Proses pertumbuhan silikon kristal tunggal sepenuhnya dilakukan di medan termal. Medan termal yang baik kondusif untuk meningkatkan kualitas kristal dan memiliki efisiensi kristalisasi yang tinggi. Perancangan medan termal sangat menentukan perubahan dan perubahan gradien suhu pada medan termal dinamis. Aliran gas di ruang tungku dan perbedaan bahan yang digunakan dalam medan termal secara langsung menentukan masa pakai medan termal. Medan termal yang dirancang secara tidak masuk akal tidak hanya mempersulit pertumbuhan kristal yang memenuhi persyaratan kualitas, tetapi juga tidak dapat menumbuhkan kristal tunggal lengkap dalam persyaratan proses tertentu. Inilah sebabnya mengapa industri silikon monokristalin Czochralski menganggap desain medan termal sebagai teknologi inti dan menginvestasikan banyak tenaga kerja dan sumber daya material dalam penelitian dan pengembangan bidang termal.
Sistem termal terdiri dari berbagai bahan medan termal. Kami hanya akan memperkenalkan secara singkat bahan yang digunakan dalam bidang termal. Mengenai distribusi suhu di medan termal dan dampaknya terhadap penarikan kristal, kami tidak akan menganalisisnya di sini. Bahan medan termal mengacu pada tungku vakum pertumbuhan kristal. Bagian ruangan yang struktural dan terisolasi secara termal, yang penting untuk menciptakan kain bersuhu tepat di sekitar lelehan dan kristal semikonduktor.
satu. bahan struktur medan termal
Bahan pendukung dasar untuk menumbuhkan silikon kristal tunggal dengan metode Czochralski adalah grafit dengan kemurnian tinggi. Bahan grafit memainkan peran yang sangat penting dalam industri modern. Dalam pembuatan silikon kristal tunggal dengan metode Czochralski, mereka dapat digunakan sebagai komponen struktur medan termal seperti pemanas, tabung pemandu, cawan lebur, tabung insulasi, dan baki wadah.
Bahan grafit dipilih karena kemudahan pembuatannya dalam volume besar, kemampuan proses dan sifat tahan suhu tinggi. Karbon dalam bentuk intan atau grafit memiliki titik leleh yang lebih tinggi dibandingkan unsur atau senyawa apapun. Bahan grafit cukup kuat terutama pada suhu tinggi, serta konduktivitas listrik dan termalnya juga cukup baik. Konduktivitas listriknya membuatnya cocok sebagai bahan pemanas, dan memiliki konduktivitas termal yang memuaskan sehingga dapat mendistribusikan panas yang dihasilkan oleh pemanas secara merata ke wadah dan bagian lain dari medan termal. Namun, pada suhu tinggi, terutama pada jarak jauh, cara utama perpindahan panas adalah radiasi.
Bagian grafit awalnya dibentuk dengan ekstrusi atau pengepresan isostatik dari partikel karbon halus yang dicampur dengan bahan pengikat. Bagian grafit berkualitas tinggi biasanya ditekan secara isostatik. Seluruh bagian pertama-tama dikarbonisasi dan kemudian digrafitisasi pada suhu yang sangat tinggi, mendekati 3000°C. Suku cadang yang dibuat dari monolit ini sering kali dimurnikan dalam atmosfer yang mengandung klorin pada suhu tinggi untuk menghilangkan kontaminasi logam guna memenuhi persyaratan industri semikonduktor. Namun, bahkan dengan pemurnian yang tepat, tingkat kontaminasi logam jauh lebih tinggi daripada yang diperbolehkan oleh bahan kristal tunggal silikon. Oleh karena itu, kehati-hatian harus dilakukan dalam desain medan termal untuk mencegah kontaminasi komponen ini memasuki permukaan lelehan atau kristal.
Bahan grafit sedikit permeabel, sehingga sisa logam di dalamnya dapat dengan mudah mencapai permukaan. Selain itu, silikon monoksida yang ada dalam gas pembersih di sekitar permukaan grafit dapat menembus jauh ke dalam sebagian besar material dan bereaksi.
Pemanas tungku silikon kristal tunggal awal terbuat dari logam tahan api seperti tungsten dan molibdenum. Seiring dengan semakin matangnya teknologi pemrosesan grafit, sifat kelistrikan sambungan antara komponen grafit menjadi stabil, dan pemanas tungku silikon kristal tunggal telah sepenuhnya menggantikan tungsten dan molibdenum serta pemanas material lainnya. Bahan grafit yang paling banyak digunakan saat ini adalah grafit isostatik. semicera dapat menghasilkan bahan grafit yang ditekan secara isostatik berkualitas tinggi.
Dalam tungku silikon kristal tunggal Czochralski, material komposit C/C kadang-kadang digunakan, dan sekarang digunakan untuk memproduksi baut, mur, cawan lebur, pelat penahan beban, dan komponen lainnya. Material komposit karbon/karbon (c/c) adalah material komposit berbasis karbon yang diperkuat serat karbon. Mereka memiliki kekuatan spesifik yang tinggi, modulus spesifik yang tinggi, koefisien muai panas yang rendah, konduktivitas listrik yang baik, ketangguhan patah yang besar, berat jenis yang rendah, ketahanan guncangan termal, ketahanan terhadap korosi, Ia memiliki serangkaian sifat yang sangat baik seperti tahan suhu tinggi dan saat ini banyak digunakan. digunakan di luar angkasa, balap, biomaterial dan bidang lainnya sebagai jenis baru bahan struktural tahan suhu tinggi. Saat ini, kendala utama yang dihadapi material komposit C/C dalam negeri adalah masalah biaya dan industrialisasi.
Ada banyak bahan lain yang digunakan untuk membuat medan termal. Grafit yang diperkuat serat karbon memiliki sifat mekanik yang lebih baik; namun, biayanya lebih mahal dan memerlukan persyaratan desain lainnya. Silikon karbida (SiC) adalah bahan yang lebih baik daripada grafit dalam banyak hal, namun jauh lebih mahal dan sulit untuk membuat komponen bervolume besar. Namun, SiC sering digunakan sebagai pelapis CVD untuk meningkatkan umur bagian grafit yang terkena gas silikon monoksida agresif dan juga untuk mengurangi kontaminasi dari grafit. Lapisan silikon karbida CVD yang padat secara efektif mencegah kontaminan di dalam bahan grafit mikropori mencapai permukaan.
Yang lainnya adalah karbon CVD, yang juga dapat membentuk lapisan padat di atas bagian grafit. Bahan tahan suhu tinggi lainnya, seperti bahan molibdenum atau keramik yang kompatibel dengan lingkungan, dapat digunakan jika tidak ada risiko kontaminasi lelehan. Namun, keramik oksida memiliki kesesuaian yang terbatas untuk kontak langsung dengan bahan grafit pada suhu tinggi, seringkali hanya menyisakan sedikit alternatif jika diperlukan isolasi. Salah satunya adalah boron nitrida heksagonal (kadang-kadang disebut grafit putih karena sifat serupa), tetapi sifat mekaniknya buruk. Molibdenum umumnya masuk akal untuk aplikasi suhu tinggi karena biayanya yang moderat, difusivitas rendah dalam kristal silikon, dan koefisien segregasi yang rendah, sekitar 5 × 108, yang memungkinkan kontaminasi molibdenum sebelum menghancurkan struktur kristal.
dua. Bahan isolasi medan termal
Bahan insulasi yang paling umum digunakan adalah bahan carbon felt dalam berbagai bentuk. Kain kempa karbon terbuat dari serat tipis yang berfungsi sebagai insulasi termal karena menghalangi radiasi termal berkali-kali dalam jarak dekat. Kain kempa karbon lunak ditenun menjadi lembaran bahan yang relatif tipis, yang kemudian dipotong menjadi bentuk yang diinginkan dan ditekuk dengan kuat hingga radius yang wajar. Kain kempa yang diawetkan terdiri dari bahan serat serupa, menggunakan pengikat yang mengandung karbon untuk menghubungkan serat yang tersebar menjadi objek yang lebih kokoh dan bergaya. Penggunaan deposisi uap kimia karbon sebagai pengganti pengikat dapat meningkatkan sifat mekanik material.
Biasanya, permukaan luar bahan isolasi yang diawetkan dilapisi dengan lapisan grafit atau foil kontinu untuk mengurangi erosi dan keausan serta kontaminasi partikulat. Jenis bahan isolasi berbahan karbon lainnya juga ada, seperti busa karbon. Secara umum, material yang diberi grafit jelas lebih disukai karena grafitisasi sangat mengurangi luas permukaan serat. Bahan dengan luas permukaan yang tinggi ini memungkinkan pelepasan gas yang jauh lebih sedikit dan membutuhkan waktu lebih sedikit untuk menarik tungku ke kondisi vakum yang tepat. Jenis lainnya adalah material komposit C/C, yang memiliki ciri-ciri luar biasa seperti ringan, toleransi kerusakan tinggi, dan kekuatan tinggi. Digunakan di bidang termal untuk menggantikan bagian grafit, yang secara signifikan mengurangi frekuensi penggantian bagian grafit dan meningkatkan kualitas kristal tunggal dan stabilitas produksi.
Menurut klasifikasi bahan bakunya, carbon felt dapat dibedakan menjadi carbon felt berbahan dasar poliakrilonitril, carbon felt berbahan dasar viscose, dan carbon felt berbahan dasar aspal.
Kain kempa karbon berbahan dasar poliakrilonitril memiliki kandungan abu yang besar, dan monofilamen menjadi rapuh setelah perlakuan suhu tinggi. Selama pengoperasian, debu mudah dihasilkan sehingga mencemari lingkungan tungku. Pada saat yang sama, serat dengan mudah masuk ke pori-pori dan saluran pernapasan manusia, sehingga membahayakan kesehatan manusia; kain kempa karbon berbahan dasar viscose Memiliki sifat insulasi termal yang baik, relatif lembut setelah perlakuan panas, dan kecil kemungkinannya untuk menghasilkan debu. Namun, penampang untaian berbahan dasar viscose memiliki bentuk yang tidak beraturan dan terdapat banyak jurang pada permukaan serat, yang mudah terbentuk dengan adanya atmosfer pengoksidasi dalam tungku silikon kristal tunggal Czochralski. Gas seperti CO2 menyebabkan pengendapan unsur oksigen dan karbon dalam bahan silikon kristal tunggal. Produsen utama termasuk SGL Jerman dan perusahaan lain. Saat ini, kain kempa karbon berbahan dasar pitch adalah yang paling banyak digunakan dalam industri kristal tunggal semikonduktor, dan kinerja insulasi termalnya lebih baik daripada kain kempa karbon lengket. Bahan flanel berbahan dasar karet lebih rendah kualitasnya, namun bahan flanel berbahan dasar aspal memiliki kemurnian yang lebih tinggi dan emisi debu yang lebih rendah. Produsennya termasuk Kureha Chemical Jepang, Osaka Gas, dll.
Karena bentuk kain kempa karbon tidak tetap, maka pengoperasiannya tidak nyaman. Sekarang banyak perusahaan telah mengembangkan bahan insulasi termal baru berdasarkan bahan carbon felt - carbon felt yang diawetkan. Kain kempa karbon yang diawetkan juga disebut kain kempa keras. Ini adalah kain kempa karbon yang memiliki bentuk dan keberlanjutan tertentu setelah diresapi dengan resin, dilaminasi, dipadatkan, dan dikarbonisasi.
Kualitas pertumbuhan silikon kristal tunggal dipengaruhi langsung oleh lingkungan medan termal, dan bahan isolasi serat karbon memainkan peran penting dalam lingkungan ini. Insulasi termal serat karbon terasa lembut masih menempati keunggulan signifikan dalam industri semikonduktor fotovoltaik karena keunggulan biaya, efek insulasi termal yang sangat baik, desain fleksibel, dan bentuk yang dapat disesuaikan. Selain itu, bahan insulasi kaku serat karbon akan memiliki ruang lebih besar untuk dikembangkan di pasar material medan termal karena kekuatannya yang pasti dan pengoperasian yang lebih tinggi. Kami berkomitmen untuk melakukan penelitian dan pengembangan di bidang bahan isolasi termal dan terus mengoptimalkan kinerja produk untuk mendorong kemakmuran dan pengembangan industri semikonduktor fotovoltaik.
Waktu posting: 15 Mei-2024