Der Wachstumsprozess von monokristallinem Silizium findet vollständig im thermischen Feld statt. Ein optimales thermisches Feld trägt wesentlich zur Verbesserung der Kristallqualität und einer höheren Kristallisationseffizienz bei. Die Gestaltung des thermischen Feldes bestimmt maßgeblich die Temperaturgradienten im dynamischen Feld und die Gasströmung in der Ofenkammer. Die verwendeten Materialien beeinflussen direkt die Lebensdauer des thermischen Feldes. Ein ungeeignetes thermisches Feld erschwert nicht nur das Wachstum von Kristallen, die den Qualitätsanforderungen entsprechen, sondern verhindert unter bestimmten Prozessbedingungen auch die Herstellung vollständig monokristalliner Materialien. Daher betrachtet die Direktzieh-Industrie für monokristallines Silizium die Gestaltung des thermischen Feldes als Kerntechnologie und investiert erhebliche personelle und materielle Ressourcen in dessen Forschung und Entwicklung.
Das thermische System besteht aus verschiedenen Materialien des Wärmefelds. Die verwendeten Materialien werden hier nur kurz vorgestellt. Die Temperaturverteilung im Wärmefeld und deren Einfluss auf das Kristallziehen werden nicht weiter analysiert. Das Wärmefeldmaterial umfasst die Struktur und die Wärmedämmung der Vakuumofenkammer für das Kristallwachstum und ist unerlässlich für eine optimale Temperaturverteilung um die Halbleiterschmelze und den Kristall.
1. Material für die Struktur des Wärmefeldes
Das Basismaterial für das Direktziehverfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium ist hochreiner Graphit. Graphitwerkstoffe spielen eine sehr wichtige Rolle in der modernen Industrie. Sie können beispielsweise als Bauteile für Wärmefelder eingesetzt werden.Heizungen, Führungsrohre, Schmelztiegel, Isolierrohre, Tiegelschalen usw. bei der Herstellung von monokristallinem Silizium nach dem Czochralski-Verfahren.
GraphitmaterialienSie werden ausgewählt, weil sie sich leicht in großen Mengen herstellen lassen, gut verarbeitbar sind und hohen Temperaturen standhalten. Kohlenstoff in Form von Diamant oder Graphit hat einen höheren Schmelzpunkt als jedes andere Element oder jede andere Verbindung. Graphitwerkstoffe sind sehr fest, insbesondere bei hohen Temperaturen, und weisen zudem eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet er sich als …HeizungDas Material weist einen zufriedenstellenden Wärmeleitkoeffizienten auf, wodurch die vom Heizelement erzeugte Wärme gleichmäßig im Tiegel und anderen Teilen des Wärmefelds verteilt wird. Bei hohen Temperaturen, insbesondere über größere Entfernungen, erfolgt die Wärmeübertragung jedoch hauptsächlich durch Strahlung.
Graphitbauteile bestehen zunächst aus feinen kohlenstoffhaltigen Partikeln, die mit einem Bindemittel vermischt und durch Extrusion oder isostatisches Pressen geformt werden. Hochwertige Graphitbauteile werden üblicherweise isostatisch gepresst. Das gesamte Werkstück wird zunächst karbonisiert und anschließend bei sehr hohen Temperaturen von nahezu 3000 °C graphitiert. Die daraus gefertigten Teile werden in der Regel in einer chlorhaltigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen gereinigt, um Metallverunreinigungen zu entfernen und die Anforderungen der Halbleiterindustrie zu erfüllen. Selbst nach sorgfältiger Reinigung ist der Anteil an Metallverunreinigungen jedoch um mehrere Größenordnungen höher als der für monokristalline Siliziummaterialien zulässige Wert. Daher muss bei der Auslegung des thermischen Feldes darauf geachtet werden, dass keine Verunreinigungen dieser Bauteile in die Schmelze oder die Kristalloberfläche gelangen.
Graphitwerkstoffe sind leicht durchlässig, wodurch Restmetalle im Inneren leicht an die Oberfläche gelangen können. Darüber hinaus kann das im Spülgas enthaltene Siliziummonoxid in die meisten Materialien eindringen und mit ihnen reagieren.
Frühe Heizelemente für monokristalline Siliziumöfen wurden aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram und Molybdän gefertigt. Mit der zunehmenden Reife der Graphitverarbeitungstechnologie haben sich die elektrischen Eigenschaften der Verbindungen zwischen den Graphitkomponenten stabilisiert, und Heizelemente aus Wolfram, Molybdän und anderen Materialien wurden durch monokristalline Siliziumöfen vollständig ersetzt. Derzeit ist isostatischer Graphit das am weitesten verbreitete Graphitmaterial. Die Herstellungstechnologie für isostatischen Graphit in China ist vergleichsweise rückständig, und die meisten in der heimischen Photovoltaikindustrie verwendeten Graphitmaterialien werden importiert. Zu den wichtigsten ausländischen Herstellern von isostatischem Graphit zählen SGL (Deutschland), Tokai Carbon (Japan) und Toyo Tanso (Japan). In Czochralski-Öfen für monokristallines Silizium werden teilweise C/C-Verbundwerkstoffe eingesetzt, die zunehmend auch zur Herstellung von Schrauben, Muttern, Tiegeln, Lastplatten und anderen Bauteilen verwendet werden. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe (C/C-Verbundwerkstoffe) sind kohlenstofffaserverstärkte, kohlenstoffbasierte Verbundwerkstoffe mit einer Reihe hervorragender Eigenschaften wie hoher spezifischer Festigkeit, hohem spezifischem Modul, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, guter elektrischer Leitfähigkeit, hoher Bruchzähigkeit, geringer Dichte, Temperaturwechselbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit. Sie finden derzeit breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Rennsport, in der Biotechnologie und anderen Bereichen als neue, hochtemperaturbeständige Strukturwerkstoffe. Die größten Herausforderungen für die Entwicklung und Industrialisierung von C/C-Verbundwerkstoffen in China stellen aktuell noch Kosten- und Industrialisierungsfragen dar.
Es gibt viele weitere Materialien, die zur Erzeugung von Wärmefeldern verwendet werden. Kohlenstofffaserverstärkter Graphit weist bessere mechanische Eigenschaften auf; er ist jedoch teurer und stellt andere Anforderungen an die Konstruktion.Siliciumcarbid (SiC)SiC ist in vielerlei Hinsicht ein besseres Material als Graphit, jedoch ist es wesentlich teurer und die Herstellung von Bauteilen in großen Stückzahlen schwieriger. Dennoch wird SiC häufig als … verwendet.CVD-BeschichtungDie dichte CVD-Siliciumcarbid-Beschichtung verlängert die Lebensdauer von Graphitbauteilen, die korrosivem Siliciummonoxidgas ausgesetzt sind, und reduziert gleichzeitig Verunreinigungen aus dem Graphit. Sie verhindert effektiv, dass Verunreinigungen aus dem Inneren des mikroporösen Graphitmaterials an die Oberfläche gelangen.
Eine weitere Möglichkeit ist CVD-Kohlenstoff, der ebenfalls eine dichte Schicht über dem Graphitanteil bilden kann. Andere hochtemperaturbeständige Materialien wie Molybdän oder Keramikwerkstoffe, die mit der Umgebung verträglich sind, können eingesetzt werden, sofern keine Gefahr einer Schmelzkontamination besteht. Oxidkeramiken sind jedoch in ihrer Anwendbarkeit auf Graphitmaterialien bei hohen Temperaturen generell eingeschränkt, und es gibt nur wenige Alternativen, wenn eine Isolierung erforderlich ist. Eine Möglichkeit ist hexagonales Bornitrid (manchmal aufgrund ähnlicher Eigenschaften auch als weißer Graphit bezeichnet), dessen mechanische Eigenschaften jedoch unzureichend sind. Molybdän wird aufgrund seiner moderaten Kosten, seiner geringen Diffusionsrate in Siliziumkristallen und seines sehr niedrigen Segregationskoeffizienten von etwa 5 × 10⁸ häufig für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Dieser Koeffizient erlaubt eine gewisse Molybdänkontamination, bevor die Kristallstruktur zerstört wird.
2. Wärmedämmstoffe
Das am häufigsten verwendete Dämmmaterial ist Kohlenstofffilz in verschiedenen Ausführungen. Kohlenstofffilz besteht aus dünnen Fasern, die als Dämmstoff wirken, da sie Wärmestrahlung auf kurzer Distanz mehrfach abschirmen. Der weiche Kohlenstofffilz wird zu relativ dünnen Materialbahnen gewebt, die anschließend in die gewünschte Form geschnitten und eng zu einem geeigneten Radius gebogen werden. Ausgehärtete Filze bestehen aus ähnlichen Fasermaterialien, wobei ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel die dispergierten Fasern zu einem festeren und formstabilen Objekt verbindet. Die Verwendung von chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) anstelle eines Bindemittels kann die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessern.
Typischerweise wird die Außenfläche des Wärmedämmfilzes mit einer durchgehenden Graphitschicht oder -folie beschichtet, um Erosion, Verschleiß und Verunreinigungen zu reduzieren. Es gibt auch andere kohlenstoffbasierte Wärmedämmstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoffschaum. Graphitierte Materialien sind im Allgemeinen deutlich bevorzugt, da die Graphitisierung die Oberfläche der Fasern erheblich verringert. Dadurch wird die Ausgasung dieser Materialien mit großer Oberfläche stark reduziert, und das Evakuieren des Ofens auf ein geeignetes Vakuum beschleunigt sich. Ein weiterer Werkstoff ist der C/C-Verbundwerkstoff, der sich durch hervorragende Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Schadensresistenz und hohe Festigkeit auszeichnet. Sein Einsatz in thermischen Anwendungen als Ersatz für Graphitbauteile reduziert die Häufigkeit des Graphitteilewechsels erheblich, verbessert die monokristalline Qualität und erhöht die Produktionsstabilität.
Nach der Klassifizierung der Rohstoffe kann Kohlenstofffilz in Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis, Kohlenstofffilz auf Viskosebasis und Kohlenstofffilz auf Pechbasis unterteilt werden.
Polyacrylnitrilbasierter Kohlenstofffilz weist einen hohen Aschegehalt auf. Nach der Hochtemperaturbehandlung wird die einzelne Faser spröde. Im Betrieb entsteht leicht Staub, der die Ofenumgebung verschmutzt. Gleichzeitig kann die Faser leicht in die Poren und Atemwege des menschlichen Körpers eindringen und ist somit gesundheitsschädlich. Viskosebasierter Kohlenstofffilz besitzt gute Wärmedämmeigenschaften. Er ist nach der Wärmebehandlung relativ weich und staubt weniger. Allerdings ist der Querschnitt der viskosebasierten Rohfaser unregelmäßig, und die Faseroberfläche weist viele Rillen auf. Unter der oxidierenden Atmosphäre des CZ-Siliziumofens können leicht Gase wie CO₂ entstehen, die zur Ausfällung von Sauerstoff und Kohlenstoff im monokristallinen Siliziummaterial führen. Zu den Hauptherstellern gehören das deutsche Unternehmen SGL und andere Firmen. Derzeit wird in der Halbleiterindustrie für monokristallines Silizium am häufigsten pechbasierter Kohlenstofffilz verwendet. Dieser weist zwar eine schlechtere Wärmedämmleistung als viskosebasierter Kohlenstofffilz auf, zeichnet sich aber durch eine höhere Reinheit und geringere Staubemissionen aus. Zu den Herstellern gehören die japanischen Unternehmen Kureha Chemical und Osaka Gas.
Da Kohlenstofffilz keine feste Form besitzt, ist seine Verarbeitung umständlich. Viele Unternehmen haben daher ein neues Wärmedämmmaterial auf Kohlenstofffilzbasis entwickelt: gehärteten Kohlenstofffilz. Gehärteter Kohlenstofffilz, auch Hartfilz genannt, ist ein Kohlenstofffilz mit einer bestimmten Form und selbsttragenden Eigenschaften. Dieser entsteht, indem Weichfilz mit Harz imprägniert, laminiert, gehärtet und karbonisiert wird.
Die Wachstumsqualität von monokristallinem Silizium wird direkt von der thermischen Umgebung beeinflusst, und Kohlenstofffaser-Wärmedämmstoffe spielen dabei eine Schlüsselrolle. Kohlenstofffaser-Wärmedämmvlies bietet in der Photovoltaik-Halbleiterindustrie aufgrund seiner Kostenvorteile, der hervorragenden Wärmedämmwirkung, der flexiblen Gestaltungsmöglichkeiten und der individuell anpassbaren Formgebung weiterhin deutliche Vorteile. Darüber hinaus wird Kohlenstofffaser-Hartfaser-Wärmedämmvlies aufgrund seiner Festigkeit und besseren Verarbeitbarkeit ein größeres Entwicklungspotenzial im Markt für Wärmedämmstoffe aufweisen. Wir engagieren uns für die Forschung und Entwicklung im Bereich der Wärmedämmstoffe und optimieren kontinuierlich die Produktleistung, um den Erfolg und die Weiterentwicklung der Photovoltaik-Halbleiterindustrie zu fördern.
Veröffentlichungsdatum: 12. Juni 2024