技术领域本公开涉及适合在用于生产多晶硅棒的化学气相沉积反应过程中使用的方法和装置。
背景技术：
在半导体工业中使用的高纯度硅通常通过被称为化学气相沉积(“CVD”)的过程来生产。将具有硅内含物的气体在反应仓室中加热至高温，使其分解并沉积元素硅。多晶硅生产的一种广泛使用的方法被称为西门子方法。在这种方法中，将含硅气体例如单硅烷或三氯硅烷分解，并将多晶硅沉积在位于CVD反应器仓室内的电加热的高纯度细硅棒上。所述细硅棒有时被称为细丝、种晶棒或启动棒。硅沉积在细丝上，由此生长出直径更大的棒。将棒维持在通常为700℃至1100℃的高温下，以使气体分解并使硅沉积在棒的表面处。在西门子过程中，细丝和得到的生长的多晶硅棒通常通过将电流沿着所述细丝或棒通过来进行电阻加热，以提供分解含硅气体所必需的热能。细丝被附连到电极，所述电极通过反应器的底板提供电力。电极通常包含铜并具有位于反应仓室内部的带外螺纹的顶部部分。电极通常通过被称为卡盘的中间碳零件连接到硅细丝。在某些西门子型反应器中，卡盘具有带内螺纹的插口，所述内螺纹与电极的螺纹匹配。通过将卡盘拧在电极上，将它安装在反应器中，这是繁琐且耗时的过程。然后将细丝安放在由卡盘限定的其他插口中。这一过程为安装卡盘的操作人员带来问题，并且有时引起人体工学伤害。目前的卡盘排列方式可以减缓生长出的硅棒的收获，这是一个问题。在最常用款式的反应器中，在收获硅棒时，收获臂将硅棒直接向上拉出，这在硅棒和/或卡盘从与电极的连接摆脱之前对电极施加了应力。存在着损坏电极或引起硅棒在不希望的位置处断裂的可能性，这可能不利地影响反应器得率。因此，对有效地生长和收获硅棒而不损坏连接的电极或冒伤害操作人员的风险的方法和装置，存在着需求。此外，对用于生长硅棒的允许更快地收获和/或提高得率的方法和装置，存在着需求。发明简述本文中公开了硅反应器、组件和方法，其涉及在西门子型反应器中使用卡盘支撑元件作为电极与卡盘之间的中间零件。这种中间零件可以由铜或铜合金(例如铜铬合金)形成。所述中间零件可以具有与电极的螺纹部分匹配的带螺纹的孔。所述零件可以具有足够低的侧面(高度)以防零件过热，所述过热可能影响得率和质量。所述零件的外侧表面可以是逐渐变细的，并且尺寸被制造成使所述零件可以被接纳并牢固地安放在卡盘的匹配的腔中。所述零件和卡盘的表面可以通过机械加工形成。所述卡盘支撑元件可以保护电极螺纹的完整性。包含这样的卡盘支撑元件避免了当将带螺纹的碳卡盘从带螺纹的电极取下时否则可能发生的对电极螺纹的损坏。包含这种中间零件能够使操作人员加快反应器的装载和卸载，提高电极的机械完整性，减小硅棒和电极上的应力，并可能增加收获的硅棒的平均长度。从下面参考附图进行的详细描述，本发明的上述和其他特点和优点将变得显而易见。附图简述在所述图中：图1是含有细丝夹持组件的西门子型反应器的竖直剖面示意图，每个所述细丝夹持组件包括在西门子型反应器中使用的卡盘和卡盘支撑元件。图2是包括在西门子型反应器中使用的卡盘和卡盘支撑元件的细丝夹持组件的前部正视图。图3是沿着图1中的线3--3获得的横截面图，另外示出了电极和一部分细丝。图4是图1的卡盘支撑元件的前部正视图。图5是图1的卡盘支撑元件的底部平面图。详细描述当在本文中使用时，没有具体数量的指称包括复数指称物，除非上下文明确指明不是如此。此外，当在本文中使用时，术语“包含”意味着“包括”。当在说明书或权利要求书中使用时，除非另有指明，否则表述部件的数量或尺寸、百分率、温度、倍数等的所有数字，应该被理解为被术语“约”修饰。因此，除非另有含蓄或明确的指示，否则所提出的数值参数是近似值，其可能取决于所寻求的目标性质、在标准试验条件/方法下的检测极限或两者。当将实施方式与所讨论的现有技术直接且明确地进行区分时，除非叙述了单词“约”，否则实施方式的数字不是近似值。在西门子过程中使用的CVD反应器通常具有钟形罩构造，其包括底板或底面元件，其上固定地安装有壳或穹顶元件，所述壳或穹顶元件限定了气密的反应仓室。西门子型反应器的实例描述在大量出版物中，例如US4805556A、US5545387A、US6221155B1、US6544333B2和US6749824B2。在西门子型反应器中，将细丝附连到电极，所述电极延伸通过底板，并将电流通过底板传送到细丝。电极通常是铜，并且具有位于反应仓室内部的带外螺纹的顶部部分。电极通过被称为“卡盘”的碳零件与硅细丝物理和电连接。含硅气体源(未示出)与仓室连通。根据需要将含硅气体从所述气体源进料到仓室中。并且根据需要将废气从仓室抽出。电流对细丝进行充分加热，使仓室中存在的含硅气体分解并将硅沉积在细丝上。本文中描述了西门子型反应器、细丝夹持组件和在这样的反应器中使用的其他部件。在本文描述的系统中，卡盘具有接纳并夹持细丝的末端的插孔。卡盘支撑元件位于卡盘与相应的电极之间。在包含沉积在细丝上的硅的生长出的硅棒的收获期间，卡盘可以与细丝一起取出。使用本文描述的细丝夹持组件，当将硅棒从电极拉出时，卡盘可以与保留在电极上的卡盘支撑元件可滑动地分开。然后可以将卡盘支撑元件重新用于其他卡盘和细丝。在某些情况下，当收获硅棒时卡盘将保持安放在卡盘支撑元件上；但是更通常，卡盘随着硅棒被取出。当使用本文描述的细丝夹持组件时，与常规西门子型系统相比，细丝、卡盘和电极经受较小应力。在某些情况下，本文描述的组件和反应器允许迅速完成细丝的装载和/或卸载。在某些情况下，本文描述的组件和反应器导致产率提高。在某些情况下，与卡盘被直接放置在电极上的运行相比，在硅沉积期间，卡盘的温度和/或卡盘内的温度分布被卡盘支撑元件的存在所改变。例如，在某些实施方式中，插孔内或在夹持细丝的插孔附近的卡盘内的温度被降低到更加优化的温度，导致沉积的多晶硅更少分解并提高得率。这样的温度调节，可以通过将冷却液例如去离子水经通过每个电极延伸的一个或多个通路和/或通过反应器的与电极相邻的底面延伸的通路循环，来实现。图1示出了化学气相沉积反应器2，其具有包括底板3和钟形罩元件4的壁。底板3与钟形罩元件4匹配，并一起提供了具有限定了反应仓室5的气密壁的容器。底板3和钟形罩元件4是双重壁结构，具有通路P1、P2，冷却液可以通过所述通路循环以冷却壁的面朝内的表面。在图示的底板3中，冷却液从入口I1流向出口O1。在图示的钟形罩元件4中，冷却液从入口I2流向出口O2。一个或多个电极6可以从壁有利地通过底板3朝向仓室内部。在图1中，两个电极6通过底板3延伸，其中每个电极6的带外螺纹的部分6a延伸到仓室5中。电极6与外部电源电连接，将电流通过细丝夹持组件7施加到细丝8a、8b，以加热细丝。电源可以是常用于西门子型CVD反应器的类型的常规交流电源。冷却剂通路P1被构造成引导冷却液足够靠近电极6流动，以冷却电极。电极6也可以通过延伸到仓室5中并限定了向电极附近供应冷却液的通路的冷却管线(未示出)来冷却。冷却管线可以与电极物理接触。冷却管线、包括同心排列管线的实施方式，描述在US6544333B2中，所述文献通过参考并入本文。冷却液通常为水。但是在某些实施方式中，另一种冷却液或加热介质可以通过一个或多个通路循环。将细丝夹持组件7支撑在每个电极6上。细丝8a、8b从每个细丝夹持组件7竖直延伸。细丝8a、8b的上部末端通过水平的细丝或桥9连接，以完成两个电极6之间的电路。图示的两个竖直细丝和桥的排列方式常常使用，并且有时被称为“发夹”。在反应仓室中可以含有多对电极和支撑在其上的发夹。在图示的系统中，一个或多个发夹组件可以支撑在通过底板3延伸的电极上。正如在图2-5中最好地看到的，每个细丝夹持组件7可以包含导电的卡盘支撑元件10和具有用于夹持细丝8的插孔的导电的卡盘30。因此，细丝夹持组件7是在电极之间延伸并包括夹持组件7和细丝8、9的电路的一部分。如图4中所示，卡盘支撑元件10可以具有带有被构造用于啮合电极的近端表面16的近端12，以及被构造用于插入到卡盘30中的远端14。近端表面16可以限定横截面为圆形的插口17，其具有带内螺纹的圆柱壁表面16a。带螺纹的壁表面16a的尺寸和形状被制造成能够接纳并啮合电极6的带外螺纹的部分6a。可以通过将电极的带外螺纹的部分6a与卡盘支撑元件10的带内螺纹的圆柱壁16a对齐，并相对于电极旋转卡盘支撑元件，将卡盘支撑元件10紧固在电极6上。有利情况下，插口17足够深，以便容纳电极6的整个暴露的部分，并且至少基本上容纳电极的整个带螺纹的部分6a，以便可以通过与冷却的电极的最大表面积接触，将卡盘支撑元件10维持在相对低的温度。在近端12与远端14之间延伸的是面朝外的中间表面18。该中间表面18可以包含逐渐变细部分20，其在轴向上从近端12向远端14逐渐变细。卡盘支撑元件10最好具有低的侧面，以帮助防止卡盘支撑元件超过反应物气体分解并将硅沉积在细丝夹持组件7上的温度，并避免热诱导的从细丝夹持组件7的放气。具体来说，有利情况下，当在卡盘支撑元件的近端12与远端14之间测量时，卡盘支撑元件10具有1.2至2.5英寸的高度H，尽管其他高度也是可能的。如果卡盘支撑元件10延伸到高于冷却的电极6的上部末端过高的高度，则卡盘30可能被加热到使不想要的大量硅沉积在细丝夹持组件7上的温度。包括卡盘30和卡盘支撑元件10的细丝夹持组件7的部件，具有允许用于西门子型反应器中的必要的韧性、机械加工性、导电率和其他特征。有利情况下，卡盘支撑元件10包含基本上非碳的导电材料。在某些实施方式中，卡盘支撑元件10包含铜或铜铬合金(例如C182或C101铜铬合金)。在某些实施方式中，卡盘支撑元件10基本上由或铜铬合金构成。有利情况下，卡盘支撑元件10的整个体积由导电材料构成，例如整个由铜或铜铬合金构成。然而，在某些实施方式中，卡盘支撑元件10和/或卡盘30可以具有一个或多个电绝缘部分。这些电绝缘部分可能是基本上不导电的和/或与卡盘30或卡盘支撑元件10的其他部分相比导电性较低。但是电极6和支撑在其上的细丝8必须电连通。卡盘支撑元件10的中间表面18可以具有非圆形表面部分，其被构造成与用于将卡盘支撑元件10围绕插口的圆柱壁的轴旋转的工具摩擦啮合。有利情况下，卡盘支撑元件10可以具有至少一个工具啮合表面部分，其被放置成与扳手或一副钳子的钳口摩擦啮合。图示的实施方式具有4个工具啮合表面部分50，它们总体上是平坦的，平行于插口17的轴延伸，并如图5中所示在中间表面18附近被隔开。当与平坦表面部分50成法向测量时4个平坦表面部分50可以距中央轴等距离。在图示的实施方式中，存在两对直接相对的表面部分50，每对的表面彼此平行延伸，并位于圆柱壁16a的轴的相对侧上。正如所示，一对的平行的平坦表面可以与垂直于对应于另一对平行平坦表面的平面的平面相重合。换句话说，一对的平坦表面与另一对的平坦表面总体上垂直地延伸。在其他实施方式中，可以存在更多或更少的平坦表面部分，例如2、3、5或6个平坦表面部分。尽管术语“平坦的”在这里被用于指称图示的实施方式，但卡盘支撑元件表面的工具啮合部分不需要是完全平坦或扁平的，而是只需提供具有非圆形横截面的表面区域，使得工具可以在所述区域处啮合卡盘支撑元件10并施加力量，以促使卡盘支撑元件相对于其上安装有卡盘支撑元件的电极6围绕轴A1旋转。作为提供图中示出的啮合工具的平坦表面部分的可替代方案，卡盘支撑元件10可以具有至少一个从卡盘支撑元件的表面18向外延伸的径向突出的耳片或凸缘(未示出)，其中所述耳片的尺寸和形状被制造成与适合于施加力以使卡盘支撑元件相对于电极6围绕轴A1旋转的工具啮合。参考图2-3，图示的卡盘30具有被构造成用于接纳卡盘支撑元件10并被其支撑的近端32，并具有被构造成用于夹持细丝的远端34。远端34可以包含远端表面36，其限定了被构造用于接纳细丝8的末端部分37的插孔38。远端表面36包括细丝啮合表面部分39，其被放置成支撑插孔38中的细丝8。近端32可以包含限定了腔42的近端表面40。具体来说，近端表面40可以具有喇叭形侧壁表面44，其面朝内，朝向近端32逐渐变粗，并且总体上与卡盘支撑元件的中间表面的逐渐变细部分20相符，并具有位于腔42的底部处的末端壁表面46。图示的末端壁表面46垂直于轴延伸，但这并不是在所有实施方式中必需的。卡盘支撑元件的远端14可以接纳在腔42中，其中逐渐变细表面20的至少一部分与喇叭形侧壁表面44的至少一部分楔入啮合。有利情况下，腔42具有足够的深度D，并且喇叭形侧壁表面44的角度和逐渐变细表面20的角度使得在卡盘支撑元件10的远端34与卡盘30的末端壁表面46之间限定有间隙48。为了避免细丝8晃动，喇叭形侧壁表面44与逐渐变细表面20啮合比卡盘支撑元件10的远端14与卡盘30的末端壁表面46啮合更好。这种图示的轴向延伸的表面楔入啮合的排列方式，也避免了对部件进行精密机械加工，以使卡盘支撑元件10的外部与卡盘30的限定了腔42的表面完全相符以防细丝晃动的需求。间隙48的存在也是更为有利的，因为它为细丝夹持组件7提供了膨胀的余地，在所述细丝夹持组件中卡盘支撑元件10和卡盘30分别由不具有完全相同的热膨胀系数的不同材料制成。图示的卡盘30具有在卡盘的远端表面36与近端表面40之间延伸的面朝外的中间表面52，其中中间表面52的至少一部分54不是逐渐变细的。图示的中间表面52还具有逐渐变细部分56，其可以位于插孔38附近并且朝向远端34逐渐变细。有利情况下，在安装的细丝夹持组件7中，该逐渐变细部分56远离非逐渐变细部分54。远端34也可以包含远离中间表面52的逐渐变细部分56的非逐渐变细表面58。有利情况下，卡盘支撑元件10的外周和卡盘30的内周两者，在逐渐变细部分20与喇叭形侧壁表面44啮合的位置处具有相同的横截面形状。使用这种排列方式，当将卡盘支撑元件插入到卡盘中时，在卡盘支撑元件10和卡盘30的表面之间，在逐渐变细部分与喇叭形侧壁表面相遇的区域处，围绕逐渐变细部分20与喇叭形侧壁表面44的整个外周，形成紧密密封。所述密封阻断了反应物气体流入腔42中。为了便于形成良好的密封并便于将卡盘支撑元件10插入到卡盘30中，逐渐变细部分20和喇叭形侧壁表面44两者在轴向横截面上可以是圆形的。例如，在图示的实施方式中，每个逐渐变细表面部分20和喇叭形表面部分44是正圆锥的平截头体。在这种实施方式中，细丝夹持组件7具有轴A1，每个逐渐变细部分20和侧壁表面44绕轴对称，并且逐渐变细部分20和侧壁表面44两者的轴与轴A1重合。当将组件7安装在反应器2中时，轴A1总体上竖直延伸。在图示的实施方式中，逐渐变细表面20的轴和侧壁表面44的轴也与插口17的带螺纹的圆柱壁表面16a的轴重合。有利情况下，除了工具啮合表面之外，卡盘支撑元件和卡盘是对称的，以细丝夹持组件7的轴A1为对称轴。卡盘支撑元件10的中间表面18的逐渐变细部分20和卡盘30的近端表面40的侧壁表面44可以具有各种不同的斜度。参考图4，逐渐变细部分20可以以相对于轴呈10至22度的角α逐渐变细。在某些实施方式中，该锥角为12度至16度，特别是14度。如果角α过大，则卡盘支撑元件10和卡盘30将具有不想要的大直径。如果所述角过小，则卡盘30将延伸到距冷却的电极不想要的远距离，使得卡盘的过热可能变成问题。最好情况下，侧壁表面44以与逐渐变细部分20的锥角近似相同的角成为喇叭状。在某些实施方式中，逐渐变细部分20的锥角尽管与喇叭形侧壁表面44的斜度相近，但略微不同，使得卡盘支撑元件10的远端14不完全地插入到腔42中，在逐渐变细部分20与喇叭形侧壁表面44之间，在逐渐变细部分20的一部分外部周围留下少量空间。当逐渐变细表面20与喇叭形表面44的角度不一致时，逐渐变细表面与喇叭形表面之间的摩擦减小，这可以使在生长出的硅棒的收获期间将卡盘支撑元件10与卡盘30分开更容易。在各种实施方式中，可以从给定反应器内的多个卡盘延伸出多个总体上竖直延伸的细丝。每个细丝可以具有安放在分开的卡盘的插孔中的下部末端。每个卡盘可以被放置在如上所述的卡盘支撑元件顶上。反应器可以包含一个或多个桥，每个桥在两个细丝的上部末端之间延伸，形成发夹。当反应器2正在使用时，可以通过经电极6、卡盘支撑元件10和卡盘30向细丝8供应电流，来加热细丝8。将含硅前体气体供应到加热的细丝，使得气体热解分解，并将硅沉积在细丝8上，以产生直径增加的多晶硅棒。在图1的系统中，前体气体经气体入口I3递送到仓室5中。用过的前体气体经气体出口O3离开仓室5。可以将卡盘30和直径增加的多晶硅棒同时从卡盘支撑元件10取下以收获多晶硅棒。具体来说，可以通过向上拉硅棒以使卡盘30在轴向上滑离卡盘支撑元件10，将卡盘30和多晶硅棒取下，而不用首先将多晶硅棒与卡盘30分开，也不用将卡盘支撑元件10从电极6取下。卡盘支撑元件10可以是可重复使用的。在收获后，可以将新的卡盘和细丝置于卡盘支撑元件10的远端14上，并用于生产第二个多晶硅棒。在某些实施方式中，卡盘支撑元件10可以继续使用多次，例如继续使用2、3、4、或5次，以生产另外的多晶硅棒，例如生产2、3、4或5个另外的多晶硅棒。在图示的实施方式中，细丝8竖直延伸。在收获期间，卡盘竖直向上滑动。然而，在某些类型的反应器中，细丝可以水平或以某些其他方向安装。在这样的反应器中，在收获期间，取决于反应器中细丝的取向，卡盘可以水平或在某些其他方向上滑动。有鉴于所公开的发明的原理可以适用于许多可能的实施方式，因此应该认识到，示出的实施方式仅仅是本发明的优选实例，不应被当作对本发明范围的限制。相反，本发明的范围由权利要求书限定。本发明包括进入这些权利要求项的范围和精神之内的所有情况。