El proceso de crecimiento del silicio monocristalino se realiza íntegramente en el campo térmico. Un buen campo térmico favorece la mejora de la calidad de los cristales y tiene una mayor eficiencia de cristalización. El diseño del campo térmico determina en gran medida los cambios en los gradientes de temperatura en el campo térmico dinámico y el flujo de gas en la cámara del horno. La diferencia en los materiales utilizados en el campo térmico determina directamente la vida útil del campo térmico. Un campo térmico irrazonable no sólo dificulta el crecimiento de cristales que cumplan con los requisitos de calidad, sino que tampoco puede producir monocristalinos completos bajo ciertos requisitos de proceso. Esta es la razón por la que la industria del silicio monocristalino de tracción directa considera el diseño de campos térmicos como la tecnología más importante e invierte enormes recursos humanos y materiales en investigación y desarrollo de campos térmicos.
El sistema térmico está compuesto por varios materiales de campo térmico. Sólo presentamos brevemente los materiales utilizados en el campo térmico. En cuanto a la distribución de temperatura en el campo térmico y su impacto en la extracción de cristales, no la analizaremos aquí. El material del campo térmico se refiere a la estructura y la parte de aislamiento térmico en la cámara de crecimiento del cristal del horno de vacío, que es esencial para crear una distribución de temperatura adecuada alrededor del semiconductor fundido y el cristal.
1. Material de la estructura del campo térmico.
El material de soporte básico para el método de tracción directa para cultivar silicio monocristalino es el grafito de alta pureza. Los materiales de grafito juegan un papel muy importante en la industria moderna. Se pueden utilizar como componentes estructurales de campos térmicos, comocalentadores, tubos guía, crisoles, tubos aislantes, bandejas de crisol, etc. en la preparación de silicio monocristalino por el método Czochralski.
Materiales de grafitoSe seleccionan porque son fáciles de preparar en grandes volúmenes, pueden procesarse y son resistentes a altas temperaturas. El carbono en forma de diamante o grafito tiene un punto de fusión más alto que cualquier elemento o compuesto. Los materiales de grafito son bastante resistentes, especialmente a altas temperaturas, y su conductividad eléctrica y térmica también es bastante buena. Su conductividad eléctrica lo hace adecuado comocalentadormaterial. Tiene un coeficiente de conductividad térmica satisfactorio, que permite que el calor generado por el calentador se distribuya uniformemente al crisol y otras partes del campo térmico. Sin embargo, a altas temperaturas, especialmente a largas distancias, el principal modo de transferencia de calor es la radiación.
Las piezas de grafito están hechas inicialmente de finas partículas carbonosas mezcladas con un aglutinante y formadas por extrusión o prensado isostático. Las piezas de grafito de alta calidad suelen prensarse isostáticamente. Toda la pieza se carboniza primero y luego se grafitiza a temperaturas muy altas, cercanas a los 3000°C. Las piezas procesadas a partir de estas piezas enteras generalmente se purifican en una atmósfera que contiene cloro a altas temperaturas para eliminar la contaminación metálica y cumplir con los requisitos de la industria de semiconductores. Sin embargo, incluso después de una purificación adecuada, el nivel de contaminación del metal es varios órdenes de magnitud mayor que el permitido para los materiales monocristalinos de silicio. Por lo tanto, se debe tener cuidado en el diseño del campo térmico para evitar que la contaminación de estos componentes entre en la superficie fundida o del cristal.
Los materiales de grafito son ligeramente permeables, lo que facilita que el metal restante del interior llegue a la superficie. Además, el monóxido de silicio presente en el gas de purga alrededor de la superficie del grafito puede penetrar en la mayoría de los materiales y reaccionar.
Los primeros calentadores de hornos de silicio monocristalino estaban hechos de metales refractarios como el tungsteno y el molibdeno. Con la creciente madurez de la tecnología de procesamiento de grafito, las propiedades eléctricas de la conexión entre los componentes de grafito se han vuelto estables y los calentadores de horno de silicio monocristalino han reemplazado por completo los calentadores de tungsteno, molibdeno y otros materiales. En la actualidad, el material de grafito más utilizado es el grafito isostático. La tecnología de preparación de grafito isostático de mi país está relativamente atrasada y la mayoría de los materiales de grafito utilizados en la industria fotovoltaica nacional se importan del extranjero. Los fabricantes extranjeros de grafito isostático incluyen principalmente a la alemana SGL, la japonesa Tokai Carbon, la japonesa Toyo Tanso, etc. En los hornos de silicio monocristalino de Czochralski, a veces se utilizan materiales compuestos C/C, y se han comenzado a utilizar para fabricar pernos, tuercas, crisoles, cargas. placas y otros componentes. Los compuestos carbono/carbono (C/C) son compuestos a base de carbono reforzados con fibra de carbono con una serie de excelentes propiedades como alta resistencia específica, alto módulo específico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena conductividad eléctrica, alta tenacidad a la fractura, baja gravedad específica, Resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión y resistencia a altas temperaturas. En la actualidad, se utilizan ampliamente en los campos aeroespacial, de carreras, de biomateriales y otros campos como nuevos materiales estructurales resistentes a altas temperaturas. En la actualidad, los principales obstáculos que enfrentan los compuestos C/C nacionales siguen siendo los problemas de costo y de industrialización.
Hay muchos otros materiales que se utilizan para fabricar campos térmicos. El grafito reforzado con fibra de carbono tiene mejores propiedades mecánicas; pero es más caro y tiene otros requisitos de diseño.Carburo de silicio (SiC)Es un material mejor que el grafito en muchos aspectos, pero es mucho más caro y difícil de preparar piezas de gran volumen. Sin embargo, el SiC se utiliza a menudo comoRecubrimiento CVDpara aumentar la vida útil de las piezas de grafito expuestas al gas corrosivo de monóxido de silicio y también puede reducir la contaminación del grafito. El denso revestimiento de carburo de silicio CVD evita eficazmente que los contaminantes del interior del material de grafito microporoso lleguen a la superficie.
Otro es el carbono CVD, que también puede formar una capa densa sobre la parte de grafito. Se pueden utilizar otros materiales resistentes a altas temperaturas, como molibdeno o materiales cerámicos que puedan coexistir con el medio ambiente, donde no haya riesgo de contaminar la masa fundida. Sin embargo, las cerámicas de óxido generalmente tienen una aplicabilidad limitada a materiales de grafito a altas temperaturas, y existen pocas otras opciones si se requiere aislamiento. Uno es el nitruro de boro hexagonal (a veces llamado grafito blanco debido a propiedades similares), pero las propiedades mecánicas son pobres. El molibdeno generalmente se usa razonablemente para situaciones de alta temperatura debido a su costo moderado, baja tasa de difusión en cristales de silicio y un coeficiente de segregación muy bajo de aproximadamente 5 × 108, lo que permite una cierta cantidad de contaminación por molibdeno antes de destruir la estructura cristalina.
2. Materiales de aislamiento térmico
El material aislante más utilizado es el fieltro de carbono en diversas formas. El fieltro de carbono está hecho de fibras finas que actúan como aislante porque bloquean la radiación térmica varias veces en una distancia corta. El fieltro de carbono blando se teje en láminas de material relativamente delgadas, que luego se cortan en la forma deseada y se doblan firmemente en un radio razonable. Los fieltros curados se componen de materiales de fibra similares y se utiliza un aglutinante que contiene carbono para conectar las fibras dispersas en un objeto más sólido y con forma. El uso de deposición química de vapor de carbono en lugar de un aglutinante puede mejorar las propiedades mecánicas del material.
Normalmente, la superficie exterior del fieltro de curado para aislamiento térmico está recubierta con un revestimiento o lámina de grafito continuo para reducir la erosión y el desgaste, así como la contaminación por partículas. También existen otros tipos de materiales aislantes térmicos a base de carbono, como la espuma de carbono. En general, obviamente se prefieren los materiales grafitizados porque la grafitización reduce en gran medida la superficie de la fibra. La desgasificación de estos materiales de gran superficie se reduce considerablemente y se necesita menos tiempo para bombear el horno a un vacío adecuado. Otro es el material compuesto C/C, que tiene características sobresalientes como peso ligero, alta tolerancia al daño y alta resistencia. Utilizado en campos térmicos para reemplazar piezas de grafito, reduce significativamente la frecuencia de reemplazo de piezas de grafito, mejora la calidad monocristalina y la estabilidad de la producción.
Según la clasificación de la materia prima, el fieltro de carbono se puede dividir en fieltro de carbono a base de poliacrilonitrilo, fieltro de carbono a base de viscosa y fieltro de carbono a base de brea.
El fieltro de carbono a base de poliacrilonitrilo tiene un alto contenido de cenizas. Después del tratamiento a alta temperatura, la fibra única se vuelve quebradiza. Durante el funcionamiento, es fácil generar polvo que contamina el entorno del horno. Al mismo tiempo, la fibra puede ingresar fácilmente a los poros y al tracto respiratorio del cuerpo humano, lo que es perjudicial para la salud humana. El fieltro de carbono a base de viscosa tiene un buen rendimiento de aislamiento térmico. Es relativamente blando después del tratamiento térmico y no es fácil generar polvo. Sin embargo, la sección transversal de la fibra cruda a base de viscosa es irregular y hay muchas ranuras en la superficie de la fibra. Es fácil generar gases como C02 bajo la atmósfera oxidante del horno de silicio CZ, provocando la precipitación de elementos de oxígeno y carbono en el material de silicio monocristalino. Los principales fabricantes incluyen la alemana SGL y otras empresas. En la actualidad, el más utilizado en la industria monocristalina de semiconductores es el fieltro de carbono a base de brea, que tiene peor rendimiento de aislamiento térmico que el fieltro de carbono a base de viscosa, pero el fieltro de carbono a base de brea tiene una mayor pureza y una menor emisión de polvo. Los fabricantes incluyen a Kureha Chemical de Japón y Osaka Gas.
Debido a que la forma del fieltro de carbono no es fija, su funcionamiento resulta incómodo. Ahora muchas empresas han desarrollado un nuevo material de aislamiento térmico basado en fieltro de carbono curado con fieltro. El fieltro de carbón curado, también llamado fieltro duro, es un fieltro de carbón con cierta forma y propiedad autosostenible después de que el fieltro blando se impregna con resina, se lamina, se cura y se carboniza.
La calidad de crecimiento del silicio monocristalino se ve directamente afectada por el entorno térmico, y los materiales de aislamiento térmico de fibra de carbono desempeñan un papel clave en este entorno. El fieltro blando de aislamiento térmico de fibra de carbono todavía tiene una ventaja significativa en la industria de semiconductores fotovoltaicos debido a su ventaja de costos, excelente efecto de aislamiento térmico, diseño flexible y forma personalizable. Además, el fieltro aislante térmico duro de fibra de carbono tendrá un mayor espacio de desarrollo en el mercado de materiales de campo térmico debido a su cierta resistencia y mayor operatividad. Estamos comprometidos con la investigación y el desarrollo en el campo de los materiales de aislamiento térmico y optimizamos continuamente el rendimiento de los productos para promover la prosperidad y el desarrollo de la industria de semiconductores fotovoltaicos.
Hora de publicación: 12 de junio de 2024