Het groeiproces van monokristallijn silicium vindt volledig plaats op thermisch gebied. Een goed thermisch veld is bevorderlijk voor het verbeteren van de kwaliteit van kristallen en heeft een hogere kristallisatie-efficiëntie. Het ontwerp van het thermische veld bepaalt grotendeels de veranderingen in temperatuurgradiënten in het dynamische thermische veld en de gasstroom in de ovenkamer. Het verschil in de materialen die in het thermische veld worden gebruikt, bepaalt rechtstreeks de levensduur van het thermische veld. Een onredelijk thermisch veld maakt het niet alleen moeilijk om kristallen te laten groeien die aan de kwaliteitseisen voldoen, maar kan onder bepaalde procesvereisten ook niet volledig monokristallijn groeien. Dit is de reden waarom de direct-pull monokristallijne siliciumindustrie het ontwerp van thermische velden als de belangrijkste technologie beschouwt en enorme mankracht en materiële middelen investeert in onderzoek en ontwikkeling op het gebied van thermische velden.
Het thermische systeem is samengesteld uit verschillende thermische veldmaterialen. We introduceren slechts kort de materialen die op thermisch gebied worden gebruikt. Wat betreft de temperatuurverdeling in het thermische veld en de impact ervan op het trekken van kristallen, zullen we deze hier niet analyseren. Het thermische veldmateriaal verwijst naar het structuur- en thermische isolatiegedeelte in de vacuümovenkamer van kristalgroei, wat essentieel is voor het creëren van een geschikte temperatuurverdeling rond de halfgeleidersmelt en het kristal.
1. Materiaal voor thermische veldstructuur
Het basismateriaal voor de direct-pull-methode om monokristallijn silicium te laten groeien is zeer zuiver grafiet. Grafietmaterialen spelen een zeer belangrijke rol in de moderne industrie. Ze kunnen worden gebruikt als structurele componenten voor warmtevelden, zoalsverwarmers, geleidingsbuizen, smeltkroezen, isolatiebuizen, kroesschotels, enz. bij de bereiding van monokristallijn silicium volgens de Czochralski-methode.
Grafiet materialenEr is voor gekozen omdat ze makkelijk in grote volumes te bereiden zijn, verwerkbaar zijn en bestand zijn tegen hoge temperaturen. Koolstof in de vorm van diamant of grafiet heeft een hoger smeltpunt dan welk element of welke verbinding dan ook. Grafietmaterialen zijn behoorlijk sterk, vooral bij hoge temperaturen, en hun elektrische en thermische geleidbaarheid is ook redelijk goed. Door de elektrische geleidbaarheid is het geschikt alsverwarmingmateriaal. Het heeft een bevredigende thermische geleidbaarheidscoëfficiënt, waardoor de door de verwarmer gegenereerde warmte gelijkmatig kan worden verdeeld over de smeltkroes en andere delen van het warmteveld. Bij hoge temperaturen, vooral over lange afstanden, is straling echter de belangrijkste vorm van warmteoverdracht.
Grafietonderdelen zijn aanvankelijk gemaakt van fijne koolstofhoudende deeltjes gemengd met een bindmiddel en gevormd door extrusie of isostatisch persen. Hoogwaardige grafietonderdelen worden meestal isostatisch geperst. Het hele stuk wordt eerst gecarboniseerd en vervolgens gegrafitiseerd bij zeer hoge temperaturen, dichtbij 3000°C. De uit deze hele stukken verwerkte onderdelen worden doorgaans in een chloorhoudende atmosfeer bij hoge temperaturen gezuiverd om metaalverontreiniging te verwijderen om aan de eisen van de halfgeleiderindustrie te voldoen. Maar zelfs na de juiste zuivering is het niveau van metaalverontreiniging enkele ordes van grootte hoger dan toegestaan voor monokristallijne siliciummaterialen. Daarom moet er bij het ontwerp van het thermische veld op worden gelet dat wordt voorkomen dat verontreiniging van deze componenten het smelt- of kristaloppervlak binnendringt.
Grafietmaterialen zijn licht doorlatend, waardoor het resterende metaal binnenin gemakkelijk het oppervlak kan bereiken. Bovendien kan het siliciummonoxide dat aanwezig is in het spoelgas rond het grafietoppervlak in de meeste materialen doordringen en reageren.
Vroege monokristallijne siliciumovenverwarmers waren gemaakt van vuurvaste metalen zoals wolfraam en molybdeen. Met de toenemende volwassenheid van de grafietverwerkingstechnologie zijn de elektrische eigenschappen van de verbinding tussen grafietcomponenten stabiel geworden, en hebben monokristallijne siliciumovenverwarmers wolfraam-, molybdeen- en andere materiaalverwarmers volledig vervangen. Momenteel is het meest gebruikte grafietmateriaal isostatisch grafiet. De isostatische grafietbereidingstechnologie van mijn land is relatief achtergebleven, en de meeste grafietmaterialen die in de binnenlandse fotovoltaïsche industrie worden gebruikt, worden geïmporteerd uit het buitenland. Tot de buitenlandse fabrikanten van isostatisch grafiet behoren voornamelijk het Duitse SGL, het Japanse Tokai Carbon, het Japanse Toyo Tanso, enz. In de monokristallijne siliciumovens van Czochralski worden soms C/C-composietmaterialen gebruikt, en deze worden nu gebruikt voor de vervaardiging van bouten, moeren, smeltkroezen, platen en andere componenten. Koolstof/koolstof (C/C) composieten zijn koolstofvezelversterkte composieten op koolstofbasis met een reeks uitstekende eigenschappen, zoals hoge specifieke sterkte, hoge specifieke modulus, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, goede elektrische geleidbaarheid, hoge breuktaaiheid, laag soortelijk gewicht, thermische schokbestendigheid, corrosieweerstand en hoge temperatuurbestendigheid. Momenteel worden ze veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, racen, biomaterialen en andere gebieden als nieuwe, hittebestendige structurele materialen. Op dit moment zijn de belangrijkste knelpunten waarmee binnenlandse C/C-composieten worden geconfronteerd nog steeds kosten- en industrialisatieproblemen.
Er worden nog veel meer materialen gebruikt om thermische velden te maken. Met koolstofvezel versterkt grafiet heeft betere mechanische eigenschappen; maar het is duurder en stelt andere eisen aan het ontwerp.Siliciumcarbide (SiC)is in veel opzichten een beter materiaal dan grafiet, maar het is veel duurder en moeilijker om onderdelen in grote volumes te vervaardigen. SiC wordt echter vaak gebruikt als aCVD-coatingom de levensduur van grafietonderdelen die worden blootgesteld aan corrosief siliciummonoxidegas te verlengen, en kan ook de vervuiling door grafiet verminderen. De dichte CVD-siliciumcarbidecoating voorkomt effectief dat verontreinigingen in het microporeuze grafietmateriaal het oppervlak bereiken.
Een andere is CVD-koolstof, die ook een dichte laag boven het grafietgedeelte kan vormen. Andere materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen, zoals molybdeen of keramische materialen die naast de omgeving kunnen bestaan, kunnen worden gebruikt als er geen risico bestaat op verontreiniging van de smelt. Oxidekeramiek is echter over het algemeen beperkt toepasbaar op grafietmaterialen bij hoge temperaturen, en er zijn weinig andere opties als isolatie vereist is. De ene is hexagonaal boornitride (soms wit grafiet genoemd vanwege vergelijkbare eigenschappen), maar de mechanische eigenschappen zijn slecht. Molybdeen wordt over het algemeen redelijk gebruikt voor situaties met hoge temperaturen vanwege de gematigde kosten, de lage diffusiesnelheid in siliciumkristallen en een zeer lage segregatiecoëfficiënt van ongeveer 5 x 108, waardoor een bepaalde hoeveelheid molybdeenverontreiniging mogelijk is voordat de kristalstructuur wordt vernietigd.
2. Thermische isolatiematerialen
Het meest gebruikte isolatiemateriaal is koolstofvilt in verschillende vormen. Koolstofvilt is gemaakt van dunne vezels, die als isolatie fungeren omdat ze over een korte afstand meerdere malen de warmtestraling tegenhouden. Het zachte koolstofvilt wordt tot relatief dunne vellen materiaal geweven, die vervolgens in de gewenste vorm worden gesneden en strak tot een redelijke straal worden gebogen. Uitgeharde vilten zijn samengesteld uit soortgelijke vezelmaterialen en er wordt een koolstofhoudend bindmiddel gebruikt om de verspreide vezels te verbinden tot een steviger en gevormd object. Het gebruik van chemische dampafzetting van koolstof in plaats van een bindmiddel kan de mechanische eigenschappen van het materiaal verbeteren.
Typisch wordt het buitenoppervlak van het uithardingsvilt voor thermische isolatie gecoat met een continue grafietcoating of folie om erosie en slijtage en deeltjesverontreiniging te verminderen. Er bestaan ook andere soorten thermische isolatiematerialen op koolstofbasis, zoals koolstofschuim. In het algemeen hebben gegrafitiseerde materialen uiteraard de voorkeur omdat grafitisering het oppervlak van de vezel aanzienlijk verkleint. Het uitgassen van deze materialen met een groot oppervlak wordt aanzienlijk verminderd, en het kost minder tijd om de oven naar een geschikt vacuüm te pompen. Een ander voorbeeld is C/C-composietmateriaal, dat uitstekende eigenschappen heeft, zoals een laag gewicht, hoge schadetolerantie en hoge sterkte. Gebruikt in thermische velden om grafietonderdelen te vervangen, vermindert de frequentie van vervanging van grafietonderdelen aanzienlijk, verbetert de monokristallijne kwaliteit en productiestabiliteit.
Volgens de grondstoffenclassificatie kan koolstofvilt worden onderverdeeld in koolstofvilt op basis van polyacrylonitril, koolstofvilt op basis van viscose en koolstofvilt op basis van pek.
Koolstofvilt op polyacrylonitrilbasis heeft een hoog asgehalte. Na behandeling bij hoge temperatuur wordt de enkele vezel bros. Tijdens bedrijf is het gemakkelijk om stof te genereren dat de ovenomgeving vervuilt. Tegelijkertijd kunnen de vezels gemakkelijk de poriën en luchtwegen van het menselijk lichaam binnendringen, wat schadelijk is voor de menselijke gezondheid. Op viscose gebaseerd koolstofvilt heeft goede thermische isolatieprestaties. Het is relatief zacht na warmtebehandeling en er ontstaat niet gemakkelijk stof. De dwarsdoorsnede van de op viscose gebaseerde ruwe vezel is echter onregelmatig en er zitten veel groeven op het vezeloppervlak. Het is gemakkelijk om gassen zoals C02 te genereren onder de oxiderende atmosfeer van de CZ-siliciumoven, waardoor zuurstof- en koolstofelementen in het monokristallijne siliciummateriaal neerslaan. Tot de belangrijkste fabrikanten behoren het Duitse SGL en andere bedrijven. Momenteel wordt in de monokristallijne halfgeleiderindustrie het meest gebruikte koolstofvilt op pekbasis gebruikt, dat slechtere thermische isolatieprestaties heeft dan koolstofvilt op basis van viscose, maar op pek gebaseerd koolstofvilt heeft een hogere zuiverheid en een lagere stofemissie. Fabrikanten zijn onder meer het Japanse Kureha Chemical en Osaka Gas.
Omdat de vorm van koolstofvilt niet vastligt, is het lastig te bedienen. Nu hebben veel bedrijven een nieuw thermisch isolatiemateriaal ontwikkeld op basis van met koolstofvilt uitgehard koolstofvilt. Uitgehard koolstofvilt, ook wel hardvilt genoemd, is een koolstofvilt met een bepaalde vorm en zelfonderhoudende eigenschap nadat zacht vilt is geïmpregneerd met hars, gelamineerd, uitgehard en gecarboniseerd.
De groeikwaliteit van monokristallijn silicium wordt rechtstreeks beïnvloed door de thermische omgeving, en thermische isolatiematerialen van koolstofvezel spelen een sleutelrol in deze omgeving. Koolstofvezel thermische isolatie zacht vilt heeft nog steeds een aanzienlijk voordeel in de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie vanwege het kostenvoordeel, het uitstekende thermische isolatie-effect, het flexibele ontwerp en de aanpasbare vorm. Bovendien zal hard thermisch isolatievilt van koolstofvezel een grotere ontwikkelingsruimte hebben op de markt voor thermisch veldmateriaal vanwege de zekere sterkte en hogere bruikbaarheid ervan. We zetten ons in voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van thermische isolatiematerialen en optimaliseren voortdurend de productprestaties om de welvaart en ontwikkeling van de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie te bevorderen.
Posttijd: 12 juni 2024