ఏకస్ఫటిక సిలికాన్ పెరుగుదల నాణ్యతను నిర్ణయించే ముఖ్యమైన పదార్థాలు – ఉష్ణ క్షేత్రం

మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ యొక్క వృద్ధి ప్రక్రియ పూర్తిగా ఉష్ణ క్షేత్రంలో జరుగుతుంది. ఒక మంచి ఉష్ణ క్షేత్రం స్ఫటికాల నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది మరియు అధిక స్ఫటికీకరణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ఉష్ణ క్షేత్రం యొక్క రూపకల్పన, డైనమిక్ ఉష్ణ క్షేత్రంలోని ఉష్ణోగ్రతా ప్రవణతల మార్పులను మరియు కొలిమి గదిలోని వాయు ప్రవాహాన్ని చాలా వరకు నిర్ధారిస్తుంది. ఉష్ణ క్షేత్రంలో ఉపయోగించే పదార్థాలలోని వ్యత్యాసం, ఆ ఉష్ణ క్షేత్రం యొక్క సేవా జీవితాన్ని నేరుగా నిర్ధారిస్తుంది. ఒక అసమంజసమైన ఉష్ణ క్షేత్రం, నాణ్యతా ప్రమాణాలకు అనుగుణంగా ఉండే స్ఫటికాలను పెంచడం కష్టతరం చేయడమే కాకుండా, కొన్ని ప్రక్రియ అవసరాల కింద సంపూర్ణ మోనోక్రిస్టలైన్‌ను పెంచడం కూడా సాధ్యం కాదు. ఈ కారణంగానే, డైరెక్ట్-పుల్ మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ పరిశ్రమ ఉష్ణ క్షేత్ర రూపకల్పనను అత్యంత కీలకమైన సాంకేతికతగా పరిగణిస్తుంది మరియు ఉష్ణ క్షేత్ర పరిశోధన మరియు అభివృద్ధిలో భారీ మానవశక్తి మరియు భౌతిక వనరులను పెట్టుబడిగా పెడుతుంది.

ఉష్ణ వ్యవస్థ వివిధ ఉష్ణ క్షేత్ర పదార్థాలతో కూడి ఉంటుంది. ఉష్ణ క్షేత్రంలో ఉపయోగించే పదార్థాలను మనం క్లుప్తంగా మాత్రమే పరిచయం చేస్తాము. ఉష్ణ క్షేత్రంలోని ఉష్ణోగ్రతా పంపిణీ మరియు క్రిస్టల్ పుల్లింగ్‌పై దాని ప్రభావం విషయానికి వస్తే, దానిని మనం ఇక్కడ విశ్లేషించము. ఉష్ణ క్షేత్ర పదార్థం అనేది క్రిస్టల్ వృద్ధి యొక్క వాక్యూమ్ ఫర్నేస్ చాంబర్‌లోని నిర్మాణం మరియు ఉష్ణ నిరోధక భాగాన్ని సూచిస్తుంది, ఇది సెమీకండక్టర్ ద్రవం మరియు క్రిస్టల్ చుట్టూ సరైన ఉష్ణోగ్రతా పంపిణీని సృష్టించడానికి అత్యవసరం.

1. ఉష్ణ క్షేత్ర నిర్మాణ పదార్థం

మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను పెంచడానికి ఉపయోగించే డైరెక్ట్-పుల్ పద్ధతికి ప్రాథమిక సహాయక పదార్థం అధిక స్వచ్ఛత గల గ్రాఫైట్. ఆధునిక పరిశ్రమలో గ్రాఫైట్ పదార్థాలు చాలా ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తాయి. వీటిని హీట్ ఫీల్డ్ స్ట్రక్చరల్ కాంపోనెంట్స్‌గా ఉపయోగించవచ్చు.హీటర్లు, గైడ్ ట్యూబ్‌లు, మూసలుచోక్రాల్స్కీ పద్ధతి ద్వారా మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ తయారీలో ఇన్సులేషన్ ట్యూబ్‌లు, క్రూసిబుల్ ట్రేలు మొదలైనవి.

గ్రాఫైట్ పదార్థాలువీటిని పెద్ద పరిమాణంలో సులభంగా తయారుచేయగలగడం, ప్రాసెస్ చేయగలగడం మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతలను తట్టుకోగలగడమే కారణంతో ఎంపిక చేస్తారు. వజ్రం లేదా గ్రాఫైట్ రూపంలో ఉండే కార్బన్‌కు ఏ ఇతర మూలకం లేదా సమ్మేళనం కన్నా అధిక ద్రవీభవన స్థానం ఉంటుంది. గ్రాఫైట్ పదార్థాలు, ముఖ్యంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, చాలా బలంగా ఉంటాయి మరియు వాటి విద్యుత్, ఉష్ణ వాహకత కూడా చాలా బాగుంటుంది. దాని విద్యుత్ వాహకత కారణంగా ఇది ఒక దానిగా ఉపయోగించడానికి అనువుగా ఉంటుంది.హీటర్ఈ పదార్థం సంతృప్తికరమైన ఉష్ణ వాహకత గుణకాన్ని కలిగి ఉంది, ఇది హీటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన వేడిని క్రూసిబుల్ మరియు ఉష్ణ క్షేత్రంలోని ఇతర భాగాలకు సమానంగా పంపిణీ చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. అయితే, అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, ముఖ్యంగా ఎక్కువ దూరాలలో, ప్రధాన ఉష్ణ బదిలీ విధానం వికిరణం.

గ్రాఫైట్ భాగాలను ప్రారంభంలో సూక్ష్మ కార్బన్ కణాలను ఒక బైండర్‌తో కలిపి, ఎక్స్‌ట్రూషన్ లేదా ఐసోస్టాటిక్ ప్రెస్సింగ్ ద్వారా తయారు చేస్తారు. అధిక-నాణ్యత గల గ్రాఫైట్ భాగాలను సాధారణంగా ఐసోస్టాటిక్‌గా ప్రెస్ చేస్తారు. మొత్తం భాగాన్ని మొదట కార్బనైజ్ చేసి, ఆపై 3000°Cకి దగ్గరగా ఉండే చాలా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద గ్రాఫైటైజ్ చేస్తారు. సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమ అవసరాలను తీర్చడానికి, ఈ మొత్తం భాగాల నుండి తయారు చేసిన భాగాలను సాధారణంగా లోహ కాలుష్యాన్ని తొలగించడానికి అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద క్లోరిన్ ఉన్న వాతావరణంలో శుద్ధి చేస్తారు. అయినప్పటికీ, సరైన శుద్ధీకరణ తర్వాత కూడా, లోహ కాలుష్యం స్థాయి సిలికాన్ మోనోక్రిస్టలైన్ పదార్థాలకు అనుమతించబడిన దాని కంటే అనేక రెట్లు ఎక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, ఈ భాగాల కాలుష్యం కరిగిన పదార్థంలోకి లేదా క్రిస్టల్ ఉపరితలంలోకి ప్రవేశించకుండా నిరోధించడానికి థర్మల్ ఫీల్డ్ డిజైన్‌లో జాగ్రత్త తీసుకోవాలి.

గ్రాఫైట్ పదార్థాలు కొద్దిగా పారగమ్యతను కలిగి ఉంటాయి, దీనివల్ల లోపల మిగిలి ఉన్న లోహం సులభంగా ఉపరితలానికి చేరుకుంటుంది. దీనికి అదనంగా, గ్రాఫైట్ ఉపరితలం చుట్టూ ఉండే పర్జ్ గ్యాస్‌లోని సిలికాన్ మోనాక్సైడ్ చాలా పదార్థాలలోకి చొచ్చుకుపోయి చర్య జరపగలదు.

తొలి మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ ఫర్నేస్ హీటర్లను టంగ్‌స్టన్ మరియు మాలిబ్డినం వంటి రిఫ్రాక్టరీ లోహాలతో తయారు చేసేవారు. గ్రాఫైట్ ప్రాసెసింగ్ టెక్నాలజీలో పరిపక్వత పెరిగేకొద్దీ, గ్రాఫైట్ భాగాల మధ్య అనుసంధానం యొక్క విద్యుత్ లక్షణాలు స్థిరంగా మారాయి, మరియు మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ ఫర్నేస్ హీటర్లు టంగ్‌స్టన్, మాలిబ్డినం మరియు ఇతర పదార్థాలతో చేసిన హీటర్ల స్థానాన్ని పూర్తిగా భర్తీ చేశాయి. ప్రస్తుతం, అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే గ్రాఫైట్ పదార్థం ఐసోస్టాటిక్ గ్రాఫైట్. మన దేశ ఐసోస్టాటిక్ గ్రాఫైట్ తయారీ సాంకేతికత చాలా వెనుకబడినది, మరియు దేశీయ ఫోటోవోల్టాయిక్ పరిశ్రమలో ఉపయోగించే చాలా గ్రాఫైట్ పదార్థాలు విదేశాల నుండి దిగుమతి చేయబడతాయి. విదేశీ ఐసోస్టాటిక్ గ్రాఫైట్ తయారీదారులలో ప్రధానంగా జర్మనీకి చెందిన SGL, జపాన్‌కు చెందిన టోకై కార్బన్, జపాన్‌కు చెందిన టోయో టాన్సో మొదలైనవి ఉన్నాయి. చోక్రాల్స్కీ మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ ఫర్నేస్‌లలో, కొన్నిసార్లు C/C మిశ్రమ పదార్థాలను ఉపయోగిస్తారు, మరియు వాటిని బోల్ట్‌లు, నట్‌లు, క్రూసిబుల్స్, లోడ్ ప్లేట్లు మరియు ఇతర భాగాలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించడం ప్రారంభించారు. కార్బన్/కార్బన్ (C/C) కాంపోజిట్లు అనేవి కార్బన్ ఫైబర్‌తో బలపరిచిన కార్బన్ ఆధారిత కాంపోజిట్లు. ఇవి అధిక విశిష్ట బలం, అధిక విశిష్ట మాడ్యులస్, తక్కువ ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం, మంచి విద్యుత్ వాహకత, అధిక ఫ్రాక్చర్ టఫ్‌నెస్, తక్కువ విశిష్ట గురుత్వం, థర్మల్ షాక్ రెసిస్టెన్స్, తుప్పు నిరోధకత మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత వంటి అనేక అద్భుతమైన లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. ప్రస్తుతం, వీటిని ఏరోస్పేస్, రేసింగ్, బయోమెటీరియల్స్ మరియు ఇతర రంగాలలో కొత్త అధిక-ఉష్ణోగ్రత నిరోధక నిర్మాణ పదార్థాలుగా విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తున్నారు. ప్రస్తుతం, దేశీయ C/C కాంపోజిట్లు ఎదుర్కొంటున్న ప్రధాన అడ్డంకులు ఇప్పటికీ ధర మరియు పారిశ్రామికీకరణ సమస్యలే.

ఉష్ణ క్షేత్రాలను తయారు చేయడానికి అనేక ఇతర పదార్థాలను ఉపయోగిస్తారు. కార్బన్ ఫైబర్ రీన్‌ఫోర్స్డ్ గ్రాఫైట్‌కు మెరుగైన యాంత్రిక లక్షణాలు ఉన్నాయి; కానీ ఇది చాలా ఖరీదైనది మరియు దీని రూపకల్పనకు ఇతర అవసరాలు కూడా ఉన్నాయి.సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC)అనేక విధాలుగా గ్రాఫైట్ కంటే SiC ఒక మెరుగైన పదార్థం, కానీ ఇది చాలా ఖరీదైనది మరియు పెద్ద పరిమాణంలో భాగాలను తయారు చేయడం కష్టం. అయినప్పటికీ, SiC తరచుగా ఒకసివిడి పూతక్షయకారక సిలికాన్ మోనాక్సైడ్ వాయువుకు గురయ్యే గ్రాఫైట్ భాగాల జీవితకాలాన్ని పెంచడానికి, మరియు గ్రాఫైట్ నుండి కాలుష్యాన్ని తగ్గించడానికి కూడా ఇది ఉపయోగపడుతుంది. దట్టమైన CVD సిలికాన్ కార్బైడ్ పూత, సూక్ష్మరంధ్రాల గ్రాఫైట్ పదార్థం లోపల ఉన్న కాలుష్య కారకాలు ఉపరితలానికి చేరకుండా సమర్థవంతంగా నిరోధిస్తుంది.

మరొకటి CVD కార్బన్, ఇది కూడా గ్రాఫైట్ భాగం పైన ఒక దట్టమైన పొరను ఏర్పరచగలదు. కరిగిన పదార్థం కలుషితమయ్యే ప్రమాదం లేని చోట, పర్యావరణంతో కలిసి మనుగడ సాగించగల మాలిబ్డినం లేదా సిరామిక్ పదార్థాల వంటి ఇతర అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధక పదార్థాలను ఉపయోగించవచ్చు. అయితే, అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద గ్రాఫైట్ పదార్థాలకు ఆక్సైడ్ సిరామిక్‌ల వినియోగం సాధారణంగా పరిమితంగా ఉంటుంది, మరియు ఇన్సులేషన్ అవసరమైతే ఇతర ఎంపికలు చాలా తక్కువగా ఉంటాయి. వాటిలో ఒకటి హెక్సాగోనల్ బోరాన్ నైట్రైడ్ (సారూప్య లక్షణాల కారణంగా దీనిని కొన్నిసార్లు వైట్ గ్రాఫైట్ అని కూడా పిలుస్తారు), కానీ దీని యాంత్రిక లక్షణాలు పేలవంగా ఉంటాయి. మాలిబ్డినంను సాధారణంగా అధిక ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో దాని మితమైన ధర, సిలికాన్ స్ఫటికాలలో తక్కువ వ్యాప్తి రేటు, మరియు సుమారు 5×10⁸ యొక్క చాలా తక్కువ సెగ్రిగేషన్ గుణకం కారణంగా సముచితంగా ఉపయోగిస్తారు. ఈ గుణకం, స్ఫటిక నిర్మాణాన్ని నాశనం చేయడానికి ముందు కొంత మొత్తంలో మాలిబ్డినం కలుషితం కావడానికి అనుమతిస్తుంది.

2. ఉష్ణ నిరోధక పదార్థాలు

అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించే ఇన్సులేషన్ పదార్థం వివిధ రూపాల్లో ఉండే కార్బన్ ఫెల్ట్. కార్బన్ ఫెల్ట్‌ను పలుచని ఫైబర్‌లతో తయారు చేస్తారు, ఇవి తక్కువ దూరంలో ఉష్ణ వికిరణాన్ని అనేకసార్లు అడ్డుకోవడం ద్వారా ఇన్సులేషన్‌గా పనిచేస్తాయి. మృదువైన కార్బన్ ఫెల్ట్‌ను సాపేక్షంగా పలుచని పదార్థపు షీట్లుగా నేస్తారు, ఆ తర్వాత వాటిని కావలసిన ఆకారంలో కత్తిరించి, సరైన వ్యాసార్థంలో గట్టిగా వంచుతారు. క్యూర్డ్ ఫెల్ట్‌లు కూడా ఇలాంటి ఫైబర్ పదార్థాలతోనే తయారవుతాయి, మరియు చెల్లాచెదురుగా ఉన్న ఫైబర్‌లను మరింత దృఢమైన, ఆకృతి గల వస్తువుగా కలపడానికి కార్బన్ కలిగిన బైండర్‌ను ఉపయోగిస్తారు. బైండర్‌కు బదులుగా కార్బన్‌ను రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్) పద్ధతిలో ఉపయోగించడం వల్ల ఆ పదార్థం యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలను మెరుగుపరచవచ్చు.

సాధారణంగా, ఉష్ణ నిరోధక క్యూరింగ్ ఫెల్ట్ యొక్క బయటి ఉపరితలంపై కోత, అరుగుదల మరియు కణ కాలుష్యాన్ని తగ్గించడానికి నిరంతర గ్రాఫైట్ పూత లేదా రేకును పూస్తారు. కార్బన్ ఫోమ్ వంటి ఇతర రకాల కార్బన్ ఆధారిత ఉష్ణ నిరోధక పదార్థాలు కూడా ఉన్నాయి. సాధారణంగా, గ్రాఫైటైజేషన్ ఫైబర్ యొక్క ఉపరితల వైశాల్యాన్ని బాగా తగ్గిస్తుంది కాబట్టి, గ్రాఫైటైజ్డ్ పదార్థాలకే స్పష్టంగా ప్రాధాన్యత ఇస్తారు. ఈ అధిక ఉపరితల వైశాల్యం గల పదార్థాల నుండి వాయువులు వెలువడటం బాగా తగ్గుతుంది, మరియు కొలిమిని తగిన వాక్యూమ్‌కు పంప్ చేయడానికి తక్కువ సమయం పడుతుంది. మరొకటి C/C మిశ్రమ పదార్థం, ఇది తక్కువ బరువు, అధిక నష్ట నిరోధకత మరియు అధిక బలం వంటి అద్భుతమైన లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది. ఉష్ణ రంగాలలో గ్రాఫైట్ భాగాల స్థానంలో దీనిని ఉపయోగించడం వల్ల గ్రాఫైట్ భాగాలను మార్చే తరచుదనం గణనీయంగా తగ్గుతుంది, ఏకస్ఫటిక నాణ్యత మరియు ఉత్పత్తి స్థిరత్వం మెరుగుపడతాయి.

ముడి పదార్థాల వర్గీకరణ ప్రకారం, కార్బన్ ఫెల్ట్‌ను పాలీయాక్రిలోనిట్రైల్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్, విస్కోస్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్ మరియు పిచ్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్‌గా విభజించవచ్చు.
పాలీయాక్రిలోనిట్రైల్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్‌లో బూడిద శాతం ఎక్కువగా ఉంటుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద శుద్ధి చేసిన తర్వాత, దానిలోని పీచు పెళుసుగా మారుతుంది. దీనిని ఉపయోగించే సమయంలో, సులభంగా దుమ్ము ఏర్పడి కొలిమి వాతావరణాన్ని కలుషితం చేస్తుంది. అదే సమయంలో, ఈ పీచు మానవ శరీరంలోని చర్మ రంధ్రాలు మరియు శ్వాసనాళాల్లోకి సులభంగా ప్రవేశించి, మానవ ఆరోగ్యానికి హానికరం. విస్కోస్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్‌కు మంచి ఉష్ణ నిరోధక సామర్థ్యం ఉంది. ఉష్ణ శుద్ధి తర్వాత ఇది సాపేక్షంగా మృదువుగా ఉంటుంది మరియు సులభంగా దుమ్ము ఏర్పడదు. అయితే, విస్కోస్ ఆధారిత ముడి పీచు యొక్క అడ్డుకోత క్రమరహితంగా ఉంటుంది మరియు పీచు ఉపరితలంపై అనేక గాడులు ఉంటాయి. CZ సిలికాన్ కొలిమి యొక్క ఆక్సీకరణ వాతావరణంలో CO2 వంటి వాయువులు సులభంగా ఉత్పత్తి అవుతాయి, దీనివల్ల ఏకస్ఫటిక సిలికాన్ పదార్థంలో ఆక్సిజన్ మరియు కార్బన్ మూలకాలు అవక్షేపణ చెందుతాయి. దీని ప్రధాన తయారీదారులలో జర్మన్ SGL మరియు ఇతర కంపెనీలు ఉన్నాయి. ప్రస్తుతం, సెమీకండక్టర్ ఏకస్ఫటిక పరిశ్రమలో అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించేది పిచ్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్. దీనికి విస్కోస్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్ కంటే తక్కువ ఉష్ణ నిరోధక సామర్థ్యం ఉన్నప్పటికీ, పిచ్ ఆధారిత కార్బన్ ఫెల్ట్ అధిక స్వచ్ఛతను మరియు తక్కువ దుమ్ము ఉద్గారాలను కలిగి ఉంటుంది. తయారీదారులలో జపాన్‌కు చెందిన కురేహా కెమికల్ మరియు ఒసాకా గ్యాస్ ఉన్నాయి.
కార్బన్ ఫెల్ట్ ఆకారం స్థిరంగా ఉండదు కాబట్టి, దానిని వాడటం అసౌకర్యంగా ఉంటుంది. ఇప్పుడు అనేక కంపెనీలు కార్బన్ ఫెల్ట్ ఆధారంగా క్యూర్డ్ కార్బన్ ఫెల్ట్ అనే కొత్త ఉష్ణ నిరోధక పదార్థాన్ని అభివృద్ధి చేశాయి. క్యూర్డ్ కార్బన్ ఫెల్ట్‌ను హార్డ్ ఫెల్ట్ అని కూడా అంటారు. ఇది మృదువైన ఫెల్ట్‌ను రెసిన్‌తో నింపి, లామినేట్ చేసి, క్యూర్ చేసి, కార్బనైజ్ చేసిన తర్వాత ఒక నిర్దిష్ట ఆకారాన్ని మరియు స్వయం-నిలకడ లక్షణాన్ని పొందిన కార్బన్ ఫెల్ట్.

మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్ యొక్క పెరుగుదల నాణ్యత ఉష్ణ వాతావరణం ద్వారా నేరుగా ప్రభావితమవుతుంది, మరియు ఈ వాతావరణంలో కార్బన్ ఫైబర్ ఉష్ణ నిరోధక పదార్థాలు కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి. కార్బన్ ఫైబర్ ఉష్ణ నిరోధక సాఫ్ట్ ఫెల్ట్ దాని తక్కువ ధర, అద్భుతమైన ఉష్ణ నిరోధక ప్రభావం, అనువైన డిజైన్ మరియు అనుకూలీకరించదగిన ఆకారం కారణంగా ఫోటోవోల్టాయిక్ సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో ఇప్పటికీ గణనీయమైన ప్రయోజనాన్ని కలిగి ఉంది. అదనంగా, కార్బన్ ఫైబర్ హార్డ్ ఉష్ణ నిరోధక ఫెల్ట్ దాని నిర్దిష్ట బలం మరియు అధిక కార్యాచరణ సామర్థ్యం కారణంగా ఉష్ణ రంగ పదార్థాల మార్కెట్‌లో మరింత అభివృద్ధి అవకాశాన్ని కలిగి ఉంటుంది. మేము ఉష్ణ నిరోధక పదార్థాల రంగంలో పరిశోధన మరియు అభివృద్ధికి కట్టుబడి ఉన్నాము, మరియు ఫోటోవోల్టాయిక్ సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమ యొక్క శ్రేయస్సు మరియు అభివృద్ధిని ప్రోత్సహించడానికి ఉత్పత్తి పనితీరును నిరంతరం మెరుగుపరుస్తాము.