Установка бестигельной зонной плавки с индукционным нагревом

4 Установка бестигельной зонной плавки с индукционным нагревом

Из ранее применяемых таких установок предпочтение отдавалось аппаратам, в которых очищаемый стержень находился внутри кварце­вой трубы, а расплавленная зона создавалась перемещающимся вверх и вниз индуктором, охватывающим кварцевую трубу снаружи. В случае применения высоких температур, при которых кварц размягчается и деформируется, наруж­ная поверхность кварцевой трубы охлаждалась непрерывной струей сжатого воздуха, поступавшего из кольцевой трубы, перемещавшейся синхронно с индуктором, или омывалась стекающей по наружной стен­ке водой.

На рис. 6 показана одна из отечественных конструкций — «Зона-1». Эта установка предназначена для получения калиброванных монокристаллических слитков кремния методом бестигельной зонной плавки. Установка автоматизирована.

 Техническая характеристика установки для очистки и выращивания монокристаллов кремния приведена ниже:

Размеры слитка, мм:

диаметр...................................... 32

длина...................................... 600

Напрев зоны.................................... Индукционный

Частота, МГц.......................... 5,28

Мощность колебательного контура, кВА 16

Мощность, потребляемая из сети, кВЛ 40
Статическая точность регулирования

мощности, %'...................... ±0,2

Скорость перемещения зоны, мм/мин:

рабочая.................................. 0,5—10

холостого хода...................... 72—360

Скорость вращения слитка, об/мнн . . До 50
Рабочая среда в камере:

вакуум, мм рт. ст. ....... (1-—5) • 10 ⁶

избыточное давление инертного газа,

ат............................................. 0,2

Расход охлаждающей воды, м³/ч ... 0,6

Рис. -6. Установка «Зона-1»

Установка состоит из печного агрегата, пульта управления и высо­кочастотного генератора. Печной агрегат (рис. -7) состоит из станины 1, на которой крепятся все основные узлы печного блока, ниж­няя и верхняя каретки 2, 3, привод перемещения штоков 4, привод регу­лирования зоны 5, камера 6, вакуумная система 7, регуляторы диаметра слитка 8, 9 и система охлаждения.

Массивная литая станина состоит из трех частей: основания, нижне­го и верхнего корпусов. Нижний и верхний корпусы имеют направляю­щие типа «ласточкин хвост», по которым перемещаются верхняя и нижняя каретки, несущие соответственно верхний и нижний штоки. В станине расположены механизмы перемещения нижней каретки, механизм перемещения верхней и нижней кареток, а также ряд предаточных механизмов.

 Механизм перемещения нижней каретки состоит из ходового винта, установленного в двух подшипниках, и гайки плавающего типа. Корпус гайки соединен с подушкой, к которой крепится нижняя каретка.

Механизм перемещения верхнего штока состоит из ходового винта, гайки, колонки и двух подшипниковых узлов. Гайка своим шпоночным выступом входит в паз колон­ки, соединенной в верхней час­ти с приводом регулирования ширины зоны. Внутри колонки размещен ходовой винт. Ко­лонка и ходовой винт установ­лены в подшипниковых узлах. При вращении колонки вместе с ней вращается гайка ходово­го винта; этим создается диф­ференциальное движение верх­ней каретки, т.е. ускоренное или замедленное перемещение верхнего штока, необходимое для регулирования ширины расплавленной зоны.

Колонка соединена с кони­ческой шестерней, находящей­ся в зацеплении с шестерней коробки передач ручного меха­низма регулирования ширины расплавленной зоны.

Верхняя и нижняя каретки штоков конструктивно выпол­нены одинаково. Каждая из них состоит из литого корпуса, в котором крепится электро­двигатель, червячный редуктор и переходной вал со штоком. Шток вставляется в цилиндри­ческую расточку шпинделя и закрепляется зажимной цан­гой. Вращение штоку сообща­ется электродвигателем через ременную и червячную переда­чи. Шток — водоохлаждаемый. Привод перемещения каре­ток штоков служит для верхне­го и нижнего штоков; этим обеспечивается синхронность их движения. Привод состоит из электродвигателя, редукто­ра и электромагнита, закреп­ленных на общей плите. Рабо­чее и ускоренное перемещение кареток штоков осуществляет­ся от электродвигателя через электромагнит зубчатой полу­муфты, расположенной внутри редуктора.

Привод регулирования ширины зоны состоит из электродвигателя, редуктора и электромагнита, закрепленных на общей плите. В нижней части редуктора имеется муфта, переключаемая электромагнитом, что позволяет работать в автоматическом цикле. При отключении привода редуктор может работать от ручного механизма.

Рис. –7 Печной агрегат установки «Зона-1»

При отключении привода редуктор может работать от ручного механизма. Привод крепится к верхней части станины так, что выходной вал редуктора через муфту может быть соединен с колонкой механизма каретки перемещения верх­него штока.

Рабочая камера состоит из корпуса и прямоугольной двери, корпус и дверь камеры снабжены рубашками для водяного охлаждения. Герме­тичность двери обеспечивается прокладкой из вакуумной резины и ше­стью зажимами. Сверху и снизу камеры сносно крепятся стаканы с ва­куумными уплотнениями штоков. Вакуумные уплотнения снабжены при­нудительной системой смазки. К задней части камеры крепится высоко­частотный ввод со съемным индуктором. На камере укреплены устрой­ства датчика, предназначенного для работы в схеме контроля и автома­тического регулирования диаметра кристалла.

Сбоку камеры имеется фланец для присоединения к вакуумной си­стеме. Дверь камеры снабжена смотровым окном со светофильтром. В камере имеются устройства для подвода газа и лигатуры, при легиро­вании ее компонентами из газовой фазы и устройства для крепления датчиков вакуума. На корпусе камеры крепится блокировочное устрой­ство, фиксирующее закрытое положение двери.

Вакуумная система состоит из вакуумного затвора, отсекающего паромасляный диффузионный насос от камеры; сорбционной ловушки, предназначенной для получения «чистого» вакуума; диффузионного на­соса и системы вентилей. Ловушка представляет собой металлический корпус, внутри которого расположены сменные поглотительные элемен­ты. По мере необходимости поглотительные элементы ловушки могут быть подвергнуты регенерации без демонтажа. Вакуумную систему мож­но присоединить к централизованной форвакуумной системе. Кроме то­го, она может работать от отдельного форвакуумного насоса.

Система водяного охлаждения установки обеспечивает охлаждение высокочастотного лампового генератора, печного блока и узлов ва­куумной системы.

5 Установка бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом

Разновидностью установок такого типа является представленная на рис.-8 японская установка модели IEBZ-3B, в которой расплавле­ние зоны происходит в глубоко вакуумированной камере в результате бомбардировки прутка обрабатываемого материала направленным ста­билизированным пучком электронов, создаваемым электронной пушкой с кольцевым катодом. Эту установку фирма рекомендует использовать для бестигельной зонной плавки полупроводниковых материалов и туго­плавких металлов.

В комплект установки входят: печной агрегат, блок высоковольтно­го питания, шкаф управления и форвакуумный насос. Печной агрегат состоит из рабочей камеры, приводов верхнего и нижнего штоков, при­вода кольцевого катода, вакуумной системы и системы водяного охлаж­дения. Эти узлы смонтированы на столе, закрытом боковыми листами.

Рабочая камера — водо-охлаждаемая из нержавеющей стали, внутрь камеры встроена кольцевая электронная пушка, введены штоки с патро­нами-держателями стержня. На заднем торце камеры имеется патрубок для вакуумирования. На дверце камеры расположено вертикальное щелеобразное смотровое окно для наблюдения за процессом. Подлежащий очистке стержень помещают в центр опоясывающей его кольцевой нити накала — катода, укрепленного на фигурном кольце. Форма и располо­жение анода, по мнению фирмы, предотвращают загрязнение стержня материалом катода.

Рис.-8 Установка японской фирмы модели IEBZ-3B

Перемещение расплавленной зоны достигается вертикальным пере­мещением электронной пушки. Скорость перемещения зоны зависит от материала и может регулироваться в пределах 0,2—2 и 2—20 мм/мин. Скорость холостого хода электронной пушки составляет примерно 200мm/mиh.

Когда электронная пушка достигает крайнего верхнего положения, автоматически прекращается поток электронов, далее пушка опускается в исходное нижнее положение со скоростью холостого хода, после чего операция очистки возобновляется. Эти повторяющиеся операции осуще­ствляются автоматически, для этого предусмотрено программное устрой­ство. Перемещение пушки может быть приостановлено и вновь включено оператором на любом участке очищаемого слитка.

Заключение

Вращение очищаемого стержня осуществляется соответствующими механизмами вращения верхнего и нижнего штоков. Для достижения более полной гомогенности материала при очистке конструкцией уста­новки в период рабочего хода при образовавшейся расплавленной зоне допускается вращение верхней и нижней частей очищаемого стержня с различным числом оборотов; например, верхней со скоростью 5 об/мин, а нижней 2 об/мин.

Вакуумная система расположена за рабочей камерой. Она состоит из диффузионного пар масляного насоса, форвакуумного насоса, ловушки, вакуумных задвижек и вентилей. Рабочий вакуум, требуемый в процес­се очистки, может быть, достигнут в течение 10 мин, после включения ва­куумной системы. Система водяного охлаждения обеспечивает охлажде­ние анода электронной пушки, верхнего и нижнего штоков, рабочей ка­меры и узлов вакуумной системы. Электрооборудование установки со­стоит из блока питания и контрольного блока, в котором сосредоточены все схемы контроля регулирования и управления установкой.

Список использованных источников

 

1. Основы металлургии, Т. 7. Технологическое оборудование предприятий цветной металлургии. Под редакцией И.А. Стригина, А.И. Басова, Ф.П. Ельцева, А.В. Троцкого. «Металлургия», 1975. с.1008.