KR101336470B1

KR101336470B1 - 모서리 상승된 원뿔형 그래파이트 전극

Info

Publication number: KR101336470B1
Application number: KR1020110024481A
Authority: KR
Inventors: 하인츠 크라우스
Original assignee: 와커 헤미 아게
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2013-12-04
Also published as: US9487873B2; US9150420B2; CN102219218B; US20150361568A1; EP2368848B1; DE102010003069A1; CA2731748C; CN102219218A; CA2731748A1; JP5289488B2; JP2011195438A; KR20110105732A; US20110226628A1; EP2368848A1

Abstract

본 발명은 원뿔형 또는 피라미드형 팁(tip)을 갖는 탄소 전극으로서, 상기 팁은 상승된 모서리로 그 측면이 둘러싸여 있는 탄소 전극에 관한 것이다.

Description

모서리 상승된 원뿔형 그래파이트 전극{CONICAL GRAPHITE ELECTRODE WITH RAISED EDGE}

본 발명은 상승된 모서리로 측면이 둘러싸여 있는 원뿔형 또는 피라미드형 팁(tip)을 갖는 탄소 전극에 관한 것이다.

그래파이트 전극은 산업에서 많은 다른 용도로 사용되고 있다. 이의 예로는, 알루미늄 및 스틸 생산, 염 금속의 전기분해, 화학적 화합물의 전기적 분해, 열 침착 반응, 아크 용접, 측정 기기 및 기타 많은 것이 있다.

중요한 한 용도로는 지멘스 공정에 의한 폴리실리콘의 침착이 있으며, 여기서 고순수의 원소 규소가 기상으로부터 규소 로드의 표면 상에 침착된다. 이러한 경우에, 원소 규소는 수소 및 할로실란의 혼합물, 또는 수소를 함유하는 규소 화합물로부터 기상으로, 침착 반응기에서 900∼1200℃로 가열된 얇은 규소 로드 표면 상에 침착된다.

상기 규소 로드는 일반적으로 고순수의 전기흑연으로 구성된 특정 전극에 의해 상기 반응기에 유지된다. 상기 전극 홀더(holder) 상에 상이한 전압 극성을 갖는 2개의 얇은 로드는 각각 다른 하나의 얇은 로드 말단에서의 브릿지에 의해 폐쇄된 전기 회로에 연결된다. 상기 얇은 로드를 가열시키기 위한 전기 에너지는 상기 전극 및 이의 전극 홀더를 통해 공급된다. 이어서, 상기 얇은 로드의 직경은 성장한다. 동시에, 상기 전극은 그 팁에서부터 시작하여 상기 규소 로드의 로드 풋(foot)으로 성장한다. 상기 규소 로드의 직경이 소정의 설정치에 도달한 후, 상기 침착 공정이 종결된다. 상기 백열성(incandescent) 규소 로드는 냉각 및 제거된다.

여기서, 상기 전극의 물질 및 형태가 특히 중요하다. 한편으로, 상기 얇은 로드를 유지하여 전류 흐름을 상기 실리콘 로드로 통과시키기 위한 것뿐만 아니라, 열전달 및 또한 상기 반응기 중 성장 로드에 대한 안전 지지체로 사용된다. 점차 길고 무거운 로드에 대한 경향이 있고, 이젠 중량이 수백 kg일 수 있는 로드 쌍(pair)이 상기 전극에 의해서만 상기 반응기에 고정되기 때문에, 형태 및 물질 조성의 선택은 특히 매우 중요하다.

또한, 후속 용도에 따라, 상기 방법 및 이의 침착 공정으로 생성된 규소 로드에 대해, 따라서 전극에 대해 매우 다른 요건이 부여된다. 예를 들어, 상기 다결정질 규소가 이후 태양열 및 전자 용품을 위한 조대 규소로서 사용되는 경우, 상기 규소 로드는 상기 침착 반응기에서 침착 공정 중 또는 후에 붕괴하지 않아야 한다. 길고 두꺼운 다결정질 규소 로드는 상기 침착 공정의 경제적인 실행 가능성뿐만 아니라, 상기 반응기 중 붕괴의 위험성을 증가시킨다.

종래 기술에 따른 전극은 하부의 원통형 본체 및 상부의 원뿔형 팁으로 구성된다. 상기 얇은 로드를 수취하기 위한 홀은 상기 원뿔형 팁에 형성되어 있다. 상기 전극의 하부 말단은 금속 전극 홀더에 위치하며, 이를 통해 전류가 공급된다. 이러한 전극은 널리 공지되어 있으며, 예를 들어 US-5,284,640에서 규소 침착에 사용된다.

그래파이트가 상기 전극용 물질로서 주로 사용되며, 이는 그래파이트가 매우 높은 순도로 사용될 수 있고 침착 조건 하에서 화학적으로 불활성이기 때문이다. 또한, 그래파이트는 전기 저항이 매우 낮다.

US-6,639,192에는 통상적인 형태를 갖는 그래파이트 전극이 기술되어 있다. 이는 원뿔형 팁을 갖는 원통형 본체로 구성된다. 상기 팁은 상기 얇은 로드를 받기 위한 홀을 함유한다. 상기 전극은 하나의 단편으로 제조되며, 따라서 균일한 물성을 갖는 물질(여기서는 전기흑연)로부터 제조된다. 이는 특히 매우 높은 열 비전도도(specific thermal conductivity)를 보유한다. 이러한 실시양태의 단점은 최종 직경에 도달하기까지 상기 침착 전 및 중 붕괴의 빈도가 높다는 것이다.

DE-2328303에는 팁이 없는 원통형 전극이 기술되어 있다. 상기 캐리어 로드는 평면 상의 홀에 맞춰진다. 이러한 전극 형태는 견고한 원통형 형태로 인해 작은 로드 직경에도 열방출이 매우 높다. 직경이 작은 상기 로드가 상기 침착 공정 중에 붕괴하지 않도록, 상기 전극은 열방출이 작아야 하며, 즉, 직경이 작아야 하고, 상기 전극 물질은 열 비전도도가 매우 낮아야 한다. 이러한 전극 형태를 갖는 오늘날에 통상적인 두꺼운 로드는 침착될 수 없는데, 이는 상기 전극 물질의 작은 전극 직경 및 낮은 열 비전도도로 인해 두꺼운 로드 직경에 요구되는 높은 에너지가 그 로드 풋으로부터 방출될 수 없기 때문이다.

복층으로 구성된 그래파이트 전극은 다른 분야로부터 알려져 있다. 그러나, 이러한 경우, 상이한 층의 배열은 화학적 전환을 최적화시키려는 의도가 있다. 예를 들어, US-3,676,324에는 원통형 내부 및 원통형 외부로 구성된 원통형 그래파이트 전극으로서, 상기 내부는 전기 전도도가 매우 높고, 상기 외부는 다공질 그래파이트인 원통형 그래파이트 전극이 개시되어 있다. 이러한 다층의 목적은 높은 전압 손실을 피하고 상기 다공질 표면 상의 높은 화학적 전환을 얻기 위한 것이다. 2개의 상이한 층을 갖는 유사한 전극이 GB-2135334에 공지되어 있으며, 이러한 경우 상기 다공질 외부층은 불소의 전해분해 생성에 사용된다.

종래 기술에 공지된 모든 전극의 단점은 이들이 전극과 규소 로드 사이의 전환부, 또는 전극 근처의 규소 로드에서의 물질이 균열 또는 플레이킹(flaking)하기 상대적으로 쉬워, 규소 로드를 불안정하게 한다는 점이다.

붕괴된 뱃치는 많은 경제적 손실을 수반한다. 상기 규소 로드가 붕괴하는 경우, 예를 들어 상기 반응기 벽은 손상받을 수 있다. 이어서, 상기 붕괴된 규소 로드는 반응기 벽과의 접촉에 의해 오염되며, 표면을 세정해야 한다. 더욱이, 붕괴된 뱃치는 경비를 증가시켜야만 반응기로부터 제거할 수 있다. 이어서, 상기 규소의 표면이 또한 오염된다.

본 발명의 목적은 통상 설계의 전극에 비해 붕괴 빈도가 상당히 감소되는 전극을 제공하는 것이었다.

놀랍게도, 상승된 모서리로 그 측면이 둘러싸인 원뿔형 또는 피라미드형 팁을 갖는 탄소 전극은 이에 고정된 필라멘트 로드의 성장 동안 열방출이 향상되며, 로드 두께와 관련하여 전류 밀도의 분포가 향상된다는 것이 확인되었다.

본 발명은 필라멘트 로드를 받기 위한 장치를 포함하는 원뿔형 또는 피라미드형 팁을 갖는 탄소 전극을 제공하며, 여기서 상기 원뿔형 또는 피라미드형 팁은 1 이상의 상승된 모서리에 의해 그 측면이 둘러싸여 있다.

본 발명에 따른 전극(도 1)은 팁(2)을 갖는 원통형 본체(1)로 구성되며, 이는 상승된 모서리(3)로 둘러싸여 있다. 이후 상기 소재, 예를 들어 필라멘트 로드(5)를 수용하는 데 사용되는 공동(cavity)은 상기 팁에 형성된다. 상기 공동은 원통형, 원뿔형 또는 임의의 다른 소정의 형태일 수 있다. 따라서, 상기 소재는 마찬가지로 상기 공극과 일치하는 원통형, 원뿔형 또는 기타 소정의 형태이다.

본 발명에 따른 전극은 균일화된 전류 밀도가 전극 및 그 표면에 요구되는 모든 용도에서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전극은 바람직하게는 폴리실리콘의 침착에 사용된다. 표준 형태를 갖는 전극, 즉, 팁을 갖는 본체에 비해, 로드 풋의 단면적에 걸친 더욱 균일한 전류 밀도는 규소에 비해 더욱 낮은 그래파이트의 전기 저항으로부터 유도된다.

본 발명에 따른 전극에 의한 필라멘트 로드 상의 폴리실리콘 침착의 시작 시, 즉, 상기 로드 직경이 여전히 얇을 때, 상기 로드 풋은 초기에 표준 전극에서와 같이 상기 팁 상에서만 성장한다. 상기 전극에 대해서 열 전도도가 낮은 물질을 이용하는 경우, 상기 전극을 통한 열방출은 상기 로드 직경이 작은 경우 적다. 따라서, 상기 전극 팁은 상기 전극과 잘 결합하며, 상기 로드 풋으로 신속히 성장한다. 따라서, 상기 침착 시작에도 높은 안정성이 확보되고, 최종 직경에 도달하기 전에 로드가 붕괴하는 위험성은 최소화된다.

본 발명에 따른 전극의 팁이 상승된 모서리(3)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 상기 로드 직경이 증가함에 따라 크기가 증가하는 로드 풋은 상기 상승된 모서리 상으로 성장한다. 이어서, 상기 상승된 모서리는 상기 로드 풋에 추가적인 지지체를 제공한다. 더욱이, 상기 전극으로부터 상기 로드 풋으로의 전환부에서의 전류 밀도는 상기 상승된 모서리의 단면적에 의해 더욱 균일하게 된다.

상승된 모서리를 갖는 본 발명에 따른 전극에 의해, 표준 형태를 갖는 전극에 비해 적은 온도 구배가 상기 중앙으로부터 상기 로드 표면으로 설정된다. 따라서, 균열 및 파열(fracture)의 형성에 의해 완화되는 열응력은 통상의 전극을 갖는 로드 풋과 비교하여 최소화된다. 본 발명에 따른 전극에 의한 상기 로드 풋에서의 보다 적은 온도 구배는 보다 균일한 전류 밀도 및 더욱 우수한 열방출에 의해 달성되며, 이들 둘 모두는 상승된 모서리에 의해 확보된다.

전극 팁에 대해서 본 발명에 따른 전극의 상승된 모서리의 높이를 변경함으로써, 상기 전극으로부터 상기 로드 풋으로의 전환부에서 전극 단면에 걸친 전류 밀도의 국부 분포뿐만 아니라, 로드 풋으로부터의 열방출을 변경하는 것이 가능하다. 전극 팁에 대해 보다 높게 위치한 전극 모서리는 로드 풋 중앙으로부터 먼 전류 밀도를 증가시킨다. 따라서, 상기 로드 풋으로부터의 열방출이 마찬가지로 증가된다. 상기 전극 팁이 이를 둘러싸는 상승된 전극 모서리보다 높은 경우, 상기 로드 풋 중앙의 전류 밀도는 증가된다. 따라서, 상기 로드 풋으로부터의 열방출이 마찬가지로 감소된다.

상기 팁을 둘러싸는 본 발명에 따른 전극의 상승된 모서리는 상기 팁보다 높거나 낮을 수 있고, 또는 동일한 높이를 가질 수 있다. 상기 상승된 전극 모서리는 상기 팁 아래 40 mm에서부터 상기 팁 위 60 mm까지 위치할 수 있으며, 바람직한 범위는 상기 팁 아래 25 mm에서부터 상기 팁 위 25 mm까지이며, 특히 바람직한 범위는 상기 팁 아래 10 mm에서부터 상기 전극 팁 위 10 mm까지이다.

사용되는 그래파이트 물질의 열 비전도도는 DIN 51908에 따라 실온에서 측정하여 20∼200 W/(m*K), 바람직하게는 20∼120 W/(m*K), 특히 바람직하게는 20∼90 W/(m*K)이다.

상기 전극의 특정 형태로 인해, 20∼90 W/(m*K) 범위의 낮은 열 비전도도를 갖는 그래파이트 유형이 재료로서 선택될 수 있다.

이의 효과는 상기 로드 풋이 그 로드 직경이 작은 경우에 부분적으로 냉각되지 않는다는 것이다. 이로써, 상기 로드 직경이 작은 경우의 붕괴가 방지된다. 연속 원통형 형태로 인해, 성장 부분에서의 큰 전극 단면, 그 전체 전극 단면에 걸친 전류 밀도의 균일도, 및 상기 로드 직경이 두꺼운 경우의 온도 구배는 열 비전도도가 상대적으로 낮은 전극 물질을 사용하는 경우에도 작다. 상기 로드는 상기 로드 직경이 두꺼운 경우에 상기 침착 시스템에서 여전히 안정적으로 서 있는다. 상기 로드 풋에서의 가시적인 개별 균열은 드물다. 최종 직경 도달 후의 붕괴 빈도는 모든 뱃치의 단지 약 2%이며, 상기 최종 직경에 도달하기 전 침착 중에 뱃치는 붕괴하지 않는다.

상기 전극 물질은 900∼1200℃의 반응 범위에서 다결정질 규소보다 열 비전도도가 많이 높다. 상기 로드 풋으로 성장하는, 상기 작은 팁을 제외한 전극의 전체 부분이 견고한 원통형 단면을 보유하기 때문에, 통상의 전극 형태보다 많이 큰 단면을 본 발명에 따른 전극에서의 열방출을 위한 큰 로드 직경의 경우에 이용할 수 있다. 따라서, 상기 로드 풋으로부터의 열방출이 크게 향상된다.

상기 전극 단면적에 걸쳐 더욱 균일한 전류 밀도 및 상기 로드 풋 옆의 전극 말단에서의 보다 큰 전극 단면에 의해 전반적으로 상기 로드 풋 중심으로부터 이의 표면으로 보다 얕은 온도 구배가 제공된다. 따라서, 상기 열응력은 배타적으로 원뿔형인 팁을 갖는 공지된 전극보다 덜하다. 본 발명에 따른 전극의 전류 밀도를 상기 전체 전극 단면에 걸쳐 균일화시키는 것이 가능하였다. 더욱 균일한 전류 밀도, 및 상기 로드 풋 옆의 전극 말단에서의 보다 큰 전극 단면에 의해, 상기 로드 풋 중심에서의 과열은 통상의 형태를 갖는 전극보다 더욱 덜하다.

종래 기술에서 공지된 임의의 전극 홀더(6)를 사용하여 상기 침착 반응기에서 본 발명에 따른 전극을 받을 수 있다. 전체 전극의 열방출을 향상시키기 위해서, 상기 전극 홀더는 또한 추가의 열 싱크(heat sink)(7)를 보유할 수 있으며, 이는 베이스의 하부 말단에 배치되고/되거나 그 베이스로 돌출되어 있다. 이러한 열 싱크는 일반적으로 상기 전극 홀더의 구성 요소이며, 상기 전극 홀더와의 하나의 단편으로 제조되는 것이 바람직하다. 열 및 전기 전도도가 높은 물질로 구성되어 있는 공지된 모든 물질, 예를 들어 금속이 재료로서 적합하다. 상기 열 싱크는 적합한 열전달 매질, 예를 들어 물에 의해 냉각된다. 중요한 것은 상기 열 싱크의 상기 베이스와의 열적 및 전기적 접촉이 매우 우수하여, 상기 삽입물의 원주에 걸쳐 균일하게 전기 및 열 전도도가 높게 되는 것이다. 상기 열 싱크의 형태는 임의의 소정 형태일 수 있으며, 원통형 또는 원뿔형이 바람직하며, 원뿔형이 특히 바람직하다.

전극으로 사용하는 데 적합한 모든 공지된 탄소 유형을 본 발명에 따른 전극용 물질로서 사용할 수 있다. 순도의 이유로, 전기 전도도가 상이한 고순수의 전기흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 또한 다른 물질, 예를 들어 탄화규소, 탄소 섬유 강화 탄소(CFC) 복합 물질, 텅스텐 또는 고융점의 기타 물질을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 전극을, 예를 들어 규소, 탄화규소, 질화규소, 파이로카본, 유리 탄소 또는 실리센(silicene), 즉, 나노규소와 같은 물질로 코팅하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 100 μm 미만의 층 두께가 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 전극의 도식적인 구조를 나타낸다. 내부의 팁과 외부의 상승된 모서리를 포함하는 전체 전극의 높이(L)는 70∼200 mm, 바람직하게는 70∼150 mm, 특히 바람직하게는 80∼130 mm이다.

상기 전극의 직경(D)은 30∼100 mm, 바람직하게는 40∼80 mm, 특히 바람직하게는 45∼70 mm이다. 상기 전극 팁의 높이(LS)는 10∼40 mm, 바람직하게는 15∼30 mm, 특히 바람직하게는 15∼25 mm이다. 상기 전극의 직경(D5)은 20∼50 mm, 바람직하게는 25∼45 mm, 특히 바람직하게는 30∼40 mm이다. 상기 상승된 전극 모서리는 상기 팁 아래 40 mm에서부터 상기 팁 위 60 mm까지 위치할 수 있으며, 바람직한 범위는 상기 팁 아래 25 mm에서부터 상기 팁 위 25 mm까지이며, 특히 바람직한 범위는 상기 팁 아래 10 mm에서부터 상기 전극 팁 위 10 mm까지이다.

상기 팁은 원뿔형 또는 n개의 변을 갖는 피라미드형(여기서, n은 3 이상임)이 되도록 형성될 수 있다. 원뿔형 팁이 바람직하다. 상기 팁은 상기 전극의 베이스 표면에 대해서 중심에 또는 중심에서 벗어나 배열될 수 있다. 상기 전극 팁, 및 수반되는 상기 필라멘트 로드를 받기 위한 홀의, 중심에서 벗어난 배열은 이후 상기 반응기에서의 얇은 로드의 수평 상호 정렬을 가능하게 한다. 이로 인해, 상기 전극은 회전 운동에 의해 최적의 위치로 직접 또는 전극 홀더와 함께 이동될 수 있다. 상기 전극의 베이스 표면의 중간점에서 0∼20 mm 범위의 오프셋(offset)으로 상기 전극의 팁을 배열시키는 것이 바람직하다.

상기 내부 모서리의 직경(D6)은 25∼80 mm, 바람직하게는 35∼60 mm, 특히 바람직하게는 35∼50 mm이다. 원뿔각(α)는 15∼45°, 바람직하게는 20∼35°, 특히 바람직하게는 20∼30°이고, 각(β)는 0∼45°, 바람직하게는 20∼35°, 특히 바람직하게는 20∼30°이다. 상기 상승된 모서리의 상부 말단은 얇은 로드 직경, 각 α 및 β, 상기 전극의 직경(D) 및 내부 모서리의 직경(D6)에 의해 제공된다. 폭은 0 mm(예리한 모서리)∼30 mm, 바람직하게는 3∼20 mm, 특히 바람직하게는 3∼10 mm일 수 있다.

열 싱크 직경은 상부 말단(D3)에서 10∼60 mm, 바람직하게는 10∼50 mm, 특히 바람직하게는 15∼45 mm이고, 하부 말단(D4)에서 10∼60 mm, 바람직하게는 10∼50 mm, 특히 바람직하게는 15∼45 mm이다.

상기 열 싱크의 길이(LK)는 20∼80 mm, 바람직하게는 20∼60 mm, 특히 바람직하게는 30∼50 mm이다.

본 발명에 따른 전극의 또다른 실시양태(도 2)에서, 외부의 상승된 모서리는 또한 넓어지고 상기 전극의 베이스 표면과의 계단형 또는 원뿔형의 전환부를 형성할 수 있다. 상기 실시양태에서, 상기 넓어진 상부 모서리는 직경(D7)이 30∼200 mm, 바람직하게는 40∼150 mm, 특히 바람직하게는 45∼120 mm이다. 원칙적으로, 이러한 경우에 상기 상부 모서리는 뾰족하거나, 둥글거나, 비스듬하거나 평탄하도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 전극의 또다른 특정 실시양태로서, 상기 팁은 또한 상기 전극의 베이스보다 낮은 열 전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 이어서, 상기 전극은 2 이상의 부분(도 3 및 4): 전극 베이스(A) 및 그 베이스에 삽입된 1 이상의 추가 내부 영역(B)으로 구성된다. 추가로, 상기 전극은 또한 상기 영역(A)와 상기 영역(B) 사이에 추가 영역(C)을 가지며, 이러한 경우에 최내부 영역이 상기 얇은 로드(5)를 받는다. 이러한 경우에, 상기 삽입물 및 베이스는 2 이상의 상이한 물질로 제조되며, 상기 최내부 삽입물(영역 (B))은 열 전도도가 최저인 물질로 구성된다. 상기 다른 삽입물은 보다 높은 열 비전도도를 갖는 물질로 제조되며, 상기 열 비전도도는 바람직하게는 내부로부터 외부로 증가한다.

상이한 물질 및 상이한 열 전도도의 상이한 영역들로 분할함으로써, 상기 전극은 이에 고정된 물질, 예를 들어 규소 로드의 성장 중에 다양한 요건에 최적으로 적용될 수 있다. 성장 개시 시, 따라서 상기 로드 직경이 작을 때, 초기에 상기 로드 풋은 열 전도도가 낮은 삽입물에서만 성장한다. 사용한 그래파이트의 열 비전도도가 낮아 삽입물(영역 B)를 통한 열방출이 적기 때문에, 상기 성장 개시 시 전체 전극 및 이의 전극 홀더를 통한 열 방출이 거의 없으며, 상기 로드 직경이 여전히 작은 경우에 상기 전극의 상기 규소 로드로의 연결부에서 높은 온도가 얻어진다. 과도하게 낮은 온도로 인해 에칭 과정이 발생할 수 있는, 상기 로드 풋의 저온 부위는 존재하지 않는다. 따라서, 상기 로드 풋은 영역(B)에서의 전극 팁(2)의 결함 없이 신속히 융합한다. 따라서, 상기 로드 직경이 작은 경우의 붕괴는 상기 침착 공정 중에 실질적으로 절대 발생하지 않는다.

상기 침착 공정이 연속하고 상기 로드가 두꺼워짐에 따라, 상기 로드 풋은 상기 삽입물 상에서 상기 베이스(영역(A))로 추가로 성장하고, 상기 베이스 주위에서 성장한다. 상기 베이스의 높은 열 전도도로 인해, 상기 에너지는 상기 로드 풋으로부터 매우 잘 방출될 수 있다. 따라서, 상기 로드 풋에서의 온도 구배 및 열응력이 점차 감소된다. 상기 로드 풋에서의 균열 및 파열은 더욱더 드물게 발생한다.

본 발명에 따른 전극의 내부 영역(B)은 상기 전극의 생성 중에 직접 통합되거나, 느슨하거나(loose) 교체가능한 삽입물로서 형성될 수 있다.

이러한 경우의 내부 영역(B)은 상기 전극의 팁(2)을 형성하고, 상기 팁의 반대 말단에 의해 상기 베이스에 맞춰진다. 상기 베이스의 상기 삽입물로의 연결부는 원뿔형, 원통형 또는 임의의 소정 형태일 수 있다. 실질적으로, 원뿔형 연결부는 상기 베이스 및 삽입부가 기계적으로 강한 연결을 형성하고 우수한 열적 및 전기적 접촉을 갖도록 하기 때문에 원뿔형 플러그 연결부가 편리한 것으로 증명되었다. 보조 물질을 상기 영역들 사이에 도입하여 상기 전도도를 향상시킬 수 있다.

이러한 경우에, 상기 영역 (A) 및 (B) 사이에 임의로 배치된 추가 영역(C)는 상기 원뿔형 팁 부분, 상승된 모서리 부분, 또는 이들 둘 모두의 부분을 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 전극의 바람직한 실시양태의 영역(A)의 열 비전도도는 DIN 51908에 따라 실온에서 측정하여 80∼200 W/(m*K), 바람직하게는 100∼180 W/(m*K), 특히 바람직하게는 130∼160 W/(m*K)이다. 상기 내부 영역(B)의 열 비전도도는 20∼100 W/(m*K), 바람직하게는 20∼80 W/(m*K), 특히 바람직하게는 20∼70 W/(m*K)이다.

사용되는 그래파이트 물질의 전기 저항은 DIN 51911에 따라 실온에서 측정하여 30∼5 μΩ*m, 바람직하게는 30∼10 μΩ*m, 특히 바람직하게는 30∼15 μΩ*m이다.

사용되는 그래파이트 물질의 표면 조도의 산술 평균 조도값 Ra는 DIN EN ISO 4287에 따라 측정하여 1∼20 μm, 바람직하게는 1∼15 μm, 특히 바람직하게는 1∼10 μm이고, 상기 조도 프로파일의 전체 높이 Rt는 10∼200 μm, 바람직하게는 10∼150 μm, 특히 바람직하게는 10∼100 μm이며, 평균 조도 깊이 Rz는 8∼160 μm, 바람직하게는 8∼120 μm, 특히 바람직하게는 8∼80 μm이다.

사용되는 그래파이트 물질의 압축 강도는 DIN 51910에 따라 실온에서 측정하여 40∼250 MPa, 바람직하게는 50∼200 MPa, 특히 바람직하게는 50∼150 MPa이다.

사용되는 그래파이트 물질의 굴곡 강도는 DIN 51902에 따라 실온에서 측정하여 10∼100 MPa, 바람직하게는 15∼80 MPa, 특히 바람직하게는 20∼70 MPa이다.

사용되는 그래파이트 물질의 영률(Young's modulus)은 DIN 51915에 따라 실온에서 측정하여 1∼20 GPa, 바람직하게는 2∼15 GPa, 특히 바람직하게는 3∼15 GPa이다.

사용되는 그래파이트 물질의 선형 열팽창 계수는 20∼1000℃의 온도 범위에서 DIN 51909에 따라 측정하여 2*10^-6 ∼ 10*10^-6 l/K, 바람직하게는 3*10^-6 ∼ 8*10^-6 l/K, 특히 바람직하게는 3.5*10^-6 ∼ 7*10^-6 l/K이다.

사용되는 그래파이트 물질의 개기공률은 DIN 51918에 따라 측정하여 5∼25%, 바람직하게는 10∼25%, 특히 바람직하게는 10∼20%이다.

도 3은 예로서 상이한 열 전도도를 갖는 상이한 영역이 형성되어 있는, 삽입물을 갖는 본 발명에 따른 전극의 특정 실시양태를 나타낸다.

상기 내부 삽입물(영역(B))의 길이(LE)는 30∼90 mm, 바람직하게는 35∼80 mm, 특히 바람직하게는 35∼65 mm이다.

상기 삽입물의 그 최대폭 위치에서의 직경(D5)은 20∼50 mm, 바람직하게는 25∼45 mm, 특히 바람직하게는 30∼40 mm이다.

상기 삽입물의 그 하부 말단에서의 직경(D2)은 15∼40 mm, 바람직하게는 20∼40 mm, 특히 바람직하게는 20∼35 mm이다.

본 발명에 따른 전극은 또한 2 이상의 내부연결된 삽입물(도 4)을 가질 수 있으며, 이러한 경우에 상기 내부 삽입물은 상기 전극 팁을 갖는 영역(B)을 형성한다. 상기 내부 삽입물은 이웃하는 영역(C)에 맞으며, 이는 결과적으로 추가 삽입물 등에 맞을 수 있다. 마지막 삽입물은 전극의 베이스인 영역(A)에 맞는다.

상기 전극 내부에서 상이한 열 비전도도를 갖는 상이한 영역은 또한 전극 제조 공정 중에 하나의 단편으로부터 생성할 수 있다. 이러한 경우에, 하나의 단편인 전극은 상이한 물질의 본 발명의 상이한 영역들을 갖고, 이들은 또한 개개의 최근접 영역에 사용되는 물질로부터의 유체 전환부를 가질 수 있다.

상이한 열 비전도도 및 확장된 전극 모서리의 상이한 삽입 영역과 본 발명의 전극 형태를 조합함으로써, 상기 전극의 전체적인 열 전도도는 상기 침착 공정의 요건에 개별적으로 적용될 수 있다.

상기 실시양태의 특정 조합에 의해, 전체적으로 상기 반응기에서의 붕괴된 폴리실리콘 로드의 잦은 발생은 실질적으로 제거될 수 있다.

도 6는 단면으로 확장된 모서리가 존재 및 부재하는 본 발명에 따른 전극의 다양한 형태(a∼l)의 선택군을 나타낸다. 보다 명확히 하기 위해, 상기 예는 단지 상이한 영역이 없는 전극을 나타낸다. 물론, 이의 이후 요건에 따라, 이러한 모든 형태는 또한, 상이한 열 비전도도를 갖는 복수의 영역으로 구성되는 바와 같이 본 발명에 따라 설정될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전극의 도식적인 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 또다른 전극의 도식적인 구조를 나타낸다.
도 3은 예로서 상이한 열 전도도를 갖는 상이한 영역이 형성되어 있는, 삽입물을 갖는 본 발명에 따른 전극의 특정 실시양태를 나타낸다.
도 4는 2 이상의 내부 연결된 삽입물을 갖는 또다른 전극의 도식적인 구조를 나타낸다.
도 5는 종래 기술에 따른 전극의 도식적인 구조를 나타낸다.
도 6는 단면으로 확장된 모서리가 존재 및 부재하는 본 발명에 따른 전극의 다양한 형태(a∼l)의 선택군을 나타낸다.

본 발명은 하기 실시예로 더욱 자세하게 설명하게 된다.

직경이 140∼200 mm인 다결정질 규소 로드를 지멘스 침착 반응기에서 침착시켰다. 복수의 전극의 실시양태를 시험하였다. 상기 침착 공정의 파라미터는 각각 모든 시험에서 동일하였다. 상기 시험은 상기 전극의 실시양태에서만 달랐다. 상기 뱃치 프로파일에서의 침착 온도는 1000∼1100℃이다. 상기 침착 공정 중에, 화학식 SiH_nCl_4-n(n = 0∼4)의, 염소를 함유하는 1 이상의 실란 화합물로 구성되는 공급물, 및 캐리어 기체로서 수소가 공급되었다.

비교예 1:

종래 기술에 따른 전극(도 5)을 상기 침착에 사용하였다. 사용된 전극은 열 비전도도가 80 W/(m*K)인 초순수 전기흑연으로 구성하였다. 전체 길이(L)는 118 mm였고, 원통형 길이(L1)는 72 mm였다. 원뿔각(α)은 32°이고, 직경(D)은 65 mm였다. 열 싱크가 없는 전극을 사용하였다.

상기 반응 종결 시, 상기 반응기를 개방하고, 붕괴된 폴리실리콘 로드가 있는 뱃치의 수를 기록하였다. 100개의 뱃치 중에, 20개의 뱃치가 최종 직경에 도달한 후 붕괴하였다.

비교예 2:

종래 기술에 따른 전극(도 5)을 상기 침착에 사용하였다. 사용된 전극은 열 비전도도가 150 W/(m*K)인 초순수 전기흑연으로 구성하였다. 전체 길이(L)는 118 mm였고, 원통형 길이(L1)는 72 mm였다. 원뿔각(α)은 32°이고, 직경(D)은 65 mm였다. 열 싱크가 없는 전극을 사용하였다.

상기 반응 종결 시, 상기 반응기를 개방하고, 붕괴된 폴리실리콘 로드가 있는 뱃치의 수를 기록하였다. 100개의 뱃치 중에, 10개의 뱃치가 최종 직경에 도달하기 전 상기 침착 중에 붕괴하고, 2개의 뱃치가 최종 직경 도달 후에 붕괴하였다.

실시예 1:

도 1에 나타낸 바와 같이, 상승된 모서리를 갖는 본 발명에 따른 전극을 상기 침착에 사용하였다. 또한, 열 싱크를 상기 전극의 베이스 상에 적용하였다. 사용된 전극은 열 비전도도가 80 W/(m*K)이고 전기 저항이 15 μΩ*m인 초순수 전기흑연으로 구성하였다.

상기 전극은 하기 기하 구조를 가졌다:

전체 길이(L): 118 mm

직경(D): 65 mm

원뿔각(α): 32°

원뿔각(β): 16°

전극 팁 길이(LS): 21 mm

전극 팁 직경(D5): 34 mm

내부 모서리 직경(D6): 46 mm

열 싱크 직경(D3): 25 mm

열 싱크 직경(D4): 45 mm

열 싱크 길이(LK): 50 mm

상기 반응 종결 시, 상기 반응기를 개방하고, 붕괴된 폴리실리콘 로드가 있는 뱃치의 수를 기록하였다. 100개의 뱃치 중에, 2개의 뱃치가 최종 직경에 도달한 후에 붕괴하였지만, 최종 직경에 도달하기 전 상기 침착 중에는 뱃치가 붕괴하지 않았다.

실시예 2:

상이한 열 비전도도를 갖는 2개의 상이한 영역으로 구성된, 상승된 모서리를 갖는 본 발명에 따른 전극(도 3 참조)을 상기 침착에 사용하였다. 또한, 열 싱크를 상기 전극의 베이스 상에 적용하였다. 사용된 전극의 영역(A)은 열 비전도도가 135 W/(m*K)이고 전기 저항이 10 μΩ*m인 초순수 전기흑연으로 구성하였다. 내부 영역(B)에, 열 비전도도가 50 W/(m*K)이고 전기 저항이 22 μΩ*m인 초순수 전기흑연을 사용하였다.

상기 전극은 하기 기하 구조를 가졌다:

전체 길이(L): 118 mm

직경(D): 65 mm

원뿔각(α): 32°

원뿔각(β): 16°

전극 팁 길이(LS): 21 mm

전극 팁 직경(D5): 34 mm

내부 모서리 직경(D6): 46 mm

삽입물 길이(LE): 46 mm

삽입물 직경(D1): 34 mm

삽입물 직경(D2): 22 mm

열 싱크 직경(D3): 25 mm

열 싱크 직경(D4): 45 mm

열 싱크 길이(LK): 50 mm

상기 반응 종결 시, 상기 반응기를 개방하고, 붕괴된 폴리실리콘 로드가 있는 뱃치의 수를 기록하였다. 100개의 뱃치 중에, 1개의 뱃치가 최종 직경에 도달한 후 붕괴하였다. 최종 직경에 도달하기 전 침착 중에 뱃치는 붕괴하지 않았다.

실시예 3:

상승된 모서리를 갖는 본 발명에 따른 전극을 상기 침착에 사용하였다. 또한, 상기 전극의 상부 모서리를 확장시켰다(도 2 참조). 또한, 열 싱크를 상기 전극의 베이스 상에 적용하였다. 사용된 전극은 열 비전도도가 80 W/(m*K)이고 전기 저항이 15 μΩ*m인 초순수 전기흑연으로 구성하였다.

상기 전극은 하기 기하 구조를 가졌다:

전체 길이(L): 118 mm

직경(D): 65 mm

원뿔각(α): 32°

원뿔각(β): 16°

전극 팁 길이(LS): 21 mm

전극 팁 직경(D5): 34 mm

내부 모서리 직경(D6): 46 mm

확장된 모서리 직경(D7): 130 mm

열 싱크 직경(D3): 25 mm

열 싱크 직경(D4): 45 mm

열 싱크 길이(LK): 50 mm

상기 반응 종결 시, 상기 반응기를 개방하고, 붕괴된 폴리실리콘 로드가 있는 뱃치의 수를 기록하였다. 100개의 뱃치 중에, 1개의 뱃치가 최종 직경에 도달한 후에 붕괴하였지만, 최종 직경에 도달하기 전 상기 침착 중에는 뱃치가 붕괴하지 않았다.

실시예 4:

상이한 열 비전도도를 갖는 3개의 상이한 영역으로 구성된, 상승된 모서리를 갖는 본 발명에 따른 전극을 상기 침착에 사용하였다. 또한, 상기 전극의 상부 모서리를 확장시켰다(도 4 참조). 열 싱크를 상기 전극의 베이스 상에 적용하였다. 사용된 전극의 영역(A)은 열 비전도도가 135 W/(m*K)이고 전기 저항이 10 μΩ*m인 초순수 전기흑연으로 구성하였다. 사용된 전극의 영역(C)은 열 비전도도가 100 W/(m*K)이고 전기 저항이 12 μΩ*m인 초순수 전기흑연으로 구성하였다. 내부 영역(B)에, 열 비전도도가 50 W/(m*K)이고 전기 저항이 22 μΩ*m인 초순수 전기흑연을 사용하였다.

상기 전극은 하기 기하 구조를 가졌다:

전체 길이(L): 118 mm

직경(D): 65 mm

원뿔각(α): 32°

원뿔각(β): 16°

전극 팁 길이(LS): 21 mm

전극 팁 직경(D5): 34 mm

내부 모서리 직경(D6): 46 mm

확장된 모서리 직경(D7): 130 mm

영역(B) 삽입물 길이(LE1): 46 mm

영역(B) 삽입물 직경(D5): 34 mm

영역(B) 삽입물 직경(D2): 22 mm

영역(C) 삽입물 길이(LE2): 55 mm

영역(C) 삽입물 직경(D8): 70 mm

영역(C) 삽입물 직경(D9): 35 mm

열 싱크 직경(D3): 25 mm

열 싱크 직경(D4): 45 mm

열 싱크 길이(LK): 50 mm

발명의 효과

본 발명에 따른, 상승된 모서리로 그 측면이 둘러싸인 원뿔형 또는 피라미드형 팁을 갖는 탄소 전극을 이용하여 이에 고정된 필라멘트 로드의 성장 동안 열방출을 향상시키고, 로드 두께와 관련하여 전류 밀도의 분포를 향상시킴으로써 통상 설계의 전극에 비해 붕괴 빈도가 상당히 감소되는 전극을 제공할 수 있다.

Claims

필라멘트 로드를 수용하기 위한 장치를 포함하는 원뿔형 또는 피라미드형 팁을 갖는 탄소 전극으로서, 상기 원뿔형 또는 피라미드형 팁은 1 이상의 상승된 모서리에 의해 그 측면이 둘러싸여 있는 것인 탄소 전극.
제1항에 있어서, 상기 상승된 모서리는 상기 전극의 팁 위, 아래 또는 이와 동일한 높이에서 끝나는 것인 탄소 전극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상승된 모서리는 그 상부 말단이 뾰족하거나, 둥글거나, 비스듬하거나 또는 평탄하도록 형성된 것인 탄소 전극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극의 팁은 상기 전극의 베이스 표면의 중간점에 대해서 0∼20 mm 범위의 오프셋(offset)을 갖는 것인 탄소 전극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극은 상이한 열 비전도도를 갖는 상이한 물질들의 1 이상의 내부 영역을 갖는 복수 영역으로 구성되고, 상기 물질들의 열 비전도도는 내부로부터 외부로 증가하는 것인 탄소 전극.
제5항에 있어서, 상기 내부 영역 중 1 이상은 느슨하거나(loose) 교체가능한 삽입물로서 형성되는 것인 탄소 전극.
제6항에 있어서, 상기 내부 영역은 플러그 연결부에 의해 각각의 최근접 외부 영역에 연결되는 것인 탄소 전극.
제5항에 있어서, 상기 복수 영역은 공통의 열 및 전기 접촉을 갖는 것인 탄소 전극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극은 그 베이스에서 열 싱크에 커플링되는 것인 탄소 전극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극은 상이한 열 전도도를 갖는 고순수 또는 초순수의 전기흑연으로 구성되는 것인 탄소 전극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 사용되는 탄소 물질은 하기 파라미터들 중 1 이상을 갖는 것인 탄소 전극:
(a) 열 비전도도 20∼200 W/(m*K),
(b) 전기 저항 30∼5 μΩ*m,
(c) 표면 조도의 산술 평균 조도값 Ra 1∼20 μm, 조도 프로파일의 전체 높이 Rt 10∼200 μm, 및 평균 조도 깊이 Rz 8∼160 μm,
(d) 압축 강도 40∼250 MPa,
(e) 굴곡 강도 10∼100 MPa,
(f) 영률(Young's modulus) 1∼20 GPa,
(g) 20∼1000℃의 온도 범위에서의 선형 열팽창 계수 2*10^-6 ∼ 10*10^-6 l/K,
(h) 개기공률 5∼25%.
반응기 내 기상으로부터 고순수 원소 규소의 규소 로드의 표면 상으로의 침착에 의한 다결정질 규소의 제조 방법으로서, 상기 규소 로드는 제1항 또는 제2항에 따른 전극에 의해 상기 반응기에 유지되는 것인 제조 방법.