Il processo di crescita del silicio monocristallino viene effettuato completamente in campo termico. Un buon campo termico favorisce il miglioramento della qualità dei cristalli e presenta un'elevata efficienza di cristallizzazione. La progettazione del campo termico determina in gran parte i cambiamenti e le variazioni dei gradienti di temperatura nel campo termico dinamico. Il flusso di gas nella camera del forno e la differenza dei materiali utilizzati nel campo termico determinano direttamente la durata del campo termico. Un campo termico progettato in modo irragionevole non solo rende difficile la crescita di cristalli che soddisfino i requisiti di qualità, ma non può nemmeno far crescere cristalli singoli completi con determinati requisiti di processo. Questo è il motivo per cui l’industria del silicio monocristallino Czochralski considera la progettazione del campo termico come la tecnologia principale e investe ingenti risorse umane e materiali nella ricerca e nello sviluppo del campo termico.
Il sistema termico è composto da vari materiali del campo termico. Presenteremo solo brevemente i materiali utilizzati in ambito termico. Per quanto riguarda la distribuzione della temperatura nel campo termico e il suo impatto sull'estrazione dei cristalli, non lo analizzeremo qui. Il materiale del campo termico si riferisce al forno sotto vuoto per la crescita dei cristalli. Porzioni strutturali e termicamente isolate della camera, essenziali per creare la temperatura adeguata attorno al materiale fuso e ai cristalli del semiconduttore.
uno. materiali strutturali in campo termico
Il materiale di supporto di base per la coltivazione del silicio monocristallino mediante il metodo Czochralski è la grafite ad elevata purezza. I materiali di grafite svolgono un ruolo molto importante nell'industria moderna. Nella preparazione del silicio monocristallino mediante il metodo Czochralski, possono essere utilizzati come componenti strutturali del campo termico come riscaldatori, tubi guida, crogioli, tubi isolanti e vassoi per crogioli.
Il materiale grafite è stato scelto per la sua facilità di preparazione in grandi volumi, lavorabilità e proprietà di resistenza alle alte temperature. Il carbonio sotto forma di diamante o grafite ha un punto di fusione più elevato rispetto a qualsiasi elemento o composto. Il materiale di grafite è piuttosto resistente, soprattutto alle alte temperature, e anche la sua conduttività elettrica e termica è abbastanza buona. La sua conduttività elettrica lo rende adatto come materiale riscaldante e ha una conduttività termica soddisfacente che può distribuire uniformemente il calore generato dal riscaldatore al crogiolo e ad altre parti del campo termico. Tuttavia, alle alte temperature, soprattutto su lunghe distanze, la principale modalità di trasferimento del calore è l’irraggiamento.
Le parti in grafite vengono inizialmente formate mediante estrusione o pressatura isostatica di fini particelle carboniose mescolate con un legante. Le parti in grafite di alta qualità vengono solitamente pressate isostaticamente. L'intero pezzo viene prima carbonizzato e poi grafitizzato a temperature molto elevate, prossime ai 3000°C. Le parti ricavate da questi monoliti vengono spesso purificate in un'atmosfera contenente cloro ad alte temperature per rimuovere la contaminazione metallica e soddisfare i requisiti dell'industria dei semiconduttori. Tuttavia, anche con un'adeguata purificazione, i livelli di contaminazione dei metalli sono ordini di grandezza superiori a quelli consentiti dai materiali monocristallini di silicio. Pertanto, è necessario prestare attenzione nella progettazione del campo termico per evitare che la contaminazione di questi componenti penetri nella superficie fusa o cristallina.
Il materiale di grafite è leggermente permeabile, il che consente al metallo rimanente all'interno di raggiungere facilmente la superficie. Inoltre, il monossido di silicio presente nel gas di spurgo attorno alla superficie della grafite può penetrare in profondità nella maggior parte dei materiali e reagire.
I primi riscaldatori per forni in silicio monocristallino erano realizzati con metalli refrattari come tungsteno e molibdeno. Man mano che la tecnologia di lavorazione della grafite matura, le proprietà elettriche delle connessioni tra i componenti di grafite diventano stabili e i riscaldatori per forni in silicio monocristallino hanno completamente sostituito i riscaldatori di tungsteno, molibdeno e altri materiali. Il materiale di grafite più utilizzato attualmente è la grafite isostatica. semicera può fornire materiali in grafite pressata isostaticamente di alta qualità.
Nei forni di silicio monocristallino Czochralski, vengono talvolta utilizzati materiali compositi C/C, che ora vengono utilizzati per produrre bulloni, dadi, crogioli, piastre portanti e altri componenti. I materiali compositi carbonio/carbonio (c/c) sono materiali compositi a base di carbonio rinforzati con fibra di carbonio. Hanno elevata resistenza specifica, alto modulo specifico, basso coefficiente di dilatazione termica, buona conduttività elettrica, grande tenacità alla frattura, basso peso specifico, resistenza allo shock termico, resistenza alla corrosione, Ha una serie di proprietà eccellenti come resistenza alle alte temperature ed è attualmente ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, nelle corse, nei biomateriali e in altri campi come nuovo tipo di materiale strutturale resistente alle alte temperature. Al momento, il principale collo di bottiglia incontrato dai materiali compositi C/C domestici sono i costi e i problemi di industrializzazione.
Esistono molti altri materiali utilizzati per creare campi termici. La grafite rinforzata con fibra di carbonio ha proprietà meccaniche migliori; tuttavia, è più costoso e impone altri requisiti di progettazione. Il carburo di silicio (SiC) è un materiale migliore della grafite sotto molti aspetti, ma è molto più costoso e difficile da fabbricare parti di grandi volumi. Tuttavia, il SiC viene spesso utilizzato come rivestimento CVD per aumentare la durata delle parti in grafite esposte al gas aggressivo di monossido di silicio e anche per ridurre la contaminazione da grafite. Il denso rivestimento in carburo di silicio CVD impedisce efficacemente ai contaminanti all'interno del materiale di grafite microporosa di raggiungere la superficie.
L'altro è il carbonio CVD, che può anche formare uno strato denso sopra le parti in grafite. Altri materiali resistenti alle alte temperature, come il molibdeno o materiali ceramici compatibili con l'ambiente, possono essere utilizzati laddove non vi sia rischio di contaminazione della massa fusa. Tuttavia, le ceramiche a base di ossido hanno un'idoneità limitata al contatto diretto con materiali di grafite ad alte temperature, lasciando spesso poche alternative se è necessario l'isolamento. Uno è il nitruro di boro esagonale (a volte chiamato grafite bianca a causa delle proprietà simili), ma ha scarse proprietà meccaniche. Il molibdeno è generalmente ragionevole per applicazioni ad alta temperatura a causa del suo costo moderato, della bassa diffusività nei cristalli di silicio e del basso coefficiente di segregazione, circa 5 × 108, che consente una certa contaminazione da molibdeno prima di distruggere la struttura cristallina.
due. Materiali per l'isolamento del campo termico
Il materiale isolante più comunemente utilizzato è il feltro di carbonio in varie forme. Il feltro di carbonio è costituito da fibre sottili che fungono da isolante termico perché bloccano più volte la radiazione termica su una breve distanza. Il morbido feltro di carbonio viene tessuto in fogli di materiale relativamente sottili, che vengono poi tagliati nella forma desiderata e piegati strettamente con un raggio ragionevole. Il feltro polimerizzato è composto da materiali in fibra simili, utilizzando un legante contenente carbonio per collegare le fibre disperse in un oggetto più solido ed elegante. L'utilizzo della deposizione chimica in fase vapore del carbonio anziché dei leganti può migliorare le proprietà meccaniche del materiale.
Tipicamente, la superficie esterna del feltro polimerizzato isolante è rivestita con un rivestimento o un foglio continuo di grafite per ridurre l'erosione e l'usura, nonché la contaminazione da particelle. Esistono anche altri tipi di materiali isolanti a base di carbonio, come la schiuma di carbonio. In generale, i materiali grafitizzati sono chiaramente preferiti perché la grafitizzazione riduce notevolmente l'area superficiale della fibra. Questi materiali ad elevata area superficiale consentono un degassamento molto inferiore e richiedono meno tempo per portare il forno al vuoto adeguato. L'altro tipo è il materiale composito C/C, che presenta caratteristiche eccezionali come leggerezza, elevata tolleranza ai danni ed elevata resistenza. Utilizzato nei campi termici per sostituire le parti in grafite, riducendo significativamente la frequenza di sostituzione delle parti in grafite e migliorando la qualità del singolo cristallo e la stabilità della produzione.
Secondo la classificazione delle materie prime, il feltro di carbonio può essere suddiviso in feltro di carbonio a base di poliacrilonitrile, feltro di carbonio a base di viscosa e feltro di carbonio a base di asfalto.
Il feltro di carbonio a base di poliacrilonitrile ha un elevato contenuto di ceneri e i monofilamenti diventano fragili dopo il trattamento ad alta temperatura. Durante il funzionamento si produce facilmente polvere che inquina l'ambiente del forno. Allo stesso tempo, le fibre entrano facilmente nei pori e nelle vie respiratorie umane, causando danni alla salute umana; feltro di carbonio a base di viscosa Ha buone proprietà di isolamento termico, è relativamente morbido dopo il trattamento termico e ha meno probabilità di produrre polvere. Tuttavia, la sezione trasversale dei fili a base di viscosa ha una forma irregolare e sulla superficie della fibra sono presenti molti anfratti, che si formano facilmente in presenza di un'atmosfera ossidante in una fornace di silicio monocristallino Czochralski. Gas come la CO2 causano la precipitazione di ossigeno e elementi di carbonio nei materiali di silicio monocristallino. I principali produttori includono la tedesca SGL e altre società. Attualmente, il feltro di carbonio a base di pece è il più utilizzato nel settore dei semiconduttori monocristallini e le sue prestazioni di isolamento termico sono migliori di quelle del feltro di carbonio appiccicoso. Il feltro di carbonio a base di gomma è inferiore, ma il feltro di carbonio a base di asfalto ha una purezza maggiore e una minore emissione di polvere. I produttori includono la giapponese Kureha Chemical, Osaka Gas, ecc.
Poiché la forma del feltro di carbonio non è fissa, è scomodo da utilizzare. Ora molte aziende hanno sviluppato un nuovo materiale isolante termico basato sul feltro di carbonio: feltro di carbonio polimerizzato. Il feltro di carbonio polimerizzato è anche chiamato feltro duro. È un feltro di carbonio che ha una certa forma e autosostenibilità dopo essere stato impregnato con resina, laminato, solidificato e carbonizzato.
La qualità della crescita del silicio monocristallino è direttamente influenzata dal campo termico ambientale e i materiali isolanti in fibra di carbonio svolgono un ruolo chiave in questo ambiente. Il feltro morbido isolante termico in fibra di carbonio occupa ancora un vantaggio significativo nel settore dei semiconduttori fotovoltaici grazie ai suoi vantaggi in termini di costi, all'eccellente effetto di isolamento termico, al design flessibile e alla forma personalizzabile. Inoltre, il feltro isolante rigido in fibra di carbonio avrà maggiore spazio di sviluppo nel mercato dei materiali per il campo termico grazie alla sua certa resistenza e maggiore operabilità. Ci impegniamo nella ricerca e nello sviluppo nel campo dei materiali per l'isolamento termico e ottimizziamo continuamente le prestazioni dei prodotti per promuovere la prosperità e lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori fotovoltaici.
Orario di pubblicazione: 15 maggio 2024