El proceso de crecimiento del silicio monocristalino se lleva a cabo íntegramente en el campo térmico.Un buen campo térmico favorece la mejora de la calidad del cristal y tiene una alta eficiencia de cristalización.El diseño del campo térmico determina en gran medida los cambios y cambios de gradientes de temperatura en el campo térmico dinámico.El flujo de gas en la cámara del horno y la diferencia de materiales utilizados en el campo térmico determinan directamente la vida útil del campo térmico.Un campo térmico diseñado de manera irracional no sólo dificulta el crecimiento de cristales que cumplan con los requisitos de calidad, sino que tampoco puede producir cristales individuales completos bajo ciertos requisitos de proceso.Esta es la razón por la que la industria del silicio monocristalino de Czochralski considera el diseño de campos térmicos como la tecnología central e invierte enormes recursos humanos y materiales en la investigación y el desarrollo de campos térmicos.
El sistema térmico está compuesto por varios materiales de campo térmico.Sólo presentaremos brevemente los materiales utilizados en el campo térmico.En cuanto a la distribución de temperatura en el campo térmico y su impacto en la extracción de cristales, no la analizaremos aquí.El material del campo térmico se refiere al horno de vacío de crecimiento de cristales.Porciones estructurales y térmicamente aisladas de la cámara, que son esenciales para crear la tela de temperatura adecuada alrededor del semiconductor fundido y los cristales.
uno.materiales estructurales de campo térmico
El material de soporte básico para el cultivo de silicio monocristalino mediante el método Czochralski es el grafito de alta pureza.Los materiales de grafito juegan un papel muy importante en la industria moderna.En la preparación de silicio monocristalino mediante el método de Czochralski, se pueden utilizar como componentes estructurales de campo térmico, como calentadores, tubos guía, crisoles, tubos aislantes y bandejas de crisol.
Se eligió el material de grafito debido a su facilidad de preparación en grandes volúmenes, procesabilidad y propiedades de resistencia a altas temperaturas.El carbono en forma de diamante o grafito tiene un punto de fusión más alto que cualquier elemento o compuesto.El material de grafito es bastante resistente, especialmente a altas temperaturas, y su conductividad eléctrica y térmica también es bastante buena.Su conductividad eléctrica lo hace adecuado como material calentador y tiene una conductividad térmica satisfactoria que puede distribuir uniformemente el calor generado por el calentador al crisol y otras partes del campo térmico.Sin embargo, a altas temperaturas, especialmente a largas distancias, el principal modo de transferencia de calor es la radiación.
Las piezas de grafito se forman inicialmente mediante extrusión o prensado isostático de finas partículas carbonosas mezcladas con un aglutinante.Las piezas de grafito de alta calidad suelen prensarse isostáticamente.Toda la pieza se carboniza primero y luego se grafitiza a temperaturas muy altas, cercanas a los 3000°C.Las piezas mecanizadas a partir de estos monolitos a menudo se purifican en una atmósfera que contiene cloro a altas temperaturas para eliminar la contaminación metálica y cumplir con los requisitos de la industria de semiconductores.Sin embargo, incluso con una purificación adecuada, los niveles de contaminación metálica son órdenes de magnitud superiores a los permitidos por los materiales monocristalinos de silicio.Por lo tanto, se debe tener cuidado en el diseño del campo térmico para evitar que la contaminación de estos componentes entre en la superficie fundida o del cristal.
El material de grafito es ligeramente permeable, lo que permite que el metal restante en el interior llegue fácilmente a la superficie.Además, el monóxido de silicio presente en el gas de purga alrededor de la superficie del grafito puede penetrar profundamente en la mayoría de los materiales y reaccionar.
Los primeros calentadores de hornos de silicio monocristalino estaban hechos de metales refractarios como el tungsteno y el molibdeno.A medida que la tecnología de procesamiento de grafito madura, las propiedades eléctricas de las conexiones entre los componentes de grafito se vuelven estables y los calentadores de horno de silicio monocristalino han reemplazado por completo los calentadores de tungsteno y molibdeno y otros materiales.El material de grafito más utilizado en la actualidad es el grafito isostático.semicera puede proporcionar materiales de grafito prensados isostáticamente de alta calidad.
En los hornos de silicio monocristalino de Czochralski, a veces se utilizan materiales compuestos C/C, que ahora se utilizan para fabricar pernos, tuercas, crisoles, placas de soporte y otros componentes.Los materiales compuestos carbono/carbono (c/c) son materiales compuestos a base de carbono reforzados con fibra de carbono.Tienen alta resistencia específica, alto módulo específico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena conductividad eléctrica, gran tenacidad a la fractura, baja gravedad específica, resistencia al choque térmico, resistencia a la corrosión. Tiene una serie de excelentes propiedades como resistencia a altas temperaturas y actualmente es ampliamente utilizado en aeroespacial, carreras, biomateriales y otros campos como un nuevo tipo de material estructural resistente a altas temperaturas.En la actualidad, el principal obstáculo que enfrentan los materiales compuestos C/C nacionales son los problemas de costo y de industrialización.
Hay muchos otros materiales que se utilizan para crear campos térmicos.El grafito reforzado con fibra de carbono tiene mejores propiedades mecánicas;sin embargo, es más caro e impone otros requisitos de diseño.El carburo de silicio (SiC) es un material mejor que el grafito en muchos sentidos, pero es mucho más caro y difícil de fabricar piezas de gran volumen.Sin embargo, el SiC se utiliza a menudo como recubrimiento CVD para aumentar la vida útil de las piezas de grafito expuestas al gas agresivo de monóxido de silicio y también para reducir la contaminación del grafito.El denso revestimiento de carburo de silicio CVD evita eficazmente que los contaminantes del interior del material de grafito microporoso lleguen a la superficie.
El otro es el carbono CVD, que también puede formar una capa densa sobre las piezas de grafito.Se pueden utilizar otros materiales resistentes a altas temperaturas, como molibdeno o materiales cerámicos que sean compatibles con el medio ambiente, cuando no exista riesgo de contaminación de la masa fundida.Sin embargo, las cerámicas de óxido tienen una idoneidad limitada para el contacto directo con materiales de grafito a altas temperaturas, lo que a menudo deja pocas alternativas si se requiere aislamiento.Uno es el nitruro de boro hexagonal (a veces llamado grafito blanco debido a propiedades similares), pero tiene propiedades mecánicas deficientes.El molibdeno es generalmente razonable para aplicaciones de alta temperatura debido a su costo moderado, baja difusividad en los cristales de silicio y bajo coeficiente de segregación, aproximadamente 5 × 108, lo que permite cierta contaminación del molibdeno antes de destruir la estructura cristalina.
dos.Materiales de aislamiento de campo térmico.
El material aislante más utilizado es el fieltro de carbono en diversas formas.El fieltro de carbono está hecho de fibras finas que actúan como aislante térmico porque bloquean muchas veces la radiación térmica en una distancia corta.El fieltro de carbono blando se teje en láminas de material relativamente delgadas, que luego se cortan en la forma deseada y se doblan firmemente hasta un radio razonable.El fieltro curado se compone de materiales de fibra similares y utiliza un aglutinante que contiene carbono para conectar las fibras dispersas en un objeto más sólido y elegante.El uso de la deposición química de vapor de carbono en lugar de aglutinantes puede mejorar las propiedades mecánicas del material.
Normalmente, la superficie exterior del fieltro curado aislante está recubierta con una capa o lámina de grafito continuo para reducir la erosión y el desgaste, así como la contaminación por partículas.También existen otros tipos de materiales aislantes a base de carbono, como la espuma de carbono.En general, los materiales grafitizados se prefieren claramente porque la grafitización reduce en gran medida el área superficial de la fibra.Estos materiales de alta superficie permiten una desgasificación mucho menor y requieren menos tiempo para llevar el horno a un vacío adecuado.El otro tipo es el material compuesto C/C, que tiene características sobresalientes como peso ligero, alta tolerancia al daño y alta resistencia.Se utiliza en campos térmicos para reemplazar piezas de grafito, lo que reduce significativamente la frecuencia de reemplazo de piezas de grafito y mejora la calidad del monocristal y la estabilidad de la producción.
Según la clasificación de las materias primas, el fieltro de carbono se puede dividir en fieltro de carbono a base de poliacrilonitrilo, fieltro de carbono a base de viscosa y fieltro de carbono a base de asfalto.
El fieltro de carbono a base de poliacrilonitrilo tiene un gran contenido de cenizas y los monofilamentos se vuelven quebradizos después del tratamiento a alta temperatura.Durante el funcionamiento, se produce fácilmente polvo que contamina el entorno del horno.Al mismo tiempo, las fibras ingresan fácilmente a los poros y al tracto respiratorio humanos, causando daños a la salud humana;fieltro de carbono a base de viscosa Tiene buenas propiedades de aislamiento térmico, es relativamente suave después del tratamiento térmico y es menos probable que produzca polvo.Sin embargo, la sección transversal de las hebras a base de viscosa tiene una forma irregular y hay muchos barrancos en la superficie de la fibra, lo que es fácil de formar en presencia de una atmósfera oxidante en un horno de silicio monocristalino de Czochralski.Gases como el CO2 provocan la precipitación de elementos de oxígeno y carbono en materiales de silicio monocristalino.Los principales fabricantes incluyen la alemana SGL y otras empresas.En la actualidad, el fieltro de carbono a base de brea es el más utilizado en la industria de semiconductores monocristalinos y su rendimiento de aislamiento térmico es mejor que el del fieltro de carbono adhesivo.El fieltro de carbono a base de goma es inferior, pero el fieltro de carbono a base de asfalto tiene mayor pureza y menor emisión de polvo.Los fabricantes incluyen Kureha Chemical de Japón, Osaka Gas, etc.
Dado que la forma del fieltro de carbono no es fija, su funcionamiento resulta incómodo.Ahora muchas empresas han desarrollado un nuevo material de aislamiento térmico a base de fieltro de carbono: el fieltro de carbono curado.El fieltro de carbón curado también se llama fieltro duro.Es un fieltro de carbono que tiene cierta forma y autosostenibilidad luego de ser impregnado con resina, laminado, solidificado y carbonizado.
La calidad de crecimiento del silicio monocristalino se ve directamente afectada por el entorno del campo térmico, y los materiales aislantes de fibra de carbono desempeñan un papel clave en este entorno.El fieltro blando de aislamiento térmico de fibra de carbono todavía ocupa una ventaja significativa en la industria de semiconductores fotovoltaicos debido a sus ventajas de costo, excelente efecto de aislamiento térmico, diseño flexible y forma personalizable.Además, el fieltro aislante rígido de fibra de carbono tendrá mayor margen de desarrollo en el mercado de materiales para campos térmicos debido a su cierta resistencia y mayor operatividad.Estamos comprometidos con la investigación y el desarrollo en el campo de los materiales de aislamiento térmico y optimizamos continuamente el rendimiento de los productos para promover la prosperidad y el desarrollo de la industria de semiconductores fotovoltaicos.
Hora de publicación: 15 de mayo de 2024