O processo de crescimento do silício monocristalino é totalmente realizado no campo térmico.Um bom campo térmico conduz à melhoria da qualidade do cristal e possui alta eficiência de cristalização.O design do campo térmico determina em grande parte as mudanças e mudanças nos gradientes de temperatura no campo térmico dinâmico.O fluxo de gás na câmara do forno e a diferença nos materiais utilizados no campo térmico determinam diretamente a vida útil do campo térmico.Um campo térmico projetado de maneira inadequada não apenas dificulta o crescimento de cristais que atendam aos requisitos de qualidade, mas também não permite o crescimento de cristais únicos completos sob certos requisitos de processo.É por isso que a indústria de silício monocristalino Czochralski considera o design de campo térmico como a tecnologia principal e investe enormes recursos humanos e materiais em pesquisa e desenvolvimento de campo térmico.
O sistema térmico é composto por vários materiais de campo térmico.Apresentaremos apenas brevemente os materiais utilizados na área térmica.Quanto à distribuição de temperatura no campo térmico e seu impacto na tração dos cristais, não iremos analisá-la aqui.O material do campo térmico refere-se ao forno a vácuo de crescimento de cristal.Porções estruturais e isoladas termicamente da câmara, que são essenciais para criar a temperatura adequada ao redor do fundido e dos cristais do semicondutor.
um.materiais estruturais de campo térmico
O material de suporte básico para o cultivo de silício monocristalino pelo método Czochralski é o grafite de alta pureza.Os materiais de grafite desempenham um papel muito importante na indústria moderna.Na preparação de silício monocristalino pelo método Czochralski, eles podem ser usados como componentes estruturais de campo térmico, como aquecedores, tubos guia, cadinhos, tubos de isolamento e bandejas de cadinhos.
O material grafite foi escolhido devido à sua facilidade de preparação em grandes volumes, processabilidade e propriedades de resistência a altas temperaturas.O carbono na forma de diamante ou grafite tem um ponto de fusão mais alto do que qualquer elemento ou composto.O material de grafite é bastante forte, especialmente em altas temperaturas, e sua condutividade elétrica e térmica também é bastante boa.Sua condutividade elétrica o torna adequado como material aquecedor, e possui uma condutividade térmica satisfatória que pode distribuir uniformemente o calor gerado pelo aquecedor para o cadinho e outras partes do campo térmico.Contudo, a altas temperaturas, especialmente em longas distâncias, o principal modo de transferência de calor é a radiação.
As peças de grafite são inicialmente formadas por extrusão ou prensagem isostática de finas partículas carbonáceas misturadas com um ligante.Peças de grafite de alta qualidade geralmente são prensadas isosticamente.Toda a peça é primeiro carbonizada e depois grafitada a temperaturas muito elevadas, próximas dos 3000°C.As peças usinadas a partir desses monólitos são frequentemente purificadas em uma atmosfera contendo cloro em altas temperaturas para remover a contaminação metálica e atender aos requisitos da indústria de semicondutores.No entanto, mesmo com purificação adequada, os níveis de contaminação metálica são ordens de magnitude superiores aos permitidos pelos materiais monocristalinos de silício.Portanto, deve-se tomar cuidado no projeto do campo térmico para evitar que a contaminação desses componentes entre no fundido ou na superfície do cristal.
O material de grafite é ligeiramente permeável, o que permite que o metal restante no interior alcance facilmente a superfície.Além disso, o monóxido de silício presente no gás de purga ao redor da superfície do grafite pode penetrar profundamente na maioria dos materiais e reagir.
Os primeiros aquecedores de forno de silício de cristal único eram feitos de metais refratários, como tungstênio e molibdênio.À medida que a tecnologia de processamento de grafite amadurece, as propriedades elétricas das conexões entre os componentes de grafite tornam-se estáveis, e os aquecedores de forno de silício de cristal único substituíram completamente o tungstênio e o molibdênio e outros aquecedores de materiais.O material de grafite mais utilizado atualmente é a grafite isostática.semicera pode fornecer materiais de grafite prensados isostaticamente de alta qualidade.
Nos fornos de silício de cristal único Czochralski, às vezes são usados materiais compósitos C/C, e agora estão sendo usados para fabricar parafusos, porcas, cadinhos, placas de suporte de carga e outros componentes.Os materiais compósitos carbono/carbono (c/c) são materiais compósitos à base de carbono reforçados com fibra de carbono.Eles têm alta resistência específica, alto módulo específico, baixo coeficiente de expansão térmica, boa condutividade elétrica, grande tenacidade à fratura, baixa gravidade específica, resistência ao choque térmico, resistência à corrosão, possui uma série de excelentes propriedades, como resistência a altas temperaturas e atualmente é amplamente usado na indústria aeroespacial, corridas, biomateriais e outros campos como um novo tipo de material estrutural resistente a altas temperaturas.Atualmente, o principal gargalo encontrado pelos materiais compósitos C/C domésticos são as questões de custo e industrialização.
Existem muitos outros materiais usados para criar campos térmicos.A grafite reforçada com fibra de carbono possui melhores propriedades mecânicas;entretanto, é mais caro e impõe outros requisitos de projeto.O carboneto de silício (SiC) é um material melhor que o grafite em muitos aspectos, mas é muito mais caro e difícil de fabricar peças de grande volume.No entanto, o SiC é frequentemente usado como revestimento CVD para aumentar a vida útil das peças de grafite expostas ao agressivo gás monóxido de silício e também para reduzir a contaminação do grafite.O denso revestimento de carboneto de silício CVD evita efetivamente que contaminantes dentro do material de grafite microporoso alcancem a superfície.
O outro é o carbono CVD, que também pode formar uma camada densa no topo das peças de grafite.Outros materiais resistentes a altas temperaturas, como molibdênio ou materiais cerâmicos que sejam compatíveis com o meio ambiente, podem ser usados onde não há risco de contaminação do fundido.No entanto, as cerâmicas de óxido têm adequação limitada para contato direto com materiais de grafite em altas temperaturas, muitas vezes deixando poucas alternativas se for necessário isolamento.Um deles é o nitreto de boro hexagonal (às vezes chamado de grafite branco devido às propriedades semelhantes), mas possui propriedades mecânicas pobres.O molibdênio é geralmente razoável para aplicações em altas temperaturas devido ao seu custo moderado, baixa difusividade em cristais de silício e baixo coeficiente de segregação, cerca de 5 × 108, o que permite alguma contaminação do molibdênio antes de destruir a estrutura cristalina.
dois.Materiais de isolamento de campo térmico
O material de isolamento mais comumente usado é o feltro de carbono em várias formas.O feltro de carbono é feito de fibras finas que atuam como isolantes térmicos porque bloqueiam a radiação térmica muitas vezes em curtas distâncias.O feltro macio de carbono é tecido em folhas de material relativamente finas, que são então cortadas no formato desejado e dobradas firmemente em um raio razoável.O feltro curado é composto de materiais de fibra semelhantes, usando um aglutinante contendo carbono para conectar as fibras dispersas em um objeto mais sólido e elegante.O uso de deposição química de vapor de carbono em vez de ligantes pode melhorar as propriedades mecânicas do material.
Normalmente, a superfície externa do feltro curado isolante é revestida com um revestimento ou folha contínua de grafite para reduzir a erosão e o desgaste, bem como a contaminação por partículas.Também existem outros tipos de materiais de isolamento à base de carbono, como espuma de carbono.Em geral, os materiais grafitados são claramente preferidos porque a grafitização reduz grandemente a área superficial da fibra.Esses materiais de alta área superficial permitem muito menos liberação de gases e levam menos tempo para levar o forno a um vácuo adequado.O outro tipo é o material compósito C/C, que possui características excelentes como peso leve, alta tolerância a danos e alta resistência.Usado em campos térmicos para substituir peças de grafite, o que reduz significativamente a frequência de substituição de peças de grafite e melhora a qualidade do cristal único e a estabilidade da produção.
De acordo com a classificação das matérias-primas, o feltro de carbono pode ser dividido em feltro de carbono à base de poliacrilonitrila, feltro de carbono à base de viscose e feltro de carbono à base de asfalto.
O feltro de carbono à base de poliacrilonitrila tem um grande teor de cinzas e os monofilamentos tornam-se quebradiços após o tratamento em alta temperatura.Durante a operação, a poeira é facilmente produzida para poluir o ambiente do forno.Ao mesmo tempo, as fibras entram facilmente nos poros e no trato respiratório humano, causando danos à saúde humana;feltro de carbono à base de viscose Possui boas propriedades de isolamento térmico, é relativamente macio após o tratamento térmico e tem menos probabilidade de produzir poeira.No entanto, a seção transversal dos fios à base de viscose tem formato irregular e há muitas ravinas na superfície da fibra, que são fáceis de formar na presença de uma atmosfera oxidante em um forno de silício monocristalino Czochralski.Gases como o CO2 causam a precipitação de elementos de oxigênio e carbono em materiais de silício monocristalino.Os principais fabricantes incluem a alemã SGL e outras empresas.Atualmente, o feltro de carbono à base de piche é o mais amplamente utilizado na indústria de semicondutores de cristal único e seu desempenho de isolamento térmico é melhor do que o do feltro de carbono pegajoso.O feltro de carbono à base de goma é inferior, mas o feltro de carbono à base de asfalto tem maior pureza e menor emissão de poeira.Os fabricantes incluem Kureha Chemical do Japão, Osaka Gas, etc.
Como o formato do feltro de carbono não é fixo, sua operação é inconveniente.Agora, muitas empresas desenvolveram um novo material de isolamento térmico baseado em feltro de carbono - feltro de carbono curado.O feltro de carbono curado também é chamado de feltro duro.É um feltro de carbono que apresenta certa forma e autosustentabilidade após ser impregnado com resina, laminado, solidificado e carbonizado.
A qualidade do crescimento do silício monocristalino é diretamente afetada pelo ambiente do campo térmico, e os materiais de isolamento de fibra de carbono desempenham um papel fundamental nesse ambiente.O feltro macio com isolamento térmico de fibra de carbono ainda ocupa uma vantagem significativa na indústria de semicondutores fotovoltaicos devido às suas vantagens de custo, excelente efeito de isolamento térmico, design flexível e formato personalizável.Além disso, o feltro de isolamento rígido de fibra de carbono terá maior espaço para desenvolvimento no mercado de materiais de campo térmico devido à sua certa resistência e maior operabilidade.Estamos comprometidos com a pesquisa e o desenvolvimento na área de materiais de isolamento térmico e otimizamos continuamente o desempenho do produto para promover a prosperidade e o desenvolvimento da indústria de semicondutores fotovoltaicos.
Horário da postagem: 15 de maio de 2024