O processo de crescimento do silício monocristalino é totalmente realizado no campo térmico. Um bom campo térmico contribui para melhorar a qualidade dos cristais e possui maior eficiência de cristalização. O projeto do campo térmico determina em grande parte as mudanças nos gradientes de temperatura no campo térmico dinâmico e no fluxo de gás na câmara do forno. A diferença nos materiais utilizados no campo térmico determina diretamente a vida útil do campo térmico. Um campo térmico irracional não é apenas difícil de cultivar cristais que atendam aos requisitos de qualidade, mas também não pode crescer completamente monocristalino sob certos requisitos de processo. É por isso que a indústria de silício monocristalino de tração direta considera o projeto de campo térmico como a tecnologia mais importante e investe enormes recursos humanos e materiais em pesquisa e desenvolvimento de campo térmico.
O sistema térmico é composto por vários materiais de campo térmico. Apresentamos apenas brevemente os materiais utilizados na área térmica. Quanto à distribuição de temperatura no campo térmico e seu impacto na tração dos cristais, não iremos analisá-la aqui. O material do campo térmico refere-se à estrutura e à parte de isolamento térmico na câmara do forno a vácuo de crescimento de cristal, que é essencial para criar uma distribuição de temperatura adequada em torno do fundido e do cristal do semicondutor.
1. Material da estrutura do campo térmico
O material de suporte básico para o método de extração direta para o cultivo de silício monocristalino é o grafite de alta pureza. Os materiais de grafite desempenham um papel muito importante na indústria moderna. Eles podem ser usados como componentes estruturais de campo térmico, comoaquecedores, tubos guia, cadinhos, tubos isolantes, bandejas de cadinho, etc. na preparação de silício monocristalino pelo método Czochralski.
Materiais de grafitesão selecionados porque são fáceis de preparar em grandes volumes, podem ser processados e são resistentes a altas temperaturas. O carbono na forma de diamante ou grafite tem um ponto de fusão mais alto do que qualquer elemento ou composto. Os materiais de grafite são bastante resistentes, especialmente em altas temperaturas, e sua condutividade elétrica e térmica também é bastante boa. Sua condutividade elétrica o torna adequado comoaquecedormaterial. Possui coeficiente de condutividade térmica satisfatório, o que permite que o calor gerado pelo aquecedor seja distribuído uniformemente para o cadinho e demais partes do campo térmico. Entretanto, em altas temperaturas, especialmente em longas distâncias, o principal modo de transferência de calor é a radiação.
As peças de grafite são inicialmente feitas de finas partículas carbonáceas misturadas com um ligante e formadas por extrusão ou prensagem isostática. Peças de grafite de alta qualidade geralmente são prensadas isosticamente. Toda a peça é primeiro carbonizada e depois grafitada a temperaturas muito elevadas, próximas dos 3000°C. As peças processadas a partir dessas peças inteiras são geralmente purificadas em uma atmosfera contendo cloro em altas temperaturas para remover a contaminação metálica e atender aos requisitos da indústria de semicondutores. No entanto, mesmo após a purificação adequada, o nível de contaminação metálica é várias ordens de grandeza superior ao permitido para materiais monocristalinos de silício. Portanto, deve-se tomar cuidado no projeto do campo térmico para evitar que a contaminação desses componentes entre no fundido ou na superfície do cristal.
Os materiais de grafite são ligeiramente permeáveis, o que facilita que o metal restante no interior alcance a superfície. Além disso, o monóxido de silício presente no gás de purga ao redor da superfície do grafite pode penetrar na maioria dos materiais e reagir.
Os primeiros aquecedores de forno de silício monocristalino eram feitos de metais refratários, como tungstênio e molibdênio. Com a crescente maturidade da tecnologia de processamento de grafite, as propriedades elétricas da conexão entre os componentes de grafite tornaram-se estáveis, e os aquecedores de forno de silício monocristalino substituíram completamente os aquecedores de tungstênio, molibdênio e outros materiais. Atualmente, o material de grafite mais utilizado é a grafite isostática. a tecnologia de preparação de grafite isostática do meu país é relativamente atrasada e a maioria dos materiais de grafite usados na indústria fotovoltaica nacional são importados do exterior. Os fabricantes estrangeiros de grafite isostática incluem principalmente SGL da Alemanha, Tokai Carbon do Japão, Toyo Tanso do Japão, etc. Nos fornos de silício monocristalino Czochralski, às vezes são usados materiais compósitos C / C, e eles começaram a ser usados para fabricar parafusos, porcas, cadinhos, carga placas e outros componentes. Os compósitos carbono/carbono (C/C) são compósitos à base de carbono reforçados com fibra de carbono com uma série de excelentes propriedades, como alta resistência específica, alto módulo específico, baixo coeficiente de expansão térmica, boa condutividade elétrica, alta tenacidade à fratura, baixa gravidade específica, resistência ao choque térmico, resistência à corrosão e resistência a altas temperaturas. Atualmente, eles são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, corridas, biomateriais e outros campos como novos materiais estruturais resistentes a altas temperaturas. Atualmente, os principais gargalos encontrados pelos compósitos C/C domésticos ainda são questões de custo e industrialização.
Existem muitos outros materiais usados para fazer campos térmicos. A grafite reforçada com fibra de carbono possui melhores propriedades mecânicas; mas é mais caro e tem outros requisitos de design.Carboneto de silício (SiC)é um material melhor que o grafite em muitos aspectos, mas é muito mais caro e difícil de preparar peças de grande volume. No entanto, o SiC é frequentemente utilizado comoRevestimento CVDpara aumentar a vida útil das peças de grafite expostas ao gás corrosivo monóxido de silício e também pode reduzir a contaminação por grafite. O denso revestimento de carboneto de silício CVD evita efetivamente que contaminantes dentro do material de grafite microporoso cheguem à superfície.
Outro é o carbono CVD, que também pode formar uma camada densa acima da parte de grafite. Outros materiais resistentes a altas temperaturas, como molibdênio ou materiais cerâmicos que podem coexistir com o meio ambiente, podem ser usados onde não há risco de contaminação do fundido. No entanto, as cerâmicas de óxido são geralmente limitadas na sua aplicabilidade a materiais de grafite a altas temperaturas, e existem poucas outras opções se o isolamento for necessário. Um deles é o nitreto de boro hexagonal (às vezes chamado de grafite branco devido às propriedades semelhantes), mas as propriedades mecânicas são pobres. O molibdênio é geralmente usado razoavelmente para situações de alta temperatura devido ao seu custo moderado, baixa taxa de difusão em cristais de silício e um coeficiente de segregação muito baixo de cerca de 5 × 108, o que permite uma certa quantidade de contaminação por molibdênio antes de destruir a estrutura cristalina.
2. Materiais de isolamento térmico
O material de isolamento mais comumente usado é o feltro de carbono em várias formas. O feltro de carbono é feito de fibras finas, que atuam como isolantes porque bloqueiam a radiação térmica várias vezes em uma curta distância. O feltro macio de carbono é tecido em folhas de material relativamente finas, que são então cortadas no formato desejado e dobradas firmemente em um raio razoável. Os feltros curados são compostos de materiais de fibra semelhantes e um aglutinante contendo carbono é usado para conectar as fibras dispersas em um objeto mais sólido e moldado. O uso de deposição química de vapor de carbono em vez de um aglutinante pode melhorar as propriedades mecânicas do material.
Normalmente, a superfície externa do feltro de cura de isolamento térmico é revestida com um revestimento ou folha contínua de grafite para reduzir a erosão e o desgaste, bem como a contaminação por partículas. Também existem outros tipos de materiais de isolamento térmico à base de carbono, como a espuma de carbono. Em geral, os materiais grafitados são obviamente preferidos porque a grafitização reduz bastante a área superficial da fibra. A liberação de gases desses materiais de grande área superficial é bastante reduzida e leva menos tempo para bombear o forno para um vácuo adequado. Outro é o material compósito C/C, que possui características excepcionais como leveza, alta tolerância a danos e alta resistência. Usado em campos térmicos para substituir peças de grafite, reduz significativamente a frequência de substituição de peças de grafite, melhora a qualidade monocristalina e a estabilidade da produção.
De acordo com a classificação da matéria-prima, o feltro de carbono pode ser dividido em feltro de carbono à base de poliacrilonitrila, feltro de carbono à base de viscose e feltro de carbono à base de piche.
O feltro de carbono à base de poliacrilonitrila possui um grande teor de cinzas. Após o tratamento em alta temperatura, a fibra única torna-se quebradiça. Durante a operação, é fácil gerar poeira para poluir o ambiente do forno. Ao mesmo tempo, a fibra pode entrar facilmente nos poros e no trato respiratório do corpo humano, o que é prejudicial à saúde humana. O feltro de carbono à base de viscose tem bom desempenho de isolamento térmico. É relativamente macio após o tratamento térmico e não é fácil de gerar poeira. No entanto, a seção transversal da fibra bruta à base de viscose é irregular e há muitas ranhuras na superfície da fibra. É fácil gerar gases como o C02 sob a atmosfera oxidante do forno de silício CZ, causando a precipitação de elementos de oxigênio e carbono no material de silício monocristalino. Os principais fabricantes incluem a alemã SGL e outras empresas. Atualmente, o mais amplamente utilizado na indústria monocristalina de semicondutores é o feltro de carbono à base de piche, que tem pior desempenho de isolamento térmico do que o feltro de carbono à base de viscose, mas o feltro de carbono à base de piche tem maior pureza e menor emissão de poeira. Os fabricantes incluem a japonesa Kureha Chemical e a Osaka Gas.
Como o formato do feltro de carbono não é fixo, é inconveniente operar. Agora, muitas empresas desenvolveram um novo material de isolamento térmico baseado em feltro de carbono curado com feltro de carbono. O feltro de carbono curado, também chamado de feltro duro, é um feltro de carbono com determinado formato e propriedade autossustentável após o feltro macio ser impregnado com resina, laminado, curado e carbonizado.
A qualidade de crescimento do silício monocristalino é diretamente afetada pelo ambiente térmico, e os materiais de isolamento térmico de fibra de carbono desempenham um papel fundamental neste ambiente. O feltro macio com isolamento térmico de fibra de carbono ainda tem uma vantagem significativa na indústria de semicondutores fotovoltaicos devido à sua vantagem de custo, excelente efeito de isolamento térmico, design flexível e formato personalizável. Além disso, o feltro de isolamento térmico duro de fibra de carbono terá maior espaço de desenvolvimento no mercado de materiais de campo térmico devido à sua certa resistência e maior operabilidade. Estamos comprometidos com a pesquisa e o desenvolvimento na área de materiais de isolamento térmico e otimizamos continuamente o desempenho do produto para promover a prosperidade e o desenvolvimento da indústria de semicondutores fotovoltaicos.
Horário da postagem: 12 de junho de 2024