Procesul de creștere a siliciului monocristalin se desfășoară complet în câmpul termic. Un câmp termic bun este favorabil îmbunătățirii calității cristalelor și are o eficiență mai mare de cristalizare. Proiectarea câmpului termic determină în mare măsură modificările gradienților de temperatură în câmpul termic dinamic și fluxul de gaz în camera cuptorului. Diferența dintre materialele utilizate în câmpul termic determină în mod direct durata de viață a câmpului termic. Un câmp termic nerezonabil nu este doar greu de cultivat cristale care îndeplinesc cerințele de calitate, dar și nu pot crește monocristalin complet în anumite cerințe de proces. Acesta este motivul pentru care industria siliciului monocristalin cu tragere directă consideră proiectarea câmpului termic drept cea mai de bază tehnologie și investește resurse uriașe de forță de muncă și materiale în cercetarea și dezvoltarea domeniului termic.
Sistemul termic este compus din diverse materiale de câmp termic. Vă prezentăm doar pe scurt materialele folosite în domeniul termic. În ceea ce privește distribuția temperaturii în câmpul termic și impactul acesteia asupra tragerii cristalelor, nu o vom analiza aici. Materialul câmpului termic se referă la structura și partea de izolație termică din camera cuptorului cu vid de creștere a cristalelor, care este esențială pentru crearea unei distribuții adecvate a temperaturii în jurul topiturii și cristalului semiconductorului.
1. Materialul structurii câmpului termic
Materialul suport de bază pentru metoda de tragere directă pentru creșterea siliciului monocristalin este grafitul de înaltă puritate. Materialele de grafit joacă un rol foarte important în industria modernă. Ele pot fi utilizate ca componente structurale de câmp termic, cum ar fiîncălzitoare, tuburi de ghidare, creuzete, tuburi izolante, tăvi pentru creuzet etc. la prepararea siliciului monocristalin prin metoda Czochralski.
Materiale de grafitsunt selectate pentru ca sunt usor de preparat in volume mari, pot fi prelucrate si sunt rezistente la temperaturi ridicate. Carbonul sub formă de diamant sau grafit are un punct de topire mai mare decât orice element sau compus. Materialele din grafit sunt destul de puternice, mai ales la temperaturi ridicate, iar conductivitatea lor electrică și termică este, de asemenea, destul de bună. Conductivitatea sa electrică îl face potrivit ca aîncălzitormaterial. Are un coeficient de conductivitate termică satisfăcător, care permite ca căldura generată de încălzitor să fie distribuită uniform în creuzet și în alte părți ale câmpului termic. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, în special pe distanțe lungi, principalul mod de transfer de căldură este radiația.
Părțile de grafit sunt inițial făcute din particule fine de carbon amestecate cu un liant și formate prin extrudare sau presare izostatică. Piesele din grafit de înaltă calitate sunt de obicei presate izostatic. Întreaga piesă este mai întâi carbonizată și apoi grafitizată la temperaturi foarte ridicate, aproape de 3000°C. Părțile prelucrate din aceste piese întregi sunt de obicei purificate într-o atmosferă care conține clor la temperaturi ridicate pentru a îndepărta contaminarea cu metal pentru a îndeplini cerințele industriei semiconductoarelor. Cu toate acestea, chiar și după o purificare adecvată, nivelul de contaminare cu metal este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cel permis pentru materialele monocristaline cu siliciu. Prin urmare, trebuie avută grijă în proiectarea câmpului termic pentru a preveni pătrunderea contaminării acestor componente pe suprafața topiturii sau a cristalului.
Materialele din grafit sunt ușor permeabile, ceea ce face ușor ca metalul rămas în interior să ajungă la suprafață. În plus, monoxidul de siliciu prezent în gazul de purjare din jurul suprafeței de grafit poate pătrunde în majoritatea materialelor și poate reacționa.
Primele încălzitoare cu siliciu monocristalin erau fabricate din metale refractare, cum ar fi wolfram și molibden. Odată cu creșterea maturității tehnologiei de prelucrare a grafitului, proprietățile electrice ale conexiunii dintre componentele din grafit au devenit stabile, iar încălzitoarele de cuptor cu siliciu monocristalin au înlocuit complet încălzitoarele de wolfram, molibden și alte materiale. În prezent, cel mai utilizat material de grafit este grafitul izostatic. Tehnologia de preparare a grafitului izostatic din țara mea este relativ înapoiată, iar majoritatea materialelor de grafit utilizate în industria fotovoltaică internă sunt importate din străinătate. Producătorii străini de grafit izostatic includ în principal SGL din Germania, Tokai Carbon din Japonia, Toyo Tanso din Japonia etc. În cuptoarele de siliciu monocristalin Czochralski, materialele compozite C/C sunt uneori folosite și au început să fie folosite pentru fabricarea șuruburilor, piulițelor, creuzetelor, încărcăturii. plăci și alte componente. Compozitele carbon/carbon (C/C) sunt compozite pe bază de carbon armate cu fibră de carbon, cu o serie de proprietăți excelente, cum ar fi rezistență specifică ridicată, modul specific ridicat, coeficient de dilatare termică scăzut, conductivitate electrică bună, duritate mare la rupere, greutate specifică scăzută, rezistență la șocuri termice, rezistență la coroziune și rezistență la temperaturi ridicate. În prezent, sunt utilizate pe scară largă în industria aerospațială, curse, biomateriale și alte domenii ca noi materiale structurale rezistente la temperaturi înalte. În prezent, principalele blocaje întâlnite de compozitele C/C autohtone sunt încă problemele legate de cost și industrializare.
Există multe alte materiale folosite la realizarea câmpurilor termice. Grafitul armat cu fibră de carbon are proprietăți mecanice mai bune; dar este mai scump și are alte cerințe pentru proiectare.Carbură de siliciu (SiC)este un material mai bun decât grafitul din multe puncte de vedere, dar este mult mai scump și mai dificil de pregătit piesele de volum mare. Cu toate acestea, SiC este adesea folosit ca aAcoperire CVDpentru a crește durata de viață a pieselor din grafit expuse gazului de monoxid de siliciu corosiv și poate reduce, de asemenea, contaminarea cu grafit. Învelișul dens de carbură de siliciu CVD previne eficient contaminanții din interiorul materialului de grafit microporos să ajungă la suprafață.
Un altul este carbonul CVD, care poate forma, de asemenea, un strat dens deasupra părții de grafit. Alte materiale rezistente la temperaturi ridicate, precum molibdenul sau materialele ceramice care pot coexista cu mediul înconjurător, pot fi utilizate acolo unde nu există riscul de contaminare a topiturii. Cu toate acestea, ceramica oxidică este în general limitată în aplicabilitatea lor la materialele de grafit la temperaturi ridicate și există puține alte opțiuni dacă este necesară izolarea. Una este nitrura de bor hexagonală (uneori numită grafit alb datorită proprietăților similare), dar proprietățile mecanice sunt slabe. Molibdenul este, în general, utilizat în mod rezonabil pentru situații de temperatură ridicată datorită costului său moderat, ratei scăzute de difuzie în cristalele de siliciu și a unui coeficient de segregare foarte scăzut de aproximativ 5×108, ceea ce permite o anumită cantitate de contaminare cu molibden înainte de distrugerea structurii cristaline.
2. Materiale termoizolante
Cel mai des folosit material de izolare este pâsla de carbon sub diferite forme. Pâsla de carbon este realizată din fibre subțiri, care acționează ca izolație deoarece blochează radiația termică de mai multe ori pe o distanță scurtă. Pâsla moale de carbon este țesut în foi relativ subțiri de material, care sunt apoi tăiate în forma dorită și îndoite strâns într-o rază rezonabilă. Pâslele întărite sunt compuse din materiale similare din fibre, iar un liant care conține carbon este folosit pentru a conecta fibrele dispersate într-un obiect mai solid și mai modelat. Utilizarea depunerii chimice de vapori de carbon în locul unui liant poate îmbunătăți proprietățile mecanice ale materialului.
De obicei, suprafața exterioară a pâslei termoizolante de întărire este acoperită cu un strat continuu de grafit sau folie pentru a reduce eroziunea și uzura, precum și contaminarea cu particule. Există și alte tipuri de materiale termoizolante pe bază de carbon, cum ar fi spuma de carbon. În general, materialele grafitizate sunt în mod evident preferate deoarece grafitizarea reduce foarte mult suprafața fibrei. Degazarea acestor materiale cu suprafață mare este mult redusă și este nevoie de mai puțin timp pentru a pompa cuptorul la un vid adecvat. Un altul este materialul compozit C/C, care are caracteristici remarcabile, cum ar fi greutatea redusă, toleranța ridicată la deteriorare și rezistența ridicată. Folosit în câmpuri termice pentru înlocuirea pieselor din grafit reduce semnificativ frecvența înlocuirii pieselor din grafit, îmbunătățește calitatea monocristalină și stabilitatea producției.
Conform clasificării materiilor prime, pâslă de carbon poate fi împărțită în pâslă de carbon pe bază de poliacrilonitril, pâslă de carbon pe bază de viscoză și pâslă de carbon pe bază de smoală.
Pâslă de carbon pe bază de poliacrilonitril are un conținut mare de cenușă. După tratamentul la temperatură înaltă, fibra unică devine casantă. În timpul funcționării, este ușor să generați praf pentru a polua mediul cuptorului. În același timp, fibra poate pătrunde cu ușurință în porii și tractul respirator al corpului uman, ceea ce este dăunător sănătății umane. Pâslă de carbon pe bază de viscoză are performanțe bune de izolare termică. Este relativ moale după tratamentul termic și nu este ușor de generat praf. Cu toate acestea, secțiunea transversală a fibrei brute pe bază de viscoză este neregulată și există multe caneluri pe suprafața fibrei. Este ușor să se genereze gaze precum CO2 sub atmosfera oxidantă a cuptorului cu siliciu CZ, cauzând precipitarea elementelor de oxigen și carbon în materialul de siliciu monocristalin. Principalii producători includ SGL germană și alte companii. În prezent, cel mai utilizat în industria semiconductoarelor monocristaline este pâsla de carbon pe bază de smoală, care are performanțe de izolare termică mai proastă decât pâsla de carbon pe bază de vâscoză, dar pâsla de carbon pe bază de smoală are o puritate mai mare și o emisie de praf mai mică. Printre producătorii se numără japonezii Kureha Chemical și Osaka Gas.
Deoarece forma pâslăi de carbon nu este fixată, operarea este incomod. Acum multe companii au dezvoltat un nou material termoizolant bazat pe pâslă de carbon întărită cu pâslă. Pâslă de carbon întărită, numită și pâslă tare, este o pâslă de carbon cu o anumită formă și proprietăți de auto-susținere după ce pâsla moale este impregnată cu rășină, laminată, întărită și carbonizată.
Calitatea de creștere a siliciului monocristalin este direct afectată de mediul termic, iar materialele termoizolante din fibră de carbon joacă un rol cheie în acest mediu. Pâslă moale de izolație termică din fibră de carbon are încă un avantaj semnificativ în industria semiconductoarelor fotovoltaice datorită avantajului său de cost, efectului excelent de izolare termică, designului flexibil și formei personalizabile. În plus, pâsla termoizolantă dură din fibră de carbon va avea un spațiu de dezvoltare mai mare pe piața materialului de câmp termic datorită rezistenței sale sigure și operabilității mai mari. Ne angajăm cercetării și dezvoltării în domeniul materialelor termoizolante și optimizăm continuu performanța produsului pentru a promova prosperitatea și dezvoltarea industriei semiconductoarelor fotovoltaice.
Ora postării: 12-jun-2024