O proceso de crecemento do silicio monocristalino realízase completamente no campo térmico. Un bo campo térmico é propicio para mellorar a calidade dos cristais e ten unha maior eficiencia de cristalización. O deseño do campo térmico determina en gran medida os cambios nos gradientes de temperatura no campo térmico dinámico e o fluxo de gas na cámara do forno. A diferenza nos materiais utilizados no campo térmico determina directamente a vida útil do campo térmico. Un campo térmico irrazonable non só é difícil de cultivar cristais que cumpran os requisitos de calidade, senón que tampouco pode crecer monocristalino completo baixo certos requisitos do proceso. É por iso que a industria do silicio monocristalino de tracción directa considera o deseño do campo térmico como a tecnoloxía máis básica e inviste enormes recursos materiais e de man de obra na investigación e desenvolvemento do campo térmico.
O sistema térmico está composto por varios materiais de campo térmico. Só presentamos brevemente os materiais empregados no ámbito térmico. En canto á distribución da temperatura no campo térmico e a súa repercusión na tracción dos cristais, non a analizaremos aquí. O material do campo térmico refírese á estrutura e á parte de illamento térmico na cámara de baleiro do forno de crecemento de cristal, que é esencial para crear unha distribución de temperatura adecuada ao redor do semicondutor fundido e do cristal.
1. Material da estrutura do campo térmico
O material de apoio básico para o método de tracción directa para cultivar silicio monocristalino é o grafito de alta pureza. Os materiais de grafito xogan un papel moi importante na industria moderna. Poden usarse como compoñentes estruturais de campo térmico comoquentadores, tubos guía, crisols, tubos illantes, bandexas de crisol, etc. na preparación de silicio monocristalino polo método Czochralski.
Materiais de grafitoson seleccionados porque son fáciles de preparar en grandes volumes, poden procesarse e son resistentes ás altas temperaturas. O carbono en forma de diamante ou grafito ten un punto de fusión máis alto que calquera elemento ou composto. Os materiais de grafito son bastante resistentes, especialmente a altas temperaturas, e a súa condutividade eléctrica e térmica tamén é bastante boa. A súa condutividade eléctrica faino apto como aquentadormaterial. Ten un coeficiente de condutividade térmica satisfactorio, que permite que a calor xerada polo quentador se distribúa uniformemente no crisol e outras partes do campo térmico. Non obstante, a altas temperaturas, especialmente a longas distancias, o principal modo de transferencia de calor é a radiación.
As pezas de grafito fanse inicialmente de finas partículas de carbono mesturadas cun aglutinante e formadas por extrusión ou prensado isostático. As pezas de grafito de alta calidade adoitan ser prensadas isostáticamente. Primeiro carbonízase toda a peza e logo grafitízase a moi altas temperaturas, próximas aos 3000°C. As pezas procesadas a partir destas pezas enteiras adoitan purificarse nunha atmosfera que contén cloro a altas temperaturas para eliminar a contaminación metálica para satisfacer os requisitos da industria de semicondutores. Non obstante, mesmo despois dunha purificación adecuada, o nivel de contaminación metálica é varias ordes de magnitude superior ao permitido para os materiais monocristalinos de silicio. Polo tanto, hai que ter coidado no deseño do campo térmico para evitar que a contaminación destes compoñentes entre na superficie de fusión ou cristal.
Os materiais de grafito son lixeiramente permeables, o que facilita que o metal que queda no interior chegue á superficie. Ademais, o monóxido de silicio presente no gas de purga arredor da superficie do grafito pode penetrar na maioría dos materiais e reaccionar.
Os primeiros quentadores de fornos de silicio monocristalino estaban feitos de metais refractarios como o volframio e o molibdeno. Coa crecente madurez da tecnoloxía de procesamento de grafito, as propiedades eléctricas da conexión entre os compoñentes de grafito fixéronse estables e os quentadores de fornos de silicio monocristalino substituíron completamente os quentadores de wolframio, molibdeno e outros materiais. Na actualidade, o material de grafito máis utilizado é o grafito isostático. A tecnoloxía de preparación de grafito isostático do meu país é relativamente atrasada e a maioría dos materiais de grafito utilizados na industria fotovoltaica doméstica son importados do estranxeiro. Os fabricantes estranxeiros de grafito isostático inclúen principalmente a alemá SGL, a xaponesa Tokai Carbon, a xaponesa Toyo Tanso, etc. Nos fornos de silicio monocristalino de Czochralski utilízanse ás veces materiais compostos C/C e comezaron a usarse para fabricar parafusos, porcas, crisols, carga. placas e outros compoñentes. Os compostos de carbono/carbono (C/C) son compostos a base de carbono reforzados con fibra de carbono cunha serie de excelentes propiedades, como alta resistencia específica, alto módulo específico, baixo coeficiente de expansión térmica, boa condutividade eléctrica, alta tenacidade á fractura, baixa gravidade específica, resistencia ao choque térmico, resistencia á corrosión e resistencia a altas temperaturas. Na actualidade, utilízanse amplamente en aeroespaciais, carreiras, biomateriais e outros campos como novos materiais estruturais resistentes a altas temperaturas. Na actualidade, os principais embotellamentos que atopan os compostos C/C domésticos seguen sendo cuestións de custo e industrialización.
Hai moitos outros materiais empregados para facer campos térmicos. O grafito reforzado con fibra de carbono ten mellores propiedades mecánicas; pero é máis caro e ten outros requisitos para o deseño.Carburo de silicio (SiC)é un material mellor que o grafito en moitos aspectos, pero é moito máis caro e difícil de preparar pezas de gran volume. Non obstante, o SiC úsase a miúdo como aRevestimento CVDpara aumentar a vida útil das pezas de grafito expostas ao gas de monóxido de silicio corrosivo e tamén pode reducir a contaminación do grafito. O denso revestimento de carburo de silicio CVD impide eficazmente que os contaminantes dentro do material de grafito microporoso cheguen á superficie.
Outro é o carbono CVD, que tamén pode formar unha capa densa sobre a parte de grafito. Outros materiais resistentes ás altas temperaturas, como o molibdeno ou os materiais cerámicos que poden coexistir co medio ambiente, pódense utilizar onde non exista risco de contaminar a fusión. Non obstante, as cerámicas de óxido son xeralmente limitadas na súa aplicabilidade a materiais de grafito a altas temperaturas, e hai poucas outras opcións se se precisa illamento. Un é o nitruro de boro hexagonal (ás veces chamado grafito branco debido a propiedades similares), pero as propiedades mecánicas son pobres. O molibdeno úsase xeralmente de forma razoable para situacións de alta temperatura debido ao seu custo moderado, a súa baixa taxa de difusión en cristais de silicio e un coeficiente de segregación moi baixo duns 5×108, o que permite unha certa cantidade de contaminación por molibdeno antes de destruír a estrutura cristalina.
2. Materiais de illamento térmico
O material de illamento máis utilizado é o feltro de carbono en varias formas. O fieltro de carbono está feito de fibras finas, que actúan como illantes porque bloquean a radiación térmica varias veces nunha curta distancia. O feltro de carbono brando está tecido en láminas de material relativamente delgadas, que despois se cortan na forma desexada e se dobran firmemente nun radio razoable. Os feltros curados están compostos por materiais de fibras similares, e úsase un aglutinante que contén carbono para conectar as fibras dispersas nun obxecto máis sólido e con forma. O uso da deposición química en vapor de carbono en lugar dun aglutinante pode mellorar as propiedades mecánicas do material.
Normalmente, a superficie exterior do feltro de curado de illamento térmico está recuberta cun revestimento continuo de grafito ou lámina para reducir a erosión e o desgaste, así como a contaminación por partículas. Tamén existen outros tipos de materiais de illamento térmico a base de carbono, como a escuma de carbono. En xeral, os materiais grafitizados son obviamente preferidos porque a grafitización reduce moito a superficie da fibra. A desgasificación destes materiais de gran superficie redúcese moito e leva menos tempo bombear o forno a un baleiro axeitado. Outro é o material composto C/C, que ten características destacadas como peso lixeiro, alta tolerancia ao dano e alta resistencia. Usado en campos térmicos para substituír pezas de grafito reduce significativamente a frecuencia de substitución de pezas de grafito, mellora a calidade monocristalina e a estabilidade da produción.
Segundo a clasificación das materias primas, o feltro de carbono pódese dividir en feltro de carbono a base de poliacrilonitrilo, feltro de carbono a base de viscosa e feltro de carbono a base de brea.
O feltro de carbono a base de poliacrilonitrilo ten un gran contido de cinzas. Despois do tratamento a alta temperatura, a única fibra faise fráxil. Durante a operación, é fácil xerar po para contaminar o ambiente do forno. Ao mesmo tempo, a fibra pode entrar facilmente nos poros e nas vías respiratorias do corpo humano, o que é prexudicial para a saúde humana. O feltro de carbono a base de viscosa ten un bo rendemento de illamento térmico. É relativamente suave despois do tratamento térmico e non é fácil xerar po. Non obstante, a sección transversal da fibra bruta a base de viscosa é irregular e hai moitas ranuras na superficie da fibra. É fácil xerar gases como o C02 baixo a atmosfera oxidante do forno de silicio CZ, provocando a precipitación de osíxeno e elementos de carbono no material de silicio monocristalino. Os principais fabricantes inclúen a SGL alemá e outras empresas. Na actualidade, o máis utilizado na industria monocristalina de semicondutores é o feltro de carbono a base de brea, que ten peor rendemento de illamento térmico que o feltro de carbono a base de viscosa, pero o feltro de carbono a base de brea ten unha pureza máis alta e unha menor emisión de po. Os fabricantes inclúen os xaponeses Kureha Chemical e Osaka Gas.
Debido a que a forma do feltro de carbono non está fixada, é inconveniente operar. Agora moitas empresas desenvolveron un novo material de illamento térmico baseado en feltro de carbono curado con feltro de carbono. O feltro de carbono curado, tamén chamado feltro duro, é un feltro de carbono cunha determinada forma e propiedade autosustentable despois de que o feltro brando se impregne con resina, se lamine, se cura e se carboniza.
A calidade de crecemento do silicio monocristalino está directamente afectada polo ambiente térmico e os materiais de illamento térmico de fibra de carbono xogan un papel fundamental neste ambiente. O feltro suave de illamento térmico de fibra de carbono aínda ten unha vantaxe significativa na industria de semicondutores fotovoltaicos debido á súa vantaxe de custo, excelente efecto de illamento térmico, deseño flexible e forma personalizable. Ademais, o feltro de illamento térmico duro de fibra de carbono terá un maior espazo de desenvolvemento no mercado de materiais de campo térmico debido á súa certa forza e maior operatividade. Comprometémonos coa investigación e desenvolvemento no campo dos materiais de illamento térmico e optimizamos continuamente o rendemento do produto para promover a prosperidade e o desenvolvemento da industria de semicondutores fotovoltaicos.
Hora de publicación: 12-Xun-2024