplotách, zejména na dlouhé vzdálenosti, je však hlavním režimem přenosu tepla sálání.
Grafitové díly jsou zpočátku vyrobeny z jemných uhlíkatých částic smíchaných s pojivem a vytvořených extruzí nebo izostatickým lisováním. Vysoce kvalitní grafitové díly jsou obvykle lisovány izostaticky. Celý kus je nejprve karbonizován a poté grafitizován při velmi vysokých teplotách, blízkých 3000 °C. Části zpracované z těchto celých kusů se obvykle čistí v atmosféře obsahující chlór při vysokých teplotách, aby se odstranila kontaminace kovů, aby byly splněny požadavky polovodičového průmyslu. Avšak i po řádném čištění je úroveň kontaminace kovem o několik řádů vyšší, než je povoleno pro křemíkové monokrystalické materiály. Proto je třeba věnovat pozornost návrhu tepelného pole, aby se zabránilo vniknutí kontaminace těchto složek do taveniny nebo povrchu krystalu.
Grafitové materiály jsou mírně propustné, díky čemuž se zbývající kov uvnitř snadno dostane na povrch. Navíc oxid křemičitý přítomný v čistícím plynu kolem grafitového povrchu může pronikat do většiny materiálů a reagovat.
Rané monokrystalické křemíkové ohřívače pece byly vyrobeny z žáruvzdorných kovů, jako je wolfram a molybden. S rostoucí vyspělostí technologie zpracování grafitu se elektrické vlastnosti spojení mezi grafitovými komponentami ustálily a ohřívače pecí z monokrystalického křemíku zcela nahradily ohřívače wolframu, molybdenu a dalších materiálů. V současnosti je nejpoužívanějším grafitovým materiálem izostatický grafit. Technologie přípravy izostatického grafitu v mé zemi je poměrně zaostalá a většina grafitových materiálů používaných v domácím fotovoltaickém průmyslu se dováží ze zahraničí. Mezi zahraniční výrobce izostatického grafitu patří především německý SGL, japonský Tokai Carbon, japonský Toyo Tanso atd. V monokrystalických křemíkových pecích Czochralski se někdy používají C/C kompozitní materiály, které se začaly používat k výrobě šroubů, matic, kelímků, zátěže desky a další komponenty. Kompozity uhlík/uhlík (C/C) jsou kompozity na bázi uhlíku vyztužené uhlíkovými vlákny s řadou vynikajících vlastností, jako je vysoká měrná pevnost, vysoký měrný modul, nízký koeficient tepelné roztažnosti, dobrá elektrická vodivost, vysoká lomová houževnatost, nízká měrná hmotnost, odolnost proti tepelným šokům, odolnost proti korozi a odolnost proti vysokým teplotám. V současné době jsou široce používány v letectví, závodech, biomateriálech a dalších oborech jako nové konstrukční materiály odolné vysokým teplotám. V současnosti jsou hlavními překážkami, se kterými se domácí C/C kompozity setkávají, stále náklady a problémy industrializace.
Existuje mnoho dalších materiálů používaných k výrobě tepelných polí. Grafit vyztužený uhlíkovými vlákny má lepší mechanické vlastnosti; je ale dražší a má jiné požadavky na design.Karbid křemíku (SiC)je v mnoha ohledech lepším materiálem než grafit, ale je mnohem dražší a obtížnější na přípravu velkoobjemových dílů. SiC se však často používá jako aCVD povlakpro zvýšení životnosti grafitových dílů vystavených korozivnímu oxidu křemičitému a může také snížit kontaminaci grafitem. Hustý CVD povlak z karbidu křemíku účinně zabraňuje kontaminantům uvnitř mikroporézního grafitového materiálu dostat se na povrch.
Dalším je CVD uhlík, který také může tvořit hustou vrstvu nad grafitovou částí. Jiné materiály odolné vůči vysokým teplotám, jako je molybden nebo keramické materiály, které mohou koexistovat s prostředím, lze použít tam, kde nehrozí kontaminace taveniny. Oxidové keramiky jsou však obecně omezeny ve své použitelnosti na grafitové materiály při vysokých teplotách a existuje jen několik dalších možností, pokud je vyžadována izolace. Jedním z nich je hexagonální nitrid boru (někdy nazývaný bílý grafit kvůli podobným vlastnostem), ale mechanické vlastnosti jsou špatné. Molybden se obecně používá přiměřeně pro situace s vysokou teplotou kvůli jeho mírným nákladům, nízké rychlosti difúze v křemíkových krystalech a velmi nízkému segregačnímu koeficientu asi 5 x 108, což umožňuje určité množství kontaminace molybdenem před zničením krystalové struktury.
2. Tepelně izolační materiály
Nejčastěji používaným izolačním materiálem je uhlíková plsť v různých podobách. Uhlíková plsť je vyrobena z tenkých vláken, která působí jako izolace, protože na krátkou vzdálenost vícenásobně blokují tepelné záření. Měkká uhlíková plsť je vetkána do relativně tenkých plátků materiálu, které jsou následně řezány do požadovaného tvaru a pevně ohnuty do přiměřeného poloměru. Vytvrzené plsti se skládají z podobných vláknitých materiálů a ke spojení rozptýlených vláken do pevnějšího a tvarovanějšího předmětu se používá pojivo obsahující uhlík. Použití chemického napařování uhlíku místo pojiva může zlepšit mechanické vlastnosti materiálu.
Typicky je vnější povrch tepelně izolační vytvrzovací plsti potažen souvislým grafitovým povlakem nebo fólií, aby se snížila eroze a opotřebení, jakož i kontaminace částicemi. Existují také jiné typy tepelně izolačních materiálů na bázi uhlíku, jako je uhlíková pěna. Obecně jsou grafitizované materiály zjevně preferovány, protože grafitizace značně snižuje povrchovou plochu vlákna. Odplyňování těchto materiálů s velkým povrchem je značně sníženo a pumpování pece na vhodné vakuum trvá méně času. Dalším je C/C kompozitní materiál, který má vynikající vlastnosti, jako je nízká hmotnost, vysoká odolnost proti poškození a vysoká pevnost. Používá se v tepelných polích k výměně grafitových dílů výrazně snižuje frekvenci výměny grafitových dílů, zlepšuje monokrystalickou kvalitu a stabilitu výroby.
Podle klasifikace surovin lze uhlíkovou plsť rozdělit na uhlíkovou plsť na bázi polyakrylonitrilu, uhlíkovou plsť na bázi viskózy a uhlíkovou plsť na bázi smoly.
Uhlíková plsť na bázi polyakrylonitrilu má velký obsah popela. Po vysokoteplotní úpravě se jednotlivé vlákno stává křehkým. Během provozu je snadné vytvářet prach, který znečišťuje prostředí pece. Vláknina se přitom může snadno dostat do pórů a dýchacích cest lidského těla, což je lidskému zdraví škodlivé. Karbonová plsť na bázi viskózy má dobré tepelně izolační vlastnosti. Po tepelném zpracování je poměrně měkký a není snadné vytvářet prach. Průřez surového vlákna na bázi viskózy je však nepravidelný a na povrchu vlákna je mnoho drážek. V oxidační atmosféře křemíkové pece CZ je snadné vytvářet plyny, jako je C02, což způsobuje srážení kyslíkových a uhlíkových prvků v monokrystalickém křemíkovém materiálu. Mezi hlavní výrobce patří německá SGL a další společnosti. V současnosti je v průmyslu polovodičových monokrystalických materiálů nejrozšířenější uhlíková plsť na bázi smoly, která má horší tepelně izolační vlastnosti než uhlíková plsť na bázi viskózy, ale uhlíková plsť na bázi smoly má vyšší čistotu a nižší emise prachu. Mezi výrobce patří japonské společnosti Kureha Chemical a Osaka Gas.
Vzhledem k tomu, že tvar uhlíkové plsti není pevně daný, je ovládání nepohodlné. Nyní mnoho společností vyvinulo nový tepelně izolační materiál založený na uhlíkové plsti vytvrzené uhlíkovou plstí. Vytvrzená uhlíková plsť, nazývaná také tvrdá plsť, je uhlíková plsť s určitým tvarem a samoudržovací vlastností poté, co je měkká plsť impregnována pryskyřicí, laminována, vytvrzena a karbonizována.
Kvalita růstu monokrystalického křemíku je přímo ovlivněna tepelným prostředím a v tomto prostředí hrají klíčovou roli tepelně izolační materiály z uhlíkových vláken. Tepelně izolační měkká plsť z uhlíkových vláken má stále významnou výhodu ve fotovoltaickém polovodičovém průmyslu díky své cenové výhodě, vynikajícímu tepelně izolačnímu účinku, flexibilnímu designu a přizpůsobitelnému tvaru. Kromě toho bude mít tvrdá tepelně izolační plsť z uhlíkových vláken větší prostor pro vývoj na trhu materiálů pro tepelné pole díky své určité pevnosti a vyšší provozuschopnosti. Zavázali jsme se k výzkumu a vývoji v oblasti tepelně izolačních materiálů a neustále optimalizujeme výkonnost produktů, abychom podpořili prosperitu a rozvoj fotovoltaického polovodičového průmyslu.
Čas odeslání: 12. června 2024