La croissance du silicium monocristallin se déroule intégralement sous champ thermique. Un champ thermique optimisé favorise la qualité des cristaux et une meilleure efficacité de cristallisation. La conception de ce champ thermique influence fortement les variations des gradients de température et la circulation des gaz dans la chambre du four. La durée de vie de ce champ thermique dépend directement des matériaux utilisés. Un champ thermique inadapté compromet non seulement la croissance de cristaux de qualité suffisante, mais aussi la croissance de monocristaux complets dans certaines conditions de procédé. C'est pourquoi l'industrie du silicium monocristallin par extraction directe considère la conception du champ thermique comme une technologie fondamentale et investit massivement en ressources humaines et matérielles dans la recherche et le développement dans ce domaine.
Le système thermique est composé de divers matériaux de champ thermique. Nous ne présenterons ici que brièvement les matériaux utilisés dans ce champ. La distribution de température au sein du champ thermique et son impact sur l'étirage des cristaux ne seront pas analysés ici. Le matériau de champ thermique désigne la structure et l'isolation thermique de la chambre du four sous vide de croissance cristalline, éléments essentiels pour obtenir une distribution de température appropriée autour du bain de fusion semi-conducteur et du cristal.
1. Matériau de structure du champ thermique
Le matériau de support de base pour la méthode d'extraction directe de silicium monocristallin est le graphite de haute pureté. Les matériaux en graphite jouent un rôle très important dans l'industrie moderne. Ils peuvent être utilisés comme composants structuraux de champ thermique, tels que…radiateurs, tubes de guidage, creusets, tubes isolants, plateaux de creuset, etc. dans la préparation du silicium monocristallin par la méthode Czochralski.
Matériaux en graphiteIls sont sélectionnés car ils sont faciles à préparer en grandes quantités, peuvent être transformés et résistent aux hautes températures. Le carbone, sous forme de diamant ou de graphite, possède un point de fusion plus élevé que tout autre élément ou composé. Les matériaux en graphite sont très résistants, notamment à haute température, et leur conductivité électrique et thermique est également excellente. Sa conductivité électrique le rend particulièrement adapté comme matériau de construction.chauffageCe matériau possède un coefficient de conductivité thermique satisfaisant, permettant une répartition homogène de la chaleur générée par l'élément chauffant dans le creuset et les autres parties du champ thermique. Cependant, à haute température, et notamment sur de longues distances, le principal mode de transfert thermique est le rayonnement.
Les pièces en graphite sont initialement fabriquées à partir de fines particules carbonées mélangées à un liant, puis mises en forme par extrusion ou pressage isostatique. Les pièces en graphite de haute qualité sont généralement obtenues par pressage isostatique. La pièce entière est d'abord carbonisée, puis graphitisée à très haute température, proche de 3 000 °C. Les pièces ainsi obtenues sont généralement purifiées sous atmosphère chlorée à haute température afin d'éliminer toute contamination métallique et de répondre aux exigences de l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, même après une purification adéquate, le niveau de contamination métallique reste plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui autorisé pour les matériaux monocristallins en silicium. Il est donc impératif de porter une attention particulière à la conception du champ thermique afin d'empêcher toute contamination de ces composants, que ce soit au niveau du bain de fusion ou de la surface du cristal.
Les matériaux en graphite sont légèrement perméables, ce qui facilite la remontée du métal résiduel vers la surface. De plus, le monoxyde de silicium présent dans le gaz de purge autour de la surface du graphite peut pénétrer dans la plupart des matériaux et réagir avec eux.
Les premiers éléments chauffants des fours à silicium monocristallin étaient fabriqués à partir de métaux réfractaires tels que le tungstène et le molybdène. Grâce à la maturation croissante des techniques de traitement du graphite, les propriétés électriques des liaisons entre les composants en graphite se sont stabilisées, et les éléments chauffants des fours à silicium monocristallin ont complètement remplacé ceux en tungstène, molybdène et autres matériaux. Actuellement, le graphite le plus utilisé est le graphite isostatique. La technologie de production de graphite isostatique en Chine est relativement peu développée, et la plupart des matériaux graphitiques utilisés dans l'industrie photovoltaïque nationale sont importés. Parmi les principaux fabricants étrangers de graphite isostatique figurent l'allemand SGL, le japonais Tokai Carbon et le japonais Toyo Tanso. Dans les fours Czochralski à silicium monocristallin, on utilise parfois des matériaux composites C/C, qui servent désormais à la fabrication de boulons, d'écrous, de creusets, de plaques de chargement et d'autres composants. Les composites carbone/carbone (C/C) sont des composites à base de carbone renforcés par des fibres de carbone. Ils présentent d'excellentes propriétés, telles qu'une résistance spécifique élevée, un module spécifique élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne conductivité électrique, une ténacité élevée, une faible densité, une résistance aux chocs thermiques, à la corrosion et aux hautes températures. Actuellement, ils sont largement utilisés dans l'aérospatiale, le sport automobile, les biomatériaux et d'autres domaines comme nouveaux matériaux structuraux résistants aux hautes températures. À l'heure actuelle, les principaux obstacles à la production de composites C/C en Chine restent le coût et l'industrialisation.
De nombreux autres matériaux sont utilisés pour créer des champs thermiques. Le graphite renforcé de fibres de carbone possède de meilleures propriétés mécaniques ; cependant, il est plus cher et sa conception impose d’autres contraintes.Carbure de silicium (SiC)Le SiC est un matériau supérieur au graphite à bien des égards, mais il est beaucoup plus cher et la fabrication de pièces en grande série est complexe. Cependant, le SiC est souvent utilisé comme…revêtement CVDCe revêtement permet d'accroître la durée de vie des pièces en graphite exposées au monoxyde de silicium, un gaz corrosif, et de réduire la contamination par le graphite. Le revêtement dense en carbure de silicium, déposé par CVD, empêche efficacement les contaminants présents à l'intérieur du matériau microporeux en graphite d'atteindre la surface.
Une autre option est le carbone CVD, qui peut également former une couche dense sur la partie en graphite. D'autres matériaux résistants aux hautes températures, tels que le molybdène ou les céramiques biocompatibles, peuvent être utilisés lorsqu'il n'y a aucun risque de contamination du bain de fusion. Cependant, l'applicabilité des céramiques d'oxyde aux matériaux en graphite à haute température est généralement limitée, et les alternatives sont peu nombreuses si une isolation est requise. Le nitrure de bore hexagonal (parfois appelé graphite blanc en raison de propriétés similaires) en est une, mais ses propriétés mécaniques sont médiocres. Le molybdène est généralement utilisé à bon escient pour les applications à haute température en raison de son coût modéré, de sa faible vitesse de diffusion dans les cristaux de silicium et de son très faible coefficient de ségrégation d'environ 5 × 10⁸, ce qui permet une certaine contamination par le molybdène avant la destruction de la structure cristalline.
2. Matériaux d'isolation thermique
Le feutre de carbone, sous diverses formes, est le matériau isolant le plus couramment utilisé. Composé de fibres fines, il assure une isolation efficace en bloquant plusieurs fois le rayonnement thermique sur une courte distance. Ce feutre souple est tissé en feuilles relativement minces, découpées à la forme souhaitée et pliées avec précision selon un rayon de courbure approprié. Les feutres vulcanisés sont composés de fibres similaires, liées par un liant carboné qui agglomère les fibres dispersées pour former un objet plus solide et structuré. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de carbone, en remplacement du liant, permet d'améliorer les propriétés mécaniques du matériau.
Généralement, la surface extérieure du feutre de polymérisation pour isolation thermique est revêtue d'une couche ou d'une feuille de graphite continue afin de réduire l'érosion, l'usure et la contamination particulaire. D'autres types de matériaux d'isolation thermique à base de carbone existent, comme la mousse de carbone. En général, les matériaux graphitisés sont privilégiés car la graphitisation réduit considérablement la surface spécifique des fibres. Le dégazage de ces matériaux à grande surface spécifique est fortement réduit, et le temps nécessaire pour atteindre le vide requis dans le four est considérablement réduit. Le matériau composite C/C, quant à lui, présente des caractéristiques exceptionnelles telles que sa légèreté, sa grande tolérance aux dommages et sa haute résistance. Utilisé dans le domaine thermique en remplacement des pièces en graphite, il réduit significativement la fréquence de remplacement de ces dernières, améliore la qualité monocristalline et la stabilité de la production.
Selon la classification des matières premières, le feutre de carbone peut être divisé en feutre de carbone à base de polyacrylonitrile, feutre de carbone à base de viscose et feutre de carbone à base de brai.
Le feutre de carbone à base de polyacrylonitrile présente une teneur élevée en cendres. Après traitement à haute température, la fibre devient cassante. En fonctionnement, il génère facilement de la poussière, polluant ainsi l'environnement du four. De plus, la fibre peut facilement pénétrer dans les pores et les voies respiratoires du corps humain, ce qui est nocif pour la santé. Le feutre de carbone à base de viscose offre de bonnes performances d'isolation thermique. Relativement souple après traitement thermique, il génère peu de poussière. Cependant, la section transversale de la fibre brute à base de viscose est irrégulière et sa surface présente de nombreuses rainures. Sous l'atmosphère oxydante du four CZ de silicium, il est facile de générer des gaz tels que le CO₂, provoquant la précipitation d'oxygène et de carbone dans le silicium monocristallin. Parmi les principaux fabricants figurent l'allemand SGL et d'autres entreprises. Actuellement, le feutre de carbone à base de brai est le plus utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs monocristallins. Bien que ses performances d'isolation thermique soient inférieures à celles du feutre à base de viscose, il présente une pureté supérieure et émet moins de poussière. Parmi les fabricants figurent les sociétés japonaises Kureha Chemical et Osaka Gas.
La forme du feutre de carbone étant variable, sa mise en œuvre est complexe. C'est pourquoi de nombreuses entreprises ont développé un nouveau matériau d'isolation thermique à base de feutre de carbone : le feutre de carbone durci. Ce dernier, également appelé feutre rigide, est obtenu par imprégnation d'un feutre souple avec de la résine, suivie d'un laminage, d'un durcissement et d'une carbonisation. Il lui confère une forme définie et des propriétés autoportantes.
La qualité de croissance du silicium monocristallin est directement influencée par l'environnement thermique, et les matériaux d'isolation thermique en fibre de carbone y jouent un rôle essentiel. Le feutre souple d'isolation thermique en fibre de carbone présente un avantage considérable dans l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques grâce à son coût avantageux, son excellente isolation thermique, sa conception flexible et sa possibilité d'adaptation aux différentes formes. Par ailleurs, le feutre rigide d'isolation thermique en fibre de carbone offre un fort potentiel de développement sur le marché des matériaux thermiques grâce à sa résistance et sa grande facilité d'utilisation. Nous nous engageons dans la recherche et le développement de matériaux d'isolation thermique et optimisons constamment les performances de nos produits afin de contribuer à la prospérité et au développement de l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques.
Date de publication : 12 juin 2024