Оборудование для зонной плавки (стр. 3 из 4)

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 патрубокдля 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.