Главная / Блог / Мои изобретения. «Сыпалка»

Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Однажды, когда Гретта уже родилась, люди задумались об экологии. Дело-то не хитрое, достаточно прекратить выработку электричества, как природа начнет восстанавливаться. Идея была хорошей, но для создания иллюзии выбора были нужны альтернативы. Так зародилось направление альтернативной энергетики.

Вот только какие есть альтернативы? Волшебная сила приливов? С завистью к остальным скажу, что не у всех есть океан. Сила ветра? Уже с сочувствием, что и он не у всех есть. Но зато многие из нас знакомы с таким явлением, как Солнце. Разумеется, всерьез солнечные электростанции тогда рассматривали, ну может быть чуть больше, чем сейчас, но маятник качнулся.

Что случается с кремниевым маятником, стоит его чуть шевельнуть, все отлично прочувствовали в 2020 году, когда тайваньцы решили заняться своим исконным бизнесом — ноутбуками вместо всего остального. И с такой силой качнули этот маятник, что последствий дефицита нужных микросхем против избытка ноутбуков хватит еще на целое поколение, не обольщайтесь.

Но тогда, в конце нулевых, когда привычные сейчас технологии находились в зачаточном состоянии, массовый интерес к производству фотоэлектрических преобразователей замест нормальных микросхем привел к дефициту материала. К печам им. Чохральского выстроились целые палаточные городки. Все понимали, конечно, что производство солнечных панелей наносит вред экологии, который никак не сможет окупить их использование. Не окупятся они и в экономическом плане. Но, как и тогда, это никому было не важно, основополагающим тезисом в этом деле была альтернатива.

Однако, экономика так не работает. Чем бы ни был вызван спрос, пытливые инженерные умы, даже поставленные в технологические рамки, всегда пытаются найти различные решения. Во-первых, для изготовления солнечных панелей вовсе не обязательно использовать сверхчистый кремний. Ну в самом деле, можно сделать 300 пентиумов и еще 500 чипов для айфонов, которые тогда еще не придумали, а можно — один солнечный элемент, который будет выдавать свои 0.5 вольта под прямыми солнечными лучами летнего ташкентского полудня. Но это если использовать монокристаллический сверхчистый кремний.

А можно удешевить процесс, создав слиток весьма чистого кремния, сформированный методом зонной плавки — в общих чертах, это два мощных индуктора, перемещающихся от центра слитка, в разные стороны к периферии и обратно. На время возврата они выключаются. Получается, что кремний при каждом проходе перекристаллизовывается и все примеси отходят на периферию, остается только обрезать концы и получится более-менее чистый слиток поликристаллического кремния. Который можно использовать для фотоэлементов с чуть меньшим КПД. Но не для микросхем. Такие элементы выглядят, кстати, довольно красиво, они словно покрыты морозными узорами.

Но главную проблему дефицита кремния это не решало, потому что в дефиците была шихта. Казалось бы, чего там, кора Земли состоит в основном из этого кремния, копай да плавь. Но требования к количеству десятков «девяток» в описании чистоты материала вносили свои коррективы в экономическую картину процесса.

Где же еще взять сверхчистый кремний? Ну как. Микросхемы делают из пластин. Пластины выпиливают из слитков. Кладут слиток и начинают его туда-сюда пилить стальной струной в латунной оболочке. А чтобы он лучше пилился, посыпают его абразивным порошком из карбида кремния. Наверное, есть в этом какие-то нотки каннибализма, но процесс отлажен, чего уж тут. Как очевидно, почти половина слитка уходит в опилки. Вот. Почти половина сверхчистого кремния уходит в мусор. Это как сделать расческу из куска золота с помощью ножовки и подмести за собой пол.

А дальше все просто, ну в самом деле. Надо, чтобы химики поработали, да отделили зерна от плевел, пылинки чистого кремния от всего остального. Химики нахмурили брови. Ну ладно, полиэтиленгликоль, которым обильно поливается место реза, мы отмоем. Хорошо, частицы латуни и железа мы вытравим какой-нибудь кислотой, азотная в самый раз. Но что делать со смесью кремния и его карбида? -Тут давайте сами думайте.

Вопрос завис на годы. На поколения. С 60-х где-то. Разумеется, пока человечество не спросило меня, можно ли что-то сделать. Начал я думать, листать справочники.

«О!»

Эйнштейн был известен двумя эпизодами. Своей теорией, которую не понимают даже те, кто использует ее на практике, например, изготавливает навигационные спутники, где генераторы частот работают с небольшой поправкой на гравитацию, дескать там время идет по-другому. А еще фотографией с высунутым языком, само собой. Однако, за такие популистские вещи раньше Нобелевские премии не давали.

Другое дело — за описание фотоэффекта. Зарылся я в справочники. А в те времена информация была везде, даже в Гугле можно было найти таблицы красных границ фотоэффектов для разных веществ, к слову, сейчас даже за двадцать минут мне это не удалось.

Идея была простой, у разных веществ должны быть разные красные границы фотоэффекта — минимальные длины волн света, при которых фотоны могут сдувать электроны с этих веществ. А дальше надо только светить на длине волны между ними и сыпать этот порошок между двумя электродами с приложенным высоким напряжением. Если электроны улетели, то частицы вещества станут заряженными чуть более положительно и начнут тянуться к отрицательному электроду. Ну, а если нет, то ничего не изменится. В результате должно получиться две кучки — кремний и его карбид.

Оставалось найти правильный источник света. Заглянул я в таблицу, а там… Середина между этими границами находилась в районе 254нм, это жесткий ультрафиолет. Но самое примечательное в том, что это как раз пик излучения самого доступного источника ультрафиолета, обычной бактерицидной кварцевой лампы, которыми сейчас лечат вирусы в воздухе.

Я написал презентацию, показал ее ученым мужам. Они читали, да разводили руками, ну в самом деле, вот же оно! Да не, так не делается, никто же не делает так, верно? Значит не делается! Хотя почему нет? Все же сходится. Ну, то есть, вот они цифры, да, все верно. Странно, почему так не делают.

Так или иначе, мне проспонсировали создание аппарата, который должен был просыпать смесь кремния и карбида кремния через электрическое поле в присутствии мощного источника жесткого ультрафиолета. И даже выделили своего рода лабораторию — подвал большого съемного дома возле Зеленограда. На двух этажах этого дома жили китайские инженеры, прикомандированные к нашему заводу, уже прекратившему, на тот момент, работу. На третьем этаже, где я днем спал, был бильярд, настольный теннис и бассейн. А в подвале я работал по ночам.

Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Основная часть установки представляла собой прямоугольную конструкцию чуть больше метра высотой и полметра шириной из десятимиллиметрового оргстекла, отфрезерованного по моим чертежам, стянутую винтами и склеенную, для верности, дихлорэтаном. Одна из стен была выполнена из дюрали такой же толщины, это был катод, к нему крепилась вся электроника снаружи. Внутри располагался массив ультрафиолетовых ламп, почти во всю высоту. Электроника позволяла регулировать мощность отдельных сегментов этого светильника. В максимуме я получал почти полтора киловатта жесткого излучения.

С противоположной катоду стороны я сплел паутину из тонкого медного провода, это был анод. В максимуме можно было к нему приложить 200 киловольт. Точнее, пока не начнут летать молнии. Высокое напряжение обеспечивал здоровенный умножитель, установленный на передней стенке конструкции.

Управлялась вся эта конструкция посредством пульта — здоровой платой, которую лучше держать двумя руками, с целой кучей плоских потенциометров и светодиодных линеек. Связь обеспечивалась через какие-то радиомодули на 2.4 ГГц, что по тем временам было новинкой, именно поэтому я и решил их попробовать.

Разумеется, я предусмотрел все виды защиты. Это и аварийные кнопки, и датчики разных отклонений. Пульт после включения был заблокирован, для его разблокировки надо было нажать кнопку защиты. Само собой, эта кнопка у меня называлась «АЗ-5».

Самым сложным узлом оказался механизм, равномерно просыпающий порошок между электродами. Первым вариантом было использование двух полукиловаттных импеллеров для авиамоделей, гоняющих материал по кольцу в потоке воздуха. Регулируя баланс мощностей импеллеров, я думал добиться тонкой регулировки подачи материала в аппарат. Система работала, но материал сильно электризовался и мне не удавалось добиться эффекта «пороши».

А вот следующая версия заработала хорошо. Мешочек из поролона, заполненный материалом, качался на механизме привода головки жесткого диска. С пульта я мог управлять частотой и амплитудой вибраций. Пороша получалась отменная.

А снизу сразу начали формироваться две кучки. Кремний Si и карбид кремния SiC. Альтернатива появилась. В тезисах.

Вот так я решил одну из глобальных проблем человечества.

На улице шли дождь и 2008-й год.

Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Блог

Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Мои изобретения. «Долбомуфта»

Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Neoden YY1 Pick-and-place Machine

Завелся у меня новый станок Pick and Place — для установки компонентов на плату. Сам я уже устал проводить долгие...
Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Распределенный ПЛК: управление «чистой комнатой»

Чистая комната — специальный цех с пониженным содержанием пыли в воздухе и жестко поддерживаемым микроклиматом. Одним...
Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Распределенный ПЛК: управление градирней

Потребности самых простых производственных цехов с оборудованием не больше письменного стола в высоту обычно...
Разделение Si и SiC. Юрий Ильин, инженер

Распределенный программируемый логический контроллер

Традиция использовать толстые жгуты проводов в устройствах автоматики дошла до нас с первой половины 19-го века....