CN113880094A - 多晶硅棒的制造装置 - Google Patents

Abstract

发明涉及的多晶硅棒的制造装置，通过西门子法制造多晶棒，其特征在于，包括：保持体100，该保持体100被可沿水平方向移动地设置在底板20上，将芯线保持器1与电极4电连接，并且相对于底板20可旋转地保持芯线保持器1。

Description

多晶硅棒的制造装置

技术领域

本发明涉及一种通过西门子法制造多晶硅棒的装置。

背景技术

多晶硅是一种半导体制造用的单晶硅和太阳能电池制造用的硅的原料。多晶硅的制造方法已知西门子法，在该方法中，一般通过使硅烷系原料气体与加热后的硅芯线接触，利用CVD(化学气相沉积)法在该硅芯线的表面析出多晶硅。

西门子法将硅芯线组装成铅直方向2根、水平方向1根的倒U字型结构，并将其两端部分别与芯线保持器连接后，固定在配置于底板上的一对金属制电极上。一般来说，反应炉内会采用配置多组倒U字型硅芯线的结构。

通过通电将倒U字型的硅芯线加热至析出温度，当作为原料气体的例如三氯硅烷与氢的混合气体接触到硅芯线时，多晶硅就会在硅芯线上气相生长，从而具有期望直径的多晶硅棒就会形成为倒U字状。

电极夹着绝缘物穿过底板与其他电极连接，或者与配置在反应炉外的电源连接。在多晶硅的析出工序中，为了防止多晶硅在电极部被析出，或者防止因电极部的温度上升导致析出中的多晶硅受到金属污染，通过水等制冷剂来冷却电极、底板和钟罩。

图4是用于展示现有技术中的将电极保持器安装在电极上并保持芯线保持器11的概念图。在该图所示的例子中，金属制的电极14和碳制的芯线保持器11出于抑制电极14的消耗等目的，通过电极适配器13连接，电极适配器13通过螺合固定在电极14上。

从电极14经由芯线保持器11向被保持在芯线保持器11顶部的硅芯线(未图示)提供电流，利用焦耳热将硅芯线的表面在氢气氛中加热至900℃～1200℃左右的温度范围。在该状态下，向反应炉内提供例如三氯硅烷与氢气的混合气体作为原料气体，从而在硅芯线上气相生长高纯度的硅来培育多晶硅棒。

在该工序中，随着多晶硅棒直径的增大，在碳制的芯线保持器1一侧也在发生多晶硅的析出，并逐渐与芯线保持器11一体化。另外，由于电阻随着多晶硅棒的生长而降低，因此为了将多晶硅棒的表面温度维持在适于析出反应的温度，所提供的电流将逐渐提高。

另外，提供至多晶硅棒的电流一般在析出反应结束时为2000安培～4000安培的大电流。随着多晶硅棒直径的增大，棒表面的散热量就会增加。因此，为了保持析出反应所需的温度(900～1200℃)，需要提高向多晶硅棒提供的电能，以补偿因其散热而损失的热量。

另外，由于多晶硅具有电阻率随温度上升而下降的特性，因此基本上处于高温的体棒的中心所流过电流最多。所以，在棒体的连接桥部，倒U字型的内侧为高温且电流最大。

究其原因可以想到的是：由于棒体呈倒U字型，在拐角处通过内侧则电路距离较短，以及拐角处的笔直棒体和连接桥容易受到各自的辐射而被加热等。

【先行技术文献】

【专利文献1】日本特开2006-240934号公报

【专利文献2】专利第2805457号

因此，存在如下问题：随着硅棒直径变粗，连接桥部的内侧和外侧之间的温差变大，处于生长状态中的连接桥部的伸长差和生长结束后冷却时的收缩差越发明显导致容易产生裂纹。

生长中的裂纹因硅棒倒U字形部的角部内侧高温与外侧低温之间的温度差而产生使倒U字形外张的力。此时，如果脚部的电极固定在硅棒的两端，则棒体无法变形而应力超过一定值，导致开裂。这种生长中的开裂会导致通电电流发生紊乱，并导致棒体温度紊乱，从而影响晶体的均质性。再有，如果裂纹的影响变大，则可能导致无法通电从而不得不中途中断反应。

另一方面，在生长结束后的冷却时，由于更高温的角部内侧收缩最大，因此会产生使倒U字形闭合的力。而且，如果棒体不能变形且应力超过一定值，同样会导致裂纹。以往的经验表明，冷却时的裂纹比生长时的裂纹更大，而且裂纹会传播至整个棒体，可能导致硅棒的坍塌。

像上述这样，在西门子法中，硅棒产生裂纹的原因是由于倒U字的内侧和外侧之间的温度差，因此除了硅棒整体温度变化引起的单纯的伸缩外，还施加了包含以棒体直胴部和连接桥部的接点为支点旋转的二维旋转力。

裂纹发生对硅棒制造所造成的经济损害较大。为了应对上述二维旋转力，需要伸缩和旋转的机构，而且西门子法在特性上可以使用的材质需要耐高温性、高强度、低污染源，另外，为了实现持续高效、质量稳定的进行制造，还需要各批次间的清扫以及棒体安装的便捷性。因此，要解决上述课题是非常困难的。

另外，关于电极适配器，也提出了新的结构。

例如，在专利文献1(日本特开2006-240934号公报)中，提出了一种电极与保持器电连接并且能够折动的装置，但是其仍然无法应对以棒体直胴部和连接桥部的接点为支点的旋转力。

在专利文献2(专利第2805457号)中，虽然能够通过弹簧元件实现电极保持器的水平及倾斜运动，但是由于使用了弹簧元件，使形状变得复杂，因此导致批次间的清扫非常困难，几乎不可能保持所有表面的清洁。另外，依靠弹簧来进行保持所带来的问题是移动量越大移动所需的力就越大，随着直径的进一步增大，所需移动量变大，就无法持续确保足够的移动量。

如上所述，现有技术的电极适配器没有足够的移动自由度和/或批次清洁措施。鉴于这种情况，本专利的目的在于提供一种多晶硅的制造装置，其能够实现电极适配器的水平方向运动和旋转运动，并且能够易于清扫。

发明内容

【1】本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，通过西门子法制造多晶硅棒，其特征在于，包括：底板；以及保持体，可沿水平方向移动地设置在所述底板上，用于将芯线保持器与电极电连接，并将所述芯线保持器相对于所述底板可旋转地进行保持。

【2】另外，根据本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，所述保持体具有：底座，可沿水平方向移动地设置在所述底板上；以及电极适配器，可旋转地设置在底座上，并将芯线保持器与电极电连接。

【3】另外，根据本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，所述底座具有曲面部，所述电极适配器能够沿所述曲面部旋转，并且能够相对于所述电极在水平方向上滑动。

【4】另外，根据本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，所述电极适配器具有：可旋转地设置在所述曲面部的电极适配器主体部；以及从所述电极适配器主体部沿水平方向延伸并与所述电极接触的电极适配器滑动部，所述多晶硅棒的制造装置还设有用于将所述电极与所述电极适配器滑动部一起夹持的按压部。

【5】另外，根据本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，所述底座、所述电极适配器以及所述电极分别仅由平面和半径5mm以上的曲面部或球面构成。

【6】另外，根据本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，所述底座、所述电极适配器以及所述电极均不具有角度小于90度的内角部。

【7】另外，根据本发明涉及的多晶硅棒的制造装置，设置在所述底板上的所述底座为绝缘体。

发明效果

根据本发明，就能够制造实现电极适配器的水平方向运动和旋转运动并且容易清扫的多晶硅，还能够减少多晶硅生长中和生长后冷却时的裂纹。

附图说明

图1是本发明实施方式中电极保持器安装在金属电极上并保持芯线保持器的平面图；。

图2是沿图1的II-II截面切隔后的侧方截面图。

图3是与图1对应的图，其展示了本发明实施方式的变形例的平面。

图4是现有的电极保持器安装在金属电极上并保持芯线保持器的侧面截面图。

具体实施方式

本实施方式提供了一种多晶硅棒的制造装置，该制造装置通过西门子法制造多晶硅。如图1和图2所示，本实施方式的多晶硅棒的制造装置具有保持体100，该保持体100以能够在水平方向上移动的方式设置在反应器底板20上，并将芯线保持器1与金属电极4电连接。该保持体100将芯线支架1相对于反应器底板20可旋转(可摆动)地进行保持。保持体100可以将芯线保持器1保持为相对于反应器底板20上下方向上旋转，也可以在水平面内可旋转。在图2中，使用箭头R1、R2表示保持体100将芯线保持器1保持为能够相对于反应器底板20上下方向上旋转(能够摆动)。另外，在图2中，还展示了用于表示保持体100能够相对于反应器底板20水平方向上移动的箭头S1、S2。

保持体100可以具有可沿水平方向移动地设置在反应器底板20上的适配器底座3、以及可相对于适配器底座3旋转(可摆动)地设置并将芯线保持器1与金属电极4电连接的电极适配器2。

适配器底座3的上部可以具有曲面部3a。电极适配器2可沿曲面部3a旋转，且可相对于金属电极4在水平方向上滑动。

电极适配器2还可以具有：可旋转地设置在底座3的曲面部3a上的电极适配器主体部2a、以及从电极适配器主体部2a沿水平方向延伸并与金属电极4接触的电极适配器滑动部2b。电极适配器主体部2a与电极适配器滑动部2b可以一体形成。

如图2所示，电极适配器主体部2a在俯视时由四边形状构成，电极适配器滑动部2b也可以在俯视时由四边形状构成。另外，适配器底座3也可以在俯视时由四边形状构成。另外，适配器底座3的曲面部3a也可以在俯视时呈圆形。

如图1和图2所示，金属电极4经由绝缘体5固定在反应器底板20上，其由大致长方体的突出部构成。由电极适配器滑动部2b和压板10等构成的按压部通过夹着金属电极4依靠螺栓9a和螺母9b紧固来接触。可以在电极适配器滑动部2b的规定间隔W之间，用电极适配器滑动部2b和按压部等压板10来夹持金属电极4。通过放松螺栓9a和螺母9b的紧固，能够使电极适配器2相对于金属电极4在水平方向滑动。电极适配器主体部2a在上部具有能够连接芯线保持器1的凸部2a₁。电极适配器主体部2a的下部通过曲面部3a与适配器底座3连接。通过采用这种形态，能够使芯线保持器1滑动移动并进行旋转运动。

也可以在金属电极4内配置制冷剂30(参照图2)，从而从内部冷却金属电极4。

在图2所示的方式中，在电极适配器主体部2a与适配器底座3之间在上下方向上设置有间隙G，电极适配器主体部2a能够沿着图2的上下方向旋转(可摆动)(参照图2的箭头R1)，并且能够在图2的左右方向上移动(参照图2的箭头S1)。另外，当电极适配器主体部2a沿上下方向旋转时，电极适配器滑动部2b也会沿上下方向旋转(参照图2的箭头R2)，当电极适配器主体部2a沿左右方向移动时，电极适配器滑动部2b也会沿左右方向移动(参照图2的箭头S2)。

作为一例，金属电极4也可以安装成能够在水平方向上旋转(能够摆动)。在这种情况下，电极适配器主体部2a相对于适配器底座3也可以在水平方向上旋转。

各批次间连续使用的电极适配器2、适配器底座3、金属电极4以及压板10均可由平面和半径5mm以上的圆弧平缓的简单球面或曲面部构成，还可以是不具有小于90度的内角部的形状。在这种情况下，例如可以使用BEMCOT无尘室清洁布(日本旭化成株式会社)等清扫工具通过人手容易地进行清扫。另外，由于螺栓9a及螺母9b是小型零件，因此即使每匹次均更换为新品经济负担也很轻。另外，即使准备两组螺栓9a及螺母9b，在使用一个的过程中清扫另一个，时间上的负担也很小。通过采用不具有小于90度的内角部的形态，有利于在结构不产生难以清洁的部位。另外，在锐角的角部堆积的膜(由于堆积后的膜的应力变高，膜变厚，和/或为了相对于该凹角部不保持充分的密合性而堆积)在堆积时可能会发生脱落，并在腔室内飞散，成为污染源通过采用外，通过采用不具有小于90度的内角部的形态，就能够防止上述情况的发生。当不具有小于120度的内角部的形态时，能够进一步提高清扫的便捷性，从而进一步降低成为污染源的可能性，因此更为优选。另外，也可以采用不具有小于60度的内角部的形态，在这种情况下，与不具有小于90度的内角部的形态相比效果会变低，但在清扫的便捷性、降低成为污染源的可能性方面，仍能够获得一定的效果。图1中的“c1”和图2的中“c2”为90度，“c3”则超过90度。

另外，为了防止向反应器底板20通电，适配器底座3优选为绝缘体，但又不限于此，也可以使用具有导电性的部件作为适配器底座3。在这种情况下，通过使用折动性高的材质，在适配器底座3与反应器底板20之间加入绝缘体平板也能够实现想要的功能。

另外，也可以在金属电极4的顶点部设置作为挡块的罩40，以避免电极适配器滑动部2b意外地从金属电极4脱落(参照图3)。

如图3所示，适配器底座3也可以设置于在水平方向上延伸的引导部50上，并能够沿着该引导部50在水平方向上移动。在图3所示的形态中，从平面观看时，引导部50在与电极适配器滑动部件2b相同的方向上延伸。

也可以设置用于保护金属电极4和电极适配器滑动部2b的可动部的罩，另外还可以夹着用于辅助接触部通电、弯折的碳垫。

【实施例】

通过西门子法，各进行5批次的生长至多晶硅棒直径约为φ160mm的反应，并确认了裂纹的发生率。在相当于图4的最普通的现有类型的被固定后的金属电极和电极适配器中，生长时2批次均确认了硅棒产生裂纹导致电流紊乱，而冷却时的裂纹则是5批次全部确认产生，其中1批次还确认了硅棒发生坍塌。另一方面，当使用图1和图2所示的本实施方式的结构的情况下，生长中未确认到因产生裂纹导致的电流紊乱，并且冷却时产生的裂纹也仅确认到3批次，并且5个批次均未发生硅棒坍塌。

【符号说明】

1 芯线保持器

2 电极适配器

2a 电极适配器主体部

2b 电极适配器滑动部

3 适配器底座

4 金属电极

5 绝缘体

9a 螺栓

9b 螺母

10 压板

20 反应器底板

30 制冷剂

100 保持体

S1、S2 滑动方向

R1、R2 旋转方向(摆动方向)。

Claims (7)

1.一种多晶硅棒的制造装置，通过西门子法制造多晶硅棒，其特征在于，包括：

底板；以及

保持体，可沿水平方向移动地设置在所述底板上，用于将芯线保持器与电极电连接，并将所述芯线保持器相对于所述底板可旋转地进行保持。

2.根据权利要求1所述的多晶硅棒的制造装置，其特征在于：

其中，所述保持体具有：底座，可沿水平方向移动地设置在所述底板上；以及电极适配器，可旋转地设置在底座上，并将芯线保持器与电极电连接。

3.根据权利要求2所述的多晶硅棒的制造装置，其特征在于：

其中，所述底座具有曲面部，

所述电极适配器能够沿所述曲面部旋转，并且能够相对于所述电极在水平方向上滑动。

4.根据权利要求3所述的多晶硅棒的制造装置，其特征在于：

其中，所述电极适配器具有：可旋转地设置在所述曲面部的电极适配器主体部；以及从所述电极适配器主体部沿水平方向延伸并与所述电极接触的电极适配器滑动部，

所述多晶硅棒的制造装置还设有用于将所述电极与所述电极适配器滑动部一起夹持的按压部。

5.根据权利要求2或3所述的多晶硅棒的制造装置，其特征在于：

其中，所述底座、所述电极适配器以及所述电极分别仅由平面和半径5mm以上的曲面部或球面构成。

6.根据权利要求5所述的多晶硅棒的制造装置，其特征在于：

其中，所述底座、所述电极适配器以及所述电极均不具有角度小于90度的内角部。

7.根据权利要求2或3所述的多晶硅棒的制造装置，其特征在于：

其中，设置在所述底板上的所述底座为绝缘体。

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