O proceso de crecemento do silicio monocristalino realízase completamente no campo térmico. Un bo campo térmico é propicio para mellorar a calidade do cristal e ten unha alta eficiencia de cristalización. O deseño do campo térmico determina en gran medida os cambios e os cambios nos gradientes de temperatura no campo térmico dinámico. O fluxo de gas na cámara do forno e a diferenza de materiais utilizados no campo térmico determinan directamente a vida útil do campo térmico. Un campo térmico deseñado sen razón non só dificulta o cultivo de cristais que cumpran os requisitos de calidade, senón que tampouco non poden cultivar cristais únicos completos baixo certos requisitos do proceso. É por iso que a industria do silicio monocristalino Czochralski considera o deseño do campo térmico como a tecnoloxía básica e inviste enormes recursos materiais e de man de obra na investigación e desenvolvemento do campo térmico.
O sistema térmico está composto por varios materiais de campo térmico. Só presentaremos brevemente os materiais empregados no ámbito térmico. En canto á distribución da temperatura no campo térmico e a súa repercusión na tracción dos cristais, non a analizaremos aquí. O material do campo térmico refírese ao forno de baleiro de crecemento de cristal. Partes estruturais e illadas térmicamente da cámara, que son esenciais para crear a temperatura adecuada ao redor do fundido e dos cristais de semicondutores.
un. materiais estruturais do campo térmico
O material de apoio básico para o cultivo de silicio monocristalino polo método Czochralski é o grafito de alta pureza. Os materiais de grafito xogan un papel moi importante na industria moderna. Na preparación de silicio monocristal polo método Czochralski, pódense usar como compoñentes estruturais de campo térmico como quentadores, tubos guía, crisols, tubos de illamento e bandexas de crisol.
Elixiuse o material de grafito pola súa facilidade de preparación en grandes volumes, procesabilidade e propiedades de resistencia a altas temperaturas. O carbono en forma de diamante ou grafito ten un punto de fusión máis alto que calquera elemento ou composto. O material de grafito é bastante forte, especialmente a altas temperaturas, e a súa condutividade eléctrica e térmica tamén é bastante boa. A súa condutividade eléctrica faino axeitado como material de aquecedor, e ten unha condutividade térmica satisfactoria que pode distribuír uniformemente a calor xerada polo aquecedor ao crisol e outras partes do campo térmico. Non obstante, a altas temperaturas, especialmente a longas distancias, o principal modo de transferencia de calor é a radiación.
As pezas de grafito fórmanse inicialmente por extrusión ou prensado isostático de finas partículas de carbono mesturadas cun aglutinante. As pezas de grafito de alta calidade adoitan ser prensadas isostáticamente. Primeiro carbonízase toda a peza e logo grafitízase a moi altas temperaturas, próximas aos 3000°C. As pezas mecanizadas a partir destes monólitos adoitan purificarse nunha atmosfera que contén cloro a altas temperaturas para eliminar a contaminación metálica para cumprir cos requisitos da industria de semicondutores. Non obstante, mesmo cunha purificación adecuada, os niveis de contaminación metálica son ordes de magnitude superiores ao permitido polos materiais monocristais de silicio. Polo tanto, hai que ter coidado no deseño do campo térmico para evitar que a contaminación destes compoñentes entre na superficie de fusión ou cristal.
O material de grafito é lixeiramente permeable, o que permite que o metal que queda no interior chegue facilmente á superficie. Ademais, o monóxido de silicio presente no gas de purga arredor da superficie do grafito pode penetrar profundamente na maioría dos materiais e reaccionar.
Os primeiros quentadores de fornos de silicio monocristal estaban feitos de metais refractarios como o volframio e o molibdeno. A medida que a tecnoloxía de procesamento de grafito madura, as propiedades eléctricas das conexións entre os compoñentes de grafito fanse estables e os quentadores de fornos de silicio monocristalino substituíron completamente os quentadores de wolframio e molibdeno e outros materiais. O material de grafito máis utilizado na actualidade é o grafito isostático. semicera pode proporcionar materiais de grafito prensados isostáticamente de alta calidade.
Nos fornos de silicio monocristal de Czochralski, ás veces utilízanse materiais compostos C/C, que agora empréganse para fabricar parafusos, porcas, crisols, placas de soporte de carga e outros compoñentes. Os materiais compostos carbono/carbono (c/c) son materiais compostos a base de carbono reforzados con fibra de carbono. Teñen alta resistencia específica, alto módulo específico, baixo coeficiente de expansión térmica, boa condutividade eléctrica, gran tenacidade á fractura, baixa gravidade específica, resistencia ao choque térmico, resistencia á corrosión. usado en aeroespacial, carreiras, biomateriais e outros campos como un novo tipo de material estrutural resistente a altas temperaturas. Na actualidade, o principal pescozo de botella que atopan os materiais compostos C/C domésticos son os problemas de custo e industrialización.
Hai moitos outros materiais utilizados para crear campos térmicos. O grafito reforzado con fibra de carbono ten mellores propiedades mecánicas; porén, é máis caro e impón outros requisitos de deseño. O carburo de silicio (SiC) é un material mellor que o grafito en moitos aspectos, pero é moito máis caro e difícil de fabricar pezas de gran volume. Non obstante, o SiC úsase a miúdo como revestimento CVD para aumentar a vida útil das pezas de grafito expostas a un agresivo gas de monóxido de silicio e tamén para reducir a contaminación do grafito. O denso revestimento de carburo de silicio CVD impide eficazmente que os contaminantes dentro do material de grafito microporoso cheguen á superficie.
O outro é o carbono CVD, que tamén pode formar unha capa densa sobre as pezas de grafito. Outros materiais resistentes ás altas temperaturas, como o molibdeno ou os materiais cerámicos compatibles co medio ambiente, pódense utilizar onde non exista risco de contaminación do fundido. Non obstante, as cerámicas de óxido teñen unha idoneidade limitada para o contacto directo con materiais de grafito a altas temperaturas, e moitas veces deixan poucas alternativas se se precisa illamento. Un é o nitruro de boro hexagonal (ás veces chamado grafito branco debido a propiedades similares), pero ten propiedades mecánicas pobres. O molibdeno é xeralmente razoable para aplicacións a altas temperaturas debido ao seu custo moderado, baixa difusividade nos cristais de silicio e baixo coeficiente de segregación, uns 5 × 108, o que permite unha certa contaminación por molibdeno antes de destruír a estrutura cristalina.
dous. Materiais de illamento de campos térmicos
O material de illamento máis utilizado é o feltro de carbono en varias formas. O fieltro de carbono está feito de fibras finas que actúan como illante térmico porque bloquean a radiación térmica moitas veces a curta distancia. O feltro de carbono brando está tecido en láminas de material relativamente delgadas, que despois se cortan na forma desexada e se dobran firmemente ata un raio razoable. O feltro curado está composto por materiais de fibras similares, usando un aglutinante que contén carbono para conectar as fibras dispersas nun obxecto máis sólido e elegante. Usar a deposición química en vapor de carbono en lugar de aglutinantes pode mellorar as propiedades mecánicas do material.
Normalmente, a superficie exterior do feltro curado illante está recuberta cun revestimento continuo de grafito ou lámina para reducir a erosión e o desgaste, así como a contaminación por partículas. Tamén existen outros tipos de materiais de illamento a base de carbono, como a escuma de carbono. En xeral, os materiais grafitizados son claramente preferidos porque a grafitización reduce moito a superficie da fibra. Estes materiais de gran superficie permiten moito menos desgasificación e tardan menos tempo en levar o forno a un baleiro adecuado. O outro tipo é o material composto C/C, que ten características destacadas como peso lixeiro, alta tolerancia ao dano e alta resistencia. Usado en campos térmicos para substituír pezas de grafito, o que reduce significativamente a frecuencia de substitución das pezas de grafito e mellora a calidade do cristal único e a estabilidade da produción.
Segundo a clasificación das materias primas, o feltro de carbono pódese dividir en feltro de carbono a base de poliacrilonitrilo, feltro de carbono a base de viscosa e feltro de carbono a base de asfalto.
O feltro de carbono a base de poliacrilonitrilo ten un gran contido de cinzas e os monofilamentos fanse quebradizos despois do tratamento a alta temperatura. Durante o funcionamento, o po prodúcese facilmente para contaminar o ambiente do forno. Ao mesmo tempo, as fibras entran facilmente nos poros humanos e nas vías respiratorias, causando danos á saúde humana; feltro de carbono a base de viscosa Ten boas propiedades de illamento térmico, é relativamente suave despois do tratamento térmico e é menos probable que produza po. Non obstante, a sección transversal dos fíos a base de viscosa ten unha forma irregular e hai moitos barrancos na superficie da fibra, que é fácil de formar en presenza dunha atmosfera oxidante nun forno de silicio monocristal de Czochralski. Gases como o CO2 provocan a precipitación de osíxeno e elementos de carbono en materiais de silicio monocristalino. Os principais fabricantes inclúen a SGL alemá e outras empresas. Na actualidade, o feltro de carbono baseado en brea é o máis utilizado na industria de monocristais de semicondutores e o seu rendemento de illamento térmico é mellor que o do feltro de carbono pegajoso. O feltro de carbono a base de goma é inferior, pero o feltro de carbono a base de asfalto ten unha pureza máis alta e unha menor emisión de po. Os fabricantes inclúen a xaponesa Kureha Chemical, Osaka Gas, etc.
Dado que a forma do feltro de carbono non está fixada, é inconveniente operar. Agora moitas empresas desenvolveron un novo material de illamento térmico baseado en feltro de carbono: feltro de carbono curado. O feltro de carbono curado tamén se denomina feltro duro. É un fieltro de carbono que ten certa forma e autosustentabilidade despois de ser impregnado con resina, laminado, solidificado e carbonizado.
A calidade de crecemento do silicio monocristalino está directamente afectada polo ambiente do campo térmico, e os materiais de illamento de fibra de carbono xogan un papel fundamental neste ambiente. O feltro suave de illamento térmico de fibra de carbono aínda ocupa unha vantaxe significativa na industria de semicondutores fotovoltaicos debido ás súas vantaxes de custo, excelente efecto de illamento térmico, deseño flexible e forma personalizable. Ademais, o feltro de illamento ríxido de fibra de carbono terá maior espazo para o desenvolvemento no mercado de materiais de campo térmico debido á súa certa resistencia e maior operatividade. Comprometémonos coa investigación e desenvolvemento no campo dos materiais de illamento térmico e optimizamos continuamente o rendemento do produto para promover a prosperidade e o desenvolvemento da industria de semicondutores fotovoltaicos.
Hora de publicación: 15-maio-2024