(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長する単結晶に熱を供給するためのリング形状の抵抗ヒータであって、
上部リングと下部リングとを含み、前記上部リングと前記下部リングとは、それぞれのリングを通って流れる電流の流れ方向が互いに反対であるように、前記下部リングのリングギャップに隣接するループ部により電気的に接続され、前記抵抗ヒータはさらに、
前記上部リングと前記下部リングとを間隔を空けて共に保持する接続要素と、
前記上部リングおよび前記下部リングを流れる電流を導くための第１および第２電流リードとを含み、
前記第１および第２電流リードは、互いに電気的に絶縁された態様で機械的に接続されており、前記第１および第２電流リードを圧縮または前記第１および第２電流リード同士を引き離す、外部磁界によってもたらされる力から保護される、抵抗ヒータ。
【請求項２】
前記上部リングと、前記下部リングと、前記電流リードとは炭素からなる、請求項１に記載の抵抗ヒータ。
【請求項３】
前記上部リングおよび前記下部リングの縁部は丸くされる、請求項１または請求項２に記載の抵抗ヒータ。
【請求項４】
前記接続要素の各々は、リング形状のスペーサと、中空円筒部と、ねじと、ねじナットとを含み、前記リング形状のスペーサは前記リング同士の間に配され、前記中空円筒部は、前記リングを貫通する穴を厚さ方向に整列させ、前記ねじはその端部にて前記ねじナットにねじ込まれるとともに、前記中空円筒部および前記スペーサを通って延在する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の抵抗ヒータ。
【請求項５】
前記中空円筒部のカラー部は、前記上部リングおよび前記下部リングの側方領域において皿穴に埋められる、請求項４に記載の抵抗ヒータ。
【請求項６】
前記上部リングおよび前記下部リングは、前記ループ部と前記下部リングの前記電流リードと並んで存在する位置に、接続要素によって一緒に保持される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の抵抗ヒータ。
【請求項７】
前記上部リングは、グラファイトから構成されるねじにより前記上部リングの前記電流リードに固定される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の抵抗ヒータ。
【請求項８】
前記下部リングは、ＣＦＣから構成されるねじにより前記下部リングの前記電流リードに固定される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の抵抗ヒータ。
【請求項９】
前記電流リードを圧縮する電磁力から前記電流リードを保護するクランプ接続部によって特徴付けられる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の抵抗ヒータ。
【請求項１０】
前記クランプ接続部はピンを含み、前記ピンは、前記電流リードの長手方向に対して横断方向に配され、前記ピンの上には電気的に絶縁性のマウントが装着され、前記クランプ接続部はさらに、適切な位置に前記マウントおよび前記ピンを保持するねじを含む、請求項９に記載の抵抗ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
本発明は、成長する単結晶に熱を供給するためのリング形状の抵抗ヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶を製造するための１つの方法はチョクラルスキー法である。チョクラルスキー法はたとえば、珪素から構成される単結晶を製造するために用いられる。この方法に従うと、まず坩堝において融液を作り出し、次いで種結晶を当該融液に接触させる。最後に、種結晶を融液の表面から上方向に引き上げることにより、種結晶からつるされる単結晶を成長させる。
【０００３】
以下リングヒータとも称されるリング形状の抵抗ヒータにより、成長する単結晶に熱が供給され得れば、有利である。したがって、ＵＳ２００４／０１９２０１５は、成長する単結晶の相の境界に熱がリングヒータにより供給され、単結晶の半径に沿って当該相の境界にて軸方向の温度勾配を均質化する方法を記載している。この手法の目的は、固有の点欠陥の形成に影響を与えて、成長した単結晶の欠陥特性を半径方向に可能な限り均一にすることである。
【０００４】
ＵＳ６，１３２，５０７は、リングヒータが単結晶の直径および成長速度の変動を低減するようにも用いられ得ることを言及している。
【０００５】
本発明の発明者らは、成長する単結晶に熱を供給するためのリングヒータの使用により、同時に強い外部磁界が確立されて融液における流れに影響を与える場合に、問題が発生するということを突き止めた。このような場合には、外部磁界とリングヒータが生成する磁界との間の電磁相互作用が発生する。リングヒータに作用するローレンツ力はリングヒータの位置を変えるか、リングヒータを損傷するか、またはさらにはリングヒータを破壊さえし得る。
【０００６】
ＵＳ７，３３５，８６４  Ｂ２は、電流が加熱コイルの部分的な巻回部を通って反対方向に流れるように、加熱コイルが２本巻きの態様で巻かれることにより抵抗ヒータの本来の磁界が低減され得るという事実を記載している。
【０００７】
しかしながら、このように修正されたリングヒータの使用にも関わらず、上述した問題は十分に除去され得ない。なぜならば、磁界同士の間の相互作用は、弱くなった形態にあるとは言え、残っているからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＵＳ２００４／０１９２０１５
【特許文献２】ＵＳ６，１３２，５０７
【特許文献３】ＵＳ７，３３５，８６４  Ｂ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、強い外部磁界の存在下での使用の間にＵＳ２００４／０１９２０１５  Ａ１に記載されるリングヒータの欠点を有することなく、当該リングヒータの利点を有する、成長する単結晶に熱を供給するためのリング形状の抵抗ヒータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、成長する単結晶に熱を供給するための以下のリング形状の抵抗ヒータによって達成される。この抵抗ヒータは、上部リングと下部リングとを含み、上部リングと下部リングとは、これらのリングを通って導電される電流の流れ方向がこれらのリングにおいて反対であるように、下部リングのリングギャップに隣接するループ部により電気的に導電的に接続される。上記抵抗ヒータはさらに、上部リングと下部リングとをある距離にて一緒に保持する接続要素と、上部リングおよび下部リングを通って電流を導電するための電流リードとを含む。
【００１１】
本発明のリングヒータは、一方の上に他方が配される２つのリング形状の部分コイルを含み、当該部分コイルは以下、上部リングおよび下部リングとしても指定されるとともに、一体の構成要素を形成するようループ部により接続される。部分コイルを通って流れる電流の流れ方向は、ループ部を通って通過する際に逆になる。したがって、リングヒータは、２本巻きの態様で巻かれるコイルの構造および特性を有する。
【００１２】
好ましくは、上部リングと、下部リングと、電流リードとは、たとえば炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）またはグラファイトといった実質的に炭素からなる。グラファイトは特に好ましく、特に可能な限りもっとも低い抵抗率、可能な限りもっとも高い曲げ強さ、および可能な限りもっとも高い熱伝導率を有するグラファイトタイプが好ましい。リングの断面の面積が可能な限り小さくなり得るように、抵抗率は好ましくは１１μΩｍ以下であるべきである。曲げ強さは好ましくは５０ＭＰａ以上であるべきであり、熱伝導率は好ましくは１２０Ｗ／ｍＫ以上である。高い熱伝導率は、リングヒータの摩耗を加速する過熱位置（「ホットスポット」）の形成を防止する。
【００１３】
接続要素は、上部リングと下部リングとを一緒に互いから特定の距離で保持する。これにより接続要素は、リングに作用する電磁力を補償するとともに、特に、融液に作用する磁界の影響下でリングが互いに対して変位するのを防止する。リング同士の間の距離は好ましくは２ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。電気的なフラッシュオーバが発生する危険性により２ｍｍ未満の距離は好ましくない。同様に１５０ｍｍより大きい距離も、リングヒータの２本巻きの構造の利点がもはや適切に現れないので好ましくない。接続要素は、接続位置にて上部リングが下部リングから電気的に絶縁されるような態様で実施され得る。同様に接続要素は、リングを通って流れる電流の一部を導くような態様で実施され得る。上記の一部は各々の場合、合計の電力の５％以下であるべきである。このタイプの構成は、たとえば上部リングと下部リングとが炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）から構成されるねじにより互いに直接的にねじ込まれることにより達成され得る。
【００１４】
上部リングおよび下部リングは、上部リングおよび下部リングにそれぞれ固定される電流リードによって保持される。電流リードを互いに電気的に絶縁された態様で接続し、かつ電流リードを圧縮または電流リード同士を引き離す、強い外部磁界によってもたらされる力からこれによりこれらの電流リードを保護することが好ましい。たとえば、より強い外部磁界は、融液に加えられる水平磁界またはカスプ磁界である。
【００１５】
電流リードの固定場所の領域において幅が広がった態様で上部リングおよび下部リングを実施することが好ましい。これにより、この領域におけるリングの機械的安定性が強化されるとともに、電流密度が低減されるので、局所的な過熱が回避される。
【００１６】
リングヒータは、成長する単結晶に熱を供給するよう用いられ、好ましくは、成長する単結晶の相の境界での軸方向の温度勾配の半径方向プロファイルに影響を与えるとともに、成長する単結晶の直径を規制する目的で用いられる。単結晶は、好ましくは、直径が３００ｍｍ以上、特に好ましくは、直径が３００ｍｍまたは４５０ｍｍである珪素から構成される単結晶である。
【００１７】
図面を参照して、以下により詳細に本発明を説明する。これらの図は、リングヒータの特に好ましい構成の特徴を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】接続要素および電流リードがないリングヒータを斜視図により示す図である。
【図２】接続要素および電流リードが存在する図１に従ったリングヒータを斜視図により示す図である。
【図３】電流リードの領域においてリングヒータを通る断面図である。
【図４】クランプ接続部の領域において電流リードを通る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に従ったリングヒータは、上部リング１と下部リング２とを含む。これらの両方のリングはリングギャップにより分離される。リングギャップは、オフセットした態様で配される。下部リングのリングギャップ３は、上部リング１を下部リング２に接続するループ部４に隣接する。上部リングのリングギャップ５は好ましくは、下部リングの電流リードを固定するためのスペースが存在するように十分に広い。基部６のためのスペースが存在するのが好ましい。基部６は、電流リードの固定場所が同じレベルに位置するように当該基部の領域において下部リングの厚さを増加させる。
【００２０】
リングギャップのこのオフセット構成により、上部リングの端部７と下部リングの端部８とが、基部６と下部リングのリングギャップ３との間の領域において重なる。上部リングの縁部および下部リングの縁部、特に、これらのリングの外周部および内周部における縁部は、丸くされる。縁部を丸くすることにより、電気的なフラッシュオーバが発生する危険性が低減される。
【００２１】
これらのリングの端側上では、穴９が円周部に亘って分散しており、当該穴は、上部リングおよび下部リングを通って厚さ方向に一致して延在している。これらの穴は好ましくは、非対称を回避するよう端側上で同一の距離で中心に分散される。これらの穴は好ましくは、特にリングが特に高い機械的負荷に晒される位置にも位置決めされる。上部リングの端部７と下部リングの端部８とが重なるところには、中心に配される穴の代わりに、互いに半径方向に並ぶ穴９が存在する。リングを電流リードに固定するための穴が、基部６の端側と、上部リング１のさらなる端部１０の端側とに位置決めされる。
【００２２】
これらの端部の領域および基部６の領域において、そこでの機械的安定性を増加するとともに電流密度を低減するようリングの幅を広げることが好ましい。
【００２３】
図２は、上部リングと下部リングとを保持する接続要素１８を特定の距離で正確に収容するための主たる部分として穴が機能することを示す図である。この収容は、接続要素１８同士を互いに電気的に絶縁されるように、または接続要素がリング同士の間に高インピーダンスラインを形成するような態様で行われる。上部リングの端部１０での端側上の穴と、基部６の端側上の穴とは、上部リング１を上部リングの電流リード１１に固定し、下部リング２を下部リングの電流リード１２に固定するために機能する。基部６は好ましくは、これらのリングが同じレベルの位置で電流リードに固定されるような態様で下部リング２の厚さを増加させる。
【００２４】
図２に示されるリングヒータの場合、上部リングの電流リード１１および下部リングの電流リード１２が、クランプ接続部１９により少なくとも１つの位置にて互いに接続される。クランプ接続部１９は、電流リードを圧縮する、強い外部磁界の電磁力から電流リードを保護する。クランプ接続部１９に加えてまたはクランプ接続部１９の代わりに、強い外部磁界によるリードを引き離す電磁力から電流リードを保護する、電流リードの１つまたは複数の接続部を設けることも可能である。
【００２５】
図３に従うと、接続要素１８は好ましくは各々の場合、リング形状のスペーサ１３と、中空円筒部１４と、ねじ１５と、ねじナット１６とを含む。中空円筒部１４の直径は好ましくはカラー部１７により一端部にて広くされる。リング形状のスペーサ１３は、リング同士の間に配される。中空円筒部は穴に差し込まれ、穴を整列させる。中空円筒部１４およびスペーサ１３を通って延在するねじ１５は、その端部にてねじナット１６にねじ込まれる。ねじナットは好ましくは止まり穴によって閉じられる。
【００２６】
組み付けの間、まずリング形状のスペーサ１３が上部リング１と下部リング２との間に押し込まれ、次いで中空円筒部１４が、上部リングにおける穴を通ってスペーサの中に挿入される。次いで、さらなる中空円筒部１４が下部リング２を通ってスペーサ内に挿入され、この構成がねじ１５およびねじナット１６とともにねじ込まれる。構造的な高さを節約するために、中空円筒部１４のカラー部１７は、上部リング１の端側と、下部リング２の端側の対向する側とへと皿穴に埋められる。
【００２７】
中空円筒部１４およびリング形状のスペーサ１３は、温度抵抗性を有するとともに電気的に絶縁性の材料からなり、好ましくは窒化硼素からなる。
【００２８】
ねじ１５およびねじナット１６は、張力、剪断、および歪み負荷に対して抵抗性を有する温度抵抗性材料、好ましくは炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなる。
【００２９】
リング形状のスペーサ１３は、強い外部磁界の作用下でリングを圧縮する圧縮力を吸収し、ねじ１５は、強い外部磁界の作用下でリング同士を引き離す引張力を吸収する。
【００３０】
上部リング１の電流リード１１は、比較的高密度の電流を上部リングへと導電する。したがって、上部リング１を電流リード１１に固定するための固定手段は温度抵抗性を有するとともに比較的低い抵抗率を有するべきである。したがって、グラファイトから構成されるねじ２０を用いて上部リングを電流リード１１に固定するのが好ましい。さらに、接触面積を大きくするためにねじ２０を皿ねじとして形成することが有利である。
【００３１】
下部リング２の電流リード１２は、リングヒータの重量の大部分を保持する。したがって、下部リング２を電流リード１２に固定するための固定手段は、温度抵抗性を有し、比較的高い機械的安定性を有するべきである。したがって、炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）から構成されるねじ２１を用いて下部リングを電流リード１２に固定することが好ましい。
【００３２】
図４に従うと、クランプ接続部１９は、上部リングの電流リード１１および下部リングの電流リード１２の長手方向に対して横断方向に配されるピン２２を含む。ピン２２の上に、電気的に絶縁性のマウント２３が装着される。マウント２３は、電流リードにおける穴にワッシャ２４と共に配置され、ねじ２５によって適切な位置に保持される。ピン２２およびワッシャ２４は好ましくは炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、マウント２３は好ましくは窒化硼素からなる。
【００３３】
実施例
図１〜図４の例示の特徴を含むリングヒータの機械的安定性を、ＵＳ２００４／０１９２０１５  Ａ１に記載される方法において生じた条件下でテストした。上記の文献に記載のリングヒータと比較して、リングヒータは、匹敵する性能を有し、摩耗および欠陥に対する影響の受けやすさが低いことが分かった。さらに、上記の文献に記載されるリングヒータは、この単結晶を製造するための装置に対する構造的な変更を必要とすることなく、本発明に従ったリングヒータによって置き換えられることが可能であった。
【図１】
0005579231.tif 000002
【図２】
0005579231.tif 000003
【図３】
0005579231.tif 000004
【図４】
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