یک ماده مهم که کیفیت رشد سیلیکون تک کریستال را تعیین می کند - میدان حرارتی

فرآیند رشد سیلیکون تک کریستال به طور کامل در زمینه حرارتی انجام می شود. یک میدان حرارتی خوب برای بهبود کیفیت کریستال مفید است و راندمان کریستالیزاسیون بالایی دارد. طراحی میدان حرارتی تا حد زیادی تعیین کننده تغییرات و تغییرات در گرادیان دما در میدان حرارتی دینامیکی است. جریان گاز در محفظه کوره و تفاوت مواد مورد استفاده در میدان حرارتی به طور مستقیم طول عمر میدان حرارتی را تعیین می کند. یک میدان حرارتی نامعقول طراحی شده نه تنها رشد کریستال هایی را که الزامات کیفی را برآورده می کنند دشوار می کند، بلکه نمی تواند تک بلورهای کامل را تحت شرایط فرآیندی خاص رشد دهد. به همین دلیل است که صنعت سیلیکون تک کریستالی Czochralski طراحی میدان حرارتی را به عنوان فناوری اصلی می‌داند و نیروی انسانی و منابع عظیم مادی را در تحقیق و توسعه میدان حرارتی سرمایه‌گذاری می‌کند.

سیستم حرارتی از مواد مختلف میدان حرارتی تشکیل شده است. ما فقط به معرفی مختصر مواد مورد استفاده در زمینه حرارتی می پردازیم. در مورد توزیع دما در میدان حرارتی و تأثیر آن بر کشش کریستال، ما در اینجا آن را تجزیه و تحلیل نمی کنیم. مواد میدان حرارتی به کوره خلاء رشد کریستال اشاره دارد. بخش های ساختاری و عایق حرارتی محفظه، که برای ایجاد پارچه دمای مناسب در اطراف مذاب نیمه هادی و کریستال ها ضروری هستند.

یکی مواد ساختاری میدان حرارتی
ماده اصلی پشتیبانی برای رشد سیلیکون تک کریستال به روش Czochralski گرافیت با خلوص بالا است. مواد گرافیت نقش بسیار مهمی در صنعت مدرن دارند. در تهیه سیلیکون تک کریستال به روش Czochralski می توان از آنها به عنوان اجزای ساختاری میدان حرارتی مانند بخاری ها، لوله های راهنما، بوته ها، لوله های عایق و سینی های بوته استفاده کرد.

ماده گرافیت به دلیل سهولت آماده سازی در حجم زیاد، قابلیت پردازش و خواص مقاومت در برابر دمای بالا انتخاب شد. کربن به شکل الماس یا گرافیت دارای نقطه ذوب بالاتری نسبت به هر عنصر یا ترکیبی است. ماده گرافیت به خصوص در دماهای بالا بسیار قوی است و رسانایی الکتریکی و حرارتی آن نیز بسیار خوب است. رسانایی الکتریکی آن آن را به عنوان یک ماده گرم کننده مناسب می کند و دارای رسانایی گرمایی رضایت بخشی است که می تواند گرمای تولید شده توسط بخاری را به طور مساوی در بوته و سایر قسمت های میدان حرارتی توزیع کند. با این حال، در دماهای بالا، به ویژه در فواصل طولانی، حالت اصلی انتقال حرارت تابش است.

قطعات گرافیت در ابتدا با اکستروژن یا فشار ایزواستاتیک ذرات ریز کربنی مخلوط با یک چسب تشکیل می شوند. قطعات گرافیتی با کیفیت بالا معمولا به صورت ایزواستاتیک پرس می شوند. کل قطعه ابتدا کربنیزه می شود و سپس در دماهای بسیار بالا نزدیک به 3000 درجه سانتی گراد گرافیت می شود. قطعات ماشینکاری شده از این مونولیت ها اغلب در یک اتمسفر حاوی کلر در دماهای بالا برای حذف آلودگی فلزی برای مطابقت با الزامات صنعت نیمه هادی خالص می شوند. با این حال، حتی با تصفیه مناسب، سطوح آلودگی فلزی بالاتر از حد مجاز مواد تک کریستالی سیلیکونی است. بنابراین در طراحی میدان حرارتی باید دقت شود تا از ورود آلودگی این اجزا به سطح مذاب یا کریستال جلوگیری شود.

مواد گرافیت کمی نفوذپذیر است که به فلز باقی مانده در داخل اجازه می دهد تا به راحتی به سطح برسد. علاوه بر این، مونوکسید سیلیکون موجود در گاز پاکسازی اطراف سطح گرافیت می تواند به اعماق بیشتر مواد نفوذ کند و واکنش نشان دهد.

بخاری های کوره سیلیکونی تک کریستال اولیه از فلزات نسوز مانند تنگستن و مولیبدن ساخته می شدند. همانطور که فناوری پردازش گرافیت بالغ می شود، خواص الکتریکی اتصالات بین اجزای گرافیت پایدار می شود و بخاری های کوره ای سیلیکونی تک کریستال به طور کامل جایگزین بخاری های تنگستن و مولیبدن و سایر مواد شده اند. پرکاربردترین ماده گرافیت در حال حاضر گرافیت ایزواستاتیک است. semicera می تواند مواد گرافیتی با فشار ایزواستاتیک با کیفیت بالا را ارائه دهد.

در کوره های سیلیکونی تک کریستال Czochralski، گاهی اوقات از مواد کامپوزیت C/C استفاده می شود و اکنون برای تولید پیچ ​​و مهره، مهره، بوته، صفحات باربر و سایر اجزاء استفاده می شود. مواد کامپوزیتی کربن/کربن (c/c)، مواد کامپوزیتی مبتنی بر کربن تقویت‌شده با فیبر کربن هستند. آنها دارای استحکام ویژه بالا، مدول ویژه بالا، ضریب انبساط حرارتی کم، رسانایی الکتریکی خوب، چقرمگی شکست زیاد، وزن مخصوص کم، مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی هستند، دارای یک سری خواص عالی مانند مقاومت در برابر دمای بالا است و در حال حاضر به طور گسترده ای استفاده می شود. در هوافضا، مسابقه، بیومواد و سایر زمینه ها به عنوان نوع جدیدی از مواد ساختاری مقاوم در برابر دمای بالا استفاده می شود. در حال حاضر، گلوگاه اصلی مواد کامپوزیت C/C داخلی، مسائل مربوط به هزینه و صنعتی شدن است.

بسیاری از مواد دیگر برای ایجاد میدان های حرارتی استفاده می شود. گرافیت تقویت شده با فیبر کربن خواص مکانیکی بهتری دارد. با این حال، گران تر است و الزامات طراحی دیگری را تحمیل می کند. کاربید سیلیکون (SiC) از بسیاری جهات ماده بهتری نسبت به گرافیت است، اما ساخت قطعات با حجم زیاد بسیار گرانتر و دشوارتر است. با این حال، SiC اغلب به عنوان یک پوشش CVD برای افزایش عمر قطعات گرافیت در معرض گاز مونوکسید سیلیکون تهاجمی و همچنین برای کاهش آلودگی ناشی از گرافیت استفاده می شود. پوشش متراکم کاربید سیلیکون CVD به طور موثری از رسیدن آلاینده های داخل مواد گرافیت ریز متخلخل به سطح جلوگیری می کند.

دیگری کربن CVD است که می تواند یک لایه متراکم در بالای قطعات گرافیت ایجاد کند. سایر مواد مقاوم در برابر دمای بالا مانند مولیبدن یا مواد سرامیکی که با محیط سازگار هستند را می توان در مواردی که خطر آلودگی مذاب وجود ندارد استفاده کرد. با این حال، سرامیک‌های اکسیدی برای تماس مستقیم با مواد گرافیت در دماهای بالا مناسب هستند و در صورت نیاز به عایق، اغلب گزینه‌های کمی باقی می‌مانند. یکی نیترید بور شش ضلعی است (به دلیل خواص مشابه، گاهی اوقات گرافیت سفید نامیده می شود)، اما خواص مکانیکی ضعیفی دارد. مولیبدن به دلیل هزینه متوسط، انتشار کم در کریستال های سیلیکونی و ضریب تفکیک کم، حدود 5×108، که اجازه می دهد تا مقداری آلودگی مولیبدن را قبل از تخریب ساختار کریستالی، امکان پذیر کند، عموماً برای کاربردهای دمای بالا مناسب است.

دو مواد عایق میدان حرارتی
متداول ترین ماده عایق مورد استفاده، نمد کربن به اشکال مختلف است. نمد کربن از الیاف نازک ساخته شده است که به عنوان عایق حرارتی عمل می کنند، زیرا تابش حرارتی را چندین بار در فاصله کوتاه مسدود می کنند. نمد کربن نرم به صورت ورقه های نسبتاً نازکی از مواد بافته می شود که سپس به شکل دلخواه بریده می شوند و به شعاع معقولی محکم خم می شوند. نمد پخته شده از مواد الیافی مشابه تشکیل شده است که از یک چسب حاوی کربن برای اتصال الیاف پراکنده به یک جسم محکم تر و شیک تر استفاده می کند. استفاده از رسوب شیمیایی بخار کربن به جای چسب ها می تواند خواص مکانیکی مواد را بهبود بخشد.

به طور معمول، سطح بیرونی نمد خشک شده عایق با یک پوشش گرافیتی پیوسته یا فویل پوشانده می شود تا فرسایش و سایش و همچنین آلودگی ذرات را کاهش دهد. انواع دیگری از مواد عایق مبتنی بر کربن نیز وجود دارد، مانند فوم کربن. به طور کلی، مواد گرافیتی به وضوح ترجیح داده می شوند زیرا گرافیتی شدن سطح الیاف را تا حد زیادی کاهش می دهد. این مواد با سطح بالا اجازه خروج گاز بسیار کمتری را می دهند و زمان کمتری برای کشیدن کوره به خلاء مناسب می گیرد. نوع دیگر مواد کامپوزیت C/C است که دارای ویژگی های برجسته ای مانند وزن سبک، تحمل آسیب بالا و استحکام بالا است. در زمینه های حرارتی برای جایگزینی قطعات گرافیتی استفاده می شود که به طور قابل توجهی فرکانس تعویض قطعات گرافیتی را کاهش می دهد و کیفیت تک کریستال و پایداری تولید را بهبود می بخشد.

با توجه به طبقه بندی مواد خام، نمد کربن را می توان به نمد کربنی مبتنی بر پلی اکریلونیتریل، نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز و نمد کربنی مبتنی بر آسفالت تقسیم کرد.

نمد کربن مبتنی بر پلی اکریلونیتریل دارای محتوای خاکستر زیادی است و تک رشته ها پس از درمان در دمای بالا شکننده می شوند. در حین کار، گرد و غبار به راحتی تولید می شود تا محیط کوره را آلوده کند. در عین حال، الیاف به راحتی وارد منافذ و مجاری تنفسی انسان می شوند و به سلامت انسان آسیب می رسانند. نمد کربنی مبتنی بر ویسکوز دارای خواص عایق حرارتی خوبی است، پس از عملیات حرارتی نسبتاً نرم است و احتمال تولید گرد و غبار کمتری دارد. با این حال، مقطع رشته‌های مبتنی بر ویسکوز شکل نامنظمی دارد و دره‌های زیادی روی سطح الیاف وجود دارد که در حضور یک اتمسفر اکسید کننده در کوره سیلیکون تک کریستال Czochralski به راحتی تشکیل می‌شود. گازهایی مانند CO2 باعث رسوب عناصر اکسیژن و کربن در مواد سیلیکونی تک کریستالی می شوند. تولید کنندگان اصلی عبارتند از SGL آلمان و شرکت های دیگر. در حال حاضر، نمد کربن پایه زمین بیشترین استفاده را در صنعت تک کریستال نیمه هادی دارد و عملکرد عایق حرارتی آن بهتر از نمد کربن چسبنده است. نمد کربنی مبتنی بر صمغ پایین‌تر است، اما نمد کربنی مبتنی بر آسفالت خلوص بالاتر و انتشار گرد و غبار کمتری دارد. تولید کنندگان عبارتند از ژاپنی Kureha Chemical، Osaka Gas و غیره.

از آنجایی که شکل نمد کربن ثابت نیست، کار کردن با آن ناخوشایند است. اکنون بسیاری از شرکت ها یک ماده عایق حرارتی جدید بر اساس نمد کربن - نمد کربن پخته شده ایجاد کرده اند. نمد کربن پخته شده را نمد سخت نیز می گویند. نمدی کربنی است که پس از آغشته شدن به رزین، لمینت، جامد شدن و کربنیزه شدن، شکل و خودپایداری خاصی دارد.

کیفیت رشد سیلیکون تک کریستال مستقیماً تحت تأثیر محیط میدان حرارتی است و مواد عایق فیبر کربن نقش اساسی در این محیط دارند. نمد نرم عایق حرارتی فیبر کربن به دلیل مزایای هزینه، اثر عایق حرارتی عالی، طراحی منعطف و شکل قابل تنظیم، هنوز مزیت قابل توجهی در صنعت نیمه هادی فتوولتائیک دارد. علاوه بر این، نمد عایق سفت و سخت فیبر کربن به دلیل استحکام خاص و عملکرد بالاتر، فضای بیشتری برای توسعه در بازار مواد میدان حرارتی خواهد داشت. ما متعهد به تحقیق و توسعه در زمینه مواد عایق حرارتی هستیم و به طور مداوم عملکرد محصول را بهینه می کنیم تا رونق و توسعه صنعت نیمه هادی فتوولتائیک را ارتقا دهیم.