Зонная плавка

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  АГЕНТСТВО  ПО  ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет –УПИ

Кафедра “ Электротехника и электротехнологические  системы “

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Дисциплина: Электротехнологические установки и системы

 

Тема: Зонная плавка

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель 

 

Студент

Гр. 4 курс 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2008

 

 

Вакуумная и водородно-вакуумная плавки, а также плавка в инертных газах в индукционных печах получили широкое развитие в связи с открытием нового метода изготовления металлов высшей чистоты, получившего известность под названием зонной плавки. Зонную плавку можно использовать также для таких целей, как выращивание монокристаллов, создание тех или иных распределений концентрации веществ, как, например, выравнивания состава, создание градиентов концентрации и т. п.

Этот метод очистки металлов основан на том, что загрязняющие металл примеси неодинаково растворимы в твердой и жидкой фазах исходного материала и концентрируются в той части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь.

В отличие от известного метода очистки путем вытягивания монокристаллов из расплава, при котором предварительно расплавляется весь обрабатываемый металл, в случае зонной плавки в каждый данный момент существует лишь узкая расплавленная зона, медленно продвигающая вдоль горизонтально или вертикально расположенного слитка обрабатываемого металла. По мере перемещения расплавленной зоны жидкий металл обогащается примесями, оставляя позади очищенный затвердевающий металл. Каждый последующий проход способствует дополнительной очистке металла. В итоге основная часть примесей концентрируется в объеме, затвердевающем последним.

Путем применения нескольких последовательно расположенных нагревателей можно получить не одну, а несколько одновременно существующих расплавленных зон.

Степень очистки зависит от содержания примесей в исходном металле, числа проходов, различия растворимости примесей в твердой и жидкой фазах и от резкости границ зон.

Не во всех случаях примеси двигаются в направлении движения зоны жидкого металла. Примеси, которые повышают температуру плавления очищаемого металла, перемещаются  в направлении затвердевающего металла.

Важной характеристикой процесса разделения веществ при кристаллизации является коэффициент распределения К, представляющий собой отношение концентрации примесей в твердом и жидкой фазах (К=СТВ./СЖИДК.). Те примеси, которые имеют К<1, преимущественно концентрируются в расплаве и при зонной плавки уносятся расплавленными зонами в ту часть загрузки, где зоны заканчивают свое движение. Таким образом ведет себя большинство примесей. Примеси, имеющие К>1, при кристаллизации преимущественно концентрируются в твердой фазе, и в  результате многократной зонной плавки (расплавленные зоны продвигаются вдоль слитка много раз в одном направлении) этими примесями оказывается загрязнена та часть загрузки, откуда расплавленные зоны начинают свое движение.

На эффективность очистки существенно сказывается скорость движения зон. При повышенных скоростях примеси скапливаются в непосредственной близости от фронта кристаллизации и не успевают диффузионным путем равномерно распределиться  по всей расплавленной зоне (при К<1), тем самым эффективность процесса снижается. Практически скорости движения зон не превышает значений 0,1-2,0 мм/мин. Значительной интенсификации процесса зонной плавки удается достичь путем принудительного перемешивания расплава в зоне. Для этой цели лучше всего использовать электромагнитное перемешивание. Кроме того, для достижения глубокой очистки требуется, как правило, большое число проходов в одном направлении (от 10-15 до нескольких сот). При этом создается так называемое предельное распределение примесей, соответствующее наибольшей достижимой очистке.

Эффективному осуществлению очистки металлов методом зонной плавки значительно способствовало применение индукционного способа нагрева. При этом можно создать с помощью одного или нескольких рассредоточенных узких индукторов (рис.1) соответствующее число резко очерченных зон расплавленного металла, существующих одновременно. Перемешивание металла при индукционной плавке под воздействием электродинамических сил поля способствует равномерному распределению примесей в расплавленной зоне.

Процесс очистки может быть повторен без извлечения слитка из вакуумного сосуда, так как индуктор, пройдя до конца слитка, возвращается в исходное положение, после чего начинается следующий проход.

Индукционный нагрев позволяет осуществлять зонную плавку и при горизонтальном, и при вертикальном положении слитка в вакууме, так и в атмосфере инертных или восстановительных газов. Создание вакуума может вызвать разложение очищаемого вещества за счет испарения, что не желательно в случае зонной плавки разлагающихся соединений и благоприятно в случае очистки веществ от легколетучих примесей. Конденсация примесей на очищенных

участках устраняется током защитного газа, направленного в сторону движения расплавленных зон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Схема очистки металла методом зонной плавки:

а - германий, загрязненный примесями; б – начало зонной очистки; в – появление очищенного германия.

1 –примеси; 2 – индуктор; 3 – расплавленная зона; 4 – направление движения зоны; 5 – направление движения слитка; 6 – загрязненный конец слитка; 7 – очищенный германий.

 

 

При горизонтальном положении слитка металл помещается в тигель, имеющий форму лодочки, протягиваемый через один или несколько индукторов. Лодочки могут иметь поперечное сечение различной формы и изготовляются из металла, который не взаимодействует с очищаемым веществом и не содержит примесей, могущих загрязнить очищаемый материал. Например, при зонной плавке германия, сурьмы, алюминия и других используются лодочки из графита высокой чистоты, а при зонной плавке кремния, теллура, антимонидов и тому подобному – лодочки из плавленого кварца и так далее. Для уменьшения смачивания и сцепления внутренние стенки лодочки могут подвергаться специальной обработке или покрытиям. В ряде конструкций лодочка с металлом остается неподвижной, а перемещается индуктор. Вследствие различия удельных объемов веществ в твердом и жидком состоянии может происходить массоперенос вдоль загрузки, и для его предотвращения лодочкам придается определенный наклон. При вертикальном положении слитка плавка проводится без тигля. Слиток металла в виде стержня укрепляется в вертикальном положении. При малом диаметре стержня металл расплавленной зоны удерживается между двумя твердыми концами стержня благодаря силам поверхностного натяжения. Стабильность существования зоны зависит от величины поверхностного натяжения, а, следовательно, от диаметра образца. Поэтому для каждого металла существует определенная «критическая» величина диаметра стержня, при превышении которой удержание расплавленного зоны становится невозможным.

Процесс зонной плавки является малопроизводительным. Совершенствование, применяемое для зонной плавки аппаратуры, идет по пути сокращения продолжительности процесса. Для более полного использования нагревателей твердой загрузке придают форму разомкнутого кольца или спирали (рисунок 2) и перемещают вдоль загрузки одновременно несколько расплавленных зон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Схема зонной плавки слитка спиральной формы (вид с верху):

1 – твердая загрузка; 2 – нагреватель (расположен сверху); 3 – расплавленные зоны.

Стрелками указаны направления движения зон.

 

 Наиболее удачен вариант, при котором несколько нагревателей создают в слитке расплавленные зоны и медленно перемещают их все в одном направлении, а затем путем быстрого возвращения нагревателей в исходное положение расплавленная зона, «выпущенная» одним из нагревателей, «подхватывается» другим (зонная плавка с «подхватом») и продолжает продвигаться в том же направлении.

Зонная плавка с вертикально расположенными образцами применяется для химических активных металлов в тех случаях, когда необходимо исключить взаимодействие металла с тиглем.

Зонная плавка высокореакционных веществ ведется бестигельным методом: слиток располагается вертикально и закрепляется сверху и снизу; расплавленный участок такого слитка удерживается между твердыми участками силами поверхностного натяжения и может перемещаться вдоль слитка как вверх, так и вниз (метод «плавающей зоны»). Вращение твердых частей слитка относительно друг друга вокруг вертикальной оси обеспечивает перемешивание расплава в зоне. Если слиток снабжают продольными тонкостенными ребрами, неплавящимися вследствие большой теплоотдачи через них, то это создает дополнительную поддержку расплавленной зоне (метод зонной плавки «в клетке»). Кроме того, поддержка зоны иногда осуществляется путем использования взаимодействия индуцированных и индуктирующих токов или пропускаемого через слиток и зону тока с внешним магнитным полем (зонная плавка с магнитным подвешиванием).

Важным направления совершенствования процесса зонной плавки является создания непрерывных вариантов, отличительная способность, которых – отсутствие необходимости периодически загружать и разгружать контейнер. В настоящее время предложено два способа осуществления подобных процессов.

При зонно–пустотном методе (рисунок 3) материал входе самой зонной плавки перемещается в вертикально расположенных колоннах за счет создания «пустот» (полостей) в месте вывода очищенного продукта и движения этих полостей к месту подачи питающего материала.

При движении нагревателя снизу вверх над полостью происходит плавление материала, а под расплавленной зоной - кристаллизация. За один проход нагревателя происходит перемещение материала сверху вниз колонны на размер полости. В месте вывода загрязненного продукта происходит слив обогащенной  примесями расплавленной зоны. При дальнейшем продвижении

нагревателя вверх идет процесс проплавления пробки из твердой загрузки, полость барботирует через расплав в питателе, и соответствующее количество загрузки поступает в колонну. Количество материала в питателе требуется пополнить. По колонне одновременно передвигается несколько создаваемых нагревателями расплавленных зон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Схема аппарата для непрерывной «зонно-пустотной» плавки:

1 - нагреватель; 2 - расплавленная зона; 3 - полость; 4 - питание аппарата; 5 - выпуск чистого продукта; 6 - выпуск обогащенного примесями продукта.

Стрелками указано направление движение зон (снизу вверх).

 

 

При зонно-транспортном методе (рисунок 4) используется способность расплавленной зоны перемещать материал, если содержащий его контейнер находится в наклонном положении. Движущая сила создается за счет разности уровней твердой загрузки, поступающей в зону, и кристаллизирующейся зоны. Контейнер представляет собой продолговатый лоток с отверстиями на каждом конце. Через отверстия для отбора очищенного материала происходит слив зоны, когда нагреватель начинает продвижение расплавленной зоны вдоль лотка. Загрязненный материал сливается через отверстия в противоположном конце лотка, когда нагреватель заканчивает продвижение  зоны. Питание аппарата осуществляется в наивысшей точке лотка, чтобы движение материала происходило в противоположных направлениях от этого места.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. Схема аппарата для непрерывной «зонно-транспортной» плавки:

1 – нагреватель; 2 – расплавленная зона; 3 – питание аппарата; 4 – выпуск чистого продукта; 5 – выпуск обогащенного примесями продукта.

Стрелками указано направление движения зон.

 

 

Методы зонной плавки пригодны для очистки многих металлов, но особенно широкое распространение он получил для изготовления полупроводников (германия и кремния) недостижимой ранее степени чистоты. Были получены металлы, содержание не более одного атома примеси на 1010 атомов основного металла.

Метод зонной плавки применяется также для выравнивания распределения введенной в чистый полупроводник полезной примеси, например, сурьмы или индия. Для получения необходимой электропроводности заданного типа примесь вводится в очень небольшом количестве, примерно, один атом на 108 атомов германия или кремния.

Впервые зонная плавка была применена в связи с необходимостью глубокой очистки таких полупроводниковых элементов, как германий и кремний, которые к тому же требовалось получить в монокристаллическом виде. Затем этот метод был использован для очистки других элементов и соединений, нашедших применение в полупроводниковой технике. В настоящее время для удовлетворения потребностей электро- и радиотехники, атомной энергетики и других областей науки и производства применение зонной плавки значительно расширилось. Почти для всех полупроводников и металлов, а также многих неорганических и органических соединений зонная плавка позволила успешно вести очистку от примесей.

Зонная плавка пока представляет собой лабораторный метод, который все чаще используется как крупно-лабораторный, однако ему, очевидно, предстоит стать и промышленным методом. При этом должны быть решены многие задачи интенсификации автоматического регулирования этого процесса.