Proces rasta monokristalnog silicija u potpunosti se odvija u toplinskom polju. Dobro toplinsko polje pogoduje poboljšanju kvalitete kristala i ima veću učinkovitost kristalizacije. Dizajn toplinskog polja uvelike određuje promjene u temperaturnim gradijentima u dinamičkom toplinskom polju i protoku plina u komori peći. Razlika u materijalima koji se koriste u toplinskom polju izravno određuje životni vijek toplinskog polja. Nerazumno toplinsko polje ne samo da otežava uzgoj kristala koji zadovoljavaju zahtjeve kvalitete, već također ne može uzgojiti potpune monokristalne pod određenim zahtjevima procesa. To je razlog zašto industrija izravnog povlačenja monokristalnog silicija smatra dizajn termalnog polja najvažnijom tehnologijom i ulaže ogromne ljudske snage i materijalne resurse u istraživanje i razvoj termalnog polja.
Toplinski sustav sastoji se od različitih materijala toplinskog polja. Samo ukratko predstavljamo materijale koji se koriste u toplinskom području. Što se tiče raspodjele temperature u toplinskom polju i njenog utjecaja na povlačenje kristala, nećemo je ovdje analizirati. Materijal toplinskog polja odnosi se na strukturu i toplinski izolacijski dio u komori vakuumske peći za rast kristala, što je bitno za stvaranje odgovarajuće raspodjele temperature oko taline poluvodiča i kristala.
1. Materijal strukture toplinskog polja
Osnovni noseći materijal za metodu izravnog povlačenja za uzgoj monokristalnog silicija je grafit visoke čistoće. Grafitni materijali igraju vrlo važnu ulogu u modernoj industriji. Mogu se koristiti kao strukturne komponente toplinskog polja kao što sugrijalice, cijevi za vođenje, lončići, izolacijske cijevi, posude za lončiće, itd. u pripremi monokristalnog silicija metodom Czochralskog.
Grafitni materijaliodabrani su jer se lako pripremaju u velikim količinama, mogu se prerađivati i otporni su na visoke temperature. Ugljik u obliku dijamanta ili grafita ima višu točku taljenja od bilo kojeg elementa ili spoja. Grafitni materijali su prilično čvrsti, posebno na visokim temperaturama, a njihova električna i toplinska vodljivost je također prilično dobra. Njegova električna vodljivost čini ga pogodnim kaogrijačmaterijal. Ima zadovoljavajući koeficijent toplinske vodljivosti, što omogućuje da se toplina koju stvara grijač ravnomjerno rasporedi na lonac i ostale dijelove toplinskog polja. Međutim, pri visokim temperaturama, osobito na velikim udaljenostima, glavni način prijenosa topline je zračenje.
Grafitni dijelovi su inicijalno izrađeni od finih ugljičnih čestica pomiješanih s vezivom i oblikovanih ekstruzijom ili izostatičkim prešanjem. Visokokvalitetni grafitni dijelovi obično su izostatski prešani. Cijeli komad je prvo karboniziran, a zatim grafitiziran na vrlo visokim temperaturama, blizu 3000°C. Dijelovi obrađeni od tih cijelih komada obično se pročišćavaju u atmosferi koja sadrži klor na visokim temperaturama kako bi se uklonila metalna kontaminacija kako bi se zadovoljili zahtjevi industrije poluvodiča. Međutim, čak i nakon odgovarajućeg pročišćavanja, razina onečišćenja metalom nekoliko je redova veličine viša od one dopuštene za monokristalne materijale silicija. Stoga se mora voditi računa o dizajnu toplinskog polja kako bi se spriječilo da onečišćenje ovih komponenti uđe u talinu ili površinu kristala.
Grafitni materijali su malo propusni, što olakšava preostalom metalu iznutra da dopre do površine. Osim toga, silicijev monoksid prisutan u plinu za pročišćavanje oko površine grafita može prodrijeti u većinu materijala i reagirati.
Rani monokristalni silikonski grijači peći bili su izrađeni od vatrostalnih metala kao što su volfram i molibden. Uz sve veću zrelost tehnologije obrade grafita, električna svojstva veze između komponenti grafita postala su stabilna, a grijači peći od monokristalnog silicija potpuno su zamijenili grijače od volframa, molibdena i drugih materijala. Grafitni materijal koji se trenutno najviše koristi je izostatski grafit. Tehnologija pripreme izostatičkog grafita u mojoj zemlji je relativno zaostala, a većina grafitnih materijala koji se koriste u domaćoj fotonaponskoj industriji uvozi se iz inozemstva. Strani proizvođači izostatskog grafita uglavnom uključuju njemački SGL, japanski Tokai Carbon, japanski Toyo Tanso, itd. U Czochralski monokristalnim silicijskim pećima, C/C kompozitni materijali se ponekad koriste, a počeli su se koristiti za proizvodnju vijaka, matica, lonaca, opterećenja ploče i druge komponente. Ugljik/ugljik (C/C) kompoziti su kompoziti na bazi ugljika ojačani ugljičnim vlaknima s nizom izvrsnih svojstava kao što su visoka specifična čvrstoća, visoki specifični modul, nizak koeficijent toplinske ekspanzije, dobra električna vodljivost, visoka žilavost loma, niska specifična težina, otpornost na toplinski udar, otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature. Trenutno se naširoko koriste u zrakoplovstvu, utrkama, biomaterijalima i drugim poljima kao novi strukturni materijali otporni na visoke temperature. Trenutačno su glavna uska grla s kojima se susreću domaći C/C kompoziti još uvijek pitanja troškova i industrijalizacije.
Postoje mnogi drugi materijali koji se koriste za izradu toplinskih polja. Grafit ojačan ugljičnim vlaknima ima bolja mehanička svojstva; ali je skuplji i ima druge zahtjeve za dizajn.silicijev karbid (SiC)je bolji materijal od grafita u mnogim aspektima, ali je mnogo skuplji i teži za pripremu dijelova velikog volumena. Međutim, SiC se često koristi kaoCVD premazza produljenje životnog vijeka grafitnih dijelova izloženih korozivnom plinu silicijevog monoksida, a također može smanjiti kontaminaciju od grafita. Gusta CVD prevlaka od silicij-karbida učinkovito sprječava onečišćenja unutar mikroporoznog grafitnog materijala da dopru do površine.
Drugi je CVD ugljik, koji također može formirati gusti sloj iznad grafitnog dijela. Drugi materijali otporni na visoke temperature, poput molibdena ili keramičkih materijala koji mogu koegzistirati s okolinom, mogu se koristiti tamo gdje ne postoji opasnost od kontaminacije taline. Međutim, oksidna keramika općenito je ograničena u svojoj primjenjivosti na grafitne materijale na visokim temperaturama, a postoji nekoliko drugih opcija ako je potrebna izolacija. Jedan je heksagonalni borov nitrid (ponekad zvan bijeli grafit zbog sličnih svojstava), ali mehanička svojstva su loša. Molibden se općenito razumno koristi za situacije s visokim temperaturama zbog svoje umjerene cijene, niske stope difuzije u kristalima silicija i vrlo niskog koeficijenta segregacije od oko 5×108, što dopušta određenu količinu kontaminacije molibdenom prije nego što uništi kristalnu strukturu.
2. Materijali za toplinsku izolaciju
Najčešće korišteni izolacijski materijal je karbonski filc u raznim oblicima. Karbonski filc je napravljen od tankih vlakana koja djeluju kao izolacija jer višestruko blokiraju toplinsko zračenje na maloj udaljenosti. Mekani karbonski filc utkan je u relativno tanke listove materijala, koji se zatim režu u željeni oblik i čvrsto savijaju u razuman radijus. Stvrdnuti filc sastoji se od sličnih vlaknastih materijala, a vezivo koje sadrži ugljik koristi se za povezivanje raspršenih vlakana u čvršći i oblikovaniji predmet. Upotreba kemijskog taloženja ugljika iz pare umjesto veziva može poboljšati mehanička svojstva materijala.
Obično je vanjska površina termoizolacijskog filca presvučena kontinuiranim grafitnim premazom ili folijom kako bi se smanjila erozija i trošenje, kao i onečišćenje česticama. Postoje i druge vrste termoizolacijskih materijala na bazi ugljika, poput ugljične pjene. Općenito, grafitizirani materijali očito imaju prednost jer grafitizacija uvelike smanjuje površinu vlakana. Ispuštanje plinova iz ovih materijala velike površine znatno je smanjeno i potrebno je manje vremena za pumpanje peći do odgovarajućeg vakuuma. Drugi je C/C kompozitni materijal, koji ima izvanredne karakteristike kao što su mala težina, visoka tolerancija oštećenja i velika čvrstoća. Korištenje u toplinskim poljima za zamjenu grafitnih dijelova značajno smanjuje učestalost zamjene grafitnih dijelova, poboljšava monokristalnu kvalitetu i stabilnost proizvodnje.
Prema klasifikaciji sirovina, karbonski filc se može podijeliti na karbonski filc na bazi poliakrilonitrila, karbonski filc na bazi viskoze i karbonski filc na bazi smole.
Karbonski filc na bazi poliakrilonitrila ima veliki udio pepela. Nakon obrade na visokoj temperaturi, pojedinačno vlakno postaje krto. Tijekom rada lako se stvara prašina koja zagađuje okolinu peći. Istodobno, vlakna mogu lako ući u pore i dišne puteve ljudskog tijela, što je štetno za ljudsko zdravlje. Karbonski filc na bazi viskoze ima dobru toplinsku izolaciju. Relativno je mekan nakon toplinske obrade i nije lako stvoriti prašinu. Međutim, poprečni presjek sirovog vlakna na bazi viskoze je nepravilan, a na površini vlakna ima mnogo utora. Lako je generirati plinove kao što je C02 u oksidirajućoj atmosferi CZ silicijske peći, uzrokujući taloženje kisika i ugljikovih elemenata u monokristalnom silicijskom materijalu. Glavni proizvođači su njemački SGL i druge tvrtke. Trenutno se u monokristalnoj industriji poluvodiča najviše koristi ugljični filc na bazi smole, koji ima lošiju toplinsku izolaciju od ugljičnog pusta na bazi viskoze, ali ugljični filc na bazi smole ima veću čistoću i manju emisiju prašine. Među proizvođačima su japanski Kureha Chemical i Osaka Gas.
Budući da oblik karbonskog filca nije fiksan, nezgodan je za rukovanje. Sada su mnoge tvrtke razvile novi toplinski izolacijski materijal koji se temelji na ugljičnom pustu osušenom karbonom. Stvrdnuti karbonski filc, koji se naziva i tvrdi filc, je karbonski filc određenog oblika i svojstva samoodrživosti nakon što je meki filc impregniran smolom, laminiran, stvrdnut i karboniziran.
Na kvalitetu rasta monokristalnog silicija izravno utječe toplinsko okruženje, a toplinski izolacijski materijali od karbonskih vlakana igraju ključnu ulogu u tom okruženju. Meki filc od toplinske izolacije od karbonskih vlakana još uvijek ima značajnu prednost u industriji fotonaponskih poluvodiča zbog svoje cijene, izvrsnog učinka toplinske izolacije, fleksibilnog dizajna i prilagodljivog oblika. Osim toga, tvrdi termoizolacijski filc od ugljičnih vlakana imat će veći razvojni prostor na tržištu materijala za toplinsko polje zbog svoje određene čvrstoće i bolje operativnosti. Posvećeni smo istraživanju i razvoju na području materijala za toplinsku izolaciju i kontinuirano optimiziramo performanse proizvoda kako bismo promicali prosperitet i razvoj industrije fotonaponskih poluvodiča.
Vrijeme objave: 12. lipnja 2024