Der Wachstumsprozess von monokristallinem Silizium erfolgt vollständig im thermischen Feld. Ein gutes Wärmefeld trägt zur Verbesserung der Kristallqualität bei und führt zu einer höheren Kristallisationseffizienz. Die Gestaltung des thermischen Feldes bestimmt maßgeblich die Änderungen der Temperaturgradienten im dynamischen thermischen Feld und die Gasströmung in der Ofenkammer. Der Unterschied der im Wärmefeld verwendeten Materialien bestimmt direkt die Lebensdauer des Wärmefeldes. Ein unangemessenes thermisches Feld erschwert nicht nur die Züchtung von Kristallen, die den Qualitätsanforderungen entsprechen, sondern kann unter bestimmten Prozessanforderungen auch nicht vollständig monokristallin wachsen. Aus diesem Grund betrachtet die Direct-Pull-Monokristall-Siliziumindustrie das Wärmefelddesign als die Kerntechnologie und investiert enorme Arbeitskräfte und Materialressourcen in die Forschung und Entwicklung im Wärmefeld.
Das thermische System besteht aus verschiedenen thermischen Feldmaterialien. Wir stellen die im thermischen Bereich verwendeten Materialien nur kurz vor. Was die Temperaturverteilung im thermischen Feld und ihren Einfluss auf das Kristallziehen betrifft, werden wir sie hier nicht analysieren. Das Wärmefeldmaterial bezieht sich auf den Struktur- und Wärmeisolationsteil in der Vakuumofenkammer des Kristallwachstums, der für die Schaffung einer angemessenen Temperaturverteilung um die Halbleiterschmelze und den Kristall unerlässlich ist.
1. Material für die thermische Feldstruktur
Das grundlegende Trägermaterial für das Direkt-Pull-Verfahren zum Züchten von monokristallinem Silizium ist hochreiner Graphit. Graphitwerkstoffe spielen in der modernen Industrie eine sehr wichtige Rolle. Sie können als Wärmefeld-Strukturbauteile verwendet werden, zHeizungen, Führungsrohre, Tiegel, Isolierrohre, Tiegelböden usw. bei der Herstellung von monokristallinem Silizium nach der Czochralski-Methode.
Graphitmaterialienwerden ausgewählt, weil sie sich leicht in großen Mengen herstellen, verarbeiten lassen und hohen Temperaturen standhalten. Kohlenstoff in Form von Diamant oder Graphit hat einen höheren Schmelzpunkt als jedes andere Element oder jede Verbindung. Graphitmaterialien sind insbesondere bei hohen Temperaturen recht fest und verfügen zudem über eine recht gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet es sich alsHeizungMaterial. Es verfügt über einen zufriedenstellenden Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, der eine gleichmäßige Verteilung der von der Heizung erzeugten Wärme auf den Tiegel und andere Teile des Wärmefelds ermöglicht. Bei hohen Temperaturen, insbesondere über große Entfernungen, ist jedoch die Strahlung die Hauptwärmeübertragungsart.
Graphitteile bestehen zunächst aus feinen kohlenstoffhaltigen Partikeln, die mit einem Bindemittel vermischt und durch Extrusion oder isostatisches Pressen geformt werden. Hochwertige Graphitteile werden in der Regel isostatisch gepresst. Das gesamte Stück wird zunächst karbonisiert und dann bei sehr hohen Temperaturen, nahe 3000 °C, graphitiert. Die aus diesen ganzen Stücken verarbeiteten Teile werden üblicherweise in einer chlorhaltigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen gereinigt, um Metallverunreinigungen zu entfernen und so den Anforderungen der Halbleiterindustrie gerecht zu werden. Selbst nach ordnungsgemäßer Reinigung ist der Grad der Metallverunreinigung jedoch um mehrere Größenordnungen höher als der für monokristalline Siliziummaterialien zulässige Wert. Daher muss bei der Gestaltung des Wärmefelds darauf geachtet werden, dass keine Kontamination dieser Komponenten in die Schmelze oder Kristalloberfläche gelangt.
Graphitmaterialien sind leicht durchlässig, wodurch das verbleibende Metall im Inneren leicht an die Oberfläche gelangen kann. Darüber hinaus kann das im Spülgas rund um die Graphitoberfläche vorhandene Siliziummonoxid in die meisten Materialien eindringen und dort reagieren.
Frühe Ofenheizungen aus monokristallinem Silizium bestanden aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram und Molybdän. Mit der zunehmenden Reife der Graphitverarbeitungstechnologie sind die elektrischen Eigenschaften der Verbindung zwischen Graphitkomponenten stabil geworden und monokristalline Siliziumofenheizungen haben Wolfram-, Molybdän- und andere Materialheizungen vollständig ersetzt. Das derzeit am häufigsten verwendete Graphitmaterial ist isostatischer Graphit. Die isostatische Graphitaufbereitungstechnologie meines Landes ist relativ rückständig und die meisten in der heimischen Photovoltaikindustrie verwendeten Graphitmaterialien werden aus dem Ausland importiert. Zu den ausländischen Herstellern von isostatischem Graphit zählen hauptsächlich SGL aus Deutschland, Tokai Carbon aus Japan, Toyo Tanso aus Japan usw. In monokristallinen Siliziumöfen von Czochralski werden manchmal C/C-Verbundwerkstoffe verwendet, und sie werden zunehmend zur Herstellung von Schrauben, Muttern, Tiegeln und Lasten verwendet Platten und andere Komponenten. Kohlenstoff/Kohlenstoff (C/C)-Verbundwerkstoffe sind kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Kohlenstoffbasis mit einer Reihe hervorragender Eigenschaften wie hoher spezifischer Festigkeit, hohem spezifischem Modul, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, guter elektrischer Leitfähigkeit, hoher Bruchzähigkeit, niedrigem spezifischem Gewicht, Thermoschockbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit. Derzeit werden sie häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Rennsport, bei Biomaterialien und anderen Bereichen als neue hochtemperaturbeständige Strukturmaterialien eingesetzt. Derzeit sind die größten Engpässe bei inländischen C/C-Verbundwerkstoffen immer noch Kosten- und Industrialisierungsprobleme.
Es gibt viele andere Materialien, die zur Herstellung von Wärmefeldern verwendet werden. Kohlenstofffaserverstärkter Graphit weist bessere mechanische Eigenschaften auf; aber es ist teurer und stellt andere Anforderungen an das Design.Siliziumkarbid (SiC)ist in vielerlei Hinsicht ein besseres Material als Graphit, aber es ist viel teurer und schwieriger in der Herstellung großvolumiger Teile. Allerdings wird SiC häufig als Material verwendetCVD-BeschichtungEs erhöht die Lebensdauer von Graphitteilen, die korrosivem Siliziummonoxidgas ausgesetzt sind, und kann auch die Kontamination durch Graphit reduzieren. Die dichte CVD-Siliziumkarbidbeschichtung verhindert wirksam, dass Verunreinigungen im mikroporösen Graphitmaterial an die Oberfläche gelangen.
Ein anderes ist CVD-Kohlenstoff, der ebenfalls eine dichte Schicht über dem Graphitteil bilden kann. Andere hochtemperaturbeständige Materialien wie Molybdän oder Keramikmaterialien, die mit der Umgebung koexistieren können, können dort eingesetzt werden, wo keine Gefahr einer Kontamination der Schmelze besteht. Allerdings ist die Anwendbarkeit von Oxidkeramiken auf Graphitmaterialien bei hohen Temperaturen im Allgemeinen begrenzt, und es gibt nur wenige andere Optionen, wenn eine Isolierung erforderlich ist. Eines davon ist hexagonales Bornitrid (aufgrund ähnlicher Eigenschaften manchmal auch weißer Graphit genannt), aber die mechanischen Eigenschaften sind schlecht. Molybdän wird aufgrund seiner moderaten Kosten, der geringen Diffusionsrate in Siliziumkristallen und eines sehr niedrigen Segregationskoeffizienten von etwa 5×108 im Allgemeinen sinnvoll für Hochtemperatursituationen verwendet, was eine gewisse Molybdänverunreinigung vor der Zerstörung der Kristallstruktur ermöglicht.
2. Wärmedämmstoffe
Das am häufigsten verwendete Dämmmaterial ist Carbonfilz in verschiedenen Formen. Carbonfilz besteht aus dünnen Fasern, die als Isolierung wirken, da sie die Wärmestrahlung auf kurzer Distanz mehrfach blockieren. Der weiche Carbonfilz wird zu relativ dünnen Materialbahnen verwoben, die dann in die gewünschte Form geschnitten und in einem angemessenen Radius eng gebogen werden. Ausgehärtete Filze bestehen aus ähnlichen Fasermaterialien, und ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel wird verwendet, um die dispergierten Fasern zu einem festeren und geformteren Objekt zu verbinden. Durch die chemische Gasphasenabscheidung von Kohlenstoff anstelle eines Bindemittels können die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert werden.
Typischerweise ist die Außenfläche des wärmeisolierenden Härtungsfilzes mit einer durchgehenden Graphitbeschichtung oder -folie beschichtet, um Erosion und Verschleiß sowie Partikelkontamination zu reduzieren. Es gibt auch andere Arten von Wärmedämmstoffen auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Kohlenstoffschaum. Im Allgemeinen werden graphitierte Materialien offensichtlich bevorzugt, da die Graphitierung die Oberfläche der Faser stark verringert. Das Ausgasen dieser Materialien mit großer Oberfläche wird stark reduziert und es dauert weniger Zeit, den Ofen auf ein geeignetes Vakuum zu pumpen. Ein weiteres ist C/C-Verbundmaterial, das herausragende Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Schadenstoleranz und hohe Festigkeit aufweist. Der Einsatz in thermischen Feldern zum Austausch von Graphitteilen reduziert die Häufigkeit des Austauschs von Graphitteilen erheblich und verbessert die monokristalline Qualität und Produktionsstabilität.
Entsprechend der Rohstoffklassifizierung kann Kohlenstofffilz in Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis, Kohlenstofffilz auf Viskosebasis und Kohlenstofffilz auf Pechbasis unterteilt werden.
Kohlenstofffilz auf Polyacrylnitrilbasis hat einen hohen Aschegehalt. Nach der Hochtemperaturbehandlung wird die einzelne Faser spröde. Während des Betriebs kann leicht Staub entstehen, der die Ofenumgebung verunreinigt. Gleichzeitig können die Ballaststoffe leicht in die Poren und Atemwege des menschlichen Körpers gelangen, was gesundheitsschädlich ist. Kohlenstofffilz auf Viskosebasis weist eine gute Wärmeisolationsleistung auf. Nach der Wärmebehandlung ist es relativ weich und es entsteht nicht leicht Staub. Allerdings ist der Querschnitt der viskosebasierten Rohfaser unregelmäßig und es gibt viele Rillen auf der Faseroberfläche. Unter der oxidierenden Atmosphäre des CZ-Siliziumofens können leicht Gase wie CO2 entstehen, die zur Ausfällung von Sauerstoff und Kohlenstoffelementen im monokristallinen Siliziummaterial führen. Zu den Hauptherstellern zählen die deutsche SGL und andere Unternehmen. Derzeit wird in der monokristallinen Halbleiterindustrie am häufigsten Kohlenstofffilz auf Pechbasis verwendet, der eine schlechtere Wärmeisolationsleistung als Kohlenstofffilz auf Viskosebasis aufweist, Kohlenstofffilz auf Pechbasis jedoch eine höhere Reinheit und eine geringere Staubemission aufweist. Zu den Herstellern zählen die japanischen Unternehmen Kureha Chemical und Osaka Gas.
Da die Form des Carbonfilzes nicht festgelegt ist, ist die Bedienung umständlich. Mittlerweile haben viele Unternehmen ein neues Wärmedämmmaterial auf Basis von mit Carbonfilz vernetztem Carbonfilz entwickelt. Ausgehärteter Kohlenstofffilz, auch Hartfilz genannt, ist ein Kohlenstofffilz mit einer bestimmten Form und selbsttragenden Eigenschaft, nachdem Weichfilz mit Harz imprägniert, laminiert, ausgehärtet und karbonisiert wurde.
Die Wachstumsqualität von monokristallinem Silizium wird direkt von der thermischen Umgebung beeinflusst, und Wärmedämmstoffe aus Kohlefaser spielen in dieser Umgebung eine Schlüsselrolle. Weichfilz aus Kohlefaser-Wärmedämmung hat aufgrund seines Kostenvorteils, der hervorragenden Wärmedämmwirkung, des flexiblen Designs und der anpassbaren Form immer noch einen erheblichen Vorteil in der Photovoltaik-Halbleiterindustrie. Darüber hinaus wird harter Wärmedämmfilz aus Kohlefaser aufgrund seiner gewissen Festigkeit und höheren Bedienbarkeit einen größeren Entwicklungsspielraum auf dem Markt für Wärmefeldmaterialien haben. Wir engagieren uns für Forschung und Entwicklung im Bereich Wärmedämmstoffe und optimieren kontinuierlich die Produktleistung, um den Wohlstand und die Entwicklung der Photovoltaik-Halbleiterindustrie zu fördern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. Juni 2024