मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनच्या वाढीची गुणवत्ता निश्चित करणारी महत्त्वाची सामग्री – औष्णिक क्षेत्र

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनची वाढ प्रक्रिया पूर्णपणे थर्मल फील्डमध्ये पार पाडली जाते. एक चांगले थर्मल फील्ड स्फटिकांची गुणवत्ता सुधारण्यास अनुकूल असते आणि त्याची स्फटिकीकरण कार्यक्षमता जास्त असते. थर्मल फील्डची रचना मोठ्या प्रमाणावर गतिशील थर्मल फील्डमधील तापमान प्रवणतेतील बदल आणि भट्टीच्या कक्षातील वायूचा प्रवाह निश्चित करते. थर्मल फील्डमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीमधील फरक थेट थर्मल फील्डचे सेवा आयुष्य ठरवतो. अयोग्य थर्मल फील्डमुळे केवळ गुणवत्तेच्या आवश्यकता पूर्ण करणारे स्फटिक वाढवणे कठीण होत नाही, तर विशिष्ट प्रक्रिया आवश्यकतांनुसार संपूर्ण मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वाढवणेही शक्य होत नाही. यामुळेच डायरेक्ट-पुल मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उद्योग थर्मल फील्डच्या रचनेला सर्वात महत्त्वाचे तंत्रज्ञान मानतो आणि थर्मल फील्डच्या संशोधन व विकासामध्ये प्रचंड मनुष्यबळ आणि भौतिक संसाधने गुंतवतो.

औष्णिक प्रणाली विविध औष्णिक क्षेत्र सामग्रींनी बनलेली असते. आम्ही येथे केवळ औष्णिक क्षेत्रात वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीचा थोडक्यात परिचय करून देत आहोत. औष्णिक क्षेत्रातील तापमान वितरण आणि क्रिस्टल खेचण्यावरील त्याच्या परिणामाचे विश्लेषण आम्ही येथे करणार नाही. औष्णिक क्षेत्र सामग्री म्हणजे क्रिस्टल वाढीच्या व्हॅक्यूम फर्नेस चेंबरमधील रचना आणि औष्णिक इन्सुलेशन भाग होय, जो सेमीकंडक्टर वितळ आणि क्रिस्टलच्या सभोवताली योग्य तापमान वितरण तयार करण्यासाठी आवश्यक असतो.

१. औष्णिक क्षेत्र संरचना सामग्री

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वाढवण्याच्या डायरेक्ट-पुल पद्धतीसाठी मूलभूत आधारभूत सामग्री उच्च-शुद्धतेचा ग्रॅफाइट आहे. आधुनिक उद्योगात ग्रॅफाइट सामग्री खूप महत्त्वाची भूमिका बजावते. त्यांचा उपयोग उष्णता क्षेत्र संरचनात्मक घटक म्हणून केला जाऊ शकतो, जसे कीहीटर, मार्गदर्शक नळ्या, क्रुसिबल्सझोक्रालस्की पद्धतीने मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तयार करताना इन्सुलेशन ट्यूब, क्रुसिबल ट्रे इत्यादी.

ग्राफाइट साहित्यत्यांची निवड केली जाते कारण ते मोठ्या प्रमाणात तयार करणे सोपे असते, त्यावर प्रक्रिया करता येते आणि ते उच्च तापमानाला प्रतिरोधक असतात. हिरा किंवा ग्रॅफाइटच्या स्वरूपातील कार्बनचा वितळणांक कोणत्याही मूलद्रव्य किंवा संयुगापेक्षा जास्त असतो. ग्रॅफाइट पदार्थ खूप मजबूत असतात, विशेषतः उच्च तापमानात, आणि त्यांची विद्युत व औष्णिक वाहकता देखील खूप चांगली असते. त्याच्या विद्युत वाहकतेमुळे ते एक म्हणून उपयुक्त ठरते.हीटरया पदार्थाचा औष्णिक वाहकता गुणांक समाधानकारक आहे, ज्यामुळे हीटरद्वारे निर्माण होणारी उष्णता क्रुसिबल आणि उष्णता क्षेत्राच्या इतर भागांमध्ये समान रीतीने वितरीत होते. तथापि, उच्च तापमानात, विशेषतः लांब अंतरावर, उष्णता हस्तांतरणाचा मुख्य प्रकार विकिरण हा असतो.

ग्राफाईटचे भाग सुरुवातीला बारीक कार्बनयुक्त कणांना बाइंडरमध्ये मिसळून आणि एक्सट्रूजन किंवा आयसोस्टॅटिक प्रेसिंगद्वारे आकार देऊन बनवले जातात. उच्च-गुणवत्तेचे ग्राफाईटचे भाग सहसा आयसोस्टॅटिक पद्धतीने दाबले जातात. संपूर्ण तुकड्याचे प्रथम कार्बनीकरण केले जाते आणि नंतर सुमारे ३०००°C इतक्या अतिउच्च तापमानावर त्याचे ग्राफाईटीकरण केले जाते. सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी, या संपूर्ण तुकड्यांपासून प्रक्रिया केलेल्या भागांमधील धातूंचे प्रदूषण काढून टाकण्याकरिता, त्यांना सहसा उच्च तापमानावर क्लोरीनयुक्त वातावरणात शुद्ध केले जाते. तथापि, योग्य शुद्धीकरणानंतरही, धातूंच्या प्रदूषणाची पातळी सिलिकॉन मोनोक्रिस्टलाइन पदार्थांसाठी परवानगी असलेल्या पातळीपेक्षा कित्येक पटींनी जास्त असते. त्यामुळे, या घटकांचे प्रदूषण वितळलेल्या पदार्थात किंवा स्फटिकाच्या पृष्ठभागावर प्रवेश करण्यापासून रोखण्यासाठी थर्मल फील्डच्या रचनेत काळजी घेणे आवश्यक आहे.

ग्राफाईट पदार्थ थोडेसे पारगम्य असतात, ज्यामुळे आत राहिलेल्या धातूला पृष्ठभागावर पोहोचणे सोपे होते. याव्यतिरिक्त, ग्राफाईटच्या पृष्ठभागाभोवतीच्या शुद्धीकरण वायूमध्ये (पर्ज गॅस) असलेले सिलिकॉन मोनोऑक्साइड बहुतेक पदार्थांमध्ये प्रवेश करून अभिक्रिया करू शकते.

सुरुवातीचे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फर्नेस हीटर्स टंगस्टन आणि मॉलिब्डेनमसारख्या उच्च तापमान सहन करणाऱ्या धातूंपासून बनवले जात होते. ग्रॅफाइट प्रक्रिया तंत्रज्ञानाच्या वाढत्या परिपक्वतेमुळे, ग्रॅफाइट घटकांमधील जोडणीचे विद्युत गुणधर्म स्थिर झाले आहेत आणि मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फर्नेस हीटर्सनी टंगस्टन, मॉलिब्डेनम आणि इतर पदार्थांच्या हीटर्सची जागा पूर्णपणे घेतली आहे. सध्या, सर्वात जास्त वापरले जाणारे ग्रॅफाइट मटेरियल आयसोस्टॅटिक ग्रॅफाइट आहे. आपल्या देशाचे आयसोस्टॅटिक ग्रॅफाइट तयार करण्याचे तंत्रज्ञान तुलनेने मागासलेले आहे आणि देशांतर्गत फोटोव्होल्टेइक उद्योगात वापरले जाणारे बहुतेक ग्रॅफाइट मटेरियल परदेशातून आयात केले जाते. परदेशी आयसोस्टॅटिक ग्रॅफाइट उत्पादकांमध्ये प्रामुख्याने जर्मनीची SGL, जपानची टोकाई कार्बन, जपानची टोयो टान्सो इत्यादींचा समावेश आहे. झोक्रालस्की मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फर्नेसमध्ये, कधीकधी C/C कंपोझिट मटेरियल वापरले जाते आणि त्याचा उपयोग बोल्ट, नट, क्रुसिबल, लोड प्लेट्स आणि इतर घटक बनवण्यासाठी सुरू झाला आहे. कार्बन/कार्बन (C/C) कंपोझिट्स हे कार्बन फायबरने प्रबलित केलेले कार्बन-आधारित कंपोझिट्स आहेत, ज्यात उच्च विशिष्ट शक्ती, उच्च विशिष्ट मापांक, कमी औष्णिक प्रसरण गुणांक, चांगली विद्युत वाहकता, उच्च फ्रॅक्चर टफनेस, कमी विशिष्ट गुरुत्व, औष्णिक धक्क्याला प्रतिकार, गंजरोधकता आणि उच्च तापमान प्रतिकार यांसारखे अनेक उत्कृष्ट गुणधर्म आहेत. सध्या, नवीन उच्च-तापमान प्रतिरोधक संरचनात्मक साहित्य म्हणून त्यांचा एरोस्पेस, रेसिंग, बायोमटेरियल्स आणि इतर क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. सध्या, देशांतर्गत C/C कंपोझिट्ससमोरील मुख्य अडथळे अजूनही खर्च आणि औद्योगिकीकरणाच्या समस्या आहेत.

औष्णिक क्षेत्रे तयार करण्यासाठी इतरही अनेक सामग्री वापरल्या जातात. कार्बन फायबर प्रबलित ग्रॅफाइटचे यांत्रिक गुणधर्म अधिक चांगले असतात; परंतु ते अधिक महाग असते आणि त्याच्या रचनेसाठी इतर आवश्यकता असतात.सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)अनेक बाबतीत ग्रॅफाइटपेक्षा SiC हा एक चांगला पदार्थ आहे, परंतु तो खूपच महाग आहे आणि मोठ्या प्रमाणात भाग तयार करणे कठीण आहे. तथापि, SiC चा वापर अनेकदासीव्हीडी कोटिंगक्षरणकारक सिलिकॉन मोनोऑक्साइड वायूच्या संपर्कात येणाऱ्या ग्रॅफाइट भागांचे आयुष्य वाढवण्यासाठी, तसेच ग्रॅफाइटमुळे होणारे प्रदूषण कमी करण्यासाठी याचा उपयोग होतो. दाट सीव्हीडी सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग सूक्ष्म-छिद्रयुक्त ग्रॅफाइट पदार्थाच्या आतील प्रदूषकांना पृष्ठभागावर पोहोचण्यापासून प्रभावीपणे प्रतिबंधित करते.

दुसरा पर्याय म्हणजे सीव्हीडी कार्बन, जो ग्रॅफाइट भागावर एक दाट थर तयार करू शकतो. इतर उच्च तापमान प्रतिरोधक पदार्थ, जसे की मॉलिब्डेनम किंवा पर्यावरणात सहअस्तित्व राखू शकणारे सिरॅमिक पदार्थ, अशा ठिकाणी वापरले जाऊ शकतात जिथे वितळलेल्या पदार्थात भेसळ होण्याचा धोका नसतो. तथापि, ऑक्साइड सिरॅमिक्सची उच्च तापमानातील ग्रॅफाइट पदार्थांपुरती उपयोगिता सामान्यतः मर्यादित आहे, आणि जर इन्सुलेशनची आवश्यकता असेल तर इतर पर्याय फार कमी आहेत. त्यापैकी एक म्हणजे षटकोनी बोरॉन नायट्राइड (समान गुणधर्मांमुळे याला कधीकधी पांढरा ग्रॅफाइट म्हटले जाते), परंतु त्याचे यांत्रिक गुणधर्म कमकुवत असतात. मॉलिब्डेनम सामान्यतः उच्च तापमानाच्या परिस्थितीत वाजवीपणे वापरले जाते कारण त्याची किंमत माफक आहे, सिलिकॉन क्रिस्टल्समध्ये त्याचा प्रसार दर कमी आहे, आणि त्याचा विलगीकरण गुणांक सुमारे 5×10⁸ इतका खूप कमी आहे, ज्यामुळे क्रिस्टल संरचना नष्ट होण्यापूर्वी मॉलिब्डेनमची काही प्रमाणात भेसळ होऊ शकते.

२. औष्णिक इन्सुलेशन साहित्य

सर्वात सामान्यपणे वापरले जाणारे इन्सुलेशन साहित्य म्हणजे विविध स्वरूपातील कार्बन फेल्ट. कार्बन फेल्ट पातळ तंतूंपासून बनलेले असते, जे कमी अंतरावर अनेक पटींनी औष्णिक प्रारण रोखून इन्सुलेशनचे काम करतात. मऊ कार्बन फेल्ट विणून त्याचे तुलनेने पातळ पत्रे बनवले जातात, जे नंतर इच्छित आकारात कापले जातात आणि योग्य त्रिज्येमध्ये घट्ट वाकवले जातात. क्युअर केलेले फेल्ट्स अशाच प्रकारच्या तंतुमय पदार्थांपासून बनलेले असतात आणि विखुरलेल्या तंतूंना जोडून अधिक घन व आकारबद्ध वस्तू बनवण्यासाठी कार्बनयुक्त बाइंडरचा वापर केला जातो. बाइंडरऐवजी कार्बनच्या रासायनिक बाष्प निक्षेपणाचा (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन) वापर केल्याने पदार्थाचे यांत्रिक गुणधर्म सुधारू शकतात.

सामान्यतः, थर्मल इन्सुलेशन क्युरिंग फेल्टच्या बाह्य पृष्ठभागावर झीज आणि कणीय प्रदूषण कमी करण्यासाठी ग्रॅफाइटचा अखंड लेप किंवा फॉइल लावला जातो. कार्बन फोमसारखे कार्बन-आधारित थर्मल इन्सुलेशन साहित्याचे इतर प्रकार देखील अस्तित्वात आहेत. सर्वसाधारणपणे, ग्रॅफायटीकरण केलेल्या साहित्याला साहजिकच प्राधान्य दिले जाते, कारण ग्रॅफायटीकरणामुळे फायबरचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ मोठ्या प्रमाणात कमी होते. या उच्च-पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळाच्या साहित्यातून वायू उत्सर्जन मोठ्या प्रमाणात कमी होते आणि भट्टीला योग्य व्हॅक्यूममध्ये पंप करण्यासाठी कमी वेळ लागतो. दुसरा प्रकार म्हणजे C/C कंपोझिट मटेरियल, ज्यामध्ये हलके वजन, उच्च नुकसान सहनशीलता आणि उच्च मजबुती यांसारखी उत्कृष्ट वैशिष्ट्ये आहेत. थर्मल क्षेत्रात ग्रॅफाइट भागांच्या जागी याचा वापर केल्यास, ग्रॅफाइट भाग बदलण्याची वारंवारता लक्षणीयरीत्या कमी होते, मोनोक्रिस्टलाइन गुणवत्ता आणि उत्पादन स्थिरता सुधारते.

कच्च्या मालाच्या वर्गीकरणानुसार, कार्बन फेल्टची विभागणी पॉलिॲक्रिलोनायट्राइल-आधारित कार्बन फेल्ट, व्हिस्कोस-आधारित कार्बन फेल्ट आणि पिच-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये केली जाऊ शकते.
पॉलिॲक्रिलोनायट्राइल-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये राखेचे प्रमाण जास्त असते. उच्च-तापमान प्रक्रियेनंतर, एकेरी तंतू ठिसूळ होतात. वापरादरम्यान, धूळ निर्माण होऊन भट्टीचे वातावरण प्रदूषित होण्याची शक्यता असते. त्याच वेळी, हे तंतू मानवी शरीराच्या छिद्रांमध्ये आणि श्वसनमार्गात सहजपणे प्रवेश करू शकतात, जे मानवी आरोग्यासाठी हानिकारक आहे. व्हिस्कोस-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये उष्णतारोधक क्षमता चांगली असते. उष्णता प्रक्रियेनंतर ते तुलनेने मऊ होते आणि त्यातून धूळ निर्माण होणे सोपे नसते. तथापि, व्हिस्कोस-आधारित कच्च्या तंतूचा आडवा छेद अनियमित असतो आणि तंतूच्या पृष्ठभागावर अनेक खाचा असतात. सीझेड सिलिकॉन भट्टीच्या ऑक्सिडायझिंग वातावरणात CO2 सारखे वायू सहजपणे निर्माण होतात, ज्यामुळे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन मटेरियलमधील ऑक्सिजन आणि कार्बन घटकांचे अवक्षेपण होते. मुख्य उत्पादकांमध्ये जर्मन एसजीएल (SGL) आणि इतर कंपन्यांचा समावेश आहे. सध्या, सेमीकंडक्टर मोनोक्रिस्टलाइन उद्योगात सर्वाधिक वापरले जाणारे पिच-आधारित कार्बन फेल्ट आहे, ज्याची उष्णतारोधक क्षमता व्हिस्कोस-आधारित कार्बन फेल्टपेक्षा कमी आहे, परंतु पिच-आधारित कार्बन फेल्टमध्ये उच्च शुद्धता आणि कमी धूळ उत्सर्जन असते. उत्पादकांमध्ये जपानच्या कुरेहा केमिकल आणि ओसाका गॅस यांचा समावेश आहे.
कार्बन फेल्टचा आकार निश्चित नसल्यामुळे, ते हाताळण्यास गैरसोयीचे ठरते. आता अनेक कंपन्यांनी कार्बन फेल्ट-क्युअर्ड कार्बन फेल्टवर आधारित एक नवीन औष्णिक निरोधक सामग्री विकसित केली आहे. क्युअर्ड कार्बन फेल्ट, ज्याला हार्ड फेल्ट असेही म्हणतात, हे एक असे कार्बन फेल्ट आहे जे सॉफ्ट फेल्टवर रेझिनचा लेप देऊन, त्याचे लॅमिनेशन करून, त्याला क्युअर करून आणि कार्बनीकरण करून तयार केले जाते, ज्यामुळे त्याला एक विशिष्ट आकार आणि स्व-टिकून राहण्याचा गुणधर्म प्राप्त होतो.

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉनच्या वाढीच्या गुणवत्तेवर औष्णिक वातावरणाचा थेट परिणाम होतो आणि या वातावरणात कार्बन फायबर औष्णिक इन्सुलेशन सामग्री महत्त्वाची भूमिका बजावते. कार्बन फायबर औष्णिक इन्सुलेशन सॉफ्ट फेल्टला त्याच्या किफायतशीर किमतीमुळे, उत्कृष्ट औष्णिक इन्सुलेशन प्रभावामुळे, लवचिक डिझाइनमुळे आणि गरजेनुसार बदलता येणाऱ्या आकारामुळे फोटोव्होल्टेइक सेमीकंडक्टर उद्योगात अजूनही मोठे स्थान आहे. याव्यतिरिक्त, कार्बन फायबर हार्ड औष्णिक इन्सुलेशन फेल्टला त्याच्या विशिष्ट मजबुतीमुळे आणि उच्च कार्यक्षमतेमुळे औष्णिक क्षेत्रातील सामग्रीच्या बाजारपेठेत विकासासाठी अधिक वाव मिळेल. आम्ही औष्णिक इन्सुलेशन सामग्रीच्या क्षेत्रात संशोधन आणि विकासासाठी वचनबद्ध आहोत आणि फोटोव्होल्टेइक सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या समृद्धी आणि विकासाला चालना देण्यासाठी उत्पादनाची कार्यक्षमता सतत सुधारत आहोत.