[发明专利]石墨电极

说明书

技术领域

本发明涉及在电极和工件之间的热耗散有所改进的由碳组成的电极。

背景技术

石墨电极用于工业中多个不同应用领域。其实例包括制铝和制钢、熔融盐的电解、化学化合物的电解分解、热沉积反应、电弧焊、测量仪表等。

这种情况下，一种重要的应用是根据西门子法对多晶硅进行沉积，其中，高纯度元素硅从气相沉积到硅棒表面上。这种情况下，在沉积反应器中，来自氢和卤代硅烷的混合物或含氢硅化合物的元素硅从气相沉积在加热到900至1200℃的细硅棒表面上。

这种情况下，硅棒由一般由高纯度人工石墨(electrographite)制成的特定电极固定在反应器内。每种情况下，电极底座上具有不同电压极性的两个细棒通过桥连接在另一个细棒端部，以形成闭合电路。用于加热细棒的电能通过电极及其电极底座进行供给。这种情况下，细棒的直径增加。同时，电极从其尖部开始生长到硅棒的棒底部。达到硅棒所需给定直径后，结束沉积过程，冷却灼热硅棒并取下。

此处电极的材料和形状特别重要。首先，它们用于保持细棒，将电流传递到硅棒内，以及还传热，还用作反应器内的生长的细棒的固定台座(secure stage)。由于趋势为向更长更重的硅棒发展，而且同时能具有数百公斤重量的棒对仅通过反应器中的电极进行固定，因此形状和材料构造的精确选择非常重要。

此外，根据由此而制造的硅棒随后的使用情况，对硅棒和沉积工艺，以及从而电极有非常不同的要求。作为示例，如果多晶硅随后用在硅碎片中用于太阳能和电子应用，硅棒不得在沉积反应器内的沉积工艺期间或之后掉落。长和粗的多晶硅棒增加了沉积工艺的经济可行性，但也增加了在反应器内掉落的风险。

根据现有技术的电极由处于下部的圆柱形基体和处于上部的锥形尖部组成。锥形尖部设有用于容纳细棒并与细棒接触的空腔。这种情况下，电极的下端放置在金属电极底座内，电流经由底座供给。这种电极一般是已知的，用于进行例如US 5,284,640中的硅沉积。

原则上，石墨用作电极的材料，因为石墨可以非常高的纯度生产，并在沉积条件下具有化学惰性。另外，石墨具有的电阻率非常低。

US 6,639,192描述了具有常规形式的石墨电极。其由具有锥形尖部的圆柱形基体组成。尖部包含用于容纳细棒并与细棒接触的孔。电极一体制成，因此由具有均质材料特性的材料(此处为人工石墨)制成。特别地，其具有非常高的比导热率。该实施方式的缺点是，获得最终直径之前，沉积之前和沉积期间掉落的可能性较高。

DE-2328303描述了没有尖部的圆柱形电极。这种情况下，承载棒插入平表面上的孔内。由于完全圆柱向下在硅棒直径小的情况下这种电极形状的热耗散仍然非常高。为了使小直径的硅棒不在沉积程序期间形成，电极必须具有低热耗散，即，直径要小，并且电极材料必须具有非常低的比导热率。粗棒，例如目前常见的粗棒，不能以这种电极形式沉积，因为，由于电极直径小、电极材料的比导热率低，棒大直径所需的高能无法从棒底部逸散。

其他领域已知有由多个层构成的石墨电极。但是，在这种情况下，设置不同层的目的在于优化化学转化。例如，US-3,676,324公开了由圆柱形内部部分和外部部分组成的圆柱形石墨电极，其中，内部部分具有非常高的导电率，外部部分为多孔石墨。多个层的目的在于避免高压损失，并在多孔表面获得较高化学转化率。在GB 2135334中，已知具有两个不同层的类似电极，其中，此处的外部多孔层用于以电解方式获得氟。

现有技术中已知的关于所有电极的缺点是，在电极与硅棒之间的过渡处或在电极附近的硅棒内，所述电极的趋势为，材料或多或少程度的裂缝或缺损(chipping-off)，因此使硅棒不稳定。

如果有成批硅棒掉落，将会产生较大的经济损失。因此，作为示例，在硅棒掉落的情况下，会对反应器的壁造成损坏。这种情况下，已经掉落的硅棒由于与反应器接触而受到污染，必须对表面进行清洁。另外，从反应器取下已经掉落的成批硅棒会增加额外费用。这种情况下，硅的表面进一步受到污染。

发明内容

本发明涉及由碳构成的电极，其中，电极由比导热率不同的至少两个不同区域构成，其中，外部区域(A)形成电极的基部并支撑一个或多个内部区域，其中，最里面的区域(B)在顶部从区域(A)突出，并且具有比区域(A)低的比导热率。

优选地，不同区域以这样的方式设置：最里面的区域具有最低比导热率，并完全地或部分地由具有更高导热率的区域包围。

优选地，内部区域(B)设置为未固定或可更换插入件。