Η διαδικασία ανάπτυξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου πραγματοποιείται πλήρως στο θερμικό πεδίο.Ένα καλό θερμικό πεδίο ευνοεί τη βελτίωση της ποιότητας των κρυστάλλων και έχει υψηλή απόδοση κρυστάλλωσης.Ο σχεδιασμός του θερμικού πεδίου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις αλλαγές και τις μεταβολές στις κλίσεις θερμοκρασίας στο δυναμικό θερμικό πεδίο.Η ροή του αερίου στο θάλαμο του κλιβάνου και η διαφορά στα υλικά που χρησιμοποιούνται στο θερμικό πεδίο καθορίζουν άμεσα τη διάρκεια ζωής του θερμικού πεδίου.Ένα αδικαιολόγητα σχεδιασμένο θερμικό πεδίο όχι μόνο δυσκολεύει την ανάπτυξη κρυστάλλων που πληρούν τις απαιτήσεις ποιότητας, αλλά επίσης δεν μπορεί να αναπτυχθούν πλήρεις μεμονωμένοι κρύσταλλοι υπό ορισμένες απαιτήσεις διεργασίας.Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η βιομηχανία μονοκρυσταλλικού πυριτίου Czochralski θεωρεί τον σχεδιασμό θερμικών πεδίων ως βασική τεχνολογία και επενδύει τεράστιο ανθρώπινο δυναμικό και υλικούς πόρους στην έρευνα και ανάπτυξη θερμικών πεδίων.
Το θερμικό σύστημα αποτελείται από διάφορα υλικά θερμικού πεδίου.Θα παρουσιάσουμε μόνο εν συντομία τα υλικά που χρησιμοποιούνται στον θερμικό τομέα.Όσον αφορά την κατανομή της θερμοκρασίας στο θερμικό πεδίο και την επίδρασή της στο τράβηγμα των κρυστάλλων, δεν θα το αναλύσουμε εδώ.Το υλικό θερμικού πεδίου αναφέρεται στον κλίβανο κενού ανάπτυξης κρυστάλλων.Δομικά και θερμικά μονωμένα τμήματα του θαλάμου, τα οποία είναι απαραίτητα για τη δημιουργία του κατάλληλου υφάσματος θερμοκρασίας γύρω από το τήγμα ημιαγωγών και τους κρυστάλλους.
ένας.δομικά υλικά θερμικού πεδίου
Το βασικό υποστηρικτικό υλικό για την καλλιέργεια μονοκρυσταλλικού πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski είναι ο γραφίτης υψηλής καθαρότητας.Τα υλικά γραφίτη παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη βιομηχανία.Κατά την παρασκευή μονοκρυσταλλικού πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία θερμικού πεδίου όπως θερμαντήρες, σωλήνες οδήγησης, χωνευτήρια, μονωτικοί σωλήνες και δίσκοι χωνευτηρίου.
Το υλικό γραφίτη επιλέχθηκε λόγω της ευκολίας παρασκευής του σε μεγάλους όγκους, της δυνατότητας επεξεργασίας και των ιδιοτήτων αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες.Ο άνθρακας με τη μορφή διαμαντιού ή γραφίτη έχει υψηλότερο σημείο τήξης από οποιοδήποτε στοιχείο ή ένωση.Το υλικό γραφίτη είναι αρκετά ισχυρό, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, και η ηλεκτρική και θερμική του αγωγιμότητα είναι επίσης αρκετά καλή.Η ηλεκτρική του αγωγιμότητα το καθιστά κατάλληλο ως θερμαντικό υλικό και έχει ικανοποιητική θερμική αγωγιμότητα που μπορεί να κατανείμει ομοιόμορφα τη θερμότητα που παράγεται από τον θερμαντήρα στο χωνευτήριο και σε άλλα μέρη του θερμικού πεδίου.Ωστόσο, σε υψηλές θερμοκρασίες, ειδικά σε μεγάλες αποστάσεις, ο κύριος τρόπος μεταφοράς θερμότητας είναι η ακτινοβολία.
Τα μέρη γραφίτη σχηματίζονται αρχικά με εξώθηση ή ισοστατική συμπίεση λεπτών ανθρακούχων σωματιδίων που αναμιγνύονται με ένα συνδετικό.Τα υψηλής ποιότητας μέρη γραφίτη συνήθως συμπιέζονται ισοστατικά.Ολόκληρο το κομμάτι πρώτα ανθρακώνεται και στη συνέχεια γραφιτοποιείται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 3000°C.Τα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από αυτούς τους μονόλιθους συχνά καθαρίζονται σε ατμόσφαιρα που περιέχει χλώριο σε υψηλές θερμοκρασίες για την απομάκρυνση της μόλυνσης από μέταλλα ώστε να συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις της βιομηχανίας ημιαγωγών.Ωστόσο, ακόμη και με τον κατάλληλο καθαρισμό, τα επίπεδα μόλυνσης μετάλλων είναι τάξεις μεγέθους υψηλότερα από τα επιτρεπόμενα από μονοκρυσταλλικά υλικά πυριτίου.Επομένως, πρέπει να ληφθεί μέριμνα στο σχεδιασμό θερμικού πεδίου για να αποτραπεί η είσοδος μόλυνσης αυτών των εξαρτημάτων στην επιφάνεια τήγματος ή κρυστάλλου.
Το υλικό γραφίτη είναι ελαφρώς διαπερατό, γεγονός που επιτρέπει στο υπόλοιπο μέταλλο στο εσωτερικό να φτάσει εύκολα στην επιφάνεια.Επιπλέον, το μονοξείδιο του πυριτίου που υπάρχει στο αέριο καθαρισμού γύρω από την επιφάνεια του γραφίτη μπορεί να διεισδύσει βαθιά στα περισσότερα υλικά και να αντιδράσει.
Οι πρώτοι θερμαντήρες κλιβάνων μονοκρυστάλλου πυριτίου κατασκευάζονταν από πυρίμαχα μέταλλα όπως το βολφράμιο και το μολυβδαίνιο.Καθώς η τεχνολογία επεξεργασίας γραφίτη ωριμάζει, οι ηλεκτρικές ιδιότητες των συνδέσεων μεταξύ των εξαρτημάτων γραφίτη γίνονται σταθερές και οι θερμαντήρες κλιβάνων μονοκρυστάλλου πυριτίου έχουν αντικαταστήσει πλήρως τους θερμαντήρες βολφραμίου και μολυβδαινίου και άλλων υλικών.Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό γραφίτη επί του παρόντος είναι ο ισοστατικός γραφίτης.Τα semicera μπορούν να παρέχουν υψηλής ποιότητας υλικά γραφίτη με ισοστατική πίεση.
Σε κλιβάνους πυριτίου μονοκρυστάλλου Czochralski, μερικές φορές χρησιμοποιούνται σύνθετα υλικά C/C και τώρα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μπουλονιών, παξιμαδιών, χωνευτηρίων, φερόντων πλακών και άλλων εξαρτημάτων.Τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα (c/c) είναι σύνθετα υλικά με βάση άνθρακα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα.Έχουν υψηλή ειδική αντοχή, υψηλό ειδικό συντελεστή, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, μεγάλη αντοχή σε θραύση, χαμηλό ειδικό βάρος, αντίσταση θερμικών κραδασμών, αντοχή στη διάβρωση, Έχει μια σειρά από εξαιρετικές ιδιότητες όπως αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και είναι ευρέως σήμερα χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική, στους αγώνες, στα βιοϋλικά και σε άλλους τομείς ως νέος τύπος δομικού υλικού ανθεκτικού σε υψηλές θερμοκρασίες.Επί του παρόντος, το κύριο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα εγχώρια σύνθετα υλικά C/C είναι τα ζητήματα κόστους και εκβιομηχάνισης.
Υπάρχουν πολλά άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία θερμικών πεδίων.Ο γραφίτης ενισχυμένος με ίνες άνθρακα έχει καλύτερες μηχανικές ιδιότητες.Ωστόσο, είναι πιο ακριβό και επιβάλλει άλλες απαιτήσεις σχεδιασμού.Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι καλύτερο υλικό από τον γραφίτη από πολλές απόψεις, αλλά είναι πολύ πιο ακριβό και δύσκολο να κατασκευαστούν εξαρτήματα μεγάλου όγκου.Ωστόσο, το SiC χρησιμοποιείται συχνά ως επίστρωση CVD για να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των τμημάτων γραφίτη που εκτίθενται σε επιθετικό αέριο μονοξείδιο του πυριτίου και επίσης για τη μείωση της μόλυνσης από τον γραφίτη.Η πυκνή επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου CVD αποτρέπει αποτελεσματικά τους ρύπους μέσα στο μικροπορώδες υλικό γραφίτη να φτάσουν στην επιφάνεια.
Το άλλο είναι ο άνθρακας CVD, ο οποίος μπορεί επίσης να σχηματίσει ένα πυκνό στρώμα πάνω από μέρη γραφίτη.Άλλα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες υλικά, όπως μολυβδαίνιο ή κεραμικά υλικά που είναι συμβατά με το περιβάλλον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου δεν υπάρχει κίνδυνος μόλυνσης του τήγματος.Ωστόσο, τα κεραμικά οξειδίου έχουν περιορισμένη καταλληλότητα για άμεση επαφή με υλικά γραφίτη σε υψηλές θερμοκρασίες, αφήνοντας συχνά λίγες εναλλακτικές λύσεις εάν απαιτείται μόνωση.Το ένα είναι το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (μερικές φορές ονομάζεται λευκός γραφίτης λόγω παρόμοιων ιδιοτήτων), αλλά έχει κακές μηχανικές ιδιότητες.Το μολυβδαίνιο είναι γενικά λογικό για εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω του μέτριου κόστους, της χαμηλής διαχυσιμότητας σε κρυστάλλους πυριτίου και του χαμηλού συντελεστή διαχωρισμού, περίπου 5 × 108, που επιτρέπει κάποια μόλυνση από μολυβδαίνιο πριν καταστρέψει την κρυσταλλική δομή.
δύο.Υλικά θερμομόνωσης πεδίου
Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μονωτικό υλικό είναι η τσόχα άνθρακα σε διάφορες μορφές.Η τσόχα άνθρακα είναι κατασκευασμένη από λεπτές ίνες που λειτουργούν ως θερμομόνωση επειδή εμποδίζουν τη θερμική ακτινοβολία πολλές φορές σε μικρή απόσταση.Η μαλακή τσόχα άνθρακα υφαίνεται σε σχετικά λεπτά φύλλα υλικού, τα οποία στη συνέχεια κόβονται στο επιθυμητό σχήμα και λυγίζουν σφιχτά σε λογική ακτίνα.Η σκληρυμένη τσόχα αποτελείται από παρόμοια υλικά ινών, χρησιμοποιώντας ένα συνδετικό που περιέχει άνθρακα για τη σύνδεση των διασκορπισμένων ινών σε ένα πιο συμπαγές και κομψό αντικείμενο.Η χρήση χημικής εναπόθεσης ατμού άνθρακα αντί συνδετικών μπορεί να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού.
Συνήθως, η εξωτερική επιφάνεια της μονωτικής σκληρυμένης τσόχας επικαλύπτεται με μια συνεχή επίστρωση γραφίτη ή φύλλο για τη μείωση της διάβρωσης και της φθοράς καθώς και της μόλυνσης από σωματίδια.Υπάρχουν επίσης άλλοι τύποι μονωτικών υλικών με βάση τον άνθρακα, όπως ο αφρός άνθρακα.Γενικά, προτιμώνται σαφώς τα γραφιτοποιημένα υλικά επειδή η γραφιτοποίηση μειώνει πολύ την επιφάνεια της ίνας.Αυτά τα υλικά μεγάλης επιφάνειας επιτρέπουν πολύ λιγότερη εξάτμιση και χρειάζονται λιγότερο χρόνο για να τραβήξουν τον κλίβανο στο κατάλληλο κενό.Ο άλλος τύπος είναι το σύνθετο υλικό C/C, το οποίο έχει εξαιρετικά χαρακτηριστικά όπως το μικρό βάρος, την υψηλή ανοχή στη ζημιά και την υψηλή αντοχή.Χρησιμοποιείται σε θερμικά πεδία για την αντικατάσταση εξαρτημάτων γραφίτη, γεγονός που μειώνει σημαντικά τη συχνότητα αντικατάστασης των εξαρτημάτων γραφίτη και βελτιώνει την ποιότητα μονοκρυστάλλου και τη σταθερότητα παραγωγής.
Σύμφωνα με την ταξινόμηση των πρώτων υλών, η τσόχα άνθρακα μπορεί να χωριστεί σε τσόχα άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο, τσόχα άνθρακα με βάση τη βισκόζη και τσόχα άνθρακα με βάση την άσφαλτο.
Η τσόχα άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε τέφρα και τα μονόινα νήματα γίνονται εύθραυστα μετά από επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία.Κατά τη λειτουργία, παράγεται εύκολα σκόνη για να μολύνει το περιβάλλον του κλιβάνου.Ταυτόχρονα, οι ίνες εισέρχονται εύκολα στους ανθρώπινους πόρους και στις αναπνευστικές οδούς, προκαλώντας βλάβη στην ανθρώπινη υγεία.τσόχα άνθρακα με βάση τη βισκόζη Έχει καλές θερμομονωτικές ιδιότητες, είναι σχετικά μαλακό μετά τη θερμική επεξεργασία και είναι λιγότερο πιθανό να παράγει σκόνη.Ωστόσο, η διατομή των κλώνων με βάση τη βισκόζη έχει ακανόνιστο σχήμα και υπάρχουν πολλές χαράδρες στην επιφάνεια των ινών, οι οποίες σχηματίζονται εύκολα με την παρουσία μιας οξειδωτικής ατμόσφαιρας σε έναν κλίβανο μονοκρυστάλλου πυριτίου Czochralski.Αέρια όπως το CO2 προκαλούν την καθίζηση στοιχείων οξυγόνου και άνθρακα σε υλικά μονοκρυσταλλικού πυριτίου.Οι κύριοι κατασκευαστές περιλαμβάνουν τη γερμανική SGL και άλλες εταιρείες.Επί του παρόντος, η τσόχα άνθρακα με βάση το βήμα είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη στη βιομηχανία μονοκρυστάλλων ημιαγωγών και η απόδοση της θερμομόνωσης είναι καλύτερη από αυτή της κολλώδους τσόχας άνθρακα.Η τσόχα άνθρακα με βάση το κόμμι είναι κατώτερη, αλλά η τσόχα άνθρακα με βάση την άσφαλτο έχει υψηλότερη καθαρότητα και χαμηλότερη εκπομπή σκόνης.Οι κατασκευαστές περιλαμβάνουν την ιαπωνική Kureha Chemical, την Osaka Gas κ.λπ.
Δεδομένου ότι το σχήμα της τσόχας άνθρακα δεν είναι σταθερό, δεν είναι βολικό να λειτουργήσει.Τώρα πολλές εταιρείες έχουν αναπτύξει ένα νέο θερμομονωτικό υλικό με βάση την τσόχα άνθρακα - τσόχα σκληρυμένου άνθρακα.Η τσόχα σκληρυμένου άνθρακα ονομάζεται επίσης σκληρή τσόχα.Είναι μια τσόχα άνθρακα που έχει ορισμένο σχήμα και αυτοσυντηρείται αφού εμποτιστεί με ρητίνη, πλαστικοποιηθεί, στερεοποιηθεί και ανθρακωθεί.
Η ποιότητα ανάπτυξης του μονοκρυσταλλικού πυριτίου επηρεάζεται άμεσα από το περιβάλλον θερμικού πεδίου και τα μονωτικά υλικά από ανθρακονήματα διαδραματίζουν βασικό ρόλο σε αυτό το περιβάλλον.Η μαλακή τσόχα θερμομόνωσης από ανθρακονήματα εξακολουθεί να κατέχει σημαντικό πλεονέκτημα στη βιομηχανία φωτοβολταϊκών ημιαγωγών λόγω των πλεονεκτημάτων κόστους, της εξαιρετικής θερμομονωτικής επίδρασης, του ευέλικτου σχεδιασμού και του προσαρμόσιμου σχήματος.Επιπλέον, η άκαμπτη μονωτική τσόχα από ανθρακονήματα θα έχει μεγαλύτερο περιθώριο ανάπτυξης στην αγορά υλικών θερμικών πεδίων λόγω της συγκεκριμένης αντοχής και της υψηλότερης λειτουργικότητάς της.Δεσμευόμαστε στην έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα των θερμομονωτικών υλικών και βελτιστοποιούμε συνεχώς την απόδοση των προϊόντων για να προωθήσουμε την ευημερία και την ανάπτυξη της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών ημιαγωγών.
Ώρα δημοσίευσης: 15 Μαΐου 2024