Het groeiproces van monokristallijn silicium vindt volledig plaats op thermisch gebied. Een goed thermisch veld is bevorderlijk voor het verbeteren van de kristalkwaliteit en heeft een hoge kristallisatie-efficiëntie. Het ontwerp van het thermische veld bepaalt grotendeels de veranderingen en veranderingen in temperatuurgradiënten in het dynamische thermische veld. De gasstroom in de ovenkamer en het verschil in materialen die in het thermische veld worden gebruikt, bepalen rechtstreeks de levensduur van het thermische veld. Een onredelijk ontworpen thermisch veld maakt het niet alleen moeilijk om kristallen te laten groeien die aan kwaliteitseisen voldoen, maar kan onder bepaalde procesvereisten ook geen volledige enkele kristallen laten groeien. Dit is de reden waarom de monokristallijne siliciumindustrie van Czochralski het ontwerp van thermische velden als de kerntechnologie beschouwt en enorme mankracht en materiële middelen investeert in onderzoek en ontwikkeling op het gebied van thermische velden.
Het thermische systeem is samengesteld uit verschillende thermische veldmaterialen. We zullen slechts kort de materialen introduceren die op thermisch gebied worden gebruikt. Wat betreft de temperatuurverdeling in het thermische veld en de impact ervan op het trekken van kristallen, zullen we deze hier niet analyseren. Het thermische veldmateriaal verwijst naar de vacuümoven voor kristalgroei. Structurele en thermisch geïsoleerde delen van de kamer, die essentieel zijn voor het creëren van de juiste temperatuur rond de halfgeleidersmelt en -kristallen.
een. structurele materialen voor thermische velden
Het basisondersteuningsmateriaal voor het kweken van monokristallijn silicium volgens de Czochralski-methode is zeer zuiver grafiet. Grafietmaterialen spelen een zeer belangrijke rol in de moderne industrie. Bij de bereiding van monokristallijn silicium volgens de Czochralski-methode kunnen ze worden gebruikt als structurele componenten voor thermische velden, zoals verwarmingselementen, geleidebuizen, smeltkroezen, isolatiebuizen en smeltkroesplaten.
Er werd gekozen voor grafietmateriaal vanwege het gemak van bereiding in grote volumes, verwerkbaarheid en hoge temperatuurbestendigheid. Koolstof in de vorm van diamant of grafiet heeft een hoger smeltpunt dan welk element of welke verbinding dan ook. Grafietmateriaal is behoorlijk sterk, vooral bij hoge temperaturen, en de elektrische en thermische geleidbaarheid ervan is ook redelijk goed. Zijn elektrische geleidbaarheid maakt het geschikt als verwarmingsmateriaal, en het heeft een bevredigende thermische geleidbaarheid die de door de verwarmer gegenereerde warmte gelijkmatig kan verdelen over de smeltkroes en andere delen van het thermische veld. Bij hoge temperaturen, vooral over lange afstanden, is straling echter de belangrijkste vorm van warmteoverdracht.
Grafietdelen worden aanvankelijk gevormd door extrusie of isostatisch persen van fijne koolstofhoudende deeltjes gemengd met een bindmiddel. Hoogwaardige grafietonderdelen worden meestal isostatisch geperst. Het hele stuk wordt eerst gecarboniseerd en vervolgens gegrafitiseerd bij zeer hoge temperaturen, dichtbij 3000°C. Onderdelen die uit deze monolieten worden vervaardigd, worden vaak bij hoge temperaturen in een chloorhoudende atmosfeer gezuiverd om metaalverontreiniging te verwijderen om te voldoen aan de eisen van de halfgeleiderindustrie. Zelfs met de juiste zuivering zijn de metaalverontreinigingsniveaus echter ordes van grootte hoger dan toegestaan door monokristallijne siliciummaterialen. Daarom moet er bij het ontwerpen van thermische velden op worden gelet dat wordt voorkomen dat verontreiniging van deze componenten het smelt- of kristaloppervlak binnendringt.
Grafietmateriaal is licht doorlatend, waardoor het resterende metaal binnenin gemakkelijk het oppervlak kan bereiken. Bovendien kan het siliciummonoxide dat aanwezig is in het spoelgas rond het grafietoppervlak diep in de meeste materialen doordringen en reageren.
Vroege monokristallijne siliciumovenverwarmers waren gemaakt van vuurvaste metalen zoals wolfraam en molybdeen. Naarmate de grafietverwerkingstechnologie volwassener wordt, worden de elektrische eigenschappen van de verbindingen tussen grafietcomponenten stabiel, en hebben monokristallijne siliciumovenverwarmers de wolfraam-, molybdeen- en andere materiaalverwarmers volledig vervangen. Het momenteel meest gebruikte grafietmateriaal is isostatisch grafiet. semicera kan isostatisch geperste grafietmaterialen van hoge kwaliteit leveren.
In Czochralski monokristallijne siliciumovens worden soms C/C-composietmaterialen gebruikt, en deze worden nu gebruikt om bouten, moeren, smeltkroezen, dragende platen en andere componenten te vervaardigen. Koolstof/koolstof (c/c) composietmaterialen zijn met koolstofvezel versterkte composietmaterialen op koolstofbasis. Ze hebben een hoge specifieke sterkte, hoge specifieke modulus, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, goede elektrische geleidbaarheid, grote breuktaaiheid, laag soortelijk gewicht, thermische schokbestendigheid, corrosieweerstand. Het heeft een reeks uitstekende eigenschappen zoals weerstand tegen hoge temperaturen en wordt momenteel op grote schaal gebruikt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, racen, biomaterialen en andere gebieden als een nieuw type hittebestendig structureel materiaal. Momenteel zijn de kosten en industrialisatieproblemen het belangrijkste knelpunt waarmee binnenlandse C/C-composietmaterialen worden geconfronteerd.
Er zijn veel andere materialen die worden gebruikt om thermische velden te creëren. Met koolstofvezel versterkt grafiet heeft betere mechanische eigenschappen; het is echter duurder en stelt andere ontwerpeisen. Siliciumcarbide (SiC) is in veel opzichten een beter materiaal dan grafiet, maar het is veel duurder en moeilijker om onderdelen in grote volumes te vervaardigen. SiC wordt echter vaak gebruikt als CVD-coating om de levensduur van grafietonderdelen die worden blootgesteld aan agressief siliciummonoxidegas te verlengen en ook om verontreiniging door grafiet te verminderen. De dichte CVD-siliciumcarbidecoating voorkomt effectief dat verontreinigingen in het microporeuze grafietmateriaal het oppervlak bereiken.
De andere is CVD-koolstof, die ook een dichte laag op grafietonderdelen kan vormen. Andere materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen, zoals molybdeen of keramische materialen die compatibel zijn met het milieu, kunnen worden gebruikt als er geen risico bestaat op verontreiniging van de smelt. Oxidekeramiek is echter beperkt geschikt voor direct contact met grafietmaterialen bij hoge temperaturen, waardoor er vaak weinig alternatieven overblijven als isolatie vereist is. De ene is hexagonaal boornitride (soms wit grafiet genoemd vanwege vergelijkbare eigenschappen), maar het heeft slechte mechanische eigenschappen. Molybdeen is over het algemeen redelijk voor toepassingen bij hoge temperaturen vanwege de gematigde kosten, de lage diffusiviteit in siliciumkristallen en de lage segregatiecoëfficiënt, ongeveer 5 x 108, waardoor enige molybdeenverontreiniging mogelijk is voordat de kristalstructuur wordt vernietigd.
twee. Isolatiematerialen voor thermische velden
Het meest gebruikte isolatiemateriaal is koolstofvilt in verschillende vormen. Koolstofvilt is gemaakt van dunne vezels die als thermische isolatie fungeren omdat ze de thermische straling vele malen over een korte afstand blokkeren. Zacht koolstofvilt wordt tot relatief dunne vellen materiaal geweven, die vervolgens in de gewenste vorm worden gesneden en strak worden gebogen tot een redelijke straal. Uitgehard vilt is samengesteld uit vergelijkbare vezelmaterialen, waarbij een koolstofhoudend bindmiddel wordt gebruikt om de verspreide vezels met elkaar te verbinden tot een steviger en stijlvoler object. Het gebruik van chemische dampafzetting van koolstof in plaats van bindmiddelen kan de mechanische eigenschappen van het materiaal verbeteren.
Typisch wordt het buitenoppervlak van isolerend uitgehard vilt bedekt met een continue grafietcoating of folie om erosie en slijtage en deeltjesverontreiniging te verminderen. Er bestaan ook andere soorten op koolstof gebaseerde isolatiematerialen, zoals koolstofschuim. In het algemeen hebben gegrafitiseerde materialen duidelijk de voorkeur omdat grafitisering het oppervlak van de vezel aanzienlijk verkleint. Deze materialen met een groot oppervlak zorgen voor veel minder ontgassing en het kost minder tijd om de oven naar een goed vacuüm te trekken. Het andere type is C/C-composietmateriaal, dat uitstekende eigenschappen heeft zoals een laag gewicht, hoge schadetolerantie en hoge sterkte. Gebruikt in thermische velden om grafietonderdelen te vervangen, waardoor de vervangingsfrequentie van grafietonderdelen aanzienlijk wordt verminderd en de monokristallijne kwaliteit en productiestabiliteit worden verbeterd.
Volgens de classificatie van grondstoffen kan koolstofvilt worden onderverdeeld in koolstofvilt op basis van polyacrylonitril, koolstofvilt op viscosebasis en koolstofvilt op asfaltbasis.
Koolstofvilt op basis van polyacrylonitril heeft een hoog asgehalte en de monofilamenten worden broos na behandeling bij hoge temperaturen. Tijdens bedrijf wordt gemakkelijk stof geproduceerd dat de ovenomgeving vervuilt. Tegelijkertijd dringen de vezels gemakkelijk de menselijke poriën en luchtwegen binnen, wat schade aan de menselijke gezondheid veroorzaakt; Koolstofvilt op viscosebasis. Het heeft goede thermische isolatie-eigenschappen, is relatief zacht na warmtebehandeling en produceert minder snel stof. De dwarsdoorsnede van de op viscose gebaseerde strengen heeft echter een onregelmatige vorm en er zijn veel ravijnen op het vezeloppervlak, die gemakkelijk te vormen zijn in de aanwezigheid van een oxiderende atmosfeer in een Czochralski monokristallijne siliciumoven. Gassen zoals CO2 veroorzaken de precipitatie van zuurstof- en koolstofelementen in monokristallijne siliciummaterialen. Tot de belangrijkste fabrikanten behoren het Duitse SGL en andere bedrijven. Momenteel wordt op pek gebaseerd koolstofvilt het meest gebruikt in de halfgeleider-monokristalindustrie, en de thermische isolatieprestaties ervan zijn beter dan die van kleverig koolstofvilt. Koolstofvilt op gombasis is inferieur, maar koolstofvilt op asfaltbasis heeft een hogere zuiverheid en een lagere stofemissie. Fabrikanten zijn onder meer het Japanse Kureha Chemical, Osaka Gas, enz.
Omdat de vorm van het koolstofvilt niet vastligt, is het lastig te bedienen. Nu hebben veel bedrijven een nieuw thermisch isolatiemateriaal ontwikkeld op basis van koolstofvilt - uitgehard koolstofvilt. Uitgehard koolstofvilt wordt ook wel hardvilt genoemd. Het is een koolstofvilt dat een bepaalde vorm en zelfredzaamheid heeft nadat het is geïmpregneerd met hars, gelamineerd, gestold en gecarboniseerd.
De groeikwaliteit van monokristallijn silicium wordt rechtstreeks beïnvloed door de thermische veldomgeving, en koolstofvezelisolatiematerialen spelen een sleutelrol in deze omgeving. Koolstofvezel thermische isolatie zacht vilt heeft nog steeds een aanzienlijk voordeel in de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie vanwege de kostenvoordelen, het uitstekende thermische isolatie-effect, het flexibele ontwerp en de aanpasbare vorm. Bovendien zal stijf isolatievilt van koolstofvezels meer ruimte hebben voor ontwikkeling op de markt voor thermische veldmaterialen vanwege de zekere sterkte en hogere bruikbaarheid ervan. We zetten ons in voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van thermische isolatiematerialen en optimaliseren voortdurend de productprestaties om de welvaart en ontwikkeling van de fotovoltaïsche halfgeleiderindustrie te bevorderen.
Posttijd: 15 mei 2024