喷嘴设备和化学气相沉积反应器 |
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| 申请号 | CN201120579984.5 | 申请日 | 2011-12-23 | 公开(公告)号 | CN202671651U | 公开(公告)日 | 2013-01-16 |
| 申请人 | 森托塞姆硅技术有限公司; | 发明人 | M·雷克; | ||||
| 摘要 | 本实用新型描述了一种在 化学气相沉积 反应器中使用的 喷嘴 设备。该喷嘴设备具有喷嘴本体和至少一个控制单元，喷嘴本体具有入口、出口和位于它们之间的流动空间，控制单元包含控制部分和设定部分，其中，控制部分以可运动的方式布置在流动空间内，在流动空间内限定了流动横截面，流动横截面足够小以在气体流经喷嘴体时于控制部分产生压 力 损失，该压力损失在流动空间内朝向出口偏置控制部分。设定部分随控制部分一起运动且包含至少一个如下部分：它随设定部分的运动而改变出口的流动横截面。此外，提供至少一个偏置元件，它在流动空间内向远离出口的方向偏置控制部分。此外，描述了一种化学气相沉积反应器，它具有限定了工艺空间的工艺室。工艺室包含在其底壁上的至少一个通孔，而上述类型的喷嘴设备至少部分地被接纳在通孔内。 | ||||||
| 权利要求 | 1.在化学气相沉积反应器内使用的喷嘴设备，包括： |
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| 说明书全文 | 喷嘴设备和化学气相沉积反应器技术领域背景技术[0002] 在半导体技术和光伏产业中，已知在沉积反应器中例如根据西门子法(Siemens-method)制得高纯度的硅棒，该沉积反应器又叫做化学气相沉积反应器或简称为CVD反应器(CVD-reactors)。首先，将细硅棒接纳在反应器中，在沉积过程中硅沉积于其上。细硅棒被接纳在夹紧和接触装置中，夹紧和接触装置一方面将细硅棒保持在预定朝向，另一方面提供对细硅棒电气接触。在它们各自的自由端，通常两个细硅棒通过导电桥而电气连接，从而形成电流通路。在沉积过程中，细硅棒由预定电压的电流通过电阻加热而加热到预定温度，在沉积过程中，来自蒸汽或气相的硅沉积到细硅棒上。沉积温度介于900-1350℃，通常是在1100到1200℃。 [0003] 通过具有固定流动直径的多个喷嘴设备，按照所需要的量提供工艺气体，喷嘴设备通常设置于沉积反应器的底部。在反应器内的沉积过程期间，硅棒的直径持续地增加，这样硅棒的表面积也增加。为了硅棒的均匀增长，因此必须随硅棒直径的增加而提供更多的工艺气体，即必须提供更大质量流量的工艺气体。在具有固定流动直径静态喷嘴出口的喷嘴设备中，从喷嘴中喷出的工艺气体的速度剧烈地变化，该变化导致反应器内流量型态的极大变化。这可能会导致流动的拖延或失败，从而达不到工艺室和硅棒的整个高度。如果选择小直径的喷嘴，即使在最开始也能得到为达到反应器整个高度所需的流速。然而，由于较高的质量流量，这会随着工艺的进行而导致相当高的压力损失，因此，经济上不可行。此外，还可导致硅棒发生振动，而这种振动在最坏的情况下会导致硅棒落下。另外，工艺气体的流动会导致对硅棒的冷却，这会降低整体沉积速率，特别是局部地在硅棒的下端处。这可能会导致硅棒变得不稳定，并导致 硅棒潜在的翻落或破裂。如可从上述内容所理解的，通常使用的喷嘴设备、即具有静态喷管出口的喷嘴设备，会只为部分的工艺提供近似理想的流速。 [0004] 人们考虑了这样一个控制器，它控制工艺空间内喷嘴设备的流动直径，但发现在实践中由于沉积反应器底板的特殊结构以及恶劣的环境而难以实现该控制器。 实用新型内容 [0005] 从先前所描述的现有技术出发，本实用新型的目的是提供一种替代的喷嘴设计，在下文中将其称作喷嘴设备，以及提供一种替代的CVD反应器，它能克服上述问题中至少一个问题。 [0006] 特别地，本实用新型提供一种在CVD反应器中使用的喷嘴设备，该喷嘴设备由喷嘴本体和至少一个控制单元组成，喷嘴本体具有入口、出口和在出口和入口之间的流动空间，至少一个控制单元包含控制部分和设定部分。控制部分可运动地布置在流动空间内，并限定流动直径，这个流动直径小于流动空间内入口的流动直径，这样，当气体流向喷嘴本体时，在控制部分发生压力损失。该压力损失在流动空间内朝向出口方向偏置使控制部分。设定部分可随着控制部分运动，并且有至少区域，该至少一个区域随设定部分的运动而改变出口的流动直径。此外，提供至少一个偏差元件，它在流动空间内朝远离出口的方向偏置控制部分。 [0007] 上面讨论的问题可由这样的动态的喷嘴设计或喷嘴设备抵消。这个喷嘴设备提供了设计，它能通过入口和出口间的压力损失自动确定设定部分的位置从而改变出口的流动直径。通过设定流动空间内控制部分的流动横断面(flow cross section)以及设定偏差变量，考虑到在工艺中工艺气体的期望质量流量，这个设计可以实现从喷嘴设备喷出的气体流速可大约保持在同水平。 [0008] 较佳的是，为了提供规定的流动直径，控制部分由多孔板构成，即由具有多个孔洞的板构成，或者，至少有一部分形成为多孔板，或者，任何其他对控制部分处的流动限制结构也可提供规定的流动直径，例如控制部分的外周和流动空间的内周之间的空隙。在本实用新型的一个较佳实施例中，设定部分形成为当控制部分向出口运动时它增大出口的流动横断面，而在相反方向运动中它减小出口的流动横断面。设定部分可形成为随其运动而改变出口的流动角(flow angle)。这样做时，可在工艺过程中设定不同的出口流动角。例如，在工艺开始时，当工艺空间内的棒还很细时，为了使气体更好地分散在反应器空间内，出口角可能较大。因此，设定部分可较佳地形成为当控制部分向出口方向运动时它减小出口流动角，而在相反方向运动中则增大出口角。 [0009] 为了实现控制部分和/或设定部分的良好运动，一个部分和/或另一部分可由喷嘴本体以平滑的方式所引导。在引导区域内，至少一个元件可能包含由聚四氟乙烯(PTFE)制成的表面。 [0010] 在一个实施例中，喷嘴本体包含出口部分和至少一个固定导流元件，该固定导流元件至少部分地位于出口部分内，其中，设定部分包含管件部分，管件部分至少部分地位于出口部分内，管件部分围绕至少一个导流元件。 [0011] CVD反应器包含限定了工艺空间的工艺室，该工艺室具有在底壁上的至少一个通孔，一个上述类型的喷嘴设备至少部分地容纳在该通孔中。这种CVD反应器具有上文已经讨论过的优势。为了使整个工艺室内的工艺气体具有良好的流动性，喷嘴设备较佳地基本上完全配置在通孔内。在这样做时，气体入口、即喷嘴设备的出口与工艺室的底板大体上在同一水平位置，这便于工艺气体在工艺空间内的均匀分布。用语“大体上”应当包括延伸到工艺空间内最多喷嘴设备高度的20％、较佳地是低于喷嘴设备高度的10％。 [0012] 在本实用新型的一个实施例中，通孔是阶梯式的，这样它限定了直接邻接工艺空间的第一部分，该第一部分的直径大于与其直接邻接的第二部分的直径。喷嘴设备的主要部分、即沿其高度超过50％的部分被接纳在通孔的第一部分内。再者，喷嘴设备仅其高度的一小部分延伸到工艺空间内。较佳的是，面向轴向的肩部形成于通孔的第一部分和第二部分之间，喷嘴设备以密闭的方式紧靠于所述肩部。在这样做时，在通孔和喷嘴本体间可获得简单和安全的密封。 [0014] 本实用新型将在下文参考附图进行详细阐述；附图如下； [0015] 图1示出了CVD反应器/气体转化器的局部侧视截面图； [0016] 图2示出了图1中的喷嘴设备的放大截面图； [0017] 图3示出了类似于图2的截面图，其中喷嘴设备位于不同的操作位置； [0018] 图4示出了沿图2中的线IV-IV的剖视图； [0019] 图5示出了沿图2中的线V-V的剖视图； [0020] 图6示出了根据本实用新型第二实施例的喷嘴设备的放大截面图； [0021] 图7示出了根据本实用新型第三实施例的喷嘴设备的放大截面图； [0022] 图8示出了根据本实用新型第四实施例的喷嘴设备的放大截面图；以及 [0023] 图9示出了根据本实用新型第五实施例中的喷嘴设备的放大截面图。 具体实施方式 [0024] 在以下描述中，诸如在顶部或上方、在底部或下方、右和左都与附图中所示的相关，且不被用作限定的意义，即使他们可能指较佳的取向。此外，应当注明，附图仅是概要的，并且特别地，图1中的尺寸是不成比例的。 [0025] 图1示出了CVD反应器的示意性局部截面图，CVD反应器显示为硅沉积反应器。 [0026] 在图1中只示出了CVD反应器1的外壳(housing)的底壁3，而外壳的其他部分并未示出。在底壁3上方，CVD反应器的工艺室如此形成，它以恰当的方式通过未示出的外壳壁而对外界封闭。 [0027] 此外，图1示出了电极单元5和喷嘴设备6。示出了不同实施例的图2-9更详细地示出了喷嘴设备6，该喷嘴设备构成了本实用新型的主要特征。紧邻底壁3显示有可选择的绝缘单元8，它使电极单元5对底壁3电绝缘。绝缘单元8可仅设置在电极单元5附近。在其他区域，例如在喷嘴设备的区域，可不需要电绝缘。然而，在此可选地设置热绝缘。此外，还示出了硅棒设备10，它由两根垂直延伸的硅棒11和一根水平延伸的硅棒12形成，两根垂直延伸的硅棒11分别被电极单元5保持。如图所示，硅棒12连接了两根硅棒11。 [0028] 底壁可为已知类型，其具有内部冷却通道来积极冷却底壁。此外，在底壁3上设置有通孔14和通孔16，通孔14引导电极单元5穿过底壁3，通孔16引导喷嘴设备6穿过底壁3，如将在下文所详细讨论的。在所示出的实施例中，通孔14是笔直的孔，而通孔16是阶梯形的孔。显然，反之亦然，且两个通孔也可以是同一类型。 [0029] 每个电极单元5都包含接触部分18和连接部分19，接触部分18位于CVD反应器的工艺室内。 [0030] 电极单元5的接触部分18由导电材料制成，并且与同样由导电材料制成的连接部分19呈电导通关系。例如，接触部分18和连接部分19都可由石墨制成，因为石墨不会影响工艺室内的硅沉积过程，或者至少不会对该过程有较大影响。连接部分19也可为另一种适当的材料，例如铜，因为它位于工艺室的外面。或者，这些部分也可由另一种适当的导电材料制成。然而，石墨是尤其有利的，因为它能禁得起通常发生在工艺室内的温度。 [0031] 接触部分18以可释放的方式被保持在连接部分19上，并且它形成分别用于硅棒设备10的硅棒11的插孔。插孔可以是任何恰当的类型，它为硅棒11提供电接触，并且此外还提供充分的形状匹配，以在硅沉积过程中将硅棒11保持在图1所示位置。 [0032] 每个喷嘴设备6都是动态类型，它根据工艺气体的质量流量提供不同的出口流动开孔横截面，这将在下文更详细地阐述。 [0033] 喷嘴设备6的第一实施例将会在下文参考图2-5进行阐述。图2和3各自示出了示意性的喷嘴设备6在不同运行位置的示意性横截面视图，而图4和5分别示出了沿图2中的线IV-IV和V-V的横截面视图。 [0034] 每个喷嘴设备6都基本由外壳单元22和设定单元24组成。外壳单元有外壳本体26和导流元件28。外壳本体26具有入口30、出口31和位于它们之间的流动空间32。如从图2中可以看出，流动空间32具有比入口30的流动横截面和出口31的流动横截面都大得多流动横截面。流动空间32具有向入口30逐渐变细的截锥形部分、向出口31逐渐变细的截锥形部分以及具有恒定横截面的中间部分。 [0035] 在外壳本体26的下端设置有螺纹延伸部34，其具有外螺纹，用于与CVD反应器底壁的通孔16螺纹连接。相应的底壁3在图2中以虚线示意性示出。外壳本体26具有阶梯形的结构，对应于CVD反应器底壁3内的通孔16的阶梯形结构。喷嘴设备6也可被基本安装于底壁3上，并且仅有螺纹延伸部34延伸到底壁上的通孔内。在阶梯形部分内，外壳本体26可以封闭的方式安装于底壁3上。较佳地，例如石墨或银箔的导热元件可设置于外壳本体26和底壁3之间，以便于通过底壁3来冷却喷嘴设备6。 [0036] 导流元件28以居中的方式通过多根杆或桥接元件36安装在外壳本体26的出口31内，如图4中截面图最好地示出的。在截面图中，设置有三根杆36，其以固定的方式将导流元件28以预设的定向连接到外壳本体26上。 [0037] 导流元件28具有向上逐渐变细的锥形，如图2和3的截面图最好地示出的。 [0038] 设定单元24基本上由控制部分40和设定部分42组成。控制部分40形成为板状元件44。板状元件44具有与流动空间32的内部周向形状(在恒定横截面的部分内)相对应的周向形状，并且可在其中上下移动。在板状元件44的外周和流动空间32的内周之间可设置密封元件，例如O形环(O-ring)。板状元件44的较低位置被各个挡块46限制住。较低位置是停止位置(idle position)，将在下文进行阐述。 [0039] 板状元件44上有多个通孔48。因此，板状元件44可被叫做多孔板，即具有多个孔洞的板。通孔48的流动横截面的总和要小于外壳本体26中的入口30的流动横截面。多孔板的结构可在根据图5的视图中更好的看到。 [0040] 呈弹簧49形状的偏置元件被设置于导流元件28的下侧和板状元件44的上侧之间。偏置元件将板状元件44靠着挡块46偏置，如图2所见。作为对弹簧49的替代，可设置不同的偏置元件，例如弹性体、气压或液压活塞以及其他形式。此外，偏置元件可被配置在不同的位置，以为板状元件44相对挡块46分别提供偏置。这种替换性的设备在图6和7中举例示出，将在下文进行阐述。 [0041] 设定部分42基本上为管状的、垂直延伸的管状体50，管状体50在其下端处固定连接到板状元件44上与该板状元件一体形成。在其自由上端，管状体50具有锥形体52和出口54。管状体具有与喷嘴本体26的出口31的内周相对应的外周，且以平滑的方式被接收和引导于该出口31内。为此，出口31和/或管状元件50的外周可具有由PTFE(聚四氟乙烯)制成的表面或由具有低摩擦系数的不同材料制成的表面。尽管图中并未示出，在出口31的内周和管状体50的外周之间可提供密封设备，该密封设备其可包括例如一个或多个O形环。 [0042] 管状体50被配置为在导流元件28和喷嘴体26的出口31之间延伸。如图4的截面视图所示出的，在管状体50的围绕导流元件28的部分中设置了三个开孔，用来允许棒状物36在其中延伸穿过。在毗邻板状元件44的管状体50下部分，设置有多个通道56，以允许气流从管状体的径向外部空间通过该通道进入其内部空间，并朝向出口开孔55，如本领域技术人员可见的。 [0043] 本领域技术人员会意识到，管状体50中的出口开孔54形成了喷嘴设备的实际出口。出口54至少部分被导流元件28所阻塞。当设定单元24处于图2所示位置时，导流元件28的锥形部分延伸到出口54中，并且由此减小了出口54的有效流动面积。当设定单元24向上运动，出口54的流动横截面被成功地解除阻塞，直到形成最大横截面，如图3所示。 在这个位置，导流元件28完全解除了对出口54的阻塞。设定单元24的运动因此引起出口开孔54的流动横截面的改变。 [0044] 喷嘴设备6的操作将在下文进行阐述。 [0045] 将具有第一流动速率和第一压力的工艺气体通过喷嘴体26上的入口30供入流动空间32中。气体流过板状元件44上的通孔48，并在此过程中产生压力损失。这种压力损失取决于通过入口30供给的工艺气体的流量和压力。如果压力和流量低于预设阈值，板状元件44保持在图2所示位置，因为压力损失不足以使板状元件44抵抗弹簧49所施加的偏置力而向上移动。然而，如果压力和流量增长超过第一阈值，在板状元件44上的压力损失高到足以使板状元件44抵抗弹簧所提供的偏置力而向上运动。板状元件44可充分向上移动来彻底解除对管状体50上的出口54的阻塞，如图3所示。这种运动也可通过类似挡块46的挡块进行限制。这可通过穿过入口30的工艺气体的预设压力和预设流量来实现。本领域技术人员将意识到，所供给的工艺气体的流量和压力是可调节的，这样板状元件44就位于依据图2的最低位置、依据图3的最高位置或者它们之间的任何其他位置。喷嘴设备6可被调整或设计成可在已知压力和流量的工艺过程中提供离开出口54的工艺气体的基本恒定的流量。术语“基本”包含多达+/-20％、并且较佳地＜10％的变化。 [0046] 图6示出了喷嘴设备6的一个替代实施例的横截面，类似于图2所示。在下文的描述中，同样的附图标记用于相同或类似的元件。 [0047] 喷嘴设备6同样具有外壳单元22和设定单元24。外壳单元有外壳本体26和导流元件28。外壳本体26具有入口、出口以及它们之间的流动空间32，它们以与上文所述相同的方式配置和设计。然而，在出口开孔31中不设置杆36以安装导流元件28。在依据图6的实施例中，导流元件28为细长的且通过各自的杆或桥接件36而连接到流动空间32的底部。在杆36之间提供了可用空间，以在流动空间32内提供气体充分的自由流动。 [0048] 设定单元24同样基本上由控制部分40和设定部分42组成。控制部分40同样是板状元件44，然而，在这个实施例中，板状元件44具有大的中央开孔来允许导流元件28从其中引导穿过。在板状元件44的其余部分中设置有多个通孔48。板状元件44同样配置在流动空间内，以可上下移动，其中，板状元件44的下部位置由挡块46所限。 [0049] 板状元件44被偏置元件朝向挡块46偏置。偏置元件可以是例如拉伸弹簧49，该拉伸弹簧在板状元件44的下侧和流动空间32的底部之间延伸，或者是压缩弹簧，该压缩弹簧在板状元件44的上侧朝向流动空间32的顶部延伸，如虚线49所示。也可使用弹性环或类似元件来代替弹簧。 [0050] 设定部分42基本按先前所述以同样的方式设计，然而，在管状体50内不必设置用于棒状物36的通孔。 [0051] 喷嘴设备6的操作基本与先前所述相同，并且因此参考先前所作描述以避免不必要的重复。 [0052] 图7示出了喷嘴设备6的第三实施例。同样，对相同或类似的元件，使用先前实施例中同样的附图标记。 [0053] 喷嘴设备6同样具有外壳单元22和设定单元24。在这个实施例中，外壳单元22具有外壳本体26，但没有导流元件。外壳本体26具有入口30、出口31以及它们之间的流动空间32。入口30和流动空间32根据图2的实施例以相同的方式设计。出口31具有阶梯形的轮廓，其中在下入口部分60处有比上出口部分62小的流动横截面。 [0054] 设定单元24同样基本上由控制部分40和设定部分42组成。控制部分40同样形成为含多个通孔48的板状元件44。板状元件44同样可由偏置元件、例如拉伸弹簧49或用49指代的压缩弹簧在流动空间32内靠着挡块46而偏置。 [0055] 设定部分42形成为柱形元件66，其沿垂直方向延伸且在它的下端固定连接于板状元件44。柱形元件66在其自由上端具有锥形体。柱形元件66具有与出口31的形状相一致的周向形状。柱形元件66还具有径向延伸的突起68，该突起布置在出口31的区域内，在出口31的阶梯形部分上方。如图7所示，当板状元件44靠着挡块46而被偏置时，突起68减小了形成在突起68和外壳本体26的出口31内的阶梯部分之间的流动横截面。当板状元件44远离挡块而运动时，流动横截面增大。 [0056] 因此，喷嘴设备6在其操作过程中还提供动态改变出口流动横截面的可能性。 [0057] 因此，效果与先前所述的基本上相同，从而无需进一步阐述关于仪器的操作。 [0058] 图8示出了喷嘴设备6的第四实施例，其安装于CVD反应器的底部3上。 [0059] 在这个实施例中，喷嘴设备同样具有外壳单元22和设定单元24。外壳单元22具有外壳本体26，在这个实施例中，该外壳本体具有直圆柱形的周向形状，与CVD反应器底部3上的通孔16的内部周向形状相对应。外壳本体26可以任何适当的方式安装在通孔16内，例如螺纹连接。即使并未示出，外壳本体26仍可在其下端具有径向向外延伸的凸缘，该凸缘例如以顶板的方式靠着底壁3的下表面安装。在外壳本体26的上端也可设置有相应的凸缘。 [0060] 外壳本体26的上表面是平面，当其安装在通孔16中时，基本上与CVD反应器的底壁3的上表面齐平。或者，外壳本体26的上侧也可与图1所示绝缘单元8的上侧齐平。外壳本体26没有或至少没有较多地延伸到CVD反应器1的工艺空间的自由部分内。 [0061] 外壳本体26具有入口30、出口31以及位于它们之间的流动空间32。在本实施例中，入口30具有和流动空间32相同的流动横截面，而出口31同样具有较小的流动横截面。或者，也有可能同样具有如图2实施例中的较小直径的入口30。在本实施例中，重要的是，外壳本体26基本上完全被接纳在底壁(绝缘层8)中，并且不会或者至少基本上不会延伸到工艺室的自由部分内。本实施例中，从下方将喷嘴设备6安装入底壁3的通孔16内是可行的，即使安装也可典型地从上方进行。 [0062] 其他方面，本实施例在导流元件28和设定单元的设计方面与依据图2的实施例相对应，因此为了避免不必要的重复，此处详细的描述省略。 [0063] 图9示出了喷嘴设备6的布置的一个特殊选项，其具有和依据图2的喷嘴设备6一样的设计。喷嘴设备6的外壳本体26在其上端具有锥形体，在其下端具有阶梯形部分，如先前所述。下端的主要部分被接纳在底壁3的阶梯形通孔16内，而锥形的上部被绝缘层8所部分地覆盖。外壳本体26的上侧和绝缘层8的上侧齐平。同样，外壳本体26并不延伸到CVD反应器的工艺室自由部分内。只有导流元件28和设定单元24的设定部分42延伸入工艺空间内。这也将导致 通过喷嘴设备6而供给到工艺空间中的气流的有利分布。 [0064] 本实用新型关于其较佳实施例如上文所述，但不局限于此。尤其是，不同实施例的特征可自由组合或互相替代。 |
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