CN116443883A - 一种多晶硅生产用石墨-金属电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其涉及一种多晶硅生产用石墨‑金属电极，电极底座的内部具有冷却空间；电极底座上具有容腔一，容腔一的开口向上；石墨电极座的外侧为柱体结构；石墨电极座上具有容腔二；容腔二的开口向上；石墨电极座能够放置在容腔一内；电极卡环卡设在容腔一内，位于石墨电极座与电极底座之间；石墨电极头的上部外侧为圆台结构；石墨电极头的上部具有容腔三，用于容纳和承载硅芯；石墨电极头的上部外侧的截面由下向上逐渐变小；石墨电极头的下部为台体结构；石墨电极头的下部能够插装在电极底座上，与容腔二适配。采用本发明能够降低电极的使用成本，增加电极的应力承载能力，提升生产的安全性和产品品质。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其涉及一种多晶硅生产用石墨-金属电极。
背景技术
电子级多晶硅材料是当今世界范围内逐渐发展成熟的半导体上游原材料，在诸多硅基半导体芯片及器件领域需求广泛。目前生产电子级多晶硅最常用的方法是改良西门子法，该方法是用氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在还原炉内进行化学气相沉积反应，生成多晶硅沉积在还原炉内的硅芯上；还原炉内的硅芯一般放置在石墨夹头上，石墨夹头放置在电极上。目前行业内主要使用的是“山”字形状电极，在化学气相沉积反应的过程中，多晶硅在高温状态下持续沉积，会使得石墨夹头与还原硅棒间的应力持续增加，应力的增加会导致电极边缘处出现应力集中，进而会导致电极破损，不仅会造成硅棒倒塌等问题，且导致产品污染；而且，传统的石墨电极为一次性使用产品，且体积较大，很难重复使用，拆卸也更为困难，增加了使用成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多晶硅生产用石墨-金属电极，主要目的在于降低电极的使用成本，增加电极的应力承载能力，提升生产的安全性和产品品质。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
本发明的实施例提供一种多晶硅生产用石墨-金属电极，包括:电极底座、电极卡环、石墨电极座和石墨电极头；
所述电极底座的内部具有冷却空间，用于对电极底座进行冷却；所述电极底座上具有容腔一，所述容腔一的开口向上；所述容腔一为台体形；所述容腔一的截面由下向上逐渐变大；
所述石墨电极座的外侧为柱体结构；所述石墨电极座上具有容腔二；所述容腔二的开口向上；所述容腔二为台体形；所述容腔二的截面由下向上逐渐变大；
所述石墨电极座能够放置在所述容腔一内；
所述电极卡环卡设在所述容腔一内，位于所述石墨电极座与所述电极底座之间；
所述石墨电极头的上部外侧为圆台结构；所述石墨电极头的上部具有容腔三，用于容纳和承载硅芯；所述石墨电极头的上部外侧的截面由下向上逐渐变小；所述石墨电极头的下部为台体结构；所述石墨电极头的下部的截面由上向下逐渐变小；所述石墨电极头的下部能够插装在所述电极底座上，与所述容腔二适配；
所述电极底座为金属材质；
所述电极卡环为金属材质。
进一步地，所述石墨电极头的下端与所述容腔二的底部具有缓冲间隙。
进一步地，所述冷却空间为冷却腔室，用于容纳冷却管道。
进一步地，所述冷却空间为冷却通道，用于冷却流体的流通或嵌入冷却管道。
进一步地，所述电极卡环的内壁与所述石墨电极座的外壁面接触；所述电极卡环的外壁与所述容腔一的内壁面接触；
所述电极卡环的上端较所述容腔一的上端高；所述电极卡环的上部的外侧具有凸起结构。
进一步地，所述电极卡环至少能够包裹覆盖所述石墨电极座的高度的1/2。
进一步地，所述容腔二为圆台形；
所述石墨电极头的下部为圆台形；
所述石墨电极头的上端面直径较下端面的直径大；
进一步地，所述石墨电极头的上部的锥面与轴线的夹角为10～40°。
进一步地，所述容腔一为圆台形；
所述石墨电极座的外侧为圆柱形。
所述石墨电极座的边缘为边角倒钝结构；
所述电极卡环的接触面的边缘为边角倒钝结构。
进一步地，所述电极底座采用铜、银、金、铂金中的至少一种；
所述电极卡环采用铜、银、金、铂金中的至少一种；
所述石墨电极座采用热等静压石墨材质；
所述石墨电极头采用热等静压石墨材质。
借由上述技术方案，本发明多晶硅生产用石墨-金属电极至少具有下列优点：
能够降低电极的使用成本，增加电极的应力承载能力，提升生产的安全性和产品品质。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多晶硅生产用石墨-金属电极的示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种多晶硅生产用石墨-金属电极中冷却空间的示意图。
图中所示：
1为电极底座，1-1为冷却空间，2为电极卡环，3为石墨电极座，4为石墨电极头，5为缓冲间隙，6为匹配面，7为容腔三。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
如图1和图2所示，本发明的一个实施例提出的一种多晶硅生产用石墨-金属电极，包括:电极底座1、电极卡环2、石墨电极座3和石墨电极头4；电极底座1对石墨电极座3形成支撑和导电作用。电极底座1为金属材质；本实施例优选，电极底座1采用铜、银、金、铂金中的至少一种。优选金属纯度，达到99.99％以上，加工精度要求在±0.1mm内，以实现较好的导电作用，避免对硅产品造成污染。电极底座1用于支撑石墨电极座3和提供导电作用，使硅棒可以有效生长。
电极底座1的内部具有冷却空间1-1，用于对电极底座1进行冷却，防止因电极底座1过热而对成品造成影响。本实施例优选，冷却空间1-1为冷却腔室，用于容纳冷却管道，通过在冷却空间1-1内设置冷却管道，在冷却管道内通入冷却流体给电极底座1降温。可替代地，冷却空间1-1为冷却通道，用于冷却流体的流通或嵌入冷却管道。冷却通道可以直接通入冷却流体对电极底座1进行降温，也可以将冷却管道嵌入冷却通道内，再在冷却管道内通入冷却流体，以对电极底座1进行降温。进一步优选，冷却通道为螺旋结构分布，以达到较好的冷却效果，增大产品生产的稳定性。
电极底座1上具有容腔一，容腔一的开口向上；容腔一为台体形；容腔一的截面由下向上逐渐变大，用于支撑和容纳石墨电极座3。石墨电极座3的外侧为柱体结构；石墨电极座3能够放置在容腔一内，被容腔一支撑。电极卡环2卡设在容腔一内，位于石墨电极座3与电极底座1之间，以对石墨电极座3形成稳固支撑，且可以减少石墨电极座3的外露面积，减少反应过程中石墨的碳释放，提升产品纯度。本实施例优选，容腔一为圆台形，容腔一内的边缘处通过边角倒钝处理，以方便安装，且避免安装过程中产生碳粉，避免还原***中出现碳污染。石墨电极座3的外侧为圆柱形，便于加工，且棱角较少。优选，石墨电极座3的边缘为边角倒钝结构，以方便安装，且避免安装过程中产生碳粉，避免还原***中出现碳污染。
在产品的生产过程中，硅棒会随着时间的增长而在石墨电极座3附近区域沉积生长，而边角倒钝结构可减弱生长在该区域处的硅棒产生的应力，可以防止硅棒倒塌等现象，增加产品的良率。本实施例优选，电极卡环2的接触面的边缘为边角倒钝结构，方便安装，且可以避免安装过程中与石墨电极座3产生较大的剐蹭，减少还原***中出现碳污染。
电极卡环2为金属材质，在加热过程中，电极卡环2会有略微热膨胀，膨胀后的电极卡环2与石墨电极座3间贴合更紧密，提高能源的利用率；本实施例优选，电极卡环2采用铜、银、金、铂金中的至少一种。优选金属纯度，达到99.99％以上，加工精度要求在±0.1mm内，以实现较好的导电作用，避免对硅产品造成污染。电极底座1和电极卡环2的加工优选使用电弧熔炼工艺，在真空熔炼感应炉内对金属进行熔炼铸模，模具可使用玻璃模具，模具底部需要持续水冷，防止铸模时模具高温破裂，成型产品需要使用电化学抛光工艺对其表面金属元素进行清除，避免对还原炉和***产生污染。如果需要二次加工，则加工后需要重新做表面清洗工作，例如除碳、除金属杂质等。
石墨电极座3上具有容腔二；容腔二的开口向上；容腔二为台体形；容腔二的截面由下向上逐渐变大，用于支撑石墨电极头4；石墨电极头4的上部外侧为圆台结构，在节约电极材料成本的基础上，获得较传统结构而言相对较大的压应力的承载能力。石墨电极头4的上部具有容腔三7，用于容纳和承载硅芯；石墨电极头4的上部外侧的截面由下向上逐渐变小；石墨电极头4的下部为台体结构；石墨电极头4的下部的截面由上向下逐渐变小；石墨电极头4的下部能够插装在电极底座1上，与容腔二适配；石墨电极头4方便从容腔二中取出，石墨电极座3可以实现多次使用，多次使用后，可以提纯石墨品质，减少对硅成品的污染，有利于提升成品的品质。本实施例中，石墨电极头4的形状，使得其相对现有技术中电极的形状，可以减小电极的体积，进而使得其在使用过程中能耗降低。本实施例优选，石墨电极头4的下端与容腔二的底部具有缓冲间隙5，以对石墨电极头4的安装形成缓冲，且有利于石墨电极头4与容腔二形成面接触，形成稳定支撑。本实施例优选，容腔二为圆台形；石墨电极头4的下部为圆台形；石墨电极头4的下部插装在容腔二内，被容腔二支撑，石墨电极头4与石墨电极的匹配面6相互接触，使石墨电极对石墨电极头4形成稳定支撑。石墨电极头4的上端面直径较下端面的直径大，以增加上端面的压应力承载能力。
本实施例优选，石墨电极座3采用热等静压石墨材质。本实施例优选，石墨电极头4采用热等静压石墨材质。热等静压石墨材质的内部结构均匀，密度、电阻率和强度等性能均匀，各向同性度好。石墨电极座3和石墨电极头4可以选用高纯热等静压石墨；加工时，可以使用模具进行烧结成型工艺，模具采用氧化锆烧结陶瓷或难熔高温金属均可(例如钨，钽，钼等)，将高纯石墨粉末压在模具内，原料石墨粉末的粒径需要小于等于50μm，随后使用横压法进行压制，压制成型后的模具顶端封闭处平整度要求小于等于2μm，随后进行热处理烧结，烧结温度介于1800℃～2200℃之间，该烧结温度区间成型的石墨电极座3和石墨电极头4品质最优，烧结成型的石墨电极座3和石墨电极头4需要做外表面抛光处理；热等静压成型的石墨电极座3和石墨电极头4可以降低后续二次加工所产生的污染，同时也避免了二次加工所造成的加工误差。
本发明的一个实施例提出的一种多晶硅生产用石墨-金属电极，降低电极的使用成本，增加电极的应力承载能力，提升了生产的安全性和产品品质，增加了生产的良品率。
作为上述实施例的优选，电极卡环2的内壁与石墨电极座3的外壁面接触；电极卡环2的外壁与容腔一的内壁面接触，以对石墨电极座3形成稳定支撑。电极卡环2的上端较容腔一的上端高；电极卡环2的上部的外侧具有凸起结构，以方便对电极卡环2进行插拔操作。
作为上述实施例的优选，电极卡环2至少能够包裹覆盖石墨电极座3的高度的1/2，以实现对石墨电极座3的包裹和稳定支撑，减少暴露在还原***中的石墨电极表面积与体积，在进一步提高了***洁净度的基础上降低了生产成本。
作为上述实施例的优选，石墨电极头4的上部的锥面与轴线的夹角为10～40°，有利于提升石墨电极头4的承载能力，降低压应力对石墨电极头4的影响。进一步优选石墨电极头4的上部的锥面与轴线的夹角为28°，具有较好的应力承载能力。
作为上述实施例的优选，石墨电极头4的下部的锥面与轴线的夹角为10～40°，以与容腔二适配，便于石墨电极头4的插拔，且可以减少石墨电极头4的用料，降低生产成本，实现可重复使用目的。
本发明的一个实施例提出的一种多晶硅生产用石墨-金属电极，既可以增加材料的使用次数，也减少了石墨电极的体积，达到了降低了生产成本和提高产品质量的目的。
本发明的一个实施例提出的一种多晶硅生产用石墨-金属电极，石墨电极座3相对电极底座1能够拆卸，石墨电极头4相对石墨电极座3能够拆卸，可以满足石墨电极座3多次使用，且重复使用后的石墨电极座3拥有更好的洁净度，有利于提升产品的纯度。
进一步说明，虽然术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且，类似地，第二元件可以被称为第一元件，这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。这没有脱离示例性实施例的范围。类似地，元件一、元件二也不代表元件的顺序，这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意结合和所有结合。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，包括:电极底座、电极卡环、石墨电极座和石墨电极头；
所述电极底座的内部具有冷却空间，用于对电极底座进行冷却；所述电极底座上具有容腔一，所述容腔一的开口向上；所述容腔一为台体形；所述容腔一的截面由下向上逐渐变大；
所述石墨电极座的外侧为柱体结构；所述石墨电极座上具有容腔二；所述容腔二的开口向上；所述容腔二为台体形；所述容腔二的截面由下向上逐渐变大；
所述石墨电极座能够放置在所述容腔一内；
所述电极卡环卡设在所述容腔一内，位于所述石墨电极座与所述电极底座之间；
所述石墨电极头的上部外侧为圆台结构；所述石墨电极头的上部具有容腔三，用于容纳和承载硅芯；所述石墨电极头的上部外侧的截面由下向上逐渐变小；所述石墨电极头的下部为台体结构；所述石墨电极头的下部的截面由上向下逐渐变小；所述石墨电极头的下部能够插装在所述电极底座上，与所述容腔二适配；
所述电极底座为金属材质；
所述电极卡环为金属材质。
2.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述石墨电极头的下端与所述容腔二的底部具有缓冲间隙。
3.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述冷却空间为冷却腔室，用于容纳冷却管道。
4.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述冷却空间为冷却通道，用于冷却流体的流通或嵌入冷却管道。
5.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述电极卡环的内壁与所述石墨电极座的外壁面接触；所述电极卡环的外壁与所述容腔一的内壁面接触；
所述电极卡环的上端较所述容腔一的上端高；所述电极卡环的上部的外侧具有凸起结构。
6.根据权利要求5所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述电极卡环至少能够包裹覆盖所述石墨电极座的高度的1/2。
7.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述容腔二为圆台形；
所述石墨电极头的下部为圆台形；
所述石墨电极头的上端面直径较下端面的直径大。
8.根据权利要求7所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述石墨电极头的上部的锥面与轴线的夹角为10～40°。
9.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述容腔一为圆台形；
所述石墨电极座的外侧为圆柱形。
所述石墨电极座的边缘为边角倒钝结构；
所述电极卡环的接触面的边缘为边角倒钝结构。
10.根据权利要求1所述的多晶硅生产用石墨-金属电极，其特征在于，
所述电极底座采用铜、银、金、铂金中的至少一种；
所述电极卡环采用铜、银、金、铂金中的至少一种；
所述石墨电极座采用热等静压石墨材质；
所述石墨电极头采用热等静压石墨材质。
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|---|---|---|---|---|
| CN102196611A (zh) * | 2010-03-19 | 2011-09-21 | 瓦克化学股份公司 | 石墨电极 |
| KR20180105930A (ko) * | 2017-03-16 | 2018-10-01 | 주식회사지티이 | 가압시 저저항 특성을 갖는 그라파이트 기반 절전형 온열 발판패드 |
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2023
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