בעיית הטוהר בייצור סיבים אופטיים היא באמת יותר אכזרית ממה שרוב האנשים מבינים. אנחנו מדברים על רמות זיהום שצריכות להיות מתחת ל-1 ppb עבור יוני מתכת-ואם אתה עובד עם סיבים אופטיים מלאים-, דרישת יוני OH יורדת ל-0.8 ppb כמעט אבסורדי. SiCl₄ ו-GeCl₄ מטוהרים סטנדרטיים פשוט לא חותכים אותו, אפילו לא קרובים.
מדוע לחץ אדים באמת חשוב כאן
אז הנה העניין של כל התהליכים הפורמטים האלה-MCVD, PCVD, VAD, OVD-כולם מסתמכים על שקיעת פאז אדים. אבל מה שבאמת גורם לזה לעבוד לטיהור הוא לא רק התצהיר עצמו. זה האידוי הסלקטיבי שמתרחש עוד לפני שהחומרים מגיעים לאזור התגובה.
דמיין בקבוק בועות יושב שם, למשל, 55 מעלות עבור SiCl₄ (נקודת רתיחה 57.6 מעלות). הנוזל מתאדה כל הזמן, ויוצר את לחץ האדים הזה P₁ מעל פני השטח, בעוד הלחץ האטמוספרי P₂ דוחף למטה. כאשר הלחצים הללו משתווים ב-P₃, אתה פוגע במה שאנו מכנים לחץ אדים רווי. מחממים אותו עוד קצת, ו-P₁ עולה על P₂-יותר מולקולות קופצות לשלב הגז. מצננים אותו, העיבוי משתלט.
היופי בזה? לרוב הזיהומים המתכתיים יש נקודות רתיחה גבוהות בהרבה מ- SiCl₄ או GeCl₄ (אשר רותח ב-83.1 מעלות). הם פשוט יושבים בשלב הנוזל בזמן שהחומר הטהור מתאדה. זיהום ברזל, למשל, יכול לרדת מ-20 ppb ל-1 ppb רק באמצעות תהליך זה. זו הפחתה של פי 20 ללא כל טיפול כימי מורכב.
הטייק של MCVD על אספקת חומרים
במערכות MCVD, חמצן בטוהר- גבוה זורם דרך MFC לתוך הבקבוקון. הוא פועל כגז נשא, סוחף את האדים הרווי דרך קווי האספקה ואל תוך צינור הקוורץ שבו מתרחש הקסם בפועל-תגובת אדים כימית ושכבה-אחרת-שכבה על הקיר הפנימי.
בקרת הטמפרטורה כאן קפדנית. חם מדי, ואתה מתחיל לאדות זיהומים. קר מדי, ואתה לא מקבל מספיק זרימת חומר. הנקודה המתוקה היא בדרך כלל כמה מעלות מתחת לנקודת הרתיחה, ושומרת על שיווי המשקל שבו אתה מקבל מקסימום אדים טהורים מבלי לחצות לטריטוריה שבה מתחילים לבוא מזהמים לנסיעה.
OVD ו-VAD: גיאומטריה שונה, אותה פיזיקה
תהליכי OVD ו-VAD מטפלים בדברים בצורה שונה בגלל הגדרת התצהיר החיצוני שלהם. במקום בקבוק בועות אחד המוזן לצינור, יש לך זרמי גז מרובים-O₂, H₂, Ar-בתוספת אדי SiCl₄ ו-GeCl₄ שכולם יוצאים מחרירי לפיד נפרדים.
מערכות אלו למעשה מחממות את חומרי הגלם מעל נקודות הרתיחה שלהם כדי ליצור זרמי גז מתאימים. SiCl₄ נדחף מעבר ל-57.6 מעלות, GeCl₄ מעבר ל-83.1 מעלות. אבל-וזה חיוני-הטמפרטורה עדיין נשארת הרבה מתחת לנקודות הרתיחה של הזיהומים. אז אתה עדיין מקבל את אפקט הזיקוק הזה, רק בתצורה אגרסיבית יותר. הגדרת הלפיד דורשת זאת מכיוון שאתה צריך סילוני גז מוגדרים, לא רק אדים הנישאים בזרם.
התוצאה? צור חלקיקי פיח מראש עם רמות הטוהר הנדרשות על ידי מפרט הסיבים המודרני.
בעיית הטומאה אף אחד לא מדבר על מספיק
יוני מתכת הם הנבלים הברורים. ברזל, כרום, נחושת-כולם סופגים אור ויוצרים אובדן. אבל יונים OH הם ערמומיים. הם יוצרים שיאי ספיגה באורכי גל ספציפיים, במיוחד סביב 1383 ננומטר, מה שיצר באופן היסטורי "שיא מים" שאילץ מערכות סיבים מוקדמות להימנע לחלוטין מחלונות אורכי גל מסוימים.
סיבי גל מלא-שינו את המשחק על ידי דרישה של תוכן OH מתחת ל-1 ppb, ובכנות, ההגעה לשם דרשה חשיבה מחדש על כל שרשרת הטיפול בחומרים. זה כבר לא קשור רק לטמפרטורת בקבוק הבועות. כל שסתום, כל קו, כל אטם במערכת האספקה הופכים למקור זיהום פוטנציאלי.
אתה יכול לקבל זיקוק מושלם בבקבוק הבועות ועדיין לסיים עם OH מוגבר אם יש דליפה זעירה שמכניסה לחות לתוך קווי האספקה שלך. זו הסיבה שמעבדות ייצור של חומרי סיבים נראות כמו חדרים נקיים של מוליכים למחצה-כי ברמות הטוהר האלה, הם בעצם כאלה.
שיפוע טמפרטורה ואידוי סלקטיבי
יש אפקט טיהור משני שלא מקבל מספיק תשומת לב: הפרדת שיפוע תרמית. אפילו בתוך בקבוק הבועות עצמו, אתה מקבל שינויים בטמפרטורה. משטח הנוזל הוא החם ביותר, בעוד שאזורים ליד קירות הבקבוק עשויים להיות קרירים יותר במעלה או שתיים.
זה יוצר מיקרו-זרמי הסעה שלמעשה עוזרים לרכז זיהומים באזורים קרירים יותר בעוד החומר הטהור מתאדה בעדיפות מהמשטח החם יותר. זה אפקט קטן, אולי תורם 10-15% לטיהור הכולל, אבל כשאתה רודף אחר טוהר ברמת ה-ppb, כל חלק קטן נחשב.
מערכות מסוימות אפילו משתמשות באזורי טמפרטורה מבוימים במכוון בקווי האספקה שלהן כדי ליצור שלבי זיקוק מרובים. האדים מתעבים לזמן קצר בנקודה קרירה יותר, ואז-מתאדה מחדש באזור המחומם הבא, ומשאיר בכל פעם שכבה נוספת של זיהומים.
מה המשמעות של המספרים בעצם
כשאנחנו אומרים "מתחת ל-1 ppb יוני מתכת", אנחנו מדברים על חלק אחד מתוך 10⁹. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, אם הייתה לך בריכת שחייה מלאה ב- SiCl₄, ppb אחד יהיה שווה ערך לפחות מטיפה בודדת של מזהם.
הטכניקות האנליטיות אפילו למדידת טוהר ברמות האלה-ICP-MS, GDMS-מתוחכמות מספיק כדי שהטיפול בדגימות יהפוך לאתגר משלו. אתה יכול לזהם את המדגם שלך במהלך תהליך המדידה אם אתה לא זהיר.
והנה החלק המתסכל: השגת 0.8 ppb OH בסיבי גל מלאים דורשת לא רק טיהור חומרי הגלם, אלא שליטה באווירת התהליך כולו. אפילו לחנקן טהור במיוחד- יכולה להיות מעט לחות. אפילו חמצן "יבש" מגלילים אינו יבש מספיק. רוב פעולות ה-Preform הרציניות בסופו של דבר להפעיל מערכות לטיהור גז משלהן רק כדי לעמוד במפרט.
דינמיקת זרימת חומרים
קצב הזרימה בפועל דרך צלוחיות הבועות הללו משתנה בהתאם לתהליך השקיעה ורמות הסימום הרצויות. MCVD עשוי להפעיל קצבי זרימה נמוכים יחסית מכיוון שאתה מפקיד על שטח פנים קטן. שקיעה חיצונית של OVD צורכת חומר מהר יותר מכיוון שאתה בונה כדור פיח שקוטר יכול להיות כמה סנטימטרים.
קצב זרימה זה משפיע על שיווי המשקל בבקבוק הבועות. קצבי משיכה גבוהים יותר יכולים למעשה לקרר את הנוזל באמצעות קירור אידוי, המחייב פיצוי טמפרטורה אקטיבי כדי לשמור על לחץ אדים עקבי. מערכות מסוימות משתמשות בקווי אספקה מחוממים לא רק כדי למנוע עיבוי, אלא כדי לשלוט באופן פעיל בהרכב שלב האדים באמצעות עיבוי סלקטיבי ואידוי מחדש.-
ההנדסה הופכת למורכבת מהר, וזו כנראה הסיבה שרוב המאמרים מתמקדים בשיווי המשקל הפשוט של לחץ האדים ומבליטים את ההשפעות הדינמיות.
המערכת כולה היא בעצם עמודת זיקוק רציפה הפועלת בטמפרטורות נמוכות יחסית, תוך ניצול העובדה שסיליקון וגרמניום טטרכלורידים נדיפים בעוד שהזיהומים שלהם אינם. פשוט באופן עקרוני, מסויט בביצוע כשאתה רודף אחרי 0.8 ppb OH ב-preform של סיבי גל מלא-.