JP3610729B2 - ヒーター電極構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素グラファイト製のヒーターを備えた工業炉における前記ヒーターの電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素グラファイト製のヒーターを用いる各種の工業炉（溶解炉や金属熱処理炉等）において、その電源部（電極構造）は、前記ヒーターと導電性金属をねじ結合させる形態となっている。この形態では、ヒーター側は電気抵抗が大きく発熱量が多いため、非常に高温になる。この高温により前記導電性金属が溶損しないように、通常導電性金属の内部には冷却水通路が形成されている。
【０００３】
ここで、従来のヒーター電極構造の具体例を説明する。図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、単結晶引上装置の炉（例えばＣＺ炉）内に配置されるヒーターの一例の平面図および正面図、図４は図３のヒーターの電極部の拡大図である。
先ず、図３に示すように、炭素グラファイト製のヒーター１０４はほぼ円筒状のものであり、その下端部の相対向する部位には、ヒーター１０４の外方へ突出する一対の突出部１，２が一体的に設けられている。また、ヒーター１０４には、その上方および下方から交互に切り込まれて上下方向に延びる複数のスリット３が設けられている。これにより、前記一対の突出部１，２に電圧を印加すると、ヒーター１０４に図３（ｂ）中矢印で示すように電流が流れる。
【０００４】
次に、図４に示すように、ヒーター１０４の電極部の構成については、ヒーター１０４の突出部１には貫通孔１ａが形成されており、この貫通孔１ａには、炭素グラファイト製の中間電極（電極部）６のねじ部６ａ（上端部）が挿入されている。そして、このねじ部６ａにはナット７が螺合されて突出部１に結合されている。中間電極６には、耐熱性に優れ、また結晶汚染の可能性が小さい炭素グラファイトが用いられている。中間電極６の下端部にはめねじ６ｂが形成され、このめねじ６ｂには、導電性金属電極５のおねじ５ａがねじ込まれている。導電性金属電極５は、その上端よりおねじ５ａ、フランジ部５ｂおよび小径の本体部５ｃから構成されている。また、導電性金属電極５の内部にはその軸方向に延びるような冷却水通路５ｄが形成されている。なお、導電性金属電極５は、例えば銅、銅合金あるいはステンレス等により形成される。
【０００５】
前記中間電極６の下端は、導電性金属電極５のフランジ部５ｂの上面に面接触している。また、前記小径の本体部５ｃは、単結晶引上装置の炉（チャンバ）１０２の底部（チャンバーベース）１０２ａを貫通しており、前記本体部５ｃが前記底部１０２ａに接触しないように、絶縁材料で形成されたスリーブ４が前記底部１０２ａに嵌め込まれている。ヒーター１０４の他の突出部２の電極構造は、一方の突出部１の電極構造と同一である。上記の構成により、一対の導電性金属電極５（１つの電極は不図示であり、一方は陽極、他方は陰極）間に電圧を印加させて、ヒーター１０４に所定の電流（例えば１５００アンペア）を流すことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したヒーター電極構造において、中間電極６（炭素グラファイト製）および導電性金属電極５（例えば銅製）において、種々の物性（例えば熱膨張係数、電気抵抗率、熱伝導度）が大きく異なるので、電極部の温度分布は複雑なものとなる。また、近年、前記単結晶引上装置の炉は益々大型化しており、これに伴い、電極部も大型化している。
このように、電極部の部材（中間電極６および導電性金属電極５）間の温度差に起因して、電極部が小型のときには問題にならなかった部材間の熱膨張差が、中間電極６を破壊するまで大きくなっている。
【０００７】
この現象について考察すると、図４に示すように、中間電極６と導電性金属電極５との熱膨張差が大きく（炭素グラファイトの線膨張係数は０．６〜４．４×１０−６、銅の線膨張係数は１６．６×１０−６）、通常導電性金属電極５の膨張率は中間電極６のそれよりも大きいが、導電性金属電極５を水冷しているので、導電性金属電極５の温度は中間電極６の温度よりも十分に小さくなり、結果的に、中間電極６の伸びは導電性金属電極５のそれよりも相対的に大きくなる。このため、中間電極６のめねじ６ｂの谷に沿ってクラック（ひび割れ）８が発生し、このクラック８が中間電極６の径方向へ成長する。このようなクラック８の成長に起因して、下記のような現象が確認された。特に、単結晶の大型化に伴い、大径の電極構造では、温度分布や変形分布の差が大きく、この現象が顕著になる。
【０００８】
すなわち、このクラック８が生じた部分では導電性金属電極５から中間電極６へ電流が流れなくなり、中間電極６の電流を通す部分の面積が小さくなる。この電流を通す部分の面積が小さくなるに伴い（電流密度の増加）、その部分が異常に高温になる。これにより、冷却水通路５ｄ内の冷却水の温度が上昇し、一部が沸騰を始め、冷却水通路５ｄの上部に水蒸気膜又は水蒸気による空間が生じ、冷却効果の著しく低下した部分を生じる。このような状態でヒーター１０４への通電を継続させると、一対の導電性金属電極５の冷却水に直接接していない部位の冷却効率が低下し、溶損を起こすと考えられる。導電性金属電極５が溶損すると、冷却水通路５ｄ内の冷却水が水蒸気となり中間電極６を破壊し、チャンバ１０２内に吹き出て、汚染されることになる。なお、前記のような溶損が生じると、条件によっては水蒸気爆発を引き起こす可能性もある。
【０００９】
ここで、径方向の熱膨張差について考察すると、前記おねじ５ａおよび前記めねじ６ｂが互いに螺合して拘束されている状態で、中間電極６の長さが導電性金属電極５の長さよりも長くなろうとすると、導電性金属電極５のおねじ５ａによって中間電極のめねじ６ｂに力が作用し、この力はねじ面垂直分力として作用してねじ高さのモーメントとして、めねじ６ｂの谷に応力が発生する。また、軸方向の熱膨張差による力もやはりめねじ６ｂの谷に応力集中が発生する。したがって、上記のようにめねじ６ｂの谷からクラック８が生じるのである。なお、おねじ５ａの複数の山がめねじ６ｂに均等に接触している場合には、前記ねじ面垂直分力は相互に打ち消し合って、めねじ６ｂの谷に作用する応力は小さいが、軸方向の膨張差により前記接触が不均一の場合には、前記応力は増大する。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、工業炉において、炭素グラファイト製のヒーターの電極部へのクラック発生を未然に防止して、前記電極部に螺合する導電性金属電極の溶損を未然に防止することのできるヒーター電極構造を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、炭素グラファイト製のヒーターの電極部と、冷却水通路を有する導電性金属電極とがねじ結合されてなるヒーター電極構造において、
前記ねじ結合のおねじの谷に溝が形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、他の発明は、ねじのピッチをＰとすると、めねじの谷の丸みの半径が０．１０８２５Ｐ〜０．１４４３４Ｐに設定されているとともに、これに対応して、前記おねじの外径が前記めねじの谷と干渉しないように規格よりも小さく設定されているものである。
【００１３】
上記請求項１の発明の作用としては、炭素グラファイト製のヒーターの電極部（中間電極）と導電性金属電極とに熱膨張差が生じた場合に、導電性金属電極が撓み易くなるので、ねじ結合におけるおねじの各ねじ山が小さい力でめねじに均等に接触するので、めねじの谷に発生する応力は局所的に増大することはなく、結果的に、クラックが発生しにくくなる。また、おねじの各ねじ山がめねじに均等に接触するので、各接触部において電流が均等に流れるとともに、温度も不均一にならない。
【００１４】
請求項２の作用としては、めねじの谷の丸みの半径ｒは０．１０８２５Ｐ（Ｐはねじのピッチ）以上であるので、めねじの谷の強度が十分に高まるとともに、この谷の応力集中を緩和できる。なお、半径ｒが増大すると、めねじの谷がおねじに干渉しなように、おねじの外径を規格よりも小さくする必要がある。したがって、前記半径ｒを０．１４４３４Ｐ以下とすることが好ましい。これにより、おねじの外径が極端に小さくなりすぎず、おねじの山とめねじとの接触面積を十分に確保できて、ねじ結合の強度が極端に低下しない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態例について図面を参照して説明する。
先ず、本発明のヒーター電極構造が適用される単結晶引上装置について説明する。図２は、特開平４−３０５０９１号公報に記載されている、ＣＭＣＺ法（連続チャージ型磁界印加ＣＺ法）を用いたシリコンの単結晶引上装置の一例の概略図である。なお、以下に説明する実施形態では、単結晶引上装置のヒーター電極構造に本発明を適用した例を示すが、これに限らず、本発明は、炭素グラファイト製のヒーターを使用する一般的な工業炉（例えば金属熱処理炉や溶解炉等）ヒーター電極構造にも適用できる。
【００１６】
この単結晶引上装置１０１は、中空の気密容器であるチャンバ（炉）１０２内に二重ルツボ１０３、上述したヒーター１０４（図３参照）、原料供給管１０５がそれぞれ配置され、前記チャンバ１０２の外部にマグネット１０６が配置されている。
【００１７】
二重ルツボ１０３は、略半球状の石英（ＳｉＯ２）製の外ルツボ１１１と、該外ルツボ１１１内に設けられた円筒状の仕切り体である石英（ＳｉＯ２）製の内ルツボ１１２とから構成され、該内ルツボ１１２の側壁には、内ルツボ１１２と外ルツボ１１１との間（原料融解領域）と内ルツボ１１２の内側（結晶成長領域）とを連通する連通孔１１３が複数個形成されている。
【００１８】
この二重ルツボ１０３は、チャンバ１０２の中央下部に垂直に立設されたシャフト１１４上のサセプタ１１５に載置されており、前記シャフト１１４の軸線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。そして、この二重ルツボ１０３内には半導体融液（加熱融解された半導体単結晶の原料）１２１が貯留されている。
【００１９】
ほぼ円筒状のヒーター１０４は、半導体の原料をルツボ内で加熱・融解するとともに生じた半導体融液１２１を保温するもので、通常、抵抗加熱ヒーターが用いられる。原料供給手段としての原料供給管１０５は、その下端開口より、所定量の半導体の原料１１０を外ルツボ１１１と内ルツボ１１２との間の半導体融液１２１面上に連続的に投入するものである。
【００２０】
上記の原料供給管１０５から供給される原料１１０としては、例えば、多結晶シリコンのインゴットを破砕機等で破砕してフレーク状にしたもの、あるいは、気体原料から熱分解法により粒状に析出させた多結晶シリコンの顆粒が好適に用いられ、必要に応じてホウ素（Ｂ）（ｐ型シリコン単結晶を作る場合）やリン（Ｐ）（ｎ型シリコン単結晶を作る場合）等のドーパントと呼ばれる添加元素がさらに供給される。
また、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の場合も同様で、この場合、添加元素は亜鉛（Ｚｎ）もしくはシリコン（Ｓｉ）等となる。
【００２１】
上記の単結晶引上装置１０１により、内ルツボ１１２の上方かつ軸線上に配された引上軸１２４にチャック（不図示）を介して種結晶１２５を吊下げ、引上軸１２４をその軸線回りに回転させつつ引上げるとともに、シャフト１１４を介して二重ルツボ１０３を上昇させて、半導体融液１２１上部において種結晶１２５を核として半導体単結晶１２６を成長させる。
【００２２】
ところで、上記の単結晶引上装置では、特開昭６３ー３０３８９４号公報に記載されているように、単結晶を成長する前工程において、外ルツボ１１１に予め多結晶シリコン塊等の多結晶原料を融解させて半導体融液１２１を貯留し、外ルツボ１１１の上方に配された内ルツボ１１２を、外ルツボ１１１内に載置して、二重ルツボ１０３を形成している。
【００２３】
このように多結晶原料を融解後に二重ルツボ１０３を形成するのは、多結晶原料を完全に融解して半導体融液１２１を得るために、ヒーター１０４によって外ルツボ１１１内の原料を単結晶成長温度以上の温度まで高温加熱する必要があり、この際に、予め内ルツボ１１２を外ルツボ１１１内に形成させていると、内ルツボ１１２に大きな熱変形が生じてしまうからである。
【００２４】
したがって、原料を完全に融解した後、ヒーター１０４による加熱をある程度弱めてから内ルツボ１１２を外ルツボ１１１に形成させることによって、初期原料融解保持時の高温加熱を避け、内ルツボ１１２の変形を抑制している。
【００２５】
また、内ルツボ１１２に形成された連通孔１１３は、原料供給時に、半導体融液１２１を外ルツボ１１１側から内ルツボ１１２内にのみ流入させるように一定の開口面積以下に設定されている。この理由は、結晶成長領域から半導体融液１２１が対流により原料融解領域に戻る現象が生じると単結晶成長における不純物濃度および融液温度等の制御が困難になってしまうためである。
【００２６】
次に、本実施形態のヒーター電極構造の特徴部について、図１を参照して説明する。
本実施形態の電極構造は、一例としてＭ４８のメートル並目ねじを改良し、このＭ４８の特殊ねじを、炭素グラファイト製の中間電極６（ヒーター１０４の電極部）のめねじ６ｂおよび導電性金属電極（銅電極）５のおねじ５ａに採用したものである。
すなわち、Ｍ４８のメートル並目ねじの基準寸法は、ＪＩＳ規格によれば以下の通りである。
【００２７】
本実施形態のねじの改良点の第１としては、銅電極５のおねじ５ａの谷９の全域において溝１０が形成されていることである。これにより、銅電極５が撓み易くなるので、おねじ５ａの各ねじ山が小さい力でめねじ６ｂに均等に接触し、めねじ６ｂの谷１１に発生する応力は局所的に増大せず、結果的に、クラックが発生しにくくなる。また、おねじ５ａの各ねじ山がめねじ６ｂに均等に接触するので、各接触部において電流が均等に流れるとともに、温度も不均一にならない。
【００２８】
この溝１０は、例えばおねじ５ａを成形する際に転造により形成したり、あるいは切削加工により形成することができる。なお、溝１０の深さＦおよび高さｈはそれぞれ、１．５ｍｍとなっているが、これに限定されない。なお、前記深さＦとは、溝１０の奥端とめねじ６ｂの山１２との距離をいう。
【００２９】
詳述すると、実験により、溝１０の深Ｆおよび高さｈをそれぞれ、１．５〜２ｍｍ，１．２〜２ｍｍの範囲内に設定することが好ましいと判明した。すなわち、溝１０の深さＦが２ｍｍよりも大きいと、図示しない冷却水通路のスペースを確保できなくなり、一方、溝１０の深さＦが１．５ｍｍよりも小さいと、上記撓み効果を期待できないからである。
また、溝１０の高さｈが２ｍｍよりも大きいと、おねじ５ａのねじ山の総表面積が小さくなって、めねじ６ｂとの結合力が小さくなり、一方、溝１０の高さｈが１．２ｍｍよりも小さいと、上記撓み効果を期待できなくなる。
【００３０】
本実施形態のねじの改良点の第２としては、炭素グラファイト製の中間電極６のめねじ６ｂの谷１１の丸みの半径ｒが、０．１４４３４Ｐ＝０．７２２に設定されているとともに、これに対応して、おねじ５ａの外径がＪＩＳ規格の４８．０ｍｍより小さく設定され、本例では約４６．９（ｍｍ）になっている。
詳述すると、めねじ６ｂの谷１１の丸みの径ｒは、前記谷１１がおねじ５ａと干渉しないようにするため、一般には０．０７２１７Ｐ＝０．３６１ｍｍ以下であるが、本例では実験により半径ｒを０．１０８２５Ｐ〜０．１４４３４Ｐの範囲内に設定することが好ましいと判明した。これに応じて、めねじ６ｂの谷１１がおねじ５ａと干渉しないように、おねじ５ａの山の頂点とＨの基準点との距離ａは１．５Ｈ／８〜２Ｈ／８の範囲に設定され（ＪＩＳ規格ではＨ／８）、本例では２Ｈ／８を採用し、したがって、おねじ５ａの外径は、４８．０−２Ｈ／８≒４６．９（ｍｍ）に設定されている。
【００３１】
以上のように、本実施形態では、めねじ６ｂの谷１１の丸みの半径ｒは、０．１０８２５Ｐ以上であるので、めねじ６ｂの谷１１の強度が十分に高まるとともに、応力集中を緩和できる。また、前記半径ｒを０．１４４３４Ｐ以下とすることが好ましい。これにより、おねじ５ａの外径Ｄが極端に小さくならず、おねじ５ａの山とめねじ６ｂとの接触面積を十分に確保できて、ねじ結合の強度が極端に低下しない。
【００３２】
上記実施形態では、炭素グラファイト製の中間電極６にクラックが発生しにくくなるので、導電性金属電極５から中間電極６への電流供給は、互いに一様に接触した接触面を介して行われて、従来のような電流の局所的な集中が発生しない。したがって、導線性金属電極５内部の冷却水通路内の冷却水の温度が過度に上昇せずに沸騰せず、冷却水通路の上部に水蒸気による空間が生じない。結果的に、導電性金属電極５はその冷却水通路内の冷却水により効率的に冷却され、このような状態でヒーター１０４（図２参照）への通電を継続させても、導電性金属電極５の溶損が起こらない。このように溶損が起こらないので、冷却水がチャンバ１０２（図２参照）内に吹き出ず、汚染されないとともに、水蒸気爆発を確実に防止できる。
【００３３】
上記実施形態では、中間電極６および導電性金属電極５にそれぞれ互いに螺合するめねじおよびおねじが形成されているが、逆でもよい。この場合、導電性金属電極５の先端部を冷却する手段としては、例えば、導電性金属電極５の先端部の外周面に螺旋状の冷却水通路を形成し、さらに前記先端部にスリーブを被せることが挙げられる。
また、上記実施形態におけるねじ結合としては、メートル並目ねじを適用したが、これに限らず、インチ並目並目ねじやメートル細目ねじを適用してもよい。さらに、ねじの呼びは、本例のようなＭ４８に限らず、ヒーター１０４（図２参照）の重量やヒーター１０４に通電する電流値等によって適宜選択する。
そして、ＣＭＣＺ法の単結晶引上装置を示したが、本発明を他の単結晶製造方法に適用しても構わない。例えば、磁界印加を行わない連続チャージ型ＣＺ法（ＣＣＺ法）を採用したり、二重ルツボではなく１つのルツボを備えた単結晶引上装置でもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したとおりに構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
請求項１に記載の発明は、工業炉において、炭素グラファイト製のヒーターの電極部にクラックが発生しにくくなるので、導電性金属電極（例えば銅電極）から発熱体への電流供給は、互いに一様に接触したねじ接触面を介して行われて、従来のような電流の局所的な集中が発生しない。したがって、導電性金属電極内部の冷却水通路内の冷却水の温度が過度に上昇せずに沸騰せず、冷却水通路の上部に水蒸気による空間が生じない。結果的に、導電性金属電極はその冷却水通路内の冷却水により効率的に冷却され、このような状態でヒーターへの通電を継続させても、導電性金属電極の溶損が起こらない。
したがって、本発明を例えば単結晶引上装置に適用すると、導電性金属電極の冷却水がチャンバ内に吹き出ず、汚染されないとともに、水蒸気爆発を確実に防止できる。また、ヒーターを、上記のように溶損しない導電性金属電極により確実に支持できて、ヒーターが崩れない。
【００３５】
請求項２に記載の発明は、上記効果の他、めねじの谷の応力集中に対する強度が向上するので、前記クラックの発生をさらに確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒーター電極構造の一実施形態例の縦断面図である。
【図２】特開平４−３０５０９１号公報に開示されている、ＣＭＣＺ法を用いたシリコンの単結晶引上装置の概略断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ図２に示したヒーターの一例の平面図、正面図である。
【図４】従来のヒーター電極部の拡大図である。
【符号の説明】
１，２ 突出部
１ａ，２ａ 貫通孔
３ スリット
４ スリーブ
５ 銅電極（導電性金属電極）
５ａ おねじ
５ｂ フランジ部
５ｃ 本体部
５ｄ 冷却水通路
６ 中間電極（発熱体）
６ａ ねじ部
６ｂ めねじ
７ ナット
８ クラック
９ おねじの谷
１０ 溝
１１ めねじの谷
１０１ 単結晶引上装置
１０２ チャンバ
１０２ａ 底部
１０３ 二重ルツボ
１０４ ヒーター
１０５ 原料供給管
１０６ マグネット
１１０ 原料
１１１ 外ルツボ
１１２ 内ルツボ
１１３ 連通孔
１１４ シャフト
１１５ サセプタ
１２１ 半導体融液
１２４ 引上軸
１２５ 種結晶
１２６ 半導体単結晶
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素グラファイト製のヒーターを備えた工業炉における前記ヒーターの電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素グラファイト製のヒーターを用いる各種の工業炉（溶解炉や金属熱処理炉等）において、その電源部（電極構造）は、前記ヒーターと導電性金属をねじ結合させる形態となっている。この形態では、ヒーター側は電気抵抗が大きく発熱量が多いため、非常に高温になる。この高温により前記導電性金属が溶損しないように、通常導電性金属の内部には冷却水通路が形成されている。
【０００３】
ここで、従来のヒーター電極構造の具体例を説明する。図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、単結晶引上装置の炉（例えばＣＺ炉）内に配置されるヒーターの一例の平面図および正面図、図４は図３のヒーターの電極部の拡大図である。
先ず、図３に示すように、炭素グラファイト製のヒーター１０４はほぼ円筒状のものであり、その下端部の相対向する部位には、ヒーター１０４の外方へ突出する一対の突出部１，２が一体的に設けられている。また、ヒーター１０４には、その上方および下方から交互に切り込まれて上下方向に延びる複数のスリット３が設けられている。これにより、前記一対の突出部１，２に電圧を印加すると、ヒーター１０４に図３（ｂ）中矢印で示すように電流が流れる。
【０００４】
次に、図４に示すように、ヒーター１０４の電極部の構成については、ヒーター１０４の突出部１には貫通孔１ａが形成されており、この貫通孔１ａには、炭素グラファイト製の中間電極（電極部）６のねじ部６ａ（上端部）が挿入されている。そして、このねじ部６ａにはナット７が螺合されて突出部１に結合されている。中間電極６には、耐熱性に優れ、また結晶汚染の可能性が小さい炭素グラファイトが用いられている。中間電極６の下端部にはめねじ６ｂが形成され、このめねじ６ｂには、導電性金属電極５のおねじ５ａがねじ込まれている。導電性金属電極５は、その上端よりおねじ５ａ、フランジ部５ｂおよび小径の本体部５ｃから構成されている。また、導電性金属電極５の内部にはその軸方向に延びるような冷却水通路５ｄが形成されている。なお、導電性金属電極５は、例えば銅、銅合金あるいはステンレス等により形成される。
【０００５】
前記中間電極６の下端は、導電性金属電極５のフランジ部５ｂの上面に面接触している。また、前記小径の本体部５ｃは、単結晶引上装置の炉（チャンバ）１０２の底部（チャンバーベース）１０２ａを貫通しており、前記本体部５ｃが前記底部１０２ａに接触しないように、絶縁材料で形成されたスリーブ４が前記底部１０２ａに嵌め込まれている。ヒーター１０４の他の突出部２の電極構造は、一方の突出部１の電極構造と同一である。上記の構成により、一対の導電性金属電極５（１つの電極は不図示であり、一方は陽極、他方は陰極）間に電圧を印加させて、ヒーター１０４に所定の電流（例えば１５００アンペア）を流すことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したヒーター電極構造において、中間電極６（炭素グラファイト製）および導電性金属電極５（例えば銅製）において、種々の物性（例えば熱膨張係数、電気抵抗率、熱伝導度）が大きく異なるので、電極部の温度分布は複雑なものとなる。また、近年、前記単結晶引上装置の炉は益々大型化しており、これに伴い、電極部も大型化している。
このように、電極部の部材（中間電極６および導電性金属電極５）間の温度差に起因して、電極部が小型のときには問題にならなかった部材間の熱膨張差が、中間電極６を破壊するまで大きくなっている。
【０００７】
この現象について考察すると、図４に示すように、中間電極６と導電性金属電極５との熱膨張差が大きく（炭素グラファイトの線膨張係数は０．６〜４．４×１０−６、銅の線膨張係数は１６．６×１０−６）、通常導電性金属電極５の膨張率は中間電極６のそれよりも大きいが、導電性金属電極５を水冷しているので、導電性金属電極５の温度は中間電極６の温度よりも十分に小さくなり、結果的に、中間電極６の伸びは導電性金属電極５のそれよりも相対的に大きくなる。このため、中間電極６のめねじ６ｂの谷に沿ってクラック（ひび割れ）８が発生し、このクラック８が中間電極６の径方向へ成長する。このようなクラック８の成長に起因して、下記のような現象が確認された。特に、単結晶の大型化に伴い、大径の電極構造では、温度分布や変形分布の差が大きく、この現象が顕著になる。
【０００８】
すなわち、このクラック８が生じた部分では導電性金属電極５から中間電極６へ電流が流れなくなり、中間電極６の電流を通す部分の面積が小さくなる。この電流を通す部分の面積が小さくなるに伴い（電流密度の増加）、その部分が異常に高温になる。これにより、冷却水通路５ｄ内の冷却水の温度が上昇し、一部が沸騰を始め、冷却水通路５ｄの上部に水蒸気膜又は水蒸気による空間が生じ、冷却効果の著しく低下した部分を生じる。このような状態でヒーター１０４への通電を継続させると、一対の導電性金属電極５の冷却水に直接接していない部位の冷却効率が低下し、溶損を起こすと考えられる。導電性金属電極５が溶損すると、冷却水通路５ｄ内の冷却水が水蒸気となり中間電極６を破壊し、チャンバ１０２内に吹き出て、汚染されることになる。なお、前記のような溶損が生じると、条件によっては水蒸気爆発を引き起こす可能性もある。
【０００９】
ここで、径方向の熱膨張差について考察すると、前記おねじ５ａおよび前記めねじ６ｂが互いに螺合して拘束されている状態で、中間電極６の長さが導電性金属電極５の長さよりも長くなろうとすると、導電性金属電極５のおねじ５ａによって中間電極のめねじ６ｂに力が作用し、この力はねじ面垂直分力として作用してねじ高さのモーメントとして、めねじ６ｂの谷に応力が発生する。また、軸方向の熱膨張差による力もやはりめねじ６ｂの谷に応力集中が発生する。したがって、上記のようにめねじ６ｂの谷からクラック８が生じるのである。なお、おねじ５ａの複数の山がめねじ６ｂに均等に接触している場合には、前記ねじ面垂直分力は相互に打ち消し合って、めねじ６ｂの谷に作用する応力は小さいが、軸方向の膨張差により前記接触が不均一の場合には、前記応力は増大する。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、工業炉において、炭素グラファイト製のヒーターの電極部へのクラック発生を未然に防止して、前記電極部に螺合する導電性金属電極の溶損を未然に防止することのできるヒーター電極構造を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、炭素グラファイト製のヒーターの電極部と、冷却水通路を有する導電性金属電極とがねじ結合されてなるヒーター電極構造において、
前記ねじ結合のおねじの谷に溝が形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、他の発明は、ねじのピッチをＰとすると、めねじの谷の丸みの半径が０．１０８２５Ｐ〜０．１４４３４Ｐに設定されているとともに、これに対応して、前記おねじの外径が前記めねじの谷と干渉しないように規格よりも小さく設定されているものである。
【００１３】
上記請求項１の発明の作用としては、炭素グラファイト製のヒーターの電極部（中間電極）と導電性金属電極とに熱膨張差が生じた場合に、導電性金属電極が撓み易くなるので、ねじ結合におけるおねじの各ねじ山が小さい力でめねじに均等に接触するので、めねじの谷に発生する応力は局所的に増大することはなく、結果的に、クラックが発生しにくくなる。また、おねじの各ねじ山がめねじに均等に接触するので、各接触部において電流が均等に流れるとともに、温度も不均一にならない。
【００１４】
請求項２の作用としては、めねじの谷の丸みの半径ｒは０．１０８２５Ｐ（Ｐはねじのピッチ）以上であるので、めねじの谷の強度が十分に高まるとともに、この谷の応力集中を緩和できる。なお、半径ｒが増大すると、めねじの谷がおねじに干渉しなように、おねじの外径を規格よりも小さくする必要がある。したがって、前記半径ｒを０．１４４３４Ｐ以下とすることが好ましい。これにより、おねじの外径が極端に小さくなりすぎず、おねじの山とめねじとの接触面積を十分に確保できて、ねじ結合の強度が極端に低下しない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態例について図面を参照して説明する。
先ず、本発明のヒーター電極構造が適用される単結晶引上装置について説明する。図２は、特開平４−３０５０９１号公報に記載されている、ＣＭＣＺ法（連続チャージ型磁界印加ＣＺ法）を用いたシリコンの単結晶引上装置の一例の概略図である。なお、以下に説明する実施形態では、単結晶引上装置のヒーター電極構造に本発明を適用した例を示すが、これに限らず、本発明は、炭素グラファイト製のヒーターを使用する一般的な工業炉（例えば金属熱処理炉や溶解炉等）ヒーター電極構造にも適用できる。
【００１６】
この単結晶引上装置１０１は、中空の気密容器であるチャンバ（炉）１０２内に二重ルツボ１０３、上述したヒーター１０４（図３参照）、原料供給管１０５がそれぞれ配置され、前記チャンバ１０２の外部にマグネット１０６が配置されている。
【００１７】
二重ルツボ１０３は、略半球状の石英（ＳｉＯ２）製の外ルツボ１１１と、該外ルツボ１１１内に設けられた円筒状の仕切り体である石英（ＳｉＯ２）製の内ルツボ１１２とから構成され、該内ルツボ１１２の側壁には、内ルツボ１１２と外ルツボ１１１との間（原料融解領域）と内ルツボ１１２の内側（結晶成長領域）とを連通する連通孔１１３が複数個形成されている。
【００１８】
この二重ルツボ１０３は、チャンバ１０２の中央下部に垂直に立設されたシャフト１１４上のサセプタ１１５に載置されており、前記シャフト１１４の軸線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。そして、この二重ルツボ１０３内には半導体融液（加熱融解された半導体単結晶の原料）１２１が貯留されている。
【００１９】
ほぼ円筒状のヒーター１０４は、半導体の原料をルツボ内で加熱・融解するとともに生じた半導体融液１２１を保温するもので、通常、抵抗加熱ヒーターが用いられる。原料供給手段としての原料供給管１０５は、その下端開口より、所定量の半導体の原料１１０を外ルツボ１１１と内ルツボ１１２との間の半導体融液１２１面上に連続的に投入するものである。
【００２０】
上記の原料供給管１０５から供給される原料１１０としては、例えば、多結晶シリコンのインゴットを破砕機等で破砕してフレーク状にしたもの、あるいは、気体原料から熱分解法により粒状に析出させた多結晶シリコンの顆粒が好適に用いられ、必要に応じてホウ素（Ｂ）（ｐ型シリコン単結晶を作る場合）やリン（Ｐ）（ｎ型シリコン単結晶を作る場合）等のドーパントと呼ばれる添加元素がさらに供給される。
また、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の場合も同様で、この場合、添加元素は亜鉛（Ｚｎ）もしくはシリコン（Ｓｉ）等となる。
【００２１】
上記の単結晶引上装置１０１により、内ルツボ１１２の上方かつ軸線上に配された引上軸１２４にチャック（不図示）を介して種結晶１２５を吊下げ、引上軸１２４をその軸線回りに回転させつつ引上げるとともに、シャフト１１４を介して二重ルツボ１０３を上昇させて、半導体融液１２１上部において種結晶１２５を核として半導体単結晶１２６を成長させる。
【００２２】
ところで、上記の単結晶引上装置では、特開昭６３ー３０３８９４号公報に記載されているように、単結晶を成長する前工程において、外ルツボ１１１に予め多結晶シリコン塊等の多結晶原料を融解させて半導体融液１２１を貯留し、外ルツボ１１１の上方に配された内ルツボ１１２を、外ルツボ１１１内に載置して、二重ルツボ１０３を形成している。
【００２３】
このように多結晶原料を融解後に二重ルツボ１０３を形成するのは、多結晶原料を完全に融解して半導体融液１２１を得るために、ヒーター１０４によって外ルツボ１１１内の原料を単結晶成長温度以上の温度まで高温加熱する必要があり、この際に、予め内ルツボ１１２を外ルツボ１１１内に形成させていると、内ルツボ１１２に大きな熱変形が生じてしまうからである。
【００２４】
したがって、原料を完全に融解した後、ヒーター１０４による加熱をある程度弱めてから内ルツボ１１２を外ルツボ１１１に形成させることによって、初期原料融解保持時の高温加熱を避け、内ルツボ１１２の変形を抑制している。
【００２５】
また、内ルツボ１１２に形成された連通孔１１３は、原料供給時に、半導体融液１２１を外ルツボ１１１側から内ルツボ１１２内にのみ流入させるように一定の開口面積以下に設定されている。この理由は、結晶成長領域から半導体融液１２１が対流により原料融解領域に戻る現象が生じると単結晶成長における不純物濃度および融液温度等の制御が困難になってしまうためである。
【００２６】
次に、本実施形態のヒーター電極構造の特徴部について、図１を参照して説明する。
本実施形態の電極構造は、一例としてＭ４８のメートル並目ねじを改良し、このＭ４８の特殊ねじを、炭素グラファイト製の中間電極６（ヒーター１０４の電極部）のめねじ６ｂおよび導電性金属電極（銅電極）５のおねじ５ａに採用したものである。
すなわち、Ｍ４８のメートル並目ねじの基準寸法は、ＪＩＳ規格によれば以下の通りである。
本実施形態のねじの改良点の第１としては、銅電極５のおねじ５ａの谷９の全域において溝１０が形成されていることである。これにより、銅電極５が撓み易くなるので、おねじ５ａの各ねじ山が小さい力でめねじ６ｂに均等に接触し、めねじ６ｂの谷１１に発生する応力は局所的に増大せず、結果的に、クラックが発生しにくくなる。また、おねじ５ａの各ねじ山がめねじ６ｂに均等に接触するので、各接触部において電流が均等に流れるとともに、温度も不均一にならない。
【００２８】
この溝１０は、例えばおねじ５ａを成形する際に転造により形成したり、あるいは切削加工により形成することができる。なお、溝１０の深さＦおよび高さｈはそれぞれ、１．５ｍｍとなっているが、これに限定されない。なお、前記深さＦとは、溝１０の奥端とめねじ６ｂの山１２との距離をいう。
【００２９】
詳述すると、実験により、溝１０の深Ｆおよび高さｈをそれぞれ、１．５〜２ｍｍ，１．２〜２ｍｍの範囲内に設定することが好ましいと判明した。すなわち、溝１０の深さＦが２ｍｍよりも大きいと、図示しない冷却水通路のスペースを確保できなくなり、一方、溝１０の深さＦが１．５ｍｍよりも小さいと、上記撓み効果を期待できないからである。
また、溝１０の高さｈが２ｍｍよりも大きいと、おねじ５ａのねじ山の総表面積が小さくなって、めねじ６ｂとの結合力が小さくなり、一方、溝１０の高さｈが１．２ｍｍよりも小さいと、上記撓み効果を期待できなくなる。
【００３０】
本実施形態のねじの改良点の第２としては、炭素グラファイト製の中間電極６のめねじ６ｂの谷１１の丸みの半径ｒが、０．１４４３４Ｐ＝０．７２２に設定されているとともに、これに対応して、おねじ５ａの外径がＪＩＳ規格の４８．０ｍｍより小さく設定され、本例では約４６．９（ｍｍ）になっている。
詳述すると、めねじ６ｂの谷１１の丸みの径ｒは、前記谷１１がおねじ５ａと干渉しないようにするため、一般には０．０７２１７Ｐ＝０．３６１ｍｍ以下であるが、本例では実験により半径ｒを０．１０８２５Ｐ〜０．１４４３４Ｐの範囲内に設定することが好ましいと判明した。これに応じて、めねじ６ｂの谷１１がおねじ５ａと干渉しないように、おねじ５ａの山の頂点とＨの基準点との距離ａは１．５Ｈ／８〜２Ｈ／８の範囲に設定され（ＪＩＳ規格ではＨ／８）、本例では２Ｈ／８を採用し、したがって、おねじ５ａの外径は、４８．０−２Ｈ／８≒４６．９（ｍｍ）に設定されている。
【００３１】
以上のように、本実施形態では、めねじ６ｂの谷１１の丸みの半径ｒは、０．１０８２５Ｐ以上であるので、めねじ６ｂの谷１１の強度が十分に高まるとともに、応力集中を緩和できる。また、前記半径ｒを０．１４４３４Ｐ以下とすることが好ましい。これにより、おねじ５ａの外径Ｄが極端に小さくならず、おねじ５ａの山とめねじ６ｂとの接触面積を十分に確保できて、ねじ結合の強度が極端に低下しない。
【００３２】
上記実施形態では、炭素グラファイト製の中間電極６にクラックが発生しにくくなるので、導電性金属電極５から中間電極６への電流供給は、互いに一様に接触した接触面を介して行われて、従来のような電流の局所的な集中が発生しない。したがって、導線性金属電極５内部の冷却水通路内の冷却水の温度が過度に上昇せずに沸騰せず、冷却水通路の上部に水蒸気による空間が生じない。結果的に、導電性金属電極５はその冷却水通路内の冷却水により効率的に冷却され、このような状態でヒーター１０４（図２参照）への通電を継続させても、導電性金属電極５の溶損が起こらない。このように溶損が起こらないので、冷却水がチャンバ１０２（図２参照）内に吹き出ず、汚染されないとともに、水蒸気爆発を確実に防止できる。
【００３３】
上記実施形態では、中間電極６および導電性金属電極５にそれぞれ互いに螺合するめねじおよびおねじが形成されているが、逆でもよい。この場合、導電性金属電極５の先端部を冷却する手段としては、例えば、導電性金属電極５の先端部の外周面に螺旋状の冷却水通路を形成し、さらに前記先端部にスリーブを被せることが挙げられる。
また、上記実施形態におけるねじ結合としては、メートル並目ねじを適用したが、これに限らず、インチ並目並目ねじやメートル細目ねじを適用してもよい。さらに、ねじの呼びは、本例のようなＭ４８に限らず、ヒーター１０４（図２参照）の重量やヒーター１０４に通電する電流値等によって適宜選択する。
そして、ＣＭＣＺ法の単結晶引上装置を示したが、本発明を他の単結晶製造方法に適用しても構わない。例えば、磁界印加を行わない連続チャージ型ＣＺ法（ＣＣＺ法）を採用したり、二重ルツボではなく１つのルツボを備えた単結晶引上装置でもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したとおりに構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
請求項１に記載の発明は、工業炉において、炭素グラファイト製のヒーターの電極部にクラックが発生しにくくなるので、導電性金属電極（例えば銅電極）から発熱体への電流供給は、互いに一様に接触したねじ接触面を介して行われて、従来のような電流の局所的な集中が発生しない。したがって、導電性金属電極内部の冷却水通路内の冷却水の温度が過度に上昇せずに沸騰せず、冷却水通路の上部に水蒸気による空間が生じない。結果的に、導電性金属電極はその冷却水通路内の冷却水により効率的に冷却され、このような状態でヒーターへの通電を継続させても、導電性金属電極の溶損が起こらない。
したがって、本発明を例えば単結晶引上装置に適用すると、導電性金属電極の冷却水がチャンバ内に吹き出ず、汚染されないとともに、水蒸気爆発を確実に防止できる。また、ヒーターを、上記のように溶損しない導電性金属電極により確実に支持できて、ヒーターが崩れない。
【００３５】
請求項２に記載の発明は、上記効果の他、めねじの谷の応力集中に対する強度が向上するので、前記クラックの発生をさらに確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒーター電極構造の一実施形態例の縦断面図である。
【図２】特開平４−３０５０９１号公報に開示されている、ＣＭＣＺ法を用いたシリコンの単結晶引上装置の概略断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ図２に示したヒーターの一例の平面図、正面図である。
【図４】従来のヒーター電極部の拡大図である。
【符号の説明】
１，２ 突出部
１ａ，２ａ 貫通孔
３ スリット
４ スリーブ
５ 銅電極（導電性金属電極）
５ａ おねじ
５ｂ フランジ部
５ｃ 本体部
５ｄ 冷却水通路
６ 中間電極（発熱体）
６ａ ねじ部
６ｂ めねじ
７ ナット
８ クラック
９ おねじの谷
１０ 溝
１１ めねじの谷
１０１ 単結晶引上装置
１０２ チャンバ
１０２ａ 底部
１０３ 二重ルツボ
１０４ ヒーター
１０５ 原料供給管
１０６ マグネット
１１０ 原料
１１１ 外ルツボ
１１２ 内ルツボ
１１３ 連通孔
１１４ シャフト
１１５ サセプタ
１２１ 半導体融液
１２４ 引上軸
１２５ 種結晶
１２６ 半導体単結晶
Claims (2)
- 炭素グラファイト製のヒーター（１０４）の電極部（６）と、冷却水通路（５ｄ）を有する導電性金属電極（５）とがねじ結合されてなるヒーター電極構造において、
前記ねじ結合のおねじ（５ａ）の谷（９）に溝（１０）が形成されていることを特徴とするヒーター電極構造。 - 請求項１に記載のヒーター電極構造において、
ねじのピッチをＰとすると、めねじ（６ｂ）の谷（１１）の丸みの半径（ｒ）が０．１０８２５Ｐ〜０．１４４３４Ｐに設定されているとともに、これに対応して、前記おねじ（５ａ）の外径（Ｄ）が前記めねじ（６ｂ）の谷（１１）と干渉しないように規格よりも小さく設定されていることを特徴とするヒーター電極構造。
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