用于沉积多晶硅的电极的制作方法

本发明涉及一种电极，其具有保持器区段、具有容纳保持器区段的切口的基部区段、以及布置在基部区段和保持器区段之间的任选存在的至少一个中间区段，其中相邻区段具有相对界面，所述界面至少部分地彼此机械接触，从而形成至少一个共用接触区域。

背景技术：

电极，特别是石墨电极，是工业过程中的重要组成部分，所述工业过程例如是铝和钢的生产、盐熔体的电解、化学化合物的电解分解、热沉积反应和弧焊)。

热沉积反应领域的一个重要应用是通过西门子工艺(siemensprocess)生产多晶硅(多晶体硅)。这包括通过直接通电在由硅制成的钟形反应器长丝棒(细棒)中加热和引入含有含硅组分和氢的反应气体。含硅组分通常是甲硅烷或一般组成为sihnx4-n(n＝0、1、2、3；x＝cl、br、i)的卤代硅烷。它典型地是氯硅烷或氯硅烷混合物，通常是三氯硅烷。典型的西门子反应器的构造描述于例如us2009/0136408a1中。

反应器底部(floor)通常设置有多个电极保持器，其中电极保持器以电绝缘的方式穿过反应器底部，并且以增厚的端部(电极保持器的顶部)突出至反应器中。用于电极保持器的穿通件(feedthrough)通常用密封元件密封。电极保持器的顶部通常具有切口，电极可正向装配至该切口中。电极保持器通常由导电的材料制成，例如由金属制成。

电极通常可容纳长丝棒并将其保持在适当位置。电极通常由高纯度石墨制成。高纯度石墨具有<50ppm的冷灰化残余物。两个长丝棒通常通过桥(由与长丝棒相同的材料制成)连接以形成对(长丝棒对)，所述对通过电极保持器和电极形成电路。用于加热长丝棒的电能通过布置在反应器底部下方的电极保持器的端部供应。长丝棒的表面温度通常超过1000℃。在这些温度下，含硅组分分解并且元素硅作为多晶硅从气相沉积至棒表面上。这导致细长棒的直径增加。电极通常至少部分封闭。在实现规定直径后，终止沉积并卸下所获得的棒对。在去除桥之后，获得大致圆柱形的多晶硅棒。

因此，电极用作长丝棒的固定构件，用于将电流流动和由此产生的热量转移至长丝/多晶硅棒中，且特别是用作用于生长的、越来越重的多晶硅棒的保持器。取决于待沉积的多晶硅棒的目标直径和长度，可实现50至400kg/棒的棒重量。此外，电极将热能从多晶硅棒的下端耗散至大体冷却的电极保持器。因此，电极的形状和材料的选择至关重要。

通常使用石墨作为电极材料，因为石墨能以非常高的纯度生产，并且在高于1200℃的温度下也是化学惰性的。此外，石墨具有5至50μω*m范围内的非常低的比电阻。

具有常规形状的石墨电极描述于例如us6,639,192b2中。它由具有圆锥形尖端的圆柱形主体组成。尖端含有用于容纳和接触长丝棒的孔。电极由石墨形成为一件，并且所用的石墨类型通常具有>145w/m*k的高比热导率。缺点是这种电极由于其圆柱形状和高比热导率而在低棒直径下展现出高热耗散。

为了不利于在沉积开始时细多晶硅棒的翻倾(fallingover)，电极应当具有非常低的热耗散。这需要具有低比热导率的电极材料和/或具有小直径的电极。相比之下，为了不利于在沉积即将结束时粗多晶硅棒的翻倾，电极原则上应当具有非常高的热导率(即由具有非常高的比热导率的材料制成)和/或大直径。这使得更容易耗散产生大棒直径所需的能量。电极进一步要求机械稳定性，即要求取决于棒重量的最小直径，以适应高棒重量。

通常，细棒可理解为意指小于石墨电极的直径1.5倍的棒直径，并且粗棒可理解为意指超过石墨电极的直径1.5倍的棒直径。

us9,150,420b2中所述的不仅包括圆锥形尖端而且还包括围绕所述尖端的边缘的碳电极构成了改进。已发现，这种电极展现出改善的热耗散和电流密度相对于棒厚度的分布。

然而，面对对提供非常大的棒直径的更高性能的沉积工艺的需要以及对非常低的(如果有的话)翻倾率的需要，该电极也达到其极限。

us8,366,892b2描述了由两种组分制成的石墨电极。所述电极由基部元件和插入件组成，其中插入件装配至基部元件中，并且这两个部件由不同的石墨类型制成。插入件的石墨类型具有比基部元件的石墨类型更低的比热导率。这满足了在沉积开始时对非常低的热导率的需要以及在沉积即将结束时对非常高的热导率的需要。

然而，问题在于对于石墨，可实现的最小比热导率为约30w/m*k。原则上不能实现尤其是在沉积开始时针对进一步工艺优化所期望的甚至更低的热导率。可减小电极的直径，但这会带来上述问题并延长(advancing)沉积时间。

因此，本发明的目的是提供不发生或至少显著减少所述问题的电极。

技术实现要素：

该目的是通过一种电极来实现的，该电极具有保持器区段、具有容纳保持器区段的切口的基部区段以及布置在基部区段和保持器区段之间的任选存在的至少一个中间区段，其中相邻区段具有相对界面，所述界面至少部分地彼此机械接触，从而形成至少一个共用接触区域。为了减小接触区域，界面中的一个具有至少一个凹陷和/或凸起。

因此，接触区域是各区段之间的机械接触区域，并确保热导率和电导率。

如果电极仅包括例如基部区段和保持器区段，则接触区域由基部区段和保持器区段的相对界面形成。与保持器区段相对的基部区段的界面可对应于切口的表面。如果电极还包括例如中间区段，则接触区域既由基部区段和中间区段的相对界面形成，也由中间区段和保持器区段的相对界面形成。

接触区域的减小降低了从保持器区段至基部区段的热耗散。因此，保持器区段的热导率原则上可降低至小于石墨的最小比热导率(约30w/m*k)。还发现，由于至少一个界面处的凹陷/凸起，电极的稳定性和结构完整性得以维持。

当通过凹陷和/或凸起减小的接触区域是在没有凹陷和/或凸起存在的情况下所产生的接触区域的10％至90％、优选30％至90％、特别优选60％至90％时，是优选的。

当所述区段一个装配在另一个内部并且特别地具有同轴配置，即具有共同的旋转轴线时，是优选的。然而，原则上可根据期望选择区段的几何形状，优选圆柱形配置(不考虑任何凹陷和/或凸起)。然而，所述区段不一定必需都具有相同的几何形状。关于电极的可能几何形状，还可特别参考us9,150,420b2。

用于容纳保持器区段的切口优选为圆柱形并且可以是例如孔。任何中间区段优选同样具有切口，优选孔，用于容纳又一中间区段或用于容纳保持器区段。切口的几何形状原则上同样可自由选择并且可彼此不同。

当电极是由基部区段和保持器区段制成的2区段电极或者进一步包括中间区段的3区段电极时，是优选的。

当至少或仅仅保持器区段的界面具有至少一个凹陷和/或凸起，是进一步优选的。

所述区段优选由碳制成，特别优选由石墨制成，特别是由高纯度或最高纯度的石墨制成。高纯度石墨具有<50ppm的冷灰化残余物。最高纯度的石墨具有<10ppm的冷灰化残余物。保持器区段还可由碳纤维增强碳(cfc)制成。出于纯度的原因，优选最高纯度的石墨。

当至少两个区段其比热导率不同时，是优选的，其中优选地，保持器区段具有最低的比热导率并且基部区段具有最高的比热导率。因此，比热导率优选从电极的中心(保持器区段)至其边缘(基部区段)增加。然而，当基部区段和保持器区段的比热导率相同时，也可能是优选的。

保持器区段的比热导率优选10至120w/m*k，特别优选10至90w/m*k，特别是10至60w/m*k。

基部区段的比热导率优选40至200w/m*k，特别优选60至120w/m*k，特别是60至100w/m*k。

任何中间区段的比热导率通常在为保持器区段和基部区段指定的值之间。然而，中间区段也可具有与保持器区段或基部区段相同的热容量。

比热导率的所有值都涉及20℃的温度并且根据din51908测量。

关于优选用于所述区段的碳材料的其它性质，可参考us9,150,420b2。

凹陷和/或凸起优选地是点状和/或线性的，并且原则上可具有任何期望的横截面。在本发明的上下文中，当仅涉及凹陷时，是优选的，因为这些通常可以较低的成本和复杂性实现。

凸起或凹陷的横截面可以是例如三角形、矩形、正方形或半圆形。至少在涉及凹陷时，横截面原则上对于本发明的可执行性是不重要的。线性凹陷或凸起可例如环形地或螺旋地围绕圆柱形基部区段或中间区段的覆盖表面运行。或者或另外，此类凹陷和/或凸起可布置在基部表面上。这同样适用于圆柱形切口的覆盖表面和基部表面。还可特别从图2中看出优选实施方案的实施例。

在优选实施方案中，保持器区段具有用于容纳长丝棒、特别是硅的凹陷。因此，电极特别适用于例如用于沉积多晶硅的工艺。由于从保持器区段至基座区段的减小的接触区域和相关减少的热耗散，电极最佳地适应于在沉积开始时出现的小棒直径。因此，在沉积的第一阶段(直至生长的多晶硅也到达基部区域或任选的中间部分)期间，多晶硅棒的翻倾风险降至最小。棒的翻倾通常不再发生。

保持器区段可进一步具有圆锥形或角锥形尖端，如us9,150,420b2中所述。电极可进一步配置成使得基部区段和/或任何中间区段突出超过尖端的侧面并因此形成围绕尖端的边缘，同样如us9,150,420b2中所述。

在又一实施方案中，将至少一个插入件布置在区段之间。在3区段或4区段电极中，当这种插入件至少或仅仅布置在保持器区段和中间区段之间时，是优选的。

插入件使得可以甚至进一步降低相邻区段之间的热导率。插入件优选不是完全中断两个区段之间的接触区域，即机械接触，而是引起接触区域的额外减小。

插入件原则上可具有任何期望的形状，并且优选布置在切口的底部。所述插入件特别可具有与布置有所述插入件的切口相同的横截面形状或者容纳在该切口中的区段的横截面形状。例如，可涉及三角形、正方形或多边形的板(有或无穿孔)、盘(有或无穿孔)或环。多个插入件可一个布置在另一个上方。

还可能涉及多个例如球形插入件。插入件可以是粉状，例如呈石英砂形式。还可能是类似网络或脚手架的配置。还可想到的是，插入件具有壳体形状并且因此例如部分地围绕基部区段。

插入件可具有表面，该表面具有至少一个凹陷和/或凸起。在优选实施方案中，插入件是板形或盘形的，并且优选在顶侧和/或底侧上具有至少一个凹陷和/或凸起。关于凹陷和/或凸起，可参考上面给出的阐释。

插入件优选地由与所述区段不同的材料制成。虽然所述区段特别由石墨制成，但用于插入件的优选材料是石英、碳化硅、氧化锆陶瓷(有和无氧化钇)、氧化铝陶瓷、氮化硅、氮化硅陶瓷和cfc。如果存在多个插入件，则这些插入件不一定必需由相同的材料制成。

插入件不一定必需是导电的。

当插入件具有1至20w/m*k、特别优选1至12w/m*k、特别是1至5w/m*k的比热导率时，是优选的。插入件的比热导率优选低于所述区段的比热导率。

插入件可进一步由比热导率各向异性的材料制成。插入件特别在平行于电极的纵向轴线的方向上具有比在垂直于纵向轴线的方向(如果插入件是例如盘，则这将对应于径向方向)上更低的比热导率。例如，平行于纵向轴线的插入件的比热导率可以是1至20w/m*k，优选1至12w/m*k，特别优选1至5w/m*k。

垂直于纵向轴线的热导率可以是1至100w/m*k，优选1至60w/m*k，特别优选1至20w/m*k。

还可想到的是，插入件由多个比热导率不同的元件(例如同轴接合盘)构成。可因此产生具有渐变的比热导率的插入件，其中比热导率可从内向外增加。

本发明的又一方面是用于在反应器中生产多晶硅的方法，该反应器包括至少一个可通过通电加热的长丝棒对。所述方法包括将含有含硅组分、特别是三氯硅烷和氢的反应气体引入反应器中，其中将来自气相的元素硅沉积在棒对的表面上。所述方法的特征在于，棒对由两个如上文所述的电极保持并供应电流。

下文参考几个实施例更具体地描述根据本发明的电极。

附图说明

图1中的a显示了已知电极，

图1中的b至g显示了本发明电极，并且

图2中的a至e显示了本发明电极的保持器区段。

图1中的a显示了现有技术电极1的纵向截面。电极1包括连接至电极保持器11的基部区段14。电极保持器11通常锚定在反应器(例如西门子反应器)的底板中。基部区段14基本上具有圆柱形形状并且具有圆柱形切口16，保持器区段12容纳在该切口中。基部区段14和保持器区段12相对于电极纵向轴线al同轴地一个装配在另一个内部，并且通过接触区域k彼此机械接触。接触区域k(粗线)由基部区段14和保持器区段12的相对界面形成，即一方面由保持器区段12的覆盖表面和基部表面形成，另一方面由切口16的覆盖表面和基部表面形成。保持器区段12具有由基部区段14的斜切边缘15围绕的圆锥形尖端13。此外，保持器区段12具有用于容纳长丝棒(未显示)的凹部30。

基部区段14和保持器区段12两者均由高纯度石墨制成，其中保持器区段12的比热导率为40w/m*k，而基部区段14的比热导率为100w/m*k。电极保持器由导电材料(例如金属)制成。该电极特别用于生产多晶硅的西门子工艺中。

图1中的b显示了构造通常对应于电极1的构造的本发明电极10。为了简单起见，已从图1中的a已知的元件尚未重新标记。与电极1相反，在本发明电极10中，保持器区段12的界面(覆盖表面)设有三个周向凹陷20。凹陷20各自具有半圆形横截面。凹陷20中断接触区域k并因此将其大小减小约30％。这降低了从保持器区段12至基部区段14的热传递。

图1中的c显示了本发明的电极10，其中凹陷21、22已被引入基部区段14的界面中。形成切口16的界面的覆盖表面具有三个周向凹陷21。形成切口16的界面的基部表面也具有三个槽形凹陷22。与来自图1中的b的实施方案相反，凹陷22导致接触区域k的额外减小，并因此导致两个区段12、14之间的较低热传递。

图1中的d显示了本发明电极10，其对应于图1中的b的电极10，但不同之处在于，另外盘形插入件32布置在保持器区段12和基部区段14之间。接触区域k仅由切口16的覆盖表面和保持器区段12的覆盖表面的不被凹陷20中断的部分构成。插入件32由cfc制成，并且具有10w/m*k的比热导率。因此，所述插入件通过减小接触区域k和通过其低热导率来降低区段12、14之间的热传递。

图1中的e显示了本发明电极10，其对应于图1中的d的电极10，但不同之处在于，环形插入件33布置在区段12、14之间。所述插入件的内径和外径之间的比率为0.4，并且其比热导率为10w/m*k。

图1中的f显示了本发明的电极10，其进一步包括布置在基部区段14的切口16中的中间区段18。中间区段18基本上是圆柱形的并且具有圆柱形切口17，保持器区段12布置在该切口中。区段12、14、18相对于电极纵向轴线al同轴，并且通过接触区域k1和接触区域k2(粗线)彼此机械接触。中间区段18由电石墨制成，并且具有70w/m*k的比热导率。

接触区域k1由保持器区段12和中间区段18的相对界面形成，即一方面由保持器区段12的覆盖表面和基部表面形成，另一方面由切口17的覆盖表面和基部表面形成。接触区域k1被凹陷20(参见图1中的b)和中间区段18的界面中的环形凹陷23中断，因此比在没有凹陷20、23存在下产生的接触区域小约50％。

接触区域k2(粗线)由基部区段14和中间区段18的相对界面形成，即一方面由中间区段18的覆盖表面和基部表面形成，另一方面由切口16的覆盖表面和基部表面形成。

由于比热导率从保持器区段12(40w/m*k)通过中间区段18(70w/m*k)朝向基部区段14(100w/m*k)连同中断的接触区域k1递增地增加，因此电极10最佳地适应于西门子工艺期间多晶硅棒直径的增加。

图1中的g显示了具有中间区段18和插入件34两者的本发明电极10。插入件34是盘形的，布置在基部区段14和中间区段18之间，并且由具有3w/m*k的比热导率的氧化锆陶瓷制成。所述插入件在一个表面35上具有圆形凹陷25。

与图1中的f的实施方案相反，中间区段18在其覆盖表面上另外具有三个周向凹陷24，所述周向凹陷同样与插入件34类似地减小接触区域k2。

由于插入件34和凹陷24的存在，因此与图1中的f的实施方案相比，电极10在基部区段14的方向上的热导率进一步降低。与凹陷25类似，基部区段14的槽形凹陷22(参见图1中的c)有助于这种降低。

图2中的a至e显示了保持器区段12的各种实施方案，其中上部各图各自显示了俯视图，下部各图各自显示了沿着标记为s的截面边缘的横截面。保持器区段12在每种情况下都是圆柱形的，与存在的凹陷无关，并且具有圆锥形尖端13和用于容纳长丝棒的凹部30。

图2中的a的保持器区段12具有三个凹陷40。三个凹陷40中的每一个对应于已从原始圆柱形保持器区段12移除的圆形区段形式的侧面(由上图中的虚线指示)。

图2中的b的保持器区段12对应于图1中的b的保持器区段。

图2中的c的保持器区段12是来自图2中的b的实施方案的改良形式。它包括周向凹陷20上方的区域性凹陷41。这基本上是例如通过旋转可实现的变窄。上图中的虚线表示凹陷41的边缘42。

图2中的d的保持器区段12具有凹陷44，该凹陷沿着围绕覆盖表面43的周边的螺旋路径。螺旋以虚线指示。

图2中的e的保持器区段12具有三个凹陷45，所述凹陷平行于电极轴线al运行并具有近似三角形的截面。

图2中的f的保持器区段12具有四个凹陷46，所述凹陷平行于电极轴线al运行并具有近似半圆形的截面。

具体实施方式

实施例

在如例如us2009/0136408a1中所述的西门子反应器中，沉积了具有约180mm的直径的多晶硅棒。将图1中的a(1型)、图1中的b(2型)、图1中的d(3型)和图1中的f(4型)的电极相对于在沉积期间翻倾的多晶硅棒的数目彼此进行比较。电极的底端正向装配至电极保持器11的顶部中的切口中。

电极(无保持器)的长度在每种情况下为约115mm，其直径为约60mm。保持器区段12的比热导率在每种情况下为40w/m*k，并且基部区段14的比热导率在每种情况下为100w/m*k。3型电极的插入件32的比热导率为10w/m*k，且4型电极的中间区段18的比热导率为70w/m*k。

在所有实验中，沉积工艺的参数是相同的。实验仅在电极的配置上不同。沉积期间的沉积温度平均为1000℃至1100℃。反应气体由氢和三氯硅烷构成。

细棒直径下的翻倾率的变化确定如下：每种电极类型沉积500批次。对在细棒直径(d<1.5*电极直径，d<90mm)下翻倾的批次进行计数。1型电极(图1中的a)是无接触区域减小的比较电极。这里还确定了500个沉积批次中在细直径下翻倾的批次数。将该数目归一化为100％。基于比较电极的翻倾批次的数目，x型电极(x＝2、3或4)的细棒直径下的翻倾率u的变化计算如下：

ux＝((x型的翻倾批次数/1型的翻倾批次数)-1)*100％

实施例：

2型的翻倾批次数：12

1型的翻倾批次数：20

u2＝(12/20-1)*100％＝-40

粗棒直径下的翻倾率变化确定如下：

每种电极类型沉积500个直径>1.5*电极直径(即d>90mm)的批次。未对在<1.5*电极直径的直径下失效或翻倾的批次进行计数。在每种电极类型的500批次中，仅对在粗直径下翻倾的批次进行计数。通过与上文所示相同的方案计算翻倾率的变化。

通过以下方法进行接触区域的确定：通过参考电极制造图中的尺寸来计算接触区域。这涉及无凹陷/凸起、即无接触区域减小的电极的组成部件的假设接触区域。

接触区域k的减小＝(有减小的接触区域/无减小的接触区域-1)*100％。

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