Содержание
 Задание                                                                                                                       1  Общие сведения                                                                                                        
2  Установки зоннойплавки в контейнерах                                                          3  Установки бестигельной зоннойплавки                                                            
4 Установка бестигельной зонной плавки с индукционным нагревом                
5 Установка бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом     
Заключение                                                                                                               19 Список использованныхисточников                                                                      
 

 Оборудование для зоннойплавки
 
1Общие сведения
Зонная плавка (очистка полупроводниковых материалов и редкихметаллов от примесей) основана на физических процессах разделения, преимуществокоторых состоит в том, что очистка протекает без исполь­зования каких-либореагентов, вносимых извне. Зонная плавка — кри­сталлизационный метод очистки —заключается в удалении примесей движущимся фронтом кристаллизации. Онаприменима для любого кри­сталлизующегося вещества, растворимость примесейкоторого в жидком и твердом состояниях различна.
При очистке слиток может находиться в горизонтальном или верти­кальномположении в соответствующем контейнере.
Простейшее устройство представляет собой горизонтальный кон­тейнер,в котором расположена лодочка с очищаемым веществом. Лодоч­ка проходит черезнагреватель, создающий расплавленную зону. Пере­мещаться может либо лодочкаотносительно неподвижного нагревателя, либо нагреватель относительнонеподвижной лодочки.
Бестигельную зонную плавку применяют для того, чтобы избежатьвзаимодействия очищаемого слитка с материалом контейнера и загряз­ненияматериала, которое может при этом происходить. Подлежащий очистке слитоквертикально помещают в камере, в которой создают ва­куум или необходимуюатмосферу. Нагреватель создает расплавленную зону, которая удерживается вслитке под действием сил поверхностного натяжения./> />
Рис. 1. Схемааппаратов для зонной очистки:
а – однозонный аппарат;   б — многозонный;   в — вертикальный;   г— бестигельный;   1 — кристал­лический материал; 2 — нагреватель; 3 — раснатяжения (иногда для поддержания зоны используется сжимающий эффект магнитногополя.)
В результате относительного движения нагре­вателя и слитка вдольоси последнего расплавленная зона перемеща­ется.
На рис. 1.показаны принципиальные схемы аппаратов для зон­нойочистки. Эффективность очистки процесса зонной плавки определя­ется величинойкоэффициента распределения (коэффициентом сегрега­ции). Коэффициентраспределения представляет собой определяющий фактор эффективности процессазонной плавки
/>       
где     К — коэффициент распределения;
Ств И Сж —концентрации примесей в твердой и жидкойфазах.
Процесс заключается в медленном движении расплавленной зоны вдольтвердого загрязненного (очищаемого) слитка. В результате этого большая частьпримесей перераспределяется по длине слитка, переме­щаясь к одному из егоконцов.
Метод зонной плавки широко применяют для глубокой очистки ме­таллов,полупроводниковых материалов и других веществ.
В практических целях для достижения максимальной эффективно­стипроцесса, кроме основного фактора — величины коэффициента рас­пределения,необходимо учитывать следующие важные факторы: длину зоны и скорость ееперемещения, степень перемешивания расплава в зоне, количество зон,одновременно расплавляемых в слитке, массоперенос, точное регулированиетемпературы, степень чистоты материалов аппаратуры и.реакционноевзаимодействие материала контейнера и рас­плавленного материала.
Длина зоны обычно зависит от физических свойств очищаемого ма­териала:точки плавления, теплоемкости, скрытой теплоты плавления, лучеиспускания итеплопроводности. Узкую расплавленную зону легче создать в материале, имеющемболее высокую температуру плавления и низкую теплопроводность по сравнению сматериалом, имеющим низкую температуру плавления и высокую теплопроводность.Обычно длина зо­ны составляет около одной десятой длины очищаемого слитка.
Скорость перемещения зоны зависит от коэффициента диффузиипримеси, 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 увеличитьскорость перемещения зоны. В тех случаях, когда имеется возможность перемещатьвдоль по слитку после­довательно несколько расплавленных зон, выгодно иметьминимальные промежутки между зонами. Величина их не влияет на последующее рас­пределениепримесей и определяется из практических условий.
При применении метода зонной очистки в результате измененияплотности (объема) вещества при расплавлении зоны происходит пере­нос веществаиз одного конца лодочки в другой. При одном проходе зо­ны это явлениемалозаметно, но при большом числе проходов материал перемещается настолькозначительно, что даже может вылиться через край лодочки. Для предотвращенияэтого необходимо наклонять лодоч­ку на некоторый угол, величину которого можноопределить практически и расчетом.
Точное регулирование температуры достигается применением соот­ветствующейзлектрорегулирующей аппаратуры, которой оснащены со­временные установки зоннойплавки.
 
2 Установки зонной плавки в контейнерах.
Установки горизонтальной зонной плавки по типу нагрева зон могутбыть с индукционным нагревом, нагревом сопротивлением и световым нагревом.Электроннолучевой нагрев не получил достаточного распро­странения в установкахзонной плавки горизонтального типа, но его применяют в установках бестигельнойзонной плавки. Внешний вид уста­новки горизонтальной зонной плавки с индукционнымнагревом пред­ставлен на рис. 2.
Для увеличения производительности созданы и работают установкиполунепрерывного процесса зонной плавки, при котором в длинной ка­мере (трубе)контейнеры-лодочки перемещаются непрерывной цепочкой относительно неподвижнорасположенных нескольких нагревателей. Для загрузки в камеру очередногоконтейнера с неочищенным материалом процесс не прерывают.
Другой способ увеличения производительности установок горизон­тальнойзонной плавки заключается в параллельном расположении большого числакамер-труб, в каждой из которых размещено по одной -две лодочки. Нагреватели,число которых равно числу камер-труб, смон­тированы в один блок, перемещающийсявдоль оси трубы. Камеры-тру­бы располагают или рядами (каждый по 6—7 труб), илив один-два ря­да (рис.3). Много трубные печи, в каждой трубе которых находятся1—2 лодочки, более перспективны, чем многозонные непрерывного дей­ствия, таккак обеспечивают получение более чистого материала.
Для создания стерильности процесса внутри камер поддерживаютглубокий постоянный вакуум или создают атмосферу некоторого избы­точногодавления или протока чистых инертных газов, что обычно спо­собствует удалениюлетучих примесей из расплавленной зоны.
Зонную плавку соединений с высокой упругостью паров их летучихкомпонентов, например фосфида или арсенида галлия, проводят в запа­яннойкварцевой ампуле, в которую помещают лодочку с очищаемым соединением. Дляуравновешивания давления паров летучего компонен­та, находящегося внутриампулы, необходимо создать противодавление на её наружные стенки.
/>
Рис. 2. Внешний вид установки горизонтальной зонной плавки
/>
Рис.3.Камеры-трубы установки горизонтальной зонной плавки
Кромесоздания расплавлен­ной зоны очищаемого мате­риала, требуется, созданотемпературный фон, позво­ляющий получить в ампуле над расплавленной зоной ат­мосферупаров летучего ком­понента и поддерживающий необходимое давление этих паров.Конструкция камер таких установок значитель­но усложняется, что связано снеобходимостью создания противодавления.   На рис. -4 приведен разрез камерыустановки (раз­работана «Гиредметом»), предназначенной для зон­ной плавкифосфида галлия. Камера представляет собой стальную толстостенную водоохлажда-емую трубу, тор­цы которой закрыты и уп­лотнены массивными водо-охлаждаемымикрышками с двумя полукольцами, вос­принимающими усилие внут­реннего давления.
/>
1- двигатель; 2-корпус камеры; 3- ампула; 4- термопара; 5- электропечь;
 6- фидер; 7- кварцеваятруба; 8- винт; 9- гайка.
Рис.-4. Разрез камерыустановки зонной плавки фосфида галлия.
Уплотни­тели выполнены в виде ко­лец круглого сечения. На­дежнаягерметичность дости­гается в результате самоуп­лотнения под действиемвнутреннего давления. Внут­ри камеры помещены две электропечи для нагрева ам­пулы.Между печами распо­ложен высокочастотный ин­дуктор, создающий расплав­леннуюзону. В левой крыш­ке, имеющей вытянутую форму, размещен двигатель (сельсин,приемник) с ме­ханизмом перемещения ам­пулы, который вставляется и извлекаетсячерез торец крышки, имеющей дополни­тельный уплотняющий разъ­ем.
 Гайка-ползун механизмаперемещения соединена сво­бодно с транспортирующей кварцевой трубой и пере­двигаетее вместе с ампу­лой.
 Ампулу вставляют иизвлекают через уплотняемое отверстие в пра­вой крышке. На боковой поверхностикорпуса камеры расположены люк для ввода индуктора и отверстия для токовводовфоновых электропе­чей, термопар, штуцеров для подачи и стравливания газа,предохрани­тельного клапана. На торце левой крышки имеется уплотняемый ввод дляпроводов электропитания сельсина-приемника (и штепсельный разъем от проводовсельсина-датчика).
 Все вводы в рабочуюкамеру так же, как и уплотнение крышек камеры, выполнены на принципе са­моуплотненияпод действием внутреннего давления.
Чтобы уменьшить влияние электромагнитных полей, термопары эк­ранируют,а опирали электропечей снабжают бифилярной намоткой. Для наблюдения запроцессом предусмотрены смотровое окно и устрой­ство для подсветки, облегчающееустановку ампулы в начале процесса. Конструкции электропечей выполнены такимобразом, чтобы можно было заменять нагреватели, не извлекая печей из камеры.Теплоизоля­ционные блоки, выполненные из асбестоцемента, помещенные у торцовпечей, компенсируют падение температуры. Полезная емкость камеры сведена кминимуму для уменьшения в ней конвективных токов сжато­го газа.
Рама установки выполнена в виде стола, закрытого листами. Столустановлен на четырех регулируемых по высоте опорах, придающих не­обходимыйугол наклона рабочей камере, смонтированной на столе. На столе размещенывентили для подачи и стравливания газа, осушитель газа, а внутри столасмонтированы коллектор водяного охлаждения ка­меры, подогреватель для линииподачи воды в индуктор. Внутри стола установлен также электропривод ссельсином-датчиком.
Вход и уплотнение вала привода перемещения ампулы в камеру вы­сокогодавления представляют конструктивные трудности, требуется значительноеувеличение мощности двигателя привода, чтобы преодо­леть трение в уплотнениикамеры. Это в свою очередь создает вредные вибрации камеры и ампулы с лодочкой.В тоже (время для перемеще­ния легкой ампулы с лодочкой практически необходиммаломощный, ки­нематический привод. Поэтому в описываемой конструкции примененсельсинный электропривод.
Сельсин-приемник вместе с механизмом перемещения помещен в рабочуюкамеру высокого давления, а сельсин-датчик и электродвига­тель для его вращениясмонтированы на отдельной плите. Сельсин-дат­чик передает синхронное вращениесельсин — приемнику и соединяется с ним через штекерный разъем.
Вращение сельсин — датчика осуществляется от электродвигателя по­стоянноготока, обороты которого плавно регулируются. Переключение ступеней редуктораобеспечивает рабочее и возвратное (ускоренное) пе­ремещение ампулы. Длянаблюдения за перемещением и положением ампулы относительно нагревателя зонывнутри закрытой камеры на сельсин — датчике смонтирован дублирующий механизм,аналогичный ме­ханизму перемещения ампулы. Ползун дублирующего механизма, имею­щийту же скорость, что и ползун механизма перемещения ампулы, сое­динен нитью суказателем перемещения ампулы, расположенным на пе­редней стороне стола.
В камере создается давление инертного газа, необходимое для пре­дотвращенияразрушения запаянной кварцевой ампулы под давлением паров летучего компонента.Газ поступает из баллона через редуктор, осушитель и игольчатый вентиль. Припомощи другого такого же венти­ля сбрасывают газ из камеры-
Осушка газа из баллона в осушителе необходима для предотвраще­нияконденсации влаги на витках индуктора и на смотровом стекле. Пос­ле пуска газав камеру и создания рабочего давления вентиль баллона  и вентиль впуска газа в камеру перекрывают. Приустановившемся про­цессе, когда температурный режим стабилизирован, давление вкамере остается постоянным. Размещенный внутри камеры индуктор можно подключитьв случае необходимости питания его теплой водой к водоподогревателю, чтоуменьшает конденсацию на индукторе паров влаги.
Для питания индуктора установку комплектуют высокочастотнымгенератором. В шкафах управления генератором и установкой содер­жится всянеобходимая электроаппаратура и приборы для управления установкой. Поддержаниеи запись температур фоновых электропечей осуществляют автоматически.
Система управления генератором основана на схеме, позволяющейосуществлять автоматическое поддержание заданной температуры в зо­невысокочастотного нагрева и запись ее при помощи электронного по­тенциометра.
Техническая характеристика установки для получениястехиометрических слитков фосфида галлия методом синтеза и зонной плавки влодочках «приведена ниже:
Размеры ампулы, мм:
диаметр…                    31
длина…                                 450
Длина лодочки, мм…                    200
Напрев зоны…                           Индукционный
Параметры нагрева:
частота, МГц…                     5,28
мощность, кВА:
колебательного контура    ….                        16
потребляемая из сети                                              40
Температура ‘расплавленной   зоны, °С    .             1550
          Напрев температурного фона    ….       Печи сопротивления
Число фоновых печей…                                     2
Максимальная  мощность    каждой печи.
КВт…                                     3
Температура печей, °С…                                    550; 900
Избыточное противодавление    инертного
газа в камере, ат   ………       До 35
Объем камеры высокого   давления, л    .                 32
         Скорость перемещения ампулы, мм/мин:
рабочего хода  …                                     0,12—0,85
холостого…                                    29
Ход ампулы с лодочкой, мм  …                   200
Масса агрегата, кг…                                    475
 
3 Установки бестигельной зонной плавки
 Преимущества бестигельной зонной плавки, позволяющие предот­вратитьвзаимодействие очищаемого слитка с материалом контейнера, привели к созданиюмногочисленных конструкций аппаратов и их широ­кому применению для исследованийи промышленных условий, в пер­вую очередь в производстве полупроводниковогокремния.
Наибольшее распространение получили установки бестигельной зон­нойплавки высокочастотным нагревом. Установки с электроннолучевым нагревомприменяют для производства особо чистых тугоплавких метал­лов и выращивания ихмонокристаллов. Эти способы нагрева позволяют достигать наибольшейнапряженности теплового поля и создать узкую расплавленную зону. При нагреветоками высокой частоты происходит интенсивное перемешивание на расплавленномучастке, способствующее ускорению диффузии примесей, в расплавленную зону.Имеются установ­ки бестигельной зонной плавки и с графитовым нагревателемсопротив­ления, а также со световым нагревом зоны.
/>
            Перемещение расплавленной зоны можно осуществлять двумя спо­собами,создавая поступательное движение нагревателя относительно неподвижного слиткаили слитка относительно неподвижного нагрева­теля. Это отражается наконструктивном оформлении функциональных узлов и механизмов печного блокаустановок.
В зависимости от технологических требований процесс бестигельнойзонной плавки можно проводить в ‘восстановительной атмосфере, в ат­мосфереинертного газа и в вакууме.
Принципиальная схема камеры установки бестигельной зонной плавки снеподвижным индуктором представлена на рис.5. Очи­щаемый стержень 5 спостоянным сечением,.полученный отливкой в форму, прессованием, выращиванием впроцессе восстановления или другими способами, помещают внутрь рабочей камеры 1так, чтобы он был охвачен индуктором 6, и укрепляют в строговертикальном положе­нии.    Рис. 5. Установка  бестигель­ной зонной плавки с неподвижным индуктором
Верхний (Конец стержня укрепляют в зажиме 4   
верхнего штока 3, а нижний конец — в зажиме 9 нижнегоштока 11. Зажимы, пружинящие цанги или патроныизготовляют из жаро­прочного материала, например молибде­на. Стерженьцентрируют внутри индук­тора.
Камера герметично закрывается дверцей 7, в которой имеетсясмотровое окно 8 для наблюдения за процессом. Смотровое окно выполняют,как правило, из прозрачного кварцевого стекла в виде вертикальной щели. Иногдаделают не­сколько круглых смотровых окон, распо­ложенных на дверце напротивстержня. Верхний шток 3 и нижний 11 соосны, этим штокамсоответствующими приводами со­общается вращение и синхронное посту­пательноеперемещение. Ввод штоков в камеру обеспечивается конструкцией гер­метичных,вакуумных уплотнений. Верх­ний шток, кроме того, имеет возможностьрегулировочного осевого перемещения, осуществляемого вручную или автомати­ческидля регулировки диаметра очищае­мого стержня растяжением или поджатиемрасплавленной зоны в процессе плавки.
Электропитание индуктора осуществ­ляется через уплотненный ввод 12.Рабо­чая камера подсоединяется к вакуумной системе через патрубок 13, размеркото­рого определяется условиями поддержа­ния в камере необходимого уровня оста­точногодавления, типом и размером ап­паратуры вакуумной системы. Для со­здания    в    рабочей   камере   атмосферы инертного или другоготехнологически необходимого газа предусмотре­ны вентиль и натекатели 10 и2.
Процесс очистки стержня бестигельной зоннойплавки осуществля­ется следующим образом. Стержень 5 перемещается вначальное поло­жение разогрева зоны, выключается привод перемещения штоков,двер­ца камеры закрывается, в камере создается предварительный вакуум. Послеподачи воды в систему охлаждения (к камере, штокам, дверце со смотровыми окнами,вакуумной системе) и регулировки расхода охлаж­дающей воды для обеспечениянужного слива с каждого места охлаж­дения вакуум в камере доводят до нужногоуровня и устанавливают не­обходимую мощность на нагревателе для разогреваслитка. Когда соз­дается расплавленная зона, включают привод перемещения ипривод вращения верхнего и нижнего штоков и осуществляют рабочий проходрасплавленной зоны вдоль очищаемого стержня. По окончании прохода зоны, по всейдлине стержня и «замораживания» зоны в конечном поло­жении возвращают стерженьв исходное положение, снова создают зону; процесс повторяют необходимое числораз.
Для получения в условиях бестигельной зоннойочистки стержней в виде монокристаллов требуется применять ориентированнуюмонокри-сталлическую затравку. В этом случае в последовательность действийоператора вносятся некоторые изменения. Стержень-заготовку укрепля­ют в зажимеверхнего штока и центрируют его относительно нагревате­ля, а ориентированнуюмонокристаллическую затравку укрепляют в зажиме нижнего штока. При этомвозникает необходимость сращивания в один стержень монокристаллической затравкии стержня. Поэтому выполняют все описанные выше операции до операции первичногорас­плавления зоны, стержень-заготовку перемещают относительно нагрева­теля в такоеположение, при котором создается капля расплава на его нижнем конце;разогревают и подводят к капле затравку. Далее про­цесс проводят так, как этоописано выше, если размер затравки равен размеру очищаемого стержня. Если жесечение монокристаллической затравки меньше сечения стержня, то необходимоосуществить разращивание переходного конуса под заданным углом до требуемогодиа­метра монокристалла. Далее процесс плавки проводят в обычном порядке.
 
4 Установка бестигельной зонной плавки синдукционным нагревом
Из ранее применяемых таких установок предпочтениеотдавалось аппаратам, в которых очищаемый стержень находился внутри кварце­войтрубы, 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 кварцевойтрубы охлаждалась непрерывной струей сжатого воздуха, поступавшего из кольцевойтрубы, перемещавшейся синхронно с индуктором, или омывалась стекающей понаружной стен­ке водой.
На рис. 6 показана одна из отечественныхконструкций — «Зона-1». Эта установка предназначена для получения калиброванныхмонокристаллических слитков кремния методом бестигельной зонной плавки.Установка автоматизирована.
 Техническаяхарактеристика установки для очистки и выращивания монокристаллов кремнияприведена 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    .   .                     До50
         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 высо­кочастотногогенератора. Печной агрегат (рис. -7) состоит из станины 1, на которойкрепятся все основные узлы печного блока, ниж­няя и верхняя каретки 2, 3, приводперемещения штоков 4, привод регу­лирования зоны 5, камера 6, вакуумнаясистема 7, регуляторы диаметра слитка 8, 9 и система охлаждения.
Массивная литая станина состоит из трех частей: основания, нижне­гои верхнего корпусов. Нижний и верхний корпусы имеют направляю­щие типа«ласточкин хвост», по которым перемещаются верхняя и нижняя каретки, несущиесоответственно верхний и нижний штоки. В станине расположены механизмыперемещения нижней каретки, механизм перемещения верхней и нижней кареток,а также ряд предаточныхмеханизмов.
 Механизм перемещения нижней каретки состоит изходового винта, установленного в двух подшипниках, и гайки плавающего типа.Корпус гайки соединен с подушкой, к которой крепится нижняя каретка.
Механизм перемещения верхнего штока состоит изходового винта, гайки, колонки и двух подшипниковых узлов. Гайка своим шпоночным выступом входит в паз колон­ки, соединенной в верхней час­ти с приводомрегулирования ширины зоны. Внутри колонки размещен ходовой винт. Ко­лонка иходовой винт установ­лены в подшипниковых узлах. При вращении колонки вместе сней вращается гайка ходово­го винта; этим создается диф­ференциальное движениеверх­ней 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 меха­низмарегулирования ширины расплавленной зоны.
Верхняя и нижняя каретки штоков конструктивно выпол­неныодинаково. Каждая из них состоит из литого корпуса, в котором крепится электро­двигатель,червячный редуктор и переходной вал со штоком. Шток вставляется в цилиндри­ческуюрасточку шпинделя и закрепляется зажимной цан­гой. Вращение штоку сообща­етсяэлектродвигателем через ременную и червячную переда­чи. Шток — водоохлаждаемый.Привод перемещения каре­ток штоков служит для верхне­го и нижнего штоков; этимобеспечивается синхронность их движения. Привод состоит из электродвигателя,редукто­ра и электромагнита, закреп­ленных на общей плите. Рабо­чее иускоренное перемещение кареток штоков осуществляет­ся от электродвигателя черезэлектромагнит зубчатой полу­муфты, расположенной внутри редуктора.
         Привод регулирования ширины зоны состоит изэлектродвигателя, редуктора и электромагнита, закрепленных на общей плите. Внижней части редуктора имеется муфта, переключаемая электромагнитом, чтопозволяет работать в автоматическом цикле. При отключении привода редукторможет работать от ручного механизма.
/>Рис. –7Печной агрегат установки «Зона-1»
При отключении привода редуктор может работать от ручногомеханизма. Привод крепится к верхней части станины так, что выходной валредуктора через муфту может быть соединен с колонкой механизма кареткиперемещения верх­него штока.
Рабочая камера состоит из корпуса и прямоугольной двери, корпус идверь камеры снабжены рубашками для водяного охлаждения. Герме­тичность двериобеспечивается прокладкой из вакуумной резины и ше­стью зажимами. Сверху иснизу камеры сносно крепятся стаканы с ва­куумными уплотнениями штоков. Вакуумныеуплотнения снабжены при­нудительной системой смазки. К задней части камерыкрепится высоко­частотный ввод со съемным индуктором. На камере укрепленыустрой­ства датчика, предназначенного для работы в схеме контроля и автома­тическогорегулирования диаметра кристалла.
Сбоку камеры имеется фланец для присоединения к вакуумной си­стеме.Дверь камеры снабжена смотровым окном со светофильтром. В камере имеютсяустройства для подвода газа и лигатуры, при легиро­вании ее компонентами изгазовой фазы и устройства для крепления датчиков вакуума. На корпусе камерыкрепится блокировочное устрой­ство, фиксирующее закрытое положение двери.
Вакуумная система состоит из вакуумного затвора, отсекающегопаромасляный диффузионный насос от камеры; сорбционной ловушки, предназначеннойдля получения «чистого» вакуума; диффузионного на­соса и системы вентилей.Ловушка представляет собой металлический корпус, внутри которого расположенысменные поглотительные элемен­ты. По мере необходимости поглотительные элементыловушки могут быть подвергнуты регенерации без демонтажа. Вакуумную систему мож­ноприсоединить к централизованной форвакуумной системе. Кроме то­го, она можетработать от отдельного форвакуумного насоса.
Система водяного охлаждения установки обеспечивает охлаждение высокочастотноголампового генератора, печного блока и узлов ва­куумной системы.
5 Установка бестигельной зонной плавки с электронно-лучевымнагревом
Разновидностью установок такого типа является представленная нарис.-8 японская установка модели IEBZ-3B, в которой расплавле­ние зоны происходит в глубоковакуумированной камере в результате бомбардировки прутка обрабатываемогоматериала направленным ста­билизированным пучком электронов, создаваемымэлектронной пушкой с кольцевым катодом. Эту установку фирма рекомендуетиспользовать для бестигельной зонной плавки полупроводниковых материалов и туго­плавкихметаллов.
В комплект установки входят: печной агрегат, блок высоковольтно­гопитания, шкаф управления и форвакуумный насос. Печной агрегат состоит из рабочейкамеры, приводов верхнего и нижнего штоков, при­вода кольцевого катода,вакуумной системы и системы водяного охлаж­дения. Эти узлы смонтированы настоле, закрытом боковыми листами.
Рабочая камера — водо-охлаждаемая из нержавеющей стали, внутрькамеры встроена кольцевая электронная пушка, введены штоки с патро­нами-держателямистержня. На заднем торце камеры имеется патрубок для вакуумирования. На дверце камеры расположено вертикальноещелеобразное смотровое окно для наблюдения за процессом. Подлежащий очисткестержень 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 пере­мещениемэлектронной пушки. Скорость перемещения зоны зависит от материала и можетрегулироваться в пределах 0,2—2 и 2—20 мм/мин. Скорость холостого ходаэлектронной пушки составляет примерно 200мm/mиh.
Когда электронная пушка достигает крайнего верхнего положения,автоматически прекращается поток электронов, далее пушка опускается в исходноенижнее положение со скоростью холостого хода, после чего операция очисткивозобновляется. Эти повторяющиеся операции осуще­ствляются автоматически, дляэтого предусмотрено программное устрой­ство. Перемещение пушки может бытьприостановлено и вновь включено оператором на любом участке очищаемого слитка.
Заключение
Вращение очищаемого стержня осуществляется соответствующимимеханизмами вращения верхнего и нижнего штоков. Для достижения более полнойгомогенности материала при очистке конструкцией уста­новки в период рабочего ходапри образовавшейся расплавленной зоне допускается вращение верхней и нижнейчастей очищаемого стержня с различным числом оборотов; например, верхней соскоростью 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 процес­сеочистки, может быть, достигнут в течение 10 мин, после включения ва­куумнойсистемы. Система водяного охлаждения обеспечивает охлажде­ние анода электроннойпушки, верхнего и нижнего штоков, рабочей ка­меры и узлов вакуумной системы.Электрооборудование установки со­стоит из блока питания и контрольного блока, вкотором сосредоточены все схемы контроля регулирования и управления установкой.

Список использованных источников
 
1. Основыметаллургии, Т. 7. Технологическое оборудование предприятий цветнойметаллургии. Под редакцией  И.А. Стригина, А.И. Басова, Ф.П. Ельцева, А.В.Троцкого. «Металлургия», 1975. с.1008.

Содержание
 Задание                                                                                                                       1  Общие сведения                                                                                                        
2  Установки зоннойплавки в контейнерах                                                          3  Установки бестигельной зоннойплавки                                                            
4 Установка бестигельной зонной плавки с индукционным нагревом                
5 Установка бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом     
Заключение                                                                                                               19 Список использованныхисточников                                                                      
 

 Оборудование для зоннойплавки
 
1Общие сведения
Зонная плавка (очистка полупроводниковых материалов и редкихметаллов от примесей) основана на физических процессах разделения, преимуществокоторых состоит в том, что очистка протекает без исполь­зования каких-либореагентов, вносимых извне. Зонная плавка — кри­сталлизационный метод очистки —заключается в удалении примесей движущимся фронтом кристаллизации. Онаприменима для любого кри­сталлизующегося вещества, растворимость примесейкоторого в жидком и твердом состояниях различна.
При очистке слиток может находиться в горизонтальном или верти­кальномположении в соответствующем контейнере.
Простейшее устройство представляет собой горизонтальный кон­тейнер,в котором расположена лодочка с очищаемым веществом. Лодоч­ка проходит черезнагреватель, создающий расплавленную зону. Пере­мещаться может либо лодочкаотносительно неподвижного нагревателя, либо нагреватель относительнонеподвижной лодочки.
Бестигельную зонную плавку применяют для того, чтобы избежатьвзаимодействия очищаемого слитка с материалом контейнера и загряз­ненияматериала, которое может при этом происходить. Подлежащий очистке слитоквертикально помещают в камере, в которой создают ва­куум или необходимуюатмосферу. Нагреватель создает расплавленную зону, которая удерживается вслитке под действием сил поверхностного натяжения./> />
Рис. 1. Схемааппаратов для зонной очистки:
а – однозонный аппарат;   б — многозонный;   в — вертикальный;   г— бестигельный;   1 — кристал­лический материал; 2 — нагреватель; 3 — раснатяжения (иногда для поддержания зоны используется сжимающий эффект магнитногополя.)
В результате относительного движения нагре­вателя и слитка вдольоси последнего расплавленная зона перемеща­ется.
На рис. 1.показаны принципиальные схемы аппаратов для зон­нойочистки. Эффективность очистки процесса зонной плавки определя­ется величинойкоэффициента распределения (коэффициентом сегрега­ции). Коэффициентраспределения представляет собой определяющий фактор эффективности процессазонной плавки
/>       
где     К — коэффициент распределения;
Ств И Сж —концентрации примесей в твердой и жидкойфазах.
Процесс заключается в медленном движении расплавленной зоны вдольтвердого загрязненного (очищаемого) слитка. В результате этого большая частьпримесей перераспределяется по длине слитка, переме­щаясь к одному из егоконцов.
Метод зонной плавки широко применяют для глубокой очистки ме­таллов,полупроводниковых материалов и других веществ.
В практических целях для достижения максимальной эффективно­стипроцесса, кроме основного фактора — величины коэффициента рас­пределения,необходимо учитывать следующие важные факторы: длину зоны и скорость ееперемещения, степень перемешивания расплава в зоне, количество зон,одновременно расплавляемых в слитке, массоперенос, точное регулированиетемпературы, степень чистоты материалов аппаратуры и.реакционноевзаимодействие материала контейнера и рас­плавленного материала.
Длина зоны обычно зависит от физических свойств очищаемого ма­териала:точки плавления, теплоемкости, скрытой теплоты плавления, лучеиспускания итеплопроводности. Узкую расплавленную зону легче создать в материале, имеющемболее высокую температуру плавления и низкую теплопроводность по сравнению сматериалом, имеющим низкую температуру плавления и высокую теплопроводность.Обычно длина зо­ны составляет около одной десятой длины очищаемого слитка.
Скорость перемещения зоны зависит от коэффициента диффузиипримеси, 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 увеличитьскорость перемещения зоны. В тех случаях, когда имеется возможность перемещатьвдоль по слитку после­довательно несколько расплавленных зон, выгодно иметьминимальные промежутки между зонами. Величина их не влияет на последующее рас­пределениепримесей и определяется из практических условий.
При применении метода зонной очистки в результате измененияплотности (объема) вещества при расплавлении зоны происходит пере­нос веществаиз одного конца лодочки в другой. При одном проходе зо­ны это явлениемалозаметно, но при большом числе проходов материал перемещается настолькозначительно, что даже может вылиться через край лодочки. Для предотвращенияэтого необходимо наклонять лодоч­ку на некоторый угол, величину которого можноопределить практически и расчетом.
Точное регулирование температуры достигается применением соот­ветствующейзлектрорегулирующей аппаратуры, которой оснащены со­временные установки зоннойплавки.
 
2 Установки зонной плавки в контейнерах.
Установки горизонтальной зонной плавки по типу нагрева зон могутбыть с индукционным нагревом, нагревом сопротивлением и световым нагревом.Электроннолучевой нагрев не получил достаточного распро­странения в установкахзонной плавки горизонтального типа, но его применяют в установках бестигельнойзонной плавки. Внешний вид уста­новки горизонтальной зонной плавки с индукционнымнагревом пред­ставлен на рис. 2.
Для увеличения производительности созданы и работают установкиполунепрерывного процесса зонной плавки, при котором в длинной ка­мере (трубе)контейнеры-лодочки перемещаются непрерывной цепочкой относительно неподвижнорасположенных нескольких нагревателей. Для загрузки в камеру очередногоконтейнера с неочищенным материалом процесс не прерывают.
Другой способ увеличения производительности установок горизон­тальнойзонной плавки заключается в параллельном расположении большого числакамер-труб, в каждой из которых размещено по одной -две лодочки. Нагреватели,число которых равно числу камер-труб, смон­тированы в один блок, перемещающийсявдоль оси трубы. Камеры-тру­бы располагают или рядами (каждый по 6—7 труб), илив один-два ря­да (рис.3). Много трубные печи, в каждой трубе которых находятся1—2 лодочки, более перспективны, чем многозонные непрерывного дей­ствия, таккак обеспечивают получение более чистого материала.
Для создания стерильности процесса внутри камер поддерживаютглубокий постоянный вакуум или создают атмосферу некоторого избы­точногодавления или протока чистых инертных газов, что обычно спо­собствует удалениюлетучих примесей из расплавленной зоны.
Зонную плавку соединений с высокой упругостью паров их летучихкомпонентов, например фосфида или арсенида галлия, проводят в запа­яннойкварцевой ампуле, в которую помещают лодочку с очищаемым соединением. Дляуравновешивания давления паров летучего компонен­та, находящегося внутриампулы, необходимо создать противодавление на её наружные стенки.
/>
Рис. 2. Внешний вид установки горизонтальной зонной плавки
/>
Рис.3.Камеры-трубы установки горизонтальной зонной плавки
Кромесоздания расплавлен­ной зоны очищаемого мате­риала, требуется, созданотемпературный фон, позво­ляющий получить в ампуле над расплавленной зоной ат­мосферупаров летучего ком­понента и поддерживающий необходимое давление этих паров.Конструкция камер таких установок значитель­но усложняется, что связано снеобходимостью создания противодавления.   На рис. -4 приведен разрез камерыустановки (раз­работана «Гиредметом»), предназначенной для зон­ной плавкифосфида галлия. Камера представляет собой стальную толстостенную водоохлажда-емую трубу, тор­цы которой закрыты и уп­лотнены массивными водо-охлаждаемымикрышками с двумя полукольцами, вос­принимающими усилие внут­реннего давления.
/>
1- двигатель; 2-корпус камеры; 3- ампула; 4- термопара; 5- электропечь;
 6- фидер; 7- кварцеваятруба; 8- винт; 9- гайка.
Рис.-4. Разрез камерыустановки зонной плавки фосфида галлия.
Уплотни­тели выполнены в виде ко­лец круглого сечения. На­дежнаягерметичность дости­гается в результате самоуп­лотнения под действиемвнутреннего давления. Внут­ри камеры помещены две электропечи для нагрева ам­пулы.Между печами распо­ложен высокочастотный ин­дуктор, создающий расплав­леннуюзону. В левой крыш­ке, имеющей вытянутую форму, размещен двигатель (сельсин,приемник) с ме­ханизмом перемещения ам­пулы, который вставляется и извлекаетсячерез торец крышки, имеющей дополни­тельный уплотняющий разъ­ем.
 Гайка-ползун механизмаперемещения соединена сво­бодно с транспортирующей кварцевой трубой и пере­двигаетее вместе с ампу­лой.
 Ампулу вставляют иизвлекают через уплотняемое отверстие в пра­вой крышке. На боковой поверхностикорпуса камеры расположены люк для ввода индуктора и отверстия для токовводовфоновых электропе­чей, термопар, штуцеров для подачи и стравливания газа,предохрани­тельного клапана. На торце левой крышки имеется уплотняемый ввод дляпроводов электропитания сельсина-приемника (и штепсельный разъем от проводовсельсина-датчика).
 Все вводы в рабочуюкамеру так же, как и уплотнение крышек камеры, выполнены на принципе са­моуплотненияпод действием внутреннего давления.
Чтобы уменьшить влияние электромагнитных полей, термопары эк­ранируют,а опирали электропечей снабжают бифилярной намоткой. Для наблюдения запроцессом предусмотрены смотровое окно и устрой­ство для подсветки, облегчающееустановку ампулы в начале процесса. Конструкции электропечей выполнены такимобразом, чтобы можно было заменять нагреватели, не извлекая печей из камеры.Теплоизоля­ционные блоки, выполненные из асбестоцемента, помещенные у торцовпечей, компенсируют падение температуры. Полезная емкость камеры сведена кминимуму для уменьшения в ней конвективных токов сжато­го газа.
Рама установки выполнена в виде стола, закрытого листами. Столустановлен на четырех регулируемых по высоте опорах, придающих не­обходимыйугол наклона рабочей камере, смонтированной на столе. На столе размещенывентили для подачи и стравливания газа, осушитель газа, а внутри столасмонтированы коллектор водяного охлаждения ка­меры, подогреватель для линииподачи воды в индуктор. Внутри стола установлен также электропривод ссельсином-датчиком.
Вход и уплотнение вала привода перемещения ампулы в камеру вы­сокогодавления представляют конструктивные трудности, требуется значительноеувеличение мощности двигателя привода, чтобы преодо­леть трение в уплотнениикамеры. Это в свою очередь создает вредные вибрации камеры и ампулы с лодочкой.В тоже (время для перемеще­ния легкой ампулы с лодочкой практически необходиммаломощный, ки­нематический привод. Поэтому в описываемой конструкции примененсельсинный электропривод.
Сельсин-приемник вместе с механизмом перемещения помещен в рабочуюкамеру высокого давления, а сельсин-датчик и электродвига­тель для его вращениясмонтированы на отдельной плите. Сельсин-дат­чик передает синхронное вращениесельсин — приемнику и соединяется с ним через штекерный разъем.
Вращение сельсин — датчика осуществляется от электродвигателя по­стоянноготока, обороты которого плавно регулируются. Переключение ступеней редуктораобеспечивает рабочее и возвратное (ускоренное) пе­ремещение ампулы. Длянаблюдения за перемещением и положением ампулы относительно нагревателя зонывнутри закрытой камеры на сельсин — датчике смонтирован дублирующий механизм,аналогичный ме­ханизму перемещения ампулы. Ползун дублирующего механизма, имею­щийту же скорость, что и ползун механизма перемещения ампулы, сое­динен нитью суказателем перемещения ампулы, расположенным на пе­редней стороне стола.
В камере создается давление инертного газа, необходимое для пре­дотвращенияразрушения запаянной кварцевой ампулы под давлением паров летучего компонента.Газ поступает из баллона через редуктор, осушитель и игольчатый вентиль. Припомощи другого такого же венти­ля сбрасывают газ из камеры-
Осушка газа из баллона в осушителе необходима для предотвраще­нияконденсации влаги на витках индуктора и на смотровом стекле. Пос­ле пуска газав камеру и создания рабочего давления вентиль баллона  и вентиль впуска газа в камеру перекрывают. Приустановившемся про­цессе, когда температурный режим стабилизирован, давление вкамере остается постоянным. Размещенный внутри камеры индуктор можно подключитьв случае необходимости питания его теплой водой к водоподогревателю, чтоуменьшает конденсацию на индукторе паров влаги.
Для питания индуктора установку комплектуют высокочастотнымгенератором. В шкафах управления генератором и установкой содер­жится всянеобходимая электроаппаратура и приборы для управления установкой. Поддержаниеи запись температур фоновых электропечей осуществляют автоматически.
Система управления генератором основана на схеме, позволяющейосуществлять автоматическое поддержание заданной температуры в зо­невысокочастотного нагрева и запись ее при помощи электронного по­тенциометра.
Техническая характеристика установки для получениястехиометрических слитков фосфида галлия методом синтеза и зонной плавки влодочках «приведена ниже:
Размеры ампулы, мм:
диаметр…                    31
длина…                                 450
Длина лодочки, мм…                    200
Напрев зоны…                           Индукционный
Параметры нагрева:
частота, МГц…                     5,28
мощность, кВА:
колебательного контура    ….                        16
потребляемая из сети                                              40
Температура ‘расплавленной   зоны, °С    .             1550
          Напрев температурного фона    ….       Печи сопротивления
Число фоновых печей…                                     2
Максимальная  мощность    каждой печи.
КВт…                                     3
Температура печей, °С…                                    550; 900
Избыточное противодавление    инертного
газа в камере, ат   ………       До 35
Объем камеры высокого   давления, л    .                 32
         Скорость перемещения ампулы, мм/мин:
рабочего хода  …                                     0,12—0,85
холостого…                                    29
Ход ампулы с лодочкой, мм  …                   200
Масса агрегата, кг…                                    475
 
3 Установки бестигельной зонной плавки
 Преимущества бестигельной зонной плавки, позволяющие предот­вратитьвзаимодействие очищаемого слитка с материалом контейнера, привели к созданиюмногочисленных конструкций аппаратов и их широ­кому применению для исследованийи промышленных условий, в пер­вую очередь в производстве полупроводниковогокремния.
Наибольшее распространение получили установки бестигельной зон­нойплавки высокочастотным нагревом. Установки с электроннолучевым нагревомприменяют для производства особо чистых тугоплавких метал­лов и выращивания ихмонокристаллов. Эти способы нагрева позволяют достигать наибольшейнапряженности теплового поля и создать узкую расплавленную зону. При нагреветоками высокой частоты происходит интенсивное перемешивание на расплавленномучастке, способствующее ускорению диффузии примесей, в расплавленную зону.Имеются установ­ки бестигельной зонной плавки и с графитовым нагревателемсопротив­ления, а также со световым нагревом зоны.
/>
            Перемещение расплавленной зоны можно осуществлять двумя спо­собами,создавая поступательное движение нагревателя относительно неподвижного слиткаили слитка относительно неподвижного нагрева­теля. Это отражается наконструктивном оформлении функциональных узлов и механизмов печного блокаустановок.
В зависимости от технологических требований процесс бестигельнойзонной плавки можно проводить в ‘восстановительной атмосфере, в ат­мосфереинертного газа и в вакууме.
Принципиальная схема камеры установки бестигельной зонной плавки снеподвижным индуктором представлена на рис.5. Очи­щаемый стержень 5 спостоянным сечением,.полученный отливкой в форму, прессованием, выращиванием впроцессе восстановления или другими способами, помещают внутрь рабочей камеры 1так, чтобы он был охвачен индуктором 6, и укрепляют в строговертикальном положе­нии.    Рис. 5. Установка  бестигель­ной зонной плавки с неподвижным индуктором
Верхний (Конец стержня укрепляют в зажиме 4   
верхнего штока 3, а нижний конец — в зажиме 9 нижнегоштока 11. Зажимы, пружинящие цанги или патроныизготовляют из жаро­прочного материала, например молибде­на. Стерженьцентрируют внутри индук­тора.
Камера герметично закрывается дверцей 7, в которой имеетсясмотровое окно 8 для наблюдения за процессом. Смотровое окно выполняют,как правило, из прозрачного кварцевого стекла в виде вертикальной щели. Иногдаделают не­сколько круглых смотровых окон, распо­ложенных на дверце напротивстержня. Верхний шток 3 и нижний 11 соосны, этим штокамсоответствующими приводами со­общается вращение и синхронное посту­пательноеперемещение. Ввод штоков в камеру обеспечивается конструкцией гер­метичных,вакуумных уплотнений. Верх­ний шток, кроме того, имеет возможностьрегулировочного осевого перемещения, осуществляемого вручную или автомати­ческидля регулировки диаметра очищае­мого стержня растяжением или поджатиемрасплавленной зоны в процессе плавки.
Электропитание индуктора осуществ­ляется через уплотненный ввод 12.Рабо­чая камера подсоединяется к вакуумной системе через патрубок 13, размеркото­рого определяется условиями поддержа­ния в камере необходимого уровня оста­точногодавления, типом и размером ап­паратуры вакуумной системы. Для со­здания    в    рабочей   камере   атмосферы инертного или другоготехнологически необходимого газа предусмотре­ны вентиль и натекатели 10 и2.
Процесс очистки стержня бестигельной зоннойплавки осуществля­ется следующим образом. Стержень 5 перемещается вначальное поло­жение разогрева зоны, выключается привод перемещения штоков,двер­ца камеры закрывается, в камере создается предварительный вакуум. Послеподачи воды в систему охлаждения (к камере, штокам, дверце со смотровыми окнами,вакуумной системе) и регулировки расхода охлаж­дающей воды для обеспечениянужного слива с каждого места охлаж­дения вакуум в камере доводят до нужногоуровня и устанавливают не­обходимую мощность на нагревателе для разогреваслитка. Когда соз­дается расплавленная зона, включают привод перемещения ипривод вращения верхнего и нижнего штоков и осуществляют рабочий проходрасплавленной зоны вдоль очищаемого стержня. По окончании прохода зоны, по всейдлине стержня и «замораживания» зоны в конечном поло­жении возвращают стерженьв исходное положение, снова создают зону; процесс повторяют необходимое числораз.
Для получения в условиях бестигельной зоннойочистки стержней в виде монокристаллов требуется применять ориентированнуюмонокри-сталлическую затравку. В этом случае в последовательность действийоператора вносятся некоторые изменения. Стержень-заготовку укрепля­ют в зажимеверхнего штока и центрируют его относительно нагревате­ля, а ориентированнуюмонокристаллическую затравку укрепляют в зажиме нижнего штока. При этомвозникает необходимость сращивания в один стержень монокристаллической затравкии стержня. Поэтому выполняют все описанные выше операции до операции первичногорас­плавления зоны, стержень-заготовку перемещают относительно нагрева­теля в такоеположение, при котором создается капля расплава на его нижнем конце;разогревают и подводят к капле затравку. Далее про­цесс проводят так, как этоописано выше, если размер затравки равен размеру очищаемого стержня. Если жесечение монокристаллической затравки меньше сечения стержня, то необходимоосуществить разращивание переходного конуса под заданным углом до требуемогодиа­метра монокристалла. Далее процесс плавки проводят в обычном порядке.
 
4 Установка бестигельной зонной плавки синдукционным нагревом
Из ранее применяемых таких установок предпочтениеотдавалось аппаратам, в которых очищаемый стержень находился внутри кварце­войтрубы, 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 кварцевойтрубы охлаждалась непрерывной струей сжатого воздуха, поступавшего из кольцевойтрубы, перемещавшейся синхронно с индуктором, или омывалась стекающей понаружной стен­ке водой.
На рис. 6 показана одна из отечественныхконструкций — «Зона-1». Эта установка предназначена для получения калиброванныхмонокристаллических слитков кремния методом бестигельной зонной плавки.Установка автоматизирована.
 Техническаяхарактеристика установки для очистки и выращивания монокристаллов кремнияприведена 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    .   .                     До50
         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 высо­кочастотногогенератора. Печной агрегат (рис. -7) состоит из станины 1, на которойкрепятся все основные узлы печного блока, ниж­няя и верхняя каретки 2, 3, приводперемещения штоков 4, привод регу­лирования зоны 5, камера 6, вакуумнаясистема 7, регуляторы диаметра слитка 8, 9 и система охлаждения.
Массивная литая станина состоит из трех частей: основания, нижне­гои верхнего корпусов. Нижний и верхний корпусы имеют направляю­щие типа«ласточкин хвост», по которым перемещаются верхняя и нижняя каретки, несущиесоответственно верхний и нижний штоки. В станине расположены механизмыперемещения нижней каретки, механизм перемещения верхней и нижней кареток,а также ряд предаточныхмеханизмов.
 Механизм перемещения нижней каретки состоит изходового винта, установленного в двух подшипниках, и гайки плавающего типа.Корпус гайки соединен с подушкой, к которой крепится нижняя каретка.
Механизм перемещения верхнего штока состоит изходового винта, гайки, колонки и двух подшипниковых узлов. Гайка своим шпоночным выступом входит в паз колон­ки, соединенной в верхней час­ти с приводомрегулирования ширины зоны. Внутри колонки размещен ходовой винт. Ко­лонка иходовой винт установ­лены в подшипниковых узлах. При вращении колонки вместе сней вращается гайка ходово­го винта; этим создается диф­ференциальное движениеверх­ней 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 меха­низмарегулирования ширины расплавленной зоны.
Верхняя и нижняя каретки штоков конструктивно выпол­неныодинаково. Каждая из них состоит из литого корпуса, в котором крепится электро­двигатель,червячный редуктор и переходной вал со штоком. Шток вставляется в цилиндри­ческуюрасточку шпинделя и закрепляется зажимной цан­гой. Вращение штоку сообща­етсяэлектродвигателем через ременную и червячную переда­чи. Шток — водоохлаждаемый.Привод перемещения каре­ток штоков служит для верхне­го и нижнего штоков; этимобеспечивается синхронность их движения. Привод состоит из электродвигателя,редукто­ра и электромагнита, закреп­ленных на общей плите. Рабо­чее иускоренное перемещение кареток штоков осуществляет­ся от электродвигателя черезэлектромагнит зубчатой полу­муфты, расположенной внутри редуктора.
         Привод регулирования ширины зоны состоит изэлектродвигателя, редуктора и электромагнита, закрепленных на общей плите. Внижней части редуктора имеется муфта, переключаемая электромагнитом, чтопозволяет работать в автоматическом цикле. При отключении привода редукторможет работать от ручного механизма.
/>Рис. –7Печной агрегат установки «Зона-1»
При отключении привода редуктор может работать от ручногомеханизма. Привод крепится к верхней части станины так, что выходной валредуктора через муфту может быть соединен с колонкой механизма кареткиперемещения верх­него штока.
Рабочая камера состоит из корпуса и прямоугольной двери, корпус идверь камеры снабжены рубашками для водяного охлаждения. Герме­тичность двериобеспечивается прокладкой из вакуумной резины и ше­стью зажимами. Сверху иснизу камеры сносно крепятся стаканы с ва­куумными уплотнениями штоков. Вакуумныеуплотнения снабжены при­нудительной системой смазки. К задней части камерыкрепится высоко­частотный ввод со съемным индуктором. На камере укрепленыустрой­ства датчика, предназначенного для работы в схеме контроля и автома­тическогорегулирования диаметра кристалла.
Сбоку камеры имеется фланец для присоединения к вакуумной си­стеме.Дверь камеры снабжена смотровым окном со светофильтром. В камере имеютсяустройства для подвода газа и лигатуры, при легиро­вании ее компонентами изгазовой фазы и устройства для крепления датчиков вакуума. На корпусе камерыкрепится блокировочное устрой­ство, фиксирующее закрытое положение двери.
Вакуумная система состоит из вакуумного затвора, отсекающегопаромасляный диффузионный насос от камеры; сорбционной ловушки, предназначеннойдля получения «чистого» вакуума; диффузионного на­соса и системы вентилей.Ловушка представляет собой металлический корпус, внутри которого расположенысменные поглотительные элемен­ты. По мере необходимости поглотительные элементыловушки могут быть подвергнуты регенерации без демонтажа. Вакуумную систему мож­ноприсоединить к централизованной форвакуумной системе. Кроме то­го, она можетработать от отдельного форвакуумного насоса.
Система водяного охлаждения установки обеспечивает охлаждение высокочастотноголампового генератора, печного блока и узлов ва­куумной системы.
5 Установка бестигельной зонной плавки с электронно-лучевымнагревом
Разновидностью установок такого типа является представленная нарис.-8 японская установка модели IEBZ-3B, в которой расплавле­ние зоны происходит в глубоковакуумированной камере в результате бомбардировки прутка обрабатываемогоматериала направленным ста­билизированным пучком электронов, создаваемымэлектронной пушкой с кольцевым катодом. Эту установку фирма рекомендуетиспользовать для бестигельной зонной плавки полупроводниковых материалов и туго­плавкихметаллов.
В комплект установки входят: печной агрегат, блок высоковольтно­гопитания, шкаф управления и форвакуумный насос. Печной агрегат состоит из рабочейкамеры, приводов верхнего и нижнего штоков, при­вода кольцевого катода,вакуумной системы и системы водяного охлаж­дения. Эти узлы смонтированы настоле, закрытом боковыми листами.
Рабочая камера — водо-охлаждаемая из нержавеющей стали, внутрькамеры встроена кольцевая электронная пушка, введены штоки с патро­нами-держателямистержня. На заднем торце камеры имеется патрубок для вакуумирования. На дверце камеры расположено вертикальноещелеобразное смотровое окно для наблюдения за процессом. Подлежащий очисткестержень 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 пере­мещениемэлектронной пушки. Скорость перемещения зоны зависит от материала и можетрегулироваться в пределах 0,2—2 и 2—20 мм/мин. Скорость холостого ходаэлектронной пушки составляет примерно 200мm/mиh.
Когда электронная пушка достигает крайнего верхнего положения,автоматически прекращается поток электронов, далее пушка опускается в исходноенижнее положение со скоростью холостого хода, после чего операция очисткивозобновляется. Эти повторяющиеся операции осуще­ствляются автоматически, дляэтого предусмотрено программное устрой­ство. Перемещение пушки может бытьприостановлено и вновь включено оператором на любом участке очищаемого слитка.
Заключение
Вращение очищаемого стержня осуществляется соответствующимимеханизмами вращения верхнего и нижнего штоков. Для достижения более полнойгомогенности материала при очистке конструкцией уста­новки в период рабочего ходапри образовавшейся расплавленной зоне допускается вращение верхней и нижнейчастей очищаемого стержня с различным числом оборотов; например, верхней соскоростью 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 процес­сеочистки, может быть, достигнут в течение 10 мин, после включения ва­куумнойсистемы. Система водяного охлаждения обеспечивает охлажде­ние анода электроннойпушки, верхнего и нижнего штоков, рабочей ка­меры и узлов вакуумной системы.Электрооборудование установки со­стоит из блока питания и контрольного блока, вкотором сосредоточены все схемы контроля регулирования и управления установкой.

Список использованных источников
 
1. Основыметаллургии, Т. 7. Технологическое оборудование предприятий цветнойметаллургии. Под редакцией  И.А. Стригина, А.И. Басова, Ф.П. Ельцева, А.В.Троцкого. «Металлургия», 1975. с.1008.