Equipamento para remoção de poeira durante o processo de cristalização de silício monocristalino

Quando eles falam sobreequipamento de remoção de poeirano contexto do cultivo de um único cristal, muitos imaginam imediatamente apenas exaustores ou ciclones em algum lugar na periferia da oficina. Este é talvez o equívoco mais comum. Na verdade, se você já viu como, devido a uma partícula microscópica no limite de fase, uma agregação de discordâncias começou e toda a bola foi desperdiçada, você entende que a remoção de poeira não é um sistema auxiliar, mas uma parte da tecnologia de cristalização. Especialmente em nossas condições russas, onde as oficinas muitas vezes não são novas e os requisitos para a pureza do silício aumentam a cada ano.

Onde está o problema: não para onde eles estão olhando

O principal desafio não é nem mesmo a própria poeira no ar da área de trabalho, embora isto seja crítico. A principal fonte de risco é a formação secundária de poeira proveniente do próprio equipamento e de processos auxiliares. Por exemplo, ao carregar polissilício em um cadinho, durante a operação de mecanismos de elevação e rotação, mesmo ao substituir aquecedores. Partículas de grafite, restos de filmes de óxido, desgaste abrasivo de guias - tudo isso voa para a zona quente. A ventilação geral padrão é impotente aqui; é necessária ventilação local e integrada ao próprio processo.

Ao mesmo tempo, tentamos adaptar sistemas de metalurgia leve - não funcionou. O regime de temperatura em torno do forno Czochralski é específico: fluxos de calor poderosos, convecção, campos magnéticos (se for usada magnetização). O exaustor não deve perturbar o quadro de temperatura no menisco, caso contrário o cristal começará a “brincar”. Tive que equilibrar o poder de sucção e a insolação. Vários lotes saíram com maior teor de oxigênio até que a geometria e a localização das entradas de ar fossem selecionadas.

A propósito, sobre campos magnéticos. Se o sistema utilizar equipamento para aquecimento por indução ou fusão por zona sem cadinho, os elementos metálicos dos caminhos de coleta de pó podem afetar a configuração do campo. Este é um ponto sutil que os projetistas de ventilação muitas vezes esquecem. Tive que consultar especialistas que se aprofundam no tema de sistemas eletromagnéticos, por exemplo, engenheiros deCorporação LONGI. Sua experiência no projeto de equipamentos de mineração e eletromagnéticos mostrou-se útil na compreensão da interação de campos e estruturas.

Soluções específicas e suas armadilhas

Agora o padrão da indústria está introduzindo gradualmente sistemas com fluxo laminar, encerrando a zona de crescimento. Mas nem tudo é tranquilo aqui também. Os materiais de filtro são uma história diferente. Para a fase final, filtros HEPA, claro, mas antes deles precisam de uma pré-limpeza eficaz, caso contrário serão trocados todas as semanas. Testamos uma solução com precipitadores eletrostáticos, mas nos deparamos com o problema do ozônio - este é um gás ativo indesejável para o silício. Eles recusaram.

Um dos projetos relativamente bem-sucedidos que vi em funcionamento foi construído com base no princípio da sucção de circuito duplo. O primeiro circuito é uma sucção de baixa velocidade diretamente sob a carcaça do forno, capturando grandes quantidades de poeira e calor. A segunda é a purificação fina do ar fornecido ao teto laminar acima da área de trabalho. A chave era separar esses fluxos e evitar que o ar “sujo” do circuito primário se cruzasse em qualquer lugar com o segundo. O esquema é complexo e caro de instalar, mas se pagou reduzindo a taxa de defeitos em 1,2% em seis meses – números enormes para a produção.

Uma nuance importante é o serviço. Qualquer sistema, mesmo o mais perfeito, fica entupido. Se o acesso a filtros ou dutos de ar exigir a parada do forno por um dia, isso é inaceitável. O projeto deve permitir atendimento em janelas entre ciclos, de 4 a 8 horas. Certa vez incluímos no projeto um sistema com cassetes de filtro retráteis horizontais - economizamos espaço, mas descobrimos que para substituí-los precisávamos de um carregador especial, que não tínhamos na oficina. Tive que convertê-la para vertical, a partir de uma simples escada.

Integração de processos: a visão de um operador

Do ponto de vista de quem está no fogão, o sistema não deve criar ruídos ou vibrações desnecessárias. A vibração é inimiga de um único cristal. Assim que colocaram um ventilador potente em uma placa comum com a base do forno - microvibrações foram transmitidas através da base e listras apareceram consistentemente nos cristais. Tivemos que fazer uma base independente com isolamento de vibração para o sistema de ventilação. Pareceria uma coisa pequena, mas você não encontrará nos termos de referência.

Outro aspecto é a gestão. As modernas plantas de cultivo de cristais são totalmente automatizadas. Ideal quando o sistemaremoção de poeiratambém está embutido neste circuito e regula a potência de sucção dependendo da etapa do processo: mais intensa durante a carga e descarga, vazão mínima durante o crescimento do corpo cristalino. Mas essa integração é sempre um risco. Se o algoritmo falhar e criar impulso excessivo em um momento crítico, você poderá perder a bola. Portanto, sempre temos um circuito reserva manual e os operadores são treinados para utilizá-lo.

Aqui, aliás, a experiência de empresas que lidam com equipamentos industriais complexos com sistemas de controle é útil. eu sei dissoCorporação LONGI, com sua séria base de produção e engenharia (mais de 1.200 funcionários, a maioria dos quais com ensino superior), é precisamente capaz de desenvolver soluções tão complexas. O site deleshttps://www.ljmagnet.rureflete a escala da atividade, embora possa não ser diretamente sobre o silício - mas os princípios de construção de sistemas industriais confiáveis são universais.

Economia da questão: tudo deve ser contado

O custo do sistema pode ser alto e os financiadores sempre perguntam sobre o ROI. O cálculo mais simples é através do casamento evitado. Mas também existem poupanças menos óbvias. Por exemplo, prolongando a vida útil de aquecedores caros e isolamentos de fornos, que são destruídos sob a influência de poeira condutora (o mesmo carbono). Ou reduzindo o custo de limpeza e manutenção do próprio sistema de vácuo se o forno estiver operando sob vácuo.

Tivemos um caso em que, após introduzir uma remoção eficaz de poeira na fase de carregamento, conseguimos aumentar o intervalo de manutenção das bombas de vácuo em quase 30%. Isto representa uma economia direta em óleo, filtros e custos de mão de obra. Estes números já convencem melhor a gestão do que quaisquer argumentos tecnológicos.

Mas também há uma desvantagem: o consumo de energia. Ventiladores potentes e aquecimento/resfriamento do ar no sistema equivalem a quilowatts. Sistemas modernos com recuperação de calor e motores de velocidade variável ajudam a reduzir custos. Mas a sua implementação representa outra ronda de investimento de capital. O equilíbrio é difícil de encontrar.

Um olhar para o futuro: o que vai mudar

A tendência é óbvia – automação e digitalização total. Acredito que em breve veremos sistemas que monitorem em tempo real não só o volume de poeira, mas também sua composição (análise espectrométrica de partículas arrastadas), e ajustem os parâmetros de sucção ou mesmo alertem sobre a necessidade de manutenção em determinado equipamento onde há aumento de emissão de poeira. Este será o próximo nível de integração.

Outra área são os materiais. O surgimento de novos materiais filtrantes mais duráveis ​​e seletivos, possivelmente baseados em membranas, que reterão apenas partículas sólidas de um determinado tamanho sem criar muita resistência ao fluxo. Isto reduzirá os custos de energia.

Em última análise,equipamento para remoção de poeira durante a cristalização de silício monocristalinodeixarão de ser vistos como um “mal necessário” ou como um item de despesa. Será o mesmo módulo tecnológico de um sistema de controle de diâmetro ou temperatura. E sua eficácia afetará diretamente o indicador-chave - o rendimento, o custo do wafer. E no nosso negócio, como sabemos, o vencedor é aquele que controla cada pequeno detalhe. Até mesmo uma partícula de poeira invisível aos olhos.