Proces rastu monokryštalického kremíka sa úplne uskutočňuje v tepelnom poli. Dobré tepelné pole prispieva k zlepšeniu kvality kryštálov a má vyššiu účinnosť kryštalizácie. Návrh tepelného poľa do značnej miery určuje zmeny teplotných gradientov v dynamickom tepelnom poli a prúdenie plynu v komore pece. Rozdiel v materiáloch použitých v tepelnom poli priamo určuje životnosť tepelného poľa. Neprimerané tepelné pole je nielen náročné na pestovanie kryštálov, ktoré spĺňajú požiadavky na kvalitu, ale pri určitých procesných požiadavkách tiež nemôžu rásť úplne monokryštalické. To je dôvod, prečo priemysel monokryštalického kremíka s priamym ťahaním považuje dizajn tepelných polí za najdôležitejšiu technológiu a investuje obrovské množstvo pracovnej sily a materiálových zdrojov do výskumu a vývoja tepelných polí.
Tepelný systém sa skladá z rôznych materiálov tepelného poľa. Len stručne predstavíme materiály používané v tepelnej oblasti. Čo sa týka rozloženia teploty v tepelnom poli a jej vplyvu na ťahanie kryštálov, nebudeme to tu analyzovať. Materiál tepelného poľa označuje štruktúru a tepelnoizolačnú časť v komore vákuovej pece rastu kryštálov, ktorá je nevyhnutná na vytvorenie vhodného rozloženia teploty okolo polovodičovej taveniny a kryštálu.
1. Materiál štruktúry tepelného poľa
Základným nosným materiálom pre metódu priameho ťahu na pestovanie monokryštalického kremíka je vysoko čistý grafit. Grafitové materiály zohrávajú v modernom priemysle veľmi dôležitú úlohu. Môžu byť použité ako konštrukčné prvky tepelného poľa ako naprohrievače, vodiace rúrky, tégliky, izolačné rúrky, misky téglikov atď. pri príprave monokryštalického kremíka Czochralského metódou.
Grafitové materiálysú vybrané, pretože sa ľahko pripravujú vo veľkých objemoch, dajú sa spracovať a sú odolné voči vysokým teplotám. Uhlík vo forme diamantu alebo grafitu má vyššiu teplotu topenia ako ktorýkoľvek prvok alebo zlúčenina. Grafitové materiály sú pomerne pevné, najmä pri vysokých teplotách, a ich elektrická a tepelná vodivosť je tiež celkom dobrá. Vďaka svojej elektrickej vodivosti je vhodný ako aohrievačmateriál. Má vyhovujúci koeficient tepelnej vodivosti, ktorý umožňuje rovnomerné rozloženie tepla generovaného ohrievačom do téglika a iných častí tepelného poľa. Avšak pri vysokých teplotách, najmä na veľké vzdialenosti, je hlavným režimom prenosu tepla sálanie.
Grafitové diely sú spočiatku vyrobené z jemných uhlíkatých častíc zmiešaných so spojivom a vytvorených extrúziou alebo izostatickým lisovaním. Vysokokvalitné grafitové diely sú zvyčajne lisované izostaticky. Celý kus je najskôr karbonizovaný a potom grafitizovaný pri veľmi vysokých teplotách, takmer 3000 °C. Časti spracované z týchto celých kusov sa zvyčajne čistia v atmosfére obsahujúcej chlór pri vysokých teplotách, aby sa odstránili kovové nečistoty, aby sa splnili požiadavky polovodičového priemyslu. Avšak aj po správnom vyčistení je úroveň kontaminácie kovov o niekoľko rádov vyššia, ako je povolené pre kremíkové monokryštalické materiály. Preto je potrebné venovať pozornosť návrhu tepelného poľa, aby sa zabránilo vniknutiu kontaminácie týchto komponentov na povrch taveniny alebo kryštálu.
Grafitové materiály sú mierne priepustné, vďaka čomu sa zvyšný kov vo vnútri ľahko dostane na povrch. Okrem toho oxid kremičitý prítomný v preplachovacom plyne okolo grafitového povrchu môže prenikať do väčšiny materiálov a reagovať.
Skoré monokryštalické kremíkové ohrievače pece boli vyrobené zo žiaruvzdorných kovov, ako je volfrám a molybdén. So zvyšujúcou sa vyspelosťou technológie spracovania grafitu sa elektrické vlastnosti spojenia medzi grafitovými komponentmi stali stabilnými a ohrievače pecí s monokryštalickým kremíkom úplne nahradili ohrievače volfrámu, molybdénu a iných materiálov. V súčasnosti je najpoužívanejším grafitovým materiálom izostatický grafit. Technológia prípravy izostatického grafitu v mojej krajine je pomerne zaostalá a väčšina grafitových materiálov používaných v domácom fotovoltaickom priemysle sa dováža zo zahraničia. Zahraničnými výrobcami izostatického grafitu sú najmä nemecký SGL, japonský Tokai Carbon, japonský Toyo Tanso atď. dosky a iné komponenty. Kompozity uhlík/uhlík (C/C) sú kompozity na báze uhlíka vystužené uhlíkovými vláknami s radom vynikajúcich vlastností, ako je vysoká špecifická pevnosť, vysoký špecifický modul, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, dobrá elektrická vodivosť, vysoká lomová húževnatosť, nízka špecifická hmotnosť, odolnosť proti tepelným šokom, odolnosť proti korózii a odolnosť voči vysokým teplotám. V súčasnosti sú široko používané v letectve, pretekoch, biomateriáloch a iných oblastiach ako nové konštrukčné materiály odolné voči vysokým teplotám. V súčasnosti sú hlavnými prekážkami, s ktorými sa stretávajú domáce C/C kompozity, stále náklady a problémy industrializácie.
Existuje mnoho ďalších materiálov používaných na vytváranie tepelných polí. Grafit vystužený uhlíkovými vláknami má lepšie mechanické vlastnosti; ale je drahší a má iné požiadavky na dizajn.Karbid kremíka (SiC)je v mnohých aspektoch lepším materiálom ako grafit, ale je oveľa drahší a náročný na prípravu veľkoobjemových dielov. SiC sa však často používa ako aCVD povlakna zvýšenie životnosti grafitových častí vystavených korozívnemu oxidu kremičitému a môže tiež znížiť kontamináciu grafitom. Hustý povlak z karbidu kremíka CVD účinne zabraňuje kontaminantom vo vnútri mikroporézneho grafitového materiálu dostať sa na povrch.
Ďalším je CVD uhlík, ktorý môže tiež vytvoriť hustú vrstvu nad grafitovou časťou. Iné materiály odolné voči vysokým teplotám, ako je molybdén alebo keramické materiály, ktoré môžu koexistovať s prostredím, sa môžu použiť tam, kde neexistuje riziko kontaminácie taveniny. Oxidová keramika je však vo všeobecnosti obmedzená vo svojej použiteľnosti na grafitové materiály pri vysokých teplotách a existuje niekoľko ďalších možností, ak je potrebná izolácia. Jedným z nich je hexagonálny nitrid bóru (niekedy nazývaný biely grafit kvôli podobným vlastnostiam), ale mechanické vlastnosti sú zlé. Molybdén sa vo všeobecnosti používa primerane pre situácie s vysokou teplotou kvôli jeho miernym nákladom, nízkej rýchlosti difúzie v kremíkových kryštáloch a veľmi nízkemu segregačnému koeficientu približne 5 x 108, čo umožňuje určité množstvo kontaminácie molybdénom pred zničením kryštálovej štruktúry.
2. Tepelnoizolačné materiály
Najčastejšie používaným izolačným materiálom je uhlíková plsť v rôznych formách. Uhlíková plsť je vyrobená z tenkých vlákien, ktoré pôsobia ako izolácia, pretože na krátku vzdialenosť niekoľkonásobne blokujú tepelné žiarenie. Mäkká uhlíková plsť je tkaná do relatívne tenkých plátkov materiálu, ktoré sú následne narezané do požadovaného tvaru a pevne ohnuté do primeraného polomeru. Vytvrdené plsti sa skladajú z podobných vláknitých materiálov a spojivo obsahujúce uhlík sa používa na spojenie rozptýlených vlákien do pevnejšieho a tvarovaného predmetu. Použitie chemického naparovania uhlíka namiesto spojiva môže zlepšiť mechanické vlastnosti materiálu.
Vonkajší povrch tepelne izolačnej vytvrdzovacej plsti je zvyčajne potiahnutý súvislým grafitovým povlakom alebo fóliou na zníženie erózie a opotrebovania, ako aj kontaminácie časticami. Existujú aj iné typy tepelne izolačných materiálov na báze uhlíka, ako je uhlíková pena. Vo všeobecnosti sú grafitizované materiály samozrejme preferované, pretože grafitizácia výrazne znižuje povrchovú plochu vlákna. Odplyňovanie týchto materiálov s veľkým povrchom je značne znížené a čerpanie pece na vhodné vákuum trvá menej času. Ďalším je C/C kompozitný materiál, ktorý má vynikajúce vlastnosti, ako je nízka hmotnosť, vysoká odolnosť proti poškodeniu a vysoká pevnosť. Používa sa v tepelných poliach na výmenu grafitových dielov výrazne znižuje frekvenciu výmeny grafitových dielov, zlepšuje monokryštalickú kvalitu a stabilitu výroby.
Podľa klasifikácie surovín možno uhlíkovú plsť rozdeliť na uhlíkovú plsť na báze polyakrylonitrilu, uhlíkovú plsť na báze viskózy a uhlíkovú plsť na báze smoly.
Uhlíková plsť na báze polyakrylonitrilu má veľký obsah popola. Po vysokoteplotnej úprave sa jednotlivé vlákno stáva krehkým. Počas prevádzky je ľahké vytvárať prach, ktorý znečisťuje prostredie pece. Vláknina sa zároveň môže ľahko dostať do pórov a dýchacích ciest ľudského tela, čo je škodlivé pre ľudské zdravie. Karbónová plsť na báze viskózy má dobré tepelnoizolačné vlastnosti. Po tepelnom spracovaní je pomerne mäkký a nie je ľahké vytvárať prach. Prierez surového vlákna na báze viskózy je však nepravidelný a na povrchu vlákna je veľa drážok. V oxidačnej atmosfére kremíkovej pece CZ je ľahké vytvárať plyny, ako je C02, čo spôsobuje zrážanie kyslíkových a uhlíkových prvkov v monokryštalickom kremíkovom materiáli. Medzi hlavných výrobcov patrí nemecká SGL a ďalšie spoločnosti. V súčasnosti sa v polovodičovom monokryštalickom priemysle najviac používa uhlíková plsť na báze smoly, ktorá má horšie tepelnoizolačné vlastnosti ako uhlíková plsť na báze viskózy, ale uhlíková plsť na báze smoly má vyššiu čistotu a nižšie emisie prachu. Medzi výrobcov patria japonské Kureha Chemical a Osaka Gas.
Pretože tvar uhlíkovej plsti nie je fixný, je nepohodlná obsluha. Teraz mnoho spoločností vyvinulo nový tepelnoizolačný materiál na báze uhlíkovej plsti vytvrdenej uhlíkovou plsťou. Vytvrdená uhlíková plsť, nazývaná aj tvrdá plsť, je uhlíková plsť s určitým tvarom a samoudržiavacou vlastnosťou potom, čo je mäkká plsť impregnovaná živicou, laminovaná, vytvrdená a karbonizovaná.
Kvalita rastu monokryštalického kremíka je priamo ovplyvnená tepelným prostredím a v tomto prostredí zohrávajú kľúčovú úlohu tepelnoizolačné materiály z uhlíkových vlákien. Tepelnoizolačná mäkká plsť z uhlíkových vlákien má stále významnú výhodu vo fotovoltaickom polovodičovom priemysle vďaka svojej cenovej výhode, vynikajúcemu tepelnoizolačnému účinku, flexibilnému dizajnu a prispôsobiteľnému tvaru. Okrem toho, tvrdá tepelnoizolačná plsť z uhlíkových vlákien bude mať väčší priestor na vývoj na trhu materiálov pre tepelné pole vďaka svojej určitej pevnosti a vyššej prevádzkyschopnosti. Zaviazali sme sa k výskumu a vývoju v oblasti tepelnoizolačných materiálov a neustále optimalizujeme výkonnosť produktov, aby sme podporili prosperitu a rozvoj priemyslu fotovoltaických polovodičov.
Čas odoslania: 12. júna 2024