Puhtausongelma optisten kuitujen valmistuksessa on rehellisesti julmempi kuin useimmat ihmiset ymmärtävät. Puhumme kontaminaatiotasoista, joiden on oltava alle 1 ppb metalli-ioneille-, ja jos työskentelet täysiaaltoisten-optisten kuitujen kanssa, OH-ionien tarve putoaa lähes järjettömään 0,8 ppb:hen. Vakiopuhdistettu SiCl₄ ja GeCl₄ eivät vain leikkaa sitä, eivät edes lähelle.
Miksi höyrynpaineella on tässä väliä
Joten tässä on kysymys kaikista näistä esimuotoprosesseista-MCVD, PCVD, VAD, OVD-ne kaikki perustuvat höyryfaasipinnoitukseen. Mutta se, mikä todella tekee tästä puhdistuksesta työtä, ei ole vain saostuminen itse. Se on selektiivistä höyrystystä, joka tapahtuu ennen kuin materiaalit pääsevät edes reaktioalueelle.
Kuvittele kuplapullo, joka istuu siellä esimerkiksi 55 asteessa SiCl4:lle (kiehumispiste 57,6 astetta). Neste haihtuu jatkuvasti luoden tämän höyrynpaineen P1 pinnan yläpuolelle, kun taas ilmakehän paine P2 painaa alas. Kun nämä paineet tasoittuvat P3:ssa, osut siihen, mitä kutsumme kylläiseksi höyrynpaineeksi. Kuumenna sitä hieman enemmän ja P₁ ylittää P₂-enemmän molekyylejä hyppää kaasufaasiin. Jäähdytä se, kondensaatio valtaa.
Tämän kauneus? Useimmilla metalliepäpuhtauksilla on kiehumispisteet paljon korkeammat kuin SiCl4 tai GeCl4 (joka kiehuu 83,1 asteessa). Ne vain istuvat nestefaasissa, kun puhdas aines höyrystyy. Esimerkiksi rautakontaminaatio voi pudota 20 ppb:stä 1 ppb:iin pelkästään tämän prosessin ansiosta. Se on 20-kertainen vähennys ilman monimutkaista kemiallista käsittelyä.
MCVD:n ottaminen materiaalitoimituksesta
MCVD-järjestelmissä korkean{0}}puhtaushappi virtaa MFC:n läpi kuplapulloon. Se toimii kantokaasuna ja pyyhkäisee kylläisen höyryn syöttölinjojen läpi kvartsiputkeen, jossa tapahtuu varsinainen taika-kemiallinen höyryreaktio ja kerros-kerrossaostumalla-sisäseinään.
Lämpötilan säätö täällä on nihkeää. Liian kuuma, ja alat höyrystää epäpuhtauksia. Liian kylmä, etkä saa tarpeeksi materiaalivirtaa. Makea paikka on tyypillisesti muutaman asteen kiehumispisteen alapuolella, mikä ylläpitää tasapainoa, jossa saat maksimaalisen puhtaan höyryn ilman, että joudut alueelle, jossa epäpuhtaudet alkavat tulla matkaan.
OVD ja VAD: eri geometria, sama fysiikka
OVD- ja VAD-prosessit käsittelevät asioita eri tavalla ulkoisen talletusasetuksensa vuoksi. Sen sijaan, että yksi kuplapullo syöttäisi putkeen, sinulla on useita kaasuvirtoja -O₂, H₂, Ar- sekä SiCl₄- ja GeCl₄-höyryt, jotka kaikki tulevat ulos erillisistä polttimen suuttimista.
Nämä järjestelmät itse asiassa lämmittävät raaka-aineet niiden kiehumispisteiden yläpuolelle oikeanlaisten kaasuvirtojen luomiseksi. SiCl₄ työntyy yli 57,6 astetta, GeCl₄ yli 83,1 astetta. Mutta-ja tämä on ratkaisevan tärkeää,-lämpötila pysyy silti selvästi epäpuhtauksien kiehumispisteiden alapuolella. Joten saat edelleen tuon tislausvaikutuksen, vain aggressiivisemmassa kokoonpanossa. Polttimen asennus vaatii sitä, koska tarvitset määriteltyjä kaasusuihkuja, ei vain virtana kuljetettua höyryä.
Tulos? Aihiot nokihiukkaset, joiden puhtausaste on nykyaikaisten kuitujen vaatima.
Epäpuhtausongelma Kukaan ei puhu tarpeeksi
Metalli-ionit ovat ilmeisiä roistoja. Rauta, kromi, kupari-ne absorboivat valoa ja aiheuttavat hävikkiä. Mutta OH-ionit ovat huimia. Ne luovat absorptiohuippuja tietyillä aallonpituuksilla, erityisesti noin 1383 nm:llä, mikä historiallisesti loi "vesihuipun", joka pakotti varhaiset kuitujärjestelmät välttämään tiettyjä aallonpituusikkunoita kokonaan.
Full{0}}wave kuitu muutti pelin vaatimalla alle 1 ppb OH-sisältöä, ja rehellisesti sanottuna siihen pääseminen vaati koko materiaalinkäsittelyketjun uudelleen miettimistä. Kyse ei ole enää vain kuplapullon lämpötilasta. Jokaisesta venttiilistä, jokaisesta linjasta ja jokaisesta tiivisteestä toimitusjärjestelmässä tulee mahdollinen kontaminaatiolähde.
Voit saada täydellisen tislauksen kuplapullossa ja silti päätyä kohonneeseen OH-arvoon, jos siellä on pieni vuoto, joka päästää kosteutta jakelulinjoihin. Tästä syystä kuituaihioiden valmistuslaboratoriot näyttävät puolijohdepuhdastiloista-, koska näillä puhtausasteilla ne periaatteessa ovat sitä.
Lämpötilagradientit ja valikoiva höyrystys
On olemassa toissijainen puhdistusvaikutus, johon ei kiinnitetä tarpeeksi huomiota: lämpögradienttierottelu. Jopa itse kuplapullossa esiintyy lämpötilavaihteluita. Nestepinta on kuumin, kun taas pullon seinämien lähellä olevat alueet voivat olla astetta tai kaksi viileämpää.
Tämä luo mikro-konvektiovirtoja, jotka todella auttavat keskittymään epäpuhtaudet kylmemmille alueille, kun taas puhdas materiaali ensisijaisesti höyrystyy lämpimämmältä pinnalta. Se on pieni vaikutus, ehkä 10-15 % kokonaispuhdistuksesta, mutta kun tavoittelet ppb-tason puhtautta, jokaisella on merkitystä.
Jotkut järjestelmät jopa käyttävät tarkoituksellisesti vaiheittaisia lämpötilavyöhykkeitä toimituslinjoissaan useiden tislausvaiheiden luomiseksi. Höyry tiivistyy hetken viileämmässä kohdassa ja höyrystyy sitten uudelleen-seuraavassa kuumennetussa vyöhykkeessä jättäen jälkeensä joka kerta toisen kerroksen epäpuhtauksia.
Mitä numerot todellisuudessa tarkoittavat
Kun sanomme "alle 1 ppb metalli-ioneja", puhumme yhdestä osasta 10⁹:ssa. Jos sinulla olisi uima-allas täynnä SiCl₄, yksi ppb vastaisi vähemmän kuin yksi pisara kontaminanttia.
Analyyttiset tekniikat puhtauden mittaamiseksi jopa näillä tasoilla-ICP-MS, GDMS-ovat tarpeeksi kehittyneitä, jotta näytteiden käsittelystä tulee oma haaste. Voit kontaminoida näytteesi mittauksen aikana, jos et ole varovainen.
Ja tässä on turhauttava osa: 0,8 ppb OH:n saavuttaminen täydessä-aaltokuidussa ei vaadi vain raaka-aineiden puhdistamista, vaan koko prosessin ilmakehän hallintaa. Jopa ultra-puhtaassa typessä voi olla vähän kosteutta. Jopa "kuiva" happi sylintereistä ei ole tarpeeksi kuivaa. Vakavammissa aihioissa käytetään omia kaasunpuhdistusjärjestelmiään vain vaatimusten täyttämiseksi.
Materiaalivirtauksen dynamiikka
Todellinen virtausnopeus näiden kuplapullojen läpi vaihtelee saostusprosessin ja haluttujen seostustasojen mukaan. MCVD saattaa käyttää suhteellisen alhaisia virtausnopeuksia, koska kerrostumat pienelle sisäpinnalle. Ulkoinen OVD-pinnoitus kuluttaa materiaalia nopeammin, koska keräät nokipullia, jonka halkaisija voi olla useita tuumaa.
Tämä virtausnopeus vaikuttaa kuplapullon tasapainoon. Suuremmat vetonopeudet voivat itse asiassa jäähdyttää nestettä haihtuvan jäähdytyksen avulla, mikä edellyttää aktiivista lämpötilan kompensointia tasaisen höyrynpaineen ylläpitämiseksi. Joissakin järjestelmissä käytetään lämmitettyjä syöttölinjoja kondensaation estämiseksi, vaan myös höyryfaasin koostumuksen aktiiviseen säätelyyn valikoivan kondensaation ja uudelleenhöyrystymisen avulla.
Suunnittelu monimutkaistaa nopeasti, minkä vuoksi luultavasti useimmat paperit keskittyvät yksinkertaiseen höyrynpaineen tasapainoon ja kiiltävät dynaamisia vaikutuksia.
Koko järjestelmä on periaatteessa jatkuva tislauskolonni, joka toimii suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa hyödyntäen sitä tosiasiaa, että pii- ja germaniumtetrakloridit ovat haihtuvia, kun taas niiden epäpuhtaudet eivät ole. Periaatteessa yksinkertainen, painajaismainen toteutus, kun jahtaat 0,8 ppb OH:ta täysaaltokuituaihiossa.
