CN107867693A - 用于分离多晶硅‑碳夹头的装置和方法 - Google Patents

用于分离多晶硅‑碳夹头的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于将多晶硅与碳夹头分离的装置和方法。该装置通过在其上附着有多晶硅的碳夹头(多晶硅‑碳夹头)上施加高频电流进行感应加热，从而选择性地加热碳夹头，所述碳夹头来自用于合成多晶硅的室。因此，可以熔化多晶硅与碳夹头接触的接触表面，并且分离并收集多晶硅和碳夹头而不造成损伤。

Description

用于分离多晶硅-碳夹头的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于将多晶硅与碳夹头(chuck)分离的装置和方法，且更具体地，涉及一种用于分离和收集附着在碳夹头上的多晶硅而不造成损伤的装置和方法，所述碳夹头来自用于合成多晶硅的室。
背景技术
多晶硅是用于制造半导体晶片和太阳能电池板的原材料，并且由于太阳能电池工业潜力发展显著，成为引起注意的下一代高科技材料。
西门子工艺通常用于生产多晶硅。根据该工艺，将细棒放置在钟形罐反应器中，细棒由电极电加热，然后将三氯硅烷或单硅烷(SiH4)与氢气(H2)一起注入，以将它们热解，从而将硅沉积在细棒上。
图1示意性地示出了使用上述西门子工艺生长高纯度多晶硅的反应器的横截面。
参照图1，反应器30包括固定在细棒或硅丝40上的碳夹头60，所述碳夹头60与电极20连接，电极20将从电源10接收的电流提供给碳夹头60。通常，硅丝40以反向的U形连接到两个相邻的碳夹头60上。
碳夹头60固定用作多晶硅50生长的种子的硅丝40，并且还允许通过其下面连接的电极20接收的电流流过硅丝40，使得可以加热用作耐性物质的硅丝40。
在硅丝40被充分加热之后，将反应气体如三氯硅烷和氢气注入反应器30中。反应气体被热解，以多晶硅50的形式沉积在硅丝40上。
在多晶硅50生长之后，多晶硅50按其被沉积在固定在碳夹头60顶部的硅丝40上时那样获得。
在多晶硅50被收集之后，碳夹头60可以分别保持图2所示的两种形式。
图2示意性地示出了在获得多晶硅之后留下的碳夹头的横截面。
参照图2(a)，将硅丝40的一部分插入在碳夹头60上端的中心形成的通孔61中。此外，多晶硅50的一部分可以附着在碳夹头60的上端和硅丝40周围。
参照图2(b)，在去除了附着在碳夹头60上端的多晶硅之后，多晶硅碎片51可以仅保持附着在碳夹头60的上端和下端之间。
以前，通过使用物理方法(例如，使用锤子等的击打)分离并收集附着在碳夹头60上的多晶硅碎片51，从而增加多晶硅50的收益。为了分离附着在碳夹头60上的多晶硅碎片51，重复地施加物理力。因此，碳夹头60被损坏，因此难以再利用。
为了重新使用碳夹头60，已经提出了一种通过将其上附着有多晶硅碎片51的碳夹头60浸入强酸或强碱溶液中来将多晶硅碎片51与碳夹头60进行化学分离的方法。不幸的是，根据该方法存在的问题在于用于化学分离的强酸或强碱溶液是昂贵的，并且使用这种麻烦的化学品需要特别注意。此外，碳夹头60或多晶硅碎片51可能被强酸或强碱溶液(或其中所含的其它添加剂)污染，因此需要额外的清洁工艺，这也是麻烦的。
特别地，如图2(b)所示，当多晶硅碎片51仅附着到碳夹头60的一部分时，不可能物理撞击碳夹头60，因此多晶硅碎片51必须通过化学溶解而分离。
发明内容
本公开内容的目的是提供一种用于收集附着在碳夹头上的多晶硅并允许碳夹头重新使用的方法，以及执行该方法的装置。
本公开内容的另一个目的是提供一种用于将多晶硅与碳夹头分离的装置和方法，相比于通过物理撞击将多晶硅与碳夹头分离的现有方法，其可以改善多晶硅的收益，并且可以防止损坏碳夹头。
本公开内容的目的是提供一种用于将多晶硅与碳夹头分离的装置和方法，其相对于现有的化学工艺可以通过降低成本和工艺难度来提高加工效率，并且可以防止碳夹头和多晶硅被化学成分污染。
根据本公开内容的一个方面，一种用于将多晶硅与碳夹头分离的装置包括：反应器，其包括用于固定碳夹头下端的支架，其中多晶硅附着在碳夹头的外表面上；以及加热线圈，其设置在所述反应器的外表面周围，使得所述加热线圈围绕附着在所述碳夹头上的所述多晶硅，其中所述加热线圈用由从外部源施加的高频电流感应的电流选择性地加热所述碳夹头。
可以在碳夹头下端的中心处形成通孔，并且可以将用于向碳夹头施加电流的电极插入到插入孔中。可以将支架插入通孔中以将碳夹头固定在反应器内。
多晶硅可以附着在碳夹头的上端和下端之间的部分上，并且支架可以固定碳夹头的下端。
碳夹头可能存在，而没有多晶硅附着在碳夹头的上端和下端。
碳夹头可以包括在上端的中心处插入硅丝的通孔，并且碳夹头可以被支架支撑，其中多晶硅附着在碳夹头的上端和硅丝周围。
支架可以支撑附着在碳夹头的上端和硅丝周围的多晶硅，或者可以支撑没有多晶硅附着的碳夹头的下端。
碳夹头的通孔可以穿透它，使得上端连接到碳夹头的下端。该装置还可以包括用于从碳夹头的下端经由通孔注入气体的气体注入单元。当通过碳夹头的感应加热使多晶硅和碳夹头之间的接触表面熔化时，可以促进分离多晶硅。
该装置还可以包括用于支撑附着在碳夹头的上端和硅丝周围的多晶硅的下部支架。因此，当通过碳夹头的感应加热使接触表面熔化时，下部支架可以在多晶硅碎片的下降方向上拉下多晶硅，使得可以进一步促进多晶硅碎片的分离。
该装置还可以包括冷却单元，用于当碳夹头被加热线圈加热时避免与碳夹头不接触的多晶硅的一部分熔化。
通过使用冷却单元将反应器内部的气氛温度维持在低于多晶硅的熔化温度，可以避免与碳夹头不接触的多晶硅的其余部分发生熔化和损失。
根据本公开内容的另一方面，一种用于将多晶硅与碳夹头分离的方法包括：将碳夹头的下端固定在支架上，多晶硅附着在其外表面上；通过碳夹头的感应加热来熔化碳夹头和多晶硅碎片之间的接触表面；当接触表面熔化时，将多晶硅碎片与碳夹头分离，使得多晶硅碎片以其自身重量自由落下。
根据本公开内容的示例性实施方案，通过选择性地熔化多晶硅碎片与碳夹头接触的接触表面，可以减少对碳夹头和多晶硅碎片的损坏并收集碳夹头和多晶硅碎片二者，而不造成损伤。
根据本公开内容的示例性实施方案，可以在不施加物理冲击的情况下分离附着到碳夹头上的多晶硅，因此可以在生长多晶硅的工艺中立即重新使用完整碳夹头。
此外，不需要进行化学处理，因此可以防止碳夹头和多晶硅碎片被化学成分污染。因此，与用于化学分离多晶硅与碳夹头的现有方法不同，根据本公开内容的示例性实施方案，在碳夹头和多晶硅碎片上不得进行化学清洁工艺或进行中和处理，因此可以改进加工效率。
附图说明
图1示意性地示出了使用西门子工艺生长高纯度多晶硅的反应器的横截面。
图2示意性地示出了在获得多晶硅之后留下的碳夹头的横截面。
图3是根据本公开内容的示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置的示意性横截面图；
图4是根据本公开内容的另一示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置的横截面图；和
图5至图10示出了根据本公开内容的各种示例性实施方案的多晶硅与碳夹头的分离。
具体实施方式
本文定义了某些术语以便于理解。除非在此特别定义，本文使用的科学和技术术语具有本领域技术人员通常理解的含义。
如本文所使用的，单数形式旨在包括复数形式，反之亦然，除非上下文另有明确指出。
在下文中，将参照附图详细描述根据本公开内容的示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置和方法。
图3是根据本公开内容的示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置的示意性横截面图。
参照图3，根据本公开内容的示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置100包括间歇式反应器110，设置在反应器110内部的支架120和由支架120固定的用于引起碳夹头60加热的加热线圈130。
反应器110可以根据需要具有单夹套结构或双夹套结构。当反应器110具有双夹套结构时，可以通过在夹套之间的空间内的冷却单元150循环冷却介质(例如冷却水)来调节反应器110内部的温度。
此外，反应器110包括气体供给单元140，反应器110内的气体气氛可以由从气体供给单元140供给的气体来确定。通常，当加热线圈130加热碳夹头时，由气体供给单元140供给的气体优选为惰性气体例如氩气(Ar)，以防止发生污染例如氧化。
减震构件160可以设置在反应器110的下端。当多晶硅碎片通过加热线圈130的感应加热与碳夹头60分离并且落下时，减震构件160可以具有预定的厚度，以便减少当其与反应器110的下端碰撞时在多晶硅碎片上施加的冲击。
此外，为了防止多晶硅50被污染，减震构件160可以由多晶硅的片、颗粒或块制成。
支架120设置在反应器110内部，并且将碳夹头固定到多晶硅碎片附着的地方。
图3所示的装置在从碳夹头60的上端部分地去除多晶硅碎片并且多晶硅碎片仅保留在碳夹头60的上端和下端之间的一部分之后从碳夹头收集多晶硅碎片51是特别有用的，如图2所示。
因此，将支架120插入在碳夹头的下端形成的电极插入部62中并固定在反应器110中，其中多晶硅碎片51附着在碳夹头60的上端和下端之间的一部分。
加热线圈130在围绕多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面的位置缠绕在反应器110上，其中附着有多晶硅碎片51的碳夹头60固定在支架120上。例如，加热线圈130可以设置在与碳夹头60形成接触表面的多晶硅碎片51相同的水平。
加热线圈130是用于使碳夹头60感应加热的加热装置。通过对碳夹头60进行感应加热，碳夹头60和多晶硅碎片51之间的接触表面熔化，使得碳夹头60和多晶硅碎片51彼此分离。
为此，通过电流供给单元131向加热线圈130施加高频电流，使得通过施加的高频电流产生感应电流。通过由加热线圈130产生的感应电流引起的电磁感应，在碳夹头60中也产生感应电流。由于碳吸盘60本身的电阻特性，感应电流损耗和滞后损耗产生电阻热。
流入加热线圈130用于熔化多晶硅碎片51与碳夹头60之间的接触表面的电流频率为1kHz-500kHz，更优选为1kHz-100kHz。
如果流入加热线圈130的电流的频率小于1kHz，则感应加热对碳夹头60的影响太小，因此将碳夹头60加热到预定的温度(即，足以使多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面熔化的温度)可能需要太长时间或其可能不能达到使多晶硅碎片51的接触表面熔化的温度。
相反，如果流入加热线圈130的电流的频率高于500kHz，除了碳夹头60之外，也可能在多晶硅碎片51中发生感应加热。结果，甚至多晶硅碎片51也可能与多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面一起熔化。当这种情况发生时，难以根据需要获得多晶硅碎片51，并且多晶硅碎片51在其一次熔化并再次固化的过程中可能被污染。
此外，当碳夹头60被加热线圈130感应加热时，设置在所述装置中的冷却单元150可以避免多晶硅碎片51的与碳夹头60不接触的部分熔化。
通过使用冷却单元150将反应器110内部的气氛温度维持在低于多晶硅碎片51的熔化温度，典型地低于1000℃，可以避免多晶硅碎片51的与碳夹头60不接触的其余部分发生熔化。
此外，在多晶硅碎片51已经与碳夹头60分离之后，设置在根据本公开内容的示例性实施方案的装置中的加热线圈130可以通过第二感应加热去除残留在碳夹头60的外表面上的多晶硅碎片51的残留物。
为此，电流供给单元131可以向加热线圈130施加频率为500kHz-3MHz的电流，以通过碳夹头60的感应加热来熔化多晶硅碎片51的残留物，或者通过加热多晶硅碎片51而去除残留在碳夹头60的外表面上的多晶硅碎片51的残留物。
例如，可以通过第一感应加热来去除附着在碳夹头60的外表面上的一些多晶硅碎片51，然后可以通过第二感应加热去除残留在碳夹头60的外表面上的多晶硅碎片51的残留物。
图4是根据本公开内容的另一示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置的横截面图。
参照图4，根据本公开内容的该示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置100包括间歇式反应器110，设置在反应器110内部的支架120和由支架120支撑的用于引起碳夹头60加热的加热线圈130。
反应器110可以根据需要具有单夹套结构或双夹套结构。当反应器110具有双夹套结构时，可以通过在夹套之间的空间内的冷却单元150循环冷却介质(例如冷却水)来调节反应器110内部的温度。
此外，可以通过真空泵170等在反应器110内产生真空气氛(正压或负压)。因此，可以防止在用加热线圈130加热期间发生污染例如氧化。
此外，反应器110包括气体供给单元140，反应器110内的气体气氛可以由从气体供给单元140供给的气体来确定。通常，当加热线圈130加热碳夹头时，由气体供给单元140供给的气体优选为惰性气体，以防止发生污染例如氧化。
减震构件160可以设置在反应器110的下端。当多晶硅碎片51通过加热线圈130的感应加热与碳夹头60分离并且落下时，减震构件160可以具有预定的厚度，以便减少当其与反应器110的下端碰撞时在多晶硅碎片51上施加的冲击。
此外，为了防止多晶硅碎片51被污染，减震构件160可以由多晶硅的片、颗粒或块制成。
支架120设置在反应器110内部，并且将碳夹头固定到多晶硅附着的地方。
图4所示的装置在获得已经使用插入在碳夹头60的上部中心部分形成的通孔61中的硅丝40生长的多晶硅50之后，可能是特别有用于从碳夹头60收集多晶硅碎片51，如图2(a)所示。此外，该装置可用于将从其一部分上附着有多晶硅碎片51残留物的碳夹头60，以及从插入碳夹头60中的硅丝40周围收集多晶硅碎片51。
因此，多晶硅碎片51通过支架120设置在反应器110中并固定在反应器110的上端，同时附着在在碳夹盘60的上端和硅丝40周围。
加热线圈130设置在围绕多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面的位置，其中附着有多晶硅碎片51的碳夹头60被支架120支撑。例如，加热线圈130可以设置在与碳夹头60形成接触表面的多晶硅碎片51相同的水平。
加热线圈130是用于使碳夹头60感应加热的加热装置。通过对碳夹头60进行感应加热，碳夹头60和多晶硅碎片51之间的接触表面熔化，使得碳夹头60和多晶硅碎片51彼此分离。
为此，通过电流供给单元131向加热线圈130施加高频电流，使得通过施加的高频电流产生感应电流。通过由加热线圈130产生的感应电流引起的电磁感应，在碳夹头60中也产生感应电流。由于碳吸盘60本身的电阻特性，感应电流损耗和滞后损耗产生电阻热。
流入加热线圈130用于熔化多晶硅碎片51与碳夹头60之间的接触表面的电流频率为1kHz-500kHz，更优选为1kHz-100kHz。
如果流入加热线圈130的电流的频率小于1kHz，则感应加热对碳夹头60的影响太小，因此将碳夹头60加热到预定的温度(即，足以使多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面熔化的温度)可能需要太长时间或其可能不能达到使多晶硅碎片51的接触表面熔化的温度。
相反，如果流入加热线圈130的电流的频率高于500kHz，除了碳夹头60之外，也可能在多晶硅碎片51中发生感应加热。结果，甚至多晶硅碎片51也可能与多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面一起熔化。当这种情况发生时，难以根据需要获得多晶硅碎片51，并且多晶硅碎片51在其一次熔化并再次固化的过程中可能被污染。
图5至图10示出了根据本公开内容的各种示例性实施方案使用如图4所示的装置将多晶硅与碳夹头的分离。
参照图5，支架120支撑附着在碳夹头60的上端附近的多晶硅碎片51的上端和插入碳夹头60中的硅丝40。
当通过在加热线圈130上施加高频电流而产生的电磁感应来加热碳夹头60时，碳夹头60的温度升高到高于多晶硅熔点的温度，因此多晶硅碎片51与碳夹头60之间的接触表面熔化。
由于多晶硅碎片51的上端由支架120固定，当碳夹头60和多晶硅碎片51彼此分离时，碳夹头60以其自重落在反应器110的底部。
参照图6，支架120支撑碳夹头60的下端，其中没有多晶硅碎片附着。应当注意，用于将硅丝40插入到图6所示的实施例中使用的碳夹头60中的通孔61穿透碳夹头，使得上端连接到碳夹头60的下端。
在该示例性实施方案中，根据本公开内容的示例性实施方案的装置还可以包括用于从碳夹头60的下端通过通孔61注入气体(诸如氩(Ar)的惰性气体)的气体注入单元。当多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面被加热线圈130的电磁感应熔化时，通过通孔61吹入气体，可以进一步促进多晶硅碎片与碳夹头60的分离。
参照图7和图8，根据本公开内容的示例性实施方案的用于分离的装置包括：支架120，用于支撑无多晶硅碎片附着的碳夹头60的下端，以及下支架121，用于支撑多晶硅碎片51附着到碳夹头60的上端和硅丝40周围。
因此，当通过加热线圈130感应加热碳夹头60，下支架121可以在多晶硅碎片51的下降方向上拉下其支撑的多晶硅碎片51，使得可以进一步促进多晶硅碎片51与碳夹头60的分离。
这样做时，当使用具有通孔61沿垂直方向贯穿的碳夹头60时，通过通孔61吹入气体，从而可以减少多晶硅碎片51与碳夹头60分离所花的时间，如图8所示。
参照图9，根据本公开内容的示例性实施方案的用于将多晶硅与碳夹头分离的装置还可以包括辅助加热块122。辅助加热块122可以设置在支架120处，并且无多晶硅碎片附着的碳夹头60的下端可以由辅助加热块122支撑。
例如，如果碳夹头60太小而不能被支架120支撑，或者由支架120支撑的碳夹头60的下端的形状是不规则的，则碳夹头60可以经由辅助加热块122支撑，使得碳夹头60能够在通过感应加热被加热期间稳定地固定到支架120。
此外，辅助加热块122也是用于加热碳夹头60的加热装置。通过辅助加热块122与加热线圈130一起加热碳夹头60，可以减少碳夹头60被加热到预定温度(即，足以熔化多晶硅碎片51和碳夹头60之间的接触表面的温度)所花的时间。
由于辅助加热块122与碳夹头60接触并直接加热，多晶硅碎片51不被辅助加热块122直接加热。因此，可以避免多晶硅碎片51与碳夹头60的接触表面以外的其他部分被加热装置等加热。
参照图10，支架120支撑多晶硅碎片51的上端附着在碳夹头60的上端和硅丝40周围插入到碳夹头60中，其中在图10所示的实施例中使用的碳夹头61的通孔61中，在插入硅丝40的位置设置有辅助插入部62，而不是将硅丝直接插入到贯通孔61中。因此，插入硅丝40的辅助插入部62插入到碳夹头60的通孔61中。
有时，由于插入碳夹头60的通孔61中的硅丝40，多晶硅碎片51不容易通过感应加热与碳夹头60分离。为了克服这一点，通过提高碳夹头60通过感应加热达到的温度，从而提高多晶硅碎片51的熔点，可以容易地将多晶硅碎片51与碳夹头60分离。然而，这可能导致多晶硅碎片51因熔化而损失的问题。
鉴于上述，根据本公开内容的示例性实施方案，将硅丝40插入辅助插入部62中，然后插入到碳夹头60的通孔61中，并且辅助插入部62可以与硅丝40一起与碳夹头60分离。通过这样做，可以解决硅丝40牢固地固定在碳夹头60上而不分离的问题。
然后，在多晶硅碎片51被分离之后，通过使用用于碳夹头60的新的辅助插入部62，可以重新使用保持完整的碳夹头60。
此外，当碳夹头60被加热线圈130感应加热时，设置在所述装置中的冷却单元150可以用于避免多晶硅碎片51的与碳夹头60不接触的部分熔化。
通过使用冷却单元150将反应器110内部的气氛温度维持在低于多晶硅碎片51的熔化温度，典型地低于1000℃，可以避免多晶硅碎片51的与碳夹头60不接触的其余部分发生熔化。
此外，在多晶硅碎片51已经与碳夹头60分离之后，设置在根据本公开内容的示例性实施方案的装置中的加热线圈130可以通过第二感应加热去除残留在碳夹头60的外表面上的多晶硅碎片51的残留物。
为此，电流供给单元131可以向加热线圈130施加频率为500kHz-3MHz的电流，以通过碳夹头60的感应加热来熔化多晶硅50的残留物，或者通过加热多晶硅碎片51而去除残留在碳夹头60的外表面上的多晶硅碎片51的残留物。
虽然已经参照本发明的示例性实施方案描述了本公开内容，但是本公开内容不限于此。实际上，为了说明性和非限制性的目的，提供了示例性实施方案。在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下，可以对其进行改变、修改、增强和/或改进。因此，这些改变、修改、增强和/或改进被包括在本公开内容的范围内。

Claims (11)

1.一种用于将多晶硅与碳夹头分离的装置，所述装置包括：
反应器，其包括用于固定碳夹头下端的支架，其中多晶硅碎片附着在所述碳夹头的外表面上；和
加热线圈，其设置在反应器的外表面周围，使得其围绕附着在碳夹头上的多晶硅碎片，
其中所述加热线圈用由从外部源施加的高频电流感应的电流选择性地加热所述碳夹头。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在碳夹头下端的中心处形成通孔，其中将用于向碳夹头施加电流的电极插入到插入孔中，和
其中将支架插入通孔中以将碳夹头固定在反应器内。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述支架固定碳夹头的下端，其中多晶硅碎片附着到碳夹头的上端和下端之间的部分。
4.根据权利要求3所述的装置，其中碳夹头通过支架进行固定，而没有多晶硅碎片附着在碳夹头的上端和下端。
5.根据权利要求1所述的装置，其中对所述加热线圈施加频率为500kHz以下的电流，以选择性地感应加热所述碳夹头。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述支架还包括用于加热所述碳夹头下端的辅助加热块。
7.根据权利要求1所述的装置，其还包括冷却单元，其中当碳夹头被加热线圈加热时，冷却单元将与碳夹头不接触的多晶硅碎片的一部分冷却。
8.一种用于分离附着在碳夹头的外表面上的多晶硅碎片的方法，该方法包括：
将碳夹头的下端固定到支架上，多晶硅碎片附着在碳夹头的外表面上；
通过碳夹头的感应加热来熔化碳夹头和多晶硅碎片之间的接触表面；和
当接触表面熔化时，将多晶硅碎片与碳夹头分离，使得多晶硅碎片以其自身重量自由落下。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述碳夹头和所述多晶硅碎片之间的所述接触表面被从已被感应加热的碳夹头传递的热量熔化。
10.根据权利要求8所述的方法，其中被施加以感应加热所述碳夹头的电流的频率等于或小于500kHz。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：在将附着在碳夹头的外表面上的部分多晶硅碎片分离之后，向碳夹头施加频率为500kHz-3MHz的电流，从而去除残留在碳夹头的外表面上的多晶硅碎片残留物。
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