Le processus de croissance du silicium monocristallin est entièrement réalisé dans le domaine thermique. Un bon champ thermique contribue à améliorer la qualité des cristaux et présente une efficacité de cristallisation plus élevée. La conception du champ thermique détermine en grande partie les changements dans les gradients de température dans le champ thermique dynamique et le flux de gaz dans la chambre du four. La différence entre les matériaux utilisés dans le domaine thermique détermine directement la durée de vie du champ thermique. Un champ thermique déraisonnable rend non seulement difficile la croissance de cristaux répondant aux exigences de qualité, mais ne peut également pas faire croître des cristaux monocristallins complets sous certaines exigences du processus. C'est pourquoi l'industrie du silicium monocristallin à tirage direct considère la conception de champs thermiques comme la technologie la plus fondamentale et investit d'énormes ressources humaines et matérielles dans la recherche et le développement de champs thermiques.
Le système thermique est composé de divers matériaux de champ thermique. Nous présentons seulement brièvement les matériaux utilisés dans le domaine thermique. Quant à la répartition de la température dans le champ thermique et son impact sur l’arrachage des cristaux, nous ne l’analyserons pas ici. Le matériau du champ thermique fait référence à la structure et à la partie d'isolation thermique de la chambre du four sous vide de croissance cristalline, qui sont essentielles pour créer une répartition appropriée de la température autour de la masse fondue et du cristal du semi-conducteur.
1. Matériau de structure de champ thermique
Le matériau de support de base pour la méthode de culture par extraction directe du silicium monocristallin est le graphite de haute pureté. Les matériaux graphite jouent un rôle très important dans l’industrie moderne. Ils peuvent être utilisés comme composants structurels de champ thermique tels queradiateurs, tubes de guidage, creusets, tubes isolants, plateaux de creusets, etc. dans la préparation du silicium monocristallin par la méthode Czochralski.
Matériaux graphitessont sélectionnés car ils sont faciles à préparer en grands volumes, peuvent être transformés et résistent aux températures élevées. Le carbone sous forme de diamant ou de graphite a un point de fusion plus élevé que n’importe quel élément ou composé. Les matériaux graphite sont assez résistants, surtout à haute température, et leur conductivité électrique et thermique est également assez bonne. Sa conductivité électrique le rend approprié commechauffagematériel. Il possède un coefficient de conductivité thermique satisfaisant, qui permet à la chaleur générée par le radiateur d'être répartie uniformément vers le creuset et les autres parties du champ thermique. Cependant, à des températures élevées, notamment sur de longues distances, le principal mode de transfert de chaleur est le rayonnement.
Les pièces en graphite sont initialement constituées de fines particules carbonées mélangées à un liant et formées par extrusion ou pressage isostatique. Les pièces en graphite de haute qualité sont généralement pressées de manière isostatique. L'ensemble est d'abord carbonisé puis graphité à très haute température, proche de 3000°C. Les pièces traitées à partir de ces pièces entières sont généralement purifiées dans une atmosphère contenant du chlore à haute température pour éliminer la contamination métallique afin de répondre aux exigences de l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, même après une purification appropriée, le niveau de contamination métallique est de plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui autorisé pour les matériaux monocristallins en silicium. Par conséquent, des précautions doivent être prises lors de la conception du champ thermique pour empêcher la contamination de ces composants de pénétrer dans la surface fondue ou cristalline.
Les matériaux en graphite sont légèrement perméables, ce qui permet au métal restant à l'intérieur d'atteindre facilement 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.
Les premiers radiateurs de four en silicium monocristallin étaient fabriqués à partir de métaux réfractaires tels que le tungstène et le molybdène. Avec la maturité croissante de la technologie de traitement du graphite, les propriétés électriques de la connexion entre les composants en graphite sont devenues stables et les radiateurs de four en silicium monocristallin ont complètement remplacé les radiateurs en tungstène, molybdène et autres matériaux. À l’heure actuelle, le graphite le plus utilisé est le graphite isostatique. La technologie chinoise de préparation du graphite isostatique est relativement arriérée et la plupart des matériaux en graphite utilisés dans l'industrie photovoltaïque nationale sont importés de l'étranger. Les fabricants étrangers de graphite isostatique comprennent principalement l'allemand SGL, le japonais Tokai Carbon, le japonais Toyo Tanso, etc. Dans les fours à silicium monocristallin Czochralski, des matériaux composites C/C sont parfois utilisés, et ils ont commencé à être utilisés pour fabriquer des boulons, des écrous, des creusets, des charges. plaques et autres composants. Les composites carbone/carbone (C/C) sont des composites à base de carbone renforcés de fibres de carbone présentant une série 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 spécifique, résistance aux chocs thermiques, résistance à la corrosion et résistance aux températures élevées. À l'heure actuelle, ils sont largement utilisés dans l'aérospatiale, les courses automobiles, les biomatériaux et d'autres domaines en tant que nouveaux matériaux structurels résistants aux hautes températures. À l’heure actuelle, les principaux goulots d’étranglement rencontrés par les composites C/C nationaux restent des problèmes de coût et d’industrialisation.
Il existe de nombreux autres matériaux utilisés pour fabriquer des champs thermiques. Le graphite renforcé de fibres de carbone présente de meilleures propriétés mécaniques ; mais il est plus cher et comporte d’autres exigences en matière de conception.Carbure de silicium (SiC)est un meilleur matériau que le graphite à bien des égards, mais il est beaucoup plus coûteux et difficile de préparer des pièces en grand volume. Cependant, le SiC est souvent utilisé commeRevêtement CVDpour augmenter la durée de vie des pièces en graphite exposées au monoxyde de silicium corrosif et peut également réduire la contamination par le graphite. Le revêtement dense en carbure de silicium CVD empêche efficacement les contaminants présents à l'intérieur du matériau graphite microporeux d'atteindre la surface.
Un autre est le carbone CVD, qui peut également former une couche dense au-dessus de la partie en graphite. D'autres matériaux résistants aux températures élevées, tels que le molybdène ou les matériaux céramiques pouvant coexister avec l'environnement, peuvent être utilisés lorsqu'il n'y a aucun risque de contamination de la masse fondue. Cependant, les céramiques d'oxyde sont généralement limitées dans leur applicabilité aux matériaux graphites à haute température, et il existe peu d'autres options si une isolation est requise. L’un est le nitrure de bore hexagonal (parfois appelé graphite blanc en raison de propriétés similaires), mais ses propriétés mécaniques sont médiocres. Le molybdène est généralement utilisé raisonnablement pour les situations à haute température en raison de son coût modéré, de son faible taux de diffusion dans les cristaux de silicium et de son très faible coefficient de ségrégation d'environ 5 × 108, qui permet une certaine contamination par le molybdène avant de détruire la structure cristalline.
2. Matériaux d'isolation thermique
Le matériau isolant le plus couramment utilisé est le feutre de carbone sous diverses formes. Le feutre de carbone est constitué de fibres fines qui agissent comme un isolant car elles bloquent plusieurs fois le rayonnement thermique sur une courte distance. Le feutre de carbone souple est tissé en feuilles de matériau relativement fines, qui sont ensuite découpées à la forme souhaitée et étroitement pliées dans un rayon raisonnable. Les feutres durcis sont composés de matériaux fibreux similaires et un liant contenant du carbone est utilisé pour relier les fibres dispersées en un objet plus solide et plus façonné. L'utilisation d'un dépôt chimique en phase vapeur de carbone au lieu d'un liant peut améliorer les propriétés mécaniques du matériau.
Généralement, la surface extérieure du feutre de durcissement d'isolation thermique est recouverte d'un revêtement ou d'une feuille de graphite continu pour réduire l'érosion et l'usure ainsi que la contamination particulaire. D'autres types de matériaux d'isolation thermique à base de carbone existent également, comme la mousse de carbone. De manière générale, les matériaux graphitisés sont évidemment préférés car la graphitisation réduit fortement la surface de la fibre. Le dégazage de ces matériaux à grande surface est considérablement réduit et il faut moins de temps pour pomper le four jusqu'à un vide approprié. Un autre matériau est le matériau composite C/C, qui présente des caractéristiques exceptionnelles telles qu'une légèreté, une tolérance élevée aux dommages et une résistance élevée. Utilisé dans les champs thermiques pour remplacer les pièces en graphite, il réduit considérablement la fréquence de remplacement des pièces en graphite, 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 unique devient cassante. Pendant le fonctionnement, il est facile de générer de la poussière qui pollue l’environnement du four. Dans le même temps, la fibre peut facilement pénétrer dans les pores et les voies respiratoires du corps humain, ce qui est nocif pour la santé humaine. Le feutre de carbone à base de viscose présente de bonnes performances d'isolation thermique. Il est relativement doux après traitement thermique et ne génère pas facilement de poussière. Cependant, la section transversale de la fibre brute à base de viscose est irrégulière et la surface de la fibre présente de nombreuses rainures. Il est facile de générer des gaz tels que le C02 sous l’atmosphère oxydante du four à silicium CZ, provoquant la précipitation d’éléments oxygène et carbone dans le matériau de silicium monocristallin. Les principaux fabricants sont l'allemand SGL et d'autres sociétés. À l'heure actuelle, le plus largement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs monocristallins est le feutre de carbone à base de brai, qui présente de moins bonnes performances d'isolation thermique que le feutre de carbone à base de viscose, mais le feutre de carbone à base de brai a une pureté plus élevée et une émission de poussière plus faible. Les fabricants incluent les sociétés japonaises Kureha Chemical et Osaka Gas.
La forme du feutre de carbone n’étant pas fixe, son utilisation n’est pas pratique. Aujourd'hui, de nombreuses entreprises ont développé un nouveau matériau d'isolation thermique à base de feutre de carbone durci. Le feutre de carbone durci, également appelé feutre dur, est un feutre de carbone ayant une certaine forme et des propriétés auto-entretenues après que le feutre souple soit imprégné de résine, laminé, durci et carbonisé.
La qualité de croissance du silicium monocristallin est directement affectée par l'environnement thermique, et les matériaux d'isolation thermique en fibre de carbone jouent un rôle clé dans cet environnement. Le feutre souple d'isolation thermique en fibre de carbone présente toujours un avantage significatif dans l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques en raison de son avantage en termes de coût, de son excellent effet d'isolation thermique, de sa conception flexible et de sa forme personnalisable. De plus, le feutre d'isolation thermique dur en fibre de carbone bénéficiera d'un plus grand espace de développement sur le marché des matériaux de domaine thermique en raison de sa certaine résistance et de sa plus grande opérabilité. Nous nous engageons dans la recherche et le développement dans le domaine des matériaux d'isolation thermique et optimisons continuellement les performances des produits pour promouvoir la prospérité et le développement de l'industrie des semi-conducteurs photovoltaïques.
Heure de publication : 12 juin 2024