Proses pertumbuhan silikon monokristalin sepenuhnya dilakukan di medan termal. Medan termal yang baik kondusif untuk meningkatkan kualitas kristal dan memiliki efisiensi kristalisasi yang lebih tinggi. Desain medan termal sangat menentukan perubahan gradien suhu pada medan termal dinamis dan aliran gas di ruang tungku. Perbedaan bahan yang digunakan dalam medan termal secara langsung menentukan masa pakai medan termal. Medan termal yang tidak masuk akal tidak hanya sulit untuk menumbuhkan kristal yang memenuhi persyaratan kualitas, tetapi juga tidak dapat menumbuhkan monokristalin lengkap dalam persyaratan proses tertentu. Inilah sebabnya mengapa industri silikon monokristalin tarik langsung menganggap desain medan termal sebagai teknologi paling inti dan menginvestasikan banyak tenaga kerja dan sumber daya material dalam penelitian dan pengembangan bidang termal.
Sistem termal terdiri dari berbagai bahan medan termal. Kami hanya memperkenalkan secara singkat bahan yang digunakan dalam bidang termal. Mengenai distribusi suhu di medan termal dan dampaknya terhadap penarikan kristal, kami tidak akan menganalisisnya di sini. Bahan medan termal mengacu pada struktur dan bagian insulasi termal di ruang tungku vakum pertumbuhan kristal, yang penting untuk menciptakan distribusi suhu yang tepat di sekitar lelehan dan kristal semikonduktor.
1. Bahan struktur medan termal
Bahan pendukung dasar metode tarik langsung untuk menumbuhkan silikon monokristalin adalah grafit dengan kemurnian tinggi. Bahan grafit memainkan peran yang sangat penting dalam industri modern. Mereka dapat digunakan sebagai komponen struktural medan panas sepertipemanas, tabung pemandu, cawan lebur, tabung isolasi, nampan wadah, dll. dalam pembuatan silikon monokristalin dengan metode Czochralski.
Bahan grafitdipilih karena mudah disiapkan dalam jumlah besar, dapat diolah dan tahan terhadap suhu tinggi. Karbon dalam bentuk intan atau grafit memiliki titik leleh yang lebih tinggi dibandingkan unsur atau senyawa apapun. Bahan grafit cukup kuat terutama pada suhu tinggi, serta konduktivitas listrik dan termalnya juga cukup baik. Daya hantar listriknya membuatnya cocok sebagai apemanasbahan. Ini memiliki koefisien konduktivitas termal yang memuaskan, yang memungkinkan panas yang dihasilkan oleh pemanas didistribusikan secara merata ke wadah dan bagian lain dari medan panas. Namun, pada suhu tinggi, terutama jarak jauh, cara perpindahan panas utama adalah radiasi.
Bagian grafit awalnya terbuat dari partikel karbon halus yang dicampur dengan bahan pengikat dan dibentuk dengan ekstrusi atau pengepresan isostatik. Bagian grafit berkualitas tinggi biasanya ditekan secara isostatik. Seluruh bagian pertama-tama dikarbonisasi dan kemudian digrafitisasi pada suhu yang sangat tinggi, mendekati 3000°C. Bagian yang diproses dari potongan utuh ini biasanya dimurnikan dalam atmosfer yang mengandung klorin pada suhu tinggi untuk menghilangkan kontaminasi logam guna memenuhi persyaratan industri semikonduktor. Namun, bahkan setelah pemurnian yang tepat, tingkat kontaminasi logam beberapa kali lipat lebih tinggi daripada yang diperbolehkan untuk bahan silikon monokristalin. Oleh karena itu, kehati-hatian harus dilakukan dalam desain medan termal untuk mencegah kontaminasi komponen ini memasuki permukaan lelehan atau kristal.
Bahan grafit sedikit permeabel sehingga memudahkan sisa logam di dalamnya mencapai permukaan. Selain itu, silikon monoksida yang ada dalam gas pembersih di sekitar permukaan grafit dapat menembus sebagian besar material dan bereaksi.
Pemanas tungku silikon monokristalin awal terbuat dari logam tahan api seperti tungsten dan molibdenum. Dengan semakin matangnya teknologi pemrosesan grafit, sifat listrik dari sambungan antara komponen grafit menjadi stabil, dan pemanas tungku silikon monokristalin telah sepenuhnya menggantikan pemanas tungsten, molibdenum, dan bahan lainnya. Saat ini, bahan grafit yang paling banyak digunakan adalah grafit isostatik. teknologi persiapan grafit isostatik negara saya relatif terbelakang, dan sebagian besar bahan grafit yang digunakan dalam industri fotovoltaik dalam negeri diimpor dari luar negeri. Produsen grafit isostatik asing terutama mencakup SGL Jerman, Tokai Carbon Jepang, Toyo Tanso Jepang, dll. Dalam tungku silikon monokristalin Czochralski, material komposit C/C kadang-kadang digunakan, dan mulai digunakan untuk memproduksi baut, mur, cawan lebur, beban pelat dan komponen lainnya. Komposit karbon/karbon (C/C) adalah komposit berbahan dasar karbon yang diperkuat serat karbon dengan serangkaian sifat unggul seperti kekuatan spesifik tinggi, modulus spesifik tinggi, koefisien muai panas rendah, konduktivitas listrik baik, ketangguhan patah tinggi, berat jenis rendah, ketahanan guncangan termal, ketahanan korosi, dan ketahanan suhu tinggi. Saat ini, mereka banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, balap, biomaterial dan bidang lainnya sebagai bahan struktural baru yang tahan suhu tinggi. Saat ini, hambatan utama yang dihadapi oleh komposit C/C dalam negeri masih terletak pada masalah biaya dan industrialisasi.
Ada banyak bahan lain yang digunakan untuk membuat medan termal. Grafit yang diperkuat serat karbon memiliki sifat mekanik yang lebih baik; tetapi lebih mahal dan memiliki persyaratan desain lainnya.Silikon karbida (SiC)adalah bahan yang lebih baik daripada grafit dalam banyak aspek, tetapi jauh lebih mahal dan sulit untuk menyiapkan komponen bervolume besar. Namun, SiC sering digunakan sebagaiLapisan CVDuntuk meningkatkan umur bagian grafit yang terpapar gas silikon monoksida korosif, dan juga dapat mengurangi kontaminasi dari grafit. Lapisan silikon karbida CVD yang padat secara efektif mencegah kontaminan di dalam bahan grafit mikropori mencapai permukaan.
Lainnya adalah karbon CVD, yang juga dapat membentuk lapisan padat di atas bagian grafit. Bahan tahan suhu tinggi lainnya, seperti bahan molibdenum atau keramik yang dapat hidup berdampingan dengan lingkungan, dapat digunakan jika tidak ada risiko kontaminasi lelehan. Namun, keramik oksida umumnya terbatas penerapannya pada bahan grafit pada suhu tinggi, dan hanya ada sedikit pilihan lain jika diperlukan insulasi. Salah satunya adalah boron nitrida heksagonal (kadang-kadang disebut grafit putih karena sifatnya yang serupa), tetapi sifat mekaniknya buruk. Molibdenum umumnya digunakan secara wajar untuk situasi suhu tinggi karena biayanya yang moderat, laju difusi yang rendah dalam kristal silikon, dan koefisien segregasi yang sangat rendah sekitar 5×108, yang memungkinkan kontaminasi molibdenum dalam jumlah tertentu sebelum menghancurkan struktur kristal.
2. Bahan isolasi termal
Bahan insulasi yang paling umum digunakan adalah bahan carbon felt dalam berbagai bentuk. Kain kempa karbon terbuat dari serat tipis, yang berfungsi sebagai insulasi karena menghalangi radiasi termal berkali-kali dalam jarak dekat. Bahan karbon lembut ditenun menjadi lembaran bahan yang relatif tipis, yang kemudian dipotong menjadi bentuk yang diinginkan dan ditekuk dengan kuat hingga radius yang wajar. Kempa yang diawetkan terdiri dari bahan serat serupa, dan pengikat yang mengandung karbon digunakan untuk menghubungkan serat yang tersebar menjadi benda yang lebih padat dan berbentuk. Penggunaan deposisi uap kimia karbon sebagai pengganti pengikat dapat meningkatkan sifat mekanik material.
Biasanya, permukaan luar bahan pengawet insulasi termal dilapisi dengan lapisan grafit atau foil kontinu untuk mengurangi erosi dan keausan serta kontaminasi partikulat. Jenis bahan isolasi termal berbasis karbon lainnya juga ada, seperti busa karbon. Secara umum, bahan grafit jelas lebih disukai karena grafitisasi sangat mengurangi luas permukaan serat. Pelepasan gas dari material dengan luas permukaan tinggi ini sangat berkurang, dan dibutuhkan lebih sedikit waktu untuk memompa tungku ke ruang hampa yang sesuai. Lainnya adalah material komposit C/C yang memiliki karakteristik luar biasa seperti ringan, toleransi kerusakan tinggi, dan kekuatan tinggi. Digunakan di bidang termal untuk mengganti bagian grafit secara signifikan mengurangi frekuensi penggantian bagian grafit, meningkatkan kualitas monokristalin dan stabilitas produksi.
Menurut klasifikasi bahan bakunya, kain kempa karbon dapat dibagi menjadi kain kempa karbon berbahan dasar poliakrilonitril, kain kempa karbon berbahan dasar viscose, dan kain kempa karbon berbahan dasar pitch.
Kempa karbon berbahan dasar poliakrilonitril memiliki kandungan abu yang besar. Setelah perlakuan suhu tinggi, serat tunggal menjadi rapuh. Selama pengoperasian, debu mudah dihasilkan sehingga mencemari lingkungan tungku. Pada saat yang sama, serat dapat dengan mudah masuk ke pori-pori dan saluran pernafasan tubuh manusia sehingga berbahaya bagi kesehatan manusia. Kain kempa karbon berbahan dasar viscose memiliki kinerja insulasi termal yang baik. Ini relatif lembut setelah perlakuan panas dan tidak mudah menghasilkan debu. Namun, penampang serat mentah berbahan dasar viscose tidak beraturan, dan terdapat banyak lekukan pada permukaan serat. Gas seperti CO2 mudah dihasilkan di bawah atmosfer oksidasi tungku silikon CZ, menyebabkan pengendapan unsur oksigen dan karbon dalam bahan silikon monokristalin. Produsen utama termasuk SGL Jerman dan perusahaan lain. Saat ini, yang paling banyak digunakan dalam industri monokristalin semikonduktor adalah kain kempa karbon berbahan dasar pitch, yang memiliki kinerja insulasi termal lebih buruk daripada kain kempa karbon berbahan dasar viscose, namun kain kempa karbon berbahan dasar pitch memiliki kemurnian yang lebih tinggi dan emisi debu yang lebih rendah. Produsennya termasuk Kureha Chemical Jepang dan Osaka Gas.
Karena bentuk karbon terasa tidak tetap, maka pengoperasiannya tidak nyaman. Sekarang banyak perusahaan telah mengembangkan bahan insulasi termal baru berdasarkan bahan karbon yang diawetkan dengan bahan karbon. Kain kempa karbon yang diawetkan, juga disebut kain kempa keras, adalah kain kempa karbon dengan bentuk tertentu dan sifat mandiri setelah kain kempa lembut diresapi dengan resin, dilaminasi, diawetkan, dan dikarbonisasi.
Kualitas pertumbuhan silikon monokristalin dipengaruhi langsung oleh lingkungan termal, dan bahan isolasi termal serat karbon memainkan peran penting dalam lingkungan ini. Insulasi termal serat karbon terasa lembut masih memiliki keunggulan signifikan dalam industri semikonduktor fotovoltaik karena keunggulan biaya, efek insulasi termal yang sangat baik, desain fleksibel, dan bentuk yang dapat disesuaikan. Selain itu, insulasi termal keras serat karbon akan memiliki ruang pengembangan yang lebih besar di pasar material medan termal karena kekuatan tertentu dan pengoperasian yang lebih tinggi. Kami berkomitmen untuk melakukan penelitian dan pengembangan di bidang bahan isolasi termal, dan terus mengoptimalkan kinerja produk untuk mendorong kemakmuran dan pengembangan industri semikonduktor fotovoltaik.
Waktu posting: 12 Juni 2024