মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন বৃদ্ধির গুণমান নির্ধারণকারী গুরুত্বপূর্ণ উপাদান – তাপ ক্ষেত্র

মনোক্রিস্টালাইন সিলিকনের বৃদ্ধি প্রক্রিয়া সম্পূর্ণরূপে তাপীয় ক্ষেত্রে সম্পন্ন হয়। একটি ভালো তাপীয় ক্ষেত্র ক্রিস্টালের গুণমান উন্নত করতে সহায়ক এবং এর ক্রিস্টালাইজেশন দক্ষতা বেশি থাকে। তাপীয় ক্ষেত্রের নকশা মূলত ডায়নামিক তাপীয় ক্ষেত্রে তাপমাত্রার তারতম্য এবং ফার্নেস চেম্বারে গ্যাসের প্রবাহকে নির্ধারণ করে। তাপীয় ক্ষেত্রে ব্যবহৃত উপকরণের ভিন্নতা সরাসরি এর কার্যকাল নির্ধারণ করে। একটি অযৌক্তিক তাপীয় ক্ষেত্রে কেবল গুণমানের প্রয়োজনীয়তা পূরণকারী ক্রিস্টাল তৈরি করাই কঠিন নয়, বরং নির্দিষ্ট প্রক্রিয়াগত প্রয়োজনীয়তার অধীনে সম্পূর্ণ মনোক্রিস্টালাইনও তৈরি করা যায় না। এই কারণেই ডাইরেক্ট-পুল মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন শিল্প তাপীয় ক্ষেত্রের নকশাকে সবচেয়ে মূল প্রযুক্তি হিসেবে বিবেচনা করে এবং তাপীয় ক্ষেত্রের গবেষণা ও উন্নয়নে বিপুল জনশক্তি ও বস্তুগত সম্পদ বিনিয়োগ করে।

তাপীয় সিস্টেমটি বিভিন্ন তাপীয় ক্ষেত্রের উপাদান দ্বারা গঠিত। আমরা তাপীয় ক্ষেত্রে ব্যবহৃত উপাদানগুলো সম্পর্কে কেবল সংক্ষেপে আলোচনা করব। তাপীয় ক্ষেত্রের তাপমাত্রা বণ্টন এবং ক্রিস্টাল টানার উপর এর প্রভাব সম্পর্কে আমরা এখানে বিশ্লেষণ করব না। তাপীয় ক্ষেত্রের উপাদান বলতে ক্রিস্টাল বৃদ্ধির জন্য ব্যবহৃত ভ্যাকুয়াম ফার্নেস চেম্বারের কাঠামো এবং তাপ নিরোধক অংশকে বোঝায়, যা সেমিকন্ডাক্টর গলিত পদার্থ এবং ক্রিস্টালের চারপাশে একটি উপযুক্ত তাপমাত্রা বণ্টন তৈরির জন্য অপরিহার্য।

১. তাপ ক্ষেত্র কাঠামোর উপাদান

ডাইরেক্ট-পুল পদ্ধতিতে মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন উৎপাদনের জন্য মৌলিক সহায়ক উপাদান হলো উচ্চ-বিশুদ্ধ গ্রাফাইট। আধুনিক শিল্পে গ্রাফাইট উপাদানসমূহ অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। এগুলি তাপ ক্ষেত্রের কাঠামোগত উপাদান হিসেবে ব্যবহার করা যেতে পারে, যেমন—হিটার, গাইড টিউব, ক্রুসিবলচোজরালস্কি পদ্ধতিতে মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন প্রস্তুতির জন্য ইনসুলেশন টিউব, ক্রুসিবল ট্রে ইত্যাদি।

গ্রাফাইট উপকরণএগুলোকে বেছে নেওয়া হয় কারণ এগুলো সহজে প্রচুর পরিমাণে প্রস্তুত করা যায়, প্রক্রিয়াজাত করা যায় এবং উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধী। হীরা বা গ্রাফাইট রূপে থাকা কার্বনের গলনাঙ্ক যেকোনো মৌল বা যৌগের চেয়ে বেশি। গ্রাফাইট উপাদানগুলো বেশ শক্তিশালী, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায়, এবং এদের বৈদ্যুতিক ও তাপীয় পরিবাহিতাও বেশ ভালো। এর বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এটিকে একটি উপাদান হিসেবে উপযুক্ত করে তোলে।হিটারউপাদানটির একটি সন্তোষজনক তাপ পরিবাহিতা সহগ রয়েছে, যা হিটার দ্বারা উৎপন্ন তাপকে ক্রুসিবল এবং তাপ ক্ষেত্রের অন্যান্য অংশে সমানভাবে বিতরণ করতে সাহায্য করে। তবে, উচ্চ তাপমাত্রায়, বিশেষ করে দীর্ঘ দূরত্বে, তাপ স্থানান্তরের প্রধান মাধ্যম হলো বিকিরণ।

গ্রাফাইটের অংশগুলো প্রাথমিকভাবে একটি বাইন্ডারের সাথে মিশ্রিত সূক্ষ্ম কার্বনময় কণা দিয়ে তৈরি করা হয় এবং এক্সট্রুশন বা আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিংয়ের মাধ্যমে গঠন করা হয়। উচ্চ-মানের গ্রাফাইটের অংশগুলো সাধারণত আইসোস্ট্যাটিক্যালি প্রেস করা হয়। সম্পূর্ণ অংশটিকে প্রথমে কার্বনাইজ করা হয় এবং তারপর প্রায় ৩০০০°C-এর কাছাকাছি অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রায় গ্রাফাইটাইজ করা হয়। সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের চাহিদা মেটাতে, এই সম্পূর্ণ অংশগুলো থেকে প্রক্রিয়াজাত অংশগুলোকে সাধারণত উচ্চ তাপমাত্রায় ক্লোরিনযুক্ত পরিবেশে ধাতব দূষণ দূর করার জন্য বিশুদ্ধ করা হয়। তবে, যথাযথ বিশুদ্ধকরণের পরেও, ধাতব দূষণের মাত্রা সিলিকন মনোক্রিস্টালাইন পদার্থের জন্য অনুমোদিত মাত্রার চেয়ে কয়েকগুণ বেশি থাকে। তাই, এই উপাদানগুলোর দূষণ যাতে গলিত পদার্থ বা ক্রিস্টালের পৃষ্ঠে প্রবেশ করতে না পারে, সেজন্য থার্মাল ফিল্ড ডিজাইনে সতর্কতা অবলম্বন করতে হবে।

গ্রাফাইট পদার্থ সামান্য ভেদ্য, যার ফলে এর ভেতরে থাকা অবশিষ্ট ধাতু সহজেই পৃষ্ঠে পৌঁছাতে পারে। এছাড়াও, গ্রাফাইট পৃষ্ঠের চারপাশে থাকা পার্জ গ্যাসে উপস্থিত সিলিকন মনোক্সাইড বেশিরভাগ পদার্থের ভেতরে প্রবেশ করে বিক্রিয়া করতে পারে।

প্রথমদিকের মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন ফার্নেস হিটারগুলো টাংস্টেন এবং মলিবডেনামের মতো রিফ্র্যাক্টরি ধাতু দিয়ে তৈরি করা হতো। গ্রাফাইট প্রক্রিয়াকরণ প্রযুক্তির ক্রমবর্ধমান পরিপক্কতার সাথে, গ্রাফাইট উপাদানগুলোর সংযোগের বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য স্থিতিশীল হয়ে উঠেছে এবং মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন ফার্নেস হিটারগুলো টাংস্টেন, মলিবডেনাম এবং অন্যান্য উপাদানের হিটারগুলোকে সম্পূর্ণরূপে প্রতিস্থাপন করেছে। বর্তমানে, সবচেয়ে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত গ্রাফাইট উপাদান হলো আইসোস্ট্যাটিক গ্রাফাইট। আমার দেশের আইসোস্ট্যাটিক গ্রাফাইট প্রস্তুতি প্রযুক্তি তুলনামূলকভাবে পিছিয়ে আছে এবং দেশীয় ফটোভোল্টাইক শিল্পে ব্যবহৃত বেশিরভাগ গ্রাফাইট উপাদান বিদেশ থেকে আমদানি করা হয়। বিদেশী আইসোস্ট্যাটিক গ্রাফাইট প্রস্তুতকারকদের মধ্যে প্রধানত জার্মানির এসজিএল (SGL), জাপানের টোকাই কার্বন (Tokai Carbon), জাপানের টয়ো টানসো (Toyo Tanso) ইত্যাদি অন্তর্ভুক্ত। চোজরালস্কি মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন ফার্নেসগুলোতে কখনও কখনও সি/সি (C/C) যৌগিক উপাদান ব্যবহার করা হয় এবং এগুলো বোল্ট, নাট, ক্রুসিবল, লোড প্লেট এবং অন্যান্য উপাদান তৈরিতে ব্যবহৃত হতে শুরু করেছে। কার্বন/কার্বন (C/C) কম্পোজিট হলো কার্বন ফাইবার দ্বারা শক্তিশালীকৃত কার্বন-ভিত্তিক কম্পোজিট, যার মধ্যে উচ্চ আপেক্ষিক শক্তি, উচ্চ আপেক্ষিক মডুলাস, নিম্ন তাপীয় প্রসারণ সহগ, ভালো বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা, উচ্চ ফ্র্যাকচার টাফনেস, নিম্ন আপেক্ষিক গুরুত্ব, তাপীয় অভিঘাত প্রতিরোধ ক্ষমতা, ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধের মতো একাধিক চমৎকার বৈশিষ্ট্য রয়েছে। বর্তমানে, এগুলি নতুন উচ্চ-তাপমাত্রা প্রতিরোধী কাঠামোগত উপাদান হিসেবে মহাকাশ, রেসিং, বায়োমেটেরিয়ালস এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হচ্ছে। বর্তমানে, দেশীয় C/C কম্পোজিটগুলির প্রধান প্রতিবন্ধকতাগুলি এখনও খরচ এবং শিল্পায়নের সমস্যা।

তাপ ক্ষেত্র তৈরি করতে আরও অনেক উপাদান ব্যবহার করা হয়। কার্বন ফাইবার দ্বারা শক্তিশালীকৃত গ্রাফাইটের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য উন্নততর; কিন্তু এটি অধিক ব্যয়বহুল এবং এর নকশার জন্য অন্যান্য প্রয়োজনীয়তা রয়েছে।সিলিকন কার্বাইড (SiC)অনেক দিক থেকে গ্রাফাইটের চেয়ে উন্নত উপাদান, কিন্তু এটি অনেক বেশি ব্যয়বহুল এবং বৃহৎ পরিসরে যন্ত্রাংশ প্রস্তুত করা কঠিন। তবে, SiC প্রায়শই একটিসিভিডি আবরণক্ষয়কারী সিলিকন মনোক্সাইড গ্যাসের সংস্পর্শে আসা গ্রাফাইট যন্ত্রাংশের আয়ু বাড়াতে এবং গ্রাফাইট থেকে দূষণ কমাতেও এটি সক্ষম। ঘন CVD সিলিকন কার্বাইড আবরণটি মাইক্রোপোরাস গ্রাফাইট উপাদানের অভ্যন্তরে থাকা দূষক পদার্থকে পৃষ্ঠে পৌঁছাতে কার্যকরভাবে বাধা দেয়।

আরেকটি হলো সিভিডি কার্বন, যা গ্রাফাইট অংশের উপরে একটি ঘন স্তর তৈরি করতে পারে। অন্যান্য উচ্চ-তাপমাত্রা প্রতিরোধী উপাদান, যেমন মলিবডেনাম বা সিরামিক উপাদান যা পরিবেশের সাথে সহাবস্থান করতে পারে, সেগুলো ব্যবহার করা যেতে পারে যেখানে গলিত পদার্থ দূষিত হওয়ার কোনো ঝুঁকি নেই। তবে, উচ্চ তাপমাত্রায় গ্রাফাইট উপাদানের ক্ষেত্রে অক্সাইড সিরামিকের প্রয়োগযোগ্যতা সাধারণত সীমিত, এবং ইনসুলেশনের প্রয়োজন হলে অন্য বিকল্প খুব কমই থাকে। এর মধ্যে একটি হলো হেক্সাগোনাল বোরন নাইট্রাইড (একই রকম বৈশিষ্ট্যের কারণে কখনও কখনও একে সাদা গ্রাফাইট বলা হয়), কিন্তু এর যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য দুর্বল। মলিবডেনাম সাধারণত উচ্চ-তাপমাত্রার পরিস্থিতিতে যুক্তিসঙ্গতভাবে ব্যবহৃত হয় এর মাঝারি দাম, সিলিকন ক্রিস্টালে কম ব্যাপন হার এবং প্রায় 5×10⁸-এর খুব কম সেগ্রিগেশন কোএফিসিয়েন্টের কারণে, যা ক্রিস্টাল কাঠামো ধ্বংস করার আগে একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ মলিবডেনাম দূষণকে অনুমোদন করে।

২. তাপ নিরোধক উপকরণ

সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত ইনসুলেশন উপাদান হলো বিভিন্ন ধরনের কার্বন ফেল্ট। কার্বন ফেল্ট পাতলা তন্তু দিয়ে তৈরি, যা অল্প দূরত্বে একাধিকবার তাপীয় বিকিরণ রোধ করার মাধ্যমে ইনসুলেশন হিসেবে কাজ করে। নরম কার্বন ফেল্ট বুনে অপেক্ষাকৃত পাতলা চাদর তৈরি করা হয়, যা পরে পছন্দসই আকারে কেটে একটি যুক্তিসঙ্গত ব্যাসার্ধে শক্তভাবে বাঁকানো হয়। কিউর্ড ফেল্ট একই ধরনের তন্তু উপাদান দিয়ে গঠিত, এবং বিক্ষিপ্ত তন্তুগুলোকে সংযুক্ত করে আরও কঠিন ও আকৃতিযুক্ত বস্তু তৈরি করার জন্য একটি কার্বন-যুক্ত বাইন্ডার ব্যবহার করা হয়। বাইন্ডারের পরিবর্তে কার্বনের কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন ব্যবহার করলে উপাদানটির যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য উন্নত হতে পারে।

সাধারণত, তাপ নিরোধক কিউরিং ফেল্টের বাইরের পৃষ্ঠে একটি অবিচ্ছিন্ন গ্রাফাইট আবরণ বা ফয়েলের প্রলেপ দেওয়া হয়, যা ক্ষয় ও পরিধান কমানোর পাশাপাশি কণা দূষণ রোধ করে। কার্বন-ভিত্তিক অন্যান্য ধরণের তাপ নিরোধক উপকরণও রয়েছে, যেমন কার্বন ফোম। সাধারণভাবে, গ্রাফাইটাইজড উপকরণগুলিই বেশি পছন্দের, কারণ গ্রাফাইটাইজেশন ফাইবারের পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল ব্যাপকভাবে কমিয়ে দেয়। এই উচ্চ-পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফলযুক্ত উপকরণগুলির গ্যাস নির্গমন ব্যাপকভাবে হ্রাস পায় এবং চুল্লিকে উপযুক্ত ভ্যাকুয়ামে পাম্প করতে কম সময় লাগে। আরেকটি হলো C/C কম্পোজিট উপাদান, যার হালকা ওজন, উচ্চ ক্ষতি সহনশীলতা এবং উচ্চ শক্তির মতো অসামান্য বৈশিষ্ট্য রয়েছে। তাপ ক্ষেত্রে গ্রাফাইট অংশ প্রতিস্থাপন করতে ব্যবহৃত হলে এটি গ্রাফাইট অংশ প্রতিস্থাপনের হার উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে, মনোক্রিস্টালাইন গুণমান এবং উৎপাদন স্থিতিশীলতা উন্নত করে।

কাঁচামালের শ্রেণিবিভাগ অনুসারে, কার্বন ফেল্টকে পলিঅ্যাক্রাইলোনাইট্রাইল-ভিত্তিক কার্বন ফেল্ট, ভিসকোজ-ভিত্তিক কার্বন ফেল্ট এবং পিচ-ভিত্তিক কার্বন ফেল্টে ভাগ করা যায়।
পলিঅ্যাক্রাইলোনাইট্রাইল-ভিত্তিক কার্বন ফেল্টে ছাইয়ের পরিমাণ বেশি থাকে। উচ্চ-তাপমাত্রার প্রক্রিয়াকরণের পর, এর একক ফাইবার ভঙ্গুর হয়ে যায়। ব্যবহারের সময়, এটি থেকে সহজেই ধূলিকণা উৎপন্ন হয়ে চুল্লির পরিবেশ দূষিত করে। একই সাথে, এই ফাইবার সহজেই মানবদেহের লোমকূপ এবং শ্বাসতন্ত্রে প্রবেশ করতে পারে, যা মানব স্বাস্থ্যের জন্য ক্ষতিকর। ভিসকোজ-ভিত্তিক কার্বন ফেল্টের তাপ নিরোধক ক্ষমতা ভালো। তাপ প্রক্রিয়াকরণের পর এটি তুলনামূলকভাবে নরম হয় এবং সহজে ধূলিকণা উৎপন্ন করে না। তবে, ভিসকোজ-ভিত্তিক কাঁচা ফাইবারের প্রস্থচ্ছেদ অনিয়মিত এবং ফাইবারের পৃষ্ঠে অনেক খাঁজ থাকে। সিজেড সিলিকন চুল্লির জারক পরিবেশে এটি থেকে সহজেই কার্বন ডাইঅক্সাইডের (CO2) মতো গ্যাস উৎপন্ন হয়, যা মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন উপাদানে অক্সিজেন এবং কার্বন উপাদানের অধঃক্ষেপ সৃষ্টি করে। এর প্রধান নির্মাতাদের মধ্যে রয়েছে জার্মান এসজিএল (SGL) এবং অন্যান্য কোম্পানি। বর্তমানে, সেমিকন্ডাক্টর মনোক্রিস্টালাইন শিল্পে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত হয় পিচ-ভিত্তিক কার্বন ফেল্ট, যার তাপ নিরোধক ক্ষমতা ভিসকোজ-ভিত্তিক কার্বন ফেল্টের চেয়ে খারাপ, কিন্তু পিচ-ভিত্তিক কার্বন ফেল্টের বিশুদ্ধতা বেশি এবং ধূলিকণা নির্গমন কম। উৎপাদনকারী প্রতিষ্ঠানগুলোর মধ্যে রয়েছে জাপানের কুরেহা কেমিক্যাল এবং ওসাকা গ্যাস।
কার্বন ফেল্টের আকৃতি নির্দিষ্ট না থাকায় এর ব্যবহার অসুবিধাজনক। এখন অনেক কোম্পানি কার্বন ফেল্টের উপর ভিত্তি করে একটি নতুন তাপ নিরোধক উপাদান তৈরি করেছে—কিউর্ড কার্বন ফেল্ট। কিউর্ড কার্বন ফেল্ট, যা হার্ড ফেল্ট নামেও পরিচিত, হলো এমন এক ধরনের কার্বন ফেল্ট যা নরম ফেল্টকে রেজিন দিয়ে ইমপ্রেগনেট, ল্যামিনেট, কিউর এবং কার্বনাইজ করার পর একটি নির্দিষ্ট আকৃতি ও স্ব-স্থিতিশীল বৈশিষ্ট্য লাভ করে।

মনোক্রিস্টালাইন সিলিকনের বৃদ্ধির গুণমান তাপীয় পরিবেশ দ্বারা সরাসরি প্রভাবিত হয়, এবং এই পরিবেশে কার্বন ফাইবার তাপ নিরোধক উপকরণ একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। এর সাশ্রয়ী মূল্য, চমৎকার তাপ নিরোধক কার্যকারিতা, নমনীয় নকশা এবং কাস্টমাইজযোগ্য আকারের কারণে ফটোভোল্টাইক সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে কার্বন ফাইবার তাপ নিরোধক নরম ফেল্টের এখনও একটি উল্লেখযোগ্য সুবিধা রয়েছে। এছাড়াও, এর নির্দিষ্ট শক্তি এবং উচ্চতর কার্যক্ষমতার কারণে তাপ ক্ষেত্রের উপকরণের বাজারে কার্বন ফাইবার শক্ত তাপ নিরোধক ফেল্টের বিকাশের আরও ব্যাপক সুযোগ থাকবে। আমরা তাপ নিরোধক উপকরণের ক্ষেত্রে গবেষণা ও উন্নয়নে প্রতিশ্রুতিবদ্ধ এবং ফটোভোল্টাইক সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের সমৃদ্ধি ও উন্নয়নকে ত্বরান্বিত করার জন্য পণ্যের কার্যকারিতা ক্রমাগত উন্নত করে চলেছি।