Оборудование для зонной плавки

Содержание

 

Задание 1 Общие сведения

2 Установки зонной плавки в контейнерах

3 Установки бестигельной зонной плавки

4 Установка бестигельной зонной плавки с индукционным нагревом

5 Установка бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом

Заключение 19 Список использованных источников

 

 Оборудование для зонной плавки

 

1 Общие сведения

Зонная плавка (очистка полупроводниковых материалов и редких металлов от примесей) основана на физических процессах разделения, преимущество которых состоит в том, что очистка протекает без исполь­зования каких-либо реагентов, вносимых извне. Зонная плавка — кри­сталлизационный метод очистки — заключается в удалении примесей движущимся фронтом кристаллизации. Она применима для любого кри­сталлизующегося вещества, растворимость примесей которого в жидком и твердом состояниях различна.

При очистке слиток может находиться в горизонтальном или верти­кальном положении в соответствующем контейнере.

Простейшее устройство представляет собой горизонтальный кон­тейнер, в котором расположена лодочка с очищаемым веществом. Лодоч­ка проходит через нагреватель, создающий расплавленную зону. Пере­мещаться может либо лодочка относительно неподвижного нагревателя, либо нагреватель относительно неподвижной лодочки.

Бестигельную зонную плавку применяют для того, чтобы избежать взаимодействия очищаемого слитка с материалом контейнера и загряз­нения материала, которое может при этом происходить. Подлежащий очистке слиток вертикально помещают в камере, в которой создают ва­куум или необходимую атмосферу. Нагреватель создает расплавленную зону, которая удерживается в слитке под действием сил поверхностного натяжения.

Рис. 1. Схема аппаратов для зонной очистки:

а – однозонный аппарат; б — многозонный; в — вертикальный; г — бестигельный; 1 — кристал­лический материал; 2 — нагреватель; 3 — рас натяжения (иногда для поддержания зоны используется сжимающий эффект магнитного поля.)

В результате относительного движения нагре­вателя и слитка вдоль оси последнего расплавленная зона перемеща­ется.

На рис. 1 .показаны принципиальные схемы аппаратов для зон­ной очистки. Эффективность очистки процесса зонной плавки определя­ется величиной коэффициента распределения (коэффициентом сегрега­ции). Коэффициент распределения представляет собой определяющий фактор эффективности процесса зонной плавки

где К — коэффициент распределения;

Ств И С_ж —концентрации примесей в твердой и жидкой фазах.

Процесс заключается в медленном движении расплавленной зоны вдоль твердого загрязненного (очищаемого) слитка. В результате этого большая часть примесей перераспределяется по длине слитка, переме­щаясь к одному из его концов.

Метод зонной плавки широко применяют для глубокой очистки ме­таллов, полупроводниковых материалов и других веществ.

В практических целях для достижения максимальной эффективно­сти процесса, кроме основного фактора — величины коэффициента рас­пределения, необходимо учитывать следующие важные факторы: длину зоны и скорость ее перемещения, степень перемешивания расплава в зоне, количество зон, одновременно расплавляемых в слитке, массоперенос, точное регулирование температуры, степень чистоты материалов аппаратуры и .реакционное взаимодействие материала контейнера и рас­плавленного материала.

Длина зоны обычно зависит от физических свойств очищаемого ма­териала: точки плавления, теплоемкости, скрытой теплоты плавления, лучеиспускания и теплопроводности. Узкую расплавленную зону легче создать в материале, имеющем более высокую температуру плавления и низкую теплопроводность по сравнению с материалом, имеющим низкую температуру плавления и высокую теплопроводность. Обычно длина зо­ны составляет около одной десятой длины очищаемого слитка.

Скорость перемещения зоны зависит от коэффициента диффузии примеси, условий (перемешивания зоны и т. д. Она колеблется в широких пределах от сотых долей до нескольких миллиметров в минуту. При перемешивании расплава, в зоне увеличивается эффективность процесса, в результате этого можно увеличить скорость перемещения зоны. В тех случаях, когда имеется возможность перемещать вдоль по слитку после­довательно несколько расплавленных зон, выгодно иметь минимальные промежутки между зонами. Величина их не влияет на последующее рас­пределение примесей и определяется из практических условий.

При применении метода зонной очистки в результате изменения плотности (объема) вещества при расплавлении зоны происходит пере­нос вещества из одного конца лодочки в другой. При одном проходе зо­ны это явление малозаметно, но при большом числе проходов материал перемещается настолько значительно, что даже может вылиться через край лодочки. Для предотвращения этого необходимо наклонять лодоч­ку на некоторый угол, величину которого можно определить практически и расчетом.

Точное регулирование температуры достигается применением соот­ветствующей злектрорегулирующей аппаратуры, которой оснащены со­временные установки зонной плавки.