KR20010080106A - 결정성장장치에 사용되는 전기저항 가열기용 전극 어셈블리 - Google Patents

Abstract

초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 결정 인상장치의 하우징 안에 장착된 전기저항 가열기와 사용되는 전극 어셈블리는 하우징 안의 가열기와 전기적으로 접속되는 제 1 단부 및 외측 단부를 가지는 전극을 포함한다. 이 전극은 그 외측 단부가 대체로 하우징의 외부에 있도록 결정 인상장치의 하우징을 통해 연장한다. 하우징 안의 전극 부분은 상기 부분의 길이 전체를 따라서 단면이 대체로 중실로 되어 있고, 임의의 내부 냉각통로를 갖지 않는다. 전기 도체는, 상기 하우징의 외측으로 연장하는 전극 부분에 전기적으로 접속하여 당해 전극에 전류를 전류원으로부터 공급함으로써 안쪽으로 전극을 따라서 상기 하우징 안의 가열기에 전도한다. 이 전기 도체는 상기 전극의 외측 부분과 열전도적으로 결합하도록 되어 있으며, 또한 이 전기 도체는, 냉각 매체를 당해 도체 안에 수용하여 상기 전극의 외측 부분으로부터 열을 추출하도록 관통연장하는 내부 통로를 갖는다.

Description

결정성장장치에 사용되는 전기저항 가열기용 전극 어셈블리 {ELECTRODE ASSEMBLY FOR ELECTRICAL RESISTANCE HEATER USED IN CRYSTAL GROWING APPARATUS}

대부분의 반도체 전자부품 제조용으로 사용되는 출발재료인 단일의 결정 실리콘은, 보통은 소위 초크랄스키 (Czochralski : "Cz") 법으로 제조된다. 결정의 성장은 보통은 결정 인상장치에서 대부분 실시된다. 이 방법에서는, 다결정 실리콘 ("폴리실리콘") 을 도가니에 장입하여, 이 도가니 측벽의 외부면을 에워싸는 가열기에 의해 용융시킨다. 이렇게 용융된 실리콘을 시드 결정 (seed crystal) 과 접촉시켜, 결정 인상기구를 통한 느린 추출에 의하여 단일의 결정 잉곳을 성장시킨다. 네크 (neck) 의 형성이 완료된 이후에는, 소망하는 또는 목표로 하는 직경이 얻어질때 까지, 인상률 및/또는 용융물 온도를 감소하여 결정 잉곳의 직경을 확대시킨다. 그리고 나서, 용융물 레벨의 감소를 보상하면서 상기 인상률 및 용융물 온도를 제어하여 대략 일정한 직경을 갖는 결정의 원통형 주 몸체부를 성장시킨다. 성장공정의 후기에 즈음해서는, 결정의 직경을 점차로 저감하여 엔드-콘 (end-cone) 을 형성한다. 일반적으로, 이러한 엔드-콘은, 인상률과 도가니에 공급되는 열을 증가시켜서 형성한다. 직경이 충분히 작아지면, 용융물로부터 잉곳을 분리한다.

도가니 안의 실리콘을 용해시키는데 통상적으로 사용되는 가열기는, 내열성의 재료 (즉, 흑연) 로 구성된 가열요소를 통하여 전류가 흐르도록한 전기저항 가열기이다. 전류 흐름에 대한 저항성은, 상기 가열요소로부터 도가니와 그 도가니 안에 있는 실리콘으로 복사되는 열을 발생시킨다. 상기 가열요소는, 수직으로 향하여 나란히 배치되어 구불구불한 형상으로 상호 접속된 동일한 길이 및 단면의 가열 세그먼트를 포함한다. 즉, 인접한 세그먼트들은 그 상부와 바닥부가 교대로 접속되어 가열요소를 통하여 연속적인 전기 회로를 형성한다. 가열요소에 의하여 발생되는 가열력은 일반적으로 세그먼트의 단면적에 관계되는 함수이다.

일반적으로, 이들 가열기는 강으로 구성된 결정 인상장치 하우징의 바닥부에 장착된다. 전극 어셈블리는, 가열기의 가열요소와의 전기접속을 위하여 하우징의 바닥부를 통해 위로 연장하는 구리 전극을 포함한다. 전기저항 가열기의 작동을 위해 전극의 타단부가 하우징 외부의 파워 케이블에 전기적으로 접속되어 있어서, 전류원으로부터 케이블에 의해 인출된 전류는 상기 전극을 통하여 가열요소에 전달된다. 가열요소가 열을 방출할 때에, 전극은 격심한 열부하에 노출된다. 구리는 높은 열부하를 견뎌낼 수 없기 때문에, 구리 전극은, 당해 전극의 길이를 따라서 냉각수가 안내되어 당해 전극을 냉각시키도록 하기 위해, 중앙 냉각 통로를 가지는 튜브로서 구성된다. 이 처럼, 필요한 전기적 부하를 지니기 위한 충분한크기를 허용하고 냉각수용의 통로를 확보하기 위해서는 전극의 직경이 비교적 크게 되어 버린다.

최근에, 성장실과 상부 인상실을 통한 상승중의 냉각시에 잉곳의 축방향 온도구배를 제어함으로써, 초크랄스키 성장법에 따라 성장시킨 결정 잉곳의 품질을 개선할 수 있음이 발견되었다. 온도구배는, 돔-모양의 천이부에 인접한 하우징의 상부 인상실에 장착된 제 2 의 전기저항 가열기 및/또는 열 차폐물을 이용하여 제어한다. 가열기는 결정 성장실 안으로 아래쪽으로 연장하는 가열요소를 포함하는데, 이것은 실질적으로 용융된 원료물질을 함유하는 도가니 위에서 종결한다. 가열요소의 중앙 개구는, 성장 잉곳을 인상장치의 하우징을 통하여 상방으로 인상하는 때에, 그 성장 잉곳을 당해 가열요소를 통하여 중앙으로 통과시킨다. 상부 인상실의 벽에 가열기를 장착하기 위해, 가열요소의 상부에는 장착 브래킷이 전기적으로 접속된다. 이 장착 브래킷은 상부 인상실의 벽에 형성된 개구를 통하여 하우징 외부의 전류원에 전기적으로 접속된다.

종래의 결정 인상장치에 존재하는 반경방향 공간의 제약 때문에, 상부 인상실에 제 2 의 가열기를 설치하고 전류원에 가열기를 접속하는 것은 곤란하다. 예컨대, 200 mm 까지의 직경을 가지는 성장 잉곳에 사용되는 결정 인상장치의 상부 인상실의 직경은 일반적으로 약 350 mm 이다. 이것은, 가열요소와 전력원간의 전기회로를 확보하고 전극을 적절히 냉각시키기 위한 적절한 전극 어셈블리 및 가열기에 대하여, 아주 작은 양의 반경방향 공간을 제공한다. 현존의 결정 인상장치의 상부 인상실에 제 2 의 가열기를 장착하기 위해서는, 이 상부 인상실과 하우징의 돔-모양의 천이부간에 값비싼 어댑터를 설치해야만 한다. 어댑터의 높이가 증가함에 따라, 어댑터에 관계되는 비용이 증가할 뿐만 아니라 그 만큼 복잡해진다. 따라서, 어댑터의 필요 높이를 최소화하는 것이 요망된다.

도가니 가열기에 전류를 공급하는데 사용되는 전술한 바와 같은 종래의 수냉식 구리 전극 어셈블리는, 결정 인상장치의 상부 인상실에 장착된 가열기와 함께 사용하기에는 바람직스럽지 못하다. 필요한 전기적 부하를 지니기 위한 충분한 크기를 허용하고 냉각수용의 통로를 확보하기 위하여 냉각수를 전극을 통하여 내부적으로 제공하는 구성은 결국 전극의 직경을 상당히 크게 만든다. 따라서, 전극의 전체적인 단면치수가 커져, 어댑터의 필요 높이가 증가한다. 더욱이, 수냉식의 구리 전극은, 가열요소와의 접속을 위하여 상부 인상실의 벽안에 위치시킴에 있어서 상당한 공간을 소모한다.

본 발명은, 일반적으로 단결정 실리콘 잉곳의 성장에 이용되는 결정성장장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 이러한 결정성장장치에 사용되는 전기저항 가열기에 전류를 전도하기 위한 전극 어셈블리에 관한 것이다.

도 1 은 결정 인상장치의 상부 인상실 안에 장착된 전기저항 가열기 및 이 전기저항 가열기와 사용하기 위한 본 발명의 전극 어셈블리 쌍을 나타내는 결정 인상장치의 개략 수직 단면도;

도 2 는 종래의 결정 인상장치의 수정예에 사용되어 가열기의 상부 인상실 안에서 전기저항 가열기를 지지하는 어댑터로서, 도 1 의 전극 어셈블리를 지지하는 어댑터의 사시도; 및

도 3 은 도 1 부분의 개략 수직 확대단면도.

수개의 도면에 걸쳐 동일한 부호는 동일 부분을 나타낸다.

본 발명의 여러 가지의 목적과 특징 중에서, 인상장치의 상부 인상실에 장착된 전기저항 가열기에 전류를 전도할 수 있는 전극 어셈블리를 구비한 결정 인상장치의 제공; 전극 어셈블리를 콤팩트하게 구성한 결정 인상장치의 제공; 전극 어셈블리를 종래의 수냉식 구리 전극 어셈블리에 비하여 보다 더 소형화한 결정 인상장치의 제공; 전극 어셈블리가 상부 인상실에 장착된 가열기로부터 복사되는 열에 기인한 격심한 열부하를 견뎌낼 수 있도록 구성한 결정 인상장치의 제공; 전극 어셈블리를 밀봉하여 결정 인상장치내에서의 환경을 유지하도록 구성한 결정 인상장치의 제공; 전극이 결정 인상장치의 외부 냉각식이 되도록 구성한 결정 인상장치의제공; 및 현존의 결정 인상장치를 수정하여 인상장치의 상부 인상실에 전기저항 가열기를 도입하도록 더 저렴한 어댑터를 필요로 하는 전극 어셈블리의 제공에 주목하여야 한다.

일반적으로, 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 본 발명의 결정 인상장치는 하우징과 이 하우징 안에 용융 실리콘을 가지는 도가니를 포함한다. 용융 실리콘으로부터 상방으로 성장 잉곳을 끌어 올리는 인상기구가 설치된다. 하우징 안에는 당해 하우징 안에서 열을 방출하는 가열기가 위치된다. 전극은 하우징 안의 가열기와 전기적으로 접속되는 제 1 단부 및 외측 단부를 갖는다. 전극은 그 외측 단부가 대체로 하우징의 외부에 있도록 결정 인상장치의 하우징을 통해 연장한다. 하우징 안의 전극 부분은 당해 부분의 길이 전체를 따라 단면이 대체로 중실로 되어 있으며, 임의의 내부 냉각통로를 갖지 않는다. 전기 도체는 상기 하우징 안의 가열기에 상기 전극을 따라서 안쪽으로 전도하기 위해 전류를 전류원으로부터 전극의 외측 단부에 공급한다.

또다른 실시형태에 있어서, 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 결정 인상장치를 수정하여 당해 인상장치의 하우징 안에 가열기를 장착하는데 사용하기 위한 본 발명의 어댑터는, 분리가능한 성장실과 인상실 사이의 삽입을 위해 크기가 설정되고 상기 하우징을 부분적으로 경계짓도록 되어 있는 대체로 관형인 연장기를 포함한다. 상기 어댑터는, 하우징의 외부에 위치한 전류원으로부터 전류를 상기 가열기에 전도하기 위해, 상기 하우징의 외부로부터 상기 가열기로의 접근을 허용하는 개구를 갖는다. 상기 연장기의 상부와 바닥부에는접속 플랜지가 부착되어, 당해 연장기를 상기 하우징의 성장실과 인상실에 접속하는데 이용된다.

또다른 실시형태에 있어서, 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 결정 인상장치의 하우징 안에 장착된 전기저항 가열기와 함께 사용하기 위한 전극 어셈블리는, 하우징 안의 가열기와 전기적으로 접속되는 제 1 단부 및 외측 단부를 가지는 전극을 포함한다. 이 전극은, 그 외측 단부가 대체로 하우징의 외부에 있도록 결정 인상장치의 하우징을 통해 연장한다. 하우징 안의 전극 부분은 당해 부분의 길이 전체를 따라 단면이 대체로 중실로 되어 있고, 임의의 내부 냉각통로를 갖지 않는다. 전기 도체는, 상기 하우징 안에 위치한 가열기에 상기 전극을 따라서 안쪽으로 전도하기 위해 상기 하우징의 외측으로 연장하는 전극 부분에 전기적으로 접속하여 전류를 전류원으로부터 전극에 공급한다. 또한, 전기 도체는, 상기 전극의 외측 부분과 열전도적으로 결합하도록 되어 있으며, 또한 이 전기 도체는, 냉각 매체를 당해 도체 안에 수용하도록 당해 도체를 관통하여 상기 전극의 외측 부분으로부터 열을 추출하는 내부 통로를 갖는다.

본 발명의 여타의 목적 및 특징은 이하에서 부분적으로 명시되고 지적될 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 먼저, 도 1 을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성된 전극 어셈블리 쌍은 부호 21 로 표시되어 있다. 바람직하게는, 이 전극 어셈블리는 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳 (도 1 의 잉곳(I)) 을 성장시키기 위한 결정 인상장치 (23) 에 사용된다. 결정 인상장치 (23) 는 하우징 (25) 을 포함하는데, 이 하우징은 대체로 원통형인 성장실 (27) 과, 이 성장실 위에 위치하며 대체로 원통형인 인상실 (29) 로 구성되어 있다. 상기 인상실 (29) 은 상기 성장실 (27) 보다 작은 횡방향 치수를 갖는다. 상기 성장실 (27) 은, 당해 성장실의 직경이 대체로 인상실 (29) 의 직경으로까지 감소하는 돔 모양의 천이부 (31) 를 포함한다.

성장실 (27) 안에 배치된 석영 도가니 (33) 는 용융된 반도체 원료물질 (M, 즉 실리콘) 을 포함하고 있는데, 이로부터는 단결정 잉곳 (I) 이 성장한다. 상기 도가니 (33) 는 원통형 측벽 (35) 을 포함하고, 또한 수직축선을 중심으로 회전하도록 되어 있는 턴테이블 (37) 상에 장착되어 있다. 또한, 상기 도가니 (33) 는, 용융 원료물질 (M) 의 표면을 잉곳 (I) 을 성장시켜 원료물질을 용융물로부터제거하는 때와 동일한 레벨로 유지하도록, 상기 성장실 (27) 내에서 상승이 가능하다.

도가니 (33) 안의 원료물질 (M) 을 용해하는데 이용되는 도가니 가열기 (39) 는 거의 수직방향으로 향해 있는 가열요소 (41) 를 포함하는데, 이 가열요소는 상기 도가니 측벽 (35) 과 반경방향으로 간격을 유지하고서 상기 도가니를 에워싸고 있다. 상기 가열요소 (41) 는 상기 도가니 (33) 를 원료물질 (M) 의 융점을 상회하는 온도까지 가열한다. 상기 성장실 (27) 내부에 열을 가두어 두기 위해 절연체 (43) 가 설치되어 있다. 더욱이, 상기 성장실 (27) 과 인상실 (29) 에는 냉각수를 순환시키기 위한 통로가 형성되어 있다. 이들 통로의 일부는 도 1 에 있어서 부호 45 로 표시되어 있다.

결정 인상기구는 인상축 (47) 을 포함하는데, 이 인상축은 상기 인상실 (29) 위에 위치하여 당해 인상축을 상승, 하강 및 회전시킬 수 있는 기구 (도시되지 않음) 로부터 아래로 연장하여 있다. 상기 결정 인상장치 (23) 는, 인상장치의 타입에 따라, 축 (47) 보다는 오히려 인상 케이블 (도시되지 않음) 을 가질 수도 있다. 상기 인상축 (47) 의 단부에는, 단결정 잉곳 (I) 을 성장시키는데 이용되는 시드 결정 (seed crystal : 50) 을 보유하는 시드 결정 척 (chuck : 49) 이 형성되어 있다. 도 1 에 있어서는, 시드 결정 척 (49) 과 잉곳 (I) 의 상승한 위치를 명확히 나타내기 위하여 상기 인상축 (47) 을 부분적으로 절개하였다. 상기 성장실 (27) 의 천이부 (31) 에 형성된 뷰 포트 (view port : 51) 는, 카메라 제어장치 (도시되지 않음) 와 같은 종래의 잉곳직경 제어장치에 의해 잉곳 (I) 과용융 원료물질 (M) 의 용융물 표면간의 액체/고체 계면을 보기 위한 것이다. 결정 인상장치 (23) 의 일반적인 구성과 작동은 당업자에게 잘 알려진 것이기 때문에, 하기에서 상세히 설명하는 정도를 제외하고는 별도의 설명은 생략하기로 한다.

도 1 의 바람직한 실시형태에 있어서, 상부 인상실 (29) 은 수용실 (30), 이 수용실의 바닥부에 연결된 아이솔레이션 밸브 하우징 (32), 및 이 밸브 하우징과 상기 성장실 (27) 의 천이부 (31) 의 중간에 있는 어댑터 (adapter : 69) 를 포함하여, 상기 성장실 (27) 의 천이부 (31) 위에 있는 인상장치 하우징 (25) 부분을 포함한다. 그러나, 상기 인상실 (29) 은 상기 수용실 (30) 만을 포함하거나, 또는 상기 수용실과 아이솔레이션 밸브 하우징 (32) 을 포함할 수도 있는데, 이는 본 발명의 범위내에 있는 것이다. 또한, 상기 어댑터 (69) 는, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서, 상기 아이솔레이션 밸브 하우징 (32), 상기 성장실 (27) 의 천이부 (31), 또는 이들 양측과 일체로 형성될 수도 있다. 상기 성장실 (27) 을 선택적으로 밀봉하기 위해, 상기 밸브 하우징 (32) 안에는, 성장실 안의 작동온도 및 진공이 유지되는 동안에 상기 수용실 (30) 이 인상장치 하우징 (25) 으로부터 분리될 수 있도록, 일반적으로 디스크 형상인 아이솔레이션 밸브 (34) 가 설치된다. 수용실 (30) 을 하우징 (25) 으로부터 분리함으로써, 수용실 내부로의 접근이 허용되어 시드 결정 (50) 을 시드 척 (49) 안에 설치하거나 또는 다른 작업을 수행할 수 있게 된다.

제 2 의 전기저항 가열기 또는 상부 전기저항 가열기 (53) 는, 잉곳이 하우징 안에서 상방으로 인상될 때에 성장 잉곳 (I) 의 냉각속도를 저감하기 위해, 상부 인상실 (29) 의 어댑터 (69) 안에 장착된 관형의 가열요소 (55) 를 포함한다. 이 가열요소 (55) 의 중앙 개구 (57) 에 의하면, 잉곳이 상기 가열기 (53) 를 지나서 상방으로 인상될 때에 성장 잉곳 (I) 이 상기 가열요소를 통해 중앙으로 통과하는 것이 허용된다. 상기 가열요소 (55) 는 결정 성장실 (27) 안으로 소정의 거리만큼 하방으로 연장하여, 용융 원료물질 (M) 을 포함하는 도가니 (33) 의 거의 위에서 종결한다. 그러나, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서, 상기 가열요소 (55) 를 성장실 (27) 안으로 하향 연장시키지 않음으로써 상기 가열요소 전체가 인상실 (29) 안에 배치되도록 할 수도 있다.

상기 가열요소 (55) 의 길이는, 성장 잉곳 (I) 에 대한 소망의 복사열량과 열이 복사되는 잉곳의 축방향 부분에 근거하여, 소정의 높이로 상기 인상실 (29) 내에서 상방으로 연장하도록 되어 있다. 아이솔레이션 밸브 하우징 (32) 을 사용하는 경우, 상기 가열요소는 하우징 안에서 아이솔레이션 밸브 (34) 위로 연장할 수 없다. 상기 가열요소 (55) 와 상부 인상실 (29) 의 벽 사이에는, 성장실 (27) 과 인상실의 수냉벽에 의한 가열요소의 냉각을 억제하기 위해, 바람직하게는 흑연으로 구성된 관형의 열 차폐물 (59) 이 일반적으로 배치된다.

상기 가열요소 (55) 는, 나란히 배열되고 서로 접속되어 전기회로를 형성하는 수직으로 향한 가열 세그먼트 (61) 를 포함한다. 특히, 인접한 가열 세그먼트 (61) 각각의 상단부 및 하단부 (63,64) 는, 폐쇄된 기하형상, 바람직하게는 원통을 형성하는 연속적인 구불구불한 형상으로 서로 번갈아 접속된다. 가열 세그먼트 (61) 와 전기적으로 접속되는 가열요소 (55) 의 상부에는 대향 장착 브래킷(65) 이 접속되어 상기 가열요소로부터 상방으로 연장하여 있다. 상기 장착 브래킷 (65) 의 상부에 인접해서는, 후술하는 바와 같이 하우징 (25) 의 인상실 (29) 안에서의 상기 가열요소 (55) 의 장착을 위해 개구 (67) 가 설치되어 있다.

상기 가열요소 (55) 는 전류의 흐름에 대한 저항성을 제공하는 오염되지 않은 내열재료로 구성되는데, 가열요소에 의해 발생되는 파워 출력은 재료의 전기 저항과 더불어 증가한다. 특히 바람직한 내열재료는 고순도의 이소몰드 흑연 (isomolded graphite) 이다. 그러나, 상기 가열요소 (55) 는, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서, 실리콘 카바이드 도포의 흑연, 압출 흑연, 탄소섬유 복합물, 텅스텐, 금속, 또는 다른 적절한 재료로 구성될 수도 있다. 또한, 가열요소 (도시되지 않음) 가 텅스텐이나 몰리브덴 와이어와 같이 석영 튜브에 감겨진 와이어로 구성되어 가열 코일 (도시되지 않음) 을 형성할 수도 있다. 코일간의 간격은 가열요소의 파워 출력 프로파일을 맞추기 위해 변할 수도 있다. 상기 가열요소 (55) 는 바람직하게는 1000℃ - 1100℃ 범위의 온도로 열을 복사할 수 있다. 그러나, 상기 범위를 상회하거나 밑도는 온도를 발생할 수 있는 가열요소가 사용될 수도 있는데, 이는 본 발명의 범위내에 있는 것이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 어댑터는, 측벽 (77 : 넓게는 연장기), 이 측벽의 상부에 부착된 환형 플랜지 (89 : 넓게는 전극 지지체), 및 이 측벽의 바닥부에 부착된 또다른 환형 플랜지 (90) 를 포함한다. 현존의 결정 인상장치 (23) 에 어댑터 (69) 를 장착하기 위해서는, 아이솔레이션 밸브 하우징 (32) 을 성장실 (27) 의 천이부 (31) 로부터 분리하여 상기 어댑터 (69) 를 밸브 하우징과 천이부사이에 삽입한다. 어댑터 측벽 (77) 의 바닥부에 있는 플랜지 (90) 는 소켓 나사 (도시되지 않음) 또는 다른 적절한 고정구에 의해 하우징 (25) 의 돔 모양의 천이부 (31) 에 연결된다. 어댑터 (69) 상부의 플랜지 (89) 는 동일한 방식으로 아이솔레이션 밸브 하우징 (32) 에 연결된다.

어댑터 (69) 의 측벽 (77 : 넓게는 연장기) 은 그 단면이 수용실의 단면과 실질적으로 동일하도록 크기가 설정되어 있다. 상기 측벽 (77) 은, 어댑터의 측벽을 냉각하기 위한 냉각수를 함유하기 위해 당해 측벽의 높이를 따라 연장하는 통로 (81) 를 형성하도록 반경방향으로 이격된 동심의 튜브 (79) 로 구성되어 있다. 이들 튜브 (79) 사이에 배치된 배플 (baffles : 83) 은 냉각수를 상기 통로 (81) 를 통해서 흘려 보낸다. 측벽 (77) 의 바닥부에 있는 냉각실 (85) 각각은, 어댑터 측벽 (77) 에 있어서 냉각수를 어댑터 (69) 에 수용하고 또한 냉각수를 통로 (81) 에 흘려 보내기 위한 내부 통로 (87) 를 갖는다. 냉각실 (85) 간의 사이, 및 각 냉각실과 냉각수원 (도시되지 않음) 간의 사이에서는, 냉각수원으로부터의 신선한 냉각수를 어댑터 측벽 (77) 의 통로 (81) 에 연속적으로 흘려 보내기 위해 도관 (도시되지 않음) 이 연장해 있다.

상기 환형 플랜지 (89) 는 측벽 (77) 의 상부로부터 반경방향 외측으로 연장해 있으며, 또한 반경방향으로 연장하는 거의 원통형의 대향 통로 (91) 를 구비하고 있다. 이들 통로는 플랜지 각각의 개방된 내측 및 외측 단부 (93,95) 를 한정한다. 일 예로서, 도 1 에 도시된 플랜지 (89) 의 두께는 대략 2.5 인치이며, 플랜지에서 길이방향으로 연장하는 통로 (91) 의 직경은 약 1.5 인치이다. 상기플랜지 (89) 는, 플랜지 통로 (91) 가 장착 브래킷 (65) 에서 각각의 개구 (67) 와 실질적으로 정렬하도록 위치설정되어 있다. 플랜지 (89) 의 내측 단부 (93) 는, 하우징 (25) 의 내부에 접근하여 브래킷 (65) 을 상부 인상실의 벽에 장착하도록 상기 상부 인상실 (29) 의 어댑터 (69) 안에서 개구를 한정한다. 도시된 실시형태에 있어서, 측벽 (77) 의 동심 튜브 (79), 냉각실 (85) 및 플랜지 (89) 를 포함하는 어댑터 (69) 는 스테인레스강으로 구성된 단일의 용접물이다. 또 다르게는, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서, 일반적으로 관형인 전극 지지체 (도시되지 않음) 의 대향하는 쌍을 부착하여 어댑터 (69) 의 측벽 (77) 으로부터 반경방향 외측으로 연장시킴으로써, 통로 (91) 가 환형 플랜지 (89) 대신에 상기 전극 지지체를 통하여 연장하도록 할 수도 있다.

본 발명의 전극 어셈블리 (21) 를 설명하기 위해 단지 하나의 어셈블리를 참조하겠는 바, 다른 어셈블리는 실질적으로 그 구성이 동일하다. 도 3 을 참조하면, 전극 어셈블리 (21) 는, 플랜지 (89) 의 내부표면과 대체로 동심관계로 플랜지 통로 (91) 안에 지지된 전극 (101) 을 포함한다. 이 전극 (101) 은 일반적으로 중실형으로 구성되어 있어서, 전극의 단면이 그 길이 전체를 따라 중실이며 또한 임의의 내부 냉각통로가 없다. 이 전극 (101) 은, 인상실 (29) 을 통해 상방으로 인상되는 성장 잉곳 (I) 과 상부 가열기 (53) 로부터 복사되는 열에 의하여 그 길이를 따라 분포하게 되는 격심한 열 구배를 견디어 낼 수 있는 재료로 제조된다. 바람직하게는, 상기 전극 (101) 은 전기전도성이 양호한 내화 금속으로 제조된다. 특히 바람직한 금속은 텅스텐이다. 그러나, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서,상기 전극 (101) 은 동일한 특성을 지닌 다른 재료로 구성될 수도 있다. 상기 전극 (101) 의 길이가 충분히 길게 형성되어 있어서, 당해 전극의 내측 및 외측 단부 (103,105) 는 실질적으로 각각 플랜지 (89) 의 내측 및 외측 단부 (93,95) 의 바깥쪽으로 연장한다.

상기 전극 (101) 은, 내측 부싱 (107), 중앙 부싱 (109) 및 외측 부싱 (111) 으로 이루어져 상기 플랜지 통로 (91) 안에 배치된 부싱에 의해, 상기 플랜지 (89) 의 내부표면과 반경방향으로 거리를 두고서 유지된다. 이들 각 부싱 (107,109,111) 은 길이방향으로 관통하여 연장하는 중앙 보어를 가지며, 또한 이 보어가 상기 플랜지 (89) 의 내부표면과 동심관계로 상기 플랜지 통로 (91) 내에서 길이방향으로 연장하는 전극 통로 (113) 를 한정하도록 정렬되어 있다. 상기 보어의 크기는, 상기 전극 (101) 이 상기 부싱 (107,109,111) 과 단단하게 접촉한 상태로 상기 전극 통로 (113) 를 통해 길이방향으로 연장할 수 있도록 설정되어 있다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 중앙 부싱 (109) 은 플랜지 (89) 의 내부표면과 밀착결합하여 당해 부싱이 상기 플랜지내에 강고하게 착좌할 수 있도록 그 외경의 크기가 설정되어 있다.

상기 전극 (101) 의 직경은 전극 어셈블리 (21) 의 전체 직경을 최소화하기 위하여 충분히 작게 선택되지만, 전극을 통한 전류흐름에 대한 저항이 당해 전극에 의해 발생되는 바람직하지 않은 양의 열을 생성하지 않도록 할 정도로는 충분히 크다. 일 예로서, 도 3 에 도시된 전극 (101) 의 직경은 대략 0.5 인치이며, 중앙 부싱 (109) 의 외경은 대략 1 인치이다. 따라서, 상기 전극 (101) 은 플랜지(89) 의 내부표면으로부터 약 0.5 인치의 반경방향 거리를 두고서 상기 부싱 (107,109,111) 에 의해 지지된다.

상기 내측 부싱 (107) 의 직경은, 헤드 (115), 중앙 본체 (117), 및 결합 섹션 (119) 을 형성하도록 단이 형성되어 있다. 결합 섹션 (119) 의 직경은 중앙 부싱 (109) 의 단부에서 리세스 (121) 안에 착좌하도록 크기가 설정되어 있다. 내측 부싱 (107) 의 중앙 본체 (117) 의 직경은, 중앙 부싱의 리세스 (121) 안에 결합 섹션 (119) 이 수용되는 때에 상기 중앙 본체가 중앙 부싱 (109) 의 단부에 접하도록 상기 결합 섹션 (119) 의 직경보다 크게 되어 있다. 상기 중앙 부싱 (109) 과 함께, 상기 내측 부싱 (107) 의 중앙 본체 (117) 의 직경은 플랜지 (89) 의 내부표면과 밀접하게 접촉하도록 크기가 설정되어 있다. 내측 부싱 (107) 의 헤드 (115) 의 직경은, 부싱을 플랜지 통로에 삽입하는 때에 당해 헤드가 통로의 내측 단부에서 플랜지 (89) 에 접하고 인상실 (29) 의 내부로 연장하도록 상기 플랜지 통로 (91) 의 직경보다 실질적으로 더 크게 설정되어 있다. 내측 부싱 (107) 의 단차부 형상에 의하면, 당해 내측 부싱을 플랜지 통로 (91) 에 삽입하는 때에 당해 내측 부싱과 중앙 부싱 (109) 과의 파일롯 결합이 허용된다. 외측 부싱 (111) 은 상기 내측 부싱 (107) 과 실질적으로 동일하게 구성되며, 헤드 (123), 중앙 본체 (125) 및 결합 섹션 (127) 을 포함한다. 상기 헤드 (123) 는, 외측 부싱을 플랜지 통로에 삽입하는 때에 플랜지 (89) 가 통로 (91) 의 외측 단부에서 접하도록 크기가 설정되어 있다.

상기 부싱 (107,109,111) 각각은, 상기 전극 (101) 이 플랜지 (89) 의 접지전위에 대하여 절연되도록, 가열기 (53) 와 성장 잉곳 (I) 에 의해 복사되는 높은 열부하를 견디어 낼 수 있는 전기절연성 (즉, 비전도성) 재료로 구성된다. 상기 부싱을 구성하는 재료로서는 석영 및 다른 세라믹 재료가 특히 바람직하다. 이렇게 내측 및 외측 부싱 (107,111) 의 결합 섹션 (119,127) 과 중앙 부싱 (109) 의 오버래핑에 의하면, 실질적으로 상기 부싱의 길이 전체를 따라서 전극 (101) 과 플랜지 (89) 의 내부표면간에 0.5 인치의 최소한의 전기전도 갭 (112) 이 보장된다. 환언하면, 이들 부싱 (107,109,111) 간의 갭 (112) 의 전체 길이는 전극의 작동전압, 즉 약 60 볼트의 작동전압이 진공에서 아크를 일으킬 수 있는 거리보다도 더 길다. 이 때문에, 전극 (101) 이 효과적으로 절연되고 전극과 플랜지 (89) 간의 아크가 억제되어 전극을 통해 흐르는 전류의 접지가 회피된다. 더 바람직하게는, 외측 부싱 (111) 보다도 가열기 (53) 에 더 가까이 위치한 상기 내측 부싱 (107) 및 중앙 부싱 (109) 은 당해 부싱을 통한 길이방향으로의 복사 열전달을 최소화하도록 불투명한 용융 석영으로 구성된다. 더 바람직하게는, 외측 부싱 (111) 은, 플랜지 (89), 부싱 (111) 및 전극 (101) 간에 효과적인 시일이 유지되어 하우징 (25) 의 내부가 진공밀봉될 수 있도록 공극이 형성되지 않게 투명한 용융 석영으로 구성된다.

상기 전극 (101) 에 있어서는 그 내측 단부 (103) 에 인접하여 환형의 칼라 (129) 가 당해 전극과 일체로 형성되고, 이 칼라와 전극의 내측 단부간에는 당해 전극의 가열기 접속부 (131) 가 형성되어 있다. 내측 부싱 (107) 의 헤드 (115) 단부의 리세스 (133) 는 상기 전극 (101) 의 칼라 (129) 를 수용하도록 크기가 설정되어 있다. 칼라 (129) 의 내부면은, 전극 (101) 으로부터 전류를 장착 브래킷 (65) 을 통하여 가열요소 (55) 에 전도하기 위하여, 가열요소의 장착 브래킷의 외부면에 전기접촉 방식으로 접한다. 전극 (101) 의 접속부 (131) 는 장착 브래킷 (65) 의 개구 (67) 를 통하여 안쪽으로 연장한다. 결정 인상장치 (23) 의 작동중에 전극의 칼라 (129) 와 전기적으로 결합되는 상기 브래킷을 유지하기 위하여, 상기 전극의 내측 단부 (103) 에는 적절한 흑연 재료로 구성된 스패너 너트 (135) 가 설치되어 장착 브래킷 (65) 에 단단히 결합된다.

전극 (101) 의 외측부 (137) 는 전류원 (도시되지 않음) 으로부터 전류를 수용하기 위하여 플랜지 (89) 및 외측 부싱 (111) 을 너머서 바깥쪽으로 연장해 있다. 전류원으로부터 유도되는 파워 커넥터 (139 : 도 2 참조) 는 전극의 외측 단부 (105) 에 인접하여 당해 전극 (101) 에 결합된 전기 도체 (141) 에 전류를 공급한다. 도시된 실시형태에 있어서, 상기 파워 커넥터 (139) 는 상기 전기 도체 (141) 에 대하여 각각의 전류원과 냉각수원으로부터 전류의 전달과 물 등의 냉각유체의 전달을 동시에 행할 수 있는 수냉식 커넥터이다. 그러나, 비-수냉식의 전기 파워 커넥터 (도시되지 않음) 와 별도의 수냉식 호스 (도시되지 않음) 를 이용하여 전류와 냉각수를 전기 도체 (141) 에 전달할 수도 있는데, 이는 본 발명의 범위내에 있는 것이다. 상기 전기 도체 (141) 사이에는, 냉각수원으로부터 도체 (141) 를 통한 냉각수 흐름경로를 완성하기 위하여 전기 비전도의 호스 (140) 가 연장해 있다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 전기 도체 (141) 는, 당해 도체를 전극(101) 의 외측부 (137) 에 결합시킬 수 있는 결합부재 (143) 와, 상기 파워 커넥터 (139) 에 연결되어 당해 도체로의 전류와 냉각수를 수용할 수 있는 수용부재 (147) 를 포함한다. 이 결합부재 및 수용부재 (143,147) 는 구리로 구성되고, 바람직하게는 일체로 형성된다. 그러나, 상기 결합부재 및 수용부재 (143,147) 는, 전류와 열이 이들 부재들 간에서 전도될 수 있는 한, 별도로 구성되어 예컨대 용접이나 다른 적절한 고정방법에 의하여 서로 연결될 수도 있다.

상기 결합부재 (143) 는 대체로 C자 모양으로 형성되어 있으며, 또한 전극 (101) 과 대향 단부와의 통로를 서로 가깝게 이격된 관계로 허용하도록 크기가 설정된 중앙 개구 (149) 를 갖는다. 상기 결합부재 (143) 는, 종래의 C형 클램프의 방식으로 개구 (149) 의 크기 조정이 가능하도록 충분한 가요성과 탄성을 지니고 있다. 상기 결합부재 (143) 의 대향 단부 (151) 에서는 나사식으로 형성된 개구 (이들 개구중의 하나는 도 3 에 부호 155 로 도시되어 있음) 를 통해 나사 (153) 가 접촉 연장하여 상기 단부들간의 갭에 놓여 있다. 상기 나사 (153) 가 시계방향으로 회전되면 결합부재 (143) 가 결합 형상으로 이동하게 되는데, 여기서는 상기 결합부재가 개구에서 전극 (101) 과 클램핑 결합할때 까지 상기 대향 단부 (151) 가 인출되어 개구 (149) 의 크기가 감소된다. 상기 나사 (153) 가 반시계방향으로 회전되면 결합부재 (143) 가 비결합 형상으로 이동하게 되는데, 여기서는 도체 (141) 가 전극 (101) 의 외측부 (137) 상에 결합되거나 또는 그로부터 제거될 수 있도록, 탄성 결합부재의 고유 바이어스에 의해 상기 대향 단부 (151) 가 서로 떨어져 이동하게 되어 개구 (149) 의 크기가 증가된다.

상기 수용부재 (147) 는 파워 커넥터 (139) 와의 유체 소통을 위하여 그 내부를 관통하여 대체로 횡방향으로 연장하는 내부 통로 (157) 를 구비하고 있으며, 이에 의해 상기 파워 커넥터로부터의 냉각수가 상기 수용부재의 내부 통로를 통하여 흐른다. 상기 파워 커넥터 (139) 와 상기 수용부재 (147) 의 내부 통로 (157) 를 통하여 흐르는 냉각수의 온도 및 유량은 바람직하게는 전극 (101) 의 외측 단부 (105) 에 인접한 당해 전극 부분을 냉각하기에 충분하다. 일 예로서, 전극 (101) 의 길이에 따른 열부하는, 당해 전극의 내측 단부 (103) 에 인접해서는 약 1,000℃ 의 온도로부터 당해 전극의 외측 부분 (137) 을 따라서는 약 60℃ 의 온도에 이르는 범위에 까지 이를 수 있다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 파워 커넥터 (139) 는 각각의 전류원과 냉각수원으로부터 전기 도체 (141) 중의 일방으로 연장하고, 다른 파워 커넥터는 반대의 전기 도체로부터 전류원과 냉각수원으로 되돌아 연장한다. 상기 전극 (101) 과 가열기 (53) 는 전류 흐름경로를 구성하고, 도체 (141) 간에 연장하는 전기 비전도의 호스 (140) 는 냉각수 흐름경로를 구성한다.

상기 전극 어셈블리 (21) 를 밀봉하여 결정 인상장치 하우징 (25) 의 내부로부터의 진공압의 손실을 억제하기 위하여 O-링 (159,161), 또는 더 넓게는 밀봉부재가 설치되어 있다. 일방의 O-링 (159) 은, 부싱의 플랜지 통로 (91) 로의 삽입시에 상기 부싱의 헤드 (123) 에 인접한 외측 부싱 (111) 의 중앙 본체 (125) 를 둘러싸, 부싱과 어댑터 플랜지 (89) 의 외측 단부 (95) 간에 밀봉결합을 제공한다. 제 2 의 O-링 (161) 은, 전극 (101) 을 둘러싸고 외측 부싱 (111) 의 헤드 (123)에서 리세스 (163) 안에 견고하게 착좌하여, 부싱과 전극간에 밀봉을 제공한다. 상기 O-링 (159,161) 은 열저항 재료, 바람직하게는 비톤 (Viton) 이라는 상표로 입수가 가능한 엘라스토머로 구성된다. 그러나, 상기 O-링 (159,161) 은, 당해 O-링이 약 200℃ 를 초과하는 온도까지 가열되지 않도록 전극 (101) 의 냉각된 외측 부분 (137) 에 충분하게 가까이 위치되는 것이 중요하다.

중실의 전극 (101) 은 상부 가열기 (53) 의 열부하에의 노출시에 약 0.01 인치 정도 축방향으로 팽창하게 되는데, 이는 상기 O-링 (159,161) 의 밀봉강도를 손상시킬 수가 있다. 이러한 팽창중에 적절한 진공밀봉을 보장하기 위해, 그 폐쇄단부에 중앙 개구 (167) 를 가지는 대체로 컵-모양의 리테이너 (165) 가 전극 (101) 에 결합되는데, 이 리테이너의 폐쇄단부는 외측 부싱 (111) 의 헤드 (123) 에 착좌된 제 2 의 O-링 (161) 에 접하여 있다. 상기 리테이너 (165) 에는, 일반적으로 한 세트의 디스크 스프링 (169) (통상, 접시 스프링 또는 와셔라고 칭함) 과 같은 스프링 기구가 배치된다. 비편향 형상에서는, 최외측의 디스크 스프링 (169) 은 전기 도체 (141) 의 결합부재 (143) 에 의한 결합을 위해 리테이너 (165) 의 바깥쪽으로 연장한다. 상기 리테이너 (165) 와 디스크 스프링 (169) 은, 제 2 의 O-링 (161) 을 전극 (101) 과 밀봉접촉 유지하고 제 1 의 O-링 (159) 을 외측 부싱 (111) 및 플랜지 (89) 와 밀봉접촉 유지하기 위한 바이어스 부재를 함께 형성한다.

전극 (101) 의 외측 단부 (105) 에는 리테이닝 너트 (171) 가 설치되어 있기 때문에, 이 너트를 전기 도체 (141) 의 결합부재 (143) 에 대하여 조임으로써 상기도체가 디스크 스프링 (169) 에 대하여 길이방향으로 부세되어 스프링이 압축 형상부로 이동하게 되는데, 여기서 스프링은 당해 스프링의 바이어스에 대하여 리테이너 (165) 에서 압축된다. 상기 리테이닝 너트 (171) 는 스프링 (169) 을 압축 형상부에 유지시킨다. 이 압축된 스프링 (169) 은, 바이어스력을 리테이너 (165) 의 폐쇄단부에 가하여 당해 리테이너를 제 2 의 O-링 (161) 에 대하여 타이트하게 가압함으로써, 제 2 의 O-링과 상기 전극 (101) 및 외측 부싱과의 기밀한 밀봉을 유지시킨다. 또한, 상기 바이어스력은 제 1 의 O-링 (159) 과 상기 외측 부싱 (111) 및 플랜지 (89) 와의 기밀한 밀봉을 유지시킨다. 일 예로서, 전극 (101) 이 결정 인상장치 (23) 의 작동전에 실온에 있게 될때, 상기 디스크 스프링 (169) 은 바람직하게는 약 300-400 lb 범위의 바이어스력을 발생시킬 수 있다. 상기 디스크 스프링 (169) 의 갯수 및 방위는 바람직하게는, 가열기 (53) 의 열부하에 의한 전극 직경의 팽창중에 밀봉력의 적어도 약 80% 가 유지되도록 선택된다.

석영과 다른 세라믹 재료에 고유한 구조적 특성과 동일한 특성을 가지는 것들은 플랜지 통로 (91) 에서 전극 (101) 을 지지하는 부싱 (107,109,111) 이 양호한 횡방향 파단강도를 결여하는 것으로 인식된다. 상기 부싱 (107,109,111) 의 부싱 짝 표면으로의 배치가 오정렬이 되거나 또는 부싱 짝 표면에 결함이 있게 되면, 리테이너 (165) 의 폐쇄단부가 디스크 스프링 (169) 의 바이어스력에 의해 외측 부싱에 대하여 부세되는 때에 큰 국부 응력이 발생하여 균열의 위험성이 커진다. 이 때문에, 디스크 스프링 리테이너 (165) 와 외측 부싱 헤드 (123) 사이 및 이 외측 부싱 헤드와 어댑터 플랜지 (89) 의 외측 단부 (105) 사이에 있어서는전극 (101) 의 냉각된 외측 부분 (137) 에 얇은 가스킷 (도시되지 않음) 이 설치된다. 이 가스킷은 바람직하게는, 리테이너 (165) 와 외측 부싱 (111) 사이 및 이 외측 부싱과 어댑터 플랜지 (89) 사이에 존재하는 표면 결함과 임의의 오정렬에 대하여 순응할 수 있는 낮은 강성의 재료로 구성된다. 특히 바람직한 가스킷 재료는 실리콘 고무이다. 상기 가스킷은, 리테이너 (165) 와 외측 부싱 (111) 간의 O-링 (161) 이 디스크 스프링 (169) 의 압축시에 리테이너에 의해 결합되는 주요 부품이 되도록 충분히 얇다.

하우징 (25) 의 상부 인상실 (29) 안에 상부 가열기 (53) 를 장착하기 위해서는, 전극의 내측 단부 (103) 에 인접한 칼라 (129) 가 내측 부싱 헤드 (115) 의 리세스 (133) 안에 착좌할 때까지, 먼저 외측 단부 (105), 전극 (101) 을 플랜지 (89) 의 내측 단부 (93) 를 통해 삽입한다. 가열요소 (55) 의 장착 브래킷 (65) 을 인상실 (29) 안으로 연장하는 전극 (101) 의 접속부 (131) 상에 장착하여, 전극이 장착 브래킷 (65) 의 개구 (67) 를 통해 연장하고 상기 장착 브래킷이 전극의 칼라 (129) 에 접하도록 한다. 상기 전극 (101) 의 접속부 (131) 상에 스패너 너트 (135) 를 결합하고 장착 브래킷 (65) 에 대하여 조여서, 상기 전극상의 장착 브래킷을 전극 칼라 (129) 와 전기접촉 유지시킨다.

디스크 스프링 리테이너 (165) 는 전극 (101) 의 외측 단부 (105) 상으로 미끄러져, 외측 부싱 (111) 의 헤드 (123) 에 착좌된 제 2 의 O-링 (161) 에 대하여 접하게 된다. 디스크 스프링 (169) 은 비편향 형상으로 일반적으로 리테이너 (165) 내에서 전극 (101) 상에 위치된다. 전기 도체 (141) 의 결합부재 (143)는 비결합 형상으로 전극 (101) 상에 착좌되어, 최외측의 디스크 스프링 (169) 에 접할때 까지 전극의 외측 부분 (137) 을 따라 안쪽으로 미끄러진다. 리테이닝 너트 (171) 가 전극 (101) 의 외측 단부 (105) 위에 위치하고 전기 도체 (141) 의 결합부재 (143) 에 대해 조여져 상기 도체를 추가로 전극을 따라 안쪽으로 부세함으로써, 스프링 (169) 은 압축형상으로 압축된다. 상기 너트 (171) 가 상기 도체 (141) 를 전극 (101) 에 대한 길이방향 움직임에 대하여 고정하므로, 스프링 (169) 은 압축형상으로 유지된다. 스프링 (169) 의 바이어스력이 외측 부싱 (111) 의 헤드 (123) 에 착좌된 O-링 (161) 에 대하여 상기 리테이너 (165) 의 폐쇄단부를 부세하게 되어, 상기 외측 부싱의 헤드와 전극 (101) 간에는 타이트한 밀봉이 이루어진다.

전기 도체 (141) 의 결합부재 (143) 에 관계된 나사 (153) 가 시계방향으로 회전하여 결합부재가 그의 결합위치로 이동하게 됨으로써, 전극 (101) 의 외측 부분 (137) 에 대한 전기 도체의 전기적 및 열적 결합이 이루어진다. 전류원으로부터의 전류가 수용부재에 전달되면서 상기 도체를 통해 흐르는 냉각수가 수용부재의 내부 통로 (157) 를 통해 안내되도록, 상기 전기 도체 (141) 의 수용부재 (147) 에 파워 커넥터 (139) 를 연결한다.

결정 인상장치 (23) 의 작동시에, 전류 및 냉각수는 파워 커넥터 (139) 를 통하여 전기 도체 (141) 의 수용부재 (147) 에 동시에 전달된다. 수용부재 (147) 에 의하여 수용된 전류는, 결합부재 (143) 를 통하여 당해 결합부재에 의하여 결합된 전극 (101) 의 외측 부분 (137) 에 전달된다. 전류는 전극 (101) 을따라 당해 전극 (101) 의 내측 단부 (103) 에 인접한 칼라 (129) 까지 길이방향 안쪽으로 이동하고, 또한 전류는 인상장치 하우징 (25) 의 상부 인상실 (29) 안에 장착된 장착 브래킷 (65) 에 전달된다. 전류는 장착 브래킷 (65) 을 타고 내려가 종래와 같은 방식으로 가열요소 (55) 를 통해 흐른다. 다음에, 전류는 반대의 장착 브래킷 (65) 을 타고 올라가 반대의 전극 어셈블리 (21) 를 통해 흘러서 파워 커넥터 (139) 를 경유하여 전류원으로 되돌아 온다. 전류가 가열요소 (55) 의 전기저항 재료를 통하여 흐를때, 열이 상기 가열요소에 의해 발생하여 성장 잉곳 (I) 과 성장실 (27) 의 벽 및 상부 인상실 (29) 의 벽에 복사된다. 전기 도체 (141) 간에 연장하는 전기 비전도의 물 호스 (140) 는 냉각수 흐름경로를 완성한다.

전극 (101) 의 접속부분 (131) 이 인상실 (29) 안에서 연장하기 때문에, 전극은 가열요소 (55) 와 인상실을 통해 상방으로 인상되는 성장 잉곳 (I) 에 의해 복사되는 격심한 열부하에 노출된다. 열은 중실 전극 (101) 의 길이를 따라 길이방향 외측으로 당해 전극의 외측 부분 (137) 쪽으로 전달된다. 파워 커넥터 (139) 를 통해 안내된 냉각수는 전기 도체 (141) 의 수용부재 (147) 의 내부 통로 (157) 를 통하여 계속하여 흐른다. 전극 (101) 의 외측 부분 (137) 에 전달된 열은, 당해 전극의 외측 부분 (137) 이 비교적 서늘한 상태로 유지되도록, 상기 전기 도체 (141) 에 의해 당해 전극으로부터 빠져나와 추가로 내부 통로 (157) 안의 냉각수에 전달된다.

본 발명의 전극 어셈블리 (21) 는, 현존의 결정 인상장치 (23) 에 상부 인상실 가열기 (53) 및 관련 전극 어셈블리를 구비하도록 하기 위해, 어댑터 (69) 와 함께 사용된다. 그러나, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서, 전극 어셈블리 (21) 를 새로운 결정 인상장치에 일체로 구성함으로써 어댑터를 사용하지 않을 수도 있다.

전술한 설명으로부터, 여기에 기재한 전극 어셈블리 (21) 는 본 발명의 여러 가지의 목적을 만족시키고 여타의 유리한 결과를 낳는다는 것을 알 수 있을 것이다. 중요하게는, 상기 전극 (101) 은 그 길이를 따라 중실의 단면형상을 가지며, 또한 임의의 내부 냉각통로를 갖지 않기 때문에, 당해 전극 및 전체 전극 어셈블리 (21) 의 크기가 종래의 수냉식 전극 어셈블리에 비하여 더욱더 소형화될 수 있다. 또한, 현존의 결정 인상장치 (23) 에 전극 어셈블리 (21) 를 장착하기 위해 사용되는 상기 어댑터 (69) 는, 종래의 수냉식 전극 어셈블리를 인상장치에 설치하는 것에 비하여 더 저렴하게 제조가 가능하다. 더욱이, 냉각수를 전기 도체 (141) 를 통해서 흐르게 함으로써 전극 (101)의 외측 부분 (137) 으로부터 열을 효과적으로 빼내기 때문에, 전극에 있어서의 열부하를 저감할 수가 있다.

또한, 디스크 스프링 (169) 및 리테이너 (165) 는, 전극이 가열기 (53) 의 열부하에 노출되어 팽창하는 때에, 외측 부싱 헤드 (123) 와 전극 (101) 간에서 O-링 (161) 에 대하여 충분한 바이어스력을 제공하여, 결정 인상장치 (23) 에서의 진공압의 손실에 대하여 어셈블리 (21) 를 효과적으로 밀봉한다.

이상의 구성에 있어서는 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서 여러 가지의 변경이 가능하기 때문에, 전술한 설명에 포함되거나 첨부도면에 도시한 모든 사항은예시적인 것으로 해석되어야 하며, 제한적인 것이 아니다.

Claims (16)

1. 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 결정 인상장치로서,

   하우징,

   이 하우징 안에 위치하여 용융 실리콘을 함유하는 도가니,

   용융 실리콘으로부터 상방으로 성장 잉곳을 끌어 올리는 인상기구,

   하우징 안에 위치하여 당해 하우징 안에서 열을 방출하는 가열기,

   하우징 안의 가열기와 전기적으로 접속되는 제 1 단부 및 외측 단부를 가지는 전극으로서, 그 외측 단부가 대체로 하우징의 외부에 있도록 결정 인상장치의 하우징을 통해 연장하며, 하우징 안의 전극 부분이 당해 부분의 길이 전체를 따라 단면이 대체로 중실로 되어 있고, 임의의 내부 냉각통로를 갖지 않는 상기 전극, 및

   전류를 상기 전극의 외측 단부에 전류원으로부터 공급하여, 안쪽으로 당해 전극을 따라서 상기 하우징 안의 가열기에 전도하는 수단을 포함하는 결정 인상장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 전기전도성의 내화금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전극은 텅스텐으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징으로부터 바깥쪽으로 연장하여 전극 어셈블리를 지지하는 플랜지를 추가로 포함하고, 이 플랜지는 길이방향으로 관통하여 연장하는 통로를 가지며, 상기 전극은 상기 플랜지와 간격을 두고서 상기 플랜지 통로내에 지지되고, 또한 상기 전극은 플랜지와의 접지접촉에 대하여 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 전극은, 당해 전극을 플랜지와의 접지접촉에 대하여 절연하도록 비전도성의 재료로 이루어진 부싱에 의해 상기 플랜지 통로내에 지지되는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 부싱은 석영으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 부싱은 결정 인상장치의 하우징 내부를 밀봉하도록 적어도 부분적으로 무공성의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 전극과 부싱을 밀봉적으로 결합하여 결정 인상장치의 하우징 내부를 밀봉하는 밀봉부재와, 상기 전극 및 부싱과의 밀봉결합이 이루어지도록 상기 밀봉부재에 힘을 가하는 바이어스 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 밀봉부재는, 상기 부싱의 단부와 접촉하면서 상기 전극을 에워싸는 탄성중합체 재료의 O-링으로 구성되고, 상기 바이어스 부재는, 상기 부싱에 대향하여 상기 O-링과 접촉하면서 위치하는 리테이너와, 이 리테이너에 대하여 바이어스력을 가할 수 있는 스프링 기구를 포함하며, 상기 리테이너가 상기 O-링을 미는 것에 의해 당해 O-링과 상기 전극 및 부싱과의 밀봉결합이 유지되는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징의 대체로 외부에 위치하여 상기 전극으로부터의 열을 추출하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 열 추출수단은 상기 전극의 외측 단부에 실질적으로 인접한 상기 전극의 외부 표면과 소통하는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 열 추출수단은 상기 전극의 외측 단부에 실질적으로 인접한 전극에 접속하여 당해 전극에 전류를 전도하는 전기 도체를 포함하고,이 도체는, 냉각 매체를 전달하여 당해 도체로부터 열을 추출하도록 관통형성된 내부 통로를 가지며, 상기 전극으로부터의 열은 상기 도체에 의해 추출되는 것을 특징으로 하는 결정 인상장치.
13. 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 결정 인상장치를 수정하여 당해 인상장치의 하우징 안에 가열기를 장착하기 위해 사용되는 어댑터로서, 결정 인상장치의 하우징이 성장실과 인상실을 갖고, 하우징이 그 성장실과 인상실 사이의 교점에서 분리가 가능하도록 되어 있는 어댑터에 있어서, 이 어댑터는,

    상기 성장실과 인상실 사이의 삽입을 위해 크기가 설정되고, 상기 하우징을 부분적으로 경계짓도록 되어 있는 대체로 관형인 연장기; 및

    상기 연장기의 상부와 바닥부에 부착되어, 당해 연장기를 상기 하우징의 성장실과 인상실에 접속하는데 이용되는 접속 플랜지를 포함하고,

    또한, 상기 어댑터는, 하우징의 외부에 위치한 전류원으로부터 전류를 상기 가열기에 전도하기 위해, 상기 하우징의 외부로부터 상기 가열기로의 접근을 허용하는 개구를 가지는 어댑터.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 연장기로부터 바깥쪽으로 연장하여 상기 하우징 안의 가열기와 전기적으로 접속하는 전극을 지지하는 전극 지지체를 추가로 포함하고, 이 지지체는, 당해 지지체에 의하여 지지된 전극이 상기 어댑터의 개구를 통해상기 하우징의 내부로 연장하도록 상기 어댑터의 개구와 통하는 것을 특징으로 하는 어댑터.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 연장기의 상부에 부착된 플랜지가 상기 전극 지지체를 형성하는 것을 특징으로 하는 어댑터.
16. 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 결정 인상장치의 하우징 안에 장착된 전기저항 가열기와 함께 사용하기 위한 전극 어셈블리로서, 이 전극 어셈블리는,

    하우징 안의 가열기와 전기적으로 접속되는 제 1 단부 및 외측 단부를 가지는 전극으로서, 그 외측 단부가 대체로 하우징의 외부에 있도록 결정 인상장치의 하우징을 통해 연장하며, 하우징 안의 전극 부분이 당해 부분의 길이 전체를 따라 단면이 대체로 중실로 되어 있고, 임의의 내부 냉각통로를 갖지 않는 상기 전극; 및

    상기 하우징의 외측으로 연장하는 전극 부분에 전기적으로 접속하여 당해 전극에 전류를 전류원으로부터 공급함으로써 안쪽으로 전극을 따라서 상기 하우징 안의 가열기에 전도하는 전기 도체로서, 이 도체는 상기 전극의 외측 부분과 열전도적으로 결합하도록 되어 있으며, 또한 이 도체는, 냉각 매체를 당해 도체 안에 수용하여 상기 전극의 외측 부분으로부터 열을 추출하도록 관통연장하는 내부 통로를 가지는 상기 도체를 포함하는 전극 어셈블리.