Apparatuur voor het verwijderen van stof tijdens het kristallisatieproces van monokristallijn silicium

Als ze erover pratenapparatuur voor stofverwijderingin de context van het kweken van een enkel kristal denken velen onmiddellijk aan afzuigkappen of cyclonen ergens aan de rand van de werkplaats. Dit is misschien wel de meest voorkomende misvatting. Als je ooit hebt gezien hoe, als gevolg van een microscopisch deeltje op de fasegrens, een aggregatie van dislocaties begon en de hele boule verloren ging, begrijp je dat stofverwijdering geen hulpsysteem is, maar een onderdeel van de kristallisatietechnologie. Vooral in onze Russische omstandigheden, waar de werkplaatsen vaak niet nieuw zijn en de eisen voor de zuiverheid van silicium elk jaar toenemen.

Waar het probleem ligt: niet waar ze zoeken

De grootste uitdaging is niet eens het stof zelf in de lucht van de werkplek, hoewel dit van cruciaal belang is. De belangrijkste bron van risico is secundaire stofvorming door de apparatuur zelf en hulpprocessen. Bijvoorbeeld bij het laden van polysilicium in een smeltkroes, tijdens de werking van hef- en rotatiemechanismen, zelfs bij het vervangen van verwarmingselementen. Grafietdeeltjes, overblijfselen van oxidefilms, schurende slijtage van geleiders - dit alles vliegt de hete zone in. Standaard algemene ventilatie is hier machteloos; lokale ventilatie is nodig en geïntegreerd in het proces zelf.

Ooit probeerden we systemen uit de lichte metallurgie aan te passen, maar dat werkte niet. Het temperatuurregime rond de Czochralski-oven is specifiek: krachtige warmtestromen, convectie, magnetische velden (als magnetisatie wordt gebruikt). De afzuigkap mag het temperatuurbeeld bij de meniscus niet verstoren, anders gaat het kristal 'spelen'. Ik moest een evenwicht vinden tussen de zuigkracht en de hitteberoerte. Verschillende batches vertrokken vervolgens met een verhoogd zuurstofgehalte totdat de geometrie en locatie van de luchtinlaten waren geselecteerd.

Trouwens, over magnetische velden. Als het systeem apparatuur gebruikt voor inductieverhitting of smeltkroezen zonder smeltkroezen, kunnen de metalen elementen van de stofopvangpaden de veldconfiguratie beïnvloeden. Dit is een subtiel punt dat ventilatieontwerpers vaak vergeten. Ik moest specialisten raadplegen die diep in het onderwerp elektromagnetische systemen verdiept zijn, bijvoorbeeld met ingenieurs vanLONGI-bedrijf. Hun ervaring met het ontwerpen van mijnbouw- en elektromagnetische apparatuur bleek nuttig bij het begrijpen van de interactie tussen velden en structuren.

Specifieke oplossingen en hun valkuilen

Nu introduceert de industriestandaard geleidelijk systemen met laminaire stroming, die de groeizone omsluiten. Maar ook hier verloopt niet alles soepel. Filtermaterialen zijn een ander verhaal. Voor de laatste fase natuurlijk HEPA-filters, maar daarvoor moeten ze effectief vooraf worden gereinigd, anders worden ze elke week vervangen. We hebben een oplossing getest met elektrostatische stofvangers, maar kwamen het probleem van ozon tegen: dit is een ongewenst actief gas voor silicium. Ze weigerden.

Een van de relatief succesvolle projecten die ik in het werk zag, was gebaseerd op het principe van dubbelcircuitafzuiging. Het eerste circuit is een aanzuiging met lage snelheid, rechtstreeks van onder de ovenbehuizing, waarbij grote hoeveelheden stof en hitte worden opgevangen. De tweede is een fijne zuivering van de lucht die naar het laminaire plafond boven de werkplek wordt gevoerd. De sleutel was om deze stromen te scheiden en te voorkomen dat de 'vuile' lucht uit het primaire circuit het tweede circuit ergens kruist. Het systeem is complex en duur om te installeren, maar het heeft zichzelf terugverdiend door het defectpercentage in zes maanden tijd met 1,2% te verminderen - dit zijn enorme aantallen voor de productie.

Een belangrijke nuance is service. Elk systeem, zelfs het meest perfecte systeem, raakt verstopt. Als toegang tot filters of luchtkanalen vereist dat de oven een dag moet worden stilgezet, is dit onaanvaardbaar. Het ontwerp moet onderhoud tussen cycli tussen 4 en 8 uur mogelijk maken. We hebben ooit een systeem met horizontaal intrekbare filtercassettes in het project opgenomen - we hebben ruimte bespaard, maar toen bleek dat we voor de vervanging ervan een speciale lader nodig hadden, die we niet in de werkplaats hadden. Ik moest het van een eenvoudige ladder naar verticaal omzetten.

Procesintegratie: de visie van een operator

Vanuit het standpunt van de persoon bij de kachel mag het systeem geen onnodig geluid of trillingen veroorzaken. Trillingen zijn de vijand van een enkel kristal. Toen ze eenmaal een krachtige ventilator op een gemeenschappelijke plaat met de fundering van de oven hadden geplaatst, werden microvibraties door de basis overgebracht en verschenen er consequent strepen op de kristallen. Voor het ventilatiesysteem moesten we een onafhankelijke trillingsgeïsoleerde fundering maken. Het lijkt een kleinigheid, maar je zult het niet in de referentievoorwaarden vinden.

Een ander aspect is het beheer. Moderne kristalkweekinstallaties zijn volledig geautomatiseerd. Ideaal wanneer het systeemstof verwijderenis ook in dit circuit ingebouwd en regelt de zuigkracht afhankelijk van de fase van het proces: intenser tijdens het laden en lossen, minimale stroming tijdens de groei van het kristallichaam. Maar een dergelijke integratie houdt altijd een risico in. Als het algoritme faalt en op een kritiek moment teveel stuwkracht creëert, kun je de boule verliezen. Daarom beschikken we altijd over een handmatig back-upcircuit en zijn operators getraind in het gebruik ervan.

Hier komt overigens de ervaring van bedrijven die zich bezighouden met complexe industriële apparatuur met besturingssystemen goed van pas. Dat weet ikLONGI-bedrijf, met zijn serieuze productie- en engineeringbasis (meer dan 1.200 werknemers, van wie de meesten een hogere opleiding hebben genoten), is precies in staat dergelijke complexe oplossingen te ontwikkelen. Hun websitehttps://www.ljmagnet.ruweerspiegelt de omvang van de activiteiten, ook al gaat het misschien niet direct om silicium, maar de principes van het bouwen van betrouwbare industriële systemen zijn universeel.

Economie van het probleem: alles moet worden geteld

De kosten van het systeem kunnen hoog zijn en financiers vragen altijd naar de ROI. De eenvoudigste berekening is via een verhinderd huwelijk. Maar er zijn ook minder voor de hand liggende besparingen. Bijvoorbeeld het verlengen van de levensduur van dure verwarmingstoestellen en ovenisolatie, die worden vernietigd onder invloed van geleidend stof (dezelfde koolstof). Of het verlagen van de kosten voor het reinigen en onderhouden van het vacuümsysteem zelf als de oven onder vacuüm werkt.

We hadden een geval waarin we, na de introductie van effectieve stofverwijdering tijdens de laadfase, erin slaagden het onderhoudsinterval van vacuümpompen met bijna 30% te verlengen. Dit is een directe besparing op olie, filters en arbeidskosten. Deze cijfers overtuigen het management nu al beter dan welke technologische argumenten dan ook.

Maar er is ook een keerzijde: het energieverbruik. Krachtige ventilatoren en verwarming/koeling van de lucht in het systeem zijn kilowatt. Moderne systemen met warmteterugwinning en motoren met variabel toerental helpen de kosten te verlagen. Maar de implementatie ervan is een nieuwe ronde van kapitaalinvesteringen. Balans is lastig te vinden.

Een blik in de toekomst: wat gaat er veranderen?

De trend is duidelijk: totale automatisering en digitalisering. Ik denk dat we binnenkort systemen zullen zien die in realtime niet alleen het volume van het stof monitoren, maar ook de samenstelling ervan (spectrometrische analyse van meegevoerde deeltjes), en de zuigparameters aanpassen of zelfs waarschuwen voor de noodzaak om een ​​specifiek apparaat te onderhouden waarvan de stofemissie toeneemt. Dit zal het volgende niveau van integratie zijn.

Een ander gebied is materialen. De opkomst van nieuwe, duurzamere en selectievere filtermaterialen, mogelijk op basis van membranen, die alleen vaste deeltjes van een bepaalde grootte tegenhouden zonder veel weerstand tegen stroming te creëren. Hierdoor zullen de energiekosten dalen.

Uiteindelijk,apparatuur voor het verwijderen van stof tijdens de kristallisatie van monokristallijn siliciumzal niet langer gezien worden als een ‘noodzakelijk kwaad’ of een kostenpost. Het wordt dezelfde technologische module als een diameter- of temperatuurregelsysteem. En de effectiviteit ervan zal rechtstreeks van invloed zijn op de belangrijkste indicator: de opbrengst, de kosten van de wafel. En zoals we weten is de winnaar in onze branche degene die elk klein detail onder controle heeft. Zelfs een stofje dat onzichtbaar is voor het oog.