راکتورهای بستر مایع با کارایی بالا برای تولید مداوم سیلیکون با پاکیزه بالا

تقاضای جهانی برای پلی سیلیکون با طهارت بالا، که پایه و اساس صنایع فتوولتائیک (PV) و نیمه هادی است، نیازمند روش های تولید بسیار کارآمد و کم انرژی است.در حالی که فرآیند سنتی مبتنی بر دسته گیری زیمنس همچنان گسترده است، صنعت به سرعت به سمتتکنولوژی راکتور بستر مایع (FBR)سیستم های FBR از تجزیه حرارتی گاز سیلان (SiH4) یا تری کلروسیلان (SiHCl3) بر روی بستر مایع ذرات دانه استفاده می کنند.کاهش مصرف انرژی تا 80٪ و امکان، الگوی تولید خودکار.

تولید پلی سیلیکون دانه ای در یک FBR بر روی پیرولیز حرارتی ناهمگن گاز مونوسیلان (SiH4) متکی است. واکنش شیمیایی اساسی به صورت زیر بیان می شود:

در یک راکتور فعال، گاز سیلان با یک گاز حامل (معمولا هیدروژن) مخلوط می شود و به پایین اتاق راکتور تزریق می شود.جریان گاز از طریق یک بستر از ذرات دانه سیلیکون با خلوص بالا عبور می کندهنگامی که دمای منطقه واکنش (600C تا 700C) را به دست می آورد، گاز سیلان تجزیه می شود و سیلیکون اولیه خالص را مستقیماً بر روی سطوح دانه های مهار شده قرار می دهد.

این رسوب مداوم باعث می شود که دانه ها تا زمانی که به وزن مورد نظر برسند، در اندازه رشد کنند.در آن نقطه آنها غلبه بر سرعت مایع سازی و غرق به پایین ظرف برای برداشت مداوم.

محرک اصلی استفاده از فناوری FBR برای سیلیکون با خلوص بالا بهره وری ترمودینامیکی و مشخصات عملیاتی مداوم آن است که در اینجا با فرآیند میراث زیمنس متضاد است.

برای حفظ عملکرد پیوسته و بدون وقفه، طراحی FBR باید سرعت گاز را با توزیع وزن ذرات به طور کامل متعادل کند.

سرعت گاز باید با دقت بین حداقل سرعت مایع سازی (uf) و سرعت پایانی (ut) بستر دانه دار حفظ شود. این رابطه از دو حالت شکست شدید جلوگیری می کند:

1. ضربه زدن/توليد:هنگامی که سرعت گاز به طور ضعیف توزیع می شود، باعث می شود که حباب های گاز ذرات دانه را دور بزنند، که رسوب بخار شیمیایی کارآمد (CVD) را متوقف می کند.

2. آموزش:هنگامی که سرعت گاز از ut بیشتر می شود، به طور تصادفی ذرات دانه های با ارزش را از گاز خروجی بالا قبل از رشد آنها بیرون می کشد.

سیلیکون درجه نیمه هادی نیاز به مشخصات خلوص 99.999999999% (11N خلوص) دارد. در دماهای عملیاتی بالاتر از 600C، دیواره های راکتور فلزی استاندارد آهن، کروم،و نیکل در ماتریس سیلیکون، و خواص الکترونيکي اش رو خراب ميکنه

برای رسیدن به غلبه بر آلودگی صفر:

• پوشش:منطقه واکنش درون یک پوشش داخلی با خالصیت بالا قرار دارد.کوارتز (SiO2)یا فوق ضخیمسیلیکون کارباید (SiC).

• پرده گاز:یک پرده گاز هیدروژن بی اثر یا خالص در فضای حلقه ای بین پوشش داخلی و پوسته ظرف فشار خارجی نگهداری می شود، که فرآیند را از تماس فلزی محافظت می کند.

عملیات مستمر چالش های مکانیکی و فیزیکی منحصر به فرد را ایجاد می کند که نیاز به استراتژی های مهندسی پیشگیرانه دارد:

• رسوب دیوار (قشر آمورفوس):سیلان می تواند قبل از زمان بر روی دیواره های راکتور داغ به جای ذرات دانه تجزیه شود.ژاکت های خنک کننده تخصصی دیوارهای بیرونی راکتور را کمی زیر آستانه واکنش بحرانی نگه می دارند در حالی که هسته بستر را از طریق مایکروویو محلی یا مجموعه های گرمایشی مادون قرمز گرم می کنند.

• نسل جریمه:هسته سازی همگن می تواند باعث شود سیلان به طور مستقیم در فاز گازی تجزیه شود و گرد و غبار سیلیکون فوق العاده نازک را به جای پوشش های دانه ای تشکیل دهد.به حداقل رساندن فضای آزاد گاز زیر منطقه بستر مایع کنترل این پدیده.

• تخم ریزی مستمر:برای تعادل برداشت مداوم دانه های سنگین از پایین،یک مایکرو تغذیه خودکار در بالا به طور مداوم ذرات دانه سیلیکون کوچک را بدون کاهش فشار داخلی وارد سیستم می کند.

س: چرا سیلیکون دانه ای از یک FBR برای کشیدن کریستال خورشیدی ترجیح داده می شود؟

ج: سیلیکون دانه ای به راحتی مانند یک مایع جریان می یابد، که آن را برای روند رشد کریستالی Czochralski (CCZ) ایده آل می کند.این اجازه می دهد که خمیرها به طور مداوم با مواد اولیه بدون خنک کردن کوره پر شود، به شدت افزایش تولید کارخانه.

سوال: علت اصلی توقف برنامه ریزی نشده در یک سیستم FBR چیست؟

A: انسداد نوزل به دلیل تجزیه حرارتی زودرس سیلان در نقاط تزریق علت اصلی است.طرح های مدرن از نوزل های تزریقی که با آب یا روغن خنک می شوند استفاده می کنند تا گاز سیلان تا زمانی که به بستر مایع گرم برسد خنک شود.

س: آیا تکنولوژی FBR می تواند به 11N (درجه نیمه هادی) برسد؟

پاسخ: بله. در گذشته، FBR با آلودگی گرد و غبار ظریف و لوله کشی پوشش مبارزه می کرد و آن را به درجه های خورشیدی (9N) محدود می کرد.با گازهای فرسایش بسیار خالص مدرن و پوشش های پیشرفته کربید سیلیکون، سیستم های FBR می توانند با موفقیت مشخصات 11N نیمه هادی را به دست آورند.

رآکتورهای بستر مایع شده مستمر نشان دهنده تغییر پارادایم در ساخت سیلیکون با خالصیت بالا هستند. با به حداکثر رساندن پویایی انتقال جرم و گرما که در ماتریس های ذرات مایع شده وجود دارد،سیستم های FBR نیاز به انرژی تولید را به بخش کوچکی از سطوح قدیمی کاهش می دهند در حالی که تولید دانه ای با تقاضای بالا را تولید می کننددر حالی که علم مواد موانع قدیمی آلودگی را حل می کند، معماری FBR آماده است تا بر زنجیره های جهانی الکترونیک و تامین انرژی تجدید پذیر تسلط داشته باشد.