专利名称：供晶体生长装置内电阻加热器用的电极装配的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于生长单晶硅棒的晶体生长装置，更详细地涉及用于将电流引到这种晶体生长装置内的电阻加热器的电极装配。
用作大多数半导体电子元件制造初始材料的单晶硅，通常通过称为切氏(Czochralski)(“Cz”)法制备。最常用的晶体生长方法是在拉晶机内进行。在此方法中，多晶硅装入坩埚内并由围绕坩埚侧壁外表面的加热器将其熔解。使一个籽晶同熔解的硅接触然后通过拉晶机构慢慢拉起从而生长一根单晶硅棒。在完成一个颈部结构之后，通过降低拉起速率与/或熔解温度增大硅棒直径直至达到要求的目标直径。然后通过控制拉起速率与熔解温度同时补偿降低的熔解液面生长具有大致恒定直径的圆柱形主晶体。接近生长处理结束时，必须逐渐缩小晶体直径以形成一个锥形端头。典型地，此锥形端头通过加快拉起速率与增加供给坩埚的热量而形成。当直径变为足够小时，使硅棒同熔体分离。
用于熔解坩埚内硅的加热器通常为电阻加热器，其中电流流过由耐热材料(例如石墨)构成的热元件。阻碍电流流过的电阻产生热，从热元件辐射至坩埚与坩埚内的硅。此热元件由若干长度相等与截面相等的垂直方向的加热块组成，并列布置且以蛇形互相连接。即是说，相邻的加热块以交替方式在顶部或底部互相连接以形成一个通过热元件的连续电路。热元件产生的热功率通常是加热块截面积的一个函数。
这些加热器通常安装在由钢制成的拉晶机外壳的底部。电极装配包括一个通过外壳的底部向上延伸的同加热器的热元件电连接的铜电极。电极的另一端同外壳外面的电源电缆电连接，使由电缆从电源引入的电流通过电极流至使加热器工作的热元件。因为热元件辐射热，电极暴露在严酷的热负荷中。由于铜不能承受高的热负荷，因此铜电极做成具有中心冷却通道的管子结构，冷却水沿电极长度通过冷却通道以冷却电极。因此，电极的直径必须较大，使有足够大的体积既能承载必需的电负荷又能容纳冷却水通路。
近来已发现，通过当硅棒在经过生长室与拉晶室上升期间冷却时控制它的轴向热梯度，可改善按切氏法生长的硅棒的质量。热梯度的控制可使用热屏蔽与/或一个安装在外壳的邻近圆穹形过渡部分的上拉晶室内的第二加热器。此加热器包括一个向下伸入晶体生长室内的热元件，基本上终止于装载熔解的原材料的坩埚的上面。热元件的一个中心开口使生长的硅棒通过拉晶机的外壳向上拉起时能从中心通过热元件。用于将加热器安装在上拉晶室壁上的安装支架同加热器的顶部电连接。上拉晶室壁上的开口使安装支架能同外壳外面的电流源电连接。
由于常规的拉晶机内有径向间隔限制，使在上拉晶室内安装一个第二加热器与将加热器同电流源连接成为一个困难的问题。例如，用于生长直径最大至200mm硅棒的拉晶机内的上拉晶室的直径典型约为350mm。这给加热器与合适的电极只留下一个小量的径向间隔用于建立热元件与电源之间的电路与用于合适地冷却电极。安装现有的拉晶机的上拉晶室内的第二加热器需要一个布置在上拉晶室与外壳的圆穹形过渡部分之间的昂贵的适配器。此适配器的费用与复杂性随着适配器高度的增大而增加。因此，希望使此适配器的高度减至最小。
常规的水冷铜电极装配，例如上述用于供给坩埚加热器电流的电极装配，不适合供安装在拉晶机的上拉晶室内的加热器之用。电极内部提供冷却水的要求导致一个具有相当大直径的电极使有足够大的体积既能承载必需的电负荷又能容纳冷却水通路。因此电极的总截面尺寸也相当大，从而增加了适配器的高度要求。此外，水冷铜电极还消耗相当大的在上拉晶室壁内用于同热元件连接的空间。
在本发明的若干目的与特征之中，可指出的有提供一种带有一个能将电流传送至上拉晶室内的电阻加热器的电极装配的拉晶机；提供其中电极装配是小型的拉晶机；提供其中电极装配的尺寸小于常规的水冷铜电极装配的拉晶机；提供其中电极装配能承受由从安装在上拉晶室内的加热器辐射的热引起的严酷热负荷的拉晶机；提供其中电极装配密封以保持拉晶机内环境的拉晶机；提供其中电极为拉晶机外面冷却的拉晶机；及提供一种要求较不昂贵的适配器的用于改进在拉晶机的上拉晶室内引入一个电阻加热器的现有拉晶机的电极装配。
通常，一台本发明的按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机包括一个外壳与一个外壳内用于装载熔解的硅的坩埚。为从熔解的硅中上拉制一根生长的硅棒而提供一个拉晶机构。一个加热器位于外壳内用于在外壳内辐射热。一个电极有一个同外壳内加热器电连接的第一端与一个外端。此电极延伸通过拉晶机外壳使电极的外端通常在外壳的外面。外壳内的电极部分沿所述部分全长通常为实心截面而没有任何内冷却通道。一个导电体从一个电流源向电极的外端供给电流使沿电极向内给位于外壳内的加热器传送电流。
在另一实施例中，一个本发明的为改进按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机而在拉晶机的外壳内安装一个加热器而使用的适配器，包括一个通常为管状的为插入可分离的生长室与外壳的拉晶室两个部件之间而定尺寸使得局部地限定外壳的延长器。适配器中有一个开口使能从外壳的外面到达加热器，用于从位于外壳外面的电流源向加热器传送电流。连接法兰固定在延长器的顶部与底部上，用于使延长器同外壳的生长室与拉晶室连接。
在又一个实施例中，一个供安装在按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机的外壳内的电阻加热器使用的电极装配，包括一个具有同外壳内加热器电连接的第一端与一个外端的电极。此电极通过拉晶机外壳延伸使电极的外端通常在外壳的外面。外壳内的部分电极沿所述部分全长通常为实心截面而没有任何内冷却通路。一个导电体同电极的延伸在外壳外面的部分连接，从一个电流源向电极供给电流，用于沿电极向位于外壳内的加热器传送电流。此导电体同电极的外面部分导热接合并有一个贯穿延伸的内通道用于接收导体内用于从电极的外面部分引出热的冷却介质。
下面将部分明确和指出本发明的其它目的与特征。
图1是一台拉晶机的一个示意性局部垂直剖视图，表示一个安装在拉晶机的上拉晶室内的电阻加热器与一对本发明的供电阻加热器使用的电极装配；图2是一个为改进常规的拉晶机而用以支持外壳的上拉晶室内的电阻加热器的适配器，包括适配器支撑图1的电极装配的透视图；与图3是一个图1的示意性局部垂直剖视图的一部分的放大图。
在所有几个视图中，相应的参考标记表示相应的零件。
现在参看各附图尤其是图1，总体以21表示一对根据本发明的原理构造的电极装配。这对电极装配最佳地用于一台总体以23表示的用于按切氏法生长单晶硅棒(例如图1中的硅棒1)类型的拉晶机。拉晶机23包括一个外壳(总体以25表示)，外壳25包括通常为圆柱形的生长室27，与一个在生长室上面的通常为圆柱形的拉晶室(总体以29表示)。拉晶室29有一个比生长室27较小的横向尺寸。生长室27包括一个圆穹形过渡部分31，在此部分内生长室的直径通常减小至等于拉晶室29的直径。
布置在生长室27内的石英坩埚33装载熔解的半导体原材料M(例如硅)，由它生长单晶硅棒1。坩埚33包括一个圆柱形的侧壁35并安装在围绕垂直轴旋转的转盘37上。坩埚33还能在生长室27内升起以便当硅棒1生长与原材料消耗时保持熔解的原材料M处在相同的液面。
总体以39表示的用于熔解坩埚33内原材料M的坩埚加热器，包括一个通常为垂直方向的热元件41，它以同坩埚侧壁35径向间隔的关系围绕坩埚。热元件41将坩埚加热至高于原材料熔点的温度。放置绝热层43将热限制在生长室27的内部。此外，在生长室27与上拉晶室29内有通道，供冷却水循环之用。这些通道的一部分在图1中以参考标记45表示。
一个拉晶机构包括一根从拉晶室29上面的能升起、降下与旋转拉轴的机构(未显示)向下延伸的拉轴47。拉晶机23可有一根拉缆(未显示)以代替拉轴47，取决于拉晶机的类型。拉轴47端接在籽晶夹头49内，夹头49夹住用于生长单晶硅棒1的籽晶50。为清楚表明籽晶夹头49与硅棒1的上升位置，在图1中局部断开拉轴47。生长室27的过渡部分31上的一个观察口51用于通过一个常规的硅棒直径控制装置例如摄象机控制装置(未显示)观察硅棒1与熔解的原材料M的熔解表面之间的液体/固体界面。拉晶机23的一般结构与原理为本领域内普通技术人员所周知，因此除了下面较充分地说明的内容之外将不作进一步的描述。
在图1的优先实施例中，上拉晶室29由生长室27的过渡部分31上面的一部分拉晶机外壳25组成，包括一个接收室30，一个与接收室的底部连接的隔离阀壳32，与一个在阀壳与生长室27的过渡部分31中间的总体以69表示的适配器。然而应了解，拉晶室29可只包括接收室30或接收室与隔离阀壳32而保持在本发明的范围内。还可设想，适配器69可同隔离阀壳32、生长室37的过渡部分31或二者构成整体，而不越出本发明的范围。一个通常为盘形的隔离阀34放置在阀壳32内用于选择地密封生长室27，使可将接收室30同拉晶机外壳25分离而保持生长室内的温度与真空。接收室30同拉晶机外壳25的分离提供为在籽晶夹头49中安装籽晶50或执行其它操作而进入接收室的内部。
一个总体以53表示的第二或上电阻加热器，包括一个安装在上拉晶室29的适配器69内的管状热元件55，用于当在外壳内上拉硅棒时减慢生长的硅棒1的冷却速率。热元件55的中心开口57使当生长的硅棒1上拉通过上加热器53时能从中心通过热元件。热元件55向下延伸一个预定的距离进入晶体生长室27，基本上终止于装有熔解的原材料M的坩埚33的上面。然而应了解，热元件55可完全不向下延伸进入生长室27，使整个热元件放置在拉晶室29内，而不越出本发明的范围。
热元件55的长度为，根据待辐射至生长的硅棒1上的要求热量与待辐射热的硅棒的轴向部分，使在拉晶室29内向上延伸至一个预定的高度。在使用隔离阀壳32的场合，热元件55不可延伸至高于外壳内的隔离阀34。一个最好由石墨构成的管状热屏59，通常放置在热元件55与上拉晶室29的壁之间，以防止拉晶室与生长室27的水冷壁冷却热元件。
热元件55由以并列关系布置且互相连接以形成一个电路的垂直方向的加热块61构成。更详细地说，相邻加热块61的分别以63与64表示的上端与下端以连续的蛇形互相交替连接形成一个闭合的几何形状，最好为一个圆柱形。相对安装的支架65与同加热块61电连接的热元件55的顶部连接并从热元件向上延伸。邻近安装支架65的顶部供有开口67用于以下文中描述的方法安装在外壳25的拉晶室29内的热元件55。
热元件55由一种对流通的电流提供电阻的无污染耐热材料构成；热元件产生的功率输出随材料电阻的增大而增大。一种特别优选的材料是高纯度的均匀模制石墨。然而，热元件55也可由覆盖石墨的碳化硅、挤压石墨、碳纤维复合材料、钨、金属或其它合适材料构成而不越出本发明的范围。还应设想，热元件可由例如钨线或铜线的线材绕在石英管上以形成加热线圈(未显示)而构成。可改变线匝之间的间距以定形热元件的功率输出分布。热元件55最好能辐射产生1000℃-1100℃范围内温度的热量。然而应了解，可使用能产生高于或低于此温度范围的热元件而保持在本发明的范围内。
如图1所示，适配器包括一个侧壁77(概括地称为延长器)、一个固定在侧壁顶部的环形法兰89(概括地称为电极支撑)与另一个固定在侧壁底部的环形法兰90。为安装现有的拉晶机23内的适配器69，从生长室27的过渡部分31上拆开隔离阀壳32，然后将适配器69插入阀壳与生长室的过渡部分之间。适配器侧壁77底部的法兰90通过例如凹头螺钉(未显示)或其它合适的紧固件同外壳25的圆穹形过渡部分31连接。适配器69顶部的法兰89以相似的方法同隔离阀壳32连接。
适配器69的侧壁77(概括地称为延长器)的截面尺寸与接收室壁的截面尺寸基本相同。侧壁77由径向间隔的同心管子79构成以形成一个沿壁高度延伸的通道81，用于容纳冷却适配器侧壁的冷却水。放置在两个同心管子79之间的缓冲器83引导流过通道81的冷却水。在侧壁77底部的冷却室85每个有内通道87用于接收进入适配器69的冷却水并将冷却水引导至适配器侧壁77内的通道81。在冷却室85之间和各冷却室与冷却水源(未显示)之间延伸的管道(未显示)用于从冷却水源将新鲜冷却水连续引导至适配器侧壁77的通道81。
环形法兰89从侧壁77的顶部径向向外延伸并有相对的通常为圆柱形的通道91径向贯穿延伸。这两个通道分别确定法兰敝开的内、外端93与95。作为一个例子，图1中表示的法兰89的厚度约为2.5英寸，而法兰内径向延伸的通道91的直径为1.5英寸。法兰89放置为使法兰通道91同安装支架65内的开口67基本对齐。法兰89的内端93确定上拉晶室29的适配器69内的开口，用于进入外壳25的内部以安装拉晶室壁上的支架65。在图示说明的实施例中，适配器69，包括侧壁77的同心管子79、冷却室85与法兰89，是一个由不锈钢构成的整体焊接件。或者设想另一方法，即一对相对的通常为管状的电极支撑(未显示)可固定在适配器69的侧壁77上并由此径向向外延伸，使通道91延伸通过电极支撑而非环形法兰89，而不越出本发明的范围。
为进一步说明本发明的电极装配21，由于了解到其它装配具有相同的结构，因此将只参照一种装配进行介绍。参看图3，电极装配21包括一个支撑在法兰通道91内同法兰89的内表面通常成同心关系的电极101。电极101通常为实心结构使电极的截面沿它的全长为实心而没有任何内冷却通道。电极101由一种能承受从上加热器53与向上拉经拉晶室29生长的硅棒1辐射的热沿电极长度强加的严酷的热梯度的材料制成。最好，电极101由一种具有高导电率的耐熔金属制成。一种特别优选的金属是钨。然而，电极101可由具有相似性能的其它材料制成而不越出本发明的范围。电极101应足够长使电极的内、外端103与105明显地延伸至法兰89的内、外端93与95的外面。
通过放置在法兰通道91内的包括一个内衬套107、一个中心衬套109与一个外衬套111的各衬套，使电极101保持同法兰89的内表面的径向间隔关系。衬套107、109、111的每个有一个径向贯穿延伸的中心孔并互相对中，使这些孔一起确定一个在法兰通道91内以同法兰89的内表面同心关系径向延伸的电极通道113。这些孔的尺寸定为使电极101以通常同衬套107、109、111可靠接触的方式径向延伸通过电极通道91。如图3所示，中心衬套109有一个为同法兰89的内表面有紧密配合关系使此衬套可靠地坐落在法兰内而确定的外径。
电极101的直径选为足够小以尽量减小电极装配21的总直径，但足够大使对流过电极的电流的电阻不产生一个不希望的由电极产生的热量。作为一个例子，图3中所示电极的直径约为0.5英寸，而中心衬套109的外径约为1英寸。因此电极101由衬套107、109、111支撑在离法兰89内表面径向间隔约为0.5英寸的位置上。
内衬套107的直径分挡以确定一个头部115、一个中心体117与一个配合部分119。配合部分119的直径尺寸定为使其坐落在中心衬套109端部的止口121内。内衬套107的中心体117有一个比配合部分119较大的直径以便使中心体一旦配合部分119进入中心衬套109的止口121就立即紧靠中心衬套109的端面。如同中心衬套109，内衬套109的中心体117的直径尺寸定为使其同法兰89的内表面有紧密接触关系。内衬套107的头部115的直径尺寸定为明显地大于法兰通道91的直径以便使头部在通道内端紧靠法兰89，并在将此衬套插入法兰通道时伸入拉晶室29的内部。应看到内衬套107的分挡结构可供当将内衬套插入法兰通道91时引导内衬套同中心衬套109的配合之用。外衬套111以与内衬套107基本相同的方式构造，包括一个头部123、一个中心体125与一个配合部分127。头部123的尺寸定为使当将外衬套插入法兰通道91时在通道外端紧靠法兰89。
衬套107、109、111每个由能承受上加热器53与生长的硅棒1辐射的高热负荷使电极101对法兰89的地电位绝缘的电绝缘(即不导电)材料构成。石英与其它陶瓷材料是用于构造衬套的特别优先的材料。中心衬套109与内衬套107、外衬套111的配合部分119、127以此方式的套叠保证电极101与法兰89的内表面之间沿衬套的基本全长有一个0.5英寸的最小导电间隙112。换句话说，衬套107、109、111之间的导电间隙112的总长大于电极工作电压例如60V典型地能在真空中引弧的距离。这有效地绝缘电极101并防止电极与法兰89之间引弧以防止接地电流流过电极。更好的方法是，布置为比外衬套111较接近于上加热器53的内衬套107与中心衬套109由熔解的不透明石英构成使径向通过衬套的热辐射传输减至最少。外衬套111更好地由熔解的透明石英构成以保证无气孔使能保持法兰89、衬套111与电极101之间的有效密封以真空密封外壳25的内部。
一个卡环129在邻近电极101的内端103处同电极构成整体，确定一个在卡环与电极内端之间电极的加热器连接部分131。确定内衬套107头部115端面上凹槽133的尺寸以接收电极101的卡环129。为了电接触使能从电极101经过安装支架65至热元件55传送电流，卡环129的内表面紧靠热元件安装支架65的外表面。电极101的连接部分131向内延伸经过安装支架65的开口67。一个由合适的石墨材料制成的扳手螺母135装配在电极的内端10上并顶着安装支架65拧紧以保持支架在拉晶机工作期间同电极的卡环129电连接。
电极101的外面部分137向外延伸超出法兰89与外衬套111，用于接收来自电流源(未显示)的电流。一个电源连接器139(图2)从电流源把电流引向一个总体以141表示的导电体，夹紧在电极101的邻近其外端105处。在此图示说明的实施例中，电源连接器139是一个水冷连接器，能分别从电流源与冷却介质源向导电体141同时传送电流与冷却介质例如水。然而应设想，可使用一个无水冷的电源连接器(未显示)与单独的水冷软管(未显示)向导电体141传送电流与冷却水而保持在本发明的范围内。一根非导电软管140延伸在两个导电体141之间以完成从冷却水源至导电体141的冷却水流动路径。
如图3所示，导电体141包括一个能将导体夹紧在电极101的外面部分137上的夹紧件143与一个能与电源连接器139连接以接收流入导体的电流与冷却水的接收件147。夹紧件143与接收件147由铜制成且最好构成整体。然而应了解，夹紧件143与接收件147可独立制成然后通过例如焊接或其它合适的紧固方法连接在一起，只要两零件之间能传导电流与热就行。
夹紧件143通常为C形，带有一个中心开口149，开口的尺寸定为使能通过电极101，且两个相对的端部(其中之一显示在图3中并以151表示)互相靠近。夹紧件143有充足的可塑性与刚性使开口149的尺寸可以常规的C夹紧器方法调节。一个螺钉153成切线地穿过夹紧件143的相对端部151中的螺纹孔(其中之一显示在图3中并以155表示)并跨过两端部间的间隙。于是可看到以顺时针方向转动螺钉153将使夹紧件143变为夹紧状态，在此状态下相对的两端部151被拉向一起以减小开口的尺寸直至夹紧件把电极101夹紧在开口内。逆时针转动螺钉153将将使夹紧件153变为不夹紧状态，在此状态下相对的两端部151被弹性夹紧件的固有偏置倾向分开以增大开口149的尺寸使将导体141装配在电极101的外面部分137上或从其上拆下。
接收件147有一个通常横向贯穿延伸的内通道157，用于同电源连接器139互通液体从而使冷却水从电源连接器流过接收件的内通道。流过电源连接器139与接收件147内通道157的冷却水的温度与流量最好足以冷却电极101的邻近其外端105的一部分。作为一个例子，沿电极101长度的热负荷在邻近电极内端103处可在约1000℃温度范围内，而沿电极外面部分137降低至约60℃温度。如图2中所示，一个电源连接器139从相应的电流源与冷却水源延伸至导电体141之一，而另一个电源连接器从相对的导电体往回延伸至电流源与冷却水源。电极101与上加热器53完成电流的流动路径，而延伸在两个导电体141之间的不导电软管140完成冷却水的流动路径。
提供O形圈159、161(图3)或更概括地是密封件，用于密封电极装配21以防止拉晶机外壳25内部真空压力的损失。一个O形圈绕外衬套111的邻近头部123的中心体125以提供衬套与适配器法兰89的外端95之间当将衬套插入法兰通道91时的密封接合。第二个O形圈161围绕电极101且通常可靠地坐落在外衬套111头部123上的凹槽163内，以提供衬套与电极之间的密封。O形圈159、161由一种耐热材料最好是一种例如可按商标viton买到的弹性材料构成。然而，重要的是O形圈159、161应位于充分靠近电极101的冷却的外面部分137的位置，使它们不被加热至超过约200℃温度。
应估计到实心电极101当暴露于上加热器53的热负荷时将轴向膨胀约0.01英寸，这会危及O形圈159、161密封的完整性。为保证在此膨胀期间有合适的真空密封，在电极101上装配一个通常为杯形的在其闭合端有一个中心开口167的止动器165，此闭合端紧靠坐落在外衬套111头部123的第二O形圈161。在止动器165内通常配置一个弹簧机构，例如一组盘形弹簧169(通常称为Belleville弹簧或垫圈)。在它们的未偏转情况下，向止动器165外面延伸的最外面的盘形弹簧169用于同导电体141的夹紧件143接合。止动器165与盘形弹簧169一起概括地称为偏压件，用于保持同电极101与外补套111密封接合的第二O形圈161和同外衬套111与法兰89密封接合的第一O形圈159。
在电极101的外端105上提供一个止动螺母171，拧紧靠着导电体141的夹紧件143的螺母推动导电体纵向顶着盘形弹簧169以移动弹簧至压缩状态，在此状态上弹簧被压缩在抵抗弹簧偏压的止动器165内。止动螺母171将弹簧169确保在压缩状态。压缩弹簧169对止动器165的闭合端施加一个偏压力以压迫紧靠第二O形圈的止动器，用于保持第二O形圈同电极101与外衬套111的密封。此偏压力同样保持第一O形圈同外衬套111与法兰89的密封。作为一个例子，当拉晶机开始工作之前电极101在室温下时，盘形弹簧169最好能产生约在300-400磅范围内的偏压力。盘形弹簧169的数量与方位最好选择为在上加热器53的热负荷下电极直径膨胀期间至少保持此密封力的80％左右。
熟悉石英与其它陶瓷材料固有的那些常见结构性能的技术人员将理解在法兰通道91内支撑电极101的衬套107、109、111不具备良好的横向断裂强度。当盘形弹簧169的偏压力使止动器165的闭合端推压外衬套时，衬套107、109、111的不对中或衬套配合面的缺陷会使衬套产生高的局部应力，从而增加断裂的危险。为此，在电极101的冷却的外面部分137上的盘形弹簧止动器165与外衬套头部123之间和外衬套头部与适配器法兰89的外端105之间放置薄衬垫(未显示)。此衬垫最好由能适应止动器165与外衬套111之间和外衬套与适配器法兰89之间存在的表面缺陷与任何不对中的低刚性材料构成。一种特别优选的衬垫材料是硅橡胶。衬垫应足够薄使当压缩盘形弹簧169时止动器165与外衬套111之间的O形圈161是同止动器接合的主要零件。
为安装外壳25的上拉晶室29内的上加热器53，首先通过法兰89的内端93、外端105插入电极101，直至邻近电极内端103的卡环129坐落在内衬套头部115上的凹槽133内。热元件55的安装支架65安装在伸入拉晶室29内的电极101的连接部分131上，使电极延伸通过安装支架65内的开口67，并使支架靠紧电极的卡环129。扳手螺母135装配在电极101的连接部分131上并顶着安装支架65拧紧以保证电极上的安装支架同电极卡环129电接合。
盘形弹簧止动器165在电极101的外端105上滑动并移动至对坐落在外衬套111的头部123内的第二O形圈161成为邻接关系。盘形弹簧169放置在电极101上通常以它们的未偏转状态处在止动器165内。导电体141的夹紧件143以它的未夹紧状态坐落在电极101上并沿电极的外面部分137向内滑动直至它紧靠最外面的盘形弹簧169。然后将止动螺母171带在电极101的外端105上并顶着导电体141的夹紧件143拧紧以进一步沿电极向内推动导电体，从而将弹簧169压缩至它们的压缩状态。螺母171固定导电体141阻止其相对于电极101的纵向移动使弹簧169保持在压缩状态。弹簧169的偏压力推动止动器165的闭合端顶住坐落在外衬套111的头部123内的O形圈161，以起到外衬套头部与电极101之间的密封作用。
顺时针转动与导电体141的夹紧件143相关联的螺钉153使夹紧件运动至它的夹紧状态以便将导电体固定在电极101的外面部分137上使之形成电与热接合。电源连接器139连接在导电体141的接收件147上，使随着电流从电流源发送至接收件引导流经连接器的冷却水流过接收件的内通道157。
当开动拉晶机23时，同时接通电流与冷却水经过电源连接器139流至导电体141的接收件147。接收件147接收的电流经过夹紧件143流至同夹紧件接合的电极101的外面部分137。电流沿电极101纵向向内流至邻近电极内端103的卡环129，在此电流流向安装在拉晶机外壳25的上拉晶室29内的安装支架65。电流以常规方式向下流过安装支架65与流过热元件55。然后电流向上流过对过的安装支架65与流过对过的电极装配21，使经过电源连接器139返回至电流源。随着电流流经热元件55的电阻材料，电阻材料发热并辐射至生长的硅棒I及生长室27与上拉晶室29的壁上。延伸在两个导电体141之间的不导电的通水软管140完成冷却水的流动路径。
由于电极101的连接部分131延伸在拉晶室29内，它暴露在由热元件55与被向上拉经拉晶室的生长的硅棒I辐射的严酷的热负荷中。热沿着实心电极101的长度纵向向外传导至电极的外面部分137。被引导流过电源连接器139的冷却水连续流过导电体141的接收件147内的内通道157。传导至电极101的外面部分137的热被导电体141从电极引出，然后进一步传送至内通道157内的冷却水，从而使电极的外面部分保持较冷。
这里显示与描述的本发明的电极装配21同适配器69一起使用以装备现有的带有上拉晶室加热器53与相关的电极装配的拉晶机23。然而应了解，电极装配21可整体构造在新拉晶机内，便不需要适配器，而不越出本发明的范围。
从前述内容应观察到，这里描述的电极装配21满足了本发明的各个目的并得到了其它有利结果。重要的是，电极101沿其长度均为实心截面而无任何内部冷却通道，使电极并因而使整个电极装配21的尺寸能做得比常规的水冷电极装配较小。因此，用于将电极装配21安装到现有拉晶机23内的适配器69做得比如果在拉晶机内安装常规的水冷电极装配较为省钱。而且，流经导电体141的冷却水有效地将热从电极101的外面部分137引出以降低电极内的热负荷。
此外，盘形弹簧169与止动器165对外衬套头部123与电极101之间的O形圈161提供足够的偏压力以有效地密封电极装配21，防止当暴露于上加热器53的热负荷中电极膨胀时拉晶机23内真空压力的损失。
由于在以上结构中可作各种改变而不越出本发明的范围，应当认为包括在以上叙述或附图中所示的所有内容理解为是说明性的而不具有限制性的含义。
权利要求
1．一种用于按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机，该拉晶机包括一个外壳；一个在外壳内用于装载熔解的硅的坩埚；一个用于从熔解的硅中向上提拉生长硅棒的拉晶机构；一个位于外壳内用于在外壳内辐射热的加热器；一个电极，具有同外壳内加热器电连接的第一端与一个外端，此电极延伸通过拉晶机外壳使电极的外端总体上在外壳的外面，外壳内的电极部分沿所述部分的全长总体为实心截面而无任何内冷却通道；与用于从一个电流源向电极的外端供给电流使沿电极向内给位于外壳内的加热器传送电流的装置。
2．根据权利要求1的拉晶机，其中电极由一种导电的耐熔金属构成。
3．根据权利要求2的拉晶机，其中电极由钨构成。
4．根据权利要求1的拉晶机，还包括一个从外壳向外延伸用于支撑电极装配的法兰，该法兰包括一个径向贯穿延伸的通道，电极以同法兰间隔的关系被支撑在法兰的通道内，电极对与法兰接触的接地电绝缘。
5．根据权利要求4的拉晶机，其中电极由一个衬套支撑在法兰的通道内，此衬套由一种不导电的材料构成以使电极对与法兰接触的接地绝缘。
6．根据权利要求5的拉晶机，其中衬套由石英构成。
7．根据权利要求5的拉晶机，其中衬套至少部分地由一种无孔材料构成以密封拉晶机外壳的内部。
8．根据权利要求5的拉晶机，还包括一个用于密封接合电极与衬套以密封拉晶机外壳内部的密封件，与一个用于将密封件偏压成同电极与衬套密封接合的偏压件。
9．根据权利要求8的拉晶机，其中密封件为由弹性材料构成的O形圈，此O形圈紧靠衬套一端围绕电极，偏压件包括一个紧靠O形圈面对衬套的止动器与一个能对止动器施加一个偏压力从而使止动器压向O形圈以便O形圈同电极与衬套密封接合的弹簧机构。
10．根据权利要求1的拉晶机，还包括通常放置在外壳的外面用于从电极引出热的装置。
11．根据权利要求10的拉晶机，其中所述引热装置同相当邻近电极外端的电极外表面相联系。
12．根据权利要求10的拉晶机，其中所述引热装置包括一个同相当邻近电极外端的电极连接的导电体，用于向电极传送电流，此导体有形成在其中的用于流通冷却介质以便从导体引出热的内通道，来自电极的热由导体引出。
13．一种适配器，用于改进按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机使能在拉晶机外壳内安装一个加热器，此拉晶机外壳有一个生长室与一个拉晶室，此外壳在生长室与拉晶室之间的相交处可分离，此适配器包括一个总体为管状的延长器，其尺寸确定为能插入生长室与拉晶室之间，使得该延长器部分地限定外壳；与固定在延长器的顶部与底部的连接法兰，用于将延长器同外壳的生长室与拉晶室连接；该适配器中有一个开口使能从外壳的外面达到加热器，用于从位于外壳外面的电流源向加热器传送电流。
14．根据权利要求13的适配器，还包括一个从延长器向外延伸的电极支撑，用于支撑电极同外壳内的加热器电连接，所述支撑同适配器中的开口配准使由所述支撑支撑的电极通过适配器中的所述开口伸入外壳内部。
15．根据权利要求14的适配器，其中固定在延长器顶部的法兰限定电极支撑。
16．一种供安装在按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机的外壳内的电阻加热器使用的电极装配，此电极装配包括一个电极，有一个同外壳内的加热器电连接的第一端与一个外端，此电极延伸通过拉晶机外壳使电极的外端总体在外壳的外面，外壳内的电极部分沿所述部分的全长总体为实心截面而无任何内冷却通道；与一个同延伸至外壳外面的部分电极电连接的导电体，用于从一个电流源向电极供给电流使沿电极向内传导至位于外壳内的加热器，此导电体还同电极的外面部分导热接合并有一个贯穿延伸的内通道用来接收导体内用于从电极的外面部分引出热的冷却介质。
全文摘要
一种供安装在按切氏法生长单晶硅棒的拉晶机的外壳内的电阻加热器使用的电极装配,包括一个同外壳内的加热器电连接的第一端与一个外端的电极。此电极延伸通过拉晶机外壳使电极的外端通常在外壳的外面。外壳内的电极部分沿所述部分的全长通常为实心截面而无任何内冷却通道。一个同延伸至外壳外边的部分电极电连接的用于从一个电流源向电极供给电流使沿电极向内给位于外壳内的加热器传送电流的导电体。此导电体还同电极的外面部分导热接合并有一个贯穿延伸的内通道,用来接收导电体内用于从电极的外面部分引出热的冷却介质。
文档编号C30B15/14GK1323363SQ99812097
公开日2001年11月21日 申请日期1999年9月29日 优先权日1998年10月13日
发明者卡尔·F·切尔科 申请人:Memc电子材料有限公司