专利名称：包括热辐射屏蔽的用于西门子反应器的钟罩的制作方法
包括热辐射屏蔽的用于西门子反应器的钟罩
背景技术：
该部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求权利的本发明的各方面相关的本领域的各方面。相信该讨论对于向读者提供背景信息以利于更好地理解本发明的各方面是有帮助的。因此，应当理解，这些陈述是用于考虑到此来阅读的，并不是承认作为现有技术。高纯多晶态的硅(多晶硅)是用于制造电子元件和太阳能电池的原材料。它可通过硅源气体借助氢气的热分解或还原获得。本领域技术人员称该工艺为化学气相沉积(CVD)。多晶硅可在所谓的西门子反应器中生产。在这些CVD反应器中的元素硅的化学气相沉积发生在所谓的细棒的硅棒上。棒放置在西门子反应器的金属钟罩中，并电连接到电源上。当将电流供给棒时，这些棒通过电阻加热被加热到1000°C以上。包括氢气和硅源气体——例 如三氯硅烷——的反应气体被引入钟罩中。当气体混合物接触棒的表面时,气体混合物通过传导热传递被加热，使得在娃棒的表面上发生CVD反应。由于棒的温度高，在棒处转换成热能的大部分电能从棒的表面福射出来。来自于每个棒的热辐射的一部分变成入射到相邻的棒上并被该棒吸收，因此有助于棒的加热。反应气体能够透过热辐射，且因此热辐射的能量不会传递给反应气体。相反地，大部分热辐射到达西门子反应器的钟罩的金属壁。金属壁至少部分吸收入射的热辐射。在金属壁处的热量通过对流传递给穿过围绕金属壁的冷却管道流动的液体。将热从金属壁传递走防止了壁的腐蚀，机械地稳定了在压力下的壁，并防止了硅沉积在壁上。
发明内容
在一方面,描述了一种用于经由化学气相沉积工艺在多个加热的娃棒上沉积多晶硅的西门子反应器的钟罩，所述钟罩一般地包括导热内壁，该导热内壁具有至少部分限定内部空间的内表面，该内部空间适于在其内接纳多个加热的硅棒。在内部空间中的热辐射屏蔽与所述内壁的内表面大体上邻接并与该内表面处于相对的关系。热辐射屏蔽基本上不透过从在钟罩的内部空间中的多个加热的硅棒发出的热辐射。在另一方面,描述了一种在用于经由化学气相沉积工艺在多个加热的娃棒上沉积多晶硅的西门子反应器的钟罩中构造辐射屏蔽的方法，该方法一般地提供围绕钟罩的内壁的内表面的成至少一排的多个安装元件。所述内壁的内表面至少部分限定钟罩的内部空间，该内部空间适于接纳多个加热的硅棒。将多个热辐射屏蔽元件安装在安装元件上，使得热辐射屏蔽元件围绕钟罩的内壁的内表面相对于彼此并排设置。热辐射屏蔽元件基本上不透过在化学气相沉积工艺期间从在钟罩的内部空间中的多个加热的硅棒发出的热辐射。在再一方面，描述了一种减少西门子反应器中的由于在西门子反应器的钟罩的内部空间中的加热的硅棒发出的热辐射导致的热量损失的方法，该方法一般地包括向布置在西门子反应器的钟罩的内部空间中的娃棒供给电能。娃棒将电能转换成热能，从而娃棒发出热辐射。使用在钟罩的内部空间中的热辐射屏蔽反射和吸收从硅棒发出的热辐射。所述热辐射屏蔽固定成与钟罩的内壁成相对的关系。所述热辐射屏蔽基本上不透过从硅棒发出的热辐射。与上述方面相关的特征都存在各种改进之处。进一步的特征也同样可以结合在上述方面中。这些改进之处和附加特征可单独地或以任意组合存在。例如，下面结合示出的任一实施例讨论的各个特征都可单独地或以任意组合结合在上述方面的任一个中。
图I是用于西门子反应器的改良钟罩的实施例的前视正视图；图2是沿图I的2-2线剖开的改良钟罩的纵剖图；图3是图2的纵剖图的局部放大视图，其中，屏蔽元件从钟罩移除；图4是图2的纵剖图的局部放大视图； 图5是图3的局部放大视图，示出固定在钟罩的内壁上的吊架；图6是钟罩的热辐射屏蔽元件的前视平面图；和图7是在图5中的热辐射屏蔽元件的端面正视图。
具体实施例方式现在参考附图且尤其是参考图I至图3，用于西门子反应器的钟罩的一个实施例整体上由10指示。如本说明书中所使用的，术语“西门子反应器”广义上用于指在通过化学气相沉积(CVD)的多晶态的硅(多晶硅)的生产中使用的反应器。术语“西门子反应器”并不限于任何具体的反应器型号或制造商。钟罩10—般地包括金属内壁12 (图2和图3)，该金属内壁12是大体上圆柱形的且是导热的。内壁12具有敞开的底部和部分限定用于容纳多个硅棒(例如，高达12-18个棒，或者高达36个棒，或者甚至高达54个棒)的内部空间14的内表面。在工作过程中，硅棒(未示出)安装在反应器的底板(未示出)上，并向上延伸至内部空间14内。如本领域通常所知道的，硅棒电连接到电源(未示出)，以通过电阻加热将硅棒加热到1000°C或更高的温度。钟罩10还包括圆屋顶状顶部16 (图2)以及围绕内壁12的外表面和圆屋顶状顶部16的外表面的冷却套18，该圆屋顶状顶部16 —体地形成在内壁12的上部部分上，该冷却套18至少部分限定导管20。内壁12和圆屋顶状顶部16 —起限定内部空间14。如本领域通常所知道的，在CVD工艺中使用的反应气体——例如硅烷、氯硅烷、氢气和氯化氢——通过一个或更多个进气口(未示出)引入内部空间14内。在CVD工艺期间还未在硅棒上沉积的气体经由出气口(未示出)从内部空间去除。冷却套18包括一个或更多个入口(未示出)和一个或更多个出口(未示出)。冷却液体源(未示出)可流体连接到冷却套18的入口，用于连续地将液体输送至导管20。如本领域通常所知道的，在导管20中的流动冷却液体与金属内壁16热接触,从而由内壁吸收的所有入射的热辐射通过强对流热传递传递给冷却液体，并从反应器去除，而对于CVD工艺没有任何贡献。参考图2至图5，改良钟罩10还包括在内部空间14中的热辐射屏蔽，该热辐射屏蔽整体上由30指示。热辐射屏蔽30包括安装在内壁12上的多个屏蔽元件32。在示出的实施例中，屏蔽元件32呈大体上细长形的薄片或板的形式，该薄片或板并排地设置成上排和下排(图2)。在一个实施例中，屏蔽元件32可由硅形成。相信在CVD工艺期间由硅形成的屏蔽元件32不会污染硅棒。此外，在硅屏蔽元件32使用若干批次循环后，所述屏蔽元件可在后续处理一例如蚀刻一后作为低级别硅产品出售，或可再次循环使用。在一个示例中，屏蔽元件32可从通过合适的工艺——例如直拉生长——生长的准单晶棒上切割下来。在其它实施例中，屏蔽元件32可由其它含硅材料一例如二氧化硅、碳化硅、涂有碳化硅的碳复合材料一形成。屏蔽元件32还可由其它材料形成，包括不含硅的材料，这不脱离本发明的范围。屏蔽元件32的上排和下排中的每一排都跨越钟罩10的内壁12的基本上整个圆周，且上排和下排跨越内壁的从邻近钟罩10的敞开的底部到邻近钟罩的圆屋顶状顶部16的基本上整个高度。屏蔽30与内壁12的内表面区域的至少大部分相对或覆盖内壁12的内表面区域的至少大部分，并可覆盖内壁12的内表面区域的至少约80%，且更适合地覆盖内壁的内表面区域的至少约88%以及内壁和圆屋顶状顶部16的组合内表面的约67. 5%ο屏 蔽30可与内壁12的内表面区域的其它百分比相对或覆盖内壁12的内表面区域的其它百分比，这不脱离本发明的范围。此外，在其它实施例中，屏蔽30还可与圆屋顶状顶部16的一部分或大部分相对或覆盖圆屋顶状顶部16的一部分或大部分。在示出的实施例中(图2至图4)，屏蔽元件32安装在整体上由36指示的吊架(广义上安装元件)上，所述吊架固定在内壁12的内表面上。在示出的实施例中，每个吊架36是包括体部元件36a和凸缘元件36b的两件式组件，该体部元件36a从内壁12向内部空间14的中心延伸,该凸缘元件36b固定在体部元件的末端并向上伸出越过体部元件的上表面以限定上唇缘40。在示出的实施例中，每个吊架36 (经由螺栓42)螺栓连接在金属环44上，该金属环44焊接或以其它方式固定在内壁12上。参考图5，示出的环44中的每一个包括凸耳(ledge) 45，该凸耳45被接纳在形成于吊架36的体部元件36a中的相应的凹槽46中，以将吊架定位在环上并为吊架提供额外的载荷支承。吊架36可以具有其它构造，并可以其它方式构造并固定在内壁12上，这不脱离本发明的范围。每个屏蔽元件32具有在其上部部分的开口 48，该开口 48的尺寸和形状形成为接纳吊架36中的其中一个。尤其是，开口 48的尺寸和形状形成为允许屏蔽元件32移开并越过吊架36的上唇缘40。上唇缘40起到防止屏蔽元件32不小心从吊架36滑落的止动器的作用；必须向上提起屏蔽元件32，并然后朝内部空间14的中心向内移动屏蔽元件32，以便将屏蔽元件从吊架36移除。通过使吊架36的体部元件36a接纳在开口 48内，部分限定开口 48的上外周边缘停靠在体部元件的上表面上。在示出的实施例中，上横杆或平台50和下横杆或平台50例如通过焊接固定在内壁12上，并沿周向围绕内壁。屏蔽元件32的底部停靠在各自的平台50上，以便为屏蔽元件提供额外的支承，并且当钟罩移动时且尤其是当钟罩向上抬起以从反应器移除棒时，防止屏蔽元件撞击相邻的屏蔽元件。在示出的实施例中，下平台50具有在其上表面中的凹部或槽51，屏蔽元件的底部被接纳在该凹部或槽51中。虽然未示出，但是上平台50也可具有槽。作为替代，两个平台都可具有基本上平的上表面或其它轮廓，这不脱离本发明的范围。在一个实施例中，屏蔽元件32悬挂在各自的吊架36上，并停靠在各自的平台50上，使得屏蔽元件与内壁16间隔开(即，不接触)。在另一示例中，钟罩10可不包括一个或更多个平台50，屏蔽元件32因此可自由地悬挂在吊架36上。例如，可省略上平台50。如图3最好地示出的，当屏蔽元件32悬挂在各自的吊架36上时，在每个屏蔽元件中部分限定开口 48的下外周边缘与相应的吊架36的下表面间隔开。换言之，每个开口 48的尺寸使得在吊架36的体部36a和限定开口的下外周边缘之间存在松弛或膨胀间隙52。膨胀间隙52的尺寸适于允许屏蔽元件32由于在CVD工艺中的热膨胀而相对于吊架36纵向运动。允许屏蔽元件32在热膨胀期间纵向运动防止了由于在吊架36和平台50之间的受限的固定空间导致的压载荷作用在屏蔽元件上。而且，为了防止纵向的压载荷作用在下排的屏蔽元件32上，下排的屏蔽元件的上部部分可与上平台50间隔合适的距离，以防止屏蔽元件在热膨胀期间按压上平台。此外，为了防止横向压载荷作用在屏蔽元件32上，在每排中的相邻屏蔽元件可彼此横向间隔合适的距离，以避免屏蔽元件在热膨胀期间按压或挤压横向相邻的屏蔽元件。屏蔽元件32的总数量和尺寸以及屏蔽元件在钟罩10中的配置(例如，排数，包括单排)取决于用于特定反应器的钟罩的尺寸。在示出的实施例中，钟罩10的尺寸和形状形成为在单个CVD工艺中处理12-18个硅棒。在该钟罩10中且如图所示，热辐射屏蔽30可适合地包括两排屏蔽元件32 (即，上排和下排)。尺寸和形状形成为用于12-18个棒的钟罩10的一个示例可在每排中包括32个屏蔽元件32。此外，在该钟罩10中，每个屏蔽元件 32 (图5和图6)可具有约900mm至约IlOOmm的长度L、约IOOmm至约200mm的宽度W和约7mm至约9_的厚度。在其它实施例中，屏蔽30可适合地包括更多排或更少排热屏蔽元件32、更多或更少数量的屏蔽元件，并且每个屏蔽元件可更短或更长、更宽或更窄以及更厚或更薄。在反应器工作过程中，来自于电能源的电能施加到在钟罩10的内部空间14中的硅棒上。硅棒本身的电阻将电能转换成热能或热量。热能通过传导传递给与棒的暴露表面接触的反应气体，这促进了在硅棒表面上的反应，以在棒表面上产生多晶硅沉积。大部分热能作为热辐射从棒表面发出。然而，因为反应气体能够透过热辐射，所以上述热能不直接传递给气体，并且无助于气体的加热。热辐射屏蔽30基本不透过热辐射，并防止至少大部分从加热的硅棒发出的热辐射到达内壁，否则，该热辐射将入射到金属内壁16上。在热辐射屏蔽30包括多个硅屏蔽元件32的实施例中，相信入射到屏蔽上的约80%的热辐射被屏蔽元件吸收。该数值由硅的发射系数决定，根据文献，该数值为约O. 8。吸收的热辐射有助于增加屏蔽元件32的内能。因此，屏蔽元件32根据它们的温度在包括朝向内壁12的所有方向发出热辐射。然而，屏蔽元件32处于比硅棒更低的温度，因此来自屏蔽元件的入射热辐射小于来自硅棒的入射热辐射。因此，与使用不包括热辐射屏蔽30的未改良钟罩10相比，较少的热量必须由冷却套18去除。由于硅基本上是不透热的(硅的传递系数是可忽略不计的)，因此硅屏蔽元件32中的每一个还将入射热辐射的约20%反射回硅棒。上述反射的辐射然后可被硅棒吸收，以给棒增加热量，这继而将热量传导给棒表面的反应气体。基于CFD模拟，根据反应器的类型，硅屏蔽30可减少入射到内壁16上的热辐射约30-48%。不坚持任何具体理论，因为在屏蔽元件32上的入射热辐射在小型反应器中更强烈，所以热辐射屏蔽可对较小的反应器(例如，12-18个棒反应器)具有更显著的影响并且对较大的反应器(例如，54个棒反应器)具有较小的影响。这可能是因为，与较大的反应器相t匕，有较少的硅棒阻碍热辐射到达屏蔽。因为硅屏蔽30减少了在内壁16上的入射热辐射，并将热辐射反射和发射回硅棒，所以热辐射屏蔽应该会增加西门子反应器的能量效率。基于CFD模拟，与使用未改良的西门子反应器的钟罩的CVD工艺相比，在包括具有热辐射屏蔽30的改良钟罩12的西门子反应器中完成一个CVD工艺所需要的总能量降低约20%至约30%。上述书面的说明书使用了示例以公开本发明，包括最佳方式，并还使得本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统，并实施任何相关的方法。本发明的可专利性范围可包括本领域技术人员能够想到的其它示例。所述其它示例旨在本发明的范围内。在本文示出和描述的本发明的实施例中，执行顺序或工作性能不重要，除非另有说明外。也就是说，除非另有说明外，操作可以任何顺序实施，与本文公开的实施例相比，本发明的实施例可包括附加操作或更少操作。例如，可考虑在另一操作之前、同时或之后实行或实施特定的操作也在本发明的范围内。当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一” “一个” “该”和“所述”旨在表示有 一个或更多个该元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在包括在内的，并意味着除了列出的元件外还有另外的元件。由于在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述结构进行各种变化，因此包含在上述说明中的和在附图中示出的所有内容仅旨在解释为示例性的而不具有限制意义。
权利要求
1.一种用于通过化学气相沉积工艺在多个加热的硅棒上沉积多晶硅的西门子反应器的钟罩，所述钟罩包括 导热内壁，该内壁具有至少部分限定内部空间的内表面，该内部空间适于在其内接纳所述多个加热的硅棒；和 在所述内部空间中的热辐射屏蔽，该热辐 射屏蔽与所述内壁的内表面大体上邻接并与该内表面处于相对的关系，其中，所述热辐射屏蔽基本上不透过从在所述钟罩的内部空间中的所述多个加热的硅棒发出的热辐射。
2.根据权利要求I所述的钟罩，其特征在于，所述热辐射屏蔽包括安装在所述内壁的内表面上的多个屏蔽元件。
3.根据权利要求2所述的钟罩，其特征在于，所述钟罩还包括固定在所述内壁的内表面上的多个吊架，其中，所述屏蔽元件可移除地悬挂在所述吊架上。
4.根据权利要求3所述的钟罩，其特征在于，所述屏蔽元件中的每一个都包括用于接纳所述吊架的开口。
5.根据权利要求4所述的钟罩，其特征在于，每个吊架向内伸入所述钟罩的内部空间内，并包括位于其末端的唇缘，该唇缘适于防止所述屏蔽元件从所述吊架滑落。
6.根据权利要求4所述的钟罩，其特征在于，所述开口的尺寸和形状形成为允许所述屏蔽元件在所述屏蔽元件的热膨胀期间相对于所述吊架纵向运动。
7.根据权利要求6所述的钟罩，其特征在于，所述钟罩还包括固定在所述内壁的内表面上的平台，所述平台适于支承所述屏蔽元件中的每一个的底部。
8.根据权利要求2所述的钟罩，其特征在于，所述热辐射屏蔽设置成跨越所述内壁的内表面的基本上整个圆周的至少一排。
9.根据权利要求8所述的钟罩，其特征在于，所述热辐射屏蔽设置成竖向间隔开的至少两排，其中，每排跨越所述内壁的内表面的基本上整个圆周，所述至少两排一起跨越所述内壁的内表面的基本上整个高度。
10.根据权利要求8所述的钟罩，其特征在于，所述屏蔽元件中的每一个由硅构成。
11.一种在用于在化学气相沉积工艺中在多个加热的娃棒上沉积多晶娃的西门子反应器的钟罩中构造辐射屏蔽的方法，所述方法包括 提供围绕所述钟罩的内壁的内表面的成至少一排的多个安装元件，其中，所述内壁的内表面至少部分限定所述钟罩的内部空间，该内部空间适于接纳所述多个加热的硅棒； 将多个热辐射屏蔽元件安装在所述安装元件上，使得所述热辐射屏蔽元件围绕所述钟罩的内表面相对于彼此并排设置，其中，所述热辐射屏蔽元件基本上不透过在化学气相沉积工艺期间从在所述钟罩的内部空间中的所述多个加热的硅棒发出的热辐射。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个安装元件包括多个吊架，所述多个热辐射屏蔽元件的安装包括将所述多个热辐射屏蔽可移除地悬挂在所述吊架上。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述屏蔽元件中的每一个具有延伸穿过其的开口，将所述多个热辐射屏蔽可移除地悬挂在所述吊架上包括将所述吊架接纳在所述屏蔽元件的开口中。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 提供在所述多个安装元件下面、在所述内壁的内表面上的平台；和当所述热辐射屏蔽元件安装在所述安装元件上时，使所述热辐射屏蔽元件的底部支承在所述平台上。
15.一种减少西门子反应器中的由于在所述西门子反应器的钟罩的内部空间中的加热的硅棒发出的热辐射导致的热量损失的方法，所述方法包括 向布置在所述西门子反应器的钟罩的内部空间中的所述硅棒供给电能，所述硅棒将所述电能转换成热能，从而所述娃棒发出热福射； 使用在所述钟罩的内部空间中的热辐射屏蔽反射和吸收从所述硅棒发出的热辐射，所述热辐射屏蔽固定成与所述钟罩的内壁成相对的关系，其中，所述热辐射屏蔽基本上不透过从所述硅棒发出的热辐射。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括减少入射的热辐射约30%至约48%，否则该热辐射将入射到所述内壁上。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与不包括热辐射屏蔽的西门子反应器相比，减少供给所述硅棒的总电能约20%至约30%。
全文摘要
本发明涉及一种用于经由化学气相沉积工艺在多个加热的硅棒上沉积多晶硅的西门子反应器的钟罩。该钟罩包括导热内壁，该内壁具有至少部分限定内部空间的内表面，该内部空间适于在其内接纳所述多个加热的硅棒。热辐射屏蔽位于内部空间中，该热辐射屏蔽与所述内壁的内表面大体上邻接并与该内表面处于相对的关系。所述热辐射屏蔽基本上不透过从在所述钟罩的内部空间中的所述多个加热的硅棒发出的热辐射。
文档编号F27B11/00GK102869608SQ201080066144
公开日2013年1月9日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年4月12日
发明者G·帕扎利亚, M·富马加利, M·库尔卡尼 申请人:Memc电子材料有限公司