Η διαδικασία ανάπτυξης του μονοκρυσταλλικού πυριτίου πραγματοποιείται πλήρως στο θερμικό πεδίο. Ένα καλό θερμικό πεδίο ευνοεί τη βελτίωση της ποιότητας των κρυστάλλων και έχει υψηλότερη απόδοση κρυστάλλωσης. Ο σχεδιασμός του θερμικού πεδίου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις αλλαγές στις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας στο δυναμικό θερμικό πεδίο και τη ροή του αερίου στον θάλαμο του κλιβάνου. Η διαφορά στα υλικά που χρησιμοποιούνται στο θερμικό πεδίο καθορίζει άμεσα τη διάρκεια ζωής του θερμικού πεδίου. Ένα παράλογο θερμικό πεδίο δεν είναι μόνο δύσκολο να αναπτυχθούν κρύσταλλοι που πληρούν τις απαιτήσεις ποιότητας, αλλά επίσης δεν μπορούν να αναπτυχθούν πλήρως μονοκρυσταλλικά κάτω από ορισμένες απαιτήσεις διαδικασίας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η βιομηχανία μονοκρυσταλλικού πυριτίου άμεσης έλξης θεωρεί το σχεδιασμό θερμικών πεδίων ως την πιο βασική τεχνολογία και επενδύει τεράστιο ανθρώπινο δυναμικό και υλικούς πόρους στην έρευνα και ανάπτυξη θερμικών πεδίων.
Το θερμικό σύστημα αποτελείται από διάφορα υλικά θερμικού πεδίου. Παρουσιάζουμε μόνο εν συντομία τα υλικά που χρησιμοποιούνται στον θερμικό τομέα. Όσο για την κατανομή της θερμοκρασίας στο θερμικό πεδίο και την επίδρασή της στο τράβηγμα των κρυστάλλων, δεν θα το αναλύσουμε εδώ. Το υλικό θερμικού πεδίου αναφέρεται στη δομή και στο τμήμα θερμομόνωσης στον θάλαμο κρυσταλλικής ανάπτυξης του κλιβάνου κενού, το οποίο είναι απαραίτητο για τη δημιουργία κατάλληλης κατανομής θερμοκρασίας γύρω από το τήγμα ημιαγωγών και τον κρύσταλλο.
1. Υλικό δομής θερμικού πεδίου
Το βασικό υλικό υποστήριξης για τη μέθοδο άμεσης έλξης για την ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι ο γραφίτης υψηλής καθαρότητας. Τα υλικά γραφίτη παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη βιομηχανία. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία θερμικού πεδίου όπως π.χθερμαντήρες, οδηγούς σωλήνες, χωνευτήρια, μονωτικοί σωλήνες, δίσκοι χωνευτηρίου κ.λπ. στην παρασκευή μονοκρυσταλλικού πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski.
Υλικά γραφίτηεπιλέγονται γιατί παρασκευάζονται εύκολα σε μεγάλους όγκους, μπορούν να υποστούν επεξεργασία και είναι ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Ο άνθρακας με τη μορφή διαμαντιού ή γραφίτη έχει υψηλότερο σημείο τήξης από οποιοδήποτε στοιχείο ή ένωση. Τα υλικά γραφίτη είναι αρκετά ισχυρά, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, και η ηλεκτρική και θερμική τους αγωγιμότητα είναι επίσης αρκετά καλή. Η ηλεκτρική του αγωγιμότητα το καθιστά κατάλληλο ως αθερμάστραυλικό. Διαθέτει ικανοποιητικό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, ο οποίος επιτρέπει στη θερμότητα που παράγεται από τον θερμαντήρα να κατανέμεται ομοιόμορφα στο χωνευτήριο και σε άλλα μέρη του θερμικού πεδίου. Ωστόσο, σε υψηλές θερμοκρασίες, ειδικά σε μεγάλες αποστάσεις, ο κύριος τρόπος μεταφοράς θερμότητας είναι η ακτινοβολία.
Τα μέρη γραφίτη κατασκευάζονται αρχικά από λεπτά ανθρακούχα σωματίδια που αναμιγνύονται με συνδετικό και σχηματίζονται με εξώθηση ή ισοστατική συμπίεση. Τα υψηλής ποιότητας μέρη γραφίτη συνήθως συμπιέζονται ισοστατικά. Ολόκληρο το κομμάτι πρώτα ανθρακώνεται και στη συνέχεια γραφιτοποιείται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 3000°C. Τα εξαρτήματα που επεξεργάζονται από αυτά τα ολόκληρα κομμάτια συνήθως καθαρίζονται σε ατμόσφαιρα που περιέχει χλώριο σε υψηλές θερμοκρασίες για την απομάκρυνση της μόλυνσης από μέταλλο ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις της βιομηχανίας ημιαγωγών. Ωστόσο, ακόμη και μετά από κατάλληλο καθαρισμό, το επίπεδο μόλυνσης μετάλλων είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερο από αυτό που επιτρέπεται για τα μονοκρυσταλλικά υλικά πυριτίου. Επομένως, πρέπει να ληφθεί μέριμνα στο σχεδιασμό του θερμικού πεδίου για να αποφευχθεί η είσοδος μόλυνσης αυτών των στοιχείων στην επιφάνεια τήγματος ή κρυστάλλου.
Τα υλικά γραφίτη είναι ελαφρώς διαπερατά, γεγονός που διευκολύνει το υπόλοιπο μέταλλο στο εσωτερικό να φτάσει στην επιφάνεια. Επιπλέον, το μονοξείδιο του πυριτίου που υπάρχει στο αέριο καθαρισμού γύρω από την επιφάνεια του γραφίτη μπορεί να διεισδύσει στα περισσότερα υλικά και να αντιδράσει.
Οι πρώιμοι θερμαντήρες κλιβάνων μονοκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονταν από πυρίμαχα μέταλλα όπως το βολφράμιο και το μολυβδαίνιο. Με την αυξανόμενη ωριμότητα της τεχνολογίας επεξεργασίας γραφίτη, οι ηλεκτρικές ιδιότητες της σύνδεσης μεταξύ των στοιχείων γραφίτη έχουν γίνει σταθερές και οι θερμαντήρες κλιβάνων μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αντικαταστήσει πλήρως τους θερμαντήρες βολφραμίου, μολυβδαινίου και άλλων υλικών. Επί του παρόντος, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό γραφίτη είναι ο ισοστατικός γραφίτης. Η τεχνολογία παρασκευής ισοστατικού γραφίτη της χώρας μου είναι σχετικά καθυστερημένη και τα περισσότερα από τα υλικά γραφίτη που χρησιμοποιούνται στην εγχώρια βιομηχανία φωτοβολταϊκών εισάγονται από το εξωτερικό. Οι ξένοι κατασκευαστές ισοστατικού γραφίτη περιλαμβάνουν κυρίως τη γερμανική SGL, την ιαπωνική Tokai Carbon, την ιαπωνική Toyo Tanso, κ.λπ. πλάκες και άλλα εξαρτήματα. Τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα (C/C) είναι σύνθετα με βάση άνθρακα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα με μια σειρά εξαιρετικών ιδιοτήτων όπως υψηλή ειδική αντοχή, υψηλό ειδικό μέτρο, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, υψηλή αντοχή σε θραύση, χαμηλό ειδικό βάρος, Αντοχή σε θερμικό σοκ, αντοχή στη διάβρωση και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, τους αγώνες, τα βιοϋλικά και άλλους τομείς ως νέα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες δομικά υλικά. Προς το παρόν, τα κύρια σημεία συμφόρησης που αντιμετωπίζουν τα εγχώρια σύνθετα C/C εξακολουθούν να είναι θέματα κόστους και εκβιομηχάνισης.
Υπάρχουν πολλά άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή θερμικών πεδίων. Ο γραφίτης ενισχυμένος με ίνες άνθρακα έχει καλύτερες μηχανικές ιδιότητες. αλλά είναι πιο ακριβό και έχει άλλες απαιτήσεις σχεδιασμού.Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι καλύτερο υλικό από τον γραφίτη από πολλές απόψεις, αλλά είναι πολύ πιο ακριβό και δύσκολο να παρασκευαστούν εξαρτήματα μεγάλου όγκου. Ωστόσο, το SiC χρησιμοποιείται συχνά ως αΕπικάλυψη CVDνα αυξήσει τη διάρκεια ζωής των τμημάτων γραφίτη που εκτίθενται σε διαβρωτικό αέριο μονοξείδιο του πυριτίου και μπορεί επίσης να μειώσει τη μόλυνση από γραφίτη. Η πυκνή επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου CVD αποτρέπει αποτελεσματικά τους ρύπους μέσα στο μικροπορώδες υλικό γραφίτη να φτάσουν στην επιφάνεια.
Ένας άλλος είναι ο άνθρακας CVD, ο οποίος μπορεί επίσης να σχηματίσει ένα πυκνό στρώμα πάνω από το τμήμα γραφίτη. Άλλα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες υλικά, όπως το μολυβδαίνιο ή τα κεραμικά υλικά που μπορούν να συνυπάρχουν με το περιβάλλον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου δεν υπάρχει κίνδυνος μόλυνσης του τήγματος. Ωστόσο, τα κεραμικά οξειδίου είναι γενικά περιορισμένα στην εφαρμογή τους σε υλικά γραφίτη σε υψηλές θερμοκρασίες και υπάρχουν λίγες άλλες επιλογές εάν απαιτείται μόνωση. Το ένα είναι το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (μερικές φορές ονομάζεται λευκός γραφίτης λόγω παρόμοιων ιδιοτήτων), αλλά οι μηχανικές ιδιότητες είναι φτωχές. Το μολυβδαίνιο χρησιμοποιείται γενικά ευλόγως για καταστάσεις υψηλής θερμοκρασίας λόγω του μέτριου κόστους, του χαμηλού ρυθμού διάχυσης σε κρυστάλλους πυριτίου και ενός πολύ χαμηλού συντελεστή διαχωρισμού περίπου 5×108, που επιτρέπει μια ορισμένη ποσότητα μόλυνσης από μολυβδαίνιο πριν καταστρέψει την κρυσταλλική δομή.
2. Θερμομονωτικά υλικά
Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μονωτικό υλικό είναι η τσόχα άνθρακα σε διάφορες μορφές. Η τσόχα άνθρακα είναι κατασκευασμένη από λεπτές ίνες, οι οποίες λειτουργούν ως μόνωση επειδή εμποδίζουν τη θερμική ακτινοβολία πολλές φορές σε μικρή απόσταση. Η μαλακή τσόχα άνθρακα υφαίνεται σε σχετικά λεπτά φύλλα υλικού, τα οποία στη συνέχεια κόβονται στο επιθυμητό σχήμα και κάμπτονται σφιχτά σε μια λογική ακτίνα. Οι σκληρυμένες τσόχες αποτελούνται από παρόμοια υλικά ινών και χρησιμοποιείται συνδετικό υλικό που περιέχει άνθρακα για τη σύνδεση των διασκορπισμένων ινών σε ένα πιο συμπαγές και διαμορφωμένο αντικείμενο. Η χρήση χημικής εναπόθεσης ατμού άνθρακα αντί για συνδετικό μπορεί να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού.
Συνήθως, η εξωτερική επιφάνεια της θερμομονωτικής τσόχας ωρίμανσης είναι επικαλυμμένη με συνεχή επίστρωση γραφίτη ή φύλλο για τη μείωση της διάβρωσης και της φθοράς καθώς και της μόλυνσης από σωματίδια. Υπάρχουν επίσης και άλλοι τύποι θερμομονωτικών υλικών με βάση τον άνθρακα, όπως ο αφρός άνθρακα. Γενικά, προφανώς προτιμώνται τα γραφιτοποιημένα υλικά γιατί η γραφιτοποίηση μειώνει πολύ την επιφάνεια της ίνας. Η εξάτμιση αυτών των υλικών υψηλής επιφάνειας μειώνεται σημαντικά και χρειάζεται λιγότερος χρόνος για να αντληθεί ο κλίβανος σε κατάλληλο κενό. Ένα άλλο είναι το σύνθετο υλικό C/C, το οποίο έχει εξαιρετικά χαρακτηριστικά όπως ελαφρύ βάρος, υψηλή ανοχή σε ζημιές και υψηλή αντοχή. Χρησιμοποιείται σε θερμικά πεδία για την αντικατάσταση εξαρτημάτων γραφίτη μειώνει σημαντικά τη συχνότητα αντικατάστασης εξαρτημάτων γραφίτη, βελτιώνει την ποιότητα της μονοκρυσταλλικής και τη σταθερότητα της παραγωγής.
Σύμφωνα με την ταξινόμηση της πρώτης ύλης, η τσόχα άνθρακα μπορεί να χωριστεί σε τσόχα άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο, τσόχα άνθρακα με βάση τη βισκόζη και τσόχα άνθρακα με βάση το βήμα.
Η τσόχα άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε τέφρα. Μετά από επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία, η μεμονωμένη ίνα γίνεται εύθραυστη. Κατά τη λειτουργία, είναι εύκολο να δημιουργηθεί σκόνη για να μολύνει το περιβάλλον του κλιβάνου. Ταυτόχρονα, η ίνα μπορεί εύκολα να εισέλθει στους πόρους και την αναπνευστική οδό του ανθρώπινου σώματος, κάτι που είναι επιβλαβές για την ανθρώπινη υγεία. Η τσόχα άνθρακα με βάση τη βισκόζη έχει καλή θερμομονωτική απόδοση. Είναι σχετικά μαλακό μετά από θερμική επεξεργασία και δεν είναι εύκολο να δημιουργήσει σκόνη. Ωστόσο, η διατομή της ακατέργαστης ίνας με βάση τη βισκόζη είναι ακανόνιστη και υπάρχουν πολλές αυλακώσεις στην επιφάνεια της ίνας. Είναι εύκολο να δημιουργηθούν αέρια όπως το C02 κάτω από την οξειδωτική ατμόσφαιρα του κλιβάνου πυριτίου CZ, προκαλώντας την καθίζηση οξυγόνου και στοιχείων άνθρακα στο μονοκρυσταλλικό υλικό πυριτίου. Οι κύριοι κατασκευαστές περιλαμβάνουν τη γερμανική SGL και άλλες εταιρείες. Προς το παρόν, η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη στη βιομηχανία μονοκρυσταλλικών ημιαγωγών είναι η τσόχα άνθρακα με βάση το βήμα, η οποία έχει χειρότερη θερμομονωτική απόδοση από την τσόχα άνθρακα με βάση τη βισκόζη, αλλά η τσόχα άνθρακα με βάση την πίσσα έχει υψηλότερη καθαρότητα και χαμηλότερη εκπομπή σκόνης. Οι κατασκευαστές περιλαμβάνουν την ιαπωνική Kureha Chemical και την Osaka Gas.
Επειδή το σχήμα της τσόχας άνθρακα δεν είναι σταθερό, είναι άβολο να λειτουργήσει. Τώρα πολλές εταιρείες έχουν αναπτύξει ένα νέο θερμομονωτικό υλικό με βάση την τσόχα άνθρακα που έχει σκληρυνθεί με τσόχα. Η τσόχα σκληρυμένου άνθρακα, που ονομάζεται επίσης σκληρή τσόχα, είναι μια τσόχα άνθρακα με συγκεκριμένο σχήμα και αυτοσυντηρούμενη ιδιότητα μετά από εμποτισμό της μαλακής τσόχας με ρητίνη, πλαστικοποίηση, ωρίμανση και ανθρακοποίηση.
Η ποιότητα ανάπτυξης του μονοκρυσταλλικού πυριτίου επηρεάζεται άμεσα από το θερμικό περιβάλλον και τα θερμομονωτικά υλικά από ανθρακονήματα παίζουν βασικό ρόλο σε αυτό το περιβάλλον. Η μαλακή τσόχα θερμομόνωσης από ανθρακονήματα εξακολουθεί να έχει σημαντικό πλεονέκτημα στη βιομηχανία φωτοβολταϊκών ημιαγωγών λόγω του πλεονεκτήματος κόστους, της εξαιρετικής θερμομονωτικής επίδρασης, του ευέλικτου σχεδιασμού και του προσαρμόσιμου σχήματος. Επιπλέον, η σκληρή θερμομονωτική τσόχα από ανθρακονήματα θα έχει μεγαλύτερο χώρο ανάπτυξης στην αγορά υλικών θερμικού πεδίου λόγω της συγκεκριμένης αντοχής και της υψηλότερης λειτουργικότητάς της. Δεσμευόμαστε για έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα των θερμομονωτικών υλικών και βελτιστοποιούμε συνεχώς την απόδοση των προϊόντων για να προωθήσουμε την ευημερία και την ανάπτυξη της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών ημιαγωγών.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-12-2024