CS213699B1 - Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení vysoce čistého materiálu, např. Křemíku, které je vhodné zejména pro velké průměry zpracovávaného ingotu. Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení obsahuje indukční soustavu, skládající se z hlavní ohřívací a pomocné stabilizační cívky připojené k témuž zdroji proudu, kde hlavní ohřívací cívka má nejméně dvě tvarově odliSné části, navazující na sobe spojitě v jedné rovině kolmé pa osu rotace ingotu, z nichž první část nebo části bližší k ose rotace ingotu mají tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu o poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu, zatímco druhá část nebo části mají tvar oblouku křivky se spojitě a monotonně se zvětšující vzdáleností od osy rotace ingotu, s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu, přičemž na obě čésti hlavní ohřívací cívky, jsou radiálně připojeny přívody.

Description

(54) Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení

Vynález se týká zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení vysoce čistého materiálu, např. Křemíku, které je vhodné zejména pro velké průměry zpracovávaného ingotu.

Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení obsahuje indukční soustavu, skládající se z hlavní ohřívací a pomocné stabilizační cívky připojené k témuž zdroji proudu, kde hlavní ohřívací cívka má nejméně dvě tvarově odliSné části, navazující na sobe spojitě v jedné rovině kolmé pa osu rotace ingotu, z nichž první část nebo části bližší k ose rotace ingotu mají tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu o poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu, zatímco druhá část nebo části mají tvar oblouku křivky se spojitě a monotonně se zvětšující vzdáleností od osy rotace ingotu, s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu, přičemž na obě čésti hlavní ohřívací cívky, jsou radiálně připojeny přívody.

313 63»

Oi». a

213 699

213 6.99

213 899

Vynález se týká zařízení pre vysokofrekvenční letmá pásmové tavení vysoce čistého materiálu, které je vhodné zejména pro velké průměry z praoovívaného ingotu.

K teplotnímu zpracování vysoce čistého materiálu, např. k výrobě monokrystalů polovodičového křemíku, se časté používá tzv. letmého pásmového tavení, kde zpracovávaný materiál ve tvaru obvykle válcovitého ingotu, upnutého v příslušné aparatuře, je místně taven za současného postupu taveného pásma ve směru podélné osy ingotu. K ohřevu slouží ohřívací indukční soustava., kterou protéká vysokofrekvenční proud a která obepíná roztavené pásmo v rovině kolmé k podélné ode ingotu. Konstrukce ohřívací indukční soustavy, zvláště pak tvar, rozměry a umístění hlavní ohřívací cívky vzhledem k tavenému ingotu mají rozhodující vliv na plynulost taveni, stabilitu roztaveného pásma a tvar krystalizačního rozhraní.

Je známa řada zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení, řešících problém stability taveného pásma. Dosud se v běžné praxi používá indukčních soustav s různě provedenými závity nakrátko, jejichž účinek spočívá v deformaci elektromagnetického pole. Následkem toho se teplo vyvíjí pouze v části ingotu, která je vymezena závity nakrátko a výsledSé snížení osové výšky pásma se projeví ve zlepšení jeho stability. Nevýhodou indukčních -eeustav se závity nakrátko je nízká účinnost, labilita při vyšších rychlostech posuvu taveného pásma a praktická nepoužitelnost pro průměry ingotů větší než 30 mm.

Déle jsou známa zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení, kde podobného Účinku jako u indukčních soustav se závity nakrátko se dosahuje pomocnými cívkami, napájenými v opačném smyslu z téhož zdroje proudem stejného kmitočtu jako hlavní ohřívací cívka. Pomocné cívky je možno rovněž napájet z pomocného zdroje proudem nižšího kmitočtu, kde se stabilizačního účinku dosahuje využitím podpůrných elektrodynamických sil. Nevýhodou obou těchto typů známých zařízení s pomocnými cívkami jě, kromě obdobných závad jako u indukčních soustav se závity nakrátko, i jejich poměrně složité konstrukce.

V poslední době se nejčastěji používá pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení velkých průměrů ingotu hlavních ohřívacích cívek obvykle kruhového tvaru nebo tvarů blízkých kruhovému, o vnitřním průměru menším až podstatně menším než je průměr taveného ingotu, s poměrem obou průměrů 1 : 1 až 1 : 2. íento typ zařízení využívá ke snížení výšky pásma, tudíž k zlepšení jeho stability, deformace elektromagnetického pole částí vlastního, taveného ingotu , tj. zdola kapalného pásma a shora taveného ingotu. Účinek je obdobný jako u výše uvedených indukčních soustavse závity nakrátko s tím rozdílem, že energie potřebné k deformaci elektromagnetického pole se současně využívá k vlastnímu tavení a použitelnost takovýchto zařízení se rozšiřuje pro větší průměry tavených ingotů. Ke zlepšení účinku se mnohdy používají i u těchto indukčních soustav pomocné cívky jako u výše uvedených zařízení.

I tato zařízení mají některé nevýhody, z nichž nejvážnější je sklon k tvorbě kroužků neroztaveného materiálu v roztaveném pásmu, které pásmo deformuji a po jejichž přetavení dochází k periodickému porušování rovnováhy vlivem zvýšení hydrostatického tlaku. Proces tvoření a opětného přetavování těchto kroužků je rušivý, nebol se tím tvar pásma neustále * mění, což znesnadňuje dodržování plynulého tavení zvláště při růstu monokrystalů. Další

213 699

2X3 B98 vážnou nevýhodou je tvorbo neroztavených vý/atupků, jež se při postupu roztaveného pásma přibližují k hlavní ohřívací cívce a při dotyku jsou zdroje· vysokofrekvenčních výbojů, jež mohou způsobit naprosté znehodnocení pásmové tavby.

Výše uvedené nedastatky dosud známých zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení jsou odstraněny zařízením podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že hlavní ohřívací cívka mé nejméně dvě tvarově odlišné části, navazující na sebe spojitě v jedné rovině kolmé na osu rotace ingotu, z nichž první část nebo části bližší k ose rotace ingotu má tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu o poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu, zatímco druhá čést nebo části má tvar oblouku křivky se spojitě a monotónně se zvětšující vzdáleností od osy. rotace ingotu, s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu, přičemž na obě části hlavní ohřívací cívky jsou radiálně připojeny přívody.

Tvarovým a funkčním rozlišením částí hlavní ohřívací cívky zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení podle vynálezu se docílí řízeného přenosu vysokofrekvenční isnergie.de roztaveného pásma a na tavený ingot v potřebném poměru odpovídajícím technologickému záměru. Tento poměr a těžiště působení vysokofrekvenční energie lze řídit, v závislosti na druhu tavby, průměru ongotu a rychlesti posuvu, poloměrem první topné části (částí) ohřívací cívky a délkou jejího oblouku ve vztahu k tvaru křivky druhé- natavovací části ohřívací cívky, což je významné zvláště k dosažení stabilního pásma a pro usměrňování tvaru krystalizačního rozhraní při tavbě sloužící k přípravě monokrystalů, zejména křemíku. Uspořádáním podle vynálezu je docíleno odstranění nebezpečí tvorby neroztavených výstupků a kraužků, vedoucích k vážným poruchám pásmového tavení.

Na výkresu jsou zobrazeny příklady základních provedení podle vynálezu. Na obr. 1 je základní teoreticky zdůvodněný tvar hlavní ohřívací cívky v půdorysů, na obr. 2 je praktic ký příklad uspořádání indukční soustavy s využitím základního tvaru hlavní ohřívací cívky podle obr. 1 v bokorysu, na obr. 3 je indukční soustava podle obr. 2 v půdorysu a na obr.

je její další alternativní provedení.

Hlavní ohřívací cívka (obr. 1) se skládá z první části I.tvořené obloukem půlkružnice se středem J!. o poloměru Ro, na který plynule navazuje druhá čést 2j tvořené obloukem spirály, vymezeným uhlem^ (180 °) funkce R sOtV*?.

Na obě čésti 1 a 2, navazují radiálně přívody 3. Podmínkou této konstrukce hlavní ohřívací cívky je platnost nerovnosti R^«=:Rp kde R^ je poloměr taveného válcového ingotu.

Na obr. 2 je zobrazena hlavní ohřívací Cívka opět sestavené z první části 1 ve tvaru půlkružnice a z druhé části 2 ve tvaru oblouku spirály funkce R =Λ vymezeného úhlem π. Na obě části _1, _2 jsou radiálně připojeny přívody 3. Paralelně k přívodům 3 hlavní ohřívací cívky je připojena pomocná stabilizační cívka 4 ve tvaru kruhu, která zvyšuje stabilitu roztaveného pásma 6 válcového ingotu 8. Vlivem tvaru druhé části 2 hlavní ohřívací cívky se vytvoří r,a borní části nastavení ingotu_8 odtokový kanálek 7«

Na obr. 3 je zobrazena indukční soustava podle obr. 2 v půdorysu, ve směru osy rotace ingotu, procházející středem S.

Na obr. 4 je příklad konstrukce indukční soustavy, kde hlavní ohřívací cívka se skládá

213 699

213 899 z ppvní části 1 ve tvaru půlkružnice se středem v ose rotace ingotu a druhé a třetí části 2, 2ve tvaru půlelipsy s délkau vedlejší pelaasy rovnau pelaměru půlkružnice a s délkau hlavní pelaasy revneu pelaměru tavenéha ingatu. Hlavní ohřívací cívka je přitem symetrické podle hlavní poloosy půlelipsy. Všechny části indukční soustavy jsou z důvadů chlazení v praxi vyrobeny např. z měděné trubky průměr 4 až 6 mm.

Zařízení pra vysokofrekvenční letmé pásmové tavení padle vynálezu obsahuje indukční soustavu, jejíž hlavní ohřívací cívka se skládá vždy z nejméně dvou tvarově a funkčně odlišných částí, z nichž první část 1 (nebo části) bližší ose rotace ingotu mé tvar kruhevéha oblouku o poloměru menším, poloměru taveného ingotu se středem v jeho ose rotace a obepíná nejužší část roztaveného pásma ve vzdálenosti 1 až 3 mm. Vlivem takte těsné vysokofrekvenční vazby slouží tato první část 1 převážně k předávání energie de roztaveného páama. Druhá část (nebo části) 2 hlavní ohřívací cívky, bezprostředně navazující na část první má tvar a velikost volenou empiricky nebo výpočtem ve vztahu k požadevanému tvaru na tavení rotujícího ingetu nad roztaveným pásmem 6a hlavní ohřívací cívkou. K_olmá vzdá; lenost druhé části 2 hlavní ohřívací cívky od tavenéhe ingotu 8 je malá a rovněž nepřekročí v žádném místě hodnotu 1 až 3 mm. Tato druhá část 2 je tedy velmi těsně elektricky vázána na tavený ingat 8 nad oblastí reztavéného pásma 6 a slouží především k přímému tavení rotujícího ingetu J3, zatímco vysokofrekvenční vazba de roztaveného pásma 6 je vlivem většího odstupu potlačena.

Tvarem druhé čésti 2 ohřívací cívky, jejíž vzdálenest od rotační esy ingotu 8 se spojitě zvětšuje až na vzdálenost poloměru ingotu_8, bylo docíleno nového účinku tím,že vli“ vem malé vzdálenosti od rotujícího taveného ingotu 8 dochází k místnímu tavení materiálu velkou intenzitou vysokofrekvenčního pole. Pgdle počtu těchto druhých částí 2_ se vytvoří ; nejméně jeden odtokový kanálek J_, kopírující tvar druhé části _2_cívky a odvádějící taveninu do roztaveného pásma jS.. Tento odtokový kanálek 7 se posouvá po natavené části ingotu £1, obvodovou rychlostí odpovídající rychlosti rotace 8. Rychlost natavování je nezávislé na j rychlosti posuvu roztaveného pásma 6 a lze ji řídit s ohledem na plynulé odtavovéní.

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení souose rotujícího ingotu vysoce čistého materiálu, zejména křemíku, jehož indukční soustava se skládá z hlavní ohřívací cívky a pomocné stabilizační cívky, připojené k témuž zdroji proudu, vyznačená tím, že hlavní ohřívací cívka má nejméně dvě tvarově odlišné části, navazující na sebe spajitě v jedné rovině kolmé na osu rotace ingotu, u nichž první část, (1) bližší k ose rotace ingotu (8) má tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu (8) a poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu (8), zatímco druhá část (2) má tvar oblouku křivky se spojitě a monotónně se zvětšující vzdáleností od osy rotace ingotu (8), s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu (8), přičemž na obě části (1, 2) hlavní ohřívací cívky, jsou radiálně připojeny přívody (3).

   213 699

   213 899
2. 2. Zařízení pre vysokofrekvenční letmé pásmové tavení podle bodu 1, vyznačené tím, že hlavní ohřívací cívka má dvě části (1, 2), z nichž první část (1), hližší k ose rotace ingotu (8), má tvar půlkružnice se středem v ose rotace ingotu (8), zatímco druhá část (2) má tvar oblouku křivky funkce R =£z/^vymezeného úhlemse středem otáčení rovněž v ose rotace ingotu (8).
3. 3. Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení podle bodu 1, vyznačené tím, že hlavní ohřívací ohřívací cívka má dvě části, z nichž první část (1) bližší k oso rotace ingotu (8) má tvar půlkružnice se středem v ose rotace ingotu (8), žatímco druhá část (2) mé tvar púlkuŽnice o poloměru délky aritmetického průměru první ičáeiid) a polaměru taveného ingotu (8), přičemž střed leží na přímce kolmo protínající osu rotace ingotu (8) a dělicí obě tvarově odlišné části (1, 2),hlavní ohřívací cívky.
4. 4. ^ařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení podle bodu 1, vyznačené tím, že hlavní ohřívací cívka má tři části, z nichž první část (1) nejbližSí k ose rotace ingotu (8) má tvar půlkružnice so středem v ose rotace ingotu, zatímco druhé a třetí část (2, 2*) je vo tvaru půlelipsy s délkou vedlejší poloosy rovnou poloměru půlkružnice a a délkou hlavní poloosy rovnou poloměru taveného ingotu (8), přičemž jo hlavní ohřívací cívka symetrická podle hlavní poloosy půlelipsy.