Cos'è il campo termico?

Nel campo dicrescita del singolo cristallo, la distribuzione della temperatura all'interno del forno di crescita dei cristalli gioca un ruolo fondamentale. Questa distribuzione della temperatura, comunemente denominata campo termico, è un fattore vitale che influenza la qualità e le caratteristiche del cristallo coltivato. ILcampo termicopossono essere classificati in due tipologie: statici e dinamici.

Campi termici statici e dinamici

Un campo termico statico si riferisce alla distribuzione della temperatura relativamente stabile all'interno del sistema di riscaldamento durante la calcinazione. Questa stabilità viene mantenuta quando la temperatura all'interno del forno rimane costante nel tempo. Tuttavia, durante l’effettivo processo di crescita del singolo cristallo, il campo termico è tutt’altro che statico; è dinamico.

Un campo termico dinamico è caratterizzato da continui cambiamenti nella distribuzione della temperatura all'interno del forno. Questi cambiamenti sono guidati da diversi fattori:

Trasformazione di fase: quando il materiale passa da una fase liquida a una fase solida, viene rilasciato calore latente, che influisce sulla distribuzione della temperatura all'interno del forno.

Allungamento del cristallo: man mano che il cristallo si allunga, la superficie della fusione diminuisce, alterando la dinamica termica all'interno del sistema.

Trasferimento di calore: le modalità di trasferimento del calore, inclusa la conduzione e l'irraggiamento, si evolvono durante il processo, contribuendo ulteriormente ai cambiamenti nel campo termico.

A causa di questi fattori, il campo termico dinamico è un aspetto in continua evoluzione della crescita del singolo cristallo che richiede un attento monitoraggio e controllo.

L'interfaccia solido-liquido

L'interfaccia solido-liquido è un altro concetto cruciale nella crescita del singolo cristallo. In ogni momento ogni punto del forno ha una temperatura specifica. Se colleghiamo tutti i punti del campo termico che condividono la stessa temperatura, otteniamo una curva spaziale detta superficie isoterma. Tra queste superfici isotermiche, una è particolarmente significativa: l’interfaccia solido-liquido.

L'interfaccia solido-liquido è il confine dove la fase solida del cristallo incontra la fase liquida della fusione. Questa interfaccia è dove avviene la crescita dei cristalli, poiché i cristalli si formano dalla fase liquida in questo confine.

Gradienti di temperatura nella crescita di un singolo cristallo

Durante la crescita del silicio monocristallino, ilcampo termicocomprende sia la fase solida che quella liquida, ciascuna con gradienti di temperatura distinti:

Nel cristallo:

Gradiente di temperatura longitudinale: si riferisce alla differenza di temperatura lungo la lunghezza del cristallo.

Gradiente di temperatura radiale: si riferisce alla differenza di temperatura attraverso il raggio del cristallo.

Nella fusione:

Gradiente di temperatura longitudinale: si riferisce alla differenza di temperatura lungo l'altezza della massa fusa.

Gradiente di temperatura radiale: si riferisce alla differenza di temperatura attraverso il raggio della massa fusa.

Questi gradienti rappresentano due diverse distribuzioni di temperatura, ma quello più critico per determinare lo stato di cristallizzazione è il gradiente di temperatura all'interfaccia solido-liquido.

Gradiente di temperatura radiale nel cristallo: determinato dalla conduzione del calore longitudinale e trasversale, dalla radiazione superficiale e dalla posizione del cristallo all'interno del campo termico. Generalmente la temperatura è più alta al centro e più bassa ai bordi del cristallo.

Gradiente di temperatura radiale nella fusione: influenzato principalmente dai riscaldatori circostanti, con il centro più freddo e la temperatura che aumenta verso il crogiolo. Il gradiente radiale di temperatura nella massa fusa è sempre positivo.

Ottimizzazione del campo termico

Una distribuzione della temperatura del campo termico ben progettata dovrebbe soddisfare le seguenti condizioni:

Adeguato gradiente di temperatura longitudinale nel cristallo: deve essere sufficientemente grande da garantire che il cristallo abbia una capacità di dissipazione del calore sufficiente per portare via il calore latente della cristallizzazione. Tuttavia, non dovrebbe essere eccessivamente grande, poiché ciò potrebbe ostacolare la crescita dei cristalli.

Gradiente di temperatura longitudinale sostanziale nella fusione: garantisce che non si formino nuovi nuclei cristallini all'interno della fusione. Tuttavia, se è troppo grande, possono verificarsi dislocazioni che portano a difetti del cristallo.

Gradiente di temperatura longitudinale appropriato all'interfaccia di cristallizzazione: dovrebbe essere abbastanza grande da creare il superraffreddamento necessario, fornendo una spinta di crescita sufficiente per il singolo cristallo. Non deve però essere troppo grande per evitare difetti strutturali. Nel frattempo, il gradiente di temperatura radiale dovrebbe essere il più piccolo possibile per mantenere un'interfaccia di cristallizzazione piatta.

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