PL101295B1 - Urzadzenie do prowadzenia beztyglowego topienia strefowego krystalizujacych pretow,zwlaszcza pretow polprzewodnikowych - Google Patents

Description

OPIS PATENTOWY Pitcnt dodatkowy do patentu A , Zglotzono: 07.05.75 (P. 180244) Pierwszenstwo: 27,05.74 Republika Federalna Niemiec Zgloszenie ogloszono: 11.09.76 Opia patentowy opublikowano: 31.03.19792 JI01 295 okreslonego materialu krystalicznego, np. krzemu. Wystarcza to do osiagania celu przy beztyglowym topieniu strefowym pretów homogenicznych. Gdy jednak stósujesie"beztyglowe"topienie strefowe do obróbki pretów o niehomogenicznej srednicy i/lub z materialu o jakosci niehomogenicznej, to nie pozostaje nic innego wedlug obecnie znanego stanu techniki, jak zmiana nastawy czestotliwosci, generatora na wyjsciu i/lub stopnia sprzezenia podczas prowadzenia topienia strefowego. Nie jest to jednak korzystne ze wzgledu na chwiejny stan mechaniczny strefy topienia, gdyz moze to doprowadzic bardzo latwo do niepozadanych zmian strefy topienia ' lub nawet do jej sciekania kroplami. Przy topieniu strefowym pretów krzemowych przede wszystkim takich, / których srednica jest wieksza od 50 mm, zakres obciazenia, który nalezy przekroczyc od przylepienia (koniecz¬ nego dla monokiystalicznego wzrostu krzemu wykrystalizowujacego sie ze stopionej strefy) monokrystalicznego zarodka do znacznie wiekszej srednicy preta, poprzez szyjke butelkowa i polaczony z nia stozek z czescia preta laczaca sie z zarodkiem o wiekszej srednicy preta, jest bardzo duzy.Tuwlasnie wystepuje zadanie znalezienia dla szeregu faz przejsciowych obszaru topienia odpowiednich nastaw czestotliwosci generatora i/lub sprzezenia ilastosowania_b_ez_uszkodze_nia, bardzo w tyrn stame wrazliwego^obszaru topienia. Znane jest z niemieckiego opisu patentowego RFN nr 1076623 urzadzenie do beztyglowego topienia strefowego pólprzewodnikowych pretów za pomoca grzejnego wzbudnika indukcyjnego, znajdujacego sie w komorze strefowego topienia, gdzie umieszczony zostaje pret pólprzewodnikowy trzymany za oba konce i przesuwany wzdluz osi wzbudnika, który wytwarza w precie lokalna strefe topienia. Doprowadzenie energii elektrycznej nastepuje tu przez dwa lub wiecej koncentrycznie wzgledem siebie polozone przewody rurowe izolowane wzgledem siebie, które do komory strefowego topienia wprowadzane sa gazoszczelnie przezjej scianki.Przestrzen miedzy zewnetrzna a srodkowa rura, jak równiez kanal w wewnetrznej rurze, moga byc wykorzystane do doprowadzania i odprowadzania cieklego czynnika chlodzacego. Wada tego rozwiazania jest umieszczenie kondensatora w komorze strefowego topienia, co powoduje, ze jest on dodatkowym zródlem zanieczyszczen dla obwodu drgajacego.Znany jest równiez z niemieckiego opisu wylozeniowego RFN nr 2308136 sposób wykonywania koncen¬ trycznych doprowadzen pradowych przy urzadzeniach do strefowego topienia za pomoca grzejnych wzbudników w procesie beztyglowego topienia strefowego. Przestrzen przewodu trójrurowego miedzy mra zewnetrzna a srodkowa, oraz wewnatrz rury wewnetrznej moze byc wykorzystana na doprowadzenie i odprowadzenie czynnika chlodzacego, który jednoczesnie przeplywa przez wzbudnik grzejny.Polozono tutaj nacisk na to, ze przewodem chlodzonym jest polaczenie do wzbudnika, a nie polaczenie miedzy generatorem wysokiej czestotliwosci i obwodem drgajacym, zawierajacym wzbudnik. W znanym sposobie bezposredniego polaczenia z grzejnym wzbudnikiem wystepuja znaczne straty termiczne.Celem wynalazku jest przezwyciezenie tych problemów i konstrukcja urzadzenia, które wyeliminuje dotychczasowe wady znanych urzadzen.Zadanie to zostalo rozwiazane przez to, ze elementy lacz znajdujace sie miedzy wyjsciem z generatora wysokiej czestotliwosci i wzbudnikiem grzejnym zawierajacym rezonansowy obwód grzejny sa wyposazone co najmniej w przewód wysokiej czestotliwosci wykonany w postaci kabla wspólosiowego posiadajacy kanal do przeprowadzania czynnika chlodzacego.Przewód wewnetrzny przewodu wysokiej czestotliwosci jest naciagniety jako plecionka metalowa, zwlaszcza plecionka miedziana o ksztalcie ponczochy, na kanal chlodzacy wykonany w postaci rury falistej z materialu nieferromagnetyczr ?go, np. tombaku.Co najmniej jeden element sprzezenia sluzacy do sprzezenia przewodu wielkiej czestotliwosci i/lub rezonansowego obwodu grzejnego wlaczonego do wzbudnika grzejnego na kanal chlodzacy lub jest umieszczony w kanale chlodzacym. .Kanaly chlodzace kabla wysokiej czetotliwosci i co najmniej jednego elementu sprzegajacego sa polaczone szeregowo w stosunku do strumienia chlodzacego.Przedmiot wynalazku jess uwidoczniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat elektryczny urzadzenia wedlug wynalazku, fig i - szczególnie korzystne uksztaltowanie przewodu wysokiego napiecia, a fig. 3 korzystne rozwiazanie chlodzeni elementów sprzezenia znajdujacych sie miedzy wyjsciem generatora i grzejnym obwodem rezonansowym. Nalezy przy tym zauwazyc, ze elementy grzejnego obwodu rezonansowego i/lub obwodu wyjsciowego generatora wysokiej czestotliwosci moga byc równiez chlodzone.Zgodnie z fig. 1 wyjsciowy obwód rezonansowy 2 generatora wysokiej czestotliwosci 1 znanego typu jest wykonany jako obwód rezonansowy z regulowana nastawa czestotliwosci wyjsciowej. W przedstawianym przykladzie zastosowano tak zwane polaczenie Hartley'a, w którym prad anodowy Ja moze byc odczytywany na przyrzadzie umieszczonym miedzy anoda i katoda lamp elektrycznych generatora. Czestotliwosc wyjsciowa101 295 3 nastawia sie za pomoca wyposazonego w regulowana pojemnosc kondensatora 2a wyjsciowego obwodu rezonansowego 2. Sprzezenie grzejnego obwodu rezonansowego skladajacego sie ze wzbudnika 7 i polaczonego z nim równolegle kondensatora 6 nastepuje poprzez kabel wielkiej czestotliwosci "57 "element sprzegaja^ indukcyjny lub pojemnosciowy, który przepuszcza szerokie pasmo czestotliwosci, jak równiez przez cewke rozsprzegajaca 3, która twofzy ze wzbudnikiem 2b wyjsciowego obwodu rezonansowego 2 generatora wysokiej czestotliwosci 1 translator lub transformator z regulowanym stopniem sprzezenia. Pret pólprzewodnikowy 8 topiacy sie strefowo, zwlaszcza pret krzemowy jest otoczony wzbudnikiem 7, w sposób pierscieniowy, zwlaszcza wspólosiowy i jest utrzymywany w znany sposób, we wnetrzu naczynia do topienia strefowego na swoich koncach w pozycji pionowej.Przy rozpoczynaniu beztyglowego topienia strefowego w celu wytwarzania monokrystalicznych pretów krzemowych wolnych od przemieszczen sieci wytwarza sie pierwsza strefe topienia, na granicy miedzy monokiys- talicznym zarodkiem i pretem krzemowym, który ma byc przeprowadzony w monokrysztal."Srednica zarodka krysztalu jest zwykle wielokrotnie mniejsza niz srednica preta podlegajacego przetopieniu. Dlatego tez przewiduje sie stopniowe przejscie srednicy strefy topienia od zarodka krysztalu do preta, który ma byc przetopiony, nadajac mu w celu ulatwienia tego, stozkowe zwezenie na koncu, zwlaszcza na dolnym koncu, przeznaczonym do przetapiania. Poniewaz srednica wzbudnika 7 pozostaje niezmieniona, nastepuje znaczna zmiana indukcji wzajemnej w precie krzemowym przeznaczonym do topienia miedzy wzbudnikiem 7 i pretem krzemowym podczas przesuwania strefy topienia od granicy do zarodka krysztalu. ( Jak to latwo stwierdzic, . indukcja wzajemna i sprzezenie preta 8 ze wzbudnikiem 7 zwieksza sie ze wzrostem srednicy preta 8). Wywoluje to znaczne zmiany pr^jiu 1 wytwarzanego w strefie topienia,jak to wynika z nastepujacej przyblizonej zaleznosci: l_ -iwM « U -w2M2 +(Rt +iLi)(Ra + iL, -_L) wC2 która obowiazuje dla przypadku dwóch czesto indukcyjnie sprzezonych obwodów pradowych, przez które przeplywa prad przemienny, przy czym pojemnosc jednego z obwodów pradowych moze byc pominieta. (W zaleznosci tej M oznacza indukcyjnosc wzajemna miedzy pretem, a wiec strefa topienia i wzbudnikiem, Ri - opór omowy strefy topienia, Li - samoindukcje strefy topienia, R3 - calkowity opór omowy istniejacy miedzy elementem wytwarzajacym sile elektromotoryczna, to jest miedzy generatorem wysokiej czestotliwosci 1 a elementami przenoszacymi, na pret 8, L* - calkowita samoindukcje, Ca- calkowita pojemnosc tych elemen¬ tów, U = Uceiwt napiecie wysokiej czestotliwosci wytwarzane w generatorze 1, w — czestotliwosc drgan* wlasnych obwodu, i —jednostke urojona, e — liczbe Eulera). Podobna, ale skomplikowana zaleznosc obowiazuje równiez dla przetwarzanej w strefie topienia mocy czynnej.Od wartosci M, Li iRi zalezy nie tylko prad w strefie topienia, ale równiez prad w elementach przenoszacych oraz tam przetwarzana moc. Równiez i tu zaleznosc jest nieco bardziej skomplikowana od zaleznosci wyzej przytoczonej w zwiazku z czym zrezygnowano zjej przytaczania. Nalezy przy tym stwierdzic, ze straty w elementach przenoszenia, a wiec przede wszystkim w kablu wysokiej czestotliwosci 5 beda rosly z malejaca wartosciaM. x W celu przeciwdzialania mozna za pomoca ciaglej regulacji sprzezenia grzejnego obwodu rezonansowego starac sie o to, aby zapewnic optymalny punkt roboczy, zwlaszcza na stronie pojemnosciowej grzejnego obwodu rezonansowego w kazdym momencie procesu w ten sposób, ze zostanie zahamowane nadmierne wytwarzanie sie ciepla w elementach przenoszenia, przede wszystkim w kablu wysokiej czestotliwosci 5. Okazalo sie jednak z drugiej strony, ze tego rodzaju regulacja sprzezenia jest klopotliwa i równiez bezpieczna dla mechanicznej stabilnosci stopionej strefy.Dlatego proponuje sie wedlug wynalazku, aby przy danym zakresie czestotliwosci generatora 1 regulacja elementów sprzezenia 3 i 4 byla tak obliczona, zeby przenoszenie optymalne przy minimalnym wytwarzaniu ciepla w elementach przenoszacych 3, 4 i 5 wystepowalo wtedy, gdy strefa topienia przesuwa sie w miejscach r preta krzemowego, które maja swoja normalna srednice. Ta nastawa winna byc utrzymana równiez wtedy,gdy strefa topienia jest wytwarzana w miejscach o srednicy rózniacej sie, zwlaszcza na przejsciu miedzy zarodkiem krysztalu i pretem normalnym. W celu unieszkodliwienia wytwarzajacego sie ciepla w szczególnej ilosci w elementach lacz 5 i ewentualnie 4 i 3 w ukladzie wedlug wynalazku, chlodzi sie skutecznie te elementy lacz, które sluza do przenoszenia energii.Nadajacy sie do stosowania w urzadzeniu do przeprowadzania beztyglowego topienia strefowego kabel wysokiej czestotliwosci jest nizej opisany i w oparciu 6 fig. 2. Jego dlugosc jest znacznie krótsza niz jedna czwarta dlugosci fal, które naleza do drgan elektrycznych wytwarzanych z generatora 1.4 101 295 Rdzen kabla 5 typu koncentrycznego jest wykonany w postaci rury falistej tworzacej przewód chlodzacy 10 ze sprezystego metalu nieferromagnetycznego, np. ze stopu miedzianego, jak tombak. Pofalowanie przewodu 10, jego srednice i grubosc sciany dobiera sie tak, aby byla zapewniona wystarczajaca gietkosc. Przykladowo grubosc sciany wynosi 0,1 do 0,2 mm, odstep sasiednich wierzcholków fal lub zaglebien fal wynosi 0,5 cm a srednica 1,2 cm. Ma ten przewód chlodzacy 10 jest nawinieta w sposób scisly plecionka w rodzaju ponczochy wykonana z cienkich drutów miedzianych (które sa ewentualnie posrebrzone) tak, ze plecionka 11 tworzaca wewnetrzny przewód kabla 5 jest utrzymywana na wierzcholku rury falistej 10 w bezposrednim styku z rura falista 10, przez która przeplywa czynnik chlodzacy 15. Znajdujacy sie miedzy przewodem wewnetrznym 11 i koncentrycznie do niego zlozonym przewodem zewnetrznym 12, wykonanym z cienkiej plecionki miedzianej, zas warstwy izolacyjne 13 i 14 pokrywajace przewód zewnetrzny 12 sa wykonane na przyklad z poliestrofluoro- etylenu lub polietylenu albo z polistyrenu wzglednie z tworzywa sztucznego. Moze ona byc nalozona w postaci .nawinietej tasmy. Wymiary przewodów i warstw izolacyjnych kabla 5 musza zapewniac niezbedna gietkosc.Dlatego nadaje sie warstwom izolacyjnym 13 i 14 grubosc sciany rzedu 03 do 0,6 cm. Na stronie zewnetrznej kabel 5 ma uziemiajacy ekran 9 w postaci plecionki metalowej lub metalizowanej.Podczas eksploatacji przez rure falista 10 przeplywa plynny lub gazowy czynnik chlodzacy 15. Moze go stanowic np. woda chlodzaca doprowadzana z wodociagu lub z pompy. Moze ewentualnie okazac sie korzystne stosowanie gazu chlodzacego dostarczanego z chlodziarki.Gdy glówna czesc wytworzonego ciepla straconego powstaje równiez w kablu wysokiej czestotliwosci 5, to nalezy sie liczyc z tym, ze równiez w cewce wyjsciowej i w elemencie sprzegajacym 4 nastapi znaczne wytworzenie ciepla przy odchyleniu sie srednicy strefy topienia od jej normalnej wartosci. Przewidziano chlodzenie równiez i tych elementów, chociaz niejest ono tak krytyczne, jak przy kablu 5. Proponuje sie w tym przypadku zastosowanie wspólnego dla wszystkich elementów kanalu chlodzacego w rodzaju pokazanego na fig.3. ' , Element sprzegajacy 4 sklada sie z wzbudnika Lk, jesli stan eksploatacji ma odpowiadac ukladowi punktu roboczego „w" na stronie indukcyjnej krzywej rezonansowej, i z pojemnosci, jesli stan eksploatacji ma odpowiadac ukladowi punktu roboczego „w" na stronie pojemnosciowej krzywej rezonansowej. Poniewaz drugi przypadek jest stosowany przede wszystkim, na fig. 3. przedstawiono element sprzegajacy 4 w postaci kondensatora Ck. Jest to np. wytrzymaly na przebicie ceramiczny kondensator wspólosiowy.Przewód wewnetrzny 16 kondensatora sprzegajacego Ck tworzy równoczesnie sciane zbiornika, przez który przeplywa czynnik chlodzacy 15 i jest oddzielony od przewodu zewnetrznego 18 kondensatora cienka warstwa 17 z dielektrycznego, zwlaszcza ceramicznego materialu. I tu jest korzystny dielektryk o malych stratach. Czynnik chlodzacy 15 jest doprowadzany do zbiornika chlodzacego kondensatora Ck przez rure 20, a odprowadzany przez rure 19.Cewka rozsprzegajaca 3 jest ze wzgledu na strumien czynnika chlodzacego 15 oraz ze wzgledów elektrycznych, polaczona szeregowo poprzez rure 20 wykonana z materialu przewodzacego. Drugi przewód 18 kondensatora Ck dochodzi do jednego z przewodów, w uwidocznionym przykladzie dochodzi do przewodu zewnetrznego 12 kabla wysokiej czestotliwosci 5. Cewka rozsprzegajaca 3 skladajaca sie ze zwijanej rury miedzianej jest ze wzgledów elektrycznych jak i ze wzgledu na strumien czynnika chlodzacego polaczona szeregowo z przewodem wewnetrznym kabla 5, utworzonym z rury falistej 10 i plecionki metalowej 11. Dlatego tez rury przeprowadzajace czynnik chlodzacy sa wykonane z dobrze przewodzacego materialu np. Cu.Rura falista 10 kabla 5 oLzymuje doplyw swiezego czynnika chlodzacego na koncu skierowanym do cewki rozsprzegajacej 3. Moze on ewentualnie byc doprowadzany przez kondensator 6 grzejnego ukladu rezonanso¬ wego, który wtedy jest uksztaltowany tak, jak kondensator Ck oraz jest polaczony przez dodatkowa rure z koncem rury falistej 10 zwróconym do cewki rozsprzegajacej 3. Gdy zamiast kondensatora sprzegajacego dla elementu sprzezenia stosuje sie indukcyjnosc sprzegajaca Lk, to moze ona byc uksztaltowana podobnie jak cewka rozsprzegajaca 3, w postaci zwinietej rury, przez która przeplywa czynnik chlodzacy 15. Jednak odwrotnie niz cewka rozsprzegajaca 3 nie jest ona sprzezona z cewka t wodu rezonansowego 2b generatora 1.Cewka rozsprzegajaca 3 jest na przyklad umieszczona wspólsrodkowo do cewki obwodu rezonansowego 2b na wyjsciu generatora 1 i moze byc przesuwana osiowo. W wyniku tego sprzezenia miedzy cewka rozsprzegajaca 3 i cewka obwodu rezonansowego 2b, a w zwiazku z tym sprzezenie grzejnego obwodu rezonansowego zawierajacego wzbudnik 7 z generatorem wysokiej czestotliwosci 1 ulega regulacji w okreslony sposób.Zakres czestotliwosci wyjsciowej generatora 1 i pozycje cewki rozsprzegajacej 3 ustawia sie korzystnie tak, aby prad staly na anodzie Ja, lampy wyjsciowej w generatorze 1 mial wartosc okolo 10 do 20% nizsza od101 295 5 wartosci maksymalnej, jesli stopiona strefa w precie krzemowym 8 zostala calkowicie utworzona w czesci preta o normalnej srednicy. Takie nastawienie wymaga doswiadczenia, co mozna osiagnac po kilku próbach a nastepnie przeniesc na analogiczne warunki pracy. Gdy strefa topienia odbiega od normalnych warunków, to zmiana rozsprzegania przy stosowaniu urzadzenia wedlug wynalazku nie jest konieczna, gdyz nagrzewajace sie silnie w eksploatacji czesci skladowe sa skutecznie zabezpieczone przed przegrzaniem. ~ ~ PL

Claims (1)

1. Zastrzezenie patentowe Urzadzenie do prowadzenia beztyglowego topienia strefowego krystalizujacych sie pretów, zwlaszcza pretów pólprzewodnikowych, w którym wytwarza sie stopiona strefe na obrabianym precie za pomoca elektromagnetycznego wzbudnika grzejnego wykonanego w postaci preta zwinietego pierscieniowo z okreslonym odstepem umocowanego na swoich koncach, przy czym wzbudnik grzejny zostal uzupelniony przez równolegle podlaczony kondensator do elektrycznego rezonansowego obwodu grzejnego, a rezonansowy Obwód grzejny jest zasilany poprzez przewód wielkiej czestotliwosci i co najmniej jeden nastawny element sprzegajacy z generatora wysokiej czestotliwosci wytwarzajacego napiecie zmienne o regulowanej czestotliwosci, znamienne tym, ze elementy lacz znajdujace sie miedzy wyjsciem generatora wysokiej czestotliwosci (1) i wzbudnikiem grzejnym zawierajacym elektryczny rezonansowy obwód grzejny sa wyposazone co najmniej w przewód wysokiej czestotliwosci, wykonany w postaci kabla wspólosiowego, majacy kanal przeprowadzajacy strumien czynnika chlodzacego (15), przy czym przewód wewnetrzny przewodu wysokiej czestotliwosci jest naciagniety jako plecionka metalowa, zwlaszcza plecionka miedziana o ksztalcie ponczochy, na kanal chlodzacy wykonany w postaci rury falistej z materialu nieferromagnetycznego, np. tombaku, a ponadto co najmniej jeden element sprzezenia sluzacy do sprzezenia przewodu wysokiej czestotliwosci i/lub rezonansowego obwodu grzejnego wlaczonego do wzbudnika grzejnego ma kanal chlodzacy lub jest umieszczony w kanale chlodzacym, a kanaly chlodzace kabla wysokiej czestotliwosci (5) i co najmniej jednego elementu sprzezenia sa polaczone szeregowo w stosunku do strumienia chlodzacego.101 295 Figi c^. If^p- iSt' Rg.2 -10 ii-^f^ / 7 t / l /^r t^^w „--''' ' ' ' ', ' -^^12 9 5 Fig.3 I. ^4F Sn \ ,19 ii t--_-_-Jjfl5 ^^^AXliJLAtf -16 -17 ~1B Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120+18 Cena 45 zl PL