Study on repairing surface defects of quartz crucible used for drawing monocrystalline silicon by chemical mechanical grinding
यह अध्ययन विशिष्ट मापदंडों और एक सहक्रियात्मक रासायनिक-यांत्रिक तंत्र का उपयोग करने वाली एक केमिकल मैकेनिकल ग्राइंडिंग प्रक्रिया विकसित और अनुकूलित करके, मशीनिंग के दौरान सतह के दोषों के कारण होने वाले पतली दीवार वाले क्वार्ट्ज क्रूसिबल की उच्च स्क्रैप दर को संबोधित करता है, जिससे खुरदरापन को 29.204 nm तक कम करके अति-चिकनी सतह की मरम्मत प्राप्त की जा सकती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारी सबसे उन्नत तकनीक—जो हमारे शहरों को बिजली देने वाले सौर पैनलों और हमारे फोन चलाने वाली छोटी कंप्यूटर चिप्स पर निर्भर है—एक एकल, नाजुक सामग्री पर टिकी है: एक विशाल, उत्तम कांच का कटोरा। यह केवल कोई साधारण कांच नहीं है; यह एक क्वार्ट्ज क्रूसिबल (quartz crucible) है, जो एक अति-शुद्ध पात्र है जिसका उपयोग सिलिकॉन को एक एकल, दोषरहित क्रिस्टल में पिघलाने के लिए किया जाता है। इसे चॉकलेट बार के सांचे की तरह समझें, लेकिन चॉकलेट के बजाय इसमें पिघला हुआ सिलिकॉन है, और रसोई के बजाय यह एक अत्यंत गर्म औद्योगिक भट्टी है। यदि इस कांच के कटोरे में एक भी मामूली खरोंच, एक सूक्ष्म दरार, या किनारे पर एक छोटा सा चिप (chip) आ जाए, तो पूरे सिलिकॉन के बैच को बर्बाद किया जा सकता है, जिससे एक बहु-मिलियन डॉलर की परियोजना बेकार रेत के ढेर में बदल सकती है।
लंबे समय तक, यदि इन महंगे कांच के कटोरे में एक मामूली खरोंच या चिप लग जाता था, तो एकमात्र समाधान उन्हें फेंक देना होता था। यह एक हीरे से जड़े हुए नए जैसे दिखने वाले हाथ की घड़ी को इसलिए फेंक देने जैसा है क्योंकि उसके कांच के चेहरे पर धूल का एक छोटा सा कण आ गया है। यह बर्बादी भरा और महंगा है। वैज्ञानिक इस बात को समझने की कोशिश कर रहे हैं कि बिना कटोरे को और अधिक तोड़े इन सूक्ष्म खरोंचों को कैसे ठीक किया जाए। वे जानते हैं कि यदि आप केवल सतह को सैंडपेपर (या ग्राइंडिंग व्हील) से रगड़ते हैं, तो आप इसे चिकना तो बना सकते हैं, लेकिन आप इसके अंदर गहरे, अदृश्य दरारें पैदा करने का जोखिम भी उठाते हैं क्योंकि यह सामग्री बहुत कठोर और भंगुर (brittle) है। यह सतह को चिकना करने और पूरी चीज़ को चकनाचूर होने से बचाने के बीच का एक नाजुक संतुलन है।
यहीं पर बेंगबू यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक चतुर नए विचार के साथ कदम रखा। उन्होंने पूछा: क्या होगा यदि हम कांच को पीसने के लिए केवल शारीरिक बल का उपयोग न करें, बल्कि पहले इसे नरम करने के लिए एक "रासायनिक हाथ मिलाप" (chemical handshake) का उपयोग करें? उन्होंने केमिकल मैकेनिकल ग्राइंडिंग (CMG) नामक एक विधि विकसित की। कल्पना कीजिए कि आप पत्थर की एक बहुत कठोर चट्टान को घिसने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप इसे बस रगड़ते हैं, तो यह कठिन है। लेकिन यदि आप पहले इसे एक विशेष तरल पदार्थ से पेंट करते हैं जो ऊपरी परत के साथ प्रतिक्रिया करके नरम सिलिकेट यौगिक (silicate compounds) बनाता है, तो सैंडिंग करना आसान और सौम्य हो जाता है। उन्होंने बिल्कुल यही किया। उन्होंने एक विशेष क्षारीय तरल (alkaline fluid) का उपयोग किया जो क्वार्ट्ज के साथ प्रतिक्रिया करता है ताकि उसकी सबसे ऊपरी परत को नरम सिलिकेट यौगिकों में बदल सके, जिन्हें ग्राइंडिंग व्हील केवल धूल की तरह झाड़ने के बजाय यांत्रिक रूप से साफ कर सके।
शोधकर्ताओं ने इस "नरम करने और साफ करने" की प्रक्रिया के लिए सही नुस्खा खोजने का प्रयास किया। उन्होंने क्वार्ट्ज क्रूसिबल के साथ एक विशाल, घुमावदार मिट्टी के बर्तन की तरह व्यवहार किया जिसे एक आदर्श पॉलिश की आवश्यकता थी। उन्होंने "रेत" (अपघर्षक कणों) के विभिन्न आकार, अपने घूमने वाले ग्राइंडिंग व्हील्स की विभिन्न गति और उपकरण के हिलने-डुलने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि यदि "रेत" बहुत महीन थी, तो पहिया जाम हो जाता था; यदि यह बहुत मोटी थी, तो यह गहरी खरोंचें छोड़ देती थी। उन्होंने पाया कि 20 माइक्रोमीटर का मध्यम आकार का कण सबसे सटीक (Goldilocks) बिंदु था। उन्होंने यह भी सीखा कि पहिए को 8,000 आरपीएम (revolutions per minute) की गति से घुमाना आदर्श गति थी—इतनी तेज़ कि यह कुशल हो, लेकिन इतनी तेज़ भी नहीं कि नुकसान पहुँचाए।
शायद सबसे महत्वपूर्ण चाल जो उन्होंने खोजी, वह थी उपकरण को चलाने का तरीका। ग्राइंडिंग व्हील को कांच पर लगातार दबाने के बजाय, उन्होंने एक "अंतराल" (intermittent) विधि का उपयोग किया। यह एक ड्रमर द्वारा ताल बजाने जैसा है: वे पहिए को बस एक सेकंड के लिए कांच को छूने देते हैं, फिर उसे दो मिनट के लिए आराम करने देते हैं। यह ठहराव रासायनिक तरल को अपना काम करने और गर्मी को कम होने देने की अनुमति देता है, जिससे दबाव के कारण कांच के टूटने का खतरा टल जाता है। इस कोमल, रुक-रुक कर चलने वाली गति को रासायनिक नरम करने वाले तरल के साथ जोड़कर, वे एक 32-इंच के क्वार्ट्ज क्रूसिबल को ठीक करने में सक्षम हुए जिसमें भयानक चिप्स और दरारें थीं।
परिणाम प्रभावशाली थे। मरम्मत से पहले, क्षतिग्रस्त क्षेत्र खुरदरा और छोटे गड्ढों से भरा था। केमिकल मैकेनिकल ग्राइंडिंग के बाद, सतह अविश्वसनीय रूप से चिकनी हो गई, जिसकी खुरदरापन (roughness) मात्र 29.204 नैनोमीटर थी। इसे समझने के लिए, यह बिना हवा वाले शांत दिन की एक शांत झील से भी अधिक चिकना है। शोधकर्ताओं ने विशेष सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक स्कैनर का उपयोग करके यह सिद्ध किया कि यह प्रक्रिया वास्तव में काम करती है: रासायनिक तरल ने वास्तव में कठोर क्वार्ट्ज सतह के साथ प्रतिक्रिया की थी जिससे नरम सिलिकेट यौगिक्स बने जिन्हें यांत्रिक ग्राइंडिंग द्वारा आसानी से हटाया जा सका, जिससे पीछे एक ऐसी सतह बची जो उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन क्रिस्टल बनाने के लिए फिर से तैयार थी।
यह अध्ययन केवल यह नहीं दिखाता है कि इन टूटे हुए कटोरे को ठीक करना संभव है; यह एक स्पष्ट, परीक्षित नुस्खा भी प्रदान करता है कि इसे कैसे किया जाए। यह साबित करके कि आप इन महंगे, पतली दीवारों वाले कांच के पात्रों को फेंकने के बजाय उन्हें मरम्मत कर सकते हैं, शोधकर्ता सौर और सेमीकंडक्टर उद्योगों में पैसा बचाने और बर्बादी को कम करने में मदद करने के लिए एक सैद्धांतिक आधार और तकनीकी सहायता प्रदान करते हैं। उन्होंने दिखाया कि सही रसायन और कोमल यांत्रिकी के मिश्रण के साथ, सबसे कठोर, सबसे भंगुर सामग्रियों को भी पूर्ण चिकनाई की स्थिति में लाया जा सकता है।
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