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

მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის პროცესი მთლიანად თერმულ ველში მიმდინარეობს. კარგი თერმული ველი ხელს უწყობს კრისტალების ხარისხის გაუმჯობესებას და აქვს უფრო მაღალი კრისტალიზაციის ეფექტურობა. თერმული ველის დიზაინი დიდწილად განსაზღვრავს ტემპერატურის გრადიენტების ცვლილებებს დინამიურ თერმულ ველში და გაზის ნაკადს ღუმელის კამერაში. თერმული ველში გამოყენებული მასალების განსხვავება პირდაპირ განსაზღვრავს თერმული ველის მომსახურების ხანგრძლივობას. არაგონივრული თერმული ველი არა მხოლოდ რთულია კრისტალების გაშენება, რომლებიც აკმაყოფილებენ ხარისხის მოთხოვნებს, არამედ ასევე ვერ იზრდებიან სრულ მონოკრისტალურად გარკვეული პროცესის მოთხოვნების შესაბამისად. სწორედ ამიტომ, პირდაპირი მოპოვების მონოკრისტალური სილიკონის ინდუსტრია თვლის თერმული ველის დიზაინს, როგორც ყველაზე ძირითად ტექნოლოგიას და ინვესტირებას უზარმაზარ ადამიანურ ძალას და მატერიალურ რესურსებს თერმული ველის კვლევასა და განვითარებაში.

თერმული სისტემა შედგება სხვადასხვა თერმული ველის მასალისგან. ჩვენ მხოლოდ მოკლედ წარმოგიდგენთ მასალებს, რომლებიც გამოიყენება თერმული სფეროში. რაც შეეხება თერმული ველში ტემპერატურის განაწილებას და მის გავლენას კრისტალების მოზიდვაზე, აქ არ გავაანალიზებთ. თერმული ველის მასალა ეხება სტრუქტურას და თბოიზოლაციის ნაწილს კრისტალური ზრდის ვაკუუმური ღუმელის პალატაში, რაც აუცილებელია ნახევარგამტარული დნობისა და ბროლის ირგვლივ შესაბამისი ტემპერატურის განაწილების შესაქმნელად.

1. თერმული ველის სტრუქტურის მასალა

მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის პირდაპირი მოზიდვის მეთოდის ძირითადი დამხმარე მასალა არის მაღალი სისუფთავის გრაფიტი. გრაფიტის მასალები ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ თანამედროვე ინდუსტრიაში. ისინი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სითბოს ველის სტრუქტურული კომპონენტები, როგორიცააგამათბობლები, სახელმძღვანელო მილები, ჭურჭელი, საიზოლაციო მილები, ჭურჭლის უჯრები და ა.შ. მონოკრისტალური სილიციუმის მომზადებაში ჩოხრალსკის მეთოდით.

გრაფიტის მასალებიშერჩეულია იმიტომ, რომ ადვილად მოსამზადებელია დიდი მოცულობით, დამუშავებულია და მდგრადია მაღალი ტემპერატურის მიმართ. ალმასის ან გრაფიტის სახით ნახშირბადს აქვს უფრო მაღალი დნობის წერტილი, ვიდრე ნებისმიერ ელემენტს ან ნაერთს. გრაფიტის მასალები საკმაოდ მტკიცეა, განსაკუთრებით მაღალ ტემპერატურაზე, ასევე საკმაოდ კარგია მათი ელექტრო და თბოგამტარობაც. მისი ელექტრული გამტარობა მას შესაფერისს ხდის როგორც აგამათბობელიმასალა. მას აქვს დამაკმაყოფილებელი თბოგამტარობის კოეფიციენტი, რაც იძლევა გამათბობლის მიერ გამომუშავებული სითბოს თანაბრად გადანაწილების ჭურჭელზე და სითბოს ველის სხვა ნაწილებზე. თუმცა, მაღალ ტემპერატურაზე, განსაკუთრებით დიდ დისტანციებზე, სითბოს გადაცემის მთავარი რეჟიმი გამოსხივებაა.

გრაფიტის ნაწილები თავდაპირველად მზადდება წვრილი ნახშირბადის ნაწილაკებისგან, რომლებიც შერეულია შემკვრელთან და წარმოიქმნება ექსტრუზიის ან იზოსტატიკური დაჭერით. მაღალი ხარისხის გრაფიტის ნაწილები, როგორც წესი, იზოსტატიკურად არის დაჭერილი. მთლიანი ნაწილი ჯერ კარბონიზებულია და შემდეგ გრაფიტირდება ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, 3000°C-მდე. ამ მთლიანი ნაწილებისგან დამუშავებული ნაწილები ჩვეულებრივ 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, სიფრთხილე უნდა იქნას მიღებული თერმული ველის დიზაინში, რათა თავიდან იქნას აცილებული ამ კომპონენტების დაბინძურება დნობის ან ბროლის ზედაპირზე.

გრაფიტის მასალები ოდნავ გამტარია, რაც აადვილებს შიგნით დარჩენილი ლითონის ზედაპირამდე მიღწევას. გარდა ამისა, სილიციუმის მონოქსიდი, რომელიც იმყოფება გამწმენდ აირში გრაფიტის ზედაპირის გარშემო, შეუძლია შეაღწიოს უმეტეს მასალაში და მოახდინოს რეაგირება.

ადრეული მონოკრისტალური სილიკონის ღუმელის გამათბობლები მზადდებოდა ცეცხლგამძლე ლითონებისგან, როგორიცაა ვოლფრამი და მოლიბდენი. გრაფიტის დამუშავების ტექნოლოგიის მზარდი სიმწიფით, გრაფიტის კომპონენტებს შორის კავშირის ელექტრული თვისებები სტაბილური გახდა და მონოკრისტალური სილიკონის ღუმელის გამათბობლებმა მთლიანად შეცვალა ვოლფრამი, მოლიბდენი და სხვა მასალის გამათბობლები. დღეისათვის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული გრაფიტის მასალაა იზოსტატიკური გრაფიტი. ჩემი ქვეყნის იზოსტატიკური გრაფიტის მომზადების ტექნოლოგია შედარებით ჩამორჩენილია და გრაფიტის მასალების უმეტესი ნაწილი, რომლებიც გამოიყენება შიდა ფოტოელექტრული ინდუსტრიაში, იმპორტირებულია საზღვარგარეთიდან. იზოსტატიკური გრაფიტის უცხოური მწარმოებლები ძირითადად მოიცავს გერმანიის SGL-ს, იაპონურ Tokai Carbon-ს, იაპონურ Toyo Tanso-ს და ა.შ. ფირფიტები და სხვა კომპონენტები. ნახშირბადის/ნახშირბადის (C/C) კომპოზიტები არის ნახშირბადის ბოჭკოებით გამაგრებული ნახშირბადზე დაფუძნებული კომპოზიტები, რომლებსაც აქვთ მთელი რიგი შესანიშნავი თვისებები, როგორიცაა მაღალი სპეციფიკური სიმტკიცე, მაღალი სპეციფიკური მოდული, დაბალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი, კარგი ელექტრული გამტარობა, მაღალი გატეხვის სიმტკიცე, დაბალი სპეციფიკური სიმძიმე. თერმული შოკის წინააღმდეგობა, კოროზიის წინააღმდეგობა და მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა. ამჟამად, ისინი ფართოდ გამოიყენება აერონავტიკაში, რბოლაში, ბიომასალებსა და სხვა სფეროებში, როგორც ახალი მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი სტრუქტურული მასალები. ამჟამად, მთავარი შეფერხება, რომელსაც აწყდება შიდა C/C კომპოზიტები, კვლავ ღირებულებისა და ინდუსტრიალიზაციის საკითხებია.

არსებობს მრავალი სხვა მასალა, რომელიც გამოიყენება თერმული ველების დასამზადებლად. ნახშირბადის ბოჭკოებით გამაგრებულ გრაფიტს აქვს უკეთესი მექანიკური თვისებები; მაგრამ უფრო ძვირია და აქვს დიზაინის სხვა მოთხოვნები.სილიციუმის კარბიდი (SiC)გრაფიტზე უკეთესი მასალაა მრავალი თვალსაზრისით, მაგრამ გაცილებით ძვირი და რთულია დიდი მოცულობის ნაწილების მომზადება. თუმცა, SiC ხშირად გამოიყენება როგორცCVD საფარიგაზარდოს გრაფიტის ნაწილების სიცოცხლე, რომლებიც ექვემდებარება კოროზიულ სილიციუმის მონოქსიდის გაზს და ასევე შეუძლია შეამციროს გრაფიტის დაბინძურება. CVD სილიციუმის კარბიდის მკვრივი საფარი ეფექტურად აფერხებს მიკროფოროვანი გრაფიტის მასალის შიგნით დამაბინძურებლებს ზედაპირამდე.

მეორე არის CVD ნახშირბადი, რომელსაც ასევე შეუძლია შექმნას მკვრივი ფენა გრაფიტის ნაწილის ზემოთ. სხვა მაღალი ტემპერატურის მდგრადი მასალები, როგორიცაა მოლიბდენი ან კერამიკული მასალები, რომლებიც შეიძლება თანაარსებობდეს გარემოსთან, შეიძლება გამოყენებულ იქნას იქ, სადაც არ არსებობს დნობის დაბინძურების რისკი. თუმცა, ოქსიდის კერამიკა ზოგადად შეზღუდულია მათი გამოყენებადობით გრაფიტის მასალებზე მაღალ ტემპერატურაზე და არსებობს რამდენიმე სხვა ვარიანტი, თუ საჭიროა იზოლაცია. ერთი არის ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდი (ზოგჯერ თეთრ გრაფიტს მსგავსი თვისებების გამო უწოდებენ), მაგრამ მექანიკური თვისებები ცუდია. მოლიბდენი ზოგადად გონივრულად გამოიყენება მაღალი ტემპერატურის სიტუაციებში მისი ზომიერი ღირებულების, სილიკონის კრისტალებში დაბალი დიფუზიის სიჩქარის და ძალიან დაბალი სეგრეგაციის კოეფიციენტის გამო, დაახლოებით 5×108, რაც საშუალებას იძლევა გარკვეული რაოდენობის მოლიბდენის დაბინძურება კრისტალური სტრუქტურის განადგურებამდე.

2. თბოსაიზოლაციო მასალები

ყველაზე ხშირად გამოყენებული საიზოლაციო მასალაა ნახშირბადი სხვადასხვა ფორმით. ნახშირბადის თექა დამზადებულია თხელი ბოჭკოებისგან, რომლებიც მოქმედებს როგორც საიზოლაციო, რადგან ისინი თერმული გამოსხივების ბლოკირებას რამდენჯერმე ახდენენ მცირე მანძილზე. რბილი ნახშირბადის თექა ნაქსოვი მასალის შედარებით თხელ ფურცლებშია, რომლებიც შემდეგ იჭრება სასურველ ფორმაში და მჭიდროდ იღუნება გონივრულ რადიუსში. დამუშავებული თექები შედგება მსგავსი ბოჭკოვანი მასალებისგან და ნახშირბადის შემცველი შემკვრელის გამოყენება გამოიყენება დისპერსიული ბოჭკოების უფრო მყარ და ფორმის ობიექტში დასაკავშირებლად. ნახშირბადის ქიმიური ორთქლის დეპონირების გამოყენება შემკვრელის ნაცვლად შეიძლება გააუმჯობესოს მასალის მექანიკური თვისებები.

როგორც წესი, თბოიზოლაციის გამწმენდი თექის გარე ზედაპირი დაფარულია უწყვეტი გრაფიტის საფარით ან ფოლგით, რათა შემცირდეს ეროზია და ცვეთა, ასევე ნაწილაკების დაბინძურება. ასევე არსებობს ნახშირბადზე დაფუძნებული სხვა სახის თბოიზოლაციის მასალები, როგორიცაა ნახშირბადის ქაფი. ზოგადად, აშკარად სასურველია გრაფიტიზებული მასალები, რადგან გრაფიტიზაცია მნიშვნელოვნად ამცირებს ბოჭკოს ზედაპირის ფართობს. ამ მაღალი ზედაპირის მასალების გაჟონვა მნიშვნელოვნად მცირდება და ღუმელის შესაფერის ვაკუუმში გადატუმბვას ნაკლები დრო სჭირდება. კიდევ ერთი არის C/C კომპოზიტური მასალა, რომელსაც აქვს გამორჩეული მახასიათებლები, როგორიცაა მსუბუქი წონა, დაზიანების მაღალი ტოლერანტობა და მაღალი სიმტკიცე. თერმულ ველებში გამოყენებული გრაფიტის ნაწილების შესაცვლელად მნიშვნელოვნად ამცირებს გრაფიტის ნაწილების გამოცვლის სიხშირეს, აუმჯობესებს მონოკრისტალურ ხარისხს და წარმოების სტაბილურობას.

ნედლეულის კლასიფიკაციის მიხედვით, ნახშირბადის თექი შეიძლება დაიყოს პოლიაკრილონიტრილზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექად, ვიკოზაზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექად და მოედანზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექად.
პოლიაკრილონიტრილზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექის შემცველობა დიდი ნაცარია. მაღალტემპერატურული დამუშავების შემდეგ, ერთი ბოჭკოვანი ხდება მყიფე. ექსპლუატაციის დროს ადვილია მტვრის წარმოქმნა ღუმელის გარემოს დასაბინძურებლად. ამავდროულად, ბოჭკოვანი ადვილად აღწევს ადამიანის ორგანიზმის ფორებსა და სასუნთქ გზებში, რაც საზიანოა ადამიანის ჯანმრთელობისთვის. ვისკოზაზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექის აქვს კარგი თბოიზოლაციის შესრულება. ის შედარებით რბილია თერმული დამუშავების შემდეგ და ადვილი არ არის მტვრის წარმოქმნა. თუმცა, ვიკოზაზე დაფუძნებული ნედლი ბოჭკოს განივი კვეთა არარეგულარულია და ბოჭკოს ზედაპირზე ბევრი ღარებია. CZ სილიკონის ღუმელის ჟანგვის ატმოსფეროში ადვილია ისეთი აირების გამომუშავება, როგორიცაა C02, რაც იწვევს მონოკრისტალურ სილიკონის მასალაში ჟანგბადის და ნახშირბადის ელემენტების დალექვას. მთავარ მწარმოებლებს შორისაა გერმანული SGL და სხვა კომპანიები. ამჟამად, ნახევარგამტარულ მონოკრისტალურ ინდუსტრიაში ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ნახშირბადის თექის თბოელექტროფაზე დაფუძნებული ნახშირბადი, რომელსაც აქვს უარესი თბოიზოლაციის მოქმედება, ვიდრე viscose-ზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექის, მაგრამ მოედანზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექს აქვს უფრო მაღალი სისუფთავე და დაბალი მტვრის გამოსხივება. მწარმოებლები არიან იაპონური Kureha Chemical და Osaka Gas.
იმის გამო, რომ ნახშირბადის თექის ფორმა არ არის დაფიქსირებული, მისი მუშაობა მოუხერხებელია. ახლა ბევრმა კომპანიამ შეიმუშავა ახალი თბოიზოლაციის მასალა, რომელიც დაფუძნებულია ნახშირბადის თექით გამყარებული ნახშირბადის თექაზე. დამუშავებული ნახშირბადის თექა, რომელსაც ასევე უწოდებენ მძიმე თექას, არის ნახშირბადის თექის გარკვეული ფორმა და თვითშენარჩუნების თვისება რბილი თექის ფისით გაჟღენთილი, ლამინირებული, გამაგრებული და კარბონირებული.

მონოკრისტალური სილიციუმის ზრდის ხარისხზე პირდაპირ გავლენას ახდენს თერმული გარემო და ნახშირბადის ბოჭკოვანი თბოიზოლაციის მასალები ამ გარემოში მთავარ როლს თამაშობენ. ნახშირბადის ბოჭკოვანი თბოიზოლაციის რბილ თექას ჯერ კიდევ აქვს მნიშვნელოვანი უპირატესობა ფოტოელექტრული ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში მისი ღირებულების უპირატესობის, შესანიშნავი თბოიზოლაციის ეფექტის, მოქნილი დიზაინისა და კონფიგურირებადი ფორმის გამო. გარდა ამისა, ნახშირბადის ბოჭკოვანი მყარი თბოიზოლაციის თექას ექნება უფრო დიდი განვითარების სივრცე თერმული ველის მასალების ბაზარზე მისი გარკვეული სიძლიერისა და უფრო მაღალი ფუნქციონირების გამო. ჩვენ მოწოდებულნი ვართ კვლევისა და განვითარების სფეროში თბოიზოლაციის მასალების სფეროში და მუდმივად ვაუმჯობესებთ პროდუქტის მუშაობას, რათა ხელი შევუწყოთ ფოტოელექტრული ნახევარგამტარული ინდუსტრიის კეთილდღეობასა და განვითარებას.