CN105102373B - 用于从反应器移除多晶硅棒的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从反应器移除多晶硅棒的方法，其中所述反应器包含U型棒对，所述U型棒对中的一对由具有外壁和内壁的主体完全地包封，并且所述主体和由其包封的棒对通过升降机、线缆绞盘或抓拾器的方式而从所述反应器移除。
Description
本发明涉及用于从反应器移除多晶硅棒的装置和方法。
高纯度多晶硅(多晶的硅)用作为用于通过切克劳斯基法(Czochralski，CZ)或区域融化法(zone melting，ZM)来生产用于半导体的单晶硅的原料，并且用于通过生产光电太阳能电池用的各种拉制和铸造方法来生产单晶硅或多晶硅的原料。
多晶硅通常通过西门子法(Siemens process)生产。所述方法中，将包含一种或多种含硅组分和任选的氢气的反应气体引入至包含经直接通电加热的基底的反应器中，其中硅以固体形式沉积在所述基底上。优选使用的含硅组分为硅烷(SiH4)、一氯硅烷(SiH3Cl)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)、四氯硅烷(SiCl4)或所述物质的混合物。
西门子法通常在沉积反应器(还称为“西门子反应器”)中进行。在最常见的实施方案中，所述反应器包括金属底板和可冷却的钟件(bell)，所述可冷却的钟件以这样的方式位于底板上，即在所述钟件内部形成反应空间。所述底板设有一个或多个进气开口和用于排出反应气体的一个或多个排气开口以及支架，通过所述支架，使基底保持在反应空间内，并供应电力。
每个基底通常由两个薄的细长棒和在它们的自由端连接的一般相邻的棒的桥状物构成。所述的细长棒垂直地插入至位于反应器底部上的电极内，通过其而连接至电源。高纯度多晶硅沉积在加热的细长棒和水平桥状物上，作为其结果，其直径会随着时间而增加。在达到所期望的直径之后，终止所述方法。
在这种方法中，可获得数米高和数百公斤重的U型硅棒。对于尽可能经济的方法来说，需要沉积至最大的棒直径。
从反应器移除非常大和重的棒是个问题。所述的移除应当尽可能低污染地和尽可能经济地进行，也就是说，应当是与反应器的最小闲置时间是相关的。还应当能够移除倾斜的、不均匀形状的(例如椭圆形、棍棒形，也就是说，在不同的棒高度具有变化的棒直径)棒或彼此安全接触的棒。
US 20120237678 A1公开了一种用于移除多晶硅棒的装置，包含具有外壁的主体，所述主体具有这样的尺寸以使得所述棒由所述外壁包封，其中每个外壁均包含门，从而允许触及至少一个棒。在优选的实施方案中，内壁内衬有聚合物，从而防止多晶硅棒的污染。
US 20100043972 A1公开了另一种用于移除多晶硅棒的装置，其包含壁，所述壁具有内壁、外壁和在内壁和外壁之间的多个连接件，以及内壁和外壁之间的间隙，外壁中的进出窗口(access window)，底板，和底板上的多个接触点，其中内壁和外壁为圆柱形的并且是同心的，所述间隙的大小能够容纳位于底板的接触点上的多个硅棒，其中所述进出窗口构成为使得硅棒的进出成为可能。所述棒可以通过进出窗口而被抽出。
如上所述的装置的缺点在于，在棒倾斜站立的情况中，或者在并非偶然发生的部分分批掉落的情况中，对于其的使用是不可能的。因此，这种装置对于多晶硅的经济性生产就不太实用。
DE 10 2009 027 830中所要求保护的用于从反应器抽出多晶硅棒的方法也存在这样的问题，其中使用基于校准点的计算机控制识别方法的刚性和自动导向在开放的反应器的上方操作，并且通过机械或气动夹持装置抓取棒对，并随后将它们置入输送装置中。
JP 63296840 A公开了一种用于从沉积反应器移除硅棒的装置，其中单独的棒对使用夹具来固定，并且在侧面从反应器中抬出。
JP 2002210355 A同样公开了一种用于移除硅棒的装置，包含可三维移动的臂，在所述臂的末端安装夹持装置，硅棒通过所述夹持装置可以从反应器中抬出。
这样的两个装置的缺点在于，所述棒仅可以从完全开放的反应器中从外部向内抽出。给定硅棒的目标移除，例如有时希望从内棒圈的移除，是不可能使用所述装置实现的。
US 20120175613 A1公开了一种用于制造多晶硅片的方法，其由以下构成：通过在细丝上沉积硅来制造多晶硅棒的CVD处理，所述细丝的一端连接至第一电极，并且所述细丝的另一端连接至第二电极；用于从反应器移除多晶硅棒的处理；和将硅棒粉碎成硅片的处理；其中，在粉碎处理之前，从多晶硅棒的电极端移除至少70mm(缩短处理)。在优选的实施方式中，在从反应器中移除之前，多晶硅棒的表面由聚乙烯袋装片覆盖。所述抽出本身可以通过升降机等的方式来进行。关于如上所述的通过已知装置的方式移除棒的问题，US20120175613 A1并未提出解决方法或建议。
本发明的目的来自于如上所述的问题。
本发明涉及用于从包含U型棒对的反应器移除多晶硅棒的装置，包含具有外壁和内壁的主体，所述主体的尺寸使得其能够完全地包封U型棒对，其中由其包封的U型棒对与升降机、线缆绞盘或抓拾器相互作用，使得所述主体可以与U型棒对一起从反应器移除。
已经发现这种装置的使用不会对反应器中其它棒对造成影响。
本发明还涉及用于从反应器移除多晶硅棒的方法，其中反应器包含U型棒对，其中U型棒对中的一对完全由具有外壁和内壁的主体包封，并且所述主体与由其包封的棒对一起通过升降机、线缆绞盘或抓拾器的方式从反应器移除。
所述主体的尺寸优选为使得其长度至少相应于垂直棒对的高度。
优选地，其长度为至少2.5m。
其宽度优选至少为U型硅棒对的宽度(硅桥状物+棒直径)。
优选地，其宽度为至少200mm，特别优选至少300mm。
已经发现，当所述主体相对于其最大宽度和深度来构建的时候，就会使得其与相邻棒对之间的距离最少为1cm，这确保了特别安全和低污染的硅棒移除。
结果，即便是长弯或者高棍棒型的棒也可被移除。
可以毫无问题地移除不稳定的多晶硅棒(例如具有高爆米花部分(popcornfraction)，即高表面粗糙度，或者由于硅棒上的凸起多导致的不稳定性)。特别地，在此不存在整批或者单独棒对掉落的危险。
因为棒对移除是成对地进行的，所以每个硅棒对均可以在任何希望的时间点移除。特别地，由内部向外地移除是可能的，这是现有技术的装置所无法提供的。
给定棒对的目标移除并不存在任何困难。
优选地，所述主体具有由钢构成的内壁。所述主体的内壁可涂覆有聚合物。
优选地，所述主体由钢构成，也就是说，包含钢壳。
在特别优选的实施方式中，提供了具有未涂覆的钢内壁的主体，其中硅棒对在移除过程中由塑料袋覆盖。
当钢壁为尽可能薄的时候，这种实施方式就特别节约空间。
在这种情况中不需要涂覆钢内壁，因为塑料袋会保护硅免受污染。
作为与塑料袋结合的未涂覆钢壁的替换，特别优选的实施方式为在低污染硬金属(例如碳化钨、TiN等)或低磨损陶瓷中的主体。
优选使用包含钢内壁的主体，其中主体的内壁部分地或者完全地涂覆有这样的低污染硬金属，或者低磨损陶瓷。
还优选的是，主体由软质的但是稳定的塑料构成。在这里可行的塑料为由芳族聚酰胺(芳族聚酰胺纤维)或聚酯、例如聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯制得的纤维复合塑料。同样地，碳或碳组分的材料或者玻璃纤维增强塑料(GRP)是可行的。
硅棒对自身可以借助于升降机、线缆绞盘或类似系统而被抬出。
优选地，主体在其开口处包含阀瓣，所述阀瓣可手动地闭合或者通过机械或者电子机构闭合，从而使得U型棒对可被完全地包封在主体内，并由此从反应器抬出。已被抬出的棒对优选通过输送货车的方式输送至进一步的加工操作。
还可以使用抓拾器从反应器成对地移除所述棒。所述抓拾器的尺寸优选为能够使其具有尽可能小的半径，并且即便是在反应器中密集布置的棒的情况中，仍允许安全地固定棒对。通过这样的抓拾器来低污染地并且安全地移除所述棒对并不会造成任何困难。然而，当使用这样的抓拾器的时候，就会存在与在现有技术的某些技术方案中相同的缺点，其仅能够从外向内地移除所述棒。
本发明允许从反应器移除非常大的硅棒，而不会损坏或者污染它们。
通过本发明的方式，就能够沉积最大的棒直径。最大可能的棒直径仅依赖于棒在反应器中的布置和沉积过程。迄今为止，具有最大可能棒直径的棒的沉积是不可能的，因为不存在已知的以安全和低污染的方式移除这种棒的可能性。
另外，可以毫无困难地移除倾斜的或棍棒型的棒，以及具有高表面粗糙度的棒，或者以不稳定的方式沉积的棒(具有提高的孔隙度)，或者相互接触的棒。
当反应器中的棒被特别紧密地布置的时候，本发明就会特别地显示出其优点。
反应器中的密集度可被定义为批料的最大硅棒横截面除以反应器内径所跨面积的比值。
所述比值为0.2至0.5时，无法通过已知的现有技术来成对地移除所述棒。与本发明相反的是，根据US 20120237678 A1和US 20100043972 A1的装置并不允许单独地成对地移除非常厚的棒(密集度0.2-0.5)，因为所述棒的位置和尺寸会受到移除系统内预定腔室的极大限制。如果棒直径的增加超过可能的密集度因数(即便是在整个反应器中仅存在数对棒对)，那么这两种移除系统也不再被用于移除所述棒，因为过厚的或者倾斜的棒并不能安装至所提供的腔室内。在这种情况中，必须通过手动尝试来单独地移除棒。这是非常耗时的，导致提高的硅污染，并且对人员是有危害的(棒可能会掉落)。在最差的情况中，必须要丢弃整个批料。
本发明提供了成对进行的棒移除，并且沉积反应器包含偶数个棒。
优选地，棒的数量至少为24。
所述棒优选具有至少145mm的直径。
Claims (15)
1.用于从包含U型棒对的反应器移除多晶硅棒的装置，包含具有外壁、内壁和在开口处的阀瓣的主体，所述阀瓣手动地闭合或者通过机械或电子机构的方式闭合，所述主体的尺寸使得其能够完全地包封U型棒对，其中，所述主体可以与U型棒对一起通过升降机、线缆绞盘或抓拾器从反应器移除。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述主体的尺寸使得其长度至少相应于U型棒对的高度，并且其宽度至少相应于U型棒对的宽度。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述主体具有由钢构成的内壁，并且所述棒对覆盖有塑料袋。
4.如权利要求1或2所述的装置，其中所述主体由低污染硬金属构成，或者由稳定的且软质的塑料构成。
5.如权利要求1或2所述的装置，其中所述主体具有由涂覆有塑料的钢构成的内壁。
6.如权利要求1或2所述的装置，其中所述主体具有由钢构成的内壁，所述内壁部分地或者全部地涂覆有低污染硬金属。
7.用于从反应器移除多晶硅棒的方法，其中所述反应器包含U型棒对，其中U型棒对中的一对完全地由具有外壁、内壁和在开口处的阀瓣的主体包封，所述阀瓣手动地闭合或者通过机械或电子机构的方式闭合，并且所述主体与由其包封的棒对一起通过升降机、线缆绞盘或抓拾器的方式从反应器移除。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述主体的尺寸使得其长度至少相应于U型棒对的高度，并且其宽度至少相应于U型棒对的宽度。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中所述主体具有由钢构成的内壁，并且所述棒对在由主体包封之前覆盖有塑料袋。
10.如权利要求7或8所述的方法，其中所述主体由低污染硬金属构成，或者由稳定的且软质的塑料构成。
11.如权利要求7或8所述的方法，其中所述主体具有由涂覆有塑料的钢构成的内壁。
12.如权利要求7或8所述的方法，其中所述主体具有由钢构成的内壁，所述内壁部分地或者全部地涂覆有低污染硬金属。
13.如权利要求7或8所述的方法，其中在所述主体包封棒对之后，其相对于其最大宽度和深度构建，使得相邻棒对之间的距离最少为1mm。
14.如权利要求7或8所述的方法，其中反应器中的棒在所述反应器中紧密地布置，从而使得在终止沉积之后，最大硅棒横截面与反应器内径所跨面积的比值为0.2至0.5。
15.如权利要求7或8所述的方法，其中硅棒的直径在每种情况中都至少为145mm。
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