Proces wzrostu krzemu monokrystalicznego odbywa się całkowicie w polu termicznym. Dobre pole termiczne sprzyja poprawie jakości kryształów i ma wyższą wydajność krystalizacji. Konstrukcja pola cieplnego w dużej mierze determinuje zmiany gradientów temperatury w dynamicznym polu cieplnym oraz przepływ gazu w komorze pieca. Różnica w materiałach zastosowanych w polu termicznym bezpośrednio determinuje żywotność pola termicznego. Nieuzasadnione pole termiczne nie tylko utrudnia hodowlę kryształów spełniających wymagania jakościowe, ale także nie pozwala na wyhodowanie kryształów w pełni monokrystalicznych przy pewnych wymaganiach procesu. Właśnie dlatego przemysł krzemu monokrystalicznego pobieranego bezpośrednio uważa projektowanie pola termicznego za najbardziej podstawową technologię i inwestuje ogromną siłę roboczą i zasoby materialne w badania i rozwój pola termicznego.
System termiczny składa się z różnych materiałów tworzących pole termiczne. Tylko pokrótce przedstawiamy materiały stosowane w polu termicznym. Jeśli chodzi o rozkład temperatury w polu termicznym i jego wpływ na przyciąganie kryształów, nie będziemy go tutaj analizować. Materiał pola termicznego odnosi się do konstrukcji i części izolacji termicznej w komorze wzrostu kryształów pieca próżniowego, która jest niezbędna do wytworzenia odpowiedniego rozkładu temperatury wokół stopionego i kryształu półprzewodnika.
1. Materiał struktury pola termicznego
Podstawowym materiałem nośnym w metodzie direct-pull do uprawy krzemu monokrystalicznego jest grafit o wysokiej czystości. Materiały grafitowe odgrywają bardzo ważną rolę we współczesnym przemyśle. Można je stosować jako elementy konstrukcyjne pola cieplnego, takie jakgrzejniki, rurki prowadzące, tygle, rurki izolacyjne, tacki na tygle itp. przy otrzymywaniu krzemu monokrystalicznego metodą Czochralskiego.
Materiały grafitowewybierane są ze względu na łatwość przygotowania w dużych ilościach, możliwość przetwarzania i odporność na wysokie temperatury. Węgiel w postaci diamentu lub grafitu ma wyższą temperaturę topnienia niż jakikolwiek pierwiastek lub związek. Materiały grafitowe są dość mocne, zwłaszcza w wysokich temperaturach, a ich przewodność elektryczna i cieplna jest również całkiem dobra. Dzięki przewodności elektrycznej nadaje się jako:podgrzewacztworzywo. Posiada zadowalający współczynnik przewodzenia ciepła, co pozwala na równomierne rozprowadzenie ciepła wytworzonego przez grzałkę do tygla i pozostałych części pola cieplnego. Jednak w wysokich temperaturach, szczególnie na długich dystansach, głównym sposobem wymiany ciepła jest promieniowanie.
Części grafitowe są początkowo wykonane z drobnych cząstek węglowych zmieszanych ze spoiwem i formowanych przez wytłaczanie lub prasowanie izostatyczne. Wysokiej jakości części grafitowe są zwykle prasowane izostatycznie. Całość jest najpierw karbonizowana, a następnie grafityzowana w bardzo wysokich temperaturach, bliskich 3000°C. Części przetwarzane z tych całych kawałków są zwykle oczyszczane w atmosferze zawierającej chlor w wysokich temperaturach w celu usunięcia zanieczyszczeń metalicznych w celu spełnienia wymagań przemysłu półprzewodników. Jednak nawet po odpowiednim oczyszczeniu poziom zanieczyszczeń metalami jest o kilka rzędów wielkości wyższy niż dopuszczalny dla krzemowych materiałów monokrystalicznych. Dlatego przy projektowaniu pola termicznego należy zachować ostrożność, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń tych składników do powierzchni stopu lub kryształu.
Materiały grafitowe są lekko przepuszczalne, co sprawia, że pozostały w środku metal z łatwością przedostanie się na powierzchnię. Ponadto tlenek krzemu obecny w gazie płuczącym wokół powierzchni grafitu może wnikać w większość materiałów i reagować.
Wczesne grzejniki do pieców z monokrystalicznego krzemu były wykonane z metali ogniotrwałych, takich jak wolfram i molibden. Wraz ze wzrostem dojrzałości technologii przetwarzania grafitu właściwości elektryczne połączenia między elementami grafitu stały się stabilne, a grzejniki z monokrystalicznego krzemu całkowicie zastąpiły grzejniki wolframowe, molibdenowe i inne. Obecnie najczęściej stosowanym materiałem grafitowym jest grafit izostatyczny. Technologia izostatycznego przygotowania grafitu w moim kraju jest stosunkowo zacofana, a większość materiałów grafitowych stosowanych w krajowym przemyśle fotowoltaicznym jest importowana z zagranicy. Zagraniczni producenci grafitu izostatycznego to głównie niemiecka SGL, japońska Tokai Carbon, japońska Toyo Tanso itp. W piecach monokrystalicznych krzemu Czochralskiego czasami stosuje się materiały kompozytowe C/C, które zaczęto wykorzystywać do produkcji śrub, nakrętek, tygli, wsadów płyty i inne elementy. Kompozyty węgiel/węgiel (C/C) to kompozyty na bazie węgla wzmocnione włóknami węglowymi, charakteryzujące się szeregiem doskonałych właściwości, takich jak wysoka wytrzymałość właściwa, wysoki moduł właściwy, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobra przewodność elektryczna, wysoka odporność na pękanie, niski ciężar właściwy, odporność na szok termiczny, odporność na korozję i odporność na wysoką temperaturę. Obecnie są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, wyścigowym, biomateriałach i innych dziedzinach jako nowe materiały konstrukcyjne odporne na wysokie temperatury. Obecnie głównymi wąskimi gardłami napotykanymi w przypadku krajowych kompozytów C/C są nadal koszty i kwestie industrializacji.
Istnieje wiele innych materiałów używanych do wytwarzania pól termicznych. Grafit wzmocniony włóknem węglowym ma lepsze właściwości mechaniczne; ale jest droższy i ma inne wymagania dotyczące projektu.Węglik krzemu (SiC)jest pod wieloma względami lepszym materiałem od grafitu, jednak jest znacznie droższy i trudniejszy w przygotowaniu części o dużej objętości. Jednak SiC jest często używany jakoPowłoka CVDw celu zwiększenia żywotności części grafitowych narażonych na działanie żrącego gazowego tlenku krzemu, a także może zmniejszyć zanieczyszczenie grafitem. Gęsta powłoka CVD z węglika krzemu skutecznie zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczeń znajdujących się wewnątrz mikroporowatego materiału grafitowego na powierzchnię.
Innym jest węgiel CVD, który może również tworzyć gęstą warstwę nad częścią grafitową. Inne materiały odporne na wysokie temperatury, takie jak molibden lub materiały ceramiczne, które mogą współistnieć ze środowiskiem, można stosować tam, gdzie nie ma ryzyka zanieczyszczenia stopionego materiału. Jednakże ceramika tlenkowa ma generalnie ograniczone zastosowanie do materiałów grafitowych w wysokich temperaturach i istnieje kilka innych opcji, jeśli wymagana jest izolacja. Jednym z nich jest sześciokątny azotek boru (czasami nazywany białym grafitem ze względu na podobne właściwości), ale właściwości mechaniczne są słabe. Molibden jest powszechnie stosowany w warunkach wysokich temperatur ze względu na jego umiarkowany koszt, niską szybkość dyfuzji w kryształach krzemu i bardzo niski współczynnik segregacji wynoszący około 5 × 108, co pozwala na pewną ilość zanieczyszczenia molibdenem przed zniszczeniem struktury kryształu.
2. Materiały termoizolacyjne
Najczęściej stosowanym materiałem izolacyjnym jest filc węglowy w różnych postaciach. Filc węglowy wykonany jest z cienkich włókien, które pełnią funkcję izolacji, ponieważ wielokrotnie blokują promieniowanie cieplne na krótkim dystansie. Miękki filc węglowy jest tkany w stosunkowo cienkie arkusze materiału, które następnie są przycinane do pożądanego kształtu i ciasno wyginane w rozsądnym promieniu. Utwardzone filce składają się z podobnych materiałów włóknistych, a do połączenia rozproszonych włókien w bardziej solidny i ukształtowany przedmiot stosuje się spoiwo zawierające węgiel. Zastosowanie chemicznego osadzania węgla z fazy gazowej zamiast spoiwa może poprawić właściwości mechaniczne materiału.
Zwykle zewnętrzna powierzchnia filcu utwardzającego się do izolacji termicznej jest pokryta ciągłą powłoką grafitową lub folią, aby zmniejszyć erozję i zużycie, a także zanieczyszczenie cząstkami stałymi. Istnieją również inne rodzaje materiałów termoizolacyjnych na bazie węgla, takie jak pianka węglowa. Ogólnie rzecz biorąc, preferowane są materiały grafitowane, ponieważ grafityzacja znacznie zmniejsza powierzchnię włókna. Odgazowanie tych materiałów o dużej powierzchni jest znacznie zmniejszone, a pompowanie pieca do odpowiedniej próżni zajmuje mniej czasu. Innym jest materiał kompozytowy C/C, który charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami, takimi jak niewielka waga, wysoka tolerancja na uszkodzenia i wysoka wytrzymałość. Stosowany w polach termicznych do wymiany części grafitowych znacznie zmniejsza częstotliwość wymiany części grafitowych, poprawia jakość monokrystaliczną i stabilność produkcji.
Zgodnie z klasyfikacją surowców filc węglowy można podzielić na filc węglowy na bazie poliakrylonitrylu, filc węglowy na bazie wiskozy i filc węglowy na bazie smoły.
Filc węglowy na bazie poliakrylonitrylu charakteryzuje się dużą zawartością popiołu. Po obróbce w wysokiej temperaturze pojedyncze włókno staje się kruche. Podczas pracy łatwo jest wytworzyć pył, który zanieczyszcza środowisko pieca. Jednocześnie błonnik może łatwo przedostać się do porów i dróg oddechowych organizmu człowieka, co jest szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Filc węglowy na bazie wiskozy ma dobre właściwości termoizolacyjne. Jest stosunkowo miękki po obróbce cieplnej i niełatwo wytwarzać pył. Jednakże przekrój poprzeczny surowego włókna na bazie wiskozy jest nieregularny, a na powierzchni włókna znajduje się wiele rowków. W atmosferze utleniającej pieca krzemowego CZ łatwo jest wytworzyć gazy takie jak CO2, powodując wytrącanie pierwiastków tlenu i węgla w monokrystalicznym materiale krzemowym. Głównymi producentami są niemiecka SGL i inne firmy. Obecnie najczęściej stosowanym w przemyśle monokrystalicznym półprzewodników jest filc węglowy na bazie paku, który ma gorsze właściwości termoizolacyjne niż filc węglowy na bazie wiskozy, ale filc węglowy na bazie paku ma wyższą czystość i niższą emisję pyłu. Do producentów należą japońska firma Kureha Chemical i Osaka Gas.
Ponieważ kształt filcu węglowego nie jest ustalony, jego obsługa jest niewygodna. Obecnie wiele firm opracowało nowy materiał termoizolacyjny na bazie filcu węglowego utwardzanego filcem węglowym. Utwardzony filc węglowy, zwany także filcem twardym, to filc węglowy o określonym kształcie i właściwościach samopodtrzymujących po zaimpregnowaniu miękkiego filcu żywicą, laminowaniu, utwardzeniu i zwęgleniu.
Na jakość wzrostu krzemu monokrystalicznego ma bezpośredni wpływ środowisko termiczne, a materiały termoizolacyjne z włókna węglowego odgrywają kluczową rolę w tym środowisku. Miękki filc termoizolacyjny z włókna węglowego nadal ma znaczną przewagę w branży półprzewodników fotowoltaicznych ze względu na przewagę kosztową, doskonały efekt izolacji termicznej, elastyczną konstrukcję i konfigurowalny kształt. Ponadto twardy filc termoizolacyjny z włókna węglowego będzie miał większą przestrzeń do rozwoju na rynku materiałów wykorzystujących pola termiczne ze względu na jego pewną wytrzymałość i większą funkcjonalność. Angażujemy się w badania i rozwój w dziedzinie materiałów termoizolacyjnych oraz stale optymalizujemy wydajność produktów, aby promować dobrobyt i rozwój przemysłu półprzewodników fotowoltaicznych.
Czas publikacji: 12 czerwca 2024 r