專利名稱：碳電極和多晶硅棒的制造裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于制造多晶硅的碳電極和使用該碳電極的多晶硅棒的制造裝置。
背景技術：
作為制造半導體制造用的單晶硅或太陽能電池制造用的以硅為原料的多晶硅的方法，已知有西門子法。西門子法是通過使含有氯硅烷的原料氣與加熱的硅芯線接觸，利用CVD(Chemical Vapor Deposition,化學氣相沉積)法在該娃芯線的表面使多晶娃氣相生長的方法。 通過西門子法氣相生長多晶硅時，在氣相生長裝置的反應爐內將硅芯線組裝成垂直方向2根、水平方向I根的牌坊形(torii gate)，該牌坊形的硅芯線的兩端通過ー對芯線固定器固定在配置于基板上的ー對金屬電極上。然后，導通來自金屬電極的電流后，將硅芯線在氫氣氣氛中、900°C以上1200°C以下的溫度范圍進行加熱，同時將例如三氯硅烷與氫氣的混合氣作為原料氣通過氣體噴嘴供給到反應爐內，硅在硅芯線上氣相生長，形成反U形的期望直徑的多晶硅棒。在反應爐內冷卻后，從反應爐取出多晶硅棒。近年來，隨著多晶硅棒的大口徑化，氣相生長過程中或者多晶硅棒冷卻過程中，容易發生該多晶硅棒斷裂或破裂的情況。其原因被認為是由于通過西門子法制作多晶硅棒時，氣相生長過程中或者生長結束后，娃棒的生長方向(半徑方向)上中心與表面溫度產生溫度差，由此多晶娃棒的熱膨脹或者收縮所產生的應カ造成的。多晶硅棒破裂，倒在反應爐內時，不僅會與反應爐內壁及基板或者構成金屬電極的金屬發生接觸而引起重金屬污染，獲取倒下破壞的多晶硅棒以及清掃基板還花費時間，從而會大幅延長作業的周期，顯著降低生產率。為防止上述多晶硅棒的裂縫或破裂的發生，提出了各種方案。例如，特開平8-45847號專利公報(專利文獻I)提出支架部件(芯線)的裝配器具，其特征在于在電流引導部(金屬電極)與電極固定器(芯線固定器的保持器具)之間設置至少ー個弾性部件，該彈性部件允許電極固定器相對于電流引導部的運動，并且吸收該運動。特開2006-16243號專利公報(專利文獻2)提出使用由碳制的晶種固定器和金屬制的電極構成的晶種保持電極，由此可以防止由在多晶硅生長后的冷卻過程中發生的熱扭曲引起的、多晶硅或者晶種保持電極中使用的碳制部件的斷裂，其中上述晶種保持電極的特征在于，形成為晶種固定器和金屬制的電極呈楔形的相互配合的接合構造，在它們之間使貴金屬板滑配合來接合。特開2006-240934號專利公報(專利文獻3)提出，硅芯線的端部通過保持它的導電性的固定器與電極電連接，并且至少ー側的固定器使用在電極面上至少在連接反U形的硅芯線的兩端的直線方向上可以向左右任意方向滑動的碳制固定器，由此可以減少多晶硅棒破裂情況的發生。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :特開平8-45847號專利公報專利文獻2 :日本特開2006-16243號專利公報專利文獻3 :日本特開2006-240934號專利公報
發明內容
發明要解決的技術問題 如上所述，在基于現有的普通西門子法氣相生長多晶硅的過程中，牌坊形的硅芯線的兩端經由ー對芯線固定器固定在配置于基板上的ー對金屬電極上。然而，反U形的多晶硅棒(以下也簡稱為“U形棒”)的兩端固定在金屬電極上吋，U形棒在水平面方向上的伸縮會受到阻礙。此處所說的水平面方向上的伸縮，是指例如連接U形棒的兩端的直線方向上的伸縮。并且，U形棒在水平面方向上的伸縮并不限于連接U形棒兩端的直線方向。例如，如果靠近U形棒的內側有其他U形棒，則來自該U形棒的輻射熱容易引起內側的伸張。而且，如果U形棒的外側被反應爐的爐壁冷卻的話，外側容易收縮。也就是說，由于其所處環境，U形棒會在水平面方向的所有方位發生伸縮。但是，專利文獻I中公開的裝配器具不僅構造復雜，而且存在除彈性部件的伸縮方向以外不允許電極固定器運動的缺點。此外，專利文獻2公開的晶種保持電極，由于使貴金屬板滑配合而使用，成本較高，而且該貴金屬容易摻進多晶硅。并且由于呈楔形配合，膨脹時晶種固定器將楔形向上方移動，因而有可能從電極中脫出。另外，在專利文獻3公開的碳制固定器中，多晶硅棒只能在連接硅芯線的兩端的直線方向上移動。因此，這些提案并不能充分抑制多晶硅棒的裂縫或破裂的發生。 鑒于上述問題，本發明的目的在于提供在多晶硅棒的氣相生長エ藝中，對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生具有很好抑制效果的技木。為解決上述問題，本發明的碳電極用于多晶硅棒的制造，其特征在于，由固定在作為向硅芯線通電的通電用外部電極的金屬電極上的下部電極以及載置在該下部電極上的上部電極構成，該上部電極的上表面側設有保持所述硅芯線的芯線固定器的固定部，所述上部電極能夠在與所述下部電極的上表面的接觸面即載置面內全方位移動。所述碳電極可以設置成如下方式，所述上部電極具有從上表面向下表面貫穿的孔部，插入該孔部的棒狀連結部件的下端部固定于所述下部電極，所述孔部的直徑比所述棒狀連結部件的直桿部的直徑大，在所述孔部內與所述直桿部之間設有間隙。例如，所述孔部的直徑比所述直桿部的直徑大Imm以上。所述碳電極也可以設置成如下方式，設于所述下部電極的上部的凸部插入設于所述上部電極的下部的凹部的內部，所述上部電極載置在所述下部電極上，所述凹部的內部尺寸比所述凸部的外部尺寸大，所述凹部與凸部之間設有間隙。此外，所述碳電極也可以設置成如下方式，設于所述上部電極的下部的凸部插入設于所述下部電極的上部的凹部的內部，所述上部電極載置在所述下部電極上，所述凹部的內部尺寸比所述凸部的外部尺寸大，所述凹部與凸部之間設有間隙。例如，所述凹部與凸部之間的間隙為Imm以上。優選所述上部電極和所述下部電極為石墨制成。此外，優選所述上部電極和所述下部電極的接觸面的靜摩擦系數為O. 3以下。本發明的多晶硅棒的制造裝置，該多晶硅棒通過從ー對金屬電極向組裝成牌坊形的硅芯線的兩端供電，在所述硅芯線上使多晶硅氣相生長而成，所述硅芯線的兩端分別被設于碳電極的固定部保持，所述碳電極中的至少一方為上述本發明的碳電扱。 發明效果在本發明的碳電極中，例如通過在上部電極設孔部，并在孔部內插入棒狀的連結部件等固定于下部電極，并且由于孔部與連結部件的直桿部之間存在間隙等，上部電極可以在與下部電極的上表面的接觸面即載置面內全方位移動。因此，可以提供在多晶硅棒氣相生長エ藝中，對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生具有很好抑制效果的技木。
圖I為表示本發明的多晶硅棒的制造裝置的結構例的概略圖。圖2為表示本發明的碳電極的結構例的概略圖。圖3為表示本發明的碳電極的其他結構例的概略圖。圖4為表示圖3所示的碳電極的變形例的概略圖。
具體實施例方式以下參照附圖，對本發明的實施方式進行說明。圖I為表示本發明的多晶硅棒的制造裝置100的結構例的概略圖。該制造裝置100是利用西門子法在硅芯線的表面氣相生長多晶硅來制造多晶硅棒的裝置，大致由基板I和反應容器10構成，得到的多晶硅棒由在組裝成牌坊形的硅芯線5的垂直部分5a上氣相生長的直桿部6和在水平部分(橋形部5b)上氣相生長的橋形部8構成。在基板I上設置有向娃芯線5供給電流的金屬電極2、供給氮氣、氫氣、三氯娃燒氣等的エ藝氣體的氣體噴嘴3以及排出廢氣的排氣ロ 4。金屬電極2連接到未圖示的其他金屬電極，或者連接到配置在反應爐外的電源，接受來自外部的供電。該金屬電極的側面設有絕緣物7，在被該絕緣物7夾持的狀態下貫穿基板I。如圖I所不,使多晶娃氣相生長時,在反應爐10內，垂直方向2根(5a)和水平方向I根(5b)的芯線組裝成牌坊形,成為娃芯線5,娃芯線5的垂直方向部分5a的兩端部分別由被碳電極30保持的芯線固定器20固定，供給到金屬電極2的外部電カ經由碳電極30向硅芯線通電。并且，金屬電極2、基板I和反應爐10使用制冷劑進行冷卻。此外，芯線固定器20和碳電極30均為石墨制成。碳電極30中的至少一方為下述本發明的碳電極，其結構為可以在圖中的水平面內全方位滑動。
圖2為表示本發明的碳電極30的結構例的概略圖。該碳電極30由固定在作為向硅芯線5通電的通電用外部電極的金屬電極2之上的下部電極32以及配置在該下部電極32之上的上部電極31構成。上部電極31的上表面一側設有保持娃芯線5a的芯線固定器20的固定部。并且，上部電極31上設有從上表面33向下表面34貫穿的孔(貫通孔)35，作為棒狀連結部件的螺栓36經由墊圈37從上部電極31的上表面33插入該孔部35，在下部電極32中螺紋固定。如圖2所示，孔部35的直徑比螺栓36的直桿部的直徑大，從而在孔部35內與螺栓36的直桿部之間產生間隙51。并且，墊片37使用其外徑為孔部35的口徑的 約2倍的墊片，以防止螺栓36擠進孔部35內。孔部35內與螺栓36的直桿部之間的間隙51，使上部電極31可以在與下部電極32的上表面之間接觸面即載置面(圖2中為與上部電極31的下表面34相接觸的下部電極32的上表面)的面內全方位移動，從而在氣相生長エ藝中對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生起到抑制效果。為了切實實現在載置面內的全方位移動，優選孔部35的直徑形成為比螺栓36的直桿部的直徑大Imm以上。而且，螺栓36的根數優選在2根以上。圖3為表示本發明的碳電極30的其他結構例的概略圖。該碳電極30中，以設于下部電極32上部的凸部插入設于上部電極31下部的凹部內的方式，將上部電極31載置在下部電極32上。如圖3所示，上部電極31的凹部38的內部尺寸比下部電極32的凸部39的外部尺寸大，其結果為在凹部38與凸部39之間設有間隙52。凹部38與凸部39之間的間隙52，使上部電極31可以在與下部電極32的上表面的接觸面即載置面的面內全方位移動，從而在氣相生長エ藝中對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生起到抑制效果。并且，為了切實地實現在載置面內的全方位移動，凹部38與凸部39之間的間隙52優選為Imm以上。圖4為表示圖3所示的碳電極的變形例的概略圖。即，在圖3所示的例子中以設于下部電極32上部的凸部插入設于上部電極31下部的凹部內的方式將上部電極31載置在下部電極32上，與之相対，圖4為以設于上部電極31下部的凸部41插入設于下部電極32上部的凹部42內部的方式將上部電極31載置在下部電極32上。在這種方式中，如圖4所示，下部電極32的凹部42的內部尺寸也比上部電極31的凸部41的外部尺寸大，其結果為在凹部42與凸部41之間設有間隙53，該間隙53使上部電極31可以在與下部電極32的上表面的接觸面即載置面內全方位移動。并且，為了切實實現在載置面內的全方位移動，凹部38與凸部39之間的間隙53優選為Imm以上。在圖3和圖4中，對凸部和凹部42以I組設置的形式進行說明，但是也可以通過多組方式實現。在這種情況下，各組的凹部與凸部之間形成間隙的話，上部電極可以在所述間隙的范圍內實現全方位移動。以下對利用本發明的多晶硅棒的制造裝置的氣相生長エ藝進行說明。首先，將硅芯線5連接到金屬電極2，將反應容器10緊密載置在基板I上，從氣體噴嘴3內供給氮氣，將反應容器10內的空氣置換成氮氣。此時，反應容器10內的空氣和氮氣從排氣ロ 4排出。反應容器10內置換為氮氣氣氛完成后，替換氮氣，改為從氣體噴嘴3供給氫氣，將反應容器10內變成氫氣氣氛。然后，利用圖中未示出的加熱器將硅芯線5預加熱到250°C以上的溫度，使其具有可以使電流有效傳導的程度的導電性。接著，由金屬電極2向硅芯線5供給電流，將硅芯線5加熱至900°C以上。再將氫氣與三氯硅烷氣體作為原料氣供給，在硅芯線5上，以900°C以上1200°C以下的溫度范圍使多晶硅氣相生長。未反應的氣體和副產物氣體從排氣ロ 4排出。為了在硅芯線5上使多晶硅氣相生長而提高溫度吋，硅芯線5的橋形部5b會因膨脹而伸長，多晶硅的氣相生長在該狀態下繼續進行。而且，隨著多晶硅棒的直桿部6和橋形部8的直徑増大，會形成沿這些部分的直徑方向的溫度分布。這里，關于多晶硅棒的直桿部6，例如構成U形棒的I對直桿部6的相對面由于相互輻射加熱而發生膨脹，芯線固定器20和上部電極31向著相互間隔擴大的方向移動。而且，U形棒的外側被反應容器10冷卻，比U形棒的內側溫度低，芯線固定器20和上部電極31向著U形棒朝外側翅曲的方向移動。多晶硅棒的直桿部6和橋形部8生長到期望的直徑后，按原料氣的供給和電流供給的順序停止供給，然后降低反應容器10內的溫度。此時，生長過程中間隔擴大了的U形棒上，芯線固定器20和上部電極31向著橋形部8的間隔縮小的方向移動。而且，生長過程中外側溫度低的U形棒上，芯線固定器20和上部電極31向著反應容器10的中心移動。為了使上部電極31在下部電極32上平滑地移動，上部電極31和下部電極32的面接觸部有必要使用摩擦小的材料。本發明的發明人經過試行錯誤的檢驗，結果發現使用上部電極31和下部電極32的面接觸部的靜摩擦系數O. 3以下的碳電極時，上部電極31可以在下部電極32上平滑地移動。實施例I如圖I所示，在反應爐10內將硅芯線5組裝成牌坊形，將該牌坊形的硅芯線5的兩端都通過石墨制成的一對芯線固定器20和碳電極30固定在安裝到配置于基板I上的一對金屬電極2上。碳電極30中的一方具有圖2所示類型的上部電極31和下部電極32。貫通孔35的內徑為IOmm,螺栓36的直徑為6mm。在硅芯線5上，在900°C以上1100°C以下的溫度范圍，使直徑約120mm的多晶硅6和8氣相生長時,上部電極31向多晶娃棒的間隔擴大的方向移動了 1.5mm。切取U形棒之后檢測到發生2處破裂。實施例2碳電極30中的一方除具有圖3所示類型的上部電極31和下部電極32以外，在與實施例I同樣的條件下使多晶硅氣相生長。凹形38的內徑為82mm，凸形39的外徑為74mm。氣相生長結束后，上部電極31向多晶硅棒的間隔縮小且U形棒朝外側翹曲的方向移動了3.0_。切取U形棒之后檢測到發生2處破裂。比較例I除使用電極無法移動的碳電極30以外，在與實施例I同樣的條件下使多晶硅氣相生長。切取U形棒之后檢測到發生5處破裂。
エ業實用性根據本發明，可以提供在多晶硅棒的氣相生長エ藝中對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生具有很好抑制效果的技木。符號的說明I 基板2金屬電極 3氣體噴嘴4 排氣 ロ5硅芯線5a垂直方向部分5b橋形部6多晶硅棒的直桿部8多晶硅棒的橋形部10反應容器20芯線固定器30碳電極31上部電極32下部電極33上部電極31的上表面34上部電極31的下表面35貫通孔36 螺栓37 墊片38、42 凹形部39、41 凸形部51、52、53 間隙100多晶硅棒的制造裝置
權利要求
1.ー種碳電極，用于多晶硅棒的制造，其特征在干，由固定在作為向硅芯線通電的通電用外部電極的金屬電極上的下部電極以及載置在該下部電極上的上部電極構成，該上部電極的上表面側設有保持所述硅芯線的芯線固定器的固定部，所述上部電極能夠在與所述下部電極的上表面的接觸面即載置面內全方位移動。
2.根據權利要求I所述的碳電極，其特征在于，所述上部電極具有從上表面向下表面貫穿的孔部，插入該孔部的棒狀連結部件的下端部固定于所述下部電極，所述孔部的直徑比所述棒狀連結部件的直桿部的直徑大，在所述孔部內與所述直桿部之間設有間隙。
3.根據權利要求2所述的碳電極，其特征在于，所述孔部的直徑比所述直桿部的直徑大Imm以上。
4.根據權利要求I所述的碳電極，其特征在于，設于所述下部電極的上部的凸部插入設于所述上部電極的下部的凹部的內部，所述上部電極載置在所述下部電極上，所述凹部的內部尺寸比所述凸部的外部尺寸大，所述凹部與凸部之間設有間隙。
5.根據權利要求I所述的碳電極，其特征在于，設于所述上部電極的下部的凸部插入設于所述下部電極的上部的凹部的內部，所述上部電極載置在所述下部電極上，所述凹部的內部尺寸比所述凸部的外部尺寸大，所述凹部與凸部之間設有間隙。
6.根據權利要求4或5所述的碳電極，其特征在于，所述凹部與凸部之間的間隙為Imm以上。
7.根據權利要求I至5中任一項所述的碳電極，其特征在于，所述上部電極和所述下部電極為石墨制成。
8.根據權利要求I至5中任一項所述的碳電極，其特征在于，所述上部電極和所述下部電極的接觸面的靜摩擦系數為O. 3以下。
9.一種多晶硅棒的制造裝置，該多晶硅棒通過從ー對金屬電極向組裝成牌坊形的硅芯線的兩端供電，在所述硅芯線上使多晶硅氣相生長而成，所述多晶硅棒的制造裝置的特征在于，所述硅芯線的兩端分別被設于碳電極的固定部保持，所述碳電極中的至少一方為權利要求I至5中任一項所述的碳電扱。
全文摘要
本發明提供在多晶硅棒氣相生長工藝中對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生具有很好抑制效果的技術。碳電極(30)的上部電極(31)的上表面側設有保持硅芯線(5a)的芯線固定器(20)的固定部。上部電極(31)上設有從上表面(33)向下表面(34)貫穿的孔部(貫通孔)(35)，作為棒狀連結部件的螺栓(36)經由墊圈(37)從上部電極(31)上表面(33)插入該孔部(35)，在下部電極(32)被螺紋固定。孔部(35)內與螺栓(36)的直桿部之間的間隙(51)，使上部電極(31)可以在與下部電極(32)的上表面的接觸面即載置面(圖2中為與上部電極31的下表面34相接觸的下部電極32的上表面)的面內全方位移動，從而在氣相生長工藝中對可在所有方位伸縮的U形棒的裂縫或破裂的發生起到抑制效果。
文檔編號C01B33/035GK102666380SQ201080049198
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月22日 優先權日2009年11月26日
發明者久米史高, 小黑曉二, 平原勝, 禰津茂義, 黑谷伸一 申請人:信越化學工業株式會社