मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के विकास की गुणवत्ता निर्धारित करने वाले महत्वपूर्ण पदार्थ – थर्मल क्षेत्र

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन की वृद्धि प्रक्रिया पूरी तरह से ऊष्मीय क्षेत्र में संपन्न होती है। एक अनुकूल ऊष्मीय क्षेत्र क्रिस्टलों की गुणवत्ता में सुधार लाने में सहायक होता है और क्रिस्टलीकरण दक्षता को बढ़ाता है। ऊष्मीय क्षेत्र का डिज़ाइन गतिशील ऊष्मीय क्षेत्र में तापमान प्रवणता में परिवर्तन और भट्टी कक्ष में गैस के प्रवाह को काफी हद तक निर्धारित करता है। ऊष्मीय क्षेत्र में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में अंतर सीधे तौर पर ऊष्मीय क्षेत्र के सेवाकाल को निर्धारित करता है। एक अनुपयुक्त ऊष्मीय क्षेत्र न केवल गुणवत्ता संबंधी आवश्यकताओं को पूरा करने वाले क्रिस्टलों को विकसित करना कठिन बनाता है, बल्कि कुछ प्रक्रिया आवश्यकताओं के तहत पूर्ण मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का विकास भी संभव नहीं होता है। यही कारण है कि प्रत्यक्ष-पुल मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उद्योग ऊष्मीय क्षेत्र डिज़ाइन को सबसे महत्वपूर्ण तकनीक मानता है और ऊष्मीय क्षेत्र अनुसंधान एवं विकास में भारी मात्रा में जनशक्ति और सामग्री संसाधनों का निवेश करता है।

थर्मल सिस्टम विभिन्न थर्मल फील्ड सामग्रियों से बना होता है। हम थर्मल फील्ड में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों का संक्षिप्त परिचय ही देंगे। थर्मल फील्ड में तापमान वितरण और क्रिस्टल पुलिंग पर इसके प्रभाव का विश्लेषण हम यहां नहीं करेंगे। थर्मल फील्ड सामग्री से तात्पर्य क्रिस्टल वृद्धि के वैक्यूम फर्नेस चैंबर में संरचना और थर्मल इन्सुलेशन भाग से है, जो अर्धचालक पिघल और क्रिस्टल के चारों ओर उचित तापमान वितरण बनाने के लिए आवश्यक है।

1. ऊष्मीय क्षेत्र संरचना सामग्री

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन को विकसित करने के लिए डायरेक्ट-पुल विधि का मूल सहायक पदार्थ उच्च शुद्धता वाला ग्रेफाइट है। आधुनिक उद्योग में ग्रेफाइट सामग्री की बहुत महत्वपूर्ण भूमिका है। इनका उपयोग ऊष्मा क्षेत्र संरचनात्मक घटकों के रूप में किया जा सकता है, जैसे कि...हीटर, गाइड ट्यूब, क्रूसिबलचोक्रालस्की विधि द्वारा मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के निर्माण में इन्सुलेशन ट्यूब, क्रूसिबल ट्रे आदि का उपयोग किया जाता है।

ग्रेफाइट सामग्रीकार्बन का चयन इसलिए किया जाता है क्योंकि इन्हें बड़ी मात्रा में आसानी से तैयार किया जा सकता है, इन्हें संसाधित किया जा सकता है और ये उच्च तापमान के प्रति प्रतिरोधी होते हैं। हीरे या ग्रेफाइट के रूप में कार्बन का गलनांक किसी भी अन्य तत्व या यौगिक से अधिक होता है। ग्रेफाइट पदार्थ काफी मजबूत होते हैं, विशेष रूप से उच्च तापमान पर, और इनकी विद्युत और ऊष्मीय चालकता भी काफी अच्छी होती है। इसकी विद्युत चालकता इसे उपयुक्त बनाती है।हीटरयह पदार्थ उच्च तापीय चालकता गुणांक वाला है, जिससे हीटर द्वारा उत्पन्न ऊष्मा क्रूसिबल और ऊष्मा क्षेत्र के अन्य भागों में समान रूप से वितरित हो जाती है। हालांकि, उच्च तापमान पर, विशेषकर लंबी दूरी पर, ऊष्मा स्थानांतरण का मुख्य माध्यम विकिरण है।

ग्रेफाइट के पुर्जे प्रारंभ में बाइंडर के साथ मिश्रित महीन कार्बनयुक्त कणों से बने होते हैं, जिन्हें एक्सट्रूज़न या आइसोस्टैटिक प्रेसिंग द्वारा आकार दिया जाता है। उच्च गुणवत्ता वाले ग्रेफाइट पुर्जे आमतौर पर आइसोस्टैटिक प्रेसिंग द्वारा बनाए जाते हैं। पूरे टुकड़े को पहले कार्बनीकरण किया जाता है और फिर लगभग 3000°C के बहुत उच्च तापमान पर ग्रेफाइटीकरण किया जाता है। इन पूरे टुकड़ों से संसाधित पुर्जों को आमतौर पर सेमीकंडक्टर उद्योग की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए धातु संदूषण को दूर करने के लिए उच्च तापमान पर क्लोरीन युक्त वातावरण में शुद्ध किया जाता है। हालांकि, उचित शुद्धिकरण के बाद भी, धातु संदूषण का स्तर सिलिकॉन मोनोक्रिस्टलाइन पदार्थों के लिए अनुमत स्तर से कई गुना अधिक होता है। इसलिए, इन घटकों के संदूषण को पिघले हुए पदार्थ या क्रिस्टल की सतह में प्रवेश करने से रोकने के लिए थर्मल फील्ड डिज़ाइन में सावधानी बरतनी आवश्यक है।

ग्रेफाइट पदार्थ थोड़े पारगम्य होते हैं, जिससे अंदर मौजूद धातु आसानी से सतह तक पहुंच जाती है। इसके अलावा, ग्रेफाइट की सतह के आसपास मौजूद पर्ज गैस में प्रयुक्त सिलिकॉन मोनोऑक्साइड अधिकांश पदार्थों में प्रवेश कर प्रतिक्रिया कर सकता है।

प्रारंभिक मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन भट्टी के हीटर टंगस्टन और मोलिब्डेनम जैसी दुर्दम्य धातुओं से बने होते थे। ग्रेफाइट प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी की बढ़ती परिपक्वता के साथ, ग्रेफाइट घटकों के बीच विद्युत गुण स्थिर हो गए हैं, और मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन भट्टी के हीटरों ने टंगस्टन, मोलिब्डेनम और अन्य सामग्रियों से बने हीटरों को पूरी तरह से प्रतिस्थापित कर दिया है। वर्तमान में, सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली ग्रेफाइट सामग्री आइसोस्टैटिक ग्रेफाइट है। हमारे देश की आइसोस्टैटिक ग्रेफाइट निर्माण प्रौद्योगिकी अपेक्षाकृत पिछड़ी हुई है, और घरेलू फोटोवोल्टिक उद्योग में उपयोग की जाने वाली अधिकांश ग्रेफाइट सामग्री विदेशों से आयात की जाती है। विदेशी आइसोस्टैटिक ग्रेफाइट निर्माताओं में मुख्य रूप से जर्मनी की एसजीएल, जापान की टोकाई कार्बन, जापान की टोयो टैन्सो आदि शामिल हैं। चोक्रालस्की मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन भट्टियों में, कभी-कभी C/C मिश्रित सामग्रियों का उपयोग किया जाता है, और इनका उपयोग बोल्ट, नट, क्रूसिबल, लोड प्लेट और अन्य घटकों के निर्माण में किया जाने लगा है। कार्बन/कार्बन (C/C) कंपोजिट कार्बन फाइबर से प्रबलित कार्बन-आधारित कंपोजिट हैं जिनमें उच्च विशिष्ट सामर्थ्य, उच्च विशिष्ट मापांक, निम्न तापीय विस्तार गुणांक, अच्छी विद्युत चालकता, उच्च फ्रैक्चर कठोरता, निम्न विशिष्ट गुरुत्व, तापीय आघात प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध और उच्च तापमान प्रतिरोध जैसे उत्कृष्ट गुण पाए जाते हैं। वर्तमान में, इनका उपयोग एयरोस्पेस, रेसिंग, जैव सामग्री और अन्य क्षेत्रों में उच्च तापमान प्रतिरोधी संरचनात्मक सामग्री के रूप में व्यापक रूप से किया जाता है। फिलहाल, घरेलू C/C कंपोजिट के सामने मुख्य बाधाएं लागत और औद्योगीकरण संबंधी मुद्दे हैं।

ऊष्मीय क्षेत्र बनाने के लिए कई अन्य सामग्रियों का भी उपयोग किया जाता है। कार्बन फाइबर प्रबलित ग्रेफाइट में बेहतर यांत्रिक गुण होते हैं; लेकिन यह अधिक महंगा है और इसके डिजाइन के लिए अन्य आवश्यकताएं भी हैं।सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)कई मामलों में SiC, ग्रेफाइट से बेहतर सामग्री है, लेकिन यह बहुत अधिक महंगा है और बड़े पैमाने पर पुर्जे तैयार करना मुश्किल है। हालांकि, SiC का उपयोग अक्सर एकसीवीडी कोटिंगसंक्षारक सिलिकॉन मोनोऑक्साइड गैस के संपर्क में आने वाले ग्रेफाइट भागों के जीवनकाल को बढ़ाने के साथ-साथ ग्रेफाइट से होने वाले संदूषण को भी कम करता है। घनी सीवीडी सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग सूक्ष्म छिद्रों वाले ग्रेफाइट पदार्थ के अंदर मौजूद संदूषकों को सतह तक पहुंचने से प्रभावी ढंग से रोकती है।

एक अन्य विकल्प सीवीडी कार्बन है, जो ग्रेफाइट के ऊपर एक सघन परत बना सकता है। उच्च तापमान प्रतिरोधी अन्य पदार्थ, जैसे मोलिब्डेनम या सिरेमिक पदार्थ जो पर्यावरण के अनुकूल होते हैं, का उपयोग उन स्थितियों में किया जा सकता है जहां पिघले हुए पदार्थ के संदूषण का कोई खतरा नहीं होता है। हालांकि, ऑक्साइड सिरेमिक आमतौर पर उच्च तापमान पर ग्रेफाइट पदार्थों के लिए सीमित रूप से ही उपयोगी होते हैं, और इन्सुलेशन की आवश्यकता होने पर अन्य विकल्प भी कम ही उपलब्ध होते हैं। एक विकल्प हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड (समान गुणों के कारण कभी-कभी इसे सफेद ग्रेफाइट भी कहा जाता है) है, लेकिन इसके यांत्रिक गुण कमज़ोर होते हैं। मोलिब्डेनम को आमतौर पर उच्च तापमान की स्थितियों के लिए उपयुक्त माना जाता है क्योंकि इसकी लागत कम होती है, सिलिकॉन क्रिस्टल में इसकी प्रसार दर कम होती है, और इसका पृथक्करण गुणांक लगभग 5×10⁸ होता है, जो क्रिस्टल संरचना को नष्ट करने से पहले एक निश्चित मात्रा में मोलिब्डेनम संदूषण की अनुमति देता है।

2. ऊष्मीय इन्सुलेशन सामग्री

सबसे अधिक उपयोग में आने वाला इन्सुलेशन पदार्थ कार्बन फेल्ट है, जो विभिन्न रूपों में उपलब्ध है। कार्बन फेल्ट पतले रेशों से बना होता है, जो कम दूरी में कई बार ऊष्मीय विकिरण को रोककर इन्सुलेशन का काम करते हैं। मुलायम कार्बन फेल्ट को अपेक्षाकृत पतली चादरों में बुना जाता है, जिन्हें फिर वांछित आकार में काटा जाता है और उचित त्रिज्या में कसकर मोड़ा जाता है। तैयार फेल्ट समान रेशों से बना होता है, और बिखरे हुए रेशों को एक ठोस और सुडौल वस्तु में जोड़ने के लिए कार्बन युक्त बाइंडर का उपयोग किया जाता है। बाइंडर के स्थान पर कार्बन के रासायनिक वाष्प निक्षेपण का उपयोग करने से पदार्थ के यांत्रिक गुणों में सुधार हो सकता है।

आम तौर पर, थर्मल इंसुलेशन क्योरिंग फेल्ट की बाहरी सतह पर निरंतर ग्रेफाइट कोटिंग या फॉयल की परत चढ़ाई जाती है ताकि कटाव, घिसाव और कण प्रदूषण को कम किया जा सके। कार्बन आधारित थर्मल इंसुलेशन सामग्री के अन्य प्रकार भी मौजूद हैं, जैसे कार्बन फोम। सामान्य तौर पर, ग्रेफाइटयुक्त सामग्री को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि ग्रेफाइटीकरण से फाइबर का सतही क्षेत्रफल काफी कम हो जाता है। इन उच्च सतही क्षेत्रफल वाली सामग्रियों से गैसों का उत्सर्जन काफी कम हो जाता है और भट्टी को उपयुक्त निर्वात तक पंप करने में कम समय लगता है। एक अन्य प्रकार की सामग्री C/C कंपोजिट सामग्री है, जिसमें हल्के वजन, उच्च क्षति सहनशीलता और उच्च शक्ति जैसे उत्कृष्ट गुण हैं। थर्मल क्षेत्र में ग्रेफाइट भागों के स्थान पर इसका उपयोग करने से ग्रेफाइट भागों को बदलने की आवृत्ति काफी कम हो जाती है, मोनोक्रिस्टलाइन गुणवत्ता और उत्पादन स्थिरता में सुधार होता है।

कच्चे माल के वर्गीकरण के अनुसार, कार्बन फेल्ट को पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल-आधारित कार्बन फेल्ट, विस्कोस-आधारित कार्बन फेल्ट और पिच-आधारित कार्बन फेल्ट में विभाजित किया जा सकता है।
पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल आधारित कार्बन फेल्ट में राख की मात्रा अधिक होती है। उच्च तापमान पर उपचार के बाद, इसका रेशा भंगुर हो जाता है। संचालन के दौरान, इससे आसानी से धूल उत्पन्न होती है जो भट्टी के वातावरण को प्रदूषित करती है। साथ ही, यह रेशा आसानी से मानव शरीर के छिद्रों और श्वसन तंत्र में प्रवेश कर सकता है, जो मानव स्वास्थ्य के लिए हानिकारक है। विस्कोस आधारित कार्बन फेल्ट में अच्छी तापीय इन्सुलेशन क्षमता होती है। तापीय उपचार के बाद यह अपेक्षाकृत नरम हो जाता है और इससे धूल उत्पन्न नहीं होती है। हालांकि, विस्कोस आधारित कच्चे रेशे का अनुप्रस्थ काट अनियमित होता है और रेशे की सतह पर कई खांचे होते हैं। CZ सिलिकॉन भट्टी के ऑक्सीकरण वातावरण में CO2 जैसी गैसें आसानी से उत्पन्न होती हैं, जिससे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सामग्री में ऑक्सीजन और कार्बन तत्वों का अवक्षेपण होता है। प्रमुख निर्माताओं में जर्मन SGL और अन्य कंपनियां शामिल हैं। वर्तमान में, अर्धचालक मोनोक्रिस्टलाइन उद्योग में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला पिच आधारित कार्बन फेल्ट है, जिसकी तापीय इन्सुलेशन क्षमता विस्कोस आधारित कार्बन फेल्ट से कम है, लेकिन पिच आधारित कार्बन फेल्ट की शुद्धता अधिक होती है और इससे धूल का उत्सर्जन कम होता है। निर्माताओं में जापान की कुरेहा केमिकल और ओसाका गैस शामिल हैं।
कार्बन फेल्ट का आकार निश्चित न होने के कारण, इसका उपयोग करना असुविधाजनक होता है। अब कई कंपनियों ने कार्बन फेल्ट पर आधारित एक नई तापरोधी सामग्री विकसित की है - क्योरड कार्बन फेल्ट। क्योरड कार्बन फेल्ट, जिसे हार्ड फेल्ट भी कहा जाता है, एक ऐसी कार्बन फेल्ट है जिसे रेज़िन से भरकर, लेमिनेट करके, क्योर करके और कार्बनीकरण करके एक निश्चित आकार और स्वयं-स्थायी गुण प्राप्त किया जाता है।

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन की वृद्धि गुणवत्ता सीधे तौर पर ऊष्मीय वातावरण से प्रभावित होती है, और कार्बन फाइबर ऊष्मीय इन्सुलेशन सामग्री इस वातावरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। कार्बन फाइबर से बनी सॉफ्ट फेल्ट ऊष्मीय इन्सुलेशन सामग्री अपनी कम लागत, उत्कृष्ट ऊष्मीय इन्सुलेशन क्षमता, लचीले डिजाइन और अनुकूलनीय आकार के कारण फोटोवोल्टाइक सेमीकंडक्टर उद्योग में महत्वपूर्ण स्थान रखती है। इसके अतिरिक्त, कार्बन फाइबर से बनी हार्ड फेल्ट अपनी निश्चित मजबूती और उच्च संचालन क्षमता के कारण ऊष्मीय सामग्री बाजार में विकास के लिए अधिक संभावनाएं रखती है। हम ऊष्मीय इन्सुलेशन सामग्री के क्षेत्र में अनुसंधान और विकास के लिए प्रतिबद्ध हैं, और फोटोवोल्टाइक सेमीकंडक्टर उद्योग की समृद्धि और विकास को बढ़ावा देने के लिए उत्पाद प्रदर्शन को लगातार बेहतर बनाने का प्रयास करते हैं।