Urządzenia do usuwania pyłu podczas procesu krystalizacji krzemu monokrystalicznego

Kiedy o tym mówiąsprzęt do usuwania kurzuw kontekście uprawy monokryształu wielu od razu wyobraża sobie po prostu wyciągi lub cyklony gdzieś na obrzeżach warsztatu. To chyba najczęstsze nieporozumienie. Tak naprawdę, jeśli kiedykolwiek widziałeś, jak pod wpływem mikroskopijnej cząstki na granicy faz rozpoczęła się agregacja dyslokacyjna i cała kula poszła na marne, rozumiesz, że usuwanie pyłu nie jest systemem pomocniczym, ale częścią technologii krystalizacji. Zwłaszcza w naszych rosyjskich warunkach, gdzie warsztaty często nie są nowe, a wymagania dotyczące czystości krzemu rosną z roku na rok.

Gdzie leży problem: nie tam, gdzie szukają

Głównym wyzwaniem nie jest nawet sam kurz unoszący się w powietrzu w miejscu pracy, chociaż jest to niezwykle istotne. Głównym źródłem ryzyka jest wtórne powstawanie pyłu z samego sprzętu i procesów pomocniczych. Na przykład podczas ładowania polikrzemu do tygla, podczas obsługi mechanizmów podnoszących i obrotowych, nawet podczas wymiany grzejników. Cząsteczki grafitu, resztki warstw tlenków, zużycie ścierne prowadnic – wszystko to leci do gorącej strefy. Standardowa wentylacja ogólna jest tutaj bezsilna; konieczna jest wentylacja lokalna, zintegrowana z samym procesem.

Kiedyś próbowaliśmy zaadaptować systemy z metalurgii lekkiej – nie wyszło. Reżim temperaturowy wokół pieca Czochralskiego jest specyficzny: silne przepływy ciepła, konwekcja, pola magnetyczne (jeśli stosuje się namagnesowanie). Okap nie może zakłócać obrazu temperatury na menisku, w przeciwnym razie kryształ zacznie „grać”. Musiałem balansować pomiędzy siłą ssania a udarem cieplnym. Następnie pozostawiono kilka partii o zwiększonej zawartości tlenu do czasu wybrania geometrii i lokalizacji wlotów powietrza.

Nawiasem mówiąc, o polach magnetycznych. Jeśli w systemie zastosowano urządzenia do nagrzewania indukcyjnego lub topienia strefowego bez tygla, wówczas metalowe elementy dróg odpylania mogą mieć wpływ na konfigurację pola. Jest to subtelny punkt, o którym często zapominają projektanci wentylacji. Musiałem konsultować się ze specjalistami, którzy są głęboko w temacie układów elektromagnetycznych, na przykład z inżynierami zFirma LOGI. Ich doświadczenie w projektowaniu urządzeń górniczych i elektromagnetycznych okazało się przydatne w zrozumieniu interakcji pól i struktur.

Konkretne rozwiązania i ich pułapki

Obecnie standardem branżowym są stopniowo wprowadzane systemy z przepływem laminarnym, zamykającym strefę wzrostu. Ale tutaj też nie wszystko jest gładkie. Materiały filtracyjne to inna historia. Na końcowy etap oczywiście filtry HEPA, ale przed nimi potrzebne jest skuteczne czyszczenie wstępne, w przeciwnym razie będą wymieniane co tydzień. Testowaliśmy rozwiązanie z elektrofiltrami, ale natrafiliśmy na problem ozonu – jest to niepożądany gaz aktywny dla krzemu. Odmówili.

Jeden ze stosunkowo udanych projektów, który widziałem w pracy, został zbudowany na zasadzie ssania dwuobwodowego. Pierwszy obwód to zasysanie wolnoobrotowe bezpośrednio spod obudowy pieca, wychwytujące duży pył i ciepło. Drugim jest dokładne oczyszczenie powietrza dostarczanego do sufitu laminarnego nad miejscem pracy. Kluczem było oddzielenie tych przepływów i zapobieganie krzyżowaniu się „brudnego” powietrza z obwodu pierwotnego z drugim. System jest złożony i kosztowny w instalacji, ale zwrócił się dzięki zmniejszeniu wskaźnika defektów o 1,2% w ciągu sześciu miesięcy – to ogromne liczby w przypadku produkcji.

Ważnym niuansem jest obsługa. Każdy, nawet najdoskonalszy system ulega zapchaniu. Jeżeli dostęp do filtrów lub kanałów wentylacyjnych wymaga zatrzymania pieca na jeden dzień, jest to niedopuszczalne. Konstrukcja powinna umożliwiać obsługę w oknach międzycyklicznych, 4-8 godzin. Kiedyś uwzględniliśmy w projekcie system z poziomymi, wysuwanymi kasetami filtracyjnymi – zaoszczędziliśmy miejsce, ale potem okazało się, że do ich wymiany potrzebna była specjalna ładowarka, której nie mieliśmy w warsztacie. Musiałem go przerobić na pionową, z prostej drabiny.

Integracja procesów: widok operatora

Z punktu widzenia osoby obsługującej piec, instalacja nie powinna generować niepotrzebnego hałasu i wibracji. Wibracja jest wrogiem pojedynczego kryształu. Kiedyś na wspólnej płycie z fundamentem pieca umieścili potężny wentylator - mikrowibracje przeniosły się przez podstawę, a na kryształach konsekwentnie pojawiały się paski. Musieliśmy wykonać niezależny, wibroizolowany fundament pod instalację wentylacyjną. Wydawałoby się, że to drobnostka, ale nie znajdziesz jej w warunkach referencyjnych.

Kolejnym aspektem jest zarządzanie. Nowoczesne instalacje do uprawy kryształów są w pełni zautomatyzowane. Idealny, gdy systemusuwanie kurzujest również wbudowany w ten obwód i reguluje moc ssania w zależności od etapu procesu: bardziej intensywny podczas załadunku i rozładunku, minimalny przepływ podczas wzrostu ciała kryształu. Ale taka integracja zawsze wiąże się z ryzykiem. Jeśli algorytm zawiedzie i w krytycznym momencie wygeneruje nadmierny ciąg, możesz stracić kulę. Dlatego zawsze mamy ręczny obwód rezerwowy, a operatorzy są przeszkoleni w zakresie jego używania.

Tu swoją drogą przydaje się doświadczenie firm zajmujących się skomplikowanymi urządzeniami przemysłowymi wraz z układami sterowania. Wiem toFirma LOGI, posiadająca poważne zaplecze produkcyjne i inżynieryjne (ponad 1200 pracowników, z których większość ma wyższe wykształcenie), jest w stanie dokładnie opracować tak złożone rozwiązania. Ich strona internetowahttps://www.ljmagnet.ruodzwierciedla skalę działalności, choć może nie dotyczy bezpośrednio krzemu - ale zasady budowy niezawodnych systemów przemysłowych są uniwersalne.

Ekonomia problemu: wszystko trzeba policzyć

Koszt systemu może być wysoki, a finansiści zawsze pytają o zwrot z inwestycji. Najprostszą kalkulacją jest zapobieganie małżeństwu. Ale są też mniej oczywiste oszczędności. Np. wydłużenie żywotności drogich grzejników i izolacji pieców, które ulegają zniszczeniu pod wpływem przewodzącego pyłu (tego samego węgla). Lub zmniejszenie kosztów czyszczenia i konserwacji samego systemu próżniowego, jeśli piec pracuje w próżni.

Mieliśmy przypadek, gdy po wprowadzeniu skutecznego odpylania na etapie załadunku udało nam się wydłużyć okresy międzyobsługowe pomp próżniowych o prawie 30%. Oznacza to bezpośrednią oszczędność oleju, filtrów i kosztów robocizny. Liczby te już przekonują zarząd lepiej niż jakiekolwiek argumenty technologiczne.

Ale jest też minus - zużycie energii. Mocne wentylatory i ogrzewanie/chłodzenie powietrza w systemie to kilowaty. Nowoczesne systemy z odzyskiem ciepła i silnikami o zmiennej prędkości pozwalają obniżyć koszty. Ale ich realizacja to kolejna runda inwestycji kapitałowych. Trudno jest znaleźć równowagę.

Spojrzenie w przyszłość: co się zmieni

Trend jest oczywisty – całkowita automatyzacja i cyfryzacja. Myślę, że wkrótce doczekamy się systemów, które w czasie rzeczywistym będą monitorować nie tylko ilość pyłu, ale także jego skład (analiza spektrometryczna porwanych cząstek) i dostosowują parametry ssania, a nawet ostrzegają o konieczności serwisowania konkretnego urządzenia, z którego występuje zwiększona emisja pyłu. To będzie kolejny poziom integracji.

Kolejnym obszarem są materiały. Pojawienie się nowych, trwalszych i selektywnych materiałów filtracyjnych, prawdopodobnie opartych na membranach, które zatrzymują jedynie cząstki stałe o określonej wielkości, nie powodując przy tym dużych oporów przepływu. Zmniejszy to koszty energii.

Ostatecznieurządzenia do usuwania pyłu podczas krystalizacji krzemu monokrystalicznegonie będzie już postrzegany jako „zło konieczne” ani jako koszt. Stanie się tym samym modułem technologicznym co układ kontroli średnicy czy temperatury. A jego skuteczność będzie miała bezpośredni wpływ na kluczowy wskaźnik - wydajność, koszt wafla. A w naszej branży, jak wiemy, zwycięzcą jest ten, kto kontroluje każdy najdrobniejszy szczegół. Nawet drobinka kurzu niewidoczna dla oka.