Attrezzatura per la rimozione delle polveri durante il processo di cristallizzazione del silicio monocristallino

Quando ne parlanoattrezzature per la rimozione della polverenel contesto della coltivazione di un singolo cristallo, molti immaginano immediatamente solo cappe di aspirazione o cicloni da qualche parte alla periferia dell'officina. Questo è forse il malinteso più comune. Infatti, se avete mai visto come, a causa di una particella microscopica al confine di fase, è iniziata un'aggregazione di dislocazioni e l'intera boule è andata sprecata, capirete che la rimozione della polvere non è un sistema ausiliario, ma una parte della tecnologia di cristallizzazione. Soprattutto nelle nostre condizioni russe, dove le officine spesso non sono nuove e i requisiti per la purezza del silicio crescono ogni anno.

Dove sta il problema: non dove stanno guardando

La sfida principale non è nemmeno la polvere stessa nell’aria dell’area di lavoro, sebbene sia fondamentale. La principale fonte di rischio è la formazione secondaria di polvere derivante dall'apparecchiatura stessa e dai processi ausiliari. Ad esempio, durante il caricamento del polisilicio in un crogiolo, durante il funzionamento dei meccanismi di sollevamento e rotazione, anche durante la sostituzione dei riscaldatori. Particelle di grafite, resti di pellicole di ossido, usura abrasiva delle guide: tutto questo vola nella zona calda. La ventilazione generale standard qui è impotente; è necessaria una ventilazione locale, integrata nel processo stesso.

Un tempo abbiamo provato ad adattare i sistemi della metallurgia leggera: non ha funzionato. Il regime di temperatura attorno alla fornace Czochralski è specifico: potenti flussi di calore, convezione, campi magnetici (se viene utilizzata la magnetizzazione). La cappa aspirante non deve disturbare l'immagine della temperatura al menisco, altrimenti il ​​cristallo comincia a “suonare”. Dovevo trovare un equilibrio tra la potenza di aspirazione e il colpo di calore. Successivamente sono stati lasciati diversi lotti con un contenuto di ossigeno maggiore fino a quando non sono state selezionate la geometria e la posizione delle prese d'aria.

A proposito, sui campi magnetici. Se il sistema utilizza apparecchiature per il riscaldamento a induzione o per la fusione in zone senza crogiolo, gli elementi metallici dei percorsi di raccolta delle polveri possono influenzare la configurazione del campo. Questo è un punto delicato che spesso i progettisti della ventilazione dimenticano. Ho dovuto consultare specialisti che approfondiscono il tema dei sistemi elettromagnetici, ad esempio, ingegneri diSocietà LONGI. La loro esperienza nella progettazione di apparecchiature minerarie ed elettromagnetiche si è rivelata utile per comprendere l'interazione di campi e strutture.

Soluzioni specifiche e loro insidie

Ora lo standard del settore sta gradualmente introducendo sistemi a flusso laminare, che racchiudono la zona di crescita. Ma anche qui non tutto fila liscio. I materiali filtranti sono una storia diversa. Per la fase finale, ovviamente, i filtri HEPA, ma prima necessitano di un'efficace pre-pulizia, altrimenti verranno cambiati ogni settimana. Abbiamo testato una soluzione con precipitatori elettrostatici, ma ci siamo imbattuti nel problema dell'ozono: questo è un gas attivo indesiderato per il silicio. Si sono rifiutati.

Uno dei progetti relativamente riusciti che ho visto al lavoro era basato sul principio dell'aspirazione a doppio circuito. Il primo circuito consiste in un'aspirazione a bassa velocità direttamente da sotto l'involucro del forno, che cattura polvere e calore di grandi dimensioni. La seconda è la purificazione fine dell'aria fornita al soffitto lamellare sopra l'area di lavoro. La chiave è stata quella di separare questi flussi ed evitare che l'aria “sporca” proveniente dal circuito primario si intersecasse in qualche punto con il secondo. Il sistema è complesso e costoso da installare, ma si è ammortizzato riducendo il tasso di difetti dell'1,2% in sei mesi: numeri enormi per la produzione.

Una sfumatura importante è il servizio. Qualsiasi sistema, anche il più perfetto, si intasa. Se l'accesso ai filtri o ai condotti dell'aria richiede l'arresto del forno per un giorno, ciò non è accettabile. Il progetto dovrebbe consentire il servizio nelle finestre interciclo, 4-8 ore. Una volta abbiamo incluso nel progetto un sistema con cassette filtranti retrattili orizzontali: abbiamo risparmiato spazio, ma poi si è scoperto che per sostituirle avevamo bisogno di un caricatore speciale, che non avevamo in officina. Ho dovuto convertirlo in verticale, da una semplice scala.

Integrazione dei processi: il punto di vista di un operatore

Dal punto di vista di chi sta ai fornelli, il sistema non deve creare rumori o vibrazioni inutili. La vibrazione è nemica di un singolo cristallo. Una volta posizionato un potente ventilatore su una piastra comune con la base della fornace, le microvibrazioni venivano trasmesse attraverso la base e sui cristalli apparivano costantemente strisce. Abbiamo dovuto realizzare una base indipendente e isolata dalle vibrazioni per il sistema di ventilazione. Sembrerebbe una cosa da poco, ma non la troverai nei termini di riferimento.

Un altro aspetto è la gestione. I moderni impianti di coltivazione dei cristalli sono completamente automatizzati. Ideale quando il sistemarimozione della polvereanch'esso è integrato in questo circuito e regola la potenza di aspirazione a seconda della fase del processo: più intensa durante il carico e lo scarico, portata minima durante la crescita del corpo cristallino. Ma tale integrazione è sempre un rischio. Se l'algoritmo fallisce e crea una spinta eccessiva in un momento critico, puoi perdere la boccia. Pertanto disponiamo sempre di un circuito di backup manuale e gli operatori sono addestrati ad utilizzarlo.

Qui, a proposito, torna utile l'esperienza delle aziende che si occupano di apparecchiature industriali complesse con sistemi di controllo. Lo soSocietà LONGI, con la sua seria base produttiva e ingegneristica (più di 1.200 dipendenti, la maggior parte dei quali con un'istruzione superiore), è proprio in grado di sviluppare soluzioni così complesse. Il loro sito webhttps://www.ljmagnet.ruriflette la portata dell'attività, anche se potrebbe non riguardare direttamente il silicio, ma i principi della costruzione di sistemi industriali affidabili sono universali.

Economia della questione: bisogna contare tutto

Il costo del sistema può essere elevato e i finanziatori chiedono sempre informazioni sul ROI. Il calcolo più semplice è tramite il matrimonio impedito. Ma ci sono anche risparmi meno evidenti. Ad esempio, prolungando la durata di costosi riscaldatori e isolamenti di forni, che vengono distrutti sotto l'influenza della polvere conduttiva (lo stesso carbonio). Oppure riducendo i costi di pulizia e manutenzione del sistema di vuoto stesso se il forno funziona sotto vuoto.

Abbiamo avuto un caso in cui, dopo aver introdotto un'efficace rimozione della polvere nella fase di caricamento, siamo riusciti ad aumentare l'intervallo di manutenzione delle pompe per vuoto di quasi il 30%. Si tratta di un risparmio diretto su olio, filtri e costi di manodopera. Queste cifre convincono già il management più di qualsiasi argomento tecnologico.

Ma c'è anche uno svantaggio: il consumo di energia. I ventilatori potenti e il riscaldamento/raffreddamento dell'aria nel sistema sono kilowatt. I moderni sistemi con recupero di calore e motori a velocità variabile aiutano a ridurre i costi. Ma la loro attuazione è un altro giro di investimenti di capitale. L’equilibrio è difficile da trovare.

Uno sguardo al futuro: cosa cambierà

La tendenza è ovvia: automazione e digitalizzazione totale. Penso che presto vedremo sistemi che monitorano in tempo reale non solo il volume della polvere, ma anche la sua composizione (analisi spettrometrica delle particelle trascinate), e regolano i parametri di aspirazione o addirittura avvisano della necessità di riparare una specifica attrezzatura da cui si registra un aumento dell’emissione di polvere. Questo sarà il livello successivo di integrazione.

Un altro settore è quello dei materiali. L'emergere di nuovi materiali filtranti, più durevoli e selettivi, possibilmente basati su membrane, che tratterranno solo particelle solide di una certa dimensione senza creare molta resistenza al flusso. Ciò ridurrà i costi energetici.

In definitiva,attrezzatura per la rimozione delle polveri durante la cristallizzazione del silicio monocristallinonon sarà più percepito come un “male necessario” o una voce di spesa. Diventerà lo stesso modulo tecnologico di un sistema di controllo del diametro o della temperatura. E la sua efficacia influenzerà direttamente l'indicatore chiave: la resa, il costo del wafer. E nella nostra attività, come sappiamo, il vincitore è colui che controlla ogni piccolo dettaglio. Anche un granello di polvere invisibile agli occhi.