УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ СТЕРЖНЕЙ

Полезная модель относится к системам промышленной автоматики и может быть использована в источниках резистивного нагрева кремниевых стержней реакторов производства поликристаллического кремния методом водородного восстановления хлорсиланов (Сименс-технологии).
Известно устройство (Патент США №4562338, МПК Н05В 1/02, 1985 г.) для нагревания поликристаллических кремниевых стержней, включающее силовой трансформатор и тиристоры, подключенные попарно к выводам вторичной обмотки силового трансформатора, группы уравновешенных трансформаторов, подключенные к тиристорным группам по схеме, обеспечивающей постоянный ток во вторичной обмотке каждого уравновешенного трансформатора с подключенным к ней полупроводниковым стержнем. В устройстве предусмотрена дополнительная группа уравновешенных трансформаторов для обеспечения подачи высокого напряжения на стержни в стартовом периоде.
Известно устройство для нагревания поликристаллических кремниевых стержней («Технология полупроводникового кремния»./Под ред. Э.С.Фалькевича. М., «Металлургия», 1992 г., стр.219-220), выбранное в качестве прототипа, включающее силовой трансформатор, группу управляемых полупроводниковых выпрямительных мостов, подключенных через коммутаторы к вторичным обмоткам силового трансформатора и включенных последовательно со стержнями, управляющие входы которых подключены к системе импульсно-фазового управления.
Недостатки этих устройств заключаются в следующем:
- невозможно обеспечить равномерный температурный профиль стержней;
- возникают внутренние механические напряжения в объеме стержней;
- при их использовании высоки затраты на электроэнергию;
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего формирования импульсного тока в поликристаллических кремниевых стержнях, реализующего скин-эффект - распределение тока высокой частоты преимущественно в поверхностном слое при протекании его по проводнику тем самым обеспечивая необходимую температуру поверхности кремниевых стержней.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство импульсного нагревания поликристаллических кремниевых стержней также как в прототипе содержит источник питания, к которому подключены N поликристаллических кремниевых стержней. Согласно полезной модели к каждому стержню подключен тиристорный блок в прямом включении, при этом в точку соединения каждого кремниевого стержня и тиристорного блока подключен конденсатор, а параллельно тиристорному блоку подключен коммутатор. К управляющим контактам коммутаторов и тиристорных блоков подключена система импульсного управления тиристорами. Выходы тиристорных блоков соединены между собой в одну шину, которая присоединена к отрицательному полюсу источника питания.
Предложенная схема импульсного нагревания поликристаллических кремниевых стержней позволяет выровнять температурный профиль в объеме стержней, увеличить радиус получаемых стержней и снизить потребление электроэнергии за счет увеличения скорости осаждения кремния и уменьшения времени технологического процесса.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства импульсного нагревания поликристаллических кремниевых стержней.
На фиг.2 представлены графики зависимости тока I в поликристаллических кремниевых стержнях от времени t на примере четырех стержней.
Устройство импульсного нагревания поликристаллических кремниевых стержней содержит источник питания 1, к каждой шине которого последовательно подключены поликристаллические кремниевые стержни 2.1, 2.2,…2.N-1, 2.N, к которым соответственно подключены тиристорные блоки 3.1 (ТБ1), 3.2 (ТБ2),…3.N-1 (TБN-1), 3.N (TEN) в прямом включении. В точках соединения кремниевых стержней 2.1, 2.2,…2.N-1, 2.N и тиристорных блоков 3.1 (ТБ1), 3.2 (ТБ2),…3.N-1 (TБN-1), 3.N (TБN) подключены конденсаторы 4.1, 4.2,…4.N-1, 4.N соответственно. Параллельно тиристорным блокам 3.1 (ТБ1), 3.2 (TБ2),…3.N-1 (TБN-1), 3.N (TБN) подключены коммутаторы 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1 (KN-1), 5.N (KN). К управляющим контактам коммутаторов 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1 (KN-1), 5.N (KN) и тиристорных блоков 3.1 (ТБ1), 3.2 (TБ2),…3.N (TБN-1), 3.N (TБN) подключена система импульсного управления тиристорами 6 (СИУТ). Выходы тиристорных блоков 3.1 (ТБ1), 3.2 (TБ2),…3.N-1 (TБN-1), 3.N (TБN) соединены между собой в одну шину, которая присоединена к отрицательному полюсу источника питания 1.
В качестве системы импульсного управления тиристорами 6 (СИУТ) могут быть использованы, например, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и кольцевой распределитель импульсов. В качестве тиристорных блоков 3.1 (ТБ1), 3.2 (TБ2),…3.N-1 (TБN-1), 3.N (TБN) могут быть использованы оптотиристоры. В качестве коммутаторов 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1(KN-1), 5.N(KN) могут быть использованы промышленные контакторы. Источник питания 1 выполнен аналогично описанному в прототипе.
Устройство импульсного нагревания поликристаллических кремниевых стержней работает следующим образом.
Выпрямленное напряжение с источника питания 1 поступает в каждый поликристаллический кремниевый стержень 2.1, 2.2,…2.N-1, 2.N. В момент включения и на первоначальном этапе работы устройства коммутаторы 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1 (KN-1), 5.N (KN) включены (то есть коммутаторы 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1 (KN-1), 5.N (KN) шунтируют тиристорные блоки 3.1 (ТБ1), 3.2 (ТБ2),…3.N-1 (TБN-1), 3.N (TБN). Ток из источника питания 1 протекает по кремниевым стержням 2.1, 2.2,…2.N-1, 2.N через коммутаторы 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1 (KN-1), 5.N (KN) к отрицательному полюсу источника питания 1. Т.е. на первом этапе технологический процесс происходит с использованием постоянного тока (так как температурный профиль удовлетворяет требованиям технологического регламента). Первый этап продолжается то тех пор пока диаметр кремниевых стержней 2.1, 2.2,…2.N-1, 2.N не достигнет порядка 50 мм. Далее происходит переключение устройства в режим импульсной работы. Коммутаторы 5.1 (К1), 5.2 (K2),…5.N-1 (KN-1), 5.N (KN) размыкаются.
Работу устройства в импульсном режиме можно представить в виде циклов. Каждый цикл состоит этапов, количество которых определяется количеством кремниевых стержней 2.1, 2.2,…2.N-1, 2.N. На первом этапе с системы импульсного управления тиристорами 6 (СИУТ) поступает первый импульс на открытие тиристорного блока 3.1 (ТБ1). После открытия тиристорного блока 3.1 (ТБ1) ток проходит через поликристаллический кремниевый стержень 2.1 и тиристорный блок 3.1 (ТБ1). В этот момент происходит зарядка конденсатора 4.1.
На втором этапе с системы импульсного управления тиристорами 6 (СИУТ) поступает второй импульс на открытие тиристорного блока 3.2(ТБ2). После открытия тиристорного блока ток проходит через поликристаллический кремниевый стержень 2.2 и тиристорный блок 3.2 (ТБ2). В момент открытия происходит замыкание цепи конденсатора 4.1. Полярность напряжения конденсатора 4.1 противоположна полярности приложенной к тиристорному блоку 3.1 (ТБ1) от источника питания.
Происходит запирание тиристорного блока 3.1 (ТБ1). Одновременно происходит зарядка конденсатора 4.2. Дальнейшие этапы включают в себя те же самые процессы.
На последнем этапе цикла с системы импульсного управления тиристорами 6 (СИУТ) поступает импульс на открытие тиристорного блока 3.N (TБN). После открытия тиристорного блока ток проходит через поликристаллический кремниевый стержень 2.N и тиристорный блок 3.N (TБN). В момент открытия происходит замыкание цепи конденсатора 4.N-1. Полярность напряжения конденсатора противоположна полярности приложенной к тиристорному блоку 3.N-1 (TБN-1) от источника питания 1. Происходит запирание тиристорного блока 3.N-1 (TБN-1). Одновременно происходит зарядка конденсатора 4.N.
На следующем этапе импульс с системы импульсного управления тиристорами 6 (СИУТ) поступает на открытие тиристорного блок 3.1 (ТБ1). В момент открытия 3.1 (ТБ1) происходит замыкание цепи конденсатора 4.N и запирание тиристорного блока 3.N (TБN), после чего цикл повторяется снова.
Как видно из графиков, представленных на фиг.2, в каждом кремниевом стержне формируется пульсирующий ток I в соответствии с импульсным режимом работы устройства.