मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वाढीची गुणवत्ता निश्चित करणारे महत्त्वाचे साहित्य - थर्मल फील्ड

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनची वाढ प्रक्रिया पूर्णपणे थर्मल फील्डमध्ये पार पाडली जाते. एक चांगले थर्मल फील्ड क्रिस्टल्सची गुणवत्ता सुधारण्यास अनुकूल असते आणि त्याची क्रिस्टलायझेशन कार्यक्षमता जास्त असते. थर्मल फील्डची रचना मुख्यत्वे डायनॅमिक थर्मल फील्डमधील तापमान ग्रेडियंटमधील बदल आणि फर्नेस चेंबरमधील वायूचा प्रवाह निश्चित करते. थर्मल फील्डमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या साहित्यातील फरक थेट थर्मल फील्डचे सेवा आयुष्य ठरवतो. अवास्तव थर्मल फील्डमध्ये गुणवत्तेच्या आवश्यकता पूर्ण करणारे क्रिस्टल्स वाढवणे कठीणच नाही तर विशिष्ट प्रक्रिया आवश्यकतांनुसार संपूर्ण मोनोक्रिस्टलाइन देखील वाढू शकत नाही. म्हणूनच डायरेक्ट-पुल मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उद्योग थर्मल फील्ड डिझाइनला सर्वात मुख्य तंत्रज्ञान मानतो आणि थर्मल फील्ड संशोधन आणि विकासात प्रचंड मनुष्यबळ आणि भौतिक संसाधने गुंतवतो.

थर्मल सिस्टीम ही विविध थर्मल फील्ड मटेरियलपासून बनलेली असते. आम्ही फक्त थर्मल फील्डमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या मटेरियलची थोडक्यात ओळख करून देतो. थर्मल फील्डमधील तापमान वितरण आणि क्रिस्टल पुलिंगवर त्याचा परिणाम याबद्दल, आम्ही येथे त्याचे विश्लेषण करणार नाही. थर्मल फील्ड मटेरियल म्हणजे क्रिस्टल ग्रोथच्या व्हॅक्यूम फर्नेस चेंबरमधील रचना आणि थर्मल इन्सुलेशन भाग, जो सेमीकंडक्टर मेल्ट आणि क्रिस्टलभोवती योग्य तापमान वितरण तयार करण्यासाठी आवश्यक आहे.

१. थर्मल फील्ड स्ट्रक्चर मटेरियल

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वाढवण्यासाठी डायरेक्ट-पुल पद्धतीसाठी मूलभूत आधारभूत सामग्री उच्च-शुद्धता ग्रेफाइट आहे. आधुनिक उद्योगात ग्रेफाइट साहित्य खूप महत्वाची भूमिका बजावते. ते उष्णता क्षेत्र संरचनात्मक घटक म्हणून वापरले जाऊ शकतात जसे कीहीटर, मार्गदर्शक नळ्या, क्रूसिबल, झोक्राल्स्की पद्धतीने मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तयार करण्यासाठी इन्सुलेशन ट्यूब, क्रूसिबल ट्रे इ.

ग्रेफाइट साहित्यते निवडले जातात कारण ते मोठ्या प्रमाणात तयार करणे सोपे आहे, प्रक्रिया करता येते आणि उच्च तापमानाला प्रतिरोधक असतात. हिरा किंवा ग्रेफाइटच्या स्वरूपात कार्बनचा वितळण्याचा बिंदू कोणत्याही घटक किंवा संयुगांपेक्षा जास्त असतो. ग्रेफाइट पदार्थ बरेच मजबूत असतात, विशेषतः उच्च तापमानात, आणि त्यांची विद्युत आणि औष्णिक चालकता देखील चांगली असते. त्याची विद्युत चालकता ते योग्य बनवतेहीटरसाहित्य. त्यात समाधानकारक थर्मल चालकता गुणांक आहे, ज्यामुळे हीटरद्वारे निर्माण होणारी उष्णता क्रूसिबल आणि उष्णता क्षेत्राच्या इतर भागांमध्ये समान रीतीने वितरित केली जाऊ शकते. तथापि, उच्च तापमानात, विशेषतः लांब अंतरावर, मुख्य उष्णता हस्तांतरण मोड म्हणजे रेडिएशन.

ग्रेफाइट भाग सुरुवातीला बारीक कार्बनयुक्त कणांपासून बनवले जातात जे बाईंडरमध्ये मिसळले जातात आणि एक्सट्रूजन किंवा आयसोस्टॅटिक प्रेसिंगद्वारे तयार केले जातात. उच्च-गुणवत्तेचे ग्रेफाइट भाग सहसा आयसोस्टॅटिकली दाबले जातात. संपूर्ण तुकडा प्रथम कार्बनीकृत केला जातो आणि नंतर 3000°C च्या जवळ अतिशय उच्च तापमानात ग्राफिटाइज केला जातो. या संपूर्ण तुकड्यांपासून प्रक्रिया केलेले भाग सामान्यतः क्लोरीनयुक्त वातावरणात उच्च तापमानात शुद्ध केले जातात जेणेकरून अर्धवाहक उद्योगाच्या आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी धातूचे दूषितीकरण काढून टाकता येईल. तथापि, योग्य शुद्धीकरणानंतरही, धातूच्या दूषिततेची पातळी सिलिकॉन मोनोक्रिस्टलाइन पदार्थांसाठी परवानगी असलेल्यापेक्षा अनेक प्रमाणात जास्त असते. म्हणून, या घटकांचे दूषितीकरण वितळलेल्या किंवा क्रिस्टल पृष्ठभागावर जाण्यापासून रोखण्यासाठी थर्मल फील्ड डिझाइनमध्ये काळजी घेणे आवश्यक आहे.

ग्रेफाइट पदार्थ थोडेसे पारगम्य असतात, ज्यामुळे आतील उर्वरित धातू पृष्ठभागावर पोहोचणे सोपे होते. याव्यतिरिक्त, ग्रेफाइट पृष्ठभागाभोवती असलेल्या शुद्धीकरण वायूमध्ये असलेले सिलिकॉन मोनोऑक्साइड बहुतेक पदार्थांमध्ये प्रवेश करू शकते आणि प्रतिक्रिया देऊ शकते.

सुरुवातीचे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फर्नेस हीटर्स टंगस्टन आणि मोलिब्डेनम सारख्या रेफ्रेक्ट्री धातूंपासून बनवले जात होते. ग्रेफाइट प्रक्रिया तंत्रज्ञानाच्या वाढत्या परिपक्वतेसह, ग्रेफाइट घटकांमधील कनेक्शनचे विद्युत गुणधर्म स्थिर झाले आहेत आणि मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फर्नेस हीटर्सनी टंगस्टन, मोलिब्डेनम आणि इतर मटेरियल हीटर्सची पूर्णपणे जागा घेतली आहे. सध्या, सर्वात जास्त वापरले जाणारे ग्रेफाइट मटेरियल आयसोस्टॅटिक ग्रेफाइट आहे. माझ्या देशातील आयसोस्टॅटिक ग्रेफाइट तयारी तंत्रज्ञान तुलनेने मागासलेले आहे आणि देशांतर्गत फोटोव्होल्टेइक उद्योगात वापरले जाणारे बहुतेक ग्रेफाइट मटेरियल परदेशातून आयात केले जातात. परदेशी आयसोस्टॅटिक ग्रेफाइट उत्पादकांमध्ये प्रामुख्याने जर्मनीचे एसजीएल, जपानचे टोकाई कार्बन, जपानचे टोयो टॅन्सो इत्यादींचा समावेश आहे. झोक्राल्स्की मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फर्नेसमध्ये, कधीकधी सी/सी कंपोझिट मटेरियल वापरले जातात आणि ते बोल्ट, नट, क्रूसिबल्स, लोड प्लेट्स आणि इतर घटक तयार करण्यासाठी वापरले जाऊ लागले आहेत. कार्बन/कार्बन (C/C) कंपोझिट हे कार्बन फायबर प्रबलित कार्बन-आधारित कंपोझिट आहेत ज्यात उच्च विशिष्ट शक्ती, उच्च विशिष्ट मापांक, कमी थर्मल विस्तार गुणांक, चांगली विद्युत चालकता, उच्च फ्रॅक्चर कडकपणा, कमी विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण, थर्मल शॉक प्रतिरोध, गंज प्रतिरोध आणि उच्च तापमान प्रतिरोध यासारख्या उत्कृष्ट गुणधर्मांची मालिका आहे. सध्या, ते एरोस्पेस, रेसिंग, बायोमटेरियल आणि इतर क्षेत्रात नवीन उच्च-तापमान प्रतिरोधक संरचनात्मक साहित्य म्हणून मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. सध्या, घरगुती C/C कंपोझिटना येणारे मुख्य अडथळे अजूनही किंमत आणि औद्योगिकीकरण समस्या आहेत.

थर्मल फील्ड बनवण्यासाठी इतर अनेक साहित्य वापरले जातात. कार्बन फायबर रीइन्फोर्स्ड ग्रेफाइटमध्ये चांगले यांत्रिक गुणधर्म आहेत; परंतु ते अधिक महाग आहे आणि डिझाइनसाठी इतर आवश्यकता आहेत.सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)हे अनेक बाबतीत ग्रेफाइटपेक्षा चांगले मटेरियल आहे, परंतु ते खूप महाग आहे आणि मोठ्या आकाराचे भाग तयार करणे कठीण आहे. तथापि, SiC बहुतेकदासीव्हीडी कोटिंगसंक्षारक सिलिकॉन मोनोऑक्साइड वायूच्या संपर्कात येणाऱ्या ग्रेफाइट भागांचे आयुष्य वाढवण्यासाठी आणि ग्रेफाइटपासून होणारे दूषितीकरण देखील कमी करू शकते. दाट CVD सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग मायक्रोपोरस ग्रेफाइट मटेरियलमधील दूषित घटकांना पृष्ठभागावर पोहोचण्यापासून प्रभावीपणे प्रतिबंधित करते.

दुसरे म्हणजे CVD कार्बन, जे ग्रेफाइट भागाच्या वर एक दाट थर देखील तयार करू शकते. इतर उच्च तापमान प्रतिरोधक साहित्य, जसे की मोलिब्डेनम किंवा सिरेमिक साहित्य जे वातावरणाशी एकत्र राहू शकतात, ते वितळण्यामुळे दूषित होण्याचा धोका नसताना वापरले जाऊ शकतात. तथापि, ऑक्साईड सिरेमिक सामान्यतः उच्च तापमानात ग्रेफाइट पदार्थांसाठी मर्यादित असतात आणि इन्सुलेशन आवश्यक असल्यास इतर काही पर्याय उपलब्ध नाहीत. एक म्हणजे षटकोनी बोरॉन नायट्राइड (कधीकधी समान गुणधर्मांमुळे पांढरा ग्रेफाइट म्हणतात), परंतु यांत्रिक गुणधर्म खराब असतात. मॉलिब्डेनम सामान्यतः उच्च तापमान परिस्थितींसाठी वाजवीपणे वापरला जातो कारण त्याची मध्यम किंमत, सिलिकॉन क्रिस्टल्समध्ये कमी प्रसार दर आणि सुमारे 5×108 चा खूप कमी पृथक्करण गुणांक, जो क्रिस्टल संरचना नष्ट करण्यापूर्वी विशिष्ट प्रमाणात मोलिब्डेनम दूषित होण्यास अनुमती देतो.

२. थर्मल इन्सुलेशन साहित्य

सर्वात जास्त वापरले जाणारे इन्सुलेशन मटेरियल म्हणजे विविध स्वरूपात कार्बन फेल्ट. कार्बन फेल्ट पातळ तंतूंपासून बनलेले असते, जे इन्सुलेशन म्हणून काम करतात कारण ते थोड्या अंतरावर अनेक वेळा थर्मल रेडिएशन रोखतात. मऊ कार्बन फेल्ट हे मटेरियलच्या तुलनेने पातळ शीटमध्ये विणले जाते, जे नंतर इच्छित आकारात कापले जाते आणि वाजवी त्रिज्यामध्ये घट्ट वाकवले जाते. बरे केलेले फेल्ट समान फायबर मटेरियलपासून बनलेले असतात आणि विखुरलेल्या तंतूंना अधिक घन आणि आकाराच्या वस्तूमध्ये जोडण्यासाठी कार्बनयुक्त बाईंडर वापरला जातो. बाईंडरऐवजी कार्बनच्या रासायनिक वाष्प संचयनाचा वापर केल्याने मटेरियलचे यांत्रिक गुणधर्म सुधारू शकतात.

सामान्यतः, थर्मल इन्सुलेशन क्युरिंग फेल्टच्या बाह्य पृष्ठभागावर सतत ग्रेफाइट कोटिंग किंवा फॉइलने लेपित केले जाते जेणेकरून धूप आणि झीज तसेच कण दूषितता कमी होईल. कार्बन फोमसारखे इतर प्रकारचे कार्बन-आधारित थर्मल इन्सुलेशन साहित्य देखील अस्तित्वात आहेत. सर्वसाधारणपणे, ग्राफिटाइज्ड साहित्यांना प्राधान्य दिले जाते कारण ग्राफिटायझेशनमुळे फायबरचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ मोठ्या प्रमाणात कमी होते. या उच्च-पृष्ठभाग-क्षेत्रीय साहित्यांचे आउटगॅसिंग मोठ्या प्रमाणात कमी होते आणि भट्टीला योग्य व्हॅक्यूममध्ये पंप करण्यासाठी कमी वेळ लागतो. दुसरे म्हणजे C/C कंपोझिट मटेरियल, ज्यामध्ये हलके वजन, उच्च नुकसान सहनशीलता आणि उच्च शक्ती यासारख्या उत्कृष्ट वैशिष्ट्ये आहेत. ग्रेफाइट भाग बदलण्यासाठी थर्मल फील्डमध्ये वापरल्याने ग्रेफाइट भाग बदलण्याची वारंवारता लक्षणीयरीत्या कमी होते, मोनोक्रिस्टलाइन गुणवत्ता आणि उत्पादन स्थिरता सुधारते.

कच्च्या मालाच्या वर्गीकरणानुसार, कार्बन फेल्टला पॉलीअ‍ॅक्रिलोनिट्राइल-आधारित कार्बन फेल्ट, व्हिस्कोस-आधारित कार्बन फेल्ट आणि पिच-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये विभागले जाऊ शकते.
पॉलीअ‍ॅक्रिलोनिट्राइल-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये राखेचे प्रमाण जास्त असते. उच्च-तापमानाच्या उपचारानंतर, सिंगल फायबर ठिसूळ होते. ऑपरेशन दरम्यान, भट्टीच्या वातावरणाला प्रदूषित करण्यासाठी धूळ निर्माण करणे सोपे असते. त्याच वेळी, फायबर मानवी शरीराच्या छिद्रांमध्ये आणि श्वसनमार्गात सहजपणे प्रवेश करू शकते, जे मानवी आरोग्यासाठी हानिकारक आहे. व्हिस्कोस-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये चांगले थर्मल इन्सुलेशन कार्यप्रदर्शन असते. उष्णता उपचारानंतर ते तुलनेने मऊ असते आणि धूळ निर्माण करणे सोपे नसते. तथापि, व्हिस्कोस-आधारित कच्च्या फायबरचा क्रॉस-सेक्शन अनियमित असतो आणि फायबरच्या पृष्ठभागावर अनेक खोबणी असतात. CZ सिलिकॉन फर्नेसच्या ऑक्सिडायझिंग वातावरणाखाली C02 सारखे वायू निर्माण करणे सोपे असते, ज्यामुळे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन मटेरियलमध्ये ऑक्सिजन आणि कार्बन घटकांचा वर्षाव होतो. मुख्य उत्पादकांमध्ये जर्मन SGL आणि इतर कंपन्या समाविष्ट आहेत. सध्या, सेमीकंडक्टर मोनोक्रिस्टलाइन उद्योगात सर्वात जास्त वापरले जाणारे पिच-आधारित कार्बन फेल्ट आहे, ज्याची व्हिस्कोस-आधारित कार्बन फेल्टपेक्षा थर्मल इन्सुलेशन कार्यक्षमता कमी आहे, परंतु पिच-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये उच्च शुद्धता आणि कमी धूळ उत्सर्जन आहे. उत्पादकांमध्ये जपानमधील कुरेहा केमिकल आणि ओसाका गॅस यांचा समावेश आहे.
कार्बन फेल्टचा आकार स्थिर नसल्यामुळे, ते वापरण्यास गैरसोयीचे आहे. आता अनेक कंपन्यांनी कार्बन फेल्ट-क्युर्ड कार्बन फेल्टवर आधारित एक नवीन थर्मल इन्सुलेशन मटेरियल विकसित केले आहे. क्युर्ड कार्बन फेल्ट, ज्याला हार्ड फेल्ट देखील म्हणतात, हा एक कार्बन फेल्ट आहे जो मऊ फेल्टला रेझिनने भिजवल्यानंतर, लॅमिनेटेड, क्युर्ड आणि कार्बनाइज्ड केल्यानंतर विशिष्ट आकार आणि स्वयंपूर्ण गुणधर्मासह असतो.

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनच्या वाढीच्या गुणवत्तेवर थेट थर्मल वातावरणाचा परिणाम होतो आणि या वातावरणात कार्बन फायबर थर्मल इन्सुलेशन मटेरियल महत्त्वाची भूमिका बजावतात. कार्बन फायबर थर्मल इन्सुलेशन सॉफ्ट फेल्टचा फोटोव्होल्टेइक सेमीकंडक्टर उद्योगात अजूनही एक महत्त्वाचा फायदा आहे कारण त्याचा खर्चाचा फायदा, उत्कृष्ट थर्मल इन्सुलेशन प्रभाव, लवचिक डिझाइन आणि सानुकूल आकार. याव्यतिरिक्त, कार्बन फायबर हार्ड थर्मल इन्सुलेशन फेल्टला त्याच्या विशिष्ट ताकदी आणि उच्च कार्यक्षमतामुळे थर्मल फील्ड मटेरियल मार्केटमध्ये अधिक विकास जागा असेल. आम्ही थर्मल इन्सुलेशन मटेरियलच्या क्षेत्रात संशोधन आणि विकास करण्यास वचनबद्ध आहोत आणि फोटोव्होल्टेइक सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या समृद्धी आणि विकासाला चालना देण्यासाठी उत्पादन कामगिरी सतत ऑप्टिमाइझ करतो.