TWI450860B - 矽芯棒緊固圓錐 - Google Patents

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Description

矽芯棒緊固圓錐
本發明係一種位於沉積多晶矽之反應爐內的矽晶棒緊固圓錐。
多晶矽在各種不同的應用領域被大量使用，例如用於製造太陽能電池。由於存在於自然界中的多晶矽的純度及數量均不足，因此必須以適當的方法製造多晶矽。
例如一種製造多晶矽的方法是所謂的西門子法，這種方法是將許多矽晶棒(也稱為矽細長棒)放到反應爐中，並利用蒸發法讓矽沉積在矽晶棒上。這種方法的一個前提是矽晶棒的溫度必須夠高，也就是必須高到接近矽的熔化溫度。為了達到這個要求，西門子法是以電阻加熱的方式將矽晶棒加熱到所需的溫度。
將固定在適當的固餐裝置上的相鄰的成對矽晶棒豎立在反應爐內，其中各矽晶棒的頂端彼此導電連接。通常是以石墨製的緊固圓錐作為矽晶棒的固定裝置，緊固圓錐可以是單件式的，也可以是多件式的。緊固圓錐的作用是形成導電接觸及將矽晶棒確實固定住，在矽沉積過程中，矽晶棒的重量會因為矽層的沉積而大幅增加。此外，製成的矽晶棒應盡可能易於從緊固圓錐被取出。
在1100℃的溫度下利用化學氣相沉積法(CVD)將高純度的三氯矽烷(SiHCl3)歧化，使矽沉積在多晶矽棒上，此種歧化作用的方程式如下：4SiHCl3-->Si+3SiCl4+2H2
被釋放出來的矽會沉積在石晶棒上。
反應爐通常是由帶有保護用之金屬外罩的石英容器構成，此金屬罩、底板及必要的進線套管都是水冷式的。
最簡單的緊固圓錐構造方式，也就是單件式的緊固圓錐，矽晶棒是從緊固圓錐上的一個開口被插到反應爐內。在這種情況下，緊固圓錐上的開口輪廓必須盡可能與要插入之矽晶棒的輪廓相同，才能確保可以產生足夠良好的電接觸。
多件式緊固圓錐是由一個本體及可放入本體中的夾爪所構成，其中將插入反應爐的矽晶棒夾住的夾爪被一鎖緊螺母張緊。
緊固圓錐的一個重要任務是確保經過爐壁到緊固圓錐的進線套管、緊固圓錐及矽晶棒之間能夠形成良好的導電接觸。另外一個任務是，對進線套管、緊固圓錐及矽晶棒之間的界面的熱能逸出要盡可能的小。以下列出的專利案均未能滿足這兩個要求。
DE 600 32 813 T2，利用CVD法及CVD設備將矽沉積在矽晶管上，這種方法是屬於前面提及的西門子法，其中矽晶管是被石墨製的固定裝置固定在反應爐中。
US 3 200 009 A揭示一種類似的石墨製固定裝置。
DE 1 205 950 B揭示一種位於將氣相半導體材料沉積到由具有相同晶格結構之半導體材料製的棒狀載體上的設備內的固定裝置，以及製造這種固定裝置的方法。這個專利也是使用端面為錐形或圓錐形的石墨製固定裝置將矽晶棒固定住。也可將固定裝置製作成夾具，這個夾具在鏜孔端被部分分成兩半，因而使其中一半被垂直於棒軸的切口分開。這兩半被一個石墨環連結在一起。
本發明的目的是提出一種矽晶棒緊固圓錐，這種緊固圓錐可以確保矽晶棒具有良好的導電接觸，並使熱能逸出明顯下降。
為達到上述目的，本發明提出之在反應爐內讓多晶矽沉積於其上的矽晶棒的緊固圓錐是由一個旋轉對稱的本體構成，其中該本體具有一緊固矽晶棒用的單件式夾緊元件，而且該夾緊元件可以在本體之中心軸的最高位置被放入本體。像罐蓋一樣的本體有留出容納連接螺栓用的缺口，同時本體的邊緣可以插入反應爐底部的進線套管，其中矽晶棒、夾緊元件、本體、進線套管的支架、以及連接螺栓都可以用形狀配合及力配合的方式彼此插入。
由於緊固圓錐的特別節省材料的構造方式將厚降至最低，以及經由夾鉗進行的中央輸熱方式，使得因電流通過造成的熱能逸出得以大幅降低，因此能夠減少將反應器加熱的熱能需求。
此外，可以放入緊固圓錐之特殊構造的夾鉗可以使插入的矽晶棒以簡單的方式確實被夾緊，同時在沉積之後很容易就可以將帶有沉積 之矽晶棒去除。只要改變夾鉗的內輪廓即可使夾鉗幾乎能夠與所有尺寸的矽晶棒適配，而無需改變本體的結構。
本發明的另外一個優點是緊固圓錐的結構非常細長，而且易於實現。
為了容納夾緊元件，本體具有一位於中心的盲孔。
根據本發明的一種改良方式，單件式夾緊元件類似於一旋轉對稱的卡盤爪，並具有一縱向貫穿的矽晶棒容納孔。
為了易於達到夾緊的目的，夾緊元件的兩個端面均帶有從端面出發並沿著端面前進的未貫穿細長開口，該等細長開口係交替從一個端面或另一個端面出發。
夾緊元件帶有兩組各3個彼此各夾120度的細長開口，其中一個端面上的細長開口相對於另外一個端面上的細長開口彼此各夾60度。
根據本發明的另外一種實施方式，夾緊元件的一端具有一凸緣，其中從夾緊元件之端面朝凸緣面伸展的細長開口延伸通過凸緣。夾緊元件與凸緣鄰接之部分的長度最多等於盲孔的深度。
為了使插入之矽晶棒及夾緊元件之間以及夾緊元件及本體之間均能夠達到足夠的動力嚙合，盲孔是像圓錐形一樣愈往深處愈縮小。
盲孔之圓錐角應在0.5度至30度之間，以便一方面能夠達到足夠的夾緊作用，另一方面又能夠確保夾緊元件能夠從本體中脫出。
此外，夾緊元件從凸緣到對面之端面的外表面是以和盲孔一樣的圓錐角逐漸縮小。
根據本發明的另外一種有利的實施方式，罐蓋形本體的邊緣是以和進線套管內之相應的對應件相同的圓錐角逐漸縮小。
邊緣及進線套管內之對應件的圓錐角應在4度至5度之間。
根據本發明的一種特別的改良方式，至少在進線套管之套管及本體之間有設置一具有導電性的隔離元件，該隔離元件係以銀製成，且同時具有防止擴散之作用。
為了達到盡可能完整且大面積的隔離，隔離元件之形狀相當於本體之內輪廓的陰模形狀，同時隔離元件之底面形狀相當於進線套管之連接螺栓的陰模形狀。
為了易於將長成的矽晶棒取出，一種有利的方式是，至少在本體及長成的矽晶棒之間設置一隔離物。
隔離物可以是一種導電薄膜、CFC(碳纖維強化碳)薄片、或另外一種石墨薄膜，且其範圍可以延伸到盲孔的底部。
1‧‧‧矽晶棒
2‧‧‧本體
3‧‧‧夾緊元件/夾鉗
4‧‧‧連接螺栓
5‧‧‧邊緣
6‧‧‧盲孔
7‧‧‧容納孔
8‧‧‧端面
9‧‧‧端面
10‧‧‧細長開口
11‧‧‧凸緣
12‧‧‧隔離元件
13‧‧‧隔離物
以下配合圖式及一個實施例對本發明做進一步的說明。其中：第1圖：本發明之裝有夾緊元件及矽晶棒之緊固圓錐的側視圖；第2圖：如第1圖之緊固圓錐的一個斷面圖；第3圖：本發明之裝有夾緊元件及矽晶棒之緊固圓錐的另外一種實施方式； 第4圖：如第3圖之緊固圓錐的一個斷面圖；第5圖：如第1圖之緊固圓錐的一個側面圖；第6圖：如第5圖之緊固圓錐的一個側面圖；第7圖：如第5圖之緊固圓錐的一個立體透視圖；第8圖：如第3圖之緊固圓錐的一個側面圖；第9圖：如第8圖之緊固圓錐的一個斷面圖；第10圖：如第8圖之緊固圓錐的一個立體透視圖；第11圖：一置於如第3圖及第4圖之緊固圓錐上的隔離元件；第12圖：如第11圖之隔離元件的一個側面圖；第13圖：如第11圖之隔離元件的一個立體透視圖；及第14a-d圖：夾緊元件的細部圖。
本發明之矽晶棒緊固圓錐是由一個旋轉對稱的本體(2)構成，該本體(2)具有一緊固矽晶棒(1)(第1、2、5-7圖)用的單件式夾緊元件(3)，該夾緊元件(3)可以在本體(2)之中心軸的最高位置被放入本體(2)。像罐蓋一樣的本體(2)有留出容納進線套管之連接螺栓(4)用的缺口(第6圖)。本體(2)的邊緣(5)可以插入未在圖式中繪出之反應爐之底部的進線套管，其中矽晶棒(1)、夾緊元件(3)、本體(2)、進線套管的支架、以及連接螺栓(4)都可以用形狀配合及力配合的方式彼此插入。
第3、4及8-10圖顯示緊固圓錐的另外一種實施方式，其中本體(2)的上部並非圓錐狀，而是平的。
為了容納夾緊元件(3)，本體(2)具有一位於中心的盲孔(6)。盲孔(6)之圓錐角應在0.5度至30度之間，以便一方面能夠達到足夠的夾緊作用，另一方面又能夠確保夾緊元件(3)能夠從本體(2)中脫出，這可以從以下的說明中看出(第2、4圖)。
夾緊元件(3)類似於一旋轉對稱的卡盤爪，並具有一縱向貫穿的矽晶棒(1)容納孔(7)(第14a-d圖)。
為了易於達到夾緊的目的，夾緊元件(3)的兩個端面(8，9)均帶有從端面出發並沿著端面前進的未貫穿細長開口(10)，該等細長開口(10)係交替從一個端面(8)或另一個端面(9)出發。
夾緊元件(3)帶有兩組各3個彼此各夾120度的細長開口(10)，其中一個端面(8)上的細長開口(10)相對於另外一個端面(9)上的細長開口(10)彼此各夾60度(第6a-c圖)。
夾緊元件(3)的一端具有一凸緣(11)，其中從夾緊元件(3)之端面(8)朝凸緣面伸展的細長開口(10)延伸通過凸緣(11)。夾緊元件(3)與凸緣鄰接之部分的長度最多等於盲孔(6)的深度。
為了使插入之矽晶棒(1)及夾緊元件(3)之間以及夾緊元件(3)及本體(2)之間均能夠達到足夠的動力嚙合，夾緊元件(3)在凸緣(11)之後的外表面是以和盲孔(6)一樣的圓錐角逐漸縮小，因而形成一摩擦副。
由於本體(2)一方面必須被穩固的固定在進線套管之相應的對應件中，但另一方面又必須能夠很容易被抽出，因此罐蓋形本體(2)的邊 緣(5)是以和進線套管內之相應的對應件相同的圓錐角逐漸縮小，因而形成另外一個摩擦副(第2、4、6、9圖)。
邊緣(5)及進線套管內之對應件的圓錐角應在4度至5度之間。
邊緣(5)也可以毫無困難的與其他的安裝條件配合。例如其內面可以帶有螺紋，或是可以用於緊固栓釘或類似的構件。
為了避免在沉積過程中發生可能導致長成之矽晶棒品質明顯變差的擴散現象，在進線套管之套管及本體(2)之間有設置一具有導電性的隔離元件(12)。例如一種適當的隔離元件(12)是以銀製成(第1-4圖)。
為了達到盡可能完整且大面積的隔離，隔離元件(12)之形狀相當於本體之內輪廓的陰模形狀，同時隔離元件之底面形狀相當於進線套管之連接螺栓(4)的陰模形狀。
為了易於將長成的矽晶棒取出，一種有利的方式是，至少在本體(2)及長成的矽晶棒之間設置一隔離物(13)(第11-13圖)。
隔離物(13)可以是一種導電薄膜、CFC(碳纖維強化碳)薄片、或另外一種石墨薄膜，且其範圍可以延伸到盲孔(6)的底部。
由於本發明之緊固圓錐的特別節省材料的構造方式將厚降至最低，以及經由夾鉗(3)進行的中央輸熱方式，使得因電流通過造成的熱能逸出得以大幅降低，因此能夠減少將反應器加熱的熱能需求。
此外，可以放入緊固圓錐之特殊構造的夾鉗(3)可以使插入的矽晶棒(1)以簡單的方式確實被夾緊，同時在沉積之後很容易就可以將帶有沉積之矽晶棒去除。只要改變夾鉗(3)的內輪廓即可使夾鉗(3)幾乎能夠與 所有尺寸的矽晶棒(1)適配，而無需改變本體(2)的結構，因此可以大幅降低成本。
1‧‧‧矽晶棒
2‧‧‧本體
3‧‧‧夾緊元件/夾鉗
4‧‧‧連接螺栓
12‧‧‧隔離元件

Claims (16)

  1. 一種在反應爐內讓多晶矽沉積於其上的矽晶棒的以石墨製成的緊固圓錐，其特徵為，緊固圓錐是由一個旋轉對稱的本體(2)構成，其中本體(2)具有一緊固矽晶棒(1)用的單件式夾緊元件(3)及像圓錐形一樣從本體(2)的一最高位置愈往深處愈縮小的盲孔(6)，該夾緊元件(3)可以在本體(2)之中心軸的最高位置被放入本體(2)，其中像罐蓋一樣的本體(2)有留出容納連接螺栓(4)用的缺口，同時本體(2)的邊緣(5)可以插入反應爐底部的進線套管，其中矽晶棒(1)、夾緊元件(3)、本體(2)、進線套管的支架、以及連接螺栓(4)都可以用形狀配合及力配合的方式彼此插入。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，盲孔(6)位於本體(2)的中心，用於容納夾緊元件(3)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，單件式夾緊元件(3)類似於一旋轉對稱的卡盤爪，並具有一縱向貫穿的矽晶棒(1)容納孔(7)。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的緊固圓錐，其特徵為，夾緊元件(3)的兩個端面均帶有從端面出發並沿著端面前進的未貫穿細長開口，該等細長開口(10)係交替從一個端面(8)或另一個端面(9)出發。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的緊固圓錐，其特徵為，夾緊元件(3)帶有兩組各3個彼此各夾120度的細長開口(10)，其中一個端面(8)上的細長開口(10)相對於另外一個端面(9)上的細長開口(10)彼此各夾60度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，夾緊元件(3)的一端具有一凸緣(11)，其中從夾緊元件(3)之端面(8)朝凸緣面伸展的細長開口(10)延伸通過凸緣(11)，同時夾緊元件(3)與凸緣鄰接之部分的長度最多等於盲孔(6)的深度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，盲孔(6)的圓錐角在0.5度至30度之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，夾緊元件(3)從凸緣(11)到對面之端面(9)的外表面是以和盲孔(6)一樣的圓錐角逐漸縮小。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的緊固圓錐，其特徵為，罐蓋形本體(2)的邊緣(5)是以和進線套管內之相應的對應件相同的圓錐角逐漸縮小。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的緊固圓錐，其特徵為，邊緣(5)及進線套管內之對應件的圓錐角在4度至5度之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，至少在進線套管之套管及本體(2)之間有設置一具有導電性的隔離元件(12)。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的緊固圓錐，其特徵為，隔離元件(12)係以銀製成，且同時具有防止擴散之作用。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的緊固圓錐，其特徵為，隔離元件(12)之形狀相當於本體(2)之內輪廓的陰模形狀，同時隔離元件(12)之底面形狀相當於進線套管之連接螺栓(4)的陰模形狀。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的緊固圓錐，其特徵為，至少在本體(2)及長成的矽晶棒之間設置一隔離物(13)。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的緊固圓錐，其特徵為，隔離物(13)是一種導電薄膜、CFC(碳纖維強化碳)薄片、或另外一種石墨薄膜。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的緊固圓錐，其特徵為，隔離物(13)的範圍延伸到盲孔(6)的底部。
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