用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器的製作方法

2023-06-09 04:43:41

專利名稱：用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器。
背景技術：
生產單晶的一種方法是Czochralski法。其例如用於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，而後將籽晶與熔融體接觸，最後，通過從熔融體的表面提拉籽晶而使得籽晶上懸浮的單晶生長。如果可以通過環形電阻加熱器為生長的單晶供熱是有利的，所述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，其中通過環形加熱器為生長的單晶的相界提供熱，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儘可能地均勻的效果。US6, 132，507提到，環形加熱器也可以用於降低單晶直徑的波動以及生長率。本發明的發明人已經確證，如果同時施加強的外磁場以影響熔融體的流動，那麼利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相互作用。作用在環形加熱器上的Lorentz力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, 335，864B2描述了如下事實，電阻加熱器的固有磁場可以通過以雙線形式纏繞加熱線圈來降低，這樣，電流穿過加熱線圈的局部折返以相反方向流動。然而，儘管使用以所述方式改造的環形加熱器，但是所提及的困難不能得到滿意的消除，因為磁場間的相互作用仍存在，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US2004/0192015 Al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。

發明內容
通過提供用於為生長的單晶供熱的環形電阻加熱器達到所述目的，所述環形電阻加熱器包含上部環和下部環，它們通過鄰接下部環的環間隙的回線(loop)而導電連接，以使通過環傳導的電流的流動方向在所述環中是相反的；以一定距離將所述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線。本發明的環形加熱器包含兩個環形局部線圈，一個在另一個之上排布，在下文中也將所述局部線圈稱為上部環和下部環，它們通過回線(loop)連接形成一體組件。當通過回線時，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。優選所述上部環和下部環以及電線基本上由碳，例如碳纖維補強碳(CFC)或石墨構成。特別優選石墨，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。為了使環的截面積儘可能小，電阻應當優選不超過11 μ Ωπι。撓曲強度應當優選不低於50MPa，以及導熱性應當優選不小於120W/mK。高的導熱性防止了加速環狀加熱器的損耗的過熱位置(「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。因而，它們對作用在環上的電磁力進行補償，並且特別地防止環在作用在熔融體上的磁場影響下相對於彼此位移。環之間的距離優選不小於2mm和不大於150mm。小於2mm的距離是不優選的，因為有發生電子跳火(electrical flashover)的風險,超過150mm的距離也是不優選的，因為這樣，環形加熱器的雙線結構的優勢不再得到足夠顯示。所述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導出。所述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通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線擔載。優選以電絕緣的方 式將電線彼此連接，以確保其以這種方式對抗壓縮其或牽拉其的力以及由強外磁場產生的力。例如，施加在熔融體上較強的外磁場是水平磁場或勾形磁場。優選在電線的固定位置的區域內以擴寬的方式呈現上部環和下部環。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，優選用於影響生長的單晶的相界上的軸向溫度梯度的徑向分布以及用於調整生長的單晶的直徑。單晶優選是由矽構成的單晶，其直徑不小於300mm,特別優選直徑為300mm或450mm。


以下，本發明將參考附圖更詳細地解釋。附圖顯示了環形加熱器的特別優選的構造特徵。圖I顯示了不含連接元件並不含電線的環形加熱器的透視圖。圖2顯示了依據圖I具有連接元件和電線的環形加熱器的透視圖。圖3是電線區域中的環形加熱器的截面圖。圖4是夾具接頭(clamping connection)區域中的電線的截面圖。
具體實施例方式依據圖I的環形加熱器包含上部環I和下部環2，其中兩個環都通過環間隙隔斷，其以支管(offset)形式排布。下部環的環間隙3與回線4鄰接，所述回線連接上部環I與下部環2。上部環的環間隙5優選足夠寬，以具有固定下部環的電線的空間。優選有用於基底(base) 6的空間，其增加基底區域中的下部環的厚度，以使電線的固定位置處於相同的水平。由於環間隙的支管排布，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，在圓周上分布孔9，所述孔在厚度方向上一致地穿過上部環和下部環。孔優選中心分布，並在末端側上等距離分布，以避免不對稱。特別地，它們優選還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，而不是中心排列。用於將環與電線固定的孔位於基底6的末端和上部環I的另一個末端10的末端側上。優選擴寬其末端區域中和基底6的區域中的環，以增加機械穩定性並降低那裡的電流密度。圖2顯示了，孔用於容納連接元件18，其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。在上部環的末端10的末端側上的孔和在基底6的末端上的孔用於將上部環I固定到上部環的電線11上，以及將下部環2固定到下部環的電線12上。基底6優選以使環在相同的水平的位置上與電線固定的方式增加下部環2的厚度。在圖2所示的環形加熱器的情況下，上部環的電線11和下部環的電線12彼此通 過夾具接頭19在至少一個位置上連接。夾具接頭19確保電線對抗強外磁場的電磁力，所述力壓縮所述電線。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線接頭，其確保電線對抗強外磁場的電磁力，所述力驅使所述電線分離。依據圖3，在每種情況下，連接元件18優選包含環形墊片13、中空圓柱體14、螺絲15和螺母16。中空圓柱體14的直徑優選通過軸環(collar) 17在一端擴寬。環形墊片13被安排在環之間。中空圓柱體穿過孔插入，將孔排成行。穿過中空圓柱體14和墊片13的螺絲15在其一端用螺母擰緊。螺母優選通過盲孔封閉。在裝配期間，首先將環形墊片推入上部環I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墊片中。而後將另一個中空圓柱體穿過下部環2插入墊片中，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I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和環形墊片13由耐熱的電絕緣材料構成，優選由氮化硼構成。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，優選由碳纖維補強碳(CFC)構成。環形墊片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拉伸力。上部環I的電線11將較高的電流密度導入上部環中。因此，將上部環I與電線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，優選使用由石墨構成的螺絲20將上部環固定到電線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的電線12承載環形加熱器的大部分重量。因此，將下部環2與電線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，優選使用由碳纖維補強碳(CFC)構成的螺絲21將下部環固定到電線12上。依據圖4，夾具接頭19包含栓22，所述拴相對於上部環的電線11和下部環的電線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放入電線的孔中，並通過螺絲25固定。栓22和墊圈24優選由碳纖維補強碳(CFC)構成，底座23優選由氮化硼構成。實施例
例如在US 2004/0192015 Al中描述的方法中出現的條件下測試包含圖1_4中描 述的特徵的環形加熱器的機械穩定性。與所述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出故障。而且，所述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。
權利要求
1.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，它們通過鄰接所述下部環的環間隙的回線而導電連接，以使通過環傳導的電流的流動方向在所述環中是相反的； 以一定距離將所述上部環與下部環固定在一起的連接元件；和 弓I導電流通過所述上部環和下部環的電線。
2.權利要求I所述的電阻加熱器，其中所述上部環和下部環以及電線基本上由碳構成。
3.權利要求I或2所述的電阻加熱器，其中所述上部環和下部環的邊緣是圓形的。
4.權利要求1-3之一所述的電阻加熱器，其中所述連接元件包含環形墊片、中空圓柱體、螺絲和螺母，其中所述環形墊片被安排在所述環之間，所述中空圓柱體沿厚度方向穿過環，將孔排成行，以及所述螺絲在其一端用螺母擰緊，並延伸穿過所述中空圓柱體和墊片。
5.權利要求4所述的電阻加熱器，其中所述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.權利要求1-5之一所述的電阻加熱器，其中通過在位於所述回線旁和所述下部環的電線旁的位置上的接頭元件將所述上部環和下部環固定在一起。
7.權利要求1-6之一所述的電阻加熱器，其中通過由石墨構成的螺絲將所述上部環固定到上部環的電線上。
8.權利要求1-7之一所述的電阻加熱器，其中通過由CFC構成的螺絲將所述下部環固定到下部環的電線上。
9.權利要求1-8之一所述的電阻加熱器，其特徵在於，其包含夾具接頭，所述夾具接頭確保所述電線對抗壓縮其的電磁力。
10.權利要求9所述的電阻加熱器，其中，所述夾具接頭包含栓和螺絲，所述拴相對於電線的縱向方向而橫向排列，絕緣底座在其上滑動，以及所述螺絲固定所述底座和栓。
全文摘要
本發明涉及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，它們通過鄰接所述下部環的環間隙的回線而導電連接，以使通過環傳導的電流的流動方向在所述環中是相反的；以一定距離將所述上部環與下部環固定在一起的連接元件；和引導電流通過所述上部環和下部環的電線。
文檔編號C30B15/14GK102877123SQ201210241518
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月12日 優先權日2011年7月15日
發明者D·克耐爾, W·沙興格 申請人:矽電子股份公司