მნიშვნელოვანი მასალა, რომელიც განსაზღვრავს ერთკრისტალური სილიციუმის ზრდის ხარისხს - თერმული ველი

ერთკრისტალური სილიციუმის ზრდის პროცესი მთლიანად თერმულ ველში მიმდინარეობს. კარგი თერმული ველი ხელს უწყობს კრისტალების ხარისხის გაუმჯობესებას და აქვს მაღალი კრისტალიზაციის ეფექტურობა. თერმული ველის დიზაინი დიდწილად განსაზღვრავს ტემპერატურის გრადიენტების ცვლილებებს და ცვლილებებს დინამიურ თერმულ ველში. ღუმელის კამერაში გაზის ნაკადი და თერმული ველში გამოყენებული მასალების განსხვავება პირდაპირ განსაზღვრავს თერმული ველის მომსახურების ხანგრძლივობას. არაგონივრულად შექმნილი თერმული ველი არა მხოლოდ ართულებს კრისტალების გაზრდას, რომლებიც აკმაყოფილებენ ხარისხის მოთხოვნებს, არამედ ვერ ახერხებენ სრული ერთკრისტალების გაზრდას გარკვეული პროცესის მოთხოვნების შესაბამისად. სწორედ ამიტომ, ჩოხრალსკის მონოკრისტალური სილიკონის ინდუსტრია თერმული ველის დიზაინს მიიჩნევს ძირითად ტექნოლოგიად და ინვესტირებას უზარმაზარ ადამიანურ ძალასა და მატერიალურ რესურსებს თერმული ველის კვლევასა და განვითარებაში.

თერმული სისტემა შედგება სხვადასხვა თერმული ველის მასალისგან. ჩვენ მხოლოდ მოკლედ გავაცნობთ თერმული სფეროში გამოყენებულ მასალებს. რაც შეეხება თერმული ველში ტემპერატურის განაწილებას და მის გავლენას კრისტალების მოზიდვაზე, აქ არ გავაანალიზებთ. თერმული ველის მასალა ეხება ბროლის ზრდის ვაკუუმ ღუმელს. კამერის სტრუქტურული და თერმულად იზოლირებული ნაწილები, რომლებიც აუცილებელია ნახევარგამტარული დნობისა და კრისტალების ირგვლივ შესაბამისი ტემპერატურის ქსოვილის შესაქმნელად.

ერთი. თერმული ველის სტრუქტურული მასალები
ჩოხრალსკის მეთოდით ერთკრისტალური სილიკონის ზრდის ძირითადი დამხმარე მასალა არის მაღალი სისუფთავის გრაფიტი. გრაფიტის მასალები ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ თანამედროვე ინდუსტრიაში. ჩოხრალსკის მეთოდით ერთკრისტალური სილიციუმის მომზადებისას, ისინი შეიძლება გამოყენებულ იქნეს როგორც თერმული ველის სტრუქტურული კომპონენტები, როგორიცაა გამათბობლები, სახელმძღვანელო მილები, ჭურჭელი, საიზოლაციო მილები და ჭურჭლის უჯრები.

გრაფიტის მასალა შეირჩა დიდი მოცულობის მომზადების სიმარტივის, დამუშავების და მაღალი ტემპერატურისადმი გამძლეობის გამო. ალმასის ან გრაფიტის სახით ნახშირბადს აქვს უფრო მაღალი დნობის წერტილი, ვიდრე ნებისმიერ ელემენტს ან ნაერთს. გრაფიტის მასალა საკმაოდ მტკიცეა, განსაკუთრებით მაღალ ტემპერატურაზე, ასევე საკმაოდ კარგია მისი ელექტრო და თბოგამტარობაც. მისი ელექტრული გამტარობა მას შესაფერისს ხდის გამათბობელ მასალას და აქვს დამაკმაყოფილებელი თბოგამტარობა, რომელსაც შეუძლია თანაბრად გადაანაწილოს გამათბობლის მიერ წარმოქმნილი სითბო ჭურჭელში და თერმული ველის სხვა ნაწილებზე. თუმცა, მაღალ ტემპერატურაზე, განსაკუთრებით დიდ დისტანციებზე, სითბოს გადაცემის მთავარი რეჟიმი გამოსხივებაა.

გრაფიტის ნაწილები თავდაპირველად წარმოიქმნება შემკვრელთან შერეული წვრილი ნახშირბადის ნაწილაკების ექსტრუზიით ან იზოსტატიკური დაჭერით. მაღალი ხარისხის გრაფიტის ნაწილები, როგორც წესი, იზოსტატურად დაჭერილია. მთლიანი ნაწილი ჯერ კარბონიზებულია და შემდეგ გრაფიტირდება ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, 3000°C-მდე. ამ მონოლითებისგან დამუშავებული ნაწილები ხშირად იწმინდება ქლორის შემცველ ატმოსფეროში მაღალ ტემპერატურაზე ლითონის დაბინძურების მოსაშორებლად ნახევარგამტარული ინდუსტრიის მოთხოვნების შესაბამისად. თუმცა, სათანადო გაწმენდის შემთხვევაშიც კი, ლითონის დაბინძურების დონეები სილიკონის ერთკრისტალური მასალებით დაშვებულზე მაღალია. ამიტომ, სიფრთხილე უნდა იქნას მიღებული თერმული ველის დიზაინში, რათა თავიდან იქნას აცილებული ამ კომპონენტების დაბინძურება დნობის ან ბროლის ზედაპირზე.

გრაფიტის მასალა ოდნავ გამტარია, რაც საშუალებას აძლევს დარჩენილ ლითონს ადვილად მიაღწიოს ზედაპირს. გარდა ამისა, სილიციუმის მონოქსიდი, რომელიც იმყოფება გამწმენდ აირში გრაფიტის ზედაპირის გარშემო, შეუძლია ღრმად შეაღწიოს უმეტეს მასალაში და მოახდინოს რეაგირება.

ადრეული ერთკრისტალური სილიკონის ღუმელის გამათბობლები მზადდებოდა ცეცხლგამძლე ლითონებისგან, როგორიცაა ვოლფრამი და მოლიბდენი. გრაფიტის დამუშავების ტექნოლოგიის მომწიფებასთან ერთად, გრაფიტის კომპონენტებს შორის კავშირების ელექტრული თვისებები სტაბილური ხდება და ერთკრისტალური სილიკონის ღუმელის გამათბობლებმა მთლიანად შეცვალა ვოლფრამი და მოლიბდენი და სხვა მასალების გამათბობლები. ამჟამად ყველაზე ფართოდ გამოყენებული გრაფიტის მასალა არის იზოსტატიკური გრაფიტი. semicera-ს შეუძლია უზრუნველყოს მაღალი ხარისხის იზოსტატიკურად დაჭერილი გრაფიტის მასალები.

Czochralski ერთკრისტალური სილიკონის ღუმელებში ზოგჯერ გამოიყენება C/C კომპოზიტური მასალები და ახლა გამოიყენება ჭანჭიკების, თხილის, ჭურჭლის, მზიდი ფირფიტების და სხვა კომპონენტების დასამზადებლად. ნახშირბადის/ნახშირბადის (c/c) კომპოზიტური მასალები არის ნახშირბადის ბოჭკოებით გამაგრებული ნახშირბადზე დაფუძნებული კომპოზიციური მასალები. მათ აქვთ მაღალი სპეციფიკური სიძლიერე, მაღალი სპეციფიკური მოდული, დაბალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი, კარგი ელექტროგამტარობა, დიდი მოტეხილობის სიმტკიცე, დაბალი სპეციფიკური სიმძიმე, თერმული შოკის წინააღმდეგობა, კოროზიის წინააღმდეგობა, მას აქვს შესანიშნავი თვისებების სერია, როგორიცაა მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა და ამჟამად ფართოდ არის გავრცელებული. გამოიყენება აერონავტიკაში, რბოლაში, ბიომასალებსა და სხვა სფეროებში, როგორც ახალი ტიპის მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი სტრუქტურული მასალა. ამჟამად, მთავარი შეფერხება, რომელსაც აწყდება შიდა C/C კომპოზიტური მასალები, არის ღირებულებისა და ინდუსტრიალიზაციის საკითხები.

არსებობს მრავალი სხვა მასალა, რომელიც გამოიყენება თერმული ველების შესაქმნელად. ნახშირბადის ბოჭკოებით გამაგრებულ გრაფიტს აქვს უკეთესი მექანიკური თვისებები; თუმცა, ის უფრო ძვირია და აწესებს დიზაინის სხვა მოთხოვნებს. სილიციუმის კარბიდი (SiC) მრავალი თვალსაზრისით უკეთესი მასალაა, ვიდრე გრაფიტი, მაგრამ ბევრად უფრო ძვირი და რთულია დიდი მოცულობის ნაწილების დამზადება. თუმცა, SiC ხშირად გამოიყენება როგორც CVD საფარი აგრესიული სილიციუმის მონოქსიდის გაზის ზემოქმედების ქვეშ მყოფი გრაფიტის ნაწილების სიცოცხლის გაზრდის მიზნით და ასევე გრაფიტისგან დაბინძურების შესამცირებლად. CVD სილიციუმის კარბიდის მკვრივი საფარი ეფექტურად აფერხებს მიკროფოროვანი გრაფიტის მასალის შიგნით დამაბინძურებლებს ზედაპირამდე.

მეორე არის CVD ნახშირბადი, რომელსაც ასევე შეუძლია შექმნას მკვრივი ფენა გრაფიტის ნაწილების თავზე. სხვა მაღალი ტემპერატურის რეზისტენტული მასალები, როგორიცაა მოლიბდენი ან კერამიკული მასალები, რომლებიც თავსებადია გარემოსთან, შეიძლება გამოყენებულ იქნას იქ, სადაც არ არის დნობის დაბინძურების რისკი. თუმცა, ოქსიდის კერამიკას აქვს შეზღუდული ვარგისიანობა გრაფიტის მასალებთან პირდაპირი კონტაქტისთვის მაღალ ტემპერატურაზე, ხშირად ტოვებს რამდენიმე ალტერნატივას, თუ საჭიროა იზოლაცია. ერთი არის ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდი (ზოგჯერ თეთრ გრაფიტს მსგავსი თვისებების გამო უწოდებენ), მაგრამ მას აქვს ცუდი მექანიკური თვისებები. მოლიბდენი ზოგადად მიზანშეწონილია მაღალი ტემპერატურის გამოყენებისთვის მისი ზომიერი ღირებულების, სილიკონის კრისტალებში დაბალი დიფუზურობისა და დაბალი სეგრეგაციის კოეფიციენტის გამო, დაახლოებით 5 × 108, რაც იძლევა მოლიბდენის გარკვეულ დაბინძურებას კრისტალური სტრუქტურის განადგურებამდე.

ორი. თერმული ველის საიზოლაციო მასალები
ყველაზე ხშირად გამოყენებული საიზოლაციო მასალაა ნახშირბადი სხვადასხვა ფორმით. ნახშირბადის თექა დამზადებულია თხელი ბოჭკოებისგან, რომლებიც მოქმედებს როგორც თბოიზოლაცია, რადგან ისინი ბევრჯერ ბლოკავს თერმული გამოსხივებას მცირე მანძილზე. რბილი ნახშირბადის თექა ნაქსოვი მასალის შედარებით თხელ ფურცლებშია, რომლებიც შემდეგ იჭრება სასურველ ფორმაში და მჭიდროდ იღუნება გონივრულ რადიუსამდე. დამუშავებული თექა შედგება მსგავსი ბოჭკოვანი მასალებისგან, ნახშირბადის შემცველი შემკვრელის გამოყენებით დისპერსიული ბოჭკოების უფრო მყარ და თანამედროვე ობიექტად დასაკავშირებლად. ნახშირბადის ქიმიური ორთქლის დეპონირების გამოყენება შემკვრელების ნაცვლად შეიძლება გააუმჯობესოს მასალის მექანიკური თვისებები.

როგორც წესი, საიზოლაციო დამუშავებული თექის გარე ზედაპირი დაფარულია უწყვეტი გრაფიტის საფარით ან ფოლგით, რათა შემცირდეს ეროზია და ცვეთა, ასევე ნაწილაკებით დაბინძურება. ასევე არსებობს ნახშირბადზე დაფუძნებული საიზოლაციო მასალების სხვა ტიპები, როგორიცაა ნახშირბადის ქაფი. ზოგადად, გრაფიტიზებული მასალები აშკარად უპირატესობას ანიჭებენ, რადგან გრაფიტიზაცია მნიშვნელოვნად ამცირებს ბოჭკოს ზედაპირის ფართობს. ეს მაღალი ზედაპირის ფართობის მასალები იძლევა გაცილებით ნაკლებ გაჟონვას და ნაკლები დრო სჭირდება ღუმელის სათანადო ვაკუუმამდე მიყვანას. სხვა ტიპი არის C/C კომპოზიტური მასალა, რომელსაც აქვს გამორჩეული თვისებები, როგორიცაა მსუბუქი წონა, დაზიანების მაღალი ტოლერანტობა და მაღალი სიმტკიცე. გამოიყენება თერმულ ველებში გრაფიტის ნაწილების შესაცვლელად, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს გრაფიტის ნაწილების ჩანაცვლების სიხშირეს და აუმჯობესებს ერთკრისტალების ხარისხს და წარმოების სტაბილურობას.

ნედლეულის კლასიფიკაციის მიხედვით, ნახშირბადის თექი შეიძლება დაიყოს პოლიაკრილონიტრილზე დაფუძნებულ ნახშირბადის თექად, ვიკოზაზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექა და ასფალტზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექი.

პოლიაკრილონიტრილზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექას აქვს ნაცრის დიდი შემცველობა და მონოფილამენტები მტვრევადი ხდება მაღალი ტემპერატურის დამუშავების შემდეგ. ექსპლუატაციის დროს მტვერი ადვილად წარმოიქმნება ღუმელის გარემოს დასაბინძურებლად. ამავდროულად, ბოჭკოები ადვილად შედიან ადამიანის ფორებსა და სასუნთქ გზებში, რაც ზიანს აყენებს ადამიანის ჯანმრთელობას; viscose-ზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექა მას აქვს კარგი თბოიზოლაციის თვისებები, შედარებით რბილია თერმული დამუშავების შემდეგ და ნაკლებად წარმოქმნის მტვერს. თუმცა, ვისკოზაზე დაფუძნებული ძაფების განივი კვეთა აქვს არარეგულარული ფორმისა და ბოჭკოების ზედაპირზე არის მრავალი ხევი, რომელიც ადვილად წარმოიქმნება ოქსიდაციური ატმოსფეროს თანდასწრებით Czochralski ერთკრისტალური სილიკონის ღუმელში. აირები, როგორიცაა CO2, იწვევს ჟანგბადის და ნახშირბადის ელემენტების დალექვას ერთკრისტალურ სილიკონის მასალებში. მთავარ მწარმოებლებს შორისაა გერმანული SGL და სხვა კომპანიები. დღეისათვის, ნახშირბადის თექის ბაზაზე დაფუძნებული ნახშირბადი ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ნახევარგამტარული ერთკრისტალების ინდუსტრიაში და მისი თბოიზოლაციის მოქმედება უკეთესია, ვიდრე წებოვანი ნახშირბადის თექა. რეზინაზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექა უფრო დაბალია, მაგრამ ასფალტზე დაფუძნებული ნახშირბადის თექის უფრო მაღალი სისუფთავე და დაბალი მტვრის გამოყოფა. მწარმოებლები მოიცავს იაპონიის Kureha Chemical, Osaka Gas და ა.შ.

ვინაიდან ნახშირბადის თექის ფორმა არ არის დაფიქსირებული, მისი მუშაობა მოუხერხებელია. ახლა ბევრმა კომპანიამ შეიმუშავა ახალი თბოიზოლაციის მასალა, რომელიც დაფუძნებულია ნახშირბადის თექაზე - დამუშავებული ნახშირბადის თექა. დამუშავებული ნახშირბადის თექას ასევე უწოდებენ მძიმე თექას. ეს არის ნახშირბადის თექა, რომელსაც აქვს გარკვეული ფორმა და თვითმდგრადობა ფისით გაჟღენთილი, ლამინირებული, გამაგრებული და კარბონირებული.

ერთკრისტალური სილიციუმის ზრდის ხარისხზე პირდაპირ გავლენას ახდენს თერმული ველის გარემო და ნახშირბადის ბოჭკოვანი საიზოლაციო მასალები ამ გარემოში მთავარ როლს თამაშობენ. ნახშირბადის ბოჭკოვანი თბოიზოლაციის რბილი თექა კვლავ მნიშვნელოვან უპირატესობას იკავებს ფოტოელექტრული ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში მისი ღირებულების უპირატესობების, შესანიშნავი თბოიზოლაციის ეფექტის, მოქნილი დიზაინისა და კონფიგურირებადი ფორმის გამო. გარდა ამისა, ნახშირბადის ბოჭკოვანი ხისტი საიზოლაციო თექის განვითარებას უფრო მეტი ადგილი ექნება თერმული ველის მასალების ბაზარზე მისი გარკვეული სიმტკიცისა და უფრო მაღალი ფუნქციონირების გამო. ჩვენ მოწოდებულნი ვართ კვლევებისა და განვითარების სფეროში თბოიზოლაციის მასალების სფეროში და მუდმივად ვაუმჯობესებთ პროდუქტის მუშაობას, რათა ხელი შევუწყოთ ფოტოელექტრული ნახევარგამტარული ინდუსტრიის კეთილდღეობასა და განვითარებას.