หน่วยปฏิกิริยาเตียงเหลวประสิทธิภาพสูง สําหรับการผลิตซิลิคอนความบริสุทธิ์สูงอย่างต่อเนื่อง

ความต้องการโพลีซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงทั่วโลก ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) และเซมิคอนดักเตอร์ ต้องการวิธีการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานน้อยกว่า ในขณะที่กระบวนการซีเมนส์แบบแบทช์แบบดั้งเดิมยังคงแพร่หลาย แต่อุตสาหกรรมก็กำลังเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบต่อเนื่อง (FBR). ระบบ FBR ใช้การสลายตัวด้วยความร้อนของก๊าซไซเลน (SiH4) หรือไตรคลอโรไซเลน (SiHCl3) บนฟลูอิไดซ์เบดของอนุภาคเมล็ดพืช ช่วยลดการใช้พลังงานได้สูงสุดถึง 80% และทำให้เกิดกระบวนทัศน์การผลิตอัตโนมัติที่ต่อเนื่อง

การผลิตโพลีซิลิคอนแบบเม็ดภายใน FBR อาศัยไพโรไลซิสด้วยความร้อนต่างกันของก๊าซโมโนไซเลน (SiH4) ปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานแสดงเป็น:

ในเครื่องปฏิกรณ์แบบแอคทีฟ ก๊าซไซเลนจะถูกผสมกับก๊าซตัวพา (โดยทั่วไปคือไฮโดรเจน) และฉีดเข้าไปในด้านล่างของห้องเครื่องปฏิกรณ์ กระแสก๊าซไหลผ่านอนุภาคเมล็ดซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูง เมื่ออุณหภูมิสูงถึงโซนปฏิกิริยา (600C ถึง 700C) ก๊าซไซเลนจะแตกตัว และสะสมซิลิคอนธาตุบริสุทธิ์ลงบนพื้นผิวของเม็ดบีดแขวนลอยโดยตรง

การสะสมอย่างต่อเนื่องนี้ทำให้แกรนูลมีขนาดใหญ่ขึ้นจนกว่าจะถึงน้ำหนักเป้าหมาย ซึ่ง ณ จุดนี้พวกมันจะเอาชนะความเร็วของฟลูอิไดเซชันและจมลงที่ด้านล่างของถังเพื่อการเก็บเกี่ยวอย่างต่อเนื่อง

ปัจจัยขับเคลื่อนหลักเบื้องหลังการนำเทคโนโลยี FBR มาใช้สำหรับซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงคือประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์และรูปแบบการปฏิบัติงานที่ต่อเนื่อง ซึ่งแตกต่างกับกระบวนการแบบเดิมของ Siemens ในที่นี้

เพื่อรักษาการทำงานที่ต่อเนื่องและต่อเนื่อง การออกแบบ FBR จะต้องปรับความเร็วของก๊าซให้สมดุลกับการกระจายน้ำหนักของอนุภาคได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ความเร็วของก๊าซต้องได้รับการบำรุงรักษาอย่างแม่นยำระหว่างความเร็วฟลูอิไดเซชันขั้นต่ำ (umf) และความเร็วปลาย (ut) ของเบดแบบละเอียด ความสัมพันธ์นี้ป้องกันโหมดความล้มเหลวร้ายแรงสองโหมด:

1. การทาบทาม/การแชนเนล:เกิดขึ้นเมื่อความเร็วของก๊าซกระจายได้ไม่ดี ส่งผลให้ฟองก๊าซทะลุอนุภาคของเมล็ดพืช ซึ่งจะทำให้การสะสมไอสารเคมี (CVD) มีประสิทธิภาพ

2. ขึ้นรถไฟ:เกิดขึ้นเมื่อความเร็วของก๊าซเกิน ut โดยบังเอิญพัดอนุภาคเมล็ดละเอียดอันมีค่าออกจากไอเสียด้านบนก่อนที่จะเติบโต

ซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์ต้องมีโปรไฟล์ความบริสุทธิ์ 99.999999999% (ความบริสุทธิ์ 11N) ที่อุณหภูมิการทำงานสูงกว่า 600C ผนังเครื่องปฏิกรณ์โลหะมาตรฐานจะชะเหล็ก โครเมียม และนิกเกิลเข้าไปในเมทริกซ์ซิลิคอน ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของตัวมันเสียหาย

เพื่อให้บรรลุการกักกันการปนเปื้อนเป็นศูนย์:

• ไลเนอร์:โซนปฏิกิริยาถูกห่อหุ้มไว้ภายในปลอกด้านในที่มีความบริสุทธิ์สูงควอตซ์ (SiO2)หรือหนาแน่นมากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC).

• ม่านแก๊ส:ม่านก๊าซไฮโดรเจนเฉื่อยหรือบริสุทธิ์จะถูกเก็บรักษาไว้ในพื้นที่วงแหวนระหว่างซับด้านในและเปลือกภาชนะรับความดันด้านนอก เพื่อปกป้องกระบวนการจากการสัมผัสโลหะ

การดำเนินงานต่อเนื่องทำให้เกิดความท้าทายทั้งทางกลและกายภาพที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งจำเป็นต้องมีกลยุทธ์ทางวิศวกรรมเชิงป้องกัน:

• การทับถมของผนัง (เปลือกโลกอสัณฐาน):ไซเลนสามารถสลายตัวก่อนเวลาอันควรบนผนังเครื่องปฏิกรณ์ร้อน แทนที่จะสลายตัวบนอนุภาคเมล็ดพืช แจ็คเก็ตระบายความร้อนแบบพิเศษทำให้ผนังเครื่องปฏิกรณ์ด้านนอกต่ำกว่าเกณฑ์ปฏิกิริยาวิกฤตเล็กน้อย ขณะเดียวกันก็ทำให้แกนเบดได้รับความร้อนผ่านอาร์เรย์ทำความร้อนแบบไมโครเวฟหรืออินฟราเรดเฉพาะที่

• การสร้างค่าปรับ:นิวเคลียสที่เป็นเนื้อเดียวกันอาจทำให้ไซเลนสลายตัวโดยตรงในเฟสก๊าซ ทำให้เกิดฝุ่นซิลิคอนที่มีขนาดเล็กพิเศษ แทนที่จะเป็นการเคลือบแบบเม็ด การลดพื้นที่ก๊าซว่างใต้โซนฟลูอิดเบดให้เหลือน้อยที่สุดจะควบคุมปรากฏการณ์นี้

• การเพาะเมล็ดอย่างต่อเนื่อง:เพื่อสร้างสมดุลในการเก็บเกี่ยวเม็ดบีดจำนวนมากจากด้านล่างอย่างต่อเนื่อง เครื่องป้อนขนาดเล็กอัตโนมัติที่ด้านบนจะฉีดอนุภาคเมล็ดซิลิกอนขนาดเล็กเข้าสู่ระบบอย่างต่อเนื่องโดยไม่ทำให้แรงดันภายในลดลง

ถาม: เหตุใดซิลิคอนแบบเม็ดจาก FBR จึงเลือกใช้ในการดึงคริสตัลสุริยะ

ตอบ: ซิลิคอนที่เป็นเม็ดจะไหลได้ง่ายเหมือนของเหลว ทำให้เหมาะสำหรับกระบวนการเจริญเติบโตของผลึก Czochralski (CCZ) อย่างต่อเนื่อง ช่วยให้สามารถเติมวัตถุดิบในถ้วยใส่ตัวอย่างได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องทำให้เตาเผาเย็นลง ส่งผลให้ปริมาณงานในโรงงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ถาม: อะไรคือสาเหตุหลักของการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนในระบบ FBR

ตอบ: การอุดตันของหัวฉีดเนื่องจากการสลายไซเลนก่อนกำหนดที่จุดฉีดเป็นสาเหตุหลัก การออกแบบที่ทันสมัยใช้หัวฉีดระบายความร้อนด้วยน้ำหรือน้ำมันเพื่อให้ก๊าซไซเลนเย็นจนถึงช่วงเวลาที่ตรงกับเตียงของเหลวที่ให้ความร้อน

ถาม: เทคโนโลยี FBR สามารถเข้าถึงความบริสุทธิ์ 11N (เกรดเซมิคอนดักเตอร์) ได้หรือไม่

ก. ใช่. ในอดีต FBR ต่อสู้กับการปนเปื้อนของฝุ่นละเอียดและการชะล้างของไลเนอร์ โดยจำกัดไว้ที่ระดับแสงอาทิตย์ (9N) อย่างไรก็ตาม ด้วยก๊าซฟลูอิไดเซชันบริสุทธิ์พิเศษที่ทันสมัยและไลเนอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ขั้นสูง ระบบ FBR จึงสามารถบรรลุข้อกำหนดเกรดเซมิคอนดักเตอร์ 11N ได้สำเร็จ

เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบต่อเนื่องแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในการผลิตซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ด้วยการเพิ่มไดนามิกของมวลและการถ่ายเทความร้อนที่มีอยู่ในเมทริกซ์อนุภาคฟลูอิไดซ์ ระบบ FBR จะลดความต้องการพลังงานในการผลิตลงเหลือเพียงเศษเสี้ยวของระดับดั้งเดิม ในขณะเดียวกันก็ให้ผลผลิตแบบเม็ดที่มีความต้องการสูง ในขณะที่วัสดุศาสตร์แก้ไขอุปสรรคการปนเปื้อนแบบเก่า สถาปัตยกรรม FBR ก็พร้อมที่จะครองห่วงโซ่อุปทานอิเล็กทรอนิกส์และพลังงานหมุนเวียนทั่วโลก