Procesul de creștere a siliciului monocristal se desfășoară complet în câmpul termic. Un câmp termic bun este favorabil îmbunătățirii calității cristalului și are o eficiență ridicată de cristalizare. Proiectarea câmpului termic determină în mare măsură modificările și modificările gradienților de temperatură în câmpul termic dinamic. Fluxul de gaz în camera cuptorului și diferența dintre materialele utilizate în câmpul termic determină în mod direct durata de viață a câmpului termic. Un câmp termic proiectat nerezonabil nu numai că face dificilă creșterea cristalelor care îndeplinesc cerințele de calitate, dar și nu pot crește cristale complete complete în anumite cerințe de proces. Acesta este motivul pentru care industria siliciului monocristalin Czochralski consideră proiectarea câmpului termic ca tehnologia de bază 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. Vom prezenta 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 cuptorul cu vid pentru creșterea cristalelor. Porțiuni structurale și izolate termic ale camerei, care sunt esențiale pentru a crea o pânză de temperatură adecvată în jurul topiturii semiconductoare și a cristalelor.
unul. materiale structurale de câmp termic
Materialul suport de bază pentru cultivarea siliciului monocristal prin metoda Czochralski este grafitul de înaltă puritate. Materialele de grafit joacă un rol foarte important în industria modernă. La prepararea siliciului monocristal prin metoda Czochralski, acestea pot fi utilizate ca componente structurale de câmp termic, cum ar fi încălzitoare, tuburi de ghidare, creuzete, tuburi izolatoare și tăvi pentru creuzete.
Materialul grafit a fost ales datorită ușurinței sale de pregătire în volume mari, procesabilității și proprietăților de rezistență la temperaturi ridicate. Carbonul sub formă de diamant sau grafit are un punct de topire mai mare decât orice element sau compus. Materialul de grafit este destul de puternic, mai ales la temperaturi ridicate, iar conductivitatea sa electrică și termică este, de asemenea, destul de bună. Conductivitatea sa electrică îl face potrivit ca material de încălzire și are o conductivitate termică satisfăcătoare, care poate distribui uniform căldura generată de încălzitor către creuzet și 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 formate prin extrudare sau presare izostatică a particulelor fine de carbon amestecate cu un liant. 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. Piesele prelucrate din acești monoliți sunt adesea purificate într-o atmosferă care conține clor, la temperaturi ridicate, pentru a îndepărta contaminarea cu metal pentru a respecta cerințele industriei semiconductoare. Cu toate acestea, chiar și cu o purificare adecvată, nivelurile de contaminare cu metale sunt cu ordine de mărime mai mari decât cele permise de materialele monocristal de siliciu. Prin urmare, trebuie avută grijă în proiectarea câmpului termic pentru a preveni pătrunderea contaminării acestor componente în suprafața topiturii sau a cristalului.
Materialul de grafit este ușor permeabil, ceea ce permite metalului rămas în interior să ajungă cu ușurință la suprafață. În plus, monoxidul de siliciu prezent în gazul de purjare din jurul suprafeței grafitului poate pătrunde adânc în majoritatea materialelor și poate reacționa.
Primele încălzitoare cu siliciu cu un singur cristal au fost fabricate din metale refractare, cum ar fi wolfram și molibden. Pe măsură ce tehnologia de prelucrare a grafitului se maturizează, proprietățile electrice ale conexiunilor dintre componentele din grafit devin stabile, iar încălzitoarele de cuptor cu siliciu monocristal au înlocuit complet încălzitoarele de wolfram și molibden și alte materiale. Cel mai utilizat material grafit în prezent este grafitul izostatic. semicera poate oferi materiale de grafit presat izostatic de înaltă calitate.
În cuptoarele cu siliciu monocristal Czochralski, materialele compozite C/C sunt uneori folosite, iar acum sunt utilizate pentru fabricarea șuruburilor, piulițelor, creuzetelor, plăcilor portante și a altor componente. Materialele compozite carbon/carbon (c/c) sunt materiale compozite pe bază de carbon armate cu fibră de carbon. Au rezistență specifică ridicată, modul specific ridicat, coeficient scăzut de dilatare termică, conductivitate electrică bună, duritate mare la rupere, greutate specifică scăzută, rezistență la șocuri termice, rezistență la coroziune, are o serie de proprietăți excelente, cum ar fi rezistența la temperaturi ridicate și este în prezent pe scară largă. utilizat în industria aerospațială, curse, biomateriale și alte domenii ca un nou tip de material structural rezistent la temperaturi ridicate. În prezent, principalul blocaj întâlnit de materialele compozite C/C autohtone sunt problemele legate de cost și industrializare.
Există multe alte materiale folosite pentru a crea câmpuri termice. Grafitul armat cu fibră de carbon are proprietăți mecanice mai bune; cu toate acestea, este mai scump și impune alte cerințe de proiectare. Carbura de siliciu (SiC) este un material mai bun decât grafitul în multe privințe, dar este mult mai costisitor și dificil de fabricat piese de volum mare. Cu toate acestea, SiC este adesea folosit ca acoperire CVD pentru a crește durata de viață a pieselor din grafit expuse gazului agresiv de monoxid de siliciu și, de asemenea, pentru a reduce contaminarea cu grafit. Învelișul dens de carbură de siliciu CVD previne eficient contaminanții din interiorul materialului de grafit microporos să ajungă la suprafață.
Celălalt este carbonul CVD, care poate forma și un strat dens deasupra pieselor din grafit. Alte materiale rezistente la temperaturi înalte, cum ar fi molibdenul sau materialele ceramice care sunt compatibile cu mediul înconjurător, pot fi utilizate acolo unde nu există riscul de contaminare a topiturii. Cu toate acestea, ceramica oxidică are o adaptabilitate limitată pentru contactul direct cu materialele de grafit la temperaturi ridicate, lăsând adesea puține alternative dacă este necesară izolarea. Una este nitrura de bor hexagonală (uneori numită grafit alb datorită proprietăților similare), dar are proprietăți mecanice slabe. Molibdenul este în general rezonabil pentru aplicații la temperaturi înalte datorită costului său moderat, difuzivității scăzute în cristalele de siliciu și coeficientului scăzut de segregare, aproximativ 5 × 108, care permite o anumită contaminare cu molibden înainte de distrugerea structurii cristaline.
două. Materiale de izolare a câmpului termic
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 termică deoarece blochează radiația termică de multe ori pe o distanță scurtă. Pâslă de carbon moale este țesut în foi de material relativ subțiri, care sunt apoi tăiate în forma dorită și îndoite strâns la o rază rezonabilă. Pâslă întărită este compusă din materiale similare din fibre, folosind un liant care conține carbon pentru a conecta fibrele dispersate într-un obiect mai solid și mai elegant. Utilizarea depunerilor chimice de vapori de carbon în loc de lianți poate îmbunătăți proprietățile mecanice ale materialului.
În mod obișnuit, suprafața exterioară a pâslei izolatoare întărite 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 de izolare pe bază de carbon, cum ar fi spuma de carbon. În general, materialele grafitizate sunt în mod clar preferate deoarece grafitizarea reduce foarte mult aria suprafeței fibrei. Aceste materiale cu suprafață mare permit o degajare mult mai mică și necesită mai puțin timp pentru a atrage cuptorul la un vid adecvat. Celălalt tip este materialul compozit C/C, care are caracteristici remarcabile, cum ar fi greutatea ușoară, toleranța ridicată la deteriorare și rezistența ridicată. Folosit în câmpuri termice pentru a înlocui piesele din grafit, ceea ce reduce semnificativ frecvența de înlocuire a pieselor din grafit și îmbunătățește calitatea monocristalului 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 asfalt.
Pâslă de carbon pe bază de poliacrilonitril are un conținut mare de cenușă, iar monofilamentele devin casante după tratamentul la temperatură înaltă. În timpul funcționării, praful este ușor produs pentru a polua mediul cuptorului. În același timp, fibrele pătrund ușor în porii și căile respiratorii umane, dăunând sănătății umane; Pâslă de carbon pe bază de viscoză Are proprietăți bune de izolare termică, este relativ moale după tratamentul termic și este mai puțin probabil să producă praf. Cu toate acestea, secțiunea transversală a firelor pe bază de viscoză are o formă neregulată și există multe ravene pe suprafața fibrei, care este ușor de format în prezența unei atmosfere oxidante într-un cuptor de siliciu monocristal Czochralski. Gazele precum CO2 provoacă precipitarea elementelor de oxigen și carbon în materialele de siliciu monocristal. Principalii producători includ SGL germană și alte companii. În prezent, pâsla de carbon pe bază de smoală este cea mai utilizată în industria semiconductoarelor monocristal, iar performanța sa de izolare termică este mai bună decât cea a pâslei de carbon lipicioasă. Pâsla de carbon pe bază de gumă este inferioară, dar pâsla de carbon pe bază de asfalt are o puritate mai mare și o emisie mai mică de praf. Producătorii includ Kureha Chemical din Japonia, Osaka Gas etc.
Deoarece forma pâslei de carbon nu este fixată, operarea este incomod. Acum multe companii au dezvoltat un nou material termoizolant pe bază de pâslă de carbon - pâslă de carbon întărită. Pâslă de carbon întărită se mai numește și pâslă tare. Este o pâslă de carbon care are o anumită formă și auto-sustenabilitate după ce a fost impregnată cu rășină, laminată, solidificată și carbonizată.
Calitatea de creștere a siliciului monocristal este direct afectată de mediul câmpului termic, iar materialele de izolare din fibră de carbon joacă un rol cheie în acest mediu. Pâslă moale de izolație termică din fibră de carbon încă ocupă un avantaj semnificativ în industria semiconductoarelor fotovoltaice datorită avantajelor sale de cost, efectului excelent de izolare termică, designului flexibil și formei personalizabile. În plus, pâslă izolatoare rigidă din fibră de carbon va avea loc mai mult pentru dezvoltare pe piața materialelor pentru 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: 15-mai-2024