Tīrības problēma optisko šķiedru ražošanā ir patiesi brutālāka, nekā vairums cilvēku saprot. Mēs runājam par piesārņojuma līmeņiem, kam metāla joniem ir jābūt mazākam par 1 ppb-, un, ja strādājat ar pilna-viļņu optiskām šķiedrām, OH jonu nepieciešamība samazinās līdz gandrīz absurdam 0,8 ppb. Standarta attīrīts SiCl₄ un GeCl₄ to vienkārši nesagriež, pat ne tuvu.
Kāpēc tvaika spiedienam šeit ir nozīme
Tātad, lūk, par visiem šiem sagatavju procesiem-MCVD, PCVD, VAD, OVD-tie visi ir balstīti uz tvaika fāzes nogulsnēšanos. Bet tas, kas patiešām padara šo attīrīšanas darbu, nav tikai pati nogulsnēšanās. Tā ir selektīvā iztvaikošana, kas notiek, pirms materiāli pat sasniedz reakcijas zonu.
Iedomājieties burbuļkolbu, kas atrodas, piemēram, 55 grādos SiCl₄ (viršanas temperatūra 57,6 grādi). Šķidrums nepārtraukti iztvaiko, radot šo tvaika spiedienu P₁ virs virsmas, bet atmosfēras spiediens P₂ spiež uz leju. Kad šie spiedieni izlīdzinās pie P₃, tiek sasniegts tas, ko mēs saucam par piesātināta tvaika spiedienu. Sildiet to nedaudz vairāk, un P₁ pārsniedz P₂-vairāk molekulu pāriet gāzes fāzē. Atdzesējiet, kondensāts pārņem.
Šī skaistums? Lielākajai daļai metālisku piemaisījumu viršanas temperatūra ir daudz augstāka nekā SiCl₄ vai GeCl4 (kas vārās 83,1 grādi). Viņi vienkārši sēž šķidrā fāzē, kamēr tīrās lietas iztvaiko. Piemēram, ar šo procesu vien dzelzs piesārņojums var samazināties no 20 ppb līdz 1 ppb. Tas ir 20 reižu samazinājums bez sarežģītas ķīmiskās apstrādes.
MCVD uzņemas materiālu piegādi
MCVD sistēmās augstas-tīrības pakāpes skābeklis caur MFC ieplūst burbuļkolbā. Tā darbojas kā nesējgāze, slaucot piesātinātos tvaikus pa piegādes līnijām un nonākot kvarca caurulē, kur notiek faktiskā burvju -ķīmiskā tvaiku reakcija un slānis-, -slāņa nogulsnēšanās uz iekšējās sienas.
Temperatūras kontrole šeit ir sarežģīta. Pārāk karsts, un jūs sākat iztvaikot piemaisījumus. Pārāk auksts, un jūs nesaņemat pietiekamu materiālu plūsmu. Saldā vieta parasti ir dažus grādus zem viršanas temperatūras, saglabājot līdzsvaru, kurā jūs iegūstat maksimāli tīru tvaiku, neiekļūstot teritorijā, kur brauciena laikā sāk nākt piesārņotāji.
OVD un VAD: atšķirīga ģeometrija, tā pati fizika
OVD un VAD procesi apstrādā lietas atšķirīgi to ārējās nogulsnēšanas iestatīšanas dēļ. Tā vietā, lai mēģenē ievadītu vienu burbuļkolbu, jums ir vairākas gāzes plūsmas -O₂, H₂, Ar-, kā arī SiCl₄ un GeCl₄ tvaiki, kas izplūst no atsevišķām degļa sprauslām.
Šīs sistēmas faktiski uzsilda izejvielas virs to viršanas temperatūras, lai radītu pareizas gāzes plūsmas. SiCl₄ tiek nospiests par 57,6 grādiem, GeCl₄ pārsniedz 83,1 grādu. Bet-un tas ir ļoti svarīgi,-temperatūra joprojām ir krietni zem piemaisījumu viršanas temperatūras. Tātad jūs joprojām saņemat šo destilācijas efektu, tikai agresīvākā konfigurācijā. Lāpas iestatīšanai tas ir nepieciešams, jo jums ir vajadzīgas noteiktas gāzes strūklas, nevis tikai tvaiki, kas tiek pārvadāti straumē.
Rezultāts? Sagataves kvēpu daļiņas ar tīrības līmeni, ko pieprasa mūsdienu šķiedras specifikācijas.
Netīrības problēma Neviens par to nerunā pietiekami daudz
Metāla joni ir acīmredzami ļaundari. Dzelzs, hroms, varš{1}}tie visi absorbē gaismu un rada zudumus. Bet OH joni ir viltīgi. Tie rada absorbcijas maksimumus noteiktos viļņu garumos, īpaši ap 1383 nm, kas vēsturiski radīja "ūdens maksimumu", kas piespieda agrīnās šķiedras sistēmas pilnībā izvairīties no noteiktiem viļņa garuma logiem.
Pilna -viļņu šķiedra mainīja spēli, pieprasot mazāku par 1 ppb OH saturu, un godīgi sakot, lai to sasniegtu, bija jāpārdomā visa materiālu apstrādes ķēde. Tas vairs nav tikai par burbuļkolbas temperatūru. Katrs vārsts, katra līnija, katrs blīvējums piegādes sistēmā kļūst par potenciālu piesārņojuma avotu.
Burbuļkolbā var nodrošināt perfektu destilāciju un tomēr iegūt paaugstinātu OH, ja ir neliela noplūde, kas ļauj mitrumam iekļūt piegādes līnijās. Tāpēc šķiedru sagatavju ražošanas laboratorijas izskatās kā pusvadītāju tīrās telpas,{1}}jo pie šiem tīrības līmeņiem tās būtībā ir.
Temperatūras gradienti un selektīvā iztvaikošana
Pastāv sekundārais attīrīšanas efekts, kam netiek pievērsta pietiekama uzmanība: termiskā gradienta atdalīšana. Pat pašā burbuļkolbā jūs novērojat temperatūras svārstības. Šķidruma virsma ir karstākā, savukārt reģioni, kas atrodas pie kolbas sienām, var būt par grādu vai diviem vēsāki.
Tas rada mikro{0}}konvekcijas strāvas, kas faktiski palīdz koncentrēt piemaisījumus vēsākās zonās, savukārt tīrais materiāls galvenokārt iztvaiko no siltākās virsmas. Tas ir neliels efekts, iespējams, veicinot 10-15% no kopējās attīrīšanas, taču, ja jūs meklējat ppb līmeņa tīrību, katrs sīkums ir svarīgs.
Dažas sistēmas pat izmanto apzināti sakārtotas temperatūras zonas savās piegādes līnijās, lai izveidotu vairākus destilācijas posmus. Tvaiki uz īsu brīdi kondensējas vēsākā punktā, pēc tam atkārtoti iztvaiko-nākamajā apsildāmajā zonā, katru reizi atstājot aiz sevis vēl vienu piemaisījumu slāni.
Ko skaitļi patiesībā nozīmē
Kad mēs sakām "zem 1 ppb metālu jonu", mēs runājam par vienu daļu no 10⁹. Lai to aplūkotu perspektīvā, ja jums būtu peldbaseins, kas pilns ar SiCl₄, viens ppb būtu līdzvērtīgs mazāk nekā vienam piesārņojuma pilienam.
Analītiskās metodes pat tīrības mērīšanai šajos līmeņos-ICP-MS, GDMS-ir pietiekami sarežģītas, lai paraugu apstrāde kļūtu par savu izaicinājumu. Ja neesat piesardzīgs, mērīšanas procesā varat piesārņot savu paraugu.
Un šeit ir satraucošā daļa: lai sasniegtu 0,8 ppb OH pilnā-viļņu šķiedrā, ir ne tikai jāattīra izejvielas, bet arī jākontrolē visa procesa atmosfēra. Pat īpaši-tīram slāpeklim var būt neliels mitrums. Pat "sausais" skābeklis no cilindriem nav pietiekami sauss. Visnopietnākās sagatavju darbības beidzas ar savām gāzes attīrīšanas sistēmām, lai tās atbilstu specifikācijām.
Materiālu plūsmas dinamika
Faktiskais plūsmas ātrums caur šīm burbuļkolbām mainās atkarībā no nogulsnēšanas procesa un vēlamajiem dopinga līmeņiem. MCVD var darboties salīdzinoši zemā plūsmas ātrumā, jo jūs nogulsnējat uz nelielas iekšējās virsmas. OVD ārējā nogulsnēšana patērē materiālu ātrāk, jo jūs veidojat kvēpu buljonu, kura diametrs var būt vairākas collas.
Šis plūsmas ātrums ietekmē līdzsvaru burbuļkolbā. Lielāki sūkšanas ātrumi faktiski var atdzesēt šķidrumu, izmantojot iztvaikošanas dzesēšanu, un ir nepieciešama aktīva temperatūras kompensācija, lai uzturētu nemainīgu tvaika spiedienu. Dažās sistēmās tiek izmantotas apsildāmās padeves līnijas ne tikai, lai novērstu kondensāciju, bet arī lai aktīvi kontrolētu tvaiku{2}fāzes sastāvu, izmantojot selektīvu kondensāciju un atkārtotu iztvaikošanu.
Inženierzinātnes kļūst sarežģītas ātri, tāpēc, iespējams, lielākā daļa dokumentu koncentrējas uz vienkāršu tvaika spiediena līdzsvaru un spīdumu pār dinamiskajiem efektiem.
Visa sistēma būtībā ir nepārtrauktas destilācijas kolonna, kas darbojas salīdzinoši zemā temperatūrā, izmantojot to, ka silīcija un germānija tetrahlorīds ir gaistoši, bet to piemaisījumi nav. Principā vienkāršs, murgains izpildījums, ja jūs meklējat 0,8 ppb OH pilnas -viļņu šķiedras sagatavē.
