მნიშვნელოვანი მასალები, რომლებიც განსაზღვრავენ მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის ხარისხს - თერმული ველი

მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის პროცესი სრულად თერმულ ველში ხორციელდება. კარგი თერმული ველი ხელს უწყობს კრისტალების ხარისხის გაუმჯობესებას და აქვს კრისტალიზაციის უფრო მაღალი ეფექტურობა. თერმული ველის დიზაინი დიდწილად განსაზღვრავს ტემპერატურის გრადიენტების ცვლილებებს დინამიურ თერმულ ველში და ღუმელის კამერაში გაზის ნაკადს. თერმულ ველში გამოყენებული მასალების განსხვავება პირდაპირ განსაზღვრავს თერმული ველის მომსახურების ვადას. არაგონივრული თერმული ველის შემთხვევაში არა მხოლოდ რთულია ხარისხის მოთხოვნების დამაკმაყოფილებელი კრისტალების გაზრდა, არამედ შეუძლებელია სრულად მონოკრისტალური სილიციუმის მოყვანა გარკვეული პროცესის მოთხოვნების შესაბამისად. სწორედ ამიტომ, პირდაპირი აწევის მონოკრისტალური სილიციუმის ინდუსტრია თერმული ველის დიზაინს ყველაზე მნიშვნელოვან ტექნოლოგიად მიიჩნევს და უზარმაზარ ადამიანურ და მატერიალურ რესურსებს დებს თერმული ველის კვლევასა და განვითარებაში.

თერმული სისტემა შედგება სხვადასხვა თერმული ველის მასალისგან. ჩვენ მხოლოდ მოკლედ წარმოგიდგენთ თერმულ ველში გამოყენებულ მასალებს. რაც შეეხება თერმულ ველში ტემპერატურის განაწილებას და მის გავლენას კრისტალის გაჭიმვაზე, აქ მას არ გავაანალიზებთ. თერმული ველის მასალა გულისხმობს კრისტალის ზრდის ვაკუუმური ღუმელის კამერის სტრუქტურასა და თბოიზოლაციის ნაწილს, რაც აუცილებელია ნახევარგამტარული დნობისა და კრისტალის გარშემო შესაბამისი ტემპერატურის განაწილების შესაქმნელად.

1. თერმული ველის სტრუქტურის მასალა

მონოკრისტალური სილიციუმის მოყვანის პირდაპირი გაწოვის მეთოდის ძირითადი დამხმარე მასალა მაღალი სისუფთავის გრაფიტია. გრაფიტის მასალები ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ თანამედროვე ინდუსტრიაში. მათი გამოყენება შესაძლებელია როგორც სითბური ველის სტრუქტურული კომპონენტები, როგორიცააგამათბობლები, სახელმძღვანელო მილები, ტილოები, საიზოლაციო მილები, ტიგელური უჯრები და ა.შ. მონოკრისტალური სილიციუმის ჩოხრალსკის მეთოდით მიღებისას.

გრაფიტის მასალებიშერჩეულია, რადგან ისინი ადვილად მოსამზადებელია დიდი მოცულობით, შეიძლება დამუშავდეს და მდგრადია მაღალი ტემპერატურის მიმართ. ალმასის ან გრაფიტის სახით ნახშირბადს უფრო მაღალი დნობის ტემპერატურა აქვს, ვიდრე ნებისმიერ ელემენტს ან ნაერთს. გრაფიტის მასალები საკმაოდ მტკიცეა, განსაკუთრებით მაღალ ტემპერატურაზე, და მათი ელექტრო და თბოგამტარობაც საკმაოდ კარგია. მისი ელექტროგამტარობა მას შესაფერისს ხდის, როგორცგამათბობელიმასალა. მას აქვს დამაკმაყოფილებელი თბოგამტარობის კოეფიციენტი, რაც საშუალებას იძლევა გამათბობლის მიერ გამომუშავებული სითბო თანაბრად გადანაწილდეს ტიგანსა და სითბური ველის სხვა ნაწილებზე. თუმცა, მაღალ ტემპერატურაზე, განსაკუთრებით დიდ დისტანციებზე, სითბოს გადაცემის ძირითადი რეჟიმი გამოსხივებაა.

გრაფიტის ნაწილები თავდაპირველად მზადდება წვრილი ნახშირბადის ნაწილაკებისგან, რომლებიც შერეულია შემკვრელთან და ყალიბდება ექსტრუზიის ან იზოსტატიკური დაწნეხვის გზით. მაღალი ხარისხის გრაფიტის ნაწილები, როგორც წესი, იზოსტატიკური დაწნეხვის მეთოდით ხორციელდება. მთლიანი ნაწილი ჯერ კარბონიზებულია და შემდეგ გრაფიტიზირებულია ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, 3000°C-თან ახლოს. ამ მთლიანი ნაწილებიდან დამუშავებული ნაწილები, როგორც წესი, იწმინდება ქლორის შემცველ ატმოსფეროში მაღალ ტემპერატურაზე, ლითონის დაბინძურების მოსაშორებლად, ნახევარგამტარული ინდუსტრიის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. თუმცა, სათანადო გაწმენდის შემდეგაც კი, ლითონის დაბინძურების დონე რამდენიმე რიგით მაღალია, ვიდრე სილიციუმის მონოკრისტალური მასალებისთვის დაშვებული. ამიტომ, თერმული ველის დიზაინში სიფრთხილეა საჭირო, რათა თავიდან იქნას აცილებული ამ კომპონენტების დაბინძურება დნობის ან ბროლის ზედაპირზე.

გრაფიტის მასალები ოდნავ გამტარია, რაც აადვილებს შიგნით დარჩენილი ლითონის ზედაპირამდე მიღწევას. გარდა ამისა, გრაფიტის ზედაპირის გარშემო გამწმენდ აირში არსებულ სილიციუმის მონოქსიდს შეუძლია შეაღწიოს მასალების უმეტესობაში და რეაგირება მოახდინოს.

ადრეული მონოკრისტალური სილიციუმის ღუმელის გამათბობლები მზადდებოდა ცეცხლგამძლე ლითონებისგან, როგორიცაა ვოლფრამი და მოლიბდენი. გრაფიტის დამუშავების ტექნოლოგიის განვითარებასთან ერთად, გრაფიტის კომპონენტებს შორის შეერთების ელექტრული თვისებები სტაბილური გახდა და მონოკრისტალური სილიციუმის ღუმელის გამათბობლებმა მთლიანად ჩაანაცვლეს ვოლფრამის, მოლიბდენის და სხვა მასალის გამათბობლები. ამჟამად, ყველაზე ფართოდ გამოყენებული გრაფიტის მასალაა იზოსტატიკური გრაფიტი. ჩემს ქვეყანაში იზოსტატიკური გრაფიტის მომზადების ტექნოლოგია შედარებით ჩამორჩენილია და შიდა ფოტოელექტრულ ინდუსტრიაში გამოყენებული გრაფიტის მასალების უმეტესობა საზღვარგარეთიდან იმპორტირებულია. უცხოელი იზოსტატიკური გრაფიტის მწარმოებლები ძირითადად გერმანიის SGL, იაპონიის Tokai Carbon, იაპონიის Toyo Tanso და ა.შ. ჩოხრალსკის მონოკრისტალური სილიციუმის ღუმელებში ზოგჯერ გამოიყენება C/C კომპოზიტური მასალები და მათი გამოყენება დაიწყო ჭანჭიკების, თხილის, ტიგსიბულების, დატვირთვის ფირფიტების და სხვა კომპონენტების დასამზადებლად. ნახშირბადი/ნახშირბადის (C/C) კომპოზიტები ნახშირბადის ბოჭკოებით გამაგრებული ნახშირბადის ბაზაზე დამზადებული კომპოზიტებია, რომლებსაც ახასიათებთ ისეთი შესანიშნავი თვისებები, როგორიცაა მაღალი სპეციფიკური სიმტკიცე, მაღალი სპეციფიკური მოდული, დაბალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი, კარგი ელექტროგამტარობა, მაღალი მსხვრევისადმი სიმტკიცე, დაბალი სპეციფიკური წონა, თერმული დარტყმისადმი მდგრადობა, კოროზიისადმი მდგრადობა და მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა. ამჟამად, ისინი ფართოდ გამოიყენება აერონავტიკაში, სარბოლო ინდუსტრიაში, ბიომასალებსა და სხვა სფეროებში, როგორც ახალი მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი სტრუქტურული მასალები. ამჟამად, შიდა C/C კომპოზიტების წინაშე არსებული ძირითადი შემაფერხებელი ფაქტორები კვლავ ფასი და ინდუსტრიალიზაციის საკითხებია.

თერმული ველების შესაქმნელად მრავალი სხვა მასალა გამოიყენება. ნახშირბადის ბოჭკოთი გამაგრებული გრაფიტი უკეთესი მექანიკური თვისებებით ხასიათდება; თუმცა, ის უფრო ძვირია და დიზაინის სხვა მოთხოვნებიც აქვს.სილიციუმის კარბიდი (SiC)მრავალი ასპექტით გრაფიტზე უკეთესი მასალაა, მაგრამ გაცილებით ძვირია და დიდი მოცულობის ნაწილების დამზადება რთულია. თუმცა, SiC ხშირად გამოიყენება როგორცგულ-სისხლძარღვთა დაავადებების საფარიკოროზიული სილიციუმის მონოქსიდის გაზის ზემოქმედების ქვეშ მყოფი გრაფიტის ნაწილების სიცოცხლის ხანგრძლივობის გაზრდის მიზნით და ასევე შეუძლია გრაფიტით დაბინძურების შემცირება. მკვრივი CVD სილიციუმის კარბიდის საფარი ეფექტურად უშლის ხელს მიკროფოროვანი გრაფიტის მასალის შიგნით არსებულ დამაბინძურებლებს ზედაპირზე მოხვედრაში.

კიდევ ერთია CVD ნახშირბადი, რომელსაც ასევე შეუძლია გრაფიტის ნაწილის ზემოთ მკვრივი ფენის წარმოქმნა. სხვა მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი მასალები, როგორიცაა მოლიბდენი ან კერამიკული მასალები, რომლებსაც შეუძლიათ გარემოსთან თანაარსებობა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას იქ, სადაც არ არსებობს დნობის დაბინძურების რისკი. თუმცა, ოქსიდის კერამიკა ზოგადად შეზღუდულია გრაფიტის მასალებზე მაღალ ტემპერატურაზე გამოყენების თვალსაზრისით და იზოლაციის საჭიროების შემთხვევაში სხვა ვარიანტები ცოტაა. ერთ-ერთია ჰექსაგონალური ბორის ნიტრიდი (ზოგჯერ მას თეთრ გრაფიტს უწოდებენ მსგავსი თვისებების გამო), მაგრამ მექანიკური თვისებები ცუდია. მოლიბდენი ზოგადად გონივრულად გამოიყენება მაღალი ტემპერატურის სიტუაციებში მისი ზომიერი ღირებულების, სილიციუმის კრისტალებში დაბალი დიფუზიის სიჩქარის და დაახლოებით 5×108-ის ძალიან დაბალი სეგრეგაციის კოეფიციენტის გამო, რაც საშუალებას იძლევა გარკვეული რაოდენობის მოლიბდენით დაბინძურდეს კრისტალური სტრუქტურის განადგურებამდე.

2. თბოიზოლაციის მასალები

ყველაზე ხშირად გამოყენებული საიზოლაციო მასალაა ნახშირბადის თექა სხვადასხვა ფორმით. ნახშირბადის თექა დამზადებულია თხელი ბოჭკოებისგან, რომლებიც იზოლაციის ფუნქციას ასრულებენ, რადგან ისინი მრავალჯერ ბლოკავენ თერმულ გამოსხივებას მოკლე მანძილზე. რბილი ნახშირბადის თექა ნაქსოვია შედარებით თხელ ფურცლებად, რომლებიც შემდეგ იჭრება სასურველ ფორმაში და მჭიდროდ იხრება გონივრულ რადიუსში. გამაგრებული თექა შედგება მსგავსი ბოჭკოვანი მასალებისგან და ნახშირბადის შემცველი შემაკავშირებელი გამოიყენება გაფანტული ბოჭკოების უფრო მყარ და ფორმის ობიექტად შესაერთებლად. შემაკავშირებლის ნაცვლად ნახშირბადის ქიმიური ორთქლის დეპონირების გამოყენებამ შეიძლება გააუმჯობესოს მასალის მექანიკური თვისებები.

როგორც წესი, თბოიზოლაციის გამყარების ფეტრის გარე ზედაპირი დაფარულია უწყვეტი გრაფიტის საფარით ან ფოლგით, რათა შემცირდეს ეროზია და ცვეთა, ასევე ნაწილაკებით დაბინძურება. არსებობს ნახშირბადზე დაფუძნებული თბოიზოლაციის მასალების სხვა ტიპებიც, როგორიცაა ნახშირბადის ქაფი. ზოგადად, გრაფიტიზებული მასალები აშკარად სასურველია, რადგან გრაფიტიზაცია მნიშვნელოვნად ამცირებს ბოჭკოს ზედაპირის ფართობს. ამ მაღალი ზედაპირის ფართობის მასალების გამოყოფა მნიშვნელოვნად მცირდება და ღუმელის შესაფერის ვაკუუმში გადატუმბვას ნაკლები დრო სჭირდება. კიდევ ერთია C/C კომპოზიტური მასალა, რომელსაც აქვს გამორჩეული მახასიათებლები, როგორიცაა სიმსუბუქე, დაზიანების მაღალი ტოლერანტობა და მაღალი სიმტკიცე. თერმულ ველებში გრაფიტის ნაწილების შესაცვლელად გამოყენება მნიშვნელოვნად ამცირებს გრაფიტის ნაწილების შეცვლის სიხშირეს, აუმჯობესებს მონოკრისტალურ ხარისხს და წარმოების სტაბილურობას.

ნედლეულის კლასიფიკაციის მიხედვით, ნახშირბადის თექა შეიძლება დაიყოს პოლიაკრილონიტრილზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექად, ვისკოზაზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექად და კუპრის საფუძველზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექად.
პოლიაკრილონიტრილზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექას აქვს ნაცრის მაღალი შემცველობა. მაღალტემპერატურული დამუშავების შემდეგ, ერთი ბოჭკო ხდება მყიფე. ექსპლუატაციის დროს, ადვილად წარმოიქმნება მტვერი, რომელიც აბინძურებს ღუმელის გარემოს. ამავდროულად, ბოჭკო ადვილად აღწევს ადამიანის სხეულის ფორებსა და სასუნთქ გზებში, რაც საზიანოა ადამიანის ჯანმრთელობისთვის. ვისკოზაზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექას აქვს კარგი თბოიზოლაციის მახასიათებლები. თერმული დამუშავების შემდეგ ის შედარებით რბილია და მტვრის წარმოქმნა ადვილი არ არის. თუმცა, ვისკოზაზე დაფუძნებული ნედლი ბოჭკოს განივი კვეთა არარეგულარულია და ბოჭკოს ზედაპირზე ბევრი ღარია. CZ სილიციუმის ღუმელის დაჟანგვის ატმოსფეროში ადვილად წარმოიქმნება აირების, როგორიცაა CO2, რაც იწვევს ჟანგბადის და ნახშირბადის ელემენტების დალექვას მონოკრისტალურ სილიციუმის მასალაში. ძირითადი მწარმოებლები არიან გერმანული SGL და სხვა კომპანიები. ამჟამად, ნახევარგამტარული მონოკრისტალური ინდუსტრიაში ყველაზე ფართოდ გამოიყენება კუპრის ბაზაზე დამზადებული ნახშირბადის თექა, რომელსაც ვისკოზაზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექასთან შედარებით უარესი თბოიზოლაციის მახასიათებლები აქვს, მაგრამ კუპრის ბაზაზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექას აქვს უფრო მაღალი სისუფთავე და მტვრის დაბალი გამოყოფა. მწარმოებლებს შორის არიან იაპონური კომპანიები „კურეჰა ქემიკალ“ და „ოსაკა გასი“.
რადგან ნახშირბადის თექის ფორმა ფიქსირებული არ არის, მისი გამოყენება მოუხერხებელია. ამჟამად ბევრმა კომპანიამ შეიმუშავა ახალი თბოიზოლაციის მასალა, რომელიც დაფუძნებულია ნახშირბადის თექაზე გამაგრებულ ნახშირბადის თექაზე. გამაგრებული ნახშირბადის თექა, რომელსაც ასევე უწოდებენ მყარ თექას, არის ნახშირბადის თექა, რომელსაც აქვს გარკვეული ფორმა და თვითშენარჩუნების თვისება რბილი თექის ფისით გაჟღენთვის, ლამინირების, გამაგრებისა და კარბონიზაციის შემდეგ.

მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის ხარისხზე პირდაპირ გავლენას ახდენს თერმული გარემო და ნახშირბადის ბოჭკოვანი თბოიზოლაციის მასალები მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ამ გარემოში. ნახშირბადის ბოჭკოვანი თბოიზოლაციის რბილ თექას კვლავ მნიშვნელოვანი უპირატესობა აქვს ფოტოელექტრული ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში მისი ფასის უპირატესობის, შესანიშნავი თბოიზოლაციის ეფექტის, მოქნილი დიზაინისა და მორგებადი ფორმის გამო. გარდა ამისა, ნახშირბადის ბოჭკოვანი მყარი თბოიზოლაციის თექას ექნება უფრო დიდი განვითარების სივრცე თერმული ველის მასალების ბაზარზე მისი გარკვეული სიმტკიცისა და მაღალი ექსპლუატაციის გამო. ჩვენ ერთგულად ვართ ორიენტირებული თბოიზოლაციის მასალების სფეროში კვლევასა და განვითარებაზე და მუდმივად ვაუმჯობესებთ პროდუქტის მუშაობას ფოტოელექტრული ნახევარგამტარების ინდუსტრიის კეთილდღეობისა და განვითარების ხელშესაწყობად.