专利名称：硅芯棒及用于多晶硅生长的硅芯结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及西门子法生产多晶硅技术，特别涉及多晶硅生产中的多晶硅还原技 术，具体是一种新型的硅芯棒及应用该硅芯棒的硅芯结构。
背景技术：
目前，多晶硅生产大部分采用西门子法生产工艺，其工作原理是在1080°C左右 的高纯硅芯上用高纯氢(H2)还原高纯三氯氢硅(SiHCl3)生成多晶硅，并定向沉积在硅芯 上。还原反应是在CVD(Chemical Vapor D印osition，化学气相沉积)还原炉中进行，其方 法是在CVD还原炉中将硅芯棒搭接为硅芯，用于多晶硅生长，搭接方式一般是采用在两根 竖硅芯棒(成对使用，每根长度约1.5m 3m)的上方搭接一根与竖硅芯棒一样材质的横硅 芯棒(如附图1、图2所示)，在搭接好的竖硅芯的下方用石墨组件固定，石墨组件固定在铜 电极上，两个铜电极之间由电极连接板连接，每组硅芯通常由三对以上的硅芯串联组成，每 组两端的铜电极为电源引入部分，从而组成一组加热回路。硅芯棒既是加热组件又是多晶 硅沉积载体，这样在硅芯棒表面温度达到1080°C的情况下，SiHCl3在H2作用下发生还原反 应，生成多晶硅，均勻地沉积在硅芯棒表面。该种生产工艺，要求硅芯温度均勻一致，温度约 在1080°C左右，以保证多晶硅均勻快速地生长。目前国内较常用的硅芯棒其截面形状大多为圆形或方形或矩形，或采用薄型板 材，国外也有使用其他截面形状的硅芯棒，如附图3所示的十字形、附图4所示的圆管形。 但截面为圆形和方形的硅芯，其表面积小，即多晶硅的初期沉积面积很小，这大大影响了多 晶硅的初期生长速率和转换率，同时也增加了多晶硅的生长电耗；截面为十字形或圆管型 的硅芯虽然其初期沉积面积增大，提高了多晶硅生长初期的生长速率和转换率，但由于此 类硅芯会产生横梁搭接不均勻而导致硅芯表面温度不均勻，从而使还原生产不能正常进 行；而板型硅芯由于薄型板材本身的剪切力弱，横梁搭接困难，易形成搭接点接触，使还原 生产不能正常进行。此外，现有的硅芯搭接结构，搭接面积很小，造成搭接处接触不好电阻 较大，易引起还原反应初期局部过热，引起倒棒(硅芯倒伏)，影响还原生产的稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种新型的硅芯棒及新型的用于 多晶硅生长的硅芯结构，其能大大加快多晶硅的沉积速率和转化率，提高产能，降低能耗， 并且强度高，能实现多晶硅沉积的稳定性及提高产品质量。本发明的新型的硅芯棒是通过如下技术方案来实现的一种硅芯棒，为长条状，其 特征是其横截面为具有至少一个弧状弯曲部的弯曲状。本发明通过将硅芯棒设计为上述的形状，使得硅芯棒的表面积增大，在利用其进 行多晶硅生产时，较大的表面积使得多晶硅在反应初期的沉积面积增大，有利于提高多晶 硅的初期生长速率和转换率。本发明中硅芯棒的横截面形状可以为单一的弧状结构，如月 牙形或半圆弧形，也可以具有多个弧状结构，如S形或波浪形等。
进一步的技术方案是，所述硅芯棒的厚度一般为0. 5mm-5mm，优选厚度为1. 55mm。 该种厚度的硅芯棒不仅易于得到高的电阻值，满足硅芯棒电阻要求，有利于生产的稳定进 行，而且保证了硅芯棒的强度，有利于还原生产的稳定，从用料上也省料，有利于降低材料 成本。为了适合还原炉热场、气体流程的布置及便于多晶硅沉积，所述硅芯棒的宽度为 20mm-100mm，优选宽度为 50mm。本发明中的用于多晶硅生长的硅芯结构所采用的技术方案是一种用于多晶硅生 长的硅芯结构，包括两根竖硅芯棒，横向搭接在两根竖硅芯棒顶端的横硅芯棒，所述横硅芯 棒和竖硅芯棒的横截面均为具有至少一个弧状弯曲部的弯曲状，所述两根竖硅芯棒的顶端 具有与所述横硅芯棒外表面形状相适配的形状。本发明的硅芯结构由于其采用了特殊设计的横截面形状的硅芯棒，并在竖硅芯棒 的搭接处进行了适配的设计，使得搭接面接触均勻，不易引起局部过热，同时，搭接面积大 大增加，增强了搭接强度，硅芯结构整体更加稳定可靠，大大降低了倒棒的几率，使还原生 产更加稳定。所述的横硅芯棒和竖硅芯棒的厚度为0. 5mm-5mm，优选厚度为1. 55mm。所述硅芯棒的宽度为50mm。本发明的有益效果是本发明可直接利用现有还原炉，仅仅通过硅芯棒形状上的 改变及硅芯搭接结构的改善，就实现了多晶硅沉积的稳定性、沉积速率和转化率大大提高 的目的。本发明的硅芯棒由于采用了较大表面积的结构设计，多晶硅初期沉积面积增加， 并且在多晶硅生长过程中其沉积面积增加率加快，使还原的生长速率大大提高，大大提高 了还原炉的产能。根据实验，采用本发明的还原炉与采用圆形硅芯的还原炉相比按沉积速 率是圆形硅芯的90%的速度计算即圆形硅芯按1.5mm/小时的沉积速率计算，本发明的硅 芯按1. 35mm/小时的沉积速率计算。80小时的生长周期内，使用圆形硅芯的还原炉的单炉 产量(以12对棒还原炉，硅芯总长60m为例)为1855Kg/炉；使用本发明硅芯的还原炉的 单炉产量(以12对棒还原炉，硅芯总长60m为例)为2419Kg/炉。可见，使用本发明的硅 芯的单炉产量高出使用圆形硅芯的产量的30%以上；同时由于生长时间相同，硅的材料性 质相同，能耗也随之降低，每公斤的电耗下降20%以上；由于一次转换率的提高(接近12% 的转换率)，使TCS的用量大大降低，每公斤多晶硅的TCS用量降低10%以上，综合上述效 率，每公斤多晶硅的还原生产成本可降低3 5美元。
图1是现有技术的截面为圆形的硅芯结构的示意图；图2是图1的左视图；图3是现有技术的截面为十字形的硅芯棒的截面示意图；图4是现有技术的截面为圆管形的硅芯棒的截面示意图；图5是本发明实施例1的主视示意图；图6是图5的左视图；图7是本发明实施例2中硅芯棒的横截面的示意4
图8是本发明实施例3中硅芯棒的横截面的示意图；图9是本发明实施例4中硅芯棒的横截面的示意图；图10是本发明实施例5的结构示意图；图11是图10的左视图；图12是图10的俯视图；图13是本发明实施例6的俯视示意图；图中，1、竖硅芯棒，2、横硅芯棒。
具体实施例方式下面结合附图及非限定性的实施例对本发明作进一步的说明实施例1如附图5、图6所示，本实施例所示的是一种硅芯棒，为高纯硅材质，其为长条状， 硅芯棒的横截面为弧形状，硅芯棒的厚度自弧状的中心向弧状的边缘逐渐减小，呈月牙儿 形。硅芯棒的厚度t可为0. 5mm-5mm，本实施例中厚度为1. 55mm，硅芯棒的宽度B可为 20mm-100mm，本实施例中宽度为50mm。所述厚度及宽度能在最大限度提高反应面积的同时 保证硅芯棒的强度、满足硅芯棒电阻的要求，同时也节省了材料，降低了材料成本。本实施例的其他部分采用已有技术，在此不再赘述。实施例2如附图7所示，本实施例所示的是另一种结构的硅芯棒，其横截面为圆弧状，硅芯 棒的厚度自圆弧的中心至圆弧的边缘厚度均勻。本实施例的其他部分与实施例1相同。实施例3如附图8所示，本实施例所示的是另一种结构的硅芯棒，其横截面为半圆弧状，硅 芯棒的厚度均勻。本实施例的其他部分与实施例1相同。实施4如附图9所示，本实施例所示的是另一种结构的硅芯棒，其横截面为具有两个弧 状弯曲部的弯曲状，且两个弧状弯曲部反向分布呈S状，硅芯棒的厚度均勻。本实施例的其他部分与实施例1相同。当然，本实施例中的弧状弯曲部还可以有多个，其分布既可以采用S状分布，也可 以采用连续的同向分布，类似于波浪形。实施例5如附图9-12所示，本实施例所示的是一种用于生长多晶硅的硅芯结构，其包括两 根有间隔设置的竖硅芯棒1和一根横硅芯棒2，横硅芯棒2横向搭接在两根竖硅芯棒1的 顶端，横硅芯棒2和竖硅芯棒1均为高纯硅材质，其横截面均为弧形状，本实施例中两根竖 硅芯棒1背向设置，两根竖硅芯棒1的顶端带有弧形状的凹槽，与所述横硅芯棒2外表面形 状相适配，横硅芯棒2搭接在凹槽内，横硅芯棒2的弧形表面与凹槽的表面均勻接触。其 中，硅芯棒的厚度可为0. 5mm-5mm,优选厚度为1. 55mm,其宽度可为20mm-100mm，优选宽度 为 50mm。
当然，本实施例中的硅芯棒的横截面形状还可采用实施例2-4中的任意一种，则 两根竖硅芯棒1的顶端有与所述横硅芯棒2外表面形状相适配的相应的形状。本实施例的其他部分采用已有技术，在此不再赘述。实施例6如附图13所示，本实施例与实施例5基本相同，不同之处在于本实施例中，两根 竖硅芯棒1相向设置。本实施例的其他部分与实施例5相同。上述实施例仅用于对本发明的说明，并非对其限制，本领域的技术人员还可以依 据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出 说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种硅芯棒，为长条状，其特征是其横截面为具有至少一个弧状弯曲部的弯曲状。
2.根据权利要求1所述的硅芯棒，其特征是所述硅芯棒的横截面为弧状。
3.根据权利要求1或2所述的硅芯棒，其特征是所述硅芯棒的厚度为0.5mm-5mm。
4.根据权利要求3所述的硅芯棒，其特征是所述硅芯棒的厚度为1.55mm。
5.根据权利要求1或2所述的硅芯棒，其特征是所述硅芯棒的宽度为20mm-100mm。
6.根据权利要求5所述的硅芯棒，其特征是所述硅芯棒的宽度为50mm。
7.一种用于多晶硅生长的硅芯结构，包括两根竖硅芯棒(1)，横向搭接在两根竖硅芯 棒(1)顶端的横硅芯棒(2)，其特征是所述横硅芯棒(2)和竖硅芯棒(1)的横截面均为具 有至少一个弧状弯曲部的弯曲状，所述两根竖硅芯棒(1)的顶端具有与所述横硅芯棒(2) 外表面形状相适配的形状。
8.根据权利要求7所述的用于多晶硅生长的硅芯结构，其特征是所述的横硅芯棒(2) 和竖硅芯棒(1)的厚度为0. 5mm-5mm。
9.根据权利要求8所述的用于多晶硅生长的硅芯结构，其特征是所述横硅芯棒(2) 和竖硅芯棒(1)的厚度为1. 55mm。
10.根据权利要求7或8或9所述的用于多晶硅生长的硅芯结构，其特征是所述硅芯 棒的宽度为50mm。
全文摘要
本发明公开了一种硅芯棒，属于西门子法生产多晶硅技术领域。其为长条状，其横截面为具有至少一个弧状弯曲部的弯曲状。本发明还公开了一种用于多晶硅生长的硅芯结构，其包括两根竖硅芯棒(1)，横向搭接在两根竖硅芯棒(1)顶端的横硅芯棒(2)，所述横硅芯棒(2)和竖硅芯棒(1)的横截面均为具有至少一个弧状弯曲部的弯曲状，所述两根竖硅芯棒(1)的顶端具有与所述横硅芯棒(2)外表面形状相适配的形状。本发明通过对硅芯棒的形状进行特殊设计，使得硅芯棒的表面积增大，多晶硅在反应初期的沉积面积增大，有利于提高多晶硅的初期生长速率和转换率，并降低能耗。
文档编号C30B29/06GK101979721SQ201010285968
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月19日 优先权日2010年9月19日
发明者刘添华, 张江城, 邹志勇, 靳忠磊 申请人:山东伟基炭科技有限公司