Yksikiteisen piin kasvuprosessi suoritetaan kokonaan lämpökentässä. Hyvä lämpökenttä parantaa kiteiden laatua ja sillä on suurempi kiteytysteho. Lämpökentän suunnittelu määrää suurelta osin lämpötilagradienttien muutokset dynaamisessa lämpökentässä ja kaasun virtauksen uunikammiossa. Lämpökentässä käytettyjen materiaalien erot määräävät suoraan lämpökentän käyttöiän. Kohtuuton lämpökenttä ei ole vain vaikeaa kasvattaa laatuvaatimukset täyttäviä kiteitä, vaan se ei myöskään voi kasvaa täysin yksikiteisiksi tietyissä prosessivaatimuksissa. Tästä syystä suoravetomonokiteinen piiteollisuus pitää lämpökenttäsuunnittelua ydinteknologiana ja investoi valtavia työvoima- ja materiaaliresursseja lämpökentän tutkimukseen ja kehitykseen.
Lämpöjärjestelmä koostuu erilaisista lämpökenttämateriaaleista. Esittelemme vain lyhyesti lämpökentässä käytetyt materiaalit. Mitä tulee lämpötilan jakautumiseen lämpökentässä ja sen vaikutukseen kiteen vetoon, emme analysoi sitä tässä. Lämpökenttämateriaalilla tarkoitetaan tyhjiöuunin kiteiden kasvukammion rakennetta ja lämmöneristysosaa, joka on olennaista sopivan lämpötilajakauman luomiseksi puolijohdesulatteen ja kiteen ympärille.
1. Lämpökentän rakennemateriaali
Yksikiteisen piin suoravetomenetelmän perustukimateriaalina on erittäin puhdas grafiitti. Grafiittimateriaalit ovat erittäin tärkeässä asemassa nykyaikaisessa teollisuudessa. Niitä voidaan käyttää lämpökenttärakennekomponentteina, kutenlämmittimet, ohjausputket, upokkaat, eristysputket, upokasalustat jne. monokiteisen piin valmistuksessa Czochralski-menetelmällä.
Grafiittimateriaalitvalitaan, koska ne on helppo valmistaa suuria määriä, niitä voidaan käsitellä ja ne kestävät korkeita lämpötiloja. Timantin tai grafiitin muodossa olevalla hiilellä on korkeampi sulamispiste kuin millään alkuaineella tai yhdisteellä. Grafiittimateriaalit ovat varsin lujia varsinkin korkeissa lämpötiloissa, ja niiden sähkö- ja lämmönjohtavuus on myös melko hyvä. Sen sähkönjohtavuus tekee siitä sopivan alämmitinmateriaalia. Sillä on tyydyttävä lämmönjohtavuuskerroin, jonka ansiosta lämmittimen tuottama lämpö jakautuu tasaisesti upokkaan ja muihin lämpökentän osiin. Kuitenkin korkeissa lämpötiloissa, erityisesti pitkillä etäisyyksillä, tärkein lämmönsiirtomuoto on säteily.
Grafiittiosat valmistetaan aluksi hienoista hiilipitoisista hiukkasista, jotka on sekoitettu sideaineeseen ja muodostettu ekstruusiolla tai isostaattisella puristamalla. Laadukkaat grafiittiosat puristetaan yleensä isostaattisesti. Koko kappale ensin hiiltyy ja sitten grafitoidaan erittäin korkeissa lämpötiloissa, lähes 3000 °C:ssa. Näistä kokonaisista kappaleista valmistetut osat puhdistetaan yleensä klooripitoisessa ilmakehässä korkeissa lämpötiloissa metallikontaminaation poistamiseksi puolijohdeteollisuuden vaatimusten täyttämiseksi. Kuitenkin jopa asianmukaisen puhdistuksen jälkeen metallikontaminaation taso on useita suuruusluokkia korkeampi kuin yksikiteisillä piillä sallituilla materiaaleilla. Siksi lämpökentän suunnittelussa on huolehdittava siitä, ettei näiden komponenttien kontaminaatiota pääse sulatteen tai kiteen pintaan.
Grafiittimateriaalit ovat hieman läpäiseviä, mikä helpottaa sisällä olevan metallin pääsyä pintaan. Lisäksi grafiitin pinnan ympärillä olevassa huuhtelukaasussa oleva piimonoksidi voi tunkeutua useimpiin materiaaleihin ja reagoida.
Varhaiset yksikiteiset piiuunin lämmittimet valmistettiin tulenkestävistä metalleista, kuten volframista ja molybdeenistä. Grafiitin käsittelytekniikan kypsymisen myötä grafiittikomponenttien välisen liitoksen sähköiset ominaisuudet ovat vakiintuneet, ja monokiteiset piiuunin lämmittimet ovat korvanneet volframi-, molybdeeni- ja muiden materiaalien lämmittimet kokonaan. Tällä hetkellä yleisimmin käytetty grafiittimateriaali on isostaattinen grafiitti. kotimaani isostaattisen grafiitin valmistustekniikka on suhteellisen takapajuinen, ja suurin osa kotimaisessa aurinkosähköteollisuudessa käytetyistä grafiittimateriaaleista tuodaan ulkomailta. Ulkomaisia isostaattisen grafiitin valmistajia ovat pääasiassa saksalainen SGL, japanilainen Tokai Carbon, japanilainen Toyo Tanso jne. Czochralskin yksikiteisissä piiuuneissa käytetään joskus C/C-komposiittimateriaaleja, ja niitä on alettu käyttää pulttien, muttereiden, upokkaiden, kuorman valmistukseen. levyt ja muut komponentit. Hiili/hiili (C/C) -komposiitit ovat hiilikuituvahvisteisia hiilipohjaisia komposiitteja, joilla on useita erinomaisia ominaisuuksia, kuten korkea ominaislujuus, korkea ominaismoduuli, alhainen lämpölaajenemiskerroin, hyvä sähkönjohtavuus, korkea murtolujuus, alhainen ominaispaino, lämpöiskun kestävyys, korroosionkestävyys ja korkeiden lämpötilojen kestävyys. Tällä hetkellä niitä käytetään laajasti ilmailu-, kilpa-, biomateriaaleissa ja muilla aloilla uusina korkeita lämpötiloja kestävinä rakennemateriaaleina. Tällä hetkellä kotimaisten C/C-komposiittien tärkeimmät pullonkaulat ovat edelleen kustannus- ja teollistumisongelmat.
Lämpökenttien valmistukseen käytetään monia muita materiaaleja. Hiilikuituvahvisteisella grafiitilla on paremmat mekaaniset ominaisuudet; mutta se on kalliimpi ja siinä on muita suunnitteluvaatimuksia.Piikarbidi (SiC)on monessa suhteessa parempi materiaali kuin grafiitti, mutta se on paljon kalliimpaa ja vaikeampaa valmistaa suuria osia. Piikarbidia käytetään kuitenkin usein mmCVD-pinnoitepidentää syövyttävälle piimonoksidikaasulle alttiina olevien grafiittiosien käyttöikää ja vähentää myös grafiitin aiheuttamaa kontaminaatiota. Tiheä CVD-piikarbidipinnoite estää tehokkaasti mikrohuokoisen grafiittimateriaalin sisällä olevien epäpuhtauksien pääsyn pinnalle.
Toinen on CVD-hiili, joka voi myös muodostaa tiheän kerroksen grafiittiosan yläpuolelle. Muita korkeita lämpötiloja kestäviä materiaaleja, kuten molybdeenia tai keraamisia materiaaleja, jotka voivat esiintyä rinnakkain ympäristön kanssa, voidaan käyttää, jos ei ole vaaraa sulatteen saastumisesta. Oksidikeraamien käyttökelpoisuus grafiittimateriaaleihin korkeissa lämpötiloissa on kuitenkin yleensä rajoitettu, ja eristystä varten on vain vähän muita vaihtoehtoja. Yksi on kuusikulmainen boorinitridi (kutsutaan joskus valkoiseksi grafiitiksi samanlaisten ominaisuuksien vuoksi), mutta mekaaniset ominaisuudet ovat huonot. Molybdeeniä käytetään yleensä kohtuullisesti korkeissa lämpötiloissa, koska sen kustannukset ovat kohtuulliset, diffuusionopeus piikiteissä on alhainen ja segregaatiokerroin on erittäin alhainen, noin 5 × 108, mikä sallii tietyn määrän molybdeenin kontaminaatiota ennen kiderakenteen tuhoamista.
2. Lämmöneristysmateriaalit
Yleisimmin käytetty eristemateriaali on hiilihuopa eri muodoissa. Hiilihuopa on valmistettu ohuista kuiduista, jotka toimivat eristeenä, koska ne estävät lämpösäteilyn useita kertoja lyhyen matkan päässä. Pehmeä hiilihuopa kudotaan suhteellisen ohuiksi materiaalilevyiksi, jotka sitten leikataan haluttuun muotoon ja taivutetaan tiukasti kohtuulliseen säteeseen. Kovetetut huovat koostuvat samanlaisista kuitumateriaaleista, ja hiilipitoisella sideaineella dispergoidut kuidut yhdistetään kiinteämmäksi ja muotoillummaksi esineeksi. Hiilen kemiallisen höyrysaostuksen käyttö sideaineen sijasta voi parantaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.
Tyypillisesti lämpöeristyskovetushuovan ulkopinta päällystetään jatkuvalla grafiittipinnoitteella tai kalvolla eroosion ja kulumisen sekä hiukkaskontaminaation vähentämiseksi. On myös muita hiilipohjaisia lämmöneristysmateriaaleja, kuten hiilivaahtoa. Yleensä grafitoidut materiaalit ovat luonnollisesti edullisia, koska grafitointi vähentää huomattavasti kuidun pinta-alaa. Näiden suuren pinta-alan materiaalien kaasunpoisto vähenee huomattavasti, ja uunin pumppaaminen sopivaan tyhjiöön vie vähemmän aikaa. Toinen on C/C-komposiittimateriaali, jolla on erinomaiset ominaisuudet, kuten keveys, korkea vaurioituminen ja korkea lujuus. Käytetty lämpökentillä grafiittiosien korvaamiseen vähentää merkittävästi grafiittiosien vaihtotiheyttä, parantaa monokiteistä laatua ja tuotannon vakautta.
Raaka-aineluokituksen mukaan hiilihuopa voidaan jakaa polyakryylinitriilipohjaiseen hiilihuopaan, viskoosipohjaiseen hiilihuopaan ja pihkapohjaiseen hiilihuopaan.
Polyakrylonitriilipohjaisella hiilihuovalla on suuri tuhkapitoisuus. Korkean lämpötilan käsittelyn jälkeen yksi kuitu muuttuu hauraaksi. Käytön aikana syntyy helposti pölyä, joka saastuttaa uunin ympäristöä. Samaan aikaan kuitu voi helposti päästä ihmiskehon huokosiin ja hengitysteihin, mikä on haitallista ihmisten terveydelle. Viskoosipohjaisella hiilihuovalla on hyvä lämmöneristyskyky. Se on suhteellisen pehmeää lämpökäsittelyn jälkeen, eikä siitä ole helppo muodostaa pölyä. Viskoosipohjaisen raakakuidun poikkileikkaus on kuitenkin epäsäännöllinen ja kuidun pinnassa on paljon uria. CZ-piiuunin hapettavassa ilmakehässä on helppo tuottaa kaasuja, kuten C02, mikä aiheuttaa happi- ja hiilialkuaineiden saostumista yksikiteiseen piimateriaaliin. Päävalmistajia ovat saksalaiset SGL ja muut yritykset. Puolijohdemonokiteisessä teollisuudessa tällä hetkellä eniten käytetty on pihkapohjainen hiilihuopa, jonka lämmöneristyskyky on huonompi kuin viskoosipohjaisella hiilihuovalla, mutta pihkapohjaisella hiilihuovalla on korkeampi puhtaus ja pienempi pölypäästö. Valmistajia ovat japanilainen Kureha Chemical ja Osaka Gas.
Koska hiilihuovan muoto ei ole kiinteä, se on hankala käyttää. Nyt monet yritykset ovat kehittäneet uuden lämpöeristysmateriaalin, joka perustuu hiilihuopakovettuneeseen hiilihuopaan. Kovettunut hiilihuopa, jota kutsutaan myös kovaksi huopaksi, on hiilihuopa, jolla on tietty muoto ja itseään ylläpitävä ominaisuus sen jälkeen, kun pehmeä huopa on kyllästetty hartsilla, laminoitu, kovetettu ja hiiltynyt.
Yksikiteisen piin kasvulaatuun vaikuttaa suoraan lämpöympäristö, ja hiilikuituiset lämmöneristysmateriaalit ovat tässä ympäristössä avainasemassa. Hiilikuitujen lämmöneristyspehmeällä huovalla on edelleen merkittävä etu aurinkosähköpuolijohdeteollisuudessa sen kustannusedun, erinomaisen lämmöneristysvaikutuksen, joustavan suunnittelun ja muokattavan muodon ansiosta. Lisäksi hiilikuitukovalämmöneristyshuovalla on enemmän kehitystilaa lämpökenttämateriaalimarkkinoilla sen tietyn lujuuden ja paremman käytettävyyden ansiosta. Olemme sitoutuneet tutkimukseen ja kehitykseen lämmöneristysmateriaalien alalla ja optimoimme jatkuvasti tuotteiden suorituskykyä edistääksemme aurinkosähköpuolijohdeteollisuuden vaurautta ja kehitystä.
Postitusaika: 12.6.2024