JP2018502031A - Ｃｖｄリアクタ内の電極ホルダーを絶縁およびシールするための装置 - Google Patents

Ｃｖｄリアクタ内の電極ホルダーを絶縁およびシールするための装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、フィラメントロッドを収容するのに適し、導電性材料製の電極ホルダー上に配置され、フロアプレート内の凹部内に取り付けられている電極を含んでなるＣＶＤリアクタ内の電極ホルダーを絶縁およびシールするための装置であって、前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間に、室温での比熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍＫであり、持続使用温度が４００℃以上であり、室温での比電気抵抗が１０９Ωｃｍを超える構成材料製の電気絶縁リングを備え、前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間に、２つ以上のシール用リング状シール部材を備え、前記電気絶縁リングまたは前記電極ホルダーまたは前記フロアプレートが、前記シール部材が固定される溝を含んでなり、前記シール部材のうち１つ以上が、前記電極ホルダー内または前記フロアプレート内に配置されている溝に固定され、前記電気絶縁リングの上または下に配置されている装置に関する。

Description

本発明は、多結晶シリコン析出用リアクタ内の電極ホルダーを絶縁およびシールするための装置、および該装置を使用する多結晶シリコンの製造方法に関する。
高純度のシリコンは、一般的に、シーメンス法により製造される。このシーメンス法は、水素および１種以上のシリコン含有成分を含んでなる反応ガスを、直接通電により加熱される支持体が取り付けられたリアクタに導入し、支持体上に固体シリコンを析出させることを含む。用いられるシリコン含有化合物は、シラン（ＳｉＨ４）、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）、およびそれらの混合物であることが、好ましい。
各支持体は、一般的に、２つの薄いフィラメントロッドと、それらの遊離端で隣接ロッドと通常連結している１つのブリッジとで構成されている。フィラメントロッドは、単結晶または多結晶シリコンから製造されるのが最も一般的であり、金属／合金または炭素が用いられるのは稀である。フィラメントロッドは、リアクタフロア上に配置されている電極に垂直に差し込まれ、リアクタフロアは、電極ホルダーとの連結と電流供給を与える。高純度のポリシリコンは、加熱されたフィラメントロッドと水平ブリッジの上に析出し、時間の経過とともに、その直径が増加する。所望の直径が達成されたら、方法は終了する。
シリコンロッドは、一般的にグラファイト製である特殊電極により、ＣＶＤリアクタ内に保持される。それぞれの場合において、電極ホルダーで異なる電圧極性を有する２つのフィラメントロッドは、他方のスリムロッド端でブリッジにより連結されて、電気閉回路を形成する。スリムロッドを加熱するための電気エネルギーは、電極およびその電極ホルダーを介して供給される。このことにより、スリムロッドの直径が増加する。同時に、電極は、その先端で成長が始まり、シリコンロッドのロッドベースになる。シリコンロッドで所望の目標直径が達成されたら、析出方法は終了し、シリコンロッドを冷却し、取り出す。
フロアプレートを貫通する電極ホルダーのシールは、特に重要である。このため、電極シール体の使用が提唱されており、特に、電極シール体の配置および形状ならびに用いられる材料が重視されている。
析出装置に突き出る電極ホルダーの上部とフロアプレートとの間に、環状体が配置される。前記環状体は、通常、以下の２つの機能を有す。１．貫通電極ホルダーのシール、および２．フロアプレートからの電極ホルダーの電気絶縁。
ＣＶＤリアクタ内の高いガス空間温度は、炭化水素系シール体の熱保護を必要とする。不十分な熱保護により、シール体の焼けによるシール体の早期摩耗、熱で誘起されるシール体のフロー、リアクタの漏れ、最小値を下回る電極ホルダーとフロアプレートとの間の距離、および炭化したシール体での地絡がもたらされる。地絡または漏れは、析出装置の停止をもたらし、そのため析出方法が中止されることになる。このことにより、収率が低くなり、コストが高くなる。
米国特許出願公開第２０１１／０３０５６０４号明細書は、石英製の保護リングを用いて、熱ストレスから電極シールをシールドすることを開示している。リアクタフロアは、特殊な構成を有す。リアクタフロアは、第１領域および第２領域を含んでなる。第１領域は、リアクタの内部空間に面しているプレートおよびノズルを保有している中間プレートにより構成されている。リアクタフロアの第２領域は、中間プレートとフィラメント用の供給接続を保有しているフロアプレートにより構成されている。冷却水は、このように構成されている第１領域に供給され、それによって、リアクタ底部を冷却する。フィラメント自体は、グラファイトアダプターに取り付けられる。このグラファイトアダプターは、グラファイトクランプリングに係合し、グラファイトクランプリング自体が、石英リングを介してプレートと相互作用する。フィラメント用の冷却水連結は、クイックフィット連結の形態であり得る。
国際公開第２０１１／１１６９９０号は、石英カバーリングを有する電極ホルダーを記載している。プロセスチャンバユニットは、接触クランプユニット、基本部材、石英被覆ディスク、および石英被覆リングで構成されている。接触クランプユニットは、複数の接触部材で構成されており、接触部材は、互いに対して動かすことが可能であり、シリコンスリムロッド用の収容空間を形成する。接触クランプユニットは、基本部材の対応する収容空間に挿入され得、基本部材へ挿入されたときに、シリコンスリムロッド用の収容スペースは、狭くなり、そのため、前記スリムロッドは、しっかりとクランプされ、電気的に接触される。基本部材は、貫通ユニットの接触先端を収容するためのより狭い収容空間も含んでなる。石英被覆ディスクは、貫通ユニットの接触先端を貫通させるための中央開口部を有す。石英被覆リングは、ＣＶＤリアクタのプロセスチャンバの内部に配置されている貫通ユニットの領域の周囲を少なくとも部分的に放射状に取り囲むことができるような寸法を有す。
しかしながら、石英は熱伝導率が低いため、これらの部材は、析出条件下で非常に熱くなるので、高温で薄いシリコン層がその表面に成長する。シリコン層は、これらの条件下で導電性となり、地絡をもたらす。
国際公開第２０１１／０９２２７６号は、電極ホルダーとフロアプレートとの間のシール部材が、囲繞型セラミックリングにより温度変化の影響に対して保護される、電極ホルダーを記載している。複数の電極が、リアクタのフロア内に固定されている。これらの電極は、電極体に取り付けられているフィラメントロッドを保有し、電極体は、電極／フィラメントロッドに電流を供給する。電極体自体は、リアクタのフロアの上面の方向で、複数の弾性部材により、機械的にプレストレスが与えられる。径方向囲繞型シール部材は、リアクタのフロアの上面とフロアの上面と平行な電極体のリングとの間に挿入されている。シール部材自体は、リアクタのフロアの上面とそれと平行な電極体のリングとの間の領域にあるセラミックリングによりシールドされる。
シール部材は、ＰＴＦＥ製であり、シール機能および絶縁機能の両方を有す。セラミックリングは、シールリング用の熱シールドとしての機能を果たす。しかしながら、２５０℃より高温の熱ストレスにＰＴＦＥが晒されることは、シール表面での焼け／ひび割れおよびシール体のフローをもたらす。従って、電極ホルダーの上部とフロアプレートとの間の距離は、最小値を下回り、それによって、電極ホルダーからフロアプレートへの電気アーキング／地絡が起こる。また、焼け／ひび割れは、炭素化合物を放出し、それによって、炭素の取り込みによる、析出されるシリコンロッドの汚染が起こる。
米国特許出願公開第２０１３／００１１５８１号明細書は、フィラメントロッドを収容するのに適し、導電性材料製の電極ホルダー上に配置され、フロアプレート内の凹部内に取り付けられている電極を含んでなるＣＶＤリアクタ内の電極ホルダーを保護するための装置であって、前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間の中間空間が、シール材料でシールされ、前記シール材料が、１つ以上の部品から構成されている、リング状で前記電極周囲に配置されている保護体により保護され、前記保護体の高さが、前記電極ホルダーの方向で少なくとも部分的に増加する、前記装置を開示している。前記文書は、電極ホルダーの周囲に同心円状に配置されている幾何学体を与え、幾何学体の高さは、電極ホルダーから離れるにつれて減少する。また、幾何学体は、一部品から構成されていても良い。これは、電極ホルダーの絶縁シール体の熱保護を与え、フォールオーバー率に対して好ましい影響を有する析出したポリシリコンロッドのロッドベースでのフロー変更も与える。
国際公開第２０１１／０９２２７６号および米国特許出願公開第２０１３／００１１５８１号明細書に係る装置は、供給量が多いことによる熱ストレスが原因で、シリコンロッドから剥離し、電極ホルダーとセラミックリング／支持体との間に落ち、そこで電極ホルダーとフロアプレートとの間の導電接続を生むシリコン破片によって、電極ホルダーとフロアプレートとの間の地絡が起こりやすい可能性がある。短い回路は、ロッドを加熱するための電流供給の停止による突然の方法停止を引き起こす。ロッドを、目的の最終直径にまで析出させることができない。ロッドが薄くなると、設備能力が低くなり、それによって多大なコストがかかるようになる。
中国実用新案第２０２１９３６２１号明細書は、電極ホルダーの上部とフロアプレートとの間の２つのセラミックリングと、それらの間に配置されるグラファイトガスケットとを備えた装置を開示している。
しかしながら、この装置は、セラミックリングと電極ホルダーの上部との間にも、セラミックリングとフロアプレートの間にも、シール機能を全く与えない。従って、リアクタは、漏れを起こしやすい。
中国特許出願公開第１０１５６５１８４号明細書は、電極ホルダーの上部とフロアプレートとの間の酸化ジルコニウムセラミック材料（ＺｒＯ２）製の絶縁リングを開示している。絶縁リングは、フロアプレートに凹設されている。従って、電極ホルダーの上部とフロアプレートとの間の絶縁のために、追加の石英リングが必要である。電極ホルダーの上部と絶縁リングとの間、およびフロアプレートと絶縁リングとの間で、２つのグラファイトガスケットを介してシールが達成される。フロアプレートの下を貫通する電極で、さらなるシールとして、Ｏリングを用いる。
中国特許出願公開第１０２６１６７８３号明細書は、電極ホルダーの上部とフロアプレートとの間のセラミック材料製の絶縁リングを開示している。絶縁リングの上および下の２つの金属フレームグラファイトガスケットを介して、それぞれ、電極ホルダーの上部方向、およびフロアプレート方向に、シールが達成される。
後者の２つの文書が有する問題は、グラファイトガスケットが、シールを達成するために、高い接触圧を必要とすることである。セラミック材料は、脆性であり、曲げ強度が低いので、フロアプレートと電極ホルダーの上部のシール表面は、厳しい均一性の要件を課される。実際ほぼ不可避のほんのわずかな不均一性さえ、高い接触圧によるセラミックリングの破損をもたらす。従って、リアクタは、漏れを起こしやすい。
国際公開第２０１４／１４３９１０号は、上部と下部の溝を有するセラミック材料製の基体を含んでなるフロアプレートと電極ホルダーとの間のシールリングであって、シール部材がそれぞれの溝に挿入されている、前記シールリングを開示している。
しかしながら、セラミックリング内の溝に挿入されているシール部材は、高いレベルの熱ストレスに晒されることが、明らかになっている。シール部材での動的温度変化は、電極ホルダー、フロアプレート、およびシールの熱膨張／収縮により引き起こされるシール部材での動きを引き起こし得る。このことは、シール部材の表面を損傷し、シールでの漏れを引き起こし得る。このことにより、シールの取り換えを頻繁に要するようになり、結果的にリアクタの耐用期間が減少する。
米国特許出願公開第２０１０／０５８９８８号明細書は、円錐ＰＴＦＥ絶縁シール部材を介した、フロアプレート内の電極ホルダーの固定を与える。円錐ＰＴＦＥシール部材の上面は、（断面を拡大する）フランジを介して電極ホルダーに対して圧縮される。Ｏリングは、シール部材とフロアプレートを貫通する電極との間、およびシール部材と電極ホルダーのシャフトとの間の両方に、追加的に設けられている。
円錐シール部材の圧縮は、電極ホルダーの取り外しの妨げとなる。ＰＴＦＥシール体のフローにより、電極ホルダーとフロアプレートとの間の距離が最小値よりも下回るようになり得る。このことは、電気アーキング／地絡をもたらす。
米国特許出願公開第２０１１／０３０５６０４号明細書 国際公開第２０１１／１１６９９０号 国際公開第２０１１／０９２２７６号 米国特許出願公開第２０１３／００１１５８１号明細書 国際公開第２０１１／０９２２７６号 米国特許出願公開第２０１３／００１１５８１号明細書 中国実用新案第２０２１９３６２１号明細書 中国特許出願公開第１０１５６５１８４号明細書 中国特許出願公開第１０２６１６７８３号明細書 国際公開第２０１４／１４３９１０号 米国特許出願公開第２０１０／０５８９８８号明細書
本発明により達成される目的は、記載した問題から生じた。
本目的は、フィラメントロッドを収容するのに適し、導電性材料製の電極ホルダー上に配置され、フロアプレート内の凹部内に取り付けられている電極を含んでなるＣＶＤリアクタ内の電極ホルダーを絶縁およびシールするための装置であって、前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間に、室温での比熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍＫであり、持続使用温度が４００℃以上であり、室温での比電気抵抗が１０９Ωｃｍを超える構成材料製の電気絶縁リングを備え、前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間に、２つ以上のシール用リング状シール部材を備え、前記電気絶縁リングまたは前記電極ホルダーまたは前記フロアプレートが、前記シール部材が固定される溝を含んでなり、前記シール部材のうち１つ以上が、前記電極ホルダー内または前記フロアプレート内に配置されている溝に固定され、前記電気絶縁リングの上または下に配置されている、前記装置により達成される。
本発明の目的は、シリコン含有成分および水素を含んでなる反応ガスを、本発明に係る装置上、または好ましい実施形態の１つに係る装置上に配置されている１つ以上のフィラメントロッドを含んでなるＣＶＤリアクタに導入し、前記フィラメントロッドに電極を介して電流を供給し、それにより、前記フィラメントロッドを、多結晶シリコンが前記フィラメントロッド上に析出される温度に直接通電加熱することを含んでなる、多結晶シリコンの製造方法によって、さらに達成される。
本発明の好ましい実施形態は、添付の特許請求の範囲および以下の説明から認識され得る。
本発明は、シール体と絶縁体の分離、すなわち、電気絶縁用に設けられた絶縁リングおよびシール用に設けられたシール部品という２つの部材へのシール機能と絶縁機能の分配を与える。
このことは、絶縁リングとシール部品について、２つの部材のそれぞれの機能により適する異なる構成材料を選択することを可能にする。
絶縁リングは、耐熱性が高く、高い寸法安定性を有するべきであるが、シール機能は、必要ない。高い寸法安定性により、高さが高い絶縁リングを用いることができる。電極ホルダーとフロアプレートとの間の距離が大きいことは、高い電圧の印加を可能にする。このことの利点は、複数のロッドペアを直列で連結することができ、それによって、リアクタ電流供給に伴う設備投資を節約できることである。
シール部材を電極ホルダー内の溝、および／またはフロアプレート内の溝に配置することの利点は、シール部材が電極ホルダーの上部および／またはフロアプレートにより冷却され得ることである。電極ホルダーおよびフロアプレートは、その内部を流れる冷却材を有す。
従って、シール部材は、熱ストレスに晒されるレベルがより低くなる。シール部材への熱ストレスが低減することにより、シールの耐用期間の延長／耐久性の向上がもたらされる。
一実施形態において、電極ホルダーの上部は、絶縁リングに対してオーバーラップｃを有し得る。このことは、さらなる熱的および機械的保護を与える。絶縁リングは、熱放射から遮られ、ストレスに晒されるレベルがより低くなる。シール部材への熱ストレスも低減する。
電極ホルダーの外径Ｄ＿Ｅが絶縁リングの外径Ｄ＿Ｒよりも大きい場合に、オーバーラップが存在する。
オーバーラップｃは、絶縁リングの高さの８倍以下であり得る。絶縁リングの高さの４倍以下であるオーバーラップが、特に好ましい。
シール部材を収容するための溝は、絶縁リング内とフロアプレート内および／または電極ホルダーの上部の両方に配置され得るが、少なくとも１つの溝は、電極ホルダーまたはフロアプレート内に配置される。
本発明者は、シール部材を収容するための両方の溝が絶縁リング内に配置される、先行技術から知られている実施形態には、欠点があることを確認した。少なくとも１つの溝が、絶縁リング内ではなく、電極ホルダー内またはフロアプレート内のいずれかに配置される場合に、シール部材の耐用期間は、著しく長くなる。このことは、電極ホルダーおよびフロアプレートが冷却可能であり、そのため、大型リアクタ内で高い析出温度であってもシール部材への熱ストレスが顕著に低減されることに起因する。
絶縁リングの全幅ｂ（絶縁リングの内径）の１０〜４０％の貫通電極からの距離に、溝が配置されることが、好ましい。従って、シール部材は、リアクタに面する絶縁リングの側面から十分に遠く離れている。このことは、シール部材への熱ストレスの観点から、有利である。
他の実施形態において、溝は、フロアプレート内および電極ホルダーの上部内の同じ位置（絶縁リングの全幅ｂの１０〜４０％の貫通電極からの距離ａ）にも配置され得る。この場合、絶縁リングは、溝を有しない。
電極ホルダーまたはフロアプレート内の溝に固定されているシール部材は、フロアプレート内および電極ホルダー内の冷却媒体によって冷却されることが、好ましい。冷却により、シール部材は、絶縁リングよりも著しく低い温度に達するようになる。
リアクタ内部空間に面する絶縁リングの側面は、表面温度が６００℃以下である。
全部品、特に絶縁リングは、反応雰囲気に接触するようになるので、前記部品は、ＨＣｌ／クロロシラン雰囲気で耐薬品性をさらに示さなければならない。
絶縁リングの熱伝導率が低いと、シール部材への熱ストレスが低くなる。一方、絶縁リングの熱伝導率が低いと、リアクタ側での絶縁リングの表面温度が高くなる。表面温度は、導電性シリコン含有析出物が絶縁リング上に析出するのに十分な程高くはなってはいけない。適当な比熱伝導率を有する絶縁体用材料を選択することは、前記絶縁体の問題のない機能のために非常に重要である。
内部シール部材は、ガスケットまたはその他のシール形態に比べて、反応空間からの熱的影響（高温反応ガス、熱放射）に対して、より良好に保護される。
１つの部品から構成されている絶縁シールリングと比べて、１つ以上の部品からなる構成における材料特性は、シール機能および絶縁機能のそれぞれの要件により合うように設定され得る。
絶縁リングは、シール材料特性を有する必要はない。
絶縁リングの室温での比熱伝導率は、１〜２００Ｗ／ｍＫの範囲内にあり、１〜５０Ｗ／ｍＫの範囲内にあることが好ましく、１〜５Ｗ／ｍＫの範囲内にあることが特に好ましい。
室温での絶縁リングの比電気抵抗は、１０９Ωｃｍより大きく、１０１１Ωｃｍより大きいことが好ましく、１０１３Ωｃｍより大きいことが特に好ましい。
フロアプレートおよび電極ホルダーの上部の接触表面内の不均一性を補うために、絶縁リングは、最小の曲げ強度を有するべきである。絶縁リングの曲げ強度は、１２０ＭＰａより大きいべきであり、２００ＭＰａより大きいことが好ましく、５００ＭＰａより大きいことが特に好ましい（セラミック材料に関するＤＩＮ ＥＮ ８４３に従って測定）。
従って、絶縁リングに好適な材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）；窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）；窒化ホウ素（ＢＮ）；酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２），酸化イットリウム（ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＺｒＯ２−ＭｇＯ）、または酸化カルシウム（ＺｒＯ２−ＣａＯ）で安定化された酸化ジルコニウムが挙げられる。
酸化イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムの使用が特に好ましい。この材料は、最良の熱安定性および寸法安定性を示した。前記材料は、酸化イットリウムの添加により、非常に高い曲げ強度（２０℃で＞１０００ＭＰａ）を有する。
シール部材は、３００〜５００℃の持続使用温度に耐えうるべきである。さらに、前記部材は、３００〜５００℃でＨＣｌ／クロロシラン雰囲気に対して安定であるべきである。
シール部材は、曲面または平面の何れかを有し得る。平面の場合には、シール部材は、非圧縮状態で溝から盛り上がっている。
圧縮状態において、電極ホルダーの上部は、適所にロックされるまで、絶縁リングを介してフロアプレートに締め付けられる。シール部材は、溝に閉じ込められ、もはや溝から盛り上がっていない。従って、シール部材は、力の回避（force bypass）を受ける。
シール部材がエラストマー構成材料製のＯリングである場合が、好ましい。好適なシール部材の例は、フルオロエラストマー（ＦＰＭ，ＩＳＯ１６２９準拠）、パーフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ，ＡＳＴＭ Ｄ−１４１８）、およびシリコーンエラストマー（ＭＶＱ，ＩＳＯ１６２９）製のＯリングである。
他の実施形態は、グラファイト製のシールに関する。
グラファイト性のシール部材が、編組グラファイト繊維製のグラファイトコードであるか、またはグラファイト箔リングである場合が、好ましい。
グラファイト箔リングの使用が、特に好ましい。グラファイト箔リングは、複数の圧縮グラファイト層から構成されている。これらのグラファイト製のシール部材は、持続使用温度が６００℃以下である。
グラファイト製のシール部材の場合には、シール領域が非常に小さいので、低い圧縮力で十分である。シール領域は、溝の寸法により決まる。シール領域は、６００〜３，０００ｍｍ２であることが好ましく、６００〜２，０００ｍｍ２であることが特に好ましく、６００〜１，５００ｍｍ２であることが非常に特に好ましい。従って、絶縁リングは、機械的ストレスに晒されるレベルが低く、絶縁リングの破損を防止する。
他の実施形態は、金属製のシールに関する。金属製のシール部材は、金属環状ばねシールであることが好ましい。金属製シール部材のシール領域が小さいため、同様に、ここでシールを達成するためには、低い圧縮力で十分である。金属製シール部材の場合には、低い圧縮力は、シール円周の６０〜３００Ｎ／ｍｍ、好ましくはシール円周の６０〜２００Ｎ／ｍｍ、特に好ましくはシール円周の６０〜１６０Ｎ／ｍｍの圧縮力を意味するものとして理解されるべきである。
金属製シールは、以下の形状のうちの１つを有することが、好ましい。
−内側が空洞である閉鎖形Ｏリング（中空金属Ｏリング）；
−開放金属形状、例えばＣ字形、Ｕ字形、Ｅ字形、またはばね作用を有するあらゆる他の所望の形状、例えば波形金属シールリング；
−開放金属形状は、ばね支持されていてもよい、例えば追加の内部コイルばねを有するＣリング。
Ｃリングは、開放内面または外面を有する中空Ｏリングである。
耐薬品性を高めるため、およびシール作用を高めるため、金属製シール部材は、延性金属、例えば銀、金、銅、ニッケル、または別の延性かつＨＣｌ／クロロシラン雰囲気で安定性の金属でコーティングされていてもよい。
これらの延性コーティング材料の流動性は、金属製シール部材のシール作用を著しく高める。これらの金属製のシール部材は、持続使用温度が８５０℃以下である。
延性コーティング材料という用語は、粒界転位が、機械的ストレス下で破断点伸び未満の伸びでも移動／流動する金属を意味するものとして理解されるべきである。圧縮中に存在する、力が加わるストレス下でのこの流動は、シール表面の不均一性を補う。このことにより、シールの向上が達成される。
内部コイルばねを用いて、または用いずに、銀でコーティングした金属Ｃリングを使用することが特に好ましい。
しかしながら、バッチの充放電中などの金属製シール部材での大きな温度変化は、シール部材の熱伸びによるシール部材のシール表面での機械的損傷をもたらし得る。
他の実施形態は、可撓性構成材料、例えば接合されてリングになっている、圧縮時に弾力を確保する１つ以上のキンクまたは曲げを有する金属バンド、およびフィラー材料という２つの構成材料からなるシールに関する。
シール体は、接合されてリングになっている、様々な直径を有する複数の金属バンドから構成されており、前記バンドは、重なり合って配置されている。
フィラー材料、例えばシール作用を与えるグラファイトまたはＰＴＦＥは、個々のリングの間に配置されている。
らせんシールに関する場合が、好ましい。このらせんシールは、複数の層に巻かれた、１つ以上のキンクまたは曲げを有する金属バンドである。フィラー材料は、個々の層の間に配置されている。フィラー材料は、圧縮時にシールを達成する。キンク変形した金属バンドは、弾力を与え、シールの可撓性を確保する。
好ましい金属は、ステンレス鋼、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ、Ｉｎｃｏｎｅｌ、およびニッケルである。
Ｈａｓｔｅｌｌｏｙは、Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃからのニッケル系合金の商標である。
Ｉｎｃｏｎｅｌは、耐食性ニッケル系合金系列のＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標である。
好ましいフィラー材料は、グラファイトである。
本発明に係る方法の上記実施形態に関連して記載された特徴は、本発明に係る装置に準用され得る。逆に、本発明に係る装置の上記実施形態に関連して記載された特徴は、本発明に係る方法に準用され得る。本発明に係る実施形態のこれらとその他の特徴は、図面の説明および特許請求の範囲において、明らかにされる。それぞれの特徴は、本発明の実施形態のように、別々に、または組み合わせて、実施され得る。前記特徴は、それ自体で、保護にふさわしい有利な実施形態をさらに説明し得る。
本発明を、図１〜９を参照して、以下でまた明らかにする。
嵌合絶縁リング、および電極ホルダー内にシール部材を有する上部溝、およびフロアプレート内にシール部材を有する下部溝の模式図を示す。 電極ホルダー内にシール部材を有する上部溝、および絶縁リング内にシール部材を有する溝、ならびに電極ホルダーの上部のオーバーラップがある嵌合絶縁リングの模式図を示す。 下側に溝がある絶縁リングの模式図を示す。 フロアプレート内に下部溝、および電極ホルダーの上部内に上部溝、ならびに電極ホルダーの上部のオーバーラップがある嵌合絶縁リングの模式図を示す。 溝がない絶縁リングの模式図を示す。 金属Ｃリングの断面形状を示す。 金属製のシール部材の他の実施形態の断面形状を示す。 複数の圧縮された個々の箔からなるグラファイト箔リングの断面形状を示す。 らせんシールの断面形状を示す。
電極ホルダー１とフロアプレート３との間に、絶縁リング２およびシール部材４が配置されている。
絶縁シース８に裏打ちされた穿孔を有し、自身を貫通し、自身に嵌合されている電極ホルダー１を有するフロアプレート３が設けられている。
フロアプレート３および電極ホルダー１は、冷却手段５および７により冷却される。
６は、電極ホルダー１用冷却手段７用の入口を示す。
シールは、シール部材４により達成される。
第１シール部材４は、電極ホルダー１内の溝に配置されている。
第２シール部材４は、フロアプレート３内の溝に配置されている。
電極ホルダー１の外径Ｄ＿Ｅは、絶縁リング２の外径Ｄ＿Ｒとぴったり重なっていてもよく、または前記外径Ｄ＿Ｒをオーバーラップしていてもよい。電極ホルダーがオーバーラップしている場合が、好ましい。
図１は、オーバーラップがない実施形態を示す。
図２および４は、それぞれ、オーバーラップｃがある実施形態を示す。
このように、さらなる熱および機械保護をあたえるために、電極ホルダー１の上部は、絶縁リング２の外側の輪郭を突き出てもよい。オーバーラップｃは、０〜８×ｈと等しいべきであり、ここで、ｈは、絶縁リング２の高さである。０〜４×ｈのオーバーラップが、特に好ましい。
図２は、電極ホルダー１および絶縁リング２がそれぞれシール部材４を収容するための溝を含んでなる実施形態を示す。
絶縁リング２内の溝９は、絶縁リングの全幅ｂの１０〜４０％の貫通電極からの距離ａに配置されており、図３を参照されたい。フロアプレート３または電極ホルダー１内の溝も、貫通電極から同じ半径方向距離に配置されている。
従って、シール部材４は、リアクタに面する絶縁リング２の側面から十分に遠く離れている。このことは、シール部材４への熱ストレスが低くなるので、有利である。従って、シール部材４は、フロアプレート２、電極ホルダー１の上部、およびフロアプレート３を通る電極の貫通部の冷却媒体により特に効果的に冷却される。効果的な冷却により、シール部材４は、熱エネルギーを冷却媒体に伝達することができ、そのため、熱損傷を受けない。
図４は、フロアプレート３内および電極ホルダー１の上部内に溝、ならびに電極ホルダー１の上部のオーバーラップがある嵌合絶縁リング２の模式図を示す。オーバーラップｃを有する実施形態に関する。
図４に示す実施形態では、シール部材４を固定するための溝は、絶縁リング２内ではなく、電極ホルダー１およびフロアプレート３内に配置されている。
図２と同様に、これらの溝は、絶縁リング２の全幅ｂの１０〜４０％の貫通電極からの距離ａに配置されていることが、好ましい。
従って、シール部材４は、図２のシール部材のように、フロアプレート内の凹部から同じ距離で配置されているが、絶縁リング２内の溝ではなく、電極ホルダー１およびフロアプレート３内の溝に挿入されている。
図５は、溝がない絶縁リングの模式図を示す。このような絶縁リングは、図４に係る実施形態で用いられている。
図６は、Ｃ形状を有する金属製シール部材の断面形状を示す。
図７は、金属製シール部材の他の実施形態の断面形状である、Ｏ形状、Ｕ形状、Ｅ形状、ばね作用を有する形状を示す。
Ｅリングは、二つ折りの二重Ｕリングである。
図８は、複数の圧縮された個々の箔からなるグラファイト箔リングの断面形状を示す。
図９は、複数の巻線を有する巻かれた金属バンド１０、および巻線の個々の層の間のフィラー材料１１からなるらせんシールの断面形状を示す。
シーメンス析出リアクタにおいて、直径が１６０〜２３０ｍｍの多結晶シリコンロッドを析出させた。
絶縁リングおよびシール部材の複数の実施形態を、その過程で試験した。これらの試験の結果を、選択した実施例および比較例を用いて、以下で明らかにする。
それぞれの析出方法のパラメーターは、全試験で同一であった。バッチ中の析出温度は、１，０００℃〜１，１００℃であった。析出方法の間、１種以上の式ＳｉＨｎＣｌ４−ｎ（式中ｎ＝０〜４）の塩素含有シラン化合物からなる供給原料、およびキャリヤーガスとしての水素を加えた。
絶縁リングおよびシール部材の実施形態においてだけ、試験は異なった。
比較のために、シール機能と絶縁機能を同時に有するＰＴＦＥ絶縁リングを、最初に調べた。従って、前記リングは、絶縁リングと他のシール部材による機能の分離を与えない。
金属製シール部材と併用する酸化ジルコニウム製の絶縁リングも試験した。グラファイト製またはパーフルオロエラストマーなどのエラストマー構成材料製のシール部材は、同様な結果をもたらす。
比較として、シール部材が酸化ジルコニウムリングの溝内に固定されている実施形態を調べた。
有利な実施形態は、１つ以上のシール部材が、フロアプレート内の溝、または電極ホルダー内の溝のどちらかに固定されていることが分かった。絶縁リングに対する電極ホルダーのオーバーラップは、シール部材への熱ストレスをさらに低減することができる。
比較例１
＜ＰＴＦＥ製の絶縁リングを含んでなるＣＶＤリアクタ＞
この先行技術の実施形態において、ＰＴＦＥ製の絶縁リングは、シール機能および絶縁機能を有す。寸法安定性が低いことにより、絶縁リングの高さは、新品のときで８ｍｍに制限されている。
運転中の熱ストレスが高いことと、絶縁リングのシール機能を確保するために３５〜４０ｋＮの押圧が必要であることとから、絶縁リングの高さは、３か月以内に４ｍｍの最小値に減少した。
従って、耐用期間は、３ヶ月に制限される。
高温の反応ガスにより熱ストレスがもたらされるため、フロアプレートのシールおよび電気絶縁の両方が、シール体の熱分解および沈殿により、もはや完全ではなかった。従って、この期間の後、コストがかかり面倒な全ての絶縁リングの取り換えが、必要であった。修繕オペレーションは、多大な能力喪失をもたらす。
比較例２
＜酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）製絶縁リングを含んでなるＣＶＤリアクタ＞
この実施形態において、シール機能および絶縁機能は、２つの部材に分配されている。ＺｒＯ２製絶縁リングを、電極ホルダーとフロアプレートとの間の電気絶縁を達成するために用いる。絶縁リングは、新品のときで高さが８ｍｍである。電極ホルダーの上部方向、およびフロアプレート方向に、それぞれ銀でコーティングされた金属Ｃリングがシール機能を果たし、２つの金属Ｃリングは、絶縁リングの上部溝、および下部溝に固定されている。
Ｃリングの使用により、シール円周の６５Ｎ／ｍｍの圧縮力が必要である。ＺｒＯ２は、セラミック材料部材のような沈殿挙動を呈さない。低い接触圧により、確実に、セラミック材料製絶縁リングは破損しないようになる。
非常に高い熱安定性およびＰＴＦＥと比較して著しく高い比熱伝導率により、リアクタに面する絶縁リングの側面は、１２ヶ月の運転期間後、熱により劣化しなかった。
しかしながら、Ｃリングは、バッチ運転における個々のバッチでのリアクタの始動および停止の間のシール体の大きな温度変化に起因する熱膨張により引き起こされたシール表面での表面の機械的損傷を示し、上部Ｃリングは、特にひどい損傷を受けた。遅くとも９ヶ月の運転期間後に、シール部材を取り換える必要があることが分かった。
従って、耐用期間は、比較例１と比べて、最高９か月に増加した。
実施例１
＜酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）製絶縁リングを含んでなるＣＶＤリアクタ＞
この実施形態において、シール機能および絶縁機能は、２つの部材に分配されている。ＺｒＯ２製絶縁リングを、電極ホルダーとフロアプレートとの間の電気絶縁を達成するために用いる。絶縁リングは、新品のときで高さが８ｍｍである。電極ホルダーの上部方向、およびフロアプレート方向に、それぞれ銀でコーティングされた金属Ｃリングが、シール機能を果たし、１つの金属Ｃリングは、電極ホルダー内の溝に固定されており、１つの金属Ｃリングは、絶縁リング内の溝に固定されている。オーバーラップｃは、絶縁リングの高さの２倍、すなわち１６ｍｍであった。
Ｃリングの使用により、シール円周の６５Ｎ／ｍｍの圧縮力が必要である。ＺｒＯ２は、セラミック材料部材のような沈殿挙動を呈さない。低い接触圧により、確実に、セラミック材料製絶縁リングは破損しないようになる。
非常に高い熱安定性およびＰＴＦＥと比較して著しく高い比熱伝導率により、リアクタに面する絶縁リングの側面は、１２ヶ月の運転期間後でも、熱により劣化しなかった。オーバーラップｃがもたらす熱放射の遮蔽は、このことに寄与することが分かった。
この期間の後、Ｃリングも全く熱損傷を示さず、機械的損傷をほとんど示さなかった。冷却された電極ホルダー内の溝に固定された上部Ｃリングは、熱によっても、機械的にも、劣化しなかった。
従って、耐用期間は、１２ヶ月以上に増加した。
実施例２
この実施形態において、シール機能および絶縁機能は、２つの部材に分配されている。ＺｒＯ２製絶縁リングを、電極ホルダーとフロアプレートとの間の電気絶縁を達成するために用いる。絶縁リングは、新しいときで高さが８ｍｍである。電極ホルダーの上部方向、およびフロアプレート方向に、それぞれ銀でコーティングされた金属Ｃリングが、シール機能を果たし、１つの金属Ｃリングは、電極ホルダー内の溝に固定されており、１つの金属Ｃリングは、フロアプレート内の溝に固定されている。電極ホルダーは、絶縁リングに対するオーバーラップｃを有しなかった。
非常に高い熱安定性およびＰＴＦＥと比較して著しく高い比熱伝導率により、リアクタに面する絶縁リングの側面は、１２ヶ月の運転期間後、熱により劣化しなかった。
電極ホルダーおよびフロアプレートの冷却により、金属Ｃリングは、熱的にも、機械的にも、劣化しなかった。
従って、耐用期間は、１２ヶ月以上に増加した。
具体的な実施形態の上記の説明は、例示的なものとして理解されるべきである。それによってなされた開示は、当業者が本発明および本発明に関する利点を理解することを可能にし、また、当業者には明らかである、記載の構造および方法への変更および修正を包含する。全てのこのような変更および修正ならびに均等物は、従って、クレームの保護範囲により包含されるものとする。
符号の説明
１ 電極ホルダー
２ 絶縁リング
３ フロアプレート
４ シール部材
５ フロアプレート冷却手段
６ 電極ホルダー冷却入口
７ 電極ホルダー冷却手段
８ 絶縁シース
９ シール部材用溝
１０ 金属バンド
１１ フィラー材料
ａ 内径からの溝の距離
ｂ 全幅
ｈ 絶縁リングの高さ
ｃ オーバーラップ
Ｄ＿Ｅ 電極ホルダーの外径
Ｄ＿Ｒ 絶縁リングの外径

Claims (16)

  1. フィラメントロッドを収容するのに適し、導電性材料製の電極ホルダー上に配置され、フロアプレート内の凹部内に取り付けられている電極を含んでなるＣＶＤリアクタ内の電極ホルダーを、絶縁およびシールするための装置であって、
    前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間に、室温での比熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍＫであり、持続使用温度が４００℃以上であり、室温での比電気抵抗が１０９Ωｃｍを超える構成材料製の電気絶縁リングを備え、
    前記電極ホルダーと前記フロアプレートとの間に、２つ以上のシール用リング状シール部材を備え、
    前記電気絶縁リングまたは前記電極ホルダーまたは前記フロアプレートが、前記シール部材が固定される溝を含んでなり、
    前記シール部材のうち１つ以上が、前記電極ホルダー内または前記フロアプレート内に配置されている溝に固定され、前記電気絶縁リングの上または下に配置されている、
    前記装置。
  2. 前記電気絶縁リングの前記構成材料が、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム、および酸化イットリウム、酸化マグネシウム、または酸化カルシウムで安定化された酸化ジルコニウムからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記シール部材が、エラストマー構成材料製のＯリングである、請求項１または２に記載の装置。
  4. 前記Ｏリングが、フルオロエラストマー、パーフルオロエラストマー、またはシリコーンエラストマー製である、請求項３に記載の装置。
  5. 前記シール部材が、グラファイト箔リングである、請求項１または２に記載の装置。
  6. 前記シール部材が、金属製Ｏリングであるか、または開放形状およびばね作用を有する金属製シールである、請求項１または２に記載の装置。
  7. 開放形状を有する前記金属製シールが、内部コイルばねを含んでなる、請求項６に記載の装置。
  8. 前記金属製シール部材が、延性金属でコーティングされている、請求項６または７に記載の装置。
  9. 前記金属製シールが、Ｃ形状を有し、銀でコーティングされている、請求項８に記載の装置。
  10. 前記シール部材が、接合されてリングになっている、様々な直径を有する複数の金属バンドを含んでなり、前記リング状金属バンドが、重なり合って配置されており、各々１つ以上のキンクまたは曲げを有し、フィラー材料が、個々の前記金属バンドの間に配置されている、請求項１または２に記載の装置。
  11. 前記金属バンドが、らせん状に巻かれており、前記シール部材が、らせんシールである、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記金属製バンドが、ステンレススチール、ニッケル、またはニッケル系合金製の可撓性金属バンドである、請求項１０または１１に記載の装置。
  13. 前記フィラー材料がグラファイトである、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
  14. 前記電気絶縁リングに対する前記電極ホルダーの半径方向オーバーラップｃが、０以上であり、かつ、前記電気絶縁リングの高さｈの８倍以下である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記電気絶縁リング内または前記フロアプレート内または前記電極ホルダー内の前記シール部材を収容するための前記溝が、前記フロアプレート内の前記凹部からの距離が前記電気絶縁リングの全幅の１０〜４０％であるように、前記凹部から離間している、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
  16. 多結晶シリコンの製造方法であって、シリコン含有成分および水素を含んでなる反応ガスを、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置上に配置されている１つ以上のフィラメントロッドを含んでなるＣＶＤリアクタに導入し、前記フィラメントロッドに電極を介して電流を供給し、それにより、前記フィラメントロッドを、多結晶シリコンが前記フィラメントロッド上に析出される温度に直接通電加熱することを含んでなる、前記方法。
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