مواد مهمی که کیفیت رشد سیلیکون تک کریستالی را تعیین می کنند - میدان حرارتی

فرآیند رشد سیلیکون تک کریستالی به طور کامل در زمینه حرارتی انجام می شود. یک میدان حرارتی خوب برای بهبود کیفیت کریستال ها مساعد است و راندمان تبلور بالاتری دارد. طراحی میدان حرارتی تا حد زیادی تغییر در گرادیان های دما در میدان حرارتی دینامیکی و جریان گاز در محفظه کوره را تعیین می کند. تفاوت در مواد مورد استفاده در زمینه حرارتی به طور مستقیم عمر مفید میدان حرارتی را تعیین می کند. یک میدان حرارتی نامعقول نه تنها برای رشد کریستال هایی که شرایط کیفی را برآورده می کنند دشوار است، بلکه نمی تواند تحت شرایط خاص فرآیند به صورت تک کریستالی رشد کند. به همین دلیل است که صنعت سیلیکون تک کریستالی با کشش مستقیم، طراحی میدان حرارتی را به عنوان اصلی ترین فناوری در نظر می گیرد و نیروی انسانی و منابع عظیم مادی را در تحقیق و توسعه میدان حرارتی سرمایه گذاری می کند.

سیستم حرارتی از مواد مختلف میدان حرارتی تشکیل شده است. ما فقط به طور خلاصه به معرفی مواد مورد استفاده در زمینه حرارتی می پردازیم. در مورد توزیع دما در میدان حرارتی و تأثیر آن بر کشش کریستال، ما در اینجا آن را تجزیه و تحلیل نمی کنیم. مواد میدان حرارتی به ساختار و بخش عایق حرارتی در محفظه رشد کریستال کوره خلاء اشاره دارد که برای ایجاد توزیع دمای مناسب در اطراف مذاب نیمه هادی و کریستال ضروری است.

1. مواد ساختار میدان حرارتی

ماده اصلی پشتیبانی برای روش کشش مستقیم برای رشد سیلیکون تک کریستالی، گرافیت با خلوص بالا است. مواد گرافیت نقش بسیار مهمی در صنعت مدرن دارند. می توان از آنها به عنوان اجزای ساختاری میدان گرمایی مانندبخاری ها, لوله های راهنما, بوته ها، لوله های عایق، سینی های بوته و ... در تهیه سیلیکون مونو کریستال به روش چوکرالسکی.

مواد گرافیتبه این دلیل انتخاب می شوند که به راحتی در حجم زیاد آماده می شوند، قابل پردازش هستند و در برابر دماهای بالا مقاوم هستند. کربن به شکل الماس یا گرافیت دارای نقطه ذوب بالاتری نسبت به هر عنصر یا ترکیبی است. مواد گرافیت به خصوص در دماهای بالا بسیار قوی هستند و رسانایی الکتریکی و حرارتی آنها نیز بسیار خوب است. رسانایی الکتریکی آن باعث می شود که به عنوان یکبخاریمواد دارای ضریب هدایت حرارتی رضایت بخشی است که اجازه می دهد گرمای تولید شده توسط بخاری به طور مساوی در بوته و سایر قسمت های میدان گرما توزیع شود. با این حال، در دماهای بالا، به ویژه در فواصل طولانی، حالت اصلی انتقال حرارت تابش است.

قطعات گرافیت در ابتدا از ذرات کربنی ریز که با یک بایندر مخلوط شده و با اکستروژن یا پرس ایزواستاتیک تشکیل می‌شوند، ساخته می‌شوند. قطعات گرافیتی با کیفیت بالا معمولا به صورت ایزواستاتیک پرس می شوند. کل قطعه ابتدا کربنیزه می شود و سپس در دماهای بسیار بالا نزدیک به 3000 درجه سانتی گراد گرافیت می شود. قطعات پردازش شده از این قطعات کامل معمولاً در یک اتمسفر حاوی کلر در دمای بالا برای حذف آلودگی فلزی برای برآورده کردن نیازهای صنعت نیمه هادی خالص می شوند. با این حال، حتی پس از تصفیه مناسب، سطح آلودگی فلزی چندین مرتبه بالاتر از حد مجاز برای مواد تک کریستالی سیلیکون است. بنابراین باید در طراحی میدان حرارتی دقت شود تا از ورود آلودگی این اجزا به سطح مذاب یا کریستال جلوگیری شود.

مواد گرافیت کمی نفوذپذیر هستند، که باعث می شود فلز باقی مانده در داخل به راحتی به سطح برسد. علاوه بر این، مونوکسید سیلیکون موجود در گاز تصفیه کننده در اطراف سطح گرافیت می تواند به بیشتر مواد نفوذ کرده و واکنش نشان دهد.

بخاری های کوره سیلیکونی تک کریستالی اولیه از فلزات نسوز مانند تنگستن و مولیبدن ساخته می شدند. با افزایش بلوغ فناوری پردازش گرافیت، خواص الکتریکی اتصال بین اجزای گرافیت پایدار شده است و بخاری های کوره سیلیکونی تک کریستالی به طور کامل جایگزین بخاری های تنگستن، مولیبدن و سایر مواد شده اند. در حال حاضر پرکاربردترین ماده گرافیت گرافیت ایزواستاتیک است. فناوری تهیه گرافیت ایزواستاتیک کشور من نسبتاً عقب مانده است و بیشتر مواد گرافیت مورد استفاده در صنعت فتوولتائیک داخلی از خارج وارد می شود. تولیدکنندگان گرافیت ایزواستاتیک خارجی عمدتاً شامل SGL آلمان، توکای کربن ژاپن، تویو تانسو ژاپن و غیره می باشند. در کوره های سیلیکونی تک کریستالی Czochralski، گاهی اوقات از مواد کامپوزیت C/C استفاده می شود و شروع به استفاده از آنها برای ساخت پیچ و مهره، مهره، بوته، بارگیری شده است. صفحات و سایر اجزاء کامپوزیت های کربن/کربن (C/C) کامپوزیت های مبتنی بر کربن تقویت شده با فیبر کربن با یک سری خواص عالی مانند استحکام ویژه بالا، مدول ویژه بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین، هدایت الکتریکی خوب، چقرمگی شکست بالا، وزن مخصوص پایین، مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر درجه حرارت بالا. در حال حاضر، آنها به طور گسترده در هوافضا، مسابقه، مواد زیستی و سایر زمینه ها به عنوان مواد ساختاری مقاوم در برابر دمای بالا استفاده می شوند. در حال حاضر، گلوگاه های اصلی کامپوزیت های C/C داخلی همچنان مسائل مربوط به هزینه و صنعتی شدن است.

بسیاری از مواد دیگر برای ساخت میدان های حرارتی استفاده می شود. گرافیت تقویت شده با فیبر کربن خواص مکانیکی بهتری دارد. اما گرانتر است و نیازهای دیگری برای طراحی دارد.کاربید سیلیکون (SiC)از بسیاری جهات ماده ای بهتر از گرافیت است، اما تهیه قطعات با حجم زیاد بسیار گرانتر و دشوارتر است. با این حال، SiC اغلب به عنوان یک استفاده می شودپوشش CVDبرای افزایش عمر قطعات گرافیت در معرض گاز مونوکسید سیلیکون خورنده و همچنین می تواند آلودگی ناشی از گرافیت را کاهش دهد. پوشش متراکم کاربید سیلیکون CVD به طور موثری از رسیدن آلاینده های داخل مواد گرافیت ریز متخلخل به سطح جلوگیری می کند.

دیگری کربن CVD است که می تواند یک لایه متراکم در بالای قسمت گرافیت ایجاد کند. سایر مواد مقاوم در برابر دمای بالا، مانند مولیبدن یا مواد سرامیکی که می توانند با محیط زیست همزیستی داشته باشند، می توانند در مواردی که خطر آلودگی مذاب وجود ندارد، استفاده شوند. با این حال، سرامیک های اکسیدی معمولاً در کاربرد آنها برای مواد گرافیتی در دماهای بالا محدود هستند و در صورت نیاز به عایق، گزینه های کمی وجود دارد. یکی نیترید بور شش ضلعی است (به دلیل خواص مشابه گاهی اوقات گرافیت سفید نامیده می شود)، اما خواص مکانیکی آن ضعیف است. معمولاً مولیبدن به دلیل هزینه متوسط، سرعت انتشار کم در بلورهای سیلیکونی و ضریب تفکیک بسیار پایین در حدود 5×108 به طور معقولی برای شرایط دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد که امکان آلودگی مولیبدن را قبل از تخریب ساختار بلوری فراهم می‌کند.

2. مواد عایق حرارتی

متداول ترین ماده عایق مورد استفاده، نمد کربن به اشکال مختلف است. نمد کربن از الیاف نازک ساخته شده است که به عنوان عایق عمل می کنند زیرا تابش حرارتی را چندین بار در یک فاصله کوتاه مسدود می کنند. نمد کربن نرم به صورت ورقه های نسبتاً نازکی از مواد بافته می شود که سپس به شکل دلخواه بریده شده و به شعاع مناسب خم می شود. نمدهای پخته شده از مواد الیافی مشابهی تشکیل شده‌اند و از یک بایندر حاوی کربن برای اتصال الیاف پراکنده به یک جسم جامدتر و شکل‌تر استفاده می‌شود. استفاده از رسوب شیمیایی بخار کربن به جای چسب می تواند خواص مکانیکی مواد را بهبود بخشد.

به طور معمول، سطح بیرونی نمد پخت عایق حرارتی با یک پوشش گرافیتی پیوسته یا فویل پوشانده می شود تا فرسایش و سایش و همچنین آلودگی ذرات را کاهش دهد. انواع دیگری از مواد عایق حرارتی مبتنی بر کربن نیز وجود دارد، مانند فوم کربن. به طور کلی، مواد گرافیتی بدیهی است که ترجیح داده می شوند زیرا گرافیتی شدن سطح الیاف را تا حد زیادی کاهش می دهد. خروج گاز از این مواد با سطح بالا تا حد زیادی کاهش می یابد، و زمان کمتری برای پمپ کردن کوره به خلاء مناسب نیاز دارد. یکی دیگر از مواد کامپوزیت C/C است که ویژگی های برجسته ای مانند وزن سبک، تحمل آسیب بالا و استحکام بالا دارد. استفاده در زمینه های حرارتی برای جایگزینی قطعات گرافیتی به طور قابل توجهی فرکانس تعویض قطعات گرافیتی را کاهش می دهد، کیفیت تک کریستالی و پایداری تولید را بهبود می بخشد.

با توجه به طبقه بندی مواد خام، نمد کربن را می توان به نمد کربنی مبتنی بر پلی اکریلونیتریل، نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز و نمد کربنی مبتنی بر زمین تقسیم کرد.
نمد کربنی مبتنی بر پلی اکریلونیتریل دارای خاکستر زیادی است. پس از درمان در دمای بالا، تک فیبر شکننده می شود. در حین کار، تولید گرد و غبار برای آلوده کردن محیط کوره آسان است. در عین حال فیبر به راحتی می تواند وارد منافذ و مجاری تنفسی بدن انسان شود که برای سلامتی انسان مضر است. نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز عملکرد عایق حرارتی خوبی دارد. پس از عملیات حرارتی نسبتاً نرم است و تولید گرد و غبار آسان نیست. با این حال، سطح مقطع فیبر خام مبتنی بر ویسکوز نامنظم است و شیارهای زیادی روی سطح الیاف وجود دارد. تولید گازهایی مانند C02 در زیر اتمسفر اکسید کننده کوره سیلیکون CZ آسان است و باعث رسوب اکسیژن و عناصر کربن در مواد سیلیکونی تک کریستالی می شود. تولید کنندگان اصلی عبارتند از SGL آلمان و شرکت های دیگر. در حال حاضر، پرکاربردترین مورد در صنعت تک کریستالی نیمه هادی، نمد کربن پایه زمینی است که عملکرد عایق حرارتی بدتری نسبت به نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز دارد، اما نمد کربن پایه زمینی خلوص بالاتر و انتشار گرد و غبار کمتری دارد. تولیدکنندگان شامل کورها شیمیایی ژاپن و گاز اوزاکا هستند.
از آنجایی که شکل نمد کربن ثابت نیست، کار کردن با آن ناخوشایند است. اکنون بسیاری از شرکت ها مواد عایق حرارتی جدیدی را بر اساس نمد کربن نمدی ساخته شده اند. نمد کربن پخته شده که به آن نمد سخت نیز می گویند، نمد کربنی با شکل خاص و خاصیت خود نگهدار پس از آغشته شدن نمد نرم به رزین، لمینت، عمل آوری و کربنیزه شدن است.

کیفیت رشد سیلیکون مونو کریستال مستقیماً تحت تأثیر محیط حرارتی است و مواد عایق حرارتی فیبر کربن نقش اساسی در این محیط دارند. نمد نرم عایق حرارتی فیبر کربن به دلیل مزیت هزینه، اثر عایق حرارتی عالی، طراحی انعطاف پذیر و شکل قابل تنظیم، هنوز هم در صنعت نیمه هادی فتوولتائیک مزیت قابل توجهی دارد. علاوه بر این، نمد عایق حرارتی سخت فیبر کربن به دلیل استحکام خاص و عملکرد بالاتر، فضای توسعه بیشتری در بازار مواد میدان حرارتی خواهد داشت. ما متعهد به تحقیق و توسعه در زمینه مواد عایق حرارتی هستیم و به طور مداوم عملکرد محصول را برای ارتقای رونق و توسعه صنعت نیمه هادی فتوولتائیک بهینه می کنیم.