મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન વૃદ્ધિની ગુણવત્તા નક્કી કરતી મહત્વપૂર્ણ સામગ્રી - થર્મલ ક્ષેત્ર

મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનની વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા સંપૂર્ણપણે થર્મલ ક્ષેત્રમાં થાય છે. એક સારું થર્મલ ક્ષેત્ર સ્ફટિકોની ગુણવત્તા સુધારવા માટે અનુકૂળ છે અને તેની સ્ફટિકીકરણ કાર્યક્ષમતા વધુ હોય છે. થર્મલ ક્ષેત્રની ડિઝાઇન મોટાભાગે ગતિશીલ થર્મલ ક્ષેત્રમાં તાપમાનના ગ્રેડિયન્ટમાં ફેરફાર અને ફર્નેસ ચેમ્બરમાં ગેસના પ્રવાહને નક્કી કરે છે. થર્મલ ક્ષેત્રમાં વપરાતી સામગ્રીમાં તફાવત સીધા થર્મલ ક્ષેત્રની સેવા જીવન નક્કી કરે છે. ગેરવાજબી થર્મલ ક્ષેત્ર માત્ર ગુણવત્તાની આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરતા સ્ફટિકો ઉગાડવાનું મુશ્કેલ નથી, પરંતુ ચોક્કસ પ્રક્રિયા આવશ્યકતાઓ હેઠળ સંપૂર્ણ મોનોક્રિસ્ટલાઇન પણ ઉગાડી શકતું નથી. આ જ કારણ છે કે ડાયરેક્ટ-પુલ મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ઉદ્યોગ થર્મલ ફિલ્ડ ડિઝાઇનને સૌથી મુખ્ય ટેકનોલોજી માને છે અને થર્મલ ફિલ્ડ સંશોધન અને વિકાસમાં વિશાળ માનવશક્તિ અને ભૌતિક સંસાધનોનું રોકાણ કરે છે.

થર્મલ સિસ્ટમ વિવિધ થર્મલ ફિલ્ડ મટિરિયલ્સથી બનેલી છે. અમે ફક્ત થર્મલ ફિલ્ડમાં વપરાતી સામગ્રીનો ટૂંકમાં પરિચય આપીએ છીએ. થર્મલ ફિલ્ડમાં તાપમાન વિતરણ અને ક્રિસ્ટલ પુલિંગ પર તેની અસર વિશે, અમે અહીં તેનું વિશ્લેષણ કરીશું નહીં. થર્મલ ફિલ્ડ મટિરિયલ સ્ફટિક વૃદ્ધિના વેક્યુમ ફર્નેસ ચેમ્બરમાં રચના અને થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન ભાગનો સંદર્ભ આપે છે, જે સેમિકન્ડક્ટર મેલ્ટ અને ક્રિસ્ટલની આસપાસ યોગ્ય તાપમાન વિતરણ બનાવવા માટે જરૂરી છે.

1. થર્મલ ફિલ્ડ સ્ટ્રક્ચર મટિરિયલ

મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ઉગાડવા માટે ડાયરેક્ટ-પુલ પદ્ધતિ માટે મૂળભૂત સહાયક સામગ્રી ઉચ્ચ-શુદ્ધતા ગ્રેફાઇટ છે. આધુનિક ઉદ્યોગમાં ગ્રેફાઇટ સામગ્રી ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. તેનો ઉપયોગ ગરમી ક્ષેત્રના માળખાકીય ઘટકો તરીકે થઈ શકે છે જેમ કેહીટર, માર્ગદર્શિકા નળીઓ, ક્રુસિબલ્સ, કોઝોક્રાલ્સ્કી પદ્ધતિ દ્વારા મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનની તૈયારીમાં ઇન્સ્યુલેશન ટ્યુબ, ક્રુસિબલ ટ્રે, વગેરે.

ગ્રેફાઇટ સામગ્રીપસંદ કરવામાં આવે છે કારણ કે તે મોટા જથ્થામાં તૈયાર કરવામાં સરળ છે, પ્રક્રિયા કરી શકાય છે અને ઊંચા તાપમાને પ્રતિરોધક છે. હીરા અથવા ગ્રેફાઇટના સ્વરૂપમાં કાર્બન કોઈપણ તત્વ અથવા સંયોજન કરતાં વધુ ગલનબિંદુ ધરાવે છે. ગ્રેફાઇટ સામગ્રી ખૂબ મજબૂત હોય છે, ખાસ કરીને ઊંચા તાપમાને, અને તેમની વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા પણ ખૂબ સારી હોય છે. તેની વિદ્યુત વાહકતા તેને યોગ્ય બનાવે છેહીટરસામગ્રી. તેમાં સંતોષકારક થર્મલ વાહકતા ગુણાંક છે, જે હીટર દ્વારા ઉત્પન્ન થતી ગરમીને ક્રુસિબલ અને ગરમી ક્ષેત્રના અન્ય ભાગોમાં સમાનરૂપે વિતરિત કરવાની મંજૂરી આપે છે. જો કે, ઊંચા તાપમાને, ખાસ કરીને લાંબા અંતર પર, મુખ્ય ગરમી સ્થાનાંતરણ મોડ રેડિયેશન છે.

ગ્રેફાઇટ ભાગો શરૂઆતમાં બારીક કાર્બોનેસિયસ કણોથી બનેલા હોય છે જે બાઈન્ડર સાથે મિશ્રિત થાય છે અને એક્સટ્રુઝન અથવા આઇસોસ્ટેટિક પ્રેસિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે. ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા ગ્રેફાઇટ ભાગો સામાન્ય રીતે આઇસોસ્ટેટિકલી દબાવવામાં આવે છે. આખા ટુકડાને પહેલા કાર્બનાઇઝ કરવામાં આવે છે અને પછી ખૂબ ઊંચા તાપમાને, 3000°C ની નજીક ગ્રાફિટાઇઝ કરવામાં આવે છે. આ આખા ટુકડાઓમાંથી પ્રક્રિયા કરાયેલા ભાગોને સામાન્ય રીતે ક્લોરિન ધરાવતા વાતાવરણમાં ઉચ્ચ તાપમાને શુદ્ધ કરવામાં આવે છે જેથી સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવા માટે ધાતુના દૂષણને દૂર કરી શકાય. જો કે, યોગ્ય શુદ્ધિકરણ પછી પણ, ધાતુના દૂષણનું સ્તર સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલાઇન સામગ્રી માટે માન્ય કરતા અનેકગણું વધારે હોય છે. તેથી, આ ઘટકોના દૂષણને ઓગળેલા અથવા સ્ફટિક સપાટીમાં પ્રવેશતા અટકાવવા માટે થર્મલ ફિલ્ડ ડિઝાઇનમાં કાળજી લેવી આવશ્યક છે.

ગ્રેફાઇટ સામગ્રી થોડી પારગમ્ય હોય છે, જેના કારણે બાકી રહેલી ધાતુ સપાટી સુધી પહોંચવામાં સરળતા રહે છે. વધુમાં, ગ્રેફાઇટ સપાટીની આસપાસના પર્જ ગેસમાં હાજર સિલિકોન મોનોક્સાઇડ મોટાભાગની સામગ્રીમાં પ્રવેશ કરી શકે છે અને પ્રતિક્રિયા આપી શકે છે.

શરૂઆતના મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ફર્નેસ હીટર ટંગસ્ટન અને મોલિબ્ડેનમ જેવી પ્રત્યાવર્તન ધાતુઓથી બનેલા હતા. ગ્રેફાઇટ પ્રોસેસિંગ ટેકનોલોજીની વધતી જતી પરિપક્વતા સાથે, ગ્રેફાઇટ ઘટકો વચ્ચેના જોડાણના વિદ્યુત ગુણધર્મો સ્થિર બન્યા છે, અને મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ફર્નેસ હીટરે ટંગસ્ટન, મોલિબ્ડેનમ અને અન્ય મટીરીયલ હીટરને સંપૂર્ણપણે બદલી નાખ્યા છે. હાલમાં, સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી ગ્રેફાઇટ સામગ્રી આઇસોસ્ટેટિક ગ્રેફાઇટ છે. મારા દેશની આઇસોસ્ટેટિક ગ્રેફાઇટ તૈયારી તકનીક પ્રમાણમાં પછાત છે, અને સ્થાનિક ફોટોવોલ્ટેઇક ઉદ્યોગમાં વપરાતી મોટાભાગની ગ્રેફાઇટ સામગ્રી વિદેશથી આયાત કરવામાં આવે છે. વિદેશી આઇસોસ્ટેટિક ગ્રેફાઇટ ઉત્પાદકોમાં મુખ્યત્વે જર્મનીના SGL, જાપાનના ટોકાઈ કાર્બન, જાપાનના ટોયો ટેન્સો વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. ઝોક્રાલ્સ્કી મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ફર્નેસમાં, ક્યારેક C/C કમ્પોઝિટ મટિરિયલનો ઉપયોગ થાય છે, અને તેનો ઉપયોગ બોલ્ટ, નટ્સ, ક્રુસિબલ્સ, લોડ પ્લેટ્સ અને અન્ય ઘટકો બનાવવા માટે થવા લાગ્યો છે. કાર્બન/કાર્બન (C/C) કમ્પોઝિટ એ કાર્બન ફાઇબર રિઇનફોર્સ્ડ કાર્બન-આધારિત કમ્પોઝિટ છે જેમાં ઉચ્ચ ચોક્કસ શક્તિ, ઉચ્ચ ચોક્કસ મોડ્યુલસ, નીચા થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક, સારી વિદ્યુત વાહકતા, ઉચ્ચ ફ્રેક્ચર કઠિનતા, ઓછી ચોક્કસ ગુરુત્વાકર્ષણ, થર્મલ શોક પ્રતિકાર, કાટ પ્રતિકાર અને ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિકાર જેવા ઉત્તમ ગુણધર્મોની શ્રેણી છે. હાલમાં, તેઓ એરોસ્પેસ, રેસિંગ, બાયોમટીરિયલ્સ અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં નવા ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિરોધક માળખાકીય સામગ્રી તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. હાલમાં, ઘરેલું C/C કમ્પોઝિટ દ્વારા સામનો કરવામાં આવતી મુખ્ય અવરોધો હજુ પણ ખર્ચ અને ઔદ્યોગિકીકરણના મુદ્દાઓ છે.

થર્મલ ફિલ્ડ બનાવવા માટે બીજી ઘણી સામગ્રીનો ઉપયોગ થાય છે. કાર્બન ફાઇબર રિઇનફોર્સ્ડ ગ્રેફાઇટમાં વધુ સારા યાંત્રિક ગુણધર્મો હોય છે; પરંતુ તે વધુ ખર્ચાળ છે અને ડિઝાઇન માટે અન્ય આવશ્યકતાઓ પણ ધરાવે છે.સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC)ગ્રેફાઇટ કરતાં ઘણી બાબતોમાં સારી સામગ્રી છે, પરંતુ તે વધુ ખર્ચાળ છે અને મોટા જથ્થાના ભાગો તૈયાર કરવા મુશ્કેલ છે. જો કે, SiC નો ઉપયોગ ઘણીવારસીવીડી કોટિંગકાટ લાગતા સિલિકોન મોનોક્સાઇડ ગેસના સંપર્કમાં આવતા ગ્રેફાઇટ ભાગોનું જીવન વધારવા માટે, અને ગ્રેફાઇટથી થતા દૂષણને પણ ઘટાડી શકે છે. ગાઢ CVD સિલિકોન કાર્બાઇડ કોટિંગ અસરકારક રીતે માઇક્રોપોરસ ગ્રેફાઇટ સામગ્રીની અંદરના દૂષકોને સપાટી પર પહોંચતા અટકાવે છે.

બીજું CVD કાર્બન છે, જે ગ્રેફાઇટ ભાગની ઉપર એક ગાઢ સ્તર પણ બનાવી શકે છે. અન્ય ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિરોધક સામગ્રી, જેમ કે મોલિબ્ડેનમ અથવા સિરામિક સામગ્રી જે પર્યાવરણ સાથે સહઅસ્તિત્વ કરી શકે છે, તેનો ઉપયોગ ત્યાં કરી શકાય છે જ્યાં ઓગળવાથી દૂષિત થવાનું જોખમ નથી. જો કે, ઓક્સાઇડ સિરામિક્સ સામાન્ય રીતે ઊંચા તાપમાને ગ્રેફાઇટ સામગ્રી માટે તેમની લાગુ પડતી મર્યાદિત હોય છે, અને જો ઇન્સ્યુલેશનની જરૂર હોય તો થોડા અન્ય વિકલ્પો છે. એક છે ષટ્કોણ બોરોન નાઇટ્રાઇડ (ક્યારેક સમાન ગુણધર્મોને કારણે સફેદ ગ્રેફાઇટ કહેવાય છે), પરંતુ યાંત્રિક ગુણધર્મો નબળા છે. મોલિબ્ડેનમનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ તાપમાનની પરિસ્થિતિઓ માટે વાજબી રીતે થાય છે કારણ કે તેની મધ્યમ કિંમત, સિલિકોન સ્ફટિકોમાં ઓછો પ્રસરણ દર અને લગભગ 5×108 ના ખૂબ જ ઓછા અલગતા ગુણાંકને કારણે થાય છે, જે સ્ફટિક માળખાને નષ્ટ કરતા પહેલા ચોક્કસ માત્રામાં મોલિબ્ડેનમ દૂષણને મંજૂરી આપે છે.

2. થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન સામગ્રી

સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું ઇન્સ્યુલેશન મટિરિયલ કાર્બન ફેલ્ટ છે જે વિવિધ સ્વરૂપોમાં મળે છે. કાર્બન ફેલ્ટ પાતળા તંતુઓથી બનેલું હોય છે, જે ઇન્સ્યુલેશન તરીકે કાર્ય કરે છે કારણ કે તે ટૂંકા અંતરે ઘણી વખત થર્મલ રેડિયેશનને અવરોધે છે. નરમ કાર્બન ફેલ્ટને પ્રમાણમાં પાતળા સામગ્રીના ચાદરમાં વણવામાં આવે છે, જે પછી ઇચ્છિત આકારમાં કાપવામાં આવે છે અને વાજબી ત્રિજ્યામાં ચુસ્તપણે વળાંક આપવામાં આવે છે. ક્યોર્ડ ફેલ્ટ સમાન ફાઇબર મટિરિયલ્સથી બનેલા હોય છે, અને કાર્બન-સમાવિષ્ટ બાઈન્ડરનો ઉપયોગ વિખરાયેલા તંતુઓને વધુ ઘન અને આકારના પદાર્થમાં જોડવા માટે થાય છે. બાઈન્ડરને બદલે કાર્બનના રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપનો ઉપયોગ સામગ્રીના યાંત્રિક ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે.

સામાન્ય રીતે, થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન ક્યોરિંગ ફીલ્ટની બાહ્ય સપાટીને સતત ગ્રેફાઇટ કોટિંગ અથવા ફોઇલથી કોટેડ કરવામાં આવે છે જેથી ધોવાણ અને ઘસારો તેમજ કણોના દૂષણને ઓછું કરી શકાય. કાર્બન ફોમ જેવા અન્ય પ્રકારના કાર્બન-આધારિત થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન સામગ્રી પણ અસ્તિત્વમાં છે. સામાન્ય રીતે, ગ્રાફિટાઇઝ્ડ સામગ્રીને સ્પષ્ટપણે પસંદ કરવામાં આવે છે કારણ કે ગ્રાફિટાઇઝેશન ફાઇબરના સપાટીના ક્ષેત્રને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડે છે. આ ઉચ્ચ-સપાટી-ક્ષેત્ર સામગ્રીનું આઉટગેસિંગ ખૂબ જ ઓછું થાય છે, અને ભઠ્ઠીને યોગ્ય શૂન્યાવકાશમાં પંપ કરવામાં ઓછો સમય લાગે છે. બીજું C/C સંયુક્ત સામગ્રી છે, જેમાં હલકું વજન, ઉચ્ચ નુકસાન સહનશીલતા અને ઉચ્ચ શક્તિ જેવી ઉત્કૃષ્ટ લાક્ષણિકતાઓ છે. ગ્રેફાઇટ ભાગોને બદલવા માટે થર્મલ ક્ષેત્રોમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ગ્રેફાઇટ ભાગોને બદલવાની આવર્તન નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે, મોનોક્રિસ્ટલાઇન ગુણવત્તા અને ઉત્પાદન સ્થિરતામાં સુધારો કરે છે.

કાચા માલના વર્ગીકરણ મુજબ, કાર્બન ફેલ્ટને પોલિએક્રીલોનિટ્રાઇલ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટ, વિસ્કોસ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટ અને પિચ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.
પોલિએક્રિલોનિટ્રાઇલ આધારિત કાર્બન ફેલ્ટમાં રાખનું પ્રમાણ વધુ હોય છે. ઉચ્ચ-તાપમાનની સારવાર પછી, સિંગલ ફાઇબર બરડ બની જાય છે. ઓપરેશન દરમિયાન, ભઠ્ઠીના વાતાવરણને પ્રદૂષિત કરવા માટે ધૂળ ઉત્પન્ન કરવી સરળ છે. તે જ સમયે, ફાઇબર માનવ શરીરના છિદ્રો અને શ્વસન માર્ગમાં સરળતાથી પ્રવેશી શકે છે, જે માનવ સ્વાસ્થ્ય માટે હાનિકારક છે. વિસ્કોસ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટમાં સારી થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન કામગીરી હોય છે. ગરમીની સારવાર પછી તે પ્રમાણમાં નરમ હોય છે અને ધૂળ ઉત્પન્ન કરવી સરળ નથી. જો કે, વિસ્કોસ-આધારિત કાચા ફાઇબરનો ક્રોસ-સેક્શન અનિયમિત હોય છે, અને ફાઇબરની સપાટી પર ઘણા ખાંચો હોય છે. CZ સિલિકોન ફર્નેસના ઓક્સિડાઇઝિંગ વાતાવરણ હેઠળ C02 જેવા વાયુઓ ઉત્પન્ન કરવાનું સરળ છે, જેના કારણે મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સામગ્રીમાં ઓક્સિજન અને કાર્બન તત્વોનો વરસાદ થાય છે. મુખ્ય ઉત્પાદકોમાં જર્મન SGL અને અન્ય કંપનીઓનો સમાવેશ થાય છે. હાલમાં, સેમિકન્ડક્ટર મોનોક્રિસ્ટલાઇન ઉદ્યોગમાં સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું પિચ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટ છે, જે વિસ્કોસ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટ કરતાં વધુ ખરાબ થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન પ્રદર્શન ધરાવે છે, પરંતુ પિચ-આધારિત કાર્બન ફેલ્ટમાં ઉચ્ચ શુદ્ધતા અને ઓછી ધૂળ ઉત્સર્જન હોય છે. ઉત્પાદકોમાં જાપાનના કુરેહા કેમિકલ અને ઓસાકા ગેસનો સમાવેશ થાય છે.
કાર્બન ફેલ્ટનો આકાર નિશ્ચિત ન હોવાથી, તે ચલાવવામાં અસુવિધાજનક છે. હવે ઘણી કંપનીઓએ કાર્બન ફેલ્ટ-ક્યોર્ડ કાર્બન ફેલ્ટ પર આધારિત નવી થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન સામગ્રી વિકસાવી છે. ક્યોર્ડ કાર્બન ફેલ્ટ, જેને હાર્ડ ફેલ્ટ પણ કહેવાય છે, તે એક કાર્બન ફેલ્ટ છે જે ચોક્કસ આકાર અને સ્વ-ટકાઉ ગુણધર્મ ધરાવે છે જ્યારે સોફ્ટ ફેલ્ટને રેઝિન, લેમિનેટેડ, ક્યોર્ડ અને કાર્બોનાઇઝ્ડથી ગર્ભિત કરવામાં આવે છે.

મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનની વૃદ્ધિ ગુણવત્તા થર્મલ વાતાવરણથી સીધી પ્રભાવિત થાય છે, અને કાર્બન ફાઇબર થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન સામગ્રી આ વાતાવરણમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે. કાર્બન ફાઇબર થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન સોફ્ટ ફેલ્ટ હજુ પણ ફોટોવોલ્ટેઇક સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં તેના ખર્ચ લાભ, ઉત્તમ થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન અસર, લવચીક ડિઝાઇન અને કસ્ટમાઇઝ કરી શકાય તેવા આકારને કારણે નોંધપાત્ર ફાયદો ધરાવે છે. વધુમાં, કાર્બન ફાઇબર હાર્ડ થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન ફેલ્ટ તેની ચોક્કસ શક્તિ અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાને કારણે થર્મલ ફિલ્ડ મટિરિયલ માર્કેટમાં વધુ વિકાસ સ્થાન ધરાવશે. અમે થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન સામગ્રીના ક્ષેત્રમાં સંશોધન અને વિકાસ માટે પ્રતિબદ્ધ છીએ, અને ફોટોવોલ્ટેઇક સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગની સમૃદ્ધિ અને વિકાસને પ્રોત્સાહન આપવા માટે ઉત્પાદન પ્રદર્શનને સતત ઑપ્ટિમાઇઝ કરીએ છીએ.