วัสดุสำคัญที่กำหนดคุณภาพของการเจริญเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ – สนามความร้อน

กระบวนการเจริญเติบโตของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์นั้นดำเนินการอย่างสมบูรณ์ในสนามความร้อน สนามความร้อนที่ดีมีส่วนช่วยปรับปรุงคุณภาพของผลึกและประสิทธิภาพในการตกผลึกที่สูงขึ้น การออกแบบสนามความร้อนส่วนใหญ่จะกำหนดการเปลี่ยนแปลงของการไล่ระดับอุณหภูมิในสนามความร้อนแบบไดนามิกและการไหลของก๊าซในห้องเตาเผา ความแตกต่างของวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนจะกำหนดอายุการใช้งานของสนามความร้อนโดยตรง สนามความร้อนที่ไม่สมเหตุสมผลไม่เพียงแต่จะสร้างคริสตัลที่ตรงตามข้อกำหนดด้านคุณภาพได้ยากเท่านั้น แต่ยังไม่สามารถสร้างผลึกโมโนคริสตัลไลน์ที่สมบูรณ์ภายใต้ข้อกำหนดของกระบวนการบางอย่างได้อีกด้วย นี่คือสาเหตุที่อุตสาหกรรมซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์แบบดึงโดยตรงถือว่าการออกแบบสนามระบายความร้อนเป็นเทคโนโลยีหลักที่สุด และลงทุนกำลังคนและทรัพยากรวัสดุจำนวนมากในการวิจัยและพัฒนาสนามระบายความร้อน

ระบบระบายความร้อนประกอบด้วยวัสดุสนามความร้อนหลายชนิด เราจะแนะนำวัสดุที่ใช้ในสนามความร้อนเพียงสั้นๆ เท่านั้น สำหรับการกระจายอุณหภูมิในสนามความร้อนและผลกระทบต่อการดึงคริสตัล เราจะไม่วิเคราะห์ในที่นี้ วัสดุสนามความร้อนหมายถึงโครงสร้างและชิ้นส่วนฉนวนกันความร้อนในห้องเตาสุญญากาศของการเติบโตของคริสตัล ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างการกระจายอุณหภูมิที่เหมาะสมรอบๆ สารกึ่งตัวนำที่หลอมละลายและคริสตัล

1. วัสดุโครงสร้างสนามความร้อน

วัสดุรองรับพื้นฐานสำหรับวิธีการดึงโดยตรงเพื่อปลูกซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์คือกราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง วัสดุกราไฟท์มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ สามารถใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างสนามความร้อนเช่นเครื่องทำความร้อน, ท่อนำ, ถ้วยใส่ตัวอย่าง, ท่อฉนวน, ถาดใส่ตัวอย่าง ฯลฯ ในการเตรียมซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์โดยวิธี Czochralski

วัสดุกราไฟท์ที่เลือกเพราะเตรียมง่ายในปริมาณมาก สามารถแปรรูปได้ และทนทานต่ออุณหภูมิสูง คาร์บอนในรูปของเพชรหรือกราไฟต์มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าธาตุหรือสารประกอบใดๆ วัสดุกราไฟท์มีความแข็งแรงค่อนข้างมาก โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง และการนำไฟฟ้าและความร้อนก็ค่อนข้างดีเช่นกัน การนำไฟฟ้าทำให้เหมาะสมเป็นเครื่องทำความร้อนวัสดุ. มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่น่าพอใจ ซึ่งช่วยให้ความร้อนที่เกิดจากเครื่องทำความร้อนกระจายไปยังเบ้าหลอมและส่วนอื่นๆ ของสนามความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะในระยะทางไกล โหมดการถ่ายเทความร้อนหลักคือการแผ่รังสี

ชิ้นส่วนกราไฟท์เริ่มแรกทำจากอนุภาคคาร์บอนละเอียดผสมกับสารยึดเกาะและเกิดขึ้นจากการอัดขึ้นรูปหรือการกดแบบไอโซสแตติก ชิ้นส่วนกราไฟท์คุณภาพสูงมักจะถูกกดด้วยวิธีไอโซสแตติก ชิ้นส่วนทั้งหมดจะถูกคาร์บอไนซ์ก่อนแล้วจึงกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงมากประมาณ 3000°C ชิ้นส่วนที่แปรรูปจากทั้งชิ้นเหล่านี้มักจะถูกทำให้บริสุทธิ์ในบรรยากาศที่มีคลอรีนที่อุณหภูมิสูง เพื่อขจัดการปนเปื้อนของโลหะเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตาม แม้หลังจากการทำให้บริสุทธิ์อย่างเหมาะสม ระดับของการปนเปื้อนของโลหะก็ยังสูงกว่าระดับที่อนุญาตสำหรับวัสดุซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์หลายระดับ ดังนั้น การออกแบบสนามความร้อนจึงต้องระมัดระวังเพื่อป้องกันการปนเปื้อนของส่วนประกอบเหล่านี้ไม่ให้เข้าสู่พื้นผิวหลอมเหลวหรือคริสตัล

วัสดุกราไฟท์สามารถซึมผ่านได้เล็กน้อย ซึ่งทำให้โลหะที่เหลืออยู่ภายในเข้าถึงพื้นผิวได้ง่าย นอกจากนี้ ซิลิคอนมอนอกไซด์ที่อยู่ในก๊าซไล่อากาศรอบๆ พื้นผิวกราไฟท์สามารถทะลุเข้าไปในวัสดุส่วนใหญ่และทำปฏิกิริยาได้

เครื่องทำความร้อนจากเตาซิลิคอนชนิดโมโนคริสตัลไลน์ในยุคแรกๆ ทำจากโลหะทนไฟ เช่น ทังสเตนและโมลิบดีนัม ด้วยเทคโนโลยีการประมวลผลกราไฟท์ที่เติบโตเต็มที่ คุณสมบัติทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบกราไฟท์จึงมีความเสถียร และเครื่องทำความร้อนเตาซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ได้เข้ามาแทนที่ทังสเตน โมลิบดีนัม และเครื่องทำความร้อนวัสดุอื่นๆ อย่างสมบูรณ์ ปัจจุบันวัสดุกราไฟท์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือกราไฟท์แบบไอโซสแตติก เทคโนโลยีการเตรียมกราไฟท์แบบไอโซสแตติกในประเทศของฉันค่อนข้างล้าหลัง และวัสดุกราไฟท์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ในประเทศก็นำเข้าจากต่างประเทศ ผู้ผลิตกราไฟท์ไอโซสแตติกจากต่างประเทศส่วนใหญ่ได้แก่ SGL ของเยอรมนี, Tokai Carbon ของญี่ปุ่น, Toyo Tanso ของญี่ปุ่น เป็นต้น ในเตาเผาซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ของ Czochralski บางครั้งมีการใช้วัสดุคอมโพสิต C/C และพวกเขาได้เริ่มใช้ในการผลิตสลักเกลียว น็อต ถ้วยใส่ตัวอย่าง โหลด แผ่นและส่วนประกอบอื่นๆ คอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน (C/C) เป็นคอมโพสิตที่มีคาร์บอนเสริมด้วยเส้นใยคาร์บอน โดยมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมหลายอย่าง เช่น ความแข็งแรงจำเพาะสูง โมดูลัสจำเพาะสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำไฟฟ้าที่ดี ความเหนียวแตกหักสูง ความถ่วงจำเพาะต่ำ ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน ทนต่อการกัดกร่อน และทนต่ออุณหภูมิสูง ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ การแข่งรถ วัสดุชีวภาพ และสาขาอื่น ๆ เป็นวัสดุโครงสร้างใหม่ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ปัจจุบัน ปัญหาคอขวดหลักที่พบในคอมโพสิต C/C ในประเทศยังคงเป็นปัญหาด้านต้นทุนและปัญหาด้านอุตสาหกรรม

มีวัสดุอื่นอีกมากมายที่ใช้สร้างสนามความร้อน กราไฟท์เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีกว่า แต่มีราคาแพงกว่าและมีข้อกำหนดอื่นในการออกแบบซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นวัสดุที่ดีกว่ากราไฟท์ในหลายด้าน แต่มีราคาแพงกว่ามากและยากในการเตรียมชิ้นส่วนปริมาณมาก อย่างไรก็ตาม SiC มักถูกใช้เป็นการเคลือบซีวีดีเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นส่วนกราไฟท์ที่สัมผัสกับก๊าซซิลิคอนมอนอกไซด์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และยังสามารถลดการปนเปื้อนจากกราไฟท์ได้อีกด้วย การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ CVD ที่มีความหนาแน่นสูงช่วยป้องกันสิ่งปนเปื้อนภายในวัสดุกราไฟท์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กไม่ให้เข้าถึงพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อีกประการหนึ่งคือคาร์บอน CVD ซึ่งสามารถสร้างชั้นหนาแน่นเหนือส่วนกราไฟท์ได้เช่นกัน วัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูงอื่นๆ เช่น โมลิบดีนัมหรือวัสดุเซรามิกที่สามารถอยู่ร่วมกับสิ่งแวดล้อมได้ สามารถนำมาใช้ในบริเวณที่ไม่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของวัสดุหลอม อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว เซรามิกออกไซด์จะถูกจำกัดในการใช้งานกับวัสดุกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง และมีตัวเลือกอื่นๆ อีกสองสามทางหากต้องการฉนวน ประเภทหนึ่งคือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (บางครั้งเรียกว่ากราไฟท์สีขาวเนื่องจากมีคุณสมบัติคล้ายกัน) แต่คุณสมบัติทางกลไม่ดี โดยทั่วไปโมลิบดีนัมจะใช้อย่างสมเหตุสมผลในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงเนื่องจากมีต้นทุนปานกลาง อัตราการแพร่กระจายในผลึกซิลิคอนต่ำ และค่าสัมประสิทธิ์การแยกต่ำมากประมาณ 5×108 ซึ่งทำให้มีการปนเปื้อนของโมลิบดีนัมในปริมาณหนึ่งก่อนที่จะทำลายโครงสร้างผลึก

2. วัสดุฉนวนความร้อน

วัสดุฉนวนที่ใช้กันมากที่สุดคือคาร์บอนสักหลาดในรูปแบบต่างๆ สักหลาดคาร์บอนทำจากเส้นใยบางๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนเนื่องจากปิดกั้นการแผ่รังสีความร้อนหลายครั้งในระยะทางสั้นๆ สักหลาดคาร์บอนอ่อนถูกถักทอเป็นแผ่นวัสดุที่ค่อนข้างบาง จากนั้นจึงตัดให้เป็นรูปทรงที่ต้องการและโค้งงออย่างแน่นหนาให้มีรัศมีที่เหมาะสม ผ้าสักหลาดที่บ่มแล้วนั้นประกอบด้วยวัสดุเส้นใยที่คล้ายกัน และใช้สารยึดเกาะที่ประกอบด้วยคาร์บอนเพื่อเชื่อมต่อเส้นใยที่กระจัดกระจายให้เป็นวัตถุที่แข็งและมีรูปร่างมากขึ้น การใช้คาร์บอนสะสมไอสารเคมีแทนสารยึดเกาะสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุได้

โดยทั่วไป พื้นผิวด้านนอกของสักหลาดในการบ่มฉนวนกันความร้อนจะถูกเคลือบด้วยกราไฟท์หรือฟอยล์อย่างต่อเนื่องเพื่อลดการสึกกร่อนและการสึกหรอ รวมถึงการปนเปื้อนของอนุภาค วัสดุฉนวนความร้อนที่ใช้คาร์บอนประเภทอื่นๆ ก็มีอยู่เช่นกัน เช่น โฟมคาร์บอน โดยทั่วไปแล้ว วัสดุกราไฟต์เป็นที่ต้องการอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากกราไฟท์ไลเซชันจะช่วยลดพื้นที่ผิวของเส้นใยได้อย่างมาก การปล่อยก๊าซของวัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูงเหล่านี้ลดลงอย่างมาก และใช้เวลาน้อยลงในการปั๊มเตาเผาให้เป็นสุญญากาศที่เหมาะสม อีกประการหนึ่งคือวัสดุคอมโพสิต C/C ซึ่งมีลักษณะโดดเด่น เช่น น้ำหนักเบา ทนทานต่อความเสียหายสูง และมีความแข็งแรงสูง ใช้ในด้านความร้อนเพื่อเปลี่ยนชิ้นส่วนกราไฟท์จะช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนชิ้นส่วนกราไฟท์ลงอย่างมาก ปรับปรุงคุณภาพโมโนคริสตัลไลน์และเสถียรภาพในการผลิต

ตามการจำแนกประเภทของวัตถุดิบ ผ้าสักหลาดคาร์บอนสามารถแบ่งออกเป็นสักหลาดคาร์บอนที่ใช้โพลีอะคริโลไนไตรล์ สักหลาดคาร์บอนที่ใช้วิสโคส และสักหลาดคาร์บอนที่ใช้พิทช์
สักหลาดคาร์บอนที่ทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์มีปริมาณเถ้าจำนวนมาก หลังจากผ่านการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง เส้นใยเดี่ยวจะเปราะ ในระหว่างการทำงาน จะทำให้เกิดฝุ่นเพื่อสร้างมลภาวะต่อสภาพแวดล้อมเตาเผาได้ง่าย ในเวลาเดียวกัน เส้นใยสามารถเข้าสู่รูขุมขนและทางเดินหายใจของร่างกายมนุษย์ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ สักหลาดคาร์บอนจากวิสโคสมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนที่ดี มันค่อนข้างอ่อนหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนและไม่ทำให้เกิดฝุ่นง่าย อย่างไรก็ตาม หน้าตัดของเส้นใยดิบที่มีลาย้เหนียวนั้นไม่สม่ำเสมอ และมีร่องมากมายบนพื้นผิวของเส้นใย ง่ายต่อการสร้างก๊าซ เช่น C02 ภายใต้บรรยากาศออกซิไดซ์ของเตาซิลิกอน CZ ทำให้เกิดการตกตะกอนของออกซิเจนและองค์ประกอบคาร์บอนในวัสดุซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ German SGL และบริษัทอื่นๆ ปัจจุบัน ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์โมโนคริสตัลไลน์คือสักหลาดคาร์บอนแบบพิทช์ ซึ่งมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนแย่กว่าสักหลาดคาร์บอนแบบวิสโคส แต่สักหลาดคาร์บอนแบบพิทช์มีความบริสุทธิ์สูงกว่าและปล่อยฝุ่นน้อยกว่า ผู้ผลิต ได้แก่ Kureha Chemical ของญี่ปุ่นและ Osaka Gas
เนื่องจากรูปร่างของสักหลาดคาร์บอนไม่คงที่ จึงใช้งานไม่สะดวก ปัจจุบัน หลายบริษัทได้พัฒนาวัสดุฉนวนความร้อนใหม่โดยใช้สักหลาดคาร์บอนที่ผ่านการบ่มด้วยคาร์บอน สักหลาดคาร์บอนบ่มหรือเรียกอีกอย่างว่าสักหลาดแข็ง คือสักหลาดคาร์บอนที่มีรูปร่างที่แน่นอนและมีคุณสมบัติคงตัวได้เอง หลังจากที่สักหลาดนุ่มชุบด้วยเรซิน เคลือบ บ่ม และคาร์บอไนซ์

คุณภาพการเติบโตของซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ได้รับผลกระทบโดยตรงจากสภาพแวดล้อมทางความร้อน และวัสดุฉนวนความร้อนคาร์บอนไฟเบอร์มีบทบาทสำคัญในสภาพแวดล้อมนี้ ผ้าสักหลาดฉนวนกันความร้อนคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ เนื่องจากความได้เปรียบด้านต้นทุน เอฟเฟกต์ฉนวนกันความร้อนที่ยอดเยี่ยม การออกแบบที่ยืดหยุ่น และรูปร่างที่ปรับแต่งได้ นอกจากนี้ ฉนวนกันความร้อนชนิดแข็งของคาร์บอนไฟเบอร์จะมีพื้นที่การพัฒนามากขึ้นในตลาดวัสดุสนามความร้อน เนื่องจากมีความแข็งแกร่งและความสามารถในการใช้งานที่สูงขึ้น เรามุ่งมั่นที่จะวิจัยและพัฒนาในด้านวัสดุฉนวนความร้อน และเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่องเพื่อส่งเสริมความเจริญรุ่งเรืองและการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์