JP6615990B2 - Ｃｖｄ反応器内の電極ホルダの絶縁封止装置 - Google Patents
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Description
本発明は、多結晶シリコンを堆積させるための反応器における電極ホルダの絶縁封止装置、およびそのような装置を用いた多結晶シリコンの製造方法に関する。
高純度シリコンは一般にシーメンス法によって製造される。これは、その上に固体シリコンが堆積される、電流の直接通過によって加熱された支持体を装着された反応器に、水素と１つ以上のシリコン含有成分とを含む反応ガスを導入することを含む。好ましくは、使用さ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。
各支持体は一般に、２つの細いフィラメントロッドと、その自由端で隣接するロッドを一般に接続する１つのブリッジとから構成される。フィラメントロッドは、最も一般的には単結晶または多結晶シリコンから製造され、金属／合金または炭素がよりまれに使用される。フィラメントロッドは、電極ホルダおよび電流供給部への接続を提供する反応器床に配置された電極のスロットに垂直に入れられる。加熱されたフィラメントロッドおよび水平ブリッジ上に高純度の多結晶シリコンが堆積され、経時的にその直径が増大する。所望の直径に達すると、この方法は停止される。
シリコンロッドは、一般にグラファイトから製造された特別な電極によってＣＶＤ反応器内に保持される。それぞれの場合において、電極ホルダにおいて異なる電圧極性を有する２つのフィラメントロッドは、他方の細いロッド端部でブリッジによって接続され、閉鎖された電気回路を形成する。細いロッドを加熱するための電気エネルギーは、電極およびそれらの電極ホルダを介して供給される。これにより細いロッドの直径が増大する。電極は、その先端から始まって、シリコンロッドのロッド基部内に同時に拡大する。シリコンロッドの所望の目標直径が達成されると、この堆積法は停止され、シリコンロッドが冷却されて取り外される。
床板を通過する電極ホルダの封止は特に重要である。
漏れたクロロシランは周囲の空気中の酸素および水分と反応して、シリカおよびさらに水分を伴って水性ＨＣｌの形で凝縮するＨＣｌを形成する。反応生成物であるシリカおよび水性ＨＣｌおよびＨＣｌによって生成された腐食生成物は、床板を通り抜けて電極ホルダのフィードスルーの末端に堆積され、電極ホルダの絶縁体を床板に橋絡し、堆積反応器の地絡および停止をもたらす。
数ヶ月にわたる堆積反応器の所望の運転時間（２回の総点検の間の耐用年数）で反応生成物が形成場所に蓄積するので、わずかな漏れおよび漏れ流れでさえも地絡によって早期故障が生じる可能性がある。漏れ流れを考慮すると、封止表面における漏れだけでなく、封止材自体を通る拡散による漏れも考慮する必要がある。
この目的のために、封止体の使用が提案されており、特に、使用される封止体および封止材料の配置および形状が重視される。
堆積装置内に突出する電極ホルダの上部と床板との間に、環状体が配置される。環状体は典型的には２つの機能、即ち、１．電極ホルダフィードスルーの封止、および２．床板からの電極ホルダの電気絶縁を有する。
ＣＶＤ反応器内の高いガス−空間温度は、炭化水素系の封止体の熱保護を必要とする。不十分な熱保護により、封止体の焦げによる封止体の早期摩耗、封止体の熱誘導流れ、反応器漏れ、電極ホルダと床板との間の距離が最小値を下回ること、および焦げた封止体の地絡がもたらされる。地絡または漏れにより堆積装置が停止し、ひいては堆積処理が中断される。その結果、生産高が低下し、材料の劣化により収率が低下し、コストが高くなる。
ＵＳ２０１１０３０５６０４Ａ１号は、石英で製造された保護リングを用いて熱応力から電極シールを遮蔽することを開示する。反応器床は特殊な構成を有する。反応器床は第１の領域および第２の領域を含む。第１の領域は、反応器の内部に面するプレートと、ノズルを支持する中間プレートとによって形成される。反応器床の第２の領域は、中間プレートと、フィラメントのための供給接続部を支持する床板とによって形成される。反応器の底部を冷却するために、このようにして形成された第１の領域に冷却水が供給される。フィラメント自体はグラファイト・アダプターに収められる。このグラファイト・アダプターはグラファイト・クランプ・リングと係合し、グラファイト・クランプ・リングはそれ自体が石英リングを介してプレートと相互作用する。フィラメントのための冷却水接続部は、敏速調整型カップリングの形態であってもよい。
ＷＯ２０１１０９２２７６Ａ１号には、電極ホルダと床板との間の封止要素が周囲のセラミックリングにより温度の影響から保護されている電極ホルダが記載されている。反応器の床には複数の電極が固定される。これらの電極は、電極／フィラメントロッドに電流を供給する電極本体に収められたフィラメントロッドを支持する。電極本体自体は、複数の弾性要素によって反応器の床の上面の方向に機械的に圧縮応力が与えられる。半径方向の周辺の封止要素が、反応器の床の上面と、床の上面に平行な電極本体のリングとの間に挿入される。封止要素自体は、反応器の床の上面とそれに平行な電極本体のリングとの間の領域内のセミリックリングによって遮蔽される。
封止要素はＰＴＦＥから製造され、封止機能および絶縁機能の両方を担う。セラミックリングは封止リングの遮熱材として機能する。
しかし、ＰＴＦＥに２５０℃を超える熱応力を加えると、封止表面の焦げ付き／亀裂および封止体の流れが生じる。従って、電極ホルダの上部と床板との間の距離は最小値未満に落ち、電極ホルダから床板への電気的アーク／地絡をもたらす。また、焦げ付き／亀裂は、炭素の取り込みにより、堆積されるシリコンロッドの汚染をもたらす炭素化合物を放出する。
ＵＳ２０１３００１１５８１Ａ１号は、フィラメントロッドを収容するのに適しており、導電性材料から製造された電極ホルダの上に配置され、床板の凹部に取り付けられた電極を備えたＣＶＤ反応器の電極ホルダを保護する装置を開示しており、電極ホルダと床板との間の中間空間は封止材で封止され、封止材は１つ以上の部品から構成された保護体で保護され、電極の周囲にリング状に配置され、保護体の高さは少なくとも電極ホルダの方向の断面において増加する。前記文献は、電極ホルダの周りに同心円状に配置された幾何学的本体を提供し、その高さは電極ホルダからの距離が大きくなるにつれて減少する。この幾何学的本体は１つの部品で構成することもできる。これは、電極ホルダの封止絶縁体のための熱保護を提供すると共に、転倒率に肯定的な影響を与える堆積された多結晶シリコンロッドのロッド基部における流れの変更を提供する。
ＷＯ２０１１０９２２７６号およびＵＳ２０１３００１１５８１号による装置は、高い送り速度に起因する熱応力のためにシリコンロッドから剥離し、電極ホルダとセラミックリング／支持体との間に落下し、電極ホルダと床板との間に導電性接続部を生じるシリコン薄片により、電極ホルダと床板との間に地絡が発生する可能性がある。短絡は、ロッドを加熱するための電流供給部の停止に起因して突然の処理の終結を伴う。ロッド上には、意図された端部直径まで堆積することができない。より細いロッドは、プラント能力を低下させ、かなりのコストを招く。
ＣＮ２０２１９３６２１Ｕ号は、電極ホルダの上部と床板との間の２つのセラミックリングに、それらの間に位置するグラファイトガスケットを設ける装置を開示する。
しかし、この装置は、セラミックリングと電極ホルダの上部との間、またはセラミックリングと床板との間に封止機能を提供しない。その結果、反応器には漏れが生じる。
ＣＮ１０１６５６５１８４Ａ号は、電極ホルダの上部と床板との間に酸化ジルコニウムセラミック材料（ＺｒＯ２）から製造された絶縁リングを開示する。絶縁リングは、床板の奥まった所に置かれる。従って、電極ホルダの上部と床板との間の絶縁のために追加の石英リングが必要である。封止は、電極ホルダの上部と絶縁リングの間との間、床板と絶縁リングとの間の２つのグラファイトガスケットを介して達成される。さらなるシールとして、床板の下の電極フィードスルーにＯリングが用いられる。
ＣＮ１０２６１６７８３Ａ号は、電極ホルダの上部と床板との間にセラミックス材料で製造された絶縁リングを開示する。封止は、絶縁リングの上下のそれぞれ電極ホルダの上部および床板に向かう２つの金属フレームグラファイトガスケットを介して達成される。
後者の２つの文献の問題は、グラファイトガスケットが封止を達成するために高い接触圧力を必要とすることである。セラミックス材料は脆く、曲げ強度が低いので、床板の封止面および電極ホルダの上部は、厳密な均一性を要求される。実際にはほとんど避けられないごくわずかなばらつきと高いクランプトルクにより、セラミックリングの高い点負荷および破損がもたらされる。その結果、反応器には漏れが生じる。
ＷＯ２０１４／１４３９１０号は、床板と上側および下側の溝を有するセラミック材料で作られた基部本体を含む電極ホルダとの間の封止リングを開示しており、封止要素がそれぞれの溝に挿入される。
しかし、対向する２つの溝により、絶縁リングの機械的特性が弱まる。圧縮時、特に凸凹な封止面については、これは絶縁リングの破損をもたらす可能性がある。添付の構造基準（寸法精度、低い表面粗さ）を有する構造のセラミック材料の溝の切断は、非常に高価である。嵌合封止面（電極ホルダの上部および床板）に対する要求も同様に非常に高い。これは追加費用の原因になる。
ＵＳ２０１００５８９８８号は、円錐形のＰＴＦＥ封止絶縁要素を介して床板に電極ホルダを固定することを提供する。円錐形のＰＴＦＥ封止要素の上面は、フランジ（断面拡大）を介して電極ホルダに対して圧縮される。封止要素と床板を通る電極フィードスルーとの間、および封止要素と電極ホルダのシャフトとの間の両方に、Ｏリングが追加的に設けられる。
円錐形の封止要素の圧縮は、電極ホルダの取り外しを妨げる。ＰＴＦＥ封止体の流れは、電極ホルダと床板との間の距離が最小値を下回る結果をもたらし得る。これは電気的アーク／地絡をもたらす。
発明によって達成されるべき目的は、記載された問題から生じた。
この目的は、フィラメントロッドを収容するのに適しており、導電性材料から製造された電極ホルダの上に配置され、床板の凹部に取り付けられた電極を備えたＣＶＤ反応器において電極ホルダを絶縁封止する装置であって、電極ホルダと床板との間に、室温で０．２から５０Ｗ／ｍＫの比熱伝導率、１２０ＭＰａを超える最小曲げ強度および室温で１０９Ωｃｍを超える比電気抵抗を有する構造材料で製造された電気絶縁リングが設けられ、電極ホルダと床板との間に封止のための少なくとも２つのリング状封止要素が存在し、電気絶縁リングまたは電極ホルダまたは床板は、第１の封止要素が固定された少なくとも１つの溝を含み、溝に固定されていない少なくとも１つの第２の封止要素が電気絶縁リングと床板との間、または電気絶縁リングと電極ホルダとの間に存在する該装置によって達成される。
本発明の目的は、さらに、シリコン含有成分と水素とを含む反応ガスを、少なくとも１つのフィラメントロッドを含むＣＶＤ反応器に導入することを含む多結晶シリコンの製造方法であって、本発明による装置の上部に配置されるか、好ましい実施形態の１つによる装置上に配置され、電極を介して電流が供給され、電流を直接通過させることにより多結晶シリコンがフィラメントロッド上に堆積される温度まで加熱されることにより達成される。
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できる。
本発明は、封止体と絶縁体とを分離すること、即ち、複数の構成要素によって封止機能および絶縁機能を分割することを提供し、絶縁リングは電気絶縁のために設けられ、２つの封止要素は床板および電極ホルダに対する封止のために設けられる。
これにより、絶縁リングおよび封止部品に対して２つの構成要素のそれぞれの機能により適した異なる構成材料を選択することが可能になる。
従来技術から逸脱して、封止要素のうちの１つのみが、絶縁リングの溝内または床板または電極ホルダ内の溝内に配置される。床板に対する封止または電極ホルダに対する封止は、溝に固定された封止要素によって行われるが、床板および電極ホルダに対する封止の両方によっては行われない。
絶縁リングの反対側では、床板または電極ホルダに対する封止は、絶縁リング、床板または電極ホルダの溝に固定されていない封止要素によって行われる。最も単純な場合、この封止要素はガスケットである。
絶縁リングは高温耐性且つ寸法安定性であるべきであるが、封止機能は必要ない。エラストマー絶縁体と比較してより高い寸法安定性により、より高い高さの絶縁リングが使用されることが可能になる。電極ホルダと床板との間の距離が大きいほど、より大きな電圧を印加することができる。これの利点は、複数のロッド対が直列に接続されて、反応器電流供給部の設備投資を節約できることである。
一実施形態では、電極ホルダの上部は、絶縁リングに対して突出部ｃを有することができる。これにより、さらに熱的および機械的保護が得られる。絶縁リングは放熱から遮られ、より低いレベルの応力にさらされる。封止要素に対する熱応力もまた減少する。
突出部は、電極ホルダの外径Ｄ＿Ｅが絶縁リングの外径Ｄ＿Ｒよりも大きい場合に存在する。
第１の封止要素を収容するための溝は、絶縁リングまたは床板の中に、および／または電極ホルダの上部に配置することができる。
一実施形態では、溝は絶縁リング内に配置され、絶縁リングおよび電極ホルダを封止するために封止要素を収容する。溝と反対側の絶縁リングの側と床板との間に第２の封止要素が配置される。
別の実施形態では、溝は電極ホルダ内に配置され、絶縁リングおよび電極ホルダを封止するために封止要素を収容する。床板に面する絶縁リングの側と床板との間には、第２の封止要素が配置される。
溝は、好ましくは、電極フィードスルー（絶縁リングの内径）に対し絶縁リングの全幅ｂの１０から４０％の距離ａに配置される。これにより、封止要素が、反応器に面する絶縁リングの面から十分に遠く離れることが保証される。これは、封止要素に対する熱応力に関して有利である。
さらなる実施形態では、溝は、床板または電極ホルダの上部において、同じ位置（電極フィードスルーに対して絶縁リングの全幅ｂの１０から４０％の距離ａ）であってもよい。 この場合、絶縁リングは溝を有さない。
溝に固定された封止要素は、好ましくは、床板の冷却媒体および／または電極ホルダの上部および電極のフィードスルーの冷却媒体によって冷却される。冷却の結果、封止要素は絶縁リングよりもかなり低い温度になる。
溝内の適切な封止要素は、特に、ＦＦＫＭ（パーフルオロゴム）から製造されたＯリング、グラファイト箔リング、グラファイト充填スパイラルシールまたは金属Ｃリングである。
内部コイルバネを有するかまたは有しない銀被覆金属Ｃリングが好ましい。
グラファイト箔リングの使用が特に好ましい。
溝に固定されていない第２の封止要素としてガスケットが使用される。このガスケットは、グラファイトまたはＰＴＦＥ、好ましくはグラファイトから製造することができる。ガスケットは、好ましくは、その端部に少なくとも１つの金属フランジを有し、金属フランジは、好ましくは、反応器の空間に面する側に取り付けられる。反応器側の金属フランジを有する、グラファイト製のガスケットが特に好ましい。一実施形態では、このガスケットは、絶縁リングと床板との間に配置される。
反応器内部に面する絶縁リングの側は６００℃までの表面温度を有する。従って、封止要素は、２５０℃を超える持続使用温度に耐えなければならない。
絶縁リングの低い熱伝導率により、封止要素に対する低い熱応力が容易になる。
ガスケットは、標準的な方法（例えば、旋回、穴あけ、溶接）を有する装置製造において、大きなワークピース（床板）には通常のように、嵌合封止表面の製造上の不正確さ（凹凸）を補償する働きをする。さらなる精密機械加工（例えば、研削、研磨）により、装置の製造コストが増加する。
対照的に、小さな部品（電極ホルダの上部）は、実質的な追加費用なしで精密な機械加工が可能であり、従って製造上の不正確さの補償はここでは必要ではない。
電極ホルダの上部は、典型的には、床板よりも不十分に冷却される。従って、絶縁リングと電極ホルダの上部との間の封止要素が、反応器の空間からの熱応力からより良好に保護される場合は有利である。好ましい実施形態では、封止要素を溝内に配置することによってこれを達成することができ、溝は絶縁リング内または電極ホルダの上部内の奥まったところに置かれる。
溝は、電極フィードスルー（絶縁リングの内径）に対して絶縁リングの全幅ｂの１０から４０％の距離ａに配置される。さらに、溝による封止要素の装填は、封止要素を通る反応ガスの拡散を最小限に抑える。何故なら、拡散のために、０から１ｍｍ、好ましくは０から０．３ｍｍの、封止要素の溝ｆからの非常に小さい最大突出量しか許容されないからである。
溝内の封止体の性質に応じて、２つの用途が可能である。第１の用途では、金属ＣリングおよびＯリングは、圧縮後に０ｍｍの突出部ｆを有する。力の伝達は、封止体によってでなく、力バイパスにおいて封止体の周りで生じる。溝の位置に応じて、電極ホルダと支持リングまたは支持リングと床板との間で力の伝達が生じる。
第２の用途では、グラファイト箔リングまたはスパイラルシールは、溝の深さよりも大きい厚さを有する。圧縮中の封止体の塑性変形により、溝から突出するシールの一部が流れ始める。圧縮されていない状態の封止体Ｆの最初の突出部は、圧縮の間に、より小さい残りの突出部ｆ＞０且つ≦１ｍｍに平坦化される。同時に、溝が電極ホルダまたは電極ホルダに面する側の支持リングに配置される場合、封止材料は、電極ホルダと支持リングとの間で厚さｆ＞０ｍｍ且つ≦１ｍｍのスロットに流入する。
溝が床板または床板に面している側の支持リングに配置されると、封止材料は圧縮中に支持リングと床板との間で厚さｆ＞０ｍｍ且つ≦１ｍｍのスロットに流入する。
封止体が流れる結果、封止体の幅が、溝の幅／圧縮されていない状態の封止体の幅Ｅに基づいて、封止スロット内で値ｅまで５から１００％、好ましくは５から７０％増加する。圧縮中に封止スロット内で封止体が流れる結果、封止材料は支持リングおよび／または床板の被封止面の非常に小さな凹凸を満たす。さらに、封止材料の流れにより封止領域が増加する。凹凸の補償およびより大きな封止領域の両方の効果により、封止体と支持リングとの間、および封止体と電極ホルダとの間または封止体と床板との間の界面の完全な封止が達成される。圧縮中の任意の時点で、封止体の突出部ｆは＞０ｍｍ且つ≦１ｍｍであるので、直接的な力の伝達で封止体によって力の伝達が生じる。
さらなる熱的および機械的保護のために、電極ホルダの上部が絶縁リングの外形を超えて突き出てもよい。突出部ｃは０から３０ｍｍであってもよい。
一実施形態では、突出部は０から１５ｍｍである。
１部品の封止絶縁リングと比較して、複数部品構造の材料特性は、封止機能および絶縁機能に対するそれぞれの要求に対してより良好に構成され得る。
絶縁リングは、封止材料の特性を有する必要はない。従って、ＰＴＦＥを使用するとの強制はなく、より高い寸法安定性および熱安定性を有する構造材料を使用することができる。ＰＴＦＥの持続使用熱安定性は２５０℃である。対照的に、セラミック構造材料は、＞１０００℃の持続使用熱安定性およびより高い寸法安定性を有する。
室温における絶縁リングの比熱伝導率は、０．２から５０Ｗ／ｍＫ、好ましくは０．２から２０Ｗ／ｍＫ、特に好ましくは０．２から５Ｗ／ｍＫの範囲である。
室温での絶縁リングの比電気抵抗は１０９Ωｃｍより大きく、好ましくは１０１１Ωｃｍより大きく、特に好ましくは１０１３Ωｃｍより大きい。
床板の塗布面および電極ホルダの上部の凹凸を補うために、絶縁リングは最小の曲げ強度を持たなければならない。
絶縁リングの曲げ強度は、１２０ＭＰａよりも大きく、好ましくは３００ＭＰａよりも大きく、特に好ましくは８００ＭＰａよりも大きくなければならない（セラミックについてはＤＩＮ ＥＮ ８４３に従って決定される）。さらに、セラミックは、３ＭＰａ＊ｍ＾０．５を超える、好ましくは４ＭＰａ＊ｍ＾０．５を超えるＫ１Ｃ値（ＤＩＮ ＣＥＮ／ＴＳ １４４２５に準拠した破壊靱性）を持たなければならない。
従って、絶縁リングに適した材料は、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）；酸化イットリウムで安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウムで安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２−ＭｇＯ）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（ＺｒＯ２−ＣａＯ）を含む。
この構造材料は、２０℃で１２００ＭＰａを超える曲げ強度および＞６ＭＰａ＊ｍ＾０．５の破壊靱性を有するので、ＨＩＰ法（熱間静水圧加圧）によって製造されたイットリウム安定化酸化ジルコニウムが特に好ましい。
溝に存在する封止要素は、３２０℃の持続使用温度に耐え、３２０℃までのＨＣｌ／クロロシラン雰囲気に耐えるものでなければならない。
考えられる構成材料は、ＦＦＫＭ（パーフルオロゴム）、グラファイト、および酸化性酸に耐性のある金属シールである。
グラファイトで製造された考えられる封止要素は、編組グラファイト繊維から製造されたグラファイトコードおよびグラファイト箔リングであってもよい。グラファイト箔リングは、一緒にプレスされた複数のグラファイトプライからなる。グラファイトで製造されたこれらの封止要素の持続使用温度は６００℃までである。
封止領域が非常に小さいため、グラファイトで製造された封止要素には、低い圧縮力で十分である。封止領域は溝の寸法によって決定される。封止領域は、好ましくは６００から３０００ｍｍ２の間、特に好ましく６００から２０００ｍｍ２の間、非常に特に好ましくは６００から１５００ｍｍ２の間である。グラファイト封止要素の接触圧は、２０から７０Ｎ／ｍｍ２の間、好ましくは２５から５０Ｎ／ｍｍ２の間、特に好ましくは３０から４０Ｎ／ｍｍ２の間である。これは絶縁リングに対する低レベルの機械的応力をもたらすだけであり、絶縁リングの破損が防止される。
さらなる実施形態では、金属で製造されたシールが関係する。
金属で製造された封止要素は、金属製の環状のバネシールであることが好ましい。金属封止要素の小さい封止領域により、ここでも封止には低い圧縮力で十分である。金属封止要素については、低い圧縮力とは、６０から３００Ｎ／ｍｍの封止周囲、好ましくは６０から２００Ｎ／ｍｍの封止周囲、特に好ましくは６０から１６０Ｎ／ｍｍの封止周囲の圧縮力を意味すると理解されるべきである。
金属シールは、好ましくは、以下の形状の１つを有する。
− 内側が中空の閉じたＯリング（中空金属Ｏリング）；
− 開いた金属外形、例えば、Ｃ字形、Ｕ字形、Ｅ字形またはばね作用を有する任意の他の所望の外形、例えば、波形金属封止リング；
− 開いた金属外形はばねで支持されていてもよく、例えば、追加の内部コイルばねを有するＣリング
− 内側が中空の閉じたＯリング（中空金属Ｏリング）；
− 開いた金属外形、例えば、Ｃ字形、Ｕ字形、Ｅ字形またはばね作用を有する任意の他の所望の外形、例えば、波形金属封止リング；
− 開いた金属外形はばねで支持されていてもよく、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、内側または外側が開放された中空のＯリングである。
耐薬品性を高め、封止作用を高めるために、金属封止要素は、延性金属、例えば、銀、金、銅、ニッケルまたは他の延性およびＨＣｌ／クロロシラン雰囲気安定性金属で被覆することができる。
これらの延性コーティング材料の流動性は、金属封止要素の封止作用を著しく増大させる。金属で製造されたこれらの封止要素は、８５０℃までの持続使用温度を有する。
「延性コーティング材料」という用語は、結晶粒界および転位が機械的応力下において破断時の伸びよりも小さい伸びですら移動する／流れる金属を意味するものとして理解されるべきである。圧縮中に存在するように、力を加えるという応力の下でのこの流れは、封止面の凹凸を補償する。これにより封止性が向上する。
内部コイルばねの有無にかかわらず銀被覆金属Ｃリングの使用が特に好ましい。
ＦＦＫＭで製造された考えられる封止要素はＯリングである。
使用されるガスケットはグラファイトまたはＰＴＦＥ製であってよく、溶融石英または酸化鉄のような充填剤を含むまたは含まないＰＴＦＥの場合には、強度を増加させ、流動性を低下させる。
グラファイトで製造されたガスケットは、封止を改善するために、薄い（０．５ｍｍ未満）エラストマー層（ＰＴＦＥ）に封入することができる。
拡散によって封止材料を通る漏れ流れを回避するために、ガスケットは、好ましくは、反応器側の封止周辺上に装填される。
この目的のために、好ましくはハロシラン耐性ステンレス鋼、特に好ましくは１．４５７１もしくは３１６Ｌ、または銀で作られた薄い金属箔が、反応器に面する封止面の周りにフランジづけされる。
ここで箔の厚さは０．０５から０．３ｍｍである。
さらに、ガスケットは、内側封止周辺上に、即ち、電極ホルダのシャフトに面して装填されていてもよい。
本発明による方法の上記の実施形態に関連して列挙した特徴は、対応して、本発明による装置に適用することができる。逆に、本発明による装置の上記の実施形態に関連して列挙した特徴は、対応して本発明による方法に適用することができる。本発明による実施形態のこれらのおよび他の特徴は、図面の説明および特許請求の範囲において説明される。個々の特徴は、本発明の実施形態として別個にまたは組み合わせて満たされてもよい。前記特徴は、それ自体の保護のために適格な有利な実施形態をさらに記述することができる。
本発明はまた、図１から図９を参照して以下に説明される。
図１は、絶縁リング内に溝を有する装着された絶縁リングの概略図を示す。電極ホルダ１と床板３との間には、絶縁リング２および封止要素４およびガスケット５が配置される。
床板３には、絶縁スリーブ９が内張りされた穴が設けられており、この穴に電極ホルダ１が通り装着されている。
床板３および電極ホルダ１はそれぞれ冷却手段６および８によって冷却される。
７は、電極ホルダ１の冷却手段のための供給物７を示す。
封止は、封止要素４およびガスケット５を介して一方で行われる。
封止要素４は、絶縁リング２の溝に電極ホルダ１に向かって配置される。
ガスケット５は、絶縁リング２と床板３との間に配置される。
電極ホルダ１の外径Ｄ＿Ｅは、絶縁リング２の外径Ｄ＿Ｒに対して同一平面上であってもよく、突出していてもよい。電極ホルダは、好ましくは突出している。
図１は、突出部のない実施形態を示す。
図４ａおよび図４ｂは、突出部ｃを有する実施形態を示す
さらなる熱的および機械的保護のために、電極ホルダ１の上部は、絶縁リング２の外形を越えて突出することができる。突出部ｃは、０〜８＊ｈでなければならず、ここでｈは絶縁リング２の高さである。０〜４＊ｈが特に好ましい。
図２は、封止要素を収容するための溝１０を有する絶縁リング２を示す。溝は、好ましくは、電極フィードスルー（絶縁リングの内径）に対して絶縁リングの全幅ｂの１０から４０％の距離ａに配置される。これにより、封止要素が、反応器に面する絶縁リングの側から十分に遠く離れることが保証される。これは、封止要素に対する熱応力に関して有利である。
図３は、フランジ１１を有する外部フランジ付ガスケット５を示す。
図４ａは、封止め要素４が固定された溝を有する装着された絶縁リング２の概略図を示す。この図は、封止体の幅Ｅと開始状態の溝からの封止体の突出部Ｆとを有する、圧縮前の封止部材の状態を示す。床板３に対する封止は、ガスケット５によって行われる。突出部ｃを有する実施形態に関する。
図４ｂは、封止要素４が固定された溝を有する装着された絶縁リング２の概略図を示す。以下では、封止体は、グラファイト箔を圧縮するスパイラルシールである。この図は、圧縮後の封止体の幅ｅと圧縮後の、溝からの封止体の突出部ｆとを有する、圧縮後の封止要素の状態を示す。床板３に対する封止は、ガスケット５によって行われる。突出部ｃを有する実施形態に関する。封止体の幅ｅがより大きいために封止領域が増加した結果、絶縁リングと封止体との間、および封止体と電極ホルダとの間の漏れが、封止領域の増加係数分減少する。
圧縮状態の封止体の高さの少なくとも７０％、好ましくは＞８５％が溝に封入される。従って、封止材料を通る拡散による内部漏れは、圧縮状態の封止体の周辺領域の３０％以下、好ましくは封止体の周辺領域の１５％以下でのみ可能である。圧縮後の封止体の封止幅ｅが大きいほど、非圧縮状態の封止幅Ｅに対する圧縮状態の封止幅ｅの比で封止材料を通る漏れがさらに低減される。
図５は、封止要素４が電極ホルダ１の溝１０内に配置されている実施形態を示す。反対側の、即ち、絶縁リング２と床板３との間の封止は、ガスケット５によって行われる。
図６は、溝のない絶縁リング２の概略図を示す。
このような絶縁リングは、封止要素４を収容するための溝が電極ホルダ１内に配置される図５による実施形態に用いられる。
図７は、Ｃ外形を有する金属製封止要素の断面図を示す。
図８は、金属で製造された封止要素、即ち、Ｏ−外形、Ｕ−外形、Ｅ−外形、ばね作用外形のさらなる実施形態の断面図を示す。
Ｅリングは、二重に折り畳まれた二重Ｕリングである。
図９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図を示す。
１６０ｍｍから２３０ｍｍの間の直径を有する多結晶シリコンロッドをシーメンス堆積反応器で堆積させた。
絶縁リングおよび封止要素のいくつかの実施形態を試験した。これらの試験の結果を、選択された実施例および比較例について以下に説明する。
堆積法のパラメータは、いずれの場合も全ての実験について同一であった。堆積温度は、バッチ運転では１０００℃から１１００℃の間であった。堆積法の間に、式ＳｉＨｎＣｌ４−ｎ（ｎ＝０から４）の１種以上の塩素含有シラン化合物と水素とからなる供給物をキャリアガスとして添加した。
実験では、絶縁リングと封止要素の実施形態のみが異なった。
比較のために、封止および絶縁機能を同時に担うＰＴＦＥ絶縁リングを最初に分析した。従って、前記リングは、絶縁リングおよび追加の封止要素を介しての機能の分割を提供しない。
酸化ジルコニウムから製造された絶縁リングを金属製封止要素と共に試験した。グラファイトまたはパーフルオロエラストマーのようなエラストマー構造材料で製造された封止要素は、同等の結果をもたらす。
比較の例として、封止要素が酸化ジルコニウムリングの溝に固定されている実施形態を調査した。
有利な実施形態は、床板の溝または電極ホルダの溝に固定された少なくとも１つの封止要素を有することがわかった。絶縁リングに対する電極ホルダの突出部は、封止要素に対する熱応力をさらに低減することができる。
［比較例］
ＰＴＦＥで製造された絶縁リングを有するＣＶＤ反応器：
ＰＴＦＥで製造された絶縁リングを有するＣＶＤ反応器：
この従来技術の実施形態では、ＰＴＦＥで製造された絶縁リングは、封止機能および絶縁機能を担う。寸法安定性が低いため、絶縁リングの高さは新品時に７ｍｍに制限される。
絶縁リングの封止機能を保証するための運転中の高い熱応力および３０から４０ｋＮの必要な押圧力のために、絶縁リングの高さは３ヶ月以内に４ｍｍの最小値に減少した。
従って、耐用年数は３ヶ月に制限される。
熱い反応ガスによってもたらされる熱応力に起因して、封止体の熱割れおよび沈降により床板および電気絶縁体の封止はもはや完全なままでなかった。従って、この期間の後に、全ての絶縁リングのコスト高で不便な交換が必要とされた。修理作業により、能力が大幅に低下した。
［実施例］
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で製造された絶縁リングを有するＣＶＤ反応器：
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で製造された絶縁リングを有するＣＶＤ反応器：
この実施形態では、封止機能および絶縁機能を２つの構成要素によって分割する。ＺｒＯ２で製造された絶縁リングを、電極ホルダと床板との間の電気的絶縁を達成するために使用する。絶縁リングは、新品時に８ｍｍの高さを有する。
絶縁リングは、電極ホルダの上部に向かって溝を有する。封止機能を、溝内のグラファイト箔リングおよび、床板に向かう金属フランジを有するグラファイトガスケットが担い、フランジは反応空間に向いている。セラミック成分であるので、ＺｒＯ２は沈降挙動を示さない。圧縮後、グラファイト箔リングは、依然として電極ホルダの上部と絶縁リングとの間に０．３ｍｍの突出部ｆを有していた。グラファイト箔リングを３５Ｎ／ｍｍ２の接触圧で圧縮した。１２ヶ月後、定期的なメンテナンスサイクルの間に絶縁リングを交換した。溝の外側のグラファイト箔リングの幅ｅは、支持リングの溝内のグラファイト箔リングの幅Ｅの１．６倍であった。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の結果、反応器に面する絶縁リングの側およびグラファイト箔リングおよびガスケットは熱による攻撃を受けなかった。電極ホルダの交換後に、電極ホルダのシャフトにシリカ堆積物は検出されなかった。耐用年数は１２ヶ月に延びた。従って、封止システム、即ち、絶縁リングおよび封止要素はもはや耐用年数を制限しない。
例示的な実施形態の上記説明は例示的であると理解されるべきである。これにより、なされた開示は当業者が本発明およびそれに関連する利点を理解することを可能にし、当業者には明らかである、説明された構造および方法に対する変更および修正を包含する。従って、そのような変更および修正、ならびに均等物の全ては、特許請求の範囲の保護の範囲によって対象とされる。
１ 電極ホルダ
２ 絶縁リング
３ 床板
４ 封止要素
５ ガスケット
６ 床板冷却手段
７ 電極ホルダ冷却用供給物
８ 電極ホルダ冷却手段
９ 絶縁スリーブ
１０ 封止要素用溝
１１ フランジ
ａ 内径からの溝距離
ｂ 全幅
ｈ 絶縁リングの高さ
ｃ 電極ホルダの突出部
ｆ 圧縮後の封止要素の突出部
Ｆ 圧縮前の封止要素の突出部
ｅ 圧縮後の封止要素の幅
Ｅ 圧縮前の封止要素の幅
Ｄ＿Ｅ 電極ホルダの外径
Ｄ＿Ｒ 絶縁リングの外径
２ 絶縁リング
３ 床板
４ 封止要素
５ ガスケット
６ 床板冷却手段
７ 電極ホルダ冷却用供給物
８ 電極ホルダ冷却手段
９ 絶縁スリーブ
１０ 封止要素用溝
１１ フランジ
ａ 内径からの溝距離
ｂ 全幅
ｈ 絶縁リングの高さ
ｃ 電極ホルダの突出部
ｆ 圧縮後の封止要素の突出部
Ｆ 圧縮前の封止要素の突出部
ｅ 圧縮後の封止要素の幅
Ｅ 圧縮前の封止要素の幅
Ｄ＿Ｅ 電極ホルダの外径
Ｄ＿Ｒ 絶縁リングの外径
Claims (8)
- フィラメントロッドを収容するのに適しており、導電性材料から製造された電極ホルダの上に配置され、床板の凹部に取り付けられた電極を備えたＣＶＤ反応器において電極ホルダを絶縁封止する装置であって、電極ホルダと床板との間に、室温で０．２から５０Ｗ／ｍＫの比熱伝導率、１２０ＭＰａを超える最小曲げ強度および室温で１０９Ωｃｍを超える比電気抵抗を有する構造材料で製造された電気絶縁リングが設けられ、電極ホルダと床板との間の封止のための少なくとも２つのリング状封止要素が存在し、少なくとも２つのリング状封止要素は、電気絶縁リングの同じ側に位置せず、電気絶縁リングまたは電極ホルダまたは床板は、第１の封止要素が固定された少なくとも１つの溝を含み、溝に固定されていない少なくとも１つの第２の封止要素が電気絶縁リングと床板との間、または電気絶縁リングと電極ホルダとの間に存在する該装置。
- 電気絶縁リングの構造材料は、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選択される請求項１に記載の装置。
- 第１の封止要素がグラファイト箔リングである請求項１に記載または請求項２に記載の装置。
- 第１の封止要素は、金属製Ｏリングまたはばね作用を有する開放された輪郭を有する金属シールである請求項１に記載または請求項２に記載の装置。
- 金属シールがＣ−外形を有し、銀で被覆されている請求項４に記載の装置。
- 第２の封止要素は、グラファイトまたはＰＴＦＥから製造されたガスケットである請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
- 金属または銀箔がガスケットの反応器側封止面の周囲にフランジつけされた結果として、ガスケットは反応器側封止周囲に装填された請求項６に記載の装置。
- シリコン含有成分と水素とを含む反応ガスを、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置の上部に配置され、電極を介して電流が供給され、そのため電流を直接通過させることにより多結晶シリコンがフィラメントロッド上に堆積される温度まで加熱される少なくとも１つのフィラメントロッドを含むＣＶＤ反応器に導入することを含む多結晶ラインシリコンの製造方法。
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