Proces rasti monokristalnega silicija v celoti poteka v termičnem polju. Dobro toplotno polje prispeva k izboljšanju kakovosti kristalov in ima večjo učinkovitost kristalizacije. Zasnova termičnega polja v veliki meri določa spremembe temperaturnih gradientov v dinamičnem termičnem polju in pretok plina v komori peči. Razlika v uporabljenih materialih v toplotnem polju neposredno določa življenjsko dobo termičnega polja. Zaradi nerazumnega toplotnega polja ni le težko gojiti kristale, ki izpolnjujejo zahteve glede kakovosti, ampak tudi ne morejo rasti popolni monokristalni pod določenimi zahtevami postopka. To je razlog, zakaj industrija monokristalnega silicija z direktnim vlekom meni, da je oblikovanje toplotnega polja najpomembnejša tehnologija in vlaga ogromno delovne sile in materialnih virov v raziskave in razvoj termičnega polja.
Toplotni sistem je sestavljen iz različnih materialov toplotnega polja. Samo na kratko predstavimo materiale, ki se uporabljajo na termičnem področju. Kar zadeva porazdelitev temperature v termičnem polju in njen vpliv na vlečenje kristalov, tega tukaj ne bomo analizirali. Material toplotnega polja se nanaša na strukturo in toplotno izolacijski del v komori vakuumske peči za rast kristalov, ki je bistvenega pomena za ustvarjanje ustrezne porazdelitve temperature okoli polprevodniške taline in kristala.
1. Material strukture toplotnega polja
Osnovni nosilni material za metodo neposrednega vleka za gojenje monokristalnega silicija je grafit visoke čistosti. Grafitni materiali igrajo zelo pomembno vlogo v sodobni industriji. Uporabljajo se lahko kot strukturne komponente toplotnega polja, kot nprgrelci, vodilne cevi, lončki, izolacijske cevi, pladnje za lončke itd. pri pripravi monokristalnega silicija po metodi Czochralskega.
Grafitni materialiso izbrani, ker jih je enostavno pripraviti v velikih količinah, jih je mogoče predelati in so odporni na visoke temperature. Ogljik v obliki diamanta ali grafita ima višje tališče kot kateri koli element ali spojina. Grafitni materiali so precej močni, zlasti pri visokih temperaturah, njihova električna in toplotna prevodnost pa je tudi precej dobra. Zaradi svoje električne prevodnosti je primeren kot agrelecmaterial. Ima zadovoljiv koeficient toplotne prevodnosti, kar omogoča, da se toplota, ki jo ustvari grelec, enakomerno porazdeli na lonček in druge dele toplotnega polja. Vendar pa je pri visokih temperaturah, zlasti na dolgih razdaljah, glavni način prenosa toplote sevanje.
Grafitni deli so prvotno izdelani iz finih ogljikovih delcev, pomešanih z vezivom in oblikovanih z ekstruzijo ali izostatičnim stiskanjem. Kakovostni grafitni deli so običajno izostatično stisnjeni. Celoten kos je najprej karboniziran in nato grafitiziran pri zelo visokih temperaturah, blizu 3000°C. Deli, obdelani iz teh celih kosov, so običajno prečiščeni v atmosferi, ki vsebuje klor, pri visokih temperaturah, da se odstrani kovinska kontaminacija, da se izpolnijo zahteve industrije polprevodnikov. Vendar pa je tudi po ustreznem čiščenju stopnja kontaminacije s kovinami za nekaj velikosti višja od tiste, ki je dovoljena za silicijeve monokristalne materiale. Zato je treba pri načrtovanju termičnega polja paziti, da preprečimo, da bi kontaminacija teh komponent vstopila v talino ali kristalno površino.
Grafitni materiali so rahlo prepustni, kar omogoča, da preostala kovina v notranjosti zlahka doseže površino. Poleg tega lahko silicijev monoksid, ki je prisoten v čistilnem plinu okoli površine grafita, prodre v večino materialov in reagira.
Zgodnji monokristalni grelniki silicijevih peči so bili izdelani iz ognjevzdržnih kovin, kot sta volfram in molibden. Z naraščajočo zrelostjo tehnologije obdelave grafita so električne lastnosti povezave med grafitnimi komponentami postale stabilne in grelniki peči iz monokristalnega silicija so popolnoma nadomestili grelnike iz volframa, molibdena in drugih materialov. Trenutno je najbolj razširjen grafitni material izostatični grafit. Tehnologija priprave izostatičnega grafita v moji državi je razmeroma zaostala in večina grafitnih materialov, ki se uporabljajo v domači fotovoltaični industriji, je uvoženih iz tujine. Tuji proizvajalci izostatičnega grafita so predvsem nemški SGL, japonski Tokai Carbon, japonski Toyo Tanso itd. V pečeh za monokristalni silicij Czochralski se včasih uporabljajo kompozitni materiali C/C, ki so jih začeli uporabljati za izdelavo vijakov, matic, lončkov, obremenitev plošče in druge komponente. Kompoziti ogljik/ogljik (C/C) so kompoziti na osnovi ogljika, ojačani z ogljikovimi vlakni, z vrsto odličnih lastnosti, kot so visoka specifična trdnost, visok specifični modul, nizek koeficient toplotne razteznosti, dobra električna prevodnost, visoka lomna žilavost, nizka specifična teža, odpornost na toplotni udar, odpornost proti koroziji in odpornost na visoke temperature. Trenutno se široko uporabljajo v vesoljstvu, dirkah, biomaterialih in na drugih področjih kot novi strukturni materiali, odporni na visoke temperature. Trenutno so glavna ozka grla, s katerimi se srečujejo domači C/C kompoziti, še vedno stroški in vprašanja industrializacije.
Obstaja veliko drugih materialov, ki se uporabljajo za izdelavo toplotnih polj. Grafit, ojačan z ogljikovimi vlakni, ima boljše mehanske lastnosti; vendar je dražji in ima druge zahteve za oblikovanje.Silicijev karbid (SiC)je v mnogih pogledih boljši material od grafita, vendar je veliko dražji in ga je težko pripraviti dele velikega volumna. Vendar se SiC pogosto uporablja kot aCVD premazza podaljšanje življenjske dobe grafitnih delov, ki so izpostavljeni jedkemu plinu silicijevega monoksida, in lahko tudi zmanjša kontaminacijo z grafitom. Gosta CVD prevleka iz silicijevega karbida učinkovito preprečuje, da bi kontaminanti znotraj mikroporoznega grafitnega materiala dosegli površino.
Drugi je CVD ogljik, ki lahko tvori tudi gosto plast nad grafitnim delom. Drugi materiali, odporni na visoke temperature, kot so molibden ali keramični materiali, ki lahko sobivajo z okoljem, se lahko uporabljajo, kjer ni nevarnosti kontaminacije taline. Vendar pa je uporaba oksidne keramike na grafitnih materialih pri visokih temperaturah na splošno omejena in obstaja nekaj drugih možnosti, če je potrebna izolacija. Eden je heksagonalni borov nitrid (včasih imenovan tudi beli grafit zaradi podobnih lastnosti), vendar so mehanske lastnosti slabe. Molibden se na splošno razumno uporablja pri visokih temperaturah zaradi svoje zmerne cene, nizke stopnje difuzije v kristalih silicija in zelo nizkega segregacijskega koeficienta približno 5 × 108, kar omogoča določeno količino kontaminacije molibdena, preden uniči kristalno strukturo.
2. Toplotnoizolacijski materiali
Najpogosteje uporabljen izolacijski material je karbonska filc v različnih oblikah. Karbonski filc je sestavljen iz tankih vlaken, ki delujejo kot izolacija, saj večkratno blokirajo toplotno sevanje na kratki razdalji. Mehka karbonska klobučevina je tkana v razmeroma tanke liste materiala, ki se nato razrežejo v želeno obliko in tesno upognejo v primeren polmer. Utrjena klobučevina je sestavljena iz podobnih vlaknastih materialov, vezivo, ki vsebuje ogljik, pa se uporablja za povezovanje razpršenih vlaken v trdnejši in bolj oblikovan predmet. Uporaba kemičnega naparjevanja ogljika namesto veziva lahko izboljša mehanske lastnosti materiala.
Običajno je zunanja površina toplotnoizolacijske klobučevine prevlečena z neprekinjenim grafitnim premazom ali folijo, da se zmanjša erozija in obraba ter kontaminacija z delci. Obstajajo tudi druge vrste toplotnoizolacijskih materialov na osnovi ogljika, na primer ogljikova pena. Na splošno so grafitizirani materiali očitno prednostni, ker grafitizacija močno zmanjša površino vlaken. Izločanje plinov iz teh materialov z veliko površino je močno zmanjšano, črpanje peči do ustreznega vakuuma pa traja manj časa. Drugi je kompozitni material C/C, ki ima izjemne lastnosti, kot so majhna teža, visoka odpornost na poškodbe in visoka trdnost. Uporablja se v termičnih poljih za zamenjavo grafitnih delov, znatno zmanjša pogostost zamenjave grafitnih delov, izboljša monokristalno kakovost in stabilnost proizvodnje.
Glede na razvrstitev surovin lahko ogljikovo klobučevino razdelimo na ogljikovo klobučevino na osnovi poliakrilonitrila, ogljikovo klobučevino na osnovi viskoze in ogljikovo klobučevino na osnovi smole.
Karbonska klobučevina na osnovi poliakrilonitrila ima visoko vsebnost pepela. Po obdelavi z visoko temperaturo posamezno vlakno postane krhko. Med delovanjem je enostavno nastajati prah, ki onesnažuje okolje peči. Hkrati lahko vlakna zlahka vstopijo v pore in dihalne poti človeškega telesa, kar je škodljivo za zdravje ljudi. Karbonska klobučevina na osnovi viskoze ima dobro toplotno izolacijo. Po toplotni obdelavi je razmeroma mehak in na njem ni lahko ustvariti prahu. Vendar pa je presek surovega vlakna na osnovi viskoze neenakomeren in na površini vlakna je veliko utorov. V oksidacijski atmosferi silicijeve peči CZ je enostavno ustvariti pline, kot je C02, kar povzroči obarjanje kisikovih in ogljikovih elementov v monokristalnem silicijevem materialu. Glavni proizvajalci so nemški SGL in druga podjetja. Trenutno se v polprevodniški monokristalni industriji najpogosteje uporablja karbonska klobučevina na osnovi smole, ki ima slabšo toplotno izolacijo kot ogljikova klobučevina na osnovi viskoze, vendar ima ogljikova klobučevina na osnovi smole višjo čistost in manjšo emisijo prahu. Med proizvajalci sta japonska Kureha Chemical in Osaka Gas.
Ker oblika karbonske klobučevine ni fiksna, je uporaba neprijetna. Zdaj so številna podjetja razvila nov toplotnoizolacijski material, ki temelji na karbonski klobučevini, strjeni s karbonsko klobučevino. Utrjena ogljikova klobučevina, imenovana tudi trda klobučevina, je ogljikova klobučevina z določeno obliko in lastnostjo samovzdrževanja, potem ko je mehka klobučevina impregnirana s smolo, laminirana, utrjena in karbonizirana.
Na kakovost rasti monokristalnega silicija neposredno vpliva toplotno okolje, toplotnoizolacijski materiali iz ogljikovih vlaken pa imajo v tem okolju ključno vlogo. Toplotno izolacijska mehka klobučevina iz ogljikovih vlaken ima še vedno pomembno prednost v industriji fotonapetostnih polprevodnikov zaradi svoje stroškovne prednosti, odličnega učinka toplotne izolacije, prilagodljive zasnove in prilagodljive oblike. Poleg tega bo imela trda toplotnoizolacijska klobučevina iz ogljikovih vlaken večji razvojni prostor na trgu materialov za toplotno polje zaradi svoje določene trdnosti in večje uporabnosti. Predani smo raziskavam in razvoju na področju toplotnoizolacijskih materialov ter nenehno optimiziramo delovanje izdelkov za spodbujanje blaginje in razvoja industrije fotovoltaičnih polprevodnikov.
Čas objave: jun-12-2024