TW201303093A - 用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器 - Google Patents

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Abstract

一種用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器，其包含：上部環和下部環，它們透過鄰接該下部環的環間隙的迴路而導電連接，以使通過環傳導的電流的流動方向在該等環中是相反的；以一定距離將該上部環與下部環固定在一起的連接元件；和引導電流通過該上部環和下部環的電流引線。

Description

用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器
本發明係關於用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器。
生產單晶的一種方法是柴可斯基(Czochralski)法。其用於，例如生產由矽構成的單晶。依據該方法，首先在坩堝中生產熔融體，而後將晶種與熔融體接觸，最後，透過從熔融體的表面提拉晶種而使得晶種上懸浮的單晶生長。
如果可以透過環形電阻加熱器為生長的單晶供熱是有利的，該環形電阻加熱器在下文中也被稱為環形加熱器。因此，US 2004/0192015描述了一種方法，其中透過環形加熱器為生長的單晶的相界供應熱，以使沿單晶的半徑在相界上的軸向溫度梯度均勻。該方法的目的是影響內在點缺陷的形成，達到生長的單晶的缺陷性質在徑向上盡可能均勻的效果。
US6,132,507提到，環形加熱器也可以用於降低單晶直徑以及生長速率的波動。
本發明的發明人已經確證，如果同時施加強外磁場以影響熔融體的流動，那麼使用環形加熱器為生長的單晶供熱是困難的。在這種情況下會發生外磁場和由環形加熱器產生的磁場間的電磁交互作用。作用在環形加熱器上的勞倫茲力(Lorentz force)可以改變環形加熱器的位置、損傷環形加熱器，或甚至將其毀壞。
US7,335,864 B2描述了如下事實，電阻加熱器的固有磁場可以透過以雙線形式纏繞的加熱線圈來降低，如此，電流穿過加熱線圈的局部折返而以相反方向流動。
然而，儘管使用以此方式改造的環形加熱器，所提及的困難不能得到滿意的消除，因為磁場間的交互作用仍存在，雖然是以弱化的形式。
因此，本發明的目的是提供用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器，其具有US 2004/0192015 A1中描述的環形加熱器的優勢，但是在強外磁場下使用期間沒有其劣勢。
透過提供用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器達到該目的，該環形電阻加熱器包含：上部環和下部環，它們透過鄰接下部環的環間隙的迴路(loop)而導電連接，以使通過環傳導的電流的流動方向在該等環中是相反的；以一定距離將該上部環與下部環固定在一起的連接元件；和引導電流通過上部環和下部環的電流引線。
本發明的環形加熱器包含兩個環形局部線圈，一個安置在另一個之上，在下文中也將該局部線圈稱為上部環和下部環，它們透過迴路(loop)連接形成一體元件。當通過迴路時，流過局部線圈的電流的流動方向逆轉。因而，環形加熱器具有以雙線形式纏繞的線圈的結構和性質。
該上部環和下部環以及電流引線實質上由碳，例如碳纖維補強碳(CFC)或石墨構成較佳。石墨特別較佳，特別是具有最低可能電阻、最高可能撓曲強度和最高可能導熱性的石墨類型。為了使環的截面積盡可能小，電阻應當較佳不超過11微歐姆公尺(μΩm)。撓曲強度應當較佳不低於50百萬帕(MPa)，以及導熱 性應當較佳不小於120瓦/mK。高導熱性防止加速環狀加熱器損耗的過熱位置(「熱點」)的形成。
連接元件將上部環和下部環固定在一起，並且使其相互間保持一定距離。從而，它們補償作用在環上的電磁力，並且特別地防止該等環在作用在熔融體上的磁場影響下相對於彼此位移。環之間的距離較佳不小於2毫米和不大於150毫米。小於2毫米的距離是不佳的，因為有發生電子跳火(electrical flashover)的風險，超過150毫米的距離也是不佳的，因為如此，環形加熱器的雙線結構的優勢不再充分顯現。該連接元件的表現方式可以是，在連接位置，上部環與下部環是電絕緣的。同樣，連接元件的表現方式也可以是將部分流過環的電流匯出。該部分在每種情況下應當不超過總電能的5%。這種類型的構造可以例如透過將上部環和下部環用由碳纖維補強碳(CFC)構成的螺絲直接彼此擰緊而實現。
上部環和下部環由分別固定在上部環和下部環上的電流引線擔載。較佳以電絕緣的方式將電流引線彼此連接，以確保其以這種方式對抗壓縮或牽拉彼此的力以及由強外磁場產生的力。該施加在熔融體上較強的外磁場是，例如水平磁場或勾形磁場。
較佳在電流引線的固定位置的區域內以擴寬的方式體現上部環和下部環。這強化了環在該區域中的機械穩定性，並降低電流密度，以避免局部過熱。
環形加熱器用於為生長的單晶供熱，較佳為用於影響生長的單晶的相界處的軸向溫度梯度的徑向分佈的目的，以及用於調整生長的單晶的直徑。單晶較佳是由矽構成的單晶，其直徑不小於300毫米，特別較佳直徑為300毫米或450毫米。
以下，本發明將參考圖式以更詳細地解釋。圖式顯示了環形加熱器的特別較佳的構造特徵。
依據第1圖的環形加熱器包含上部環1和下部環2，其中兩個環都透過環間隙隔斷，其以補償(offset)方式安置。下部環的環間隙3與迴路4鄰接，迴路4連接上部環1與下部環2。上部環的環間隙5較佳為足夠寬，以具有固定下部環的電流引線的空間。較佳地，有用於基底(base)6的空間，其增加下部環在基底區域中的厚度，以使電流引線的固定位置處於相同的水平。
由於環間隙的補償排列，上部環的末端7和下部環的末端8在基底6和下部環的環間隙3之間的區域中重疊。上部環的邊緣和下部環的邊緣，特別是環的外周和內周的邊緣，是圓形的。使邊緣成圓形降低了發生電子跳火的風險。
在環的末端側上，在圓周上分佈孔9，該孔在厚度方向上一致地穿過上部環和下部環。孔較佳依中心分佈，並在末端側上等距離分佈，以避免不對稱。特別地，它們較佳還同時位於環經受特別高的機械負載的位置上。在上部環的末端7和下部環的末端8重疊的位置，孔9在徑向上彼此相鄰排列，而不是依中心排列。用於將環與電流引線固定的孔位於基底6的末端側和上部環1的另一個末端10的末端側上。
較佳擴寬其末端區域中和基底6區域中的環，以增加機械穩定性並降低該處的電流密度。
第2圖顯示，孔用作為容納連接元件18的主要部件，連接元件18固定上部環和下部環在精確的特定距離上，並使其彼此間電絕 緣，或者固定上部環和下部環使得連接元件形成環間的高阻抗線路。在上部環的末端10的末端側上的孔和在基底6的末端側上的孔，用於將上部環1固定到上部環的電流引線11上，以及將下部環2固定到下部環的電流引線12上。基底6較佳以使環在相同水平的位置上與電流引線固定的方式增加下部環2的厚度。
在第2圖所示的環形加熱器的情況下，上部環的電流引線11和下部環的電流引線12彼此透過夾具接頭19在至少一個位置上連接。夾具接頭19確保電流引線對抗強外磁場的電磁力，該力壓縮該電流引線。除了夾具接頭19之外或代替夾具接頭19，還可以提供一個或多個電流引線接頭，其確保電流引線對抗強外磁場的電磁力，該力驅使該電流引線分離。
依據第3圖，在每種情況下，連接元件18較佳包含環形間隔件13、中空圓柱體14、螺絲15和螺母16。中空圓柱體14的直徑較佳透過軸環(collar)17在一端擴寬。環形間隔件13被安置在該等環之間。中空圓柱體穿過孔插入，將孔排成行。穿過中空圓柱體14和間隔件13的螺絲15在其末端用螺母16擰緊。螺母較佳透過盲孔封閉。
在裝配期間，首先將環形間隔件推入上部環1和下部環2之間，而後將中空圓柱體14穿過上部環的孔插入間隔件中。而後將另一個中空圓柱體14穿過下部環2插入間隔件中，將該裝置用螺絲15和螺母16擰到一起。為了節省結構高度，將中空圓柱體14的軸環17放入上部環1的末端側和下部環2的末端側的對側的埋頭孔中。
中空圓柱體14和環形間隔件13由耐熱的電絕緣材料構成，較 佳由氮化硼構成。
螺絲15和螺母16由耐拉伸、剪切和扭曲負載的耐熱材料構成，較佳由碳纖維補強碳(CFC)構成。
環形間隔件13吸收在強外磁場作用下壓縮環的壓縮力，螺絲15吸收在強外磁場的作用下將環拉開的張力。
上部環1的電流引線11將較高的電流密度導入上部環中。因此，將上部環1與電流引線11固定的固定裝置應當是耐熱的，並具有較低的電阻率。因此，較佳使用由石墨構成的螺絲20將上部環固定到電流引線11上。而且，為了增大接觸面積，將螺絲20形成埋頭螺絲是有利的。
下部環2的電流引線12承載環形加熱器的大部分重量。因此，將下部環2與電流引線12固定的固定裝置應當是耐熱的，並具有較高的機械穩定性。因此，較佳使用由碳纖維補強碳(CFC)構成的螺絲21將下部環固定到電流引線12上。
依據第4圖，夾具接頭19包含栓22，該栓相對於上部環的電流引線11和下部環的電流引線12的縱向方向，而橫向排列，絕緣底座23在其上滑動。將底座23與墊圈24放入電流引線的孔中，並透過螺絲25固定位置。栓22和墊圈24較佳由碳纖維補強碳(CFC)構成，底座23較佳由氮化硼構成。
實施例：
如在US 2004/0192015 A1中描述的方法中出現的條件下，測試包含第1圖至第4圖中描述的特徵的環形加熱器的機械穩定性。與該文獻中描述的環形加熱器相比，在具有相當的性能的情況 下，發現本發明的環形加熱器較不容易破損和故障。而且，該文獻中描述的環形加熱器可以用本發明的環形加熱器替換，而不必改變用於生產單晶的設備上的結構。
1‧‧‧上部環
2‧‧‧下部環
3‧‧‧下部環的環間隙
4‧‧‧迴路
5‧‧‧上部環的環間隙
6‧‧‧基底
7‧‧‧上部環的末端
8‧‧‧下部環的末端
9‧‧‧孔
10‧‧‧上部環的另一末端
11‧‧‧上部環的電流引線
12‧‧‧下部環的電流引線
13‧‧‧環形間隔件
14‧‧‧中空圓柱體
15‧‧‧螺絲
16‧‧‧螺母
17‧‧‧軸環
18‧‧‧連接元件
19‧‧‧夾具接頭
20‧‧‧螺絲
21‧‧‧螺絲
22‧‧‧栓
23‧‧‧底座
24‧‧‧墊圈
25‧‧‧螺絲
第1圖顯示了不含連接元件並不含電流引線的環形加熱器的透視圖。
第2圖顯示了依據第1圖具有連接元件和電流引線的環形加熱器的透視圖。
第3圖為環形加熱器中的電流引線區域的截面圖。
第4圖為電流引線中的夾具接頭區域的截面圖。
1‧‧‧上部環
2‧‧‧下部環
6‧‧‧基底
10‧‧‧上部環的另一末端
11‧‧‧上部環的電流引線
12‧‧‧下部環的電流引線
18‧‧‧連接元件
19‧‧‧夾具接頭

Claims (10)

  1. 一種用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器，其包含：上部環和下部環，它們透過鄰接該下部環的環間隙的迴路而導電連接，以使透過環傳導的電流的流動方向在該等環中是相反的；以一定距離將該上部環與下部環固定在一起的連接元件；和引導電流通過該上部環和下部環的電流引線。
  2. 如請求項1所述的電阻加熱器，其中該上部環和下部環以及電流引線實質上由碳構成。
  3. 如請求項1或2所述的電阻加熱器，其中該上部環和下部環的邊緣是圓形的。
  4. 如請求項1或2所述的電阻加熱器，其中該連接元件各包含環形間隔件、中空圓柱體、螺絲和螺母，其中該環形間隔件被安排在該等環之間，該中空圓柱體於環的厚度方向穿過該等環，將孔排成行，以及該螺絲在其一端用螺母擰緊，並延伸穿過該中空圓柱體和間隔件。
  5. 如請求項4所述的電阻加熱器，其中該中空圓柱體的軸環被放入上部環和下部環的側面區域中的埋頭孔中。
  6. 如請求項1或2所述的電阻加熱器，其中透過在位於該迴路旁和該下部環的電流引線旁的位置上的連接元件，將該上部環和下部環固定在一起。
  7. 如請求項1或2所述的電阻加熱器，其中透過由石墨構成的螺絲將該上部環固定至上部環的電流引線。
  8. 如請求項1或2所述的電阻加熱器，其中透過由CFC構成的螺絲將該下部環固定至下部環的電流引線。
  9. 如請求項1或2所述的電阻加熱器，其中該電阻加熱器包含夾具接頭，該夾具接頭確保該電流引線對抗對其壓縮的電磁力。
  10. 如請求項9所述的電阻加熱器，其中該夾具接頭包含栓和螺絲，該栓相對於電流引線的縱向方向而橫向排列且絕緣底座在其上滑動，以及該螺絲固定該底座和栓的位置。
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