El procés de creixement del silici monocristall es porta a terme completament en el camp tèrmic. Un bon camp tèrmic és propici per millorar la qualitat del cristall i té una alta eficiència de cristal·lització. El disseny del camp tèrmic determina en gran mesura els canvis i canvis en els gradients de temperatura en el camp tèrmic dinàmic. El flux de gas a la cambra del forn i la diferència de materials utilitzats en el camp tèrmic determinen directament la vida útil del camp tèrmic. Un camp tèrmic dissenyat sense raó no només dificulta el creixement de cristalls que compleixin els requisits de qualitat, sinó que tampoc no poden créixer cristalls únics complets sota determinats requisits de procés. És per això que la indústria del silici monocristal·lí de Czochralski considera el disseny del camp tèrmic com la tecnologia bàsica i inverteix una gran quantitat de recursos humans i materials en la investigació i el desenvolupament del camp tèrmic.
El sistema tèrmic està format per diversos materials de camp tèrmic. Només presentarem breument els materials utilitzats en l'àmbit tèrmic. Pel que fa a la distribució de la temperatura en el camp tèrmic i el seu impacte en l'extracció del cristall, no l'analitzarem aquí. El material del camp tèrmic es refereix al forn de buit de creixement del cristall. Parts estructurals i aïllades tèrmicament de la cambra, que són essencials per crear el drap de temperatura adequada al voltant de la fusió i els cristalls de semiconductors.
un. materials estructurals de camp tèrmic
El material de suport bàsic per al cultiu de silici monocristall mitjançant el mètode Czochralski és el grafit d'alta puresa. Els materials de grafit tenen un paper molt important en la indústria moderna. En la preparació de silici monocristal·lí mitjançant el mètode Czochralski, es poden utilitzar com a components estructurals de camp tèrmic com ara escalfadors, tubs de guia, gresols, tubs d'aïllament i safates de gresol.
El material de grafit es va escollir per la seva facilitat de preparació en grans volums, processabilitat i propietats de resistència a altes temperatures. El carboni en forma de diamant o grafit té un punt de fusió més alt que qualsevol element o compost. El material de grafit és força fort, especialment a altes temperatures, i la seva conductivitat elèctrica i tèrmica també és força bona. La seva conductivitat elèctrica el fa adequat com a material d'escalfament i té una conductivitat tèrmica satisfactòria que pot distribuir uniformement la calor generada per l'escalfador al gresol i altres parts del camp tèrmic. Tanmateix, a altes temperatures, especialment a llargues distàncies, el principal mode de transferència de calor és la radiació.
Les peces de grafit es formen inicialment per extrusió o pressió isostàtica de fines partícules de carboni barrejades amb un aglutinant. Les peces de grafit d'alta qualitat solen ser premsades isostàticament. Primer es carboniza tota la peça i després es grafititza a temperatures molt elevades, properes als 3000°C. Les peces mecanitzades a partir d'aquests monòlits sovint es purifiquen en una atmosfera que conté clor a altes temperatures per eliminar la contaminació metàl·lica per complir amb els requisits de la indústria dels semiconductors. No obstant això, fins i tot amb una purificació adequada, els nivells de contaminació metàl·lica són ordres de magnitud superiors al que permeten els materials de silici monocristal. Per tant, s'ha de tenir cura en el disseny del camp tèrmic per evitar que la contaminació d'aquests components entri a la superfície de fusió o cristall.
El material de grafit és lleugerament permeable, la qual cosa permet que el metall restant a l'interior arribi fàcilment a la superfície. A més, el monòxid de silici present al gas de purga al voltant de la superfície del grafit pot penetrar profundament a la majoria de materials i reaccionar.
Els primers escalfadors de forn de silici d'un sol cristall estaven fets de metalls refractaris com el tungstè i el molibdè. A mesura que madura la tecnologia de processament de grafit, les propietats elèctriques de les connexions entre els components de grafit es tornen estables i els escalfadors de forn de silici monocristall han substituït completament els escalfadors de tungstè i molibdè i altres materials. El material de grafit més utilitzat actualment és el grafit isostàtic. semicera pot proporcionar materials de grafit premsats isostàticament d'alta qualitat.
Als forns de silici monocristal de Czochralski, de vegades s'utilitzen materials compostos C/C, i ara s'utilitzen per fabricar cargols, femelles, gresols, plaques de càrrega i altres components. Els materials compostos carboni/carboni (c/c) són materials compostos basats en carboni reforçats amb fibra de carboni. Tenen una alta resistència específica, alt mòdul específic, baix coeficient d'expansió tèrmica, bona conductivitat elèctrica, gran tenacitat a la fractura, baixa gravetat específica, resistència al xoc tèrmic, resistència a la corrosió, té una sèrie d'excel·lents propietats com la resistència a alta temperatura i actualment és àmpliament àmplia. utilitzat en aeroespacial, carreres, biomaterials i altres camps com a nou tipus de material estructural resistent a altes temperatures. Actualment, el principal coll d'ampolla amb què es troben els materials compostos C/C nacionals són els problemes de costos i industrialització.
Hi ha molts altres materials utilitzats per crear camps tèrmics. El grafit reforçat amb fibra de carboni té millors propietats mecàniques; tanmateix, és més car i imposa altres requisits de disseny. El carbur de silici (SiC) és un material millor que el grafit en molts aspectes, però és molt més car i difícil de fabricar peces de gran volum. Tanmateix, el SiC s'utilitza sovint com a recobriment CVD per augmentar la vida útil de les peces de grafit exposades a gas monòxid de silici agressiu i també per reduir la contaminació del grafit. El dens recobriment de carbur de silici CVD evita eficaçment que els contaminants dins del material de grafit microporós arribin a la superfície.
L'altre és el carboni CVD, que també pot formar una capa densa a la part superior de les peces de grafit. Altres materials resistents a altes temperatures, com el molibdè o els materials ceràmics compatibles amb el medi ambient, es poden utilitzar quan no hi hagi risc de contaminació de la fosa. Tanmateix, les ceràmiques d'òxid tenen una aptitud limitada per al contacte directe amb materials de grafit a altes temperatures, sovint deixant poques alternatives si es requereix un aïllament. Un és el nitrur de bor hexagonal (de vegades anomenat grafit blanc a causa de propietats similars), però té propietats mecàniques pobres. El molibdè és generalment raonable per a aplicacions d'alta temperatura a causa del seu cost moderat, baixa difusivitat en cristalls de silici i baix coeficient de segregació, al voltant de 5 × 108, que permet una mica de contaminació per molibdè abans de destruir l'estructura cristal·lina.
dos. Materials d'aïllament del camp tèrmic
El material aïllant més utilitzat és el feltre de carboni en diverses formes. El feltre de carboni està fet de fibres primes que actuen com a aïllament tèrmic perquè bloquegen la radiació tèrmica moltes vegades a una distància curta. El feltre de carboni suau es teixeix en làmines de material relativament primes, que després es tallen a la forma desitjada i es dobleguen fermament fins a un radi raonable. El feltre curat es compon de materials de fibra similars, utilitzant un aglutinant que conté carboni per connectar les fibres disperses en un objecte més sòlid i elegant. L'ús de la deposició química de vapor de carboni en lloc d'aglutinants pot millorar les propietats mecàniques del material.
Normalment, la superfície exterior del feltre curat aïllant està recoberta amb un recobriment o làmina de grafit continu per reduir l'erosió i el desgast, així com la contaminació per partícules. També existeixen altres tipus de materials d'aïllament a base de carboni, com l'escuma de carboni. En general, els materials grafitats són clarament preferits perquè la grafitització redueix molt la superfície de la fibra. Aquests materials de gran superfície permeten molt menys desgasificació i triguen menys temps a treure el forn a un buit adequat. L'altre tipus és el material compost C/C, que té característiques destacades com ara pes lleuger, alta tolerància a danys i alta resistència. S'utilitza en camps tèrmics per substituir peces de grafit, cosa que redueix significativament la freqüència de substitució de peces de grafit i millora la qualitat del cristall únic i l'estabilitat de la producció.
Segons la classificació de les matèries primeres, el feltre de carboni es pot dividir en feltre de carboni a base de poliacrilonitril, feltre de carboni a base de viscosa i feltre de carboni a base d'asfalt.
El feltre de carboni basat en poliacrilonitril té un gran contingut de cendres i els monofilaments es tornen trencadissos després del tractament a alta temperatura. Durant el funcionament, la pols es produeix fàcilment per contaminar l'entorn del forn. Al mateix temps, les fibres entren fàcilment als porus humans i a les vies respiratòries, causant danys a la salut humana; Feltre de carboni a base de viscosa Té bones propietats d'aïllament tèrmic, és relativament suau després del tractament tèrmic i és menys probable que produeixi pols. Tanmateix, la secció transversal dels fils a base de viscosa té una forma irregular i hi ha molts barrancs a la superfície de la fibra, que és fàcil de formar en presència d'una atmosfera oxidant en un forn de silici monocristal de Czochralski. Gasos com el CO2 provoquen la precipitació d'elements d'oxigen i carboni en materials de silici monocristalin. Els principals fabricants inclouen German SGL i altres empreses. En l'actualitat, el feltre de carboni basat en el to és el més utilitzat a la indústria del monocristall de semiconductors, i el seu rendiment d'aïllament tèrmic és millor que el del feltre de carboni enganxós. El feltre de carboni a base de goma és inferior, però el feltre de carboni a base d'asfalt té una puresa més alta i una menor emissió de pols. Els fabricants inclouen Kureha Chemical del Japó, Osaka Gas, etc.
Com que la forma del feltre de carboni no està fixada, és inconvenient operar. Ara moltes empreses han desenvolupat un nou material d'aïllament tèrmic basat en feltre de carboni: feltre de carboni curat. El feltre de carboni curat també s'anomena feltre dur. És un feltre de carboni que té una certa forma i autosostenibilitat després d'haver estat impregnat de resina, laminat, solidificat i carbonitzat.
La qualitat de creixement del silici monocristall es veu afectada directament per l'entorn del camp tèrmic, i els materials d'aïllament de fibra de carboni tenen un paper clau en aquest entorn. El feltre suau d'aïllament tèrmic de fibra de carboni encara ocupa un avantatge significatiu en la indústria dels semiconductors fotovoltaics a causa dels seus avantatges de costos, excel·lent efecte d'aïllament tèrmic, disseny flexible i forma personalitzable. A més, el feltre d'aïllament rígid de fibra de carboni tindrà més marge de desenvolupament al mercat de materials de camp tèrmic a causa de la seva certa resistència i major operativitat. Estem compromesos amb la investigació i el desenvolupament en el camp dels materials d'aïllament tèrmic i optimitzem contínuament el rendiment del producte per promoure la prosperitat i el desenvolupament de la indústria de semiconductors fotovoltaics.
Hora de publicació: 15-maig-2024