الفرن البلوري المفرد هو جهاز يستخدمسخان الجرافيتلصهر مواد السيليكون متعدد البلورات في بيئة غاز خامل (أرجون)، وتستخدم طريقة تشوكرالسكي لتكوين بلورات مفردة غير مخلوعة. وتتكون بشكل أساسي من الأنظمة التالية:
نظام نقل الحركة الميكانيكي
نظام النقل الميكانيكي هو نظام التشغيل الأساسي لفرن البلورة المفردة، وهو المسؤول بشكل أساسي عن التحكم في حركة البلورات وبوتقات، بما في ذلك رفع وتدوير بلورات البذور ورفع وتدويربوتقاتيمكنه ضبط معلمات دقيقة، مثل موضع وسرعة وزاوية دوران البلورات والبوتقات، لضمان سير عملية نمو البلورات بسلاسة. على سبيل المثال، في مراحل نمو البلورات المختلفة، مثل البذر، والتكوين العنقي، والتكتيل، والنمو متساوي القطر، والذيل، يجب التحكم بدقة في حركة بلورات البذر والبوتقات بواسطة هذا النظام لتلبية متطلبات عملية نمو البلورات.
نظام التحكم في درجة حرارة التدفئة
هذا أحد الأنظمة الأساسية لفرن البلورة الأحادية، ويُستخدم لتوليد الحرارة والتحكم الدقيق في درجة الحرارة داخل الفرن. يتكون بشكل أساسي من مكونات مثل السخانات، ومستشعرات درجة الحرارة، ووحدات التحكم في درجة الحرارة. عادةً ما يُصنع السخان من مواد مثل الجرافيت عالي النقاء. بعد تحويل التيار المتردد وتقليله لزيادة التيار، يُولد السخان حرارة لصهر المواد متعددة البلورات مثل البولي سيليكون في البوتقة. يراقب مستشعر درجة الحرارة تغيرات درجة الحرارة في الفرن آنيًا وينقل إشارة درجة الحرارة إلى وحدة التحكم في درجة الحرارة. تتحكم وحدة التحكم في درجة الحرارة بدقة في طاقة التسخين وفقًا لمعايير درجة الحرارة المحددة وإشارة درجة حرارة التغذية الراجعة، مما يحافظ على استقرار درجة الحرارة داخل الفرن ويوفر بيئة مناسبة لنمو البلورات.
نظام الفراغ
تتمثل الوظيفة الرئيسية لنظام التفريغ في تهيئة بيئة تفريغ داخل الفرن والحفاظ عليها أثناء عملية نمو البلورات. يُستخرج الهواء والغازات غير المرغوب فيها من الفرن عبر مضخات تفريغ ومعدات أخرى، مما يُخفض ضغط الغاز داخل الفرن إلى مستوى منخفض للغاية، عادةً أقل من 5TOR (تور). هذا يمنع أكسدة مادة السيليكون في درجات الحرارة العالية، ويضمن نقاء وجودة نمو البلورات. في الوقت نفسه، تُساعد بيئة التفريغ أيضًا على إزالة الشوائب المتطايرة الناتجة أثناء عملية نمو البلورات، مما يُحسّن جودتها.
نظام الأرجون
يلعب نظام الأرجون دورًا في حماية وتنظيم ضغط فرن البلورة الأحادية. بعد التفريغ، يُملأ الفرن بغاز الأرجون عالي النقاء (يجب أن تكون نقاؤه أعلى من 6.9). من جهة، يمنع هذا الغاز دخول الهواء الخارجي ويمنع أكسدة مواد السيليكون؛ ومن جهة أخرى، يحافظ هذا الغاز على استقرار الضغط في الفرن ويوفر بيئة ضغط مناسبة لنمو البلورات. بالإضافة إلى ذلك، يُخفف تدفق غاز الأرجون الحرارة المتولدة أثناء عملية نمو البلورات، مما يُسهم في تبريدها.
نظام تبريد المياه
وظيفة نظام التبريد المائي هي تبريد مختلف مكونات فرن البلورة الأحادية عالية الحرارة، لضمان التشغيل العادي وإطالة عمر المعدات. أثناء تشغيل فرن البلورة الأحادية، يعمل السخان على:بوتقةستُولّد الأقطاب الكهربائية والمكونات الأخرى حرارةً عالية. إذا لم تُبرّد في الوقت المناسب، ستُسخَن المعدات بشكلٍ زائد، أو تتشوّه، أو حتى تتلف. يُخفِّف نظام التبريد المائي حرارة هذه المكونات عن طريق تدوير مياه التبريد للحفاظ على درجة حرارة المعدات ضمن نطاق آمن. وفي الوقت نفسه، يُساعد نظام التبريد المائي أيضًا في ضبط درجة حرارة الفرن لتحسين دقة التحكم في درجة الحرارة.
نظام التحكم الكهربائي
يُعد نظام التحكم الكهربائي بمثابة "عقل" فرن البلورة الأحادية، وهو المسؤول عن مراقبة تشغيل جميع المعدات والتحكم فيها. يمكنه استقبال إشارات من مستشعرات مختلفة، مثل مستشعرات درجة الحرارة والضغط والموضع، وتنسيق والتحكم في نظام النقل الميكانيكي، ونظام التحكم في درجة حرارة التسخين، ونظام التفريغ، ونظام الأرجون، ونظام تبريد الماء بناءً على هذه الإشارات. على سبيل المثال، أثناء عملية نمو البلورة، يمكن لنظام التحكم الكهربائي ضبط طاقة التسخين تلقائيًا وفقًا لإشارة درجة الحرارة المرتدة من مستشعر درجة الحرارة؛ ووفقًا لنمو البلورة، يمكنه التحكم في سرعة حركة وزاوية دوران بلورة البذرة والبوتقة. في الوقت نفسه، يحتوي نظام التحكم الكهربائي أيضًا على وظائف تشخيص الأعطال والإنذار، والتي يمكنها الكشف عن الحالات غير الطبيعية للمعدات في الوقت المناسب وضمان التشغيل الآمن للمعدات.
وقت النشر: ٢٣ سبتمبر ٢٠٢٤