Il processo di crescita del silicio monocristallino viene effettuato completamente in ambito termico. Un buon campo termico favorisce il miglioramento della qualità dei cristalli e ha una maggiore efficienza di cristallizzazione. La configurazione del campo termico determina in gran parte le variazioni dei gradienti di temperatura nel campo termico dinamico e il flusso di gas nella camera del forno. La differenza nei materiali utilizzati nel campo termico determina direttamente la durata del campo termico. Un campo termico irragionevole non solo rende difficile far crescere cristalli che soddisfino i requisiti di qualità, ma non è nemmeno possibile far crescere un monocristallino completo in determinati requisiti di processo. Questo è il motivo per cui l’industria del silicio monocristallino a estrazione diretta considera la progettazione del campo termico come la tecnologia più importante e investe ingenti risorse umane e materiali nella ricerca e nello sviluppo del campo termico.
Il sistema termico è composto da vari materiali del campo termico. Presentiamo solo brevemente i materiali utilizzati in ambito termico. Per quanto riguarda la distribuzione della temperatura nel campo termico e il suo impatto sull'estrazione dei cristalli, non lo analizzeremo qui. Il materiale del campo termico si riferisce alla struttura e alla parte di isolamento termico nella camera del forno a vuoto di crescita dei cristalli, che è essenziale per creare un'adeguata distribuzione della temperatura attorno al metallo fuso e al cristallo del semiconduttore.
1. Materiale della struttura del campo termico
Il materiale di supporto di base per il metodo di estrazione diretta per la crescita del silicio monocristallino è la grafite ad elevata purezza. I materiali di grafite svolgono un ruolo molto importante nell'industria moderna. Possono essere utilizzati come componenti strutturali del campo termico comeriscaldatori, tubi guida, crogioli, tubi isolanti, vaschette per crogioli, ecc. nella preparazione del silicio monocristallino secondo il metodo Czochralski.
Materiali di grafitevengono selezionati perché sono facili da preparare in grandi volumi, possono essere lavorati e sono resistenti alle alte temperature. Il carbonio sotto forma di diamante o grafite ha un punto di fusione più elevato rispetto a qualsiasi elemento o composto. I materiali in grafite sono piuttosto resistenti, soprattutto alle alte temperature, e anche la loro conduttività elettrica e termica è abbastanza buona. La sua conduttività elettrica lo rende adatto come astufamateriale. Ha un coefficiente di conduttività termica soddisfacente, che consente al calore generato dal riscaldatore di essere distribuito uniformemente nel crogiolo e in altre parti del campo termico. Tuttavia, alle alte temperature, soprattutto su lunghe distanze, la principale modalità di trasferimento del calore è l’irraggiamento.
Le parti in grafite sono inizialmente costituite da fini particelle carboniose mescolate con un legante e formate mediante estrusione o pressatura isostatica. Le parti in grafite di alta qualità vengono solitamente pressate isostaticamente. L'intero pezzo viene prima carbonizzato e poi grafitizzato a temperature molto elevate, prossime ai 3000°C. Le parti lavorate da questi pezzi interi vengono solitamente purificate in un'atmosfera contenente cloro ad alte temperature per rimuovere la contaminazione metallica e soddisfare i requisiti dell'industria dei semiconduttori. Tuttavia, anche dopo un’adeguata purificazione, il livello di contaminazione dei metalli è di diversi ordini di grandezza superiore a quello consentito per i materiali monocristallini di silicio. Pertanto, è necessario prestare attenzione nella progettazione del campo termico per evitare che la contaminazione di questi componenti penetri nella superficie fusa o cristallina.
I materiali in grafite sono leggermente permeabili, il che rende facile il metallo rimanente all'interno raggiungere la superficie. Inoltre, il monossido di silicio presente nel gas di spurgo attorno alla superficie della grafite può penetrare nella maggior parte dei materiali e reagire.
I primi riscaldatori per forni in silicio monocristallino erano realizzati con metalli refrattari come tungsteno e molibdeno. Con la crescente maturità della tecnologia di lavorazione della grafite, le proprietà elettriche della connessione tra i componenti di grafite sono diventate stabili e i riscaldatori per forni in silicio monocristallino hanno completamente sostituito i riscaldatori di tungsteno, molibdeno e altri materiali. Attualmente, il materiale di grafite più utilizzato è la grafite isostatica. La tecnologia di preparazione della grafite isostatica del mio paese è relativamente arretrata e la maggior parte dei materiali di grafite utilizzati nell'industria fotovoltaica nazionale vengono importati dall'estero. I produttori stranieri di grafite isostatica includono principalmente la tedesca SGL, la giapponese Tokai Carbon, la giapponese Toyo Tanso, ecc. Nelle fornaci di silicio monocristallino Czochralski, a volte vengono utilizzati materiali compositi C/C, che hanno cominciato ad essere utilizzati per produrre bulloni, dadi, crogioli, materiali di carico. piastre e altri componenti. I compositi carbonio/carbonio (C/C) sono compositi a base di carbonio rinforzati con fibra di carbonio con una serie di proprietà eccellenti quali elevata resistenza specifica, elevato modulo specifico, basso coefficiente di dilatazione termica, buona conduttività elettrica, elevata tenacità alla frattura, basso peso specifico, resistenza allo shock termico, resistenza alla corrosione e resistenza alle alte temperature. Attualmente, sono ampiamente utilizzati nel settore aerospaziale, nelle corse, nei biomateriali e in altri campi come nuovi materiali strutturali resistenti alle alte temperature. Al momento, i principali colli di bottiglia incontrati dai compositi C/C domestici sono ancora legati ai costi e all’industrializzazione.
Esistono molti altri materiali utilizzati per realizzare i campi termali. La grafite rinforzata con fibra di carbonio ha proprietà meccaniche migliori; ma è più costoso e presenta altri requisiti di progettazione.Carburo di silicio (SiC)è un materiale migliore della grafite sotto molti aspetti, ma è molto più costoso e difficile da preparare parti di grandi volumi. Tuttavia, il SiC viene spesso utilizzato come aRivestimento CVDper aumentare la durata delle parti in grafite esposte al gas corrosivo di monossido di silicio e può anche ridurre la contaminazione da grafite. Il denso rivestimento in carburo di silicio CVD impedisce efficacemente ai contaminanti all'interno del materiale di grafite microporosa di raggiungere la superficie.
Un altro è il carbonio CVD, che può anche formare uno strato denso sopra la parte di grafite. Altri materiali resistenti alle alte temperature, come il molibdeno o materiali ceramici che possono coesistere con l'ambiente, possono essere utilizzati laddove non vi sia il rischio di contaminare la massa fusa. Tuttavia, le ceramiche a base di ossido sono generalmente limitate nella loro applicabilità ai materiali di grafite ad alte temperature e ci sono poche altre opzioni se è necessario l'isolamento. Uno è il nitruro di boro esagonale (a volte chiamato grafite bianca a causa delle proprietà simili), ma le proprietà meccaniche sono scarse. Il molibdeno viene generalmente utilizzato ragionevolmente per situazioni ad alta temperatura a causa del suo costo moderato, della bassa velocità di diffusione nei cristalli di silicio e di un coefficiente di segregazione molto basso di circa 5×108, che consente una certa quantità di contaminazione da molibdeno prima di distruggere la struttura cristallina.
2. Materiali per l'isolamento termico
Il materiale isolante più comunemente utilizzato è il feltro di carbonio in varie forme. Il feltro di carbonio è costituito da fibre sottili che fungono da isolante perché bloccano più volte la radiazione termica su una breve distanza. Il morbido feltro di carbonio viene tessuto in fogli di materiale relativamente sottili, che vengono poi tagliati nella forma desiderata e piegati strettamente con un raggio ragionevole. I feltri polimerizzati sono composti da materiali in fibra simili e un legante contenente carbonio viene utilizzato per collegare le fibre disperse in un oggetto più solido e sagomato. L'uso della deposizione chimica in fase vapore del carbonio invece di un legante può migliorare le proprietà meccaniche del materiale.
Tipicamente, la superficie esterna del feltro indurente per l'isolamento termico è rivestita con un rivestimento o un foglio continuo di grafite per ridurre l'erosione e l'usura nonché la contaminazione da particelle. Esistono anche altri tipi di materiali isolanti termici a base di carbonio, come la schiuma di carbonio. In generale sono ovviamente da preferire i materiali grafitizzati perché la grafitizzazione riduce notevolmente l’area superficiale della fibra. Il degassamento di questi materiali ad elevata superficie è notevolmente ridotto e occorre meno tempo per pompare il forno fino a raggiungere un vuoto adeguato. Un altro è il materiale composito C/C, che presenta caratteristiche eccezionali come leggerezza, elevata tolleranza ai danni ed elevata resistenza. Utilizzato nei campi termici per sostituire le parti in grafite riduce significativamente la frequenza di sostituzione delle parti in grafite, migliora la qualità monocristallina e la stabilità della produzione.
Secondo la classificazione della materia prima, il feltro di carbonio può essere suddiviso in feltro di carbonio a base di poliacrilonitrile, feltro di carbonio a base di viscosa e feltro di carbonio a base di pece.
Il feltro di carbonio a base di poliacrilonitrile ha un alto contenuto di ceneri. Dopo il trattamento ad alta temperatura, la singola fibra diventa fragile. Durante il funzionamento è facile che si formi polvere che inquina l'ambiente del forno. Allo stesso tempo, la fibra può facilmente entrare nei pori e nel tratto respiratorio del corpo umano, il che è dannoso per la salute umana. Il feltro di carbonio a base di viscosa ha buone prestazioni di isolamento termico. È relativamente morbido dopo il trattamento termico e non è facile generare polvere. Tuttavia, la sezione trasversale della fibra grezza a base di viscosa è irregolare e sono presenti molte scanalature sulla superficie della fibra. È facile generare gas come C02 nell'atmosfera ossidante del forno di silicio CZ, provocando la precipitazione di ossigeno e elementi di carbonio nel materiale di silicio monocristallino. I principali produttori includono la tedesca SGL e altre società. Attualmente, il feltro di carbonio più utilizzato nell'industria monocristallina dei semiconduttori è il feltro di carbonio a base di pece, che ha prestazioni di isolamento termico peggiori rispetto al feltro di carbonio a base di viscosa, ma il feltro di carbonio a base di pece ha una purezza maggiore e una minore emissione di polvere. I produttori includono la giapponese Kureha Chemical e la Osaka Gas.
Poiché la forma del feltro di carbonio non è fissa, è scomodo da utilizzare. Ora molte aziende hanno sviluppato un nuovo materiale isolante termico basato sul feltro di carbonio polimerizzato con feltro di carbonio. Il feltro di carbonio indurito, chiamato anche feltro duro, è un feltro di carbonio con una certa forma e proprietà autosufficiente dopo che il feltro morbido è stato impregnato con resina, laminato, indurito e carbonizzato.
La qualità della crescita del silicio monocristallino è direttamente influenzata dall'ambiente termico e i materiali isolanti termici in fibra di carbonio svolgono un ruolo chiave in questo ambiente. Il feltro morbido isolante termico in fibra di carbonio presenta ancora un vantaggio significativo nel settore dei semiconduttori fotovoltaici grazie al suo vantaggio in termini di costi, all'eccellente effetto di isolamento termico, al design flessibile e alla forma personalizzabile. Inoltre, il feltro isolante termico rigido in fibra di carbonio avrà maggiore spazio di sviluppo nel mercato dei materiali per il campo termico grazie alla sua certa resistenza e maggiore operabilità. Ci impegniamo nella ricerca e nello sviluppo nel campo dei materiali per l'isolamento termico e ottimizziamo continuamente le prestazioni dei prodotti per promuovere la prosperità e lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori fotovoltaici.
Orario di pubblicazione: 12 giugno 2024