CN105189351A - 西门子反应器的气体分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体分配器，气体在该气体分配器中传输，该气体分配器包括：通过能易于拆卸的固定装置气密性地互连的至少两个部分、以及至少一个气体进口孔与至少一个气体出口孔，所述气体分配器通过能易于拆卸的固定装置安装在用于多晶体硅沉积的反应器的底板上，气体分配器的所述至少一个气体出口孔被连接成与反应器的气体进口孔连通，和/或气体分配器的所述至少一个气体进口孔被连接成与所述反应器的气体出口孔连通。
Description
本发明涉及一种用于使多晶体硅沉积的西门子反应器的气体分配器，具体地，涉及一种进给气体分配器和废气收集器。
高纯度多晶体硅(多晶硅)用作通过丘克拉斯基(Czochralski)(CZ)或者区域熔融(FZ)法生产用于半导体的单晶体硅的起始材料，并且还用作通过各种拉伸和铸造法生产用于制造光电太阳能电池的单晶体硅或者多晶体硅的起始材料。
通常，通过西门子工艺制备多晶硅。在该工艺中，将包括一种或者多种含硅的组分(以及可选的，还包括氢气)的反应气体引入至反应器中，该反应器包括通过直接通电而被加热的衬底，其中，硅以固态形式沉积到衬底上。优选使用的含硅组分为硅烷(SiH4)、一氯硅烷(SiH3Cl，一氯三氢硅)、二氯硅烷(SiH2Cl2，二氯二氢硅)、三氯甲硅烷(SiHCl3，三氯氢硅)、四氯硅烷(SiCl4，四氯化硅)、或者所述物质的混合物。
通常，在沉积反应器(也被称为“西门子反应器”)中执行西门子工艺。在大多数常规实施方式中，反应器包括金属底板和可冷却钟形件，该钟形件以在钟形件的内部形成反应空间的方式位于底板上。底板设置有一个或者多个气体进口孔以及用于离开的反应气体的一个或者多个废气口，并且底板还设置有保持器，衬底通过该保持器保持在反应空间中并且被供以电力。
每个衬底均主要由两个细长丝杆以及桥接件构成，所述桥接件通常在相邻杆的自由端处联接相邻杆。最为常见的是，长丝杆由单晶体硅或者多晶体硅制成；较为罕见的是，使用金属或者合金或者碳。长丝杆竖直地插入到位于反应器基底上的电极中，经由电极形成与电源的连接。随着时间推移，高纯度多晶硅沉积在加热的长丝杆以及水平桥接件上，因而使得其直径增加。在实现希望直径之后，终止该工艺。
为了制备多晶硅，例行使用沉积反应器，其中，经由喷嘴将反应气体注入到该反应器的被定义成底板的下部部件中。然而，通过喷嘴将反应气体引入到反应器的上部部件中也同样是可能的。
同样，经由反应器基底中的一个或者多个口而且还经由反应器罩壳频繁地从反应器中移除形成的废气。
因为进给气体的均匀分布对于杆上的均匀沉积很重要，所以通常经由多个喷嘴进给气体。
进给气体的所述分布可通过多个独立的气体进给管线或经由气体分配器进行，每个气体进给管线均直接连接至各个进给气体喷嘴，所述气体分配器例如为位于反应器附近的环形类型或者不同类型的气体分配器，通常位于反应器底板的下方，具有用于各个进给气体喷嘴的多个连接件。
在现有技术中，已知一些对应的解决方案。
US2011/0058988A1描述了一种用于制备多晶体硅的反应器，该反应器具有反应器基底，反应器基底具有多个喷嘴，每个喷嘴均具有一个喷嘴进入孔和一个喷嘴出口孔，从而形成将含硅气体至反应器内部的进给，特征在于，以如下方式成形一个壁，所述壁与反应器基底的外表面一起界定腔体，该腔体形成含硅气体到与该腔体连通的喷嘴的至少一部分上的分布，其中，通过使腔体的与反应器基底的外表面相接触的至少一个接触表面限制于反应器基底的外表面的实际子区域的方式而将该壁气密性地安装在反应器基底上。
US2011/0058988A1的目标是提供一种用于制备多晶体硅的反应器，其反应器基底被构造成使得含硅气体在反应器基底中的喷嘴上的分配节省空间、可靠且低廉、并且允许对于反应器基底的外部上的其他设备(例如，电极或者冷却剂连接件)的备用接入。
US2011/0305604A1描述了一种通过甲硅烷工艺制备多晶体硅的反应器，该反应器具有形成有多个喷嘴的反应器基底(含硅气体通过喷嘴流入)、同样安装在反应器基底上的多个长丝杆、以及距喷嘴一定距离的气体出口孔，所述气体出口孔用于进给使用过的单晶体硅以进行收集和/或重新处理，特征在于气体出口孔形成在内管的自由端上，并且，内管被引导通过反应器基底，并且，内管具有外壁和内壁，并且由此在外壁和内壁形成中间空间，其中引导至少一个可冷却水回路。
US2011/0305604A1的目标是设计一种用于通过如下方式制备多晶体硅的反应器，即，将使用过的含硅气体(甲硅烷：SiH4)的移除设计为要确保多晶体硅的可靠制备。
在优选实施方式中，反应器和反应器基底构造成包括内壁和外壁的夹套件，其中，用于可冷却的水位于夹套件中。在这种情况下，反应器基底包括第一区域和第二区域，其中，第一区域由承载喷嘴的中间板的面向反应器内部的板形成，并且其中，第二区域由中间板与承载长丝的供应连接件的底板形成。
反应器具有用于进给反应气体的多个喷嘴。通过中间板将反应器基底细分成两个区域。喷嘴被构造成中间板与反应器的内部之间的柱形连接件。因此，中间板下方的区域用作气体分配器。
US4805556A描述了一种通过硅烷的高温分解而沉积多晶体硅的反应器，该技术提供废气的重新处理并且使废气至少部分地返回至反应器。出于此目的，提供分配器件的环形分配器格栅以及数量与长丝数目对应的多个分配器环。
在优选实施方式中，分配器格栅包括两个分配器件，其中，第一分配器件连接至用于重新处理过的废气的管，而第二分配器件连接至分配器环，其中，这两个分配器件通过至少一个进给管线连接。每个分配器环均包括对称地布置的多个喷嘴孔。在每种情况下，均将分配器环放置为使重新处理过的废气朝向承载长丝的电极被引导。
因为进给气体和废气对潮湿比较敏感，并且如果与空气或者氧气混合，则可形成爆炸性气体混合物，所以进给气体管线和废气管线或分配器被固定地焊接至反应器基底，参见US2011/0058988A1。这防止了反应气体逸出并且简化了某些维护工作(例如，无需监测或者替换所需的密封件)。
通过沉积工艺，生长的硅杆上可能出现裂缝。因此，各种尺寸的硅碎片可落入进给孔和废气口中并且阻塞气体管线或者气体分配器。
在最糟糕的情况下，所有的杆均可能碎裂，其中，非常大的硅片可落入进口孔和出口孔中。
在进给气体的情况下，这种阻塞会导致进给气体的不均匀分配或者不正确计量，而在废气的情况下，阻塞可导致反应器中出现不期望的压力上升。
出于此原因，必须最迟在下一批之前移除硅片。
在牢固地连接至反应器基底的气体分配器的情况下(即，例如，只能通过切割才可使气体分配器与反应器基底分离)，在实践中，仅存在经由反应器中的气体孔在批次改变时移除硅片的可能性。
通常，需要很大的努力(例如，用手或者使用夹持工具、真空清洁器)才可移除硅片。因为有时非常大的硅片对于夹持工具而言过大并且不能使用真空清洁器通过吸收而移除硅片，所以这个过程费力费时(即，相对较长的准备时间)并且也不是总是能够成功除去硅片。
在经由进给气体管线或者废气流出管线借助于可拆卸的连接件(例如，凸缘)被紧固至反应器的气体分配器或者废气收集器中，尽管实际上可以分离进给气体管线或者废气管线，然而，不能打开气体分配器或者废气收集器本身，而大部分多个硅片存在于气体分配器或者废气收集器中。而且，位于反应器基底下方的附加管道和电连接件阻止简单地接近气体分配器和/或废气收集器。
由于这些问题，产生本发明的主题。
通过如下传输气体的气体分配器实现此目标，该气体分配器包括通过可易于拆卸的紧固件气密性地连接至彼此的至少两个部分、至少一个气体进口孔、以及至少一个气体出口孔，其中，气体分配器可通过可易于拆卸的紧固装置安装至用于多晶体硅沉积的反应器；其中，气体分配器的该至少一个气体出口孔连通地连接至反应器的一个气体进口孔，和/或其中，气体分配器的该至少一个气体进口孔连通地连接至反应器的一个气体出口孔。
优选地，气体分配器是进给气体分配器，该进给气体分配器适用于将反应物气体(硅烷)引入至反应器中。在这种情况下，该至少一个气体进口孔被设置成用于将反应物气体进给至气体分配器中并且由此连接至反应物气体进给管线。在这种情况下，该至少一个气体出口孔用于将反应物气体进给至反应器喷嘴并且由此连通地连接至反应器的气体进口孔。例如，如果反应器具有三个气体进口孔，则进给气体分配器同样包含三个气体出口孔，其中，在每种情况下，每个气体出口孔均与反应器的一个气体进口孔连通地连接。
然而，还存在一种可能性，即，多个进给气体分配器用于多个气体进口孔。同样，存在这样的可能性，将气体进口孔与任意期望的适宜数目的进给气体分配器以及任意期望的适宜反应物气体进给管线组合。
通过如下传输气体的气体分配器也实现了此目标，该气体分配器包括通过可易于拆卸的紧固装置气密性地连接至彼此的至少两个部分、至少一个气体进口孔、以及至少一个气体出口孔，其中，通过可易于拆卸的紧固装置可将气体分配器安装至用于多晶体硅沉积的反应器；其中，气体分配器的该至少一个气体进口孔被设置成从反应器进给废气并且连接至反应器的至少一个废气口；其中，气体分配器的该至少一个气体出口孔用于从气体分配器中移除废气。
在这种情况下，气体分配器的该至少一个气体进口孔被设置成从反应器进给废气并且由此连通地连接至反应器的气体出口孔(废气口)。例如，如果反应器具有三个废气口，则废气收集器同样包含三个气体进口孔，每个气体进口孔均与反应器的一个废气口连通地连接。废气收集器的该至少一个气体出口孔用于从废气收集器移除废气。然而，还存在多个废气收集器用于多个废气口的可能性。同样，存在将气体出口孔与废气收集器以及各个废气管线的任意期望有利数目组合的可能性。
本发明还涉及一种用于多晶体硅沉积的反应器，该反应器包括至少一个所述进给气体分配器和/或至少一个所述废气收集器(参见图1至图4)。
优选地，在一个沉积反应器中设置多个所述废气收集器和/或进给气体分配器(例如，参见图3)。
优选地，进给气体分配器或者废气收集器为环形类型的。具体地，环形类型的进给气体分配器或者废气收集器展示了在反应器上节省空间的布置的优点并且在反应器空间中产生均匀气体流并且由此产生均匀的气体分配。
如下布置的进给气体分配器是特别优选的，即，从气体分配器至喷嘴的进给管线对于所有喷嘴具有相同的形状和长度，在理想情况下，如果进给管线经由底板从底部延伸至反应器中，则甚至可以竖直向上地连接。
进给管线指从气体分配器至各个反应器喷嘴的连接件。
从反应器均匀地移除废气具有与反应器空间中的均匀气体分配同等的重要性。通过经由废气收集器可进行与进给气体分配器相似方式的移除。
以如下方式布置废气收集器是特别优选的，即，从反应器废气口至废气收集器的废气移除管线具有相同的形状和长度。
废气移除管线指反应器废气口与废气收集器之间的连接件。
本发明的成功的本质在于，气体分配器与废气收集器由两个或者多个零部件构成。
仅使用可拆卸的装置(例如，凸缘)就将所有的零部件气密性地连接至彼此。
仅使用可拆卸的紧固装置(例如，带螺钉的凸缘、带夹具的凸缘、螺旋紧固件、压缩配件等)。
此外，使用可拆卸的装置(凸缘)同样将进给管线或者废气移除管线气密性地连接至反应器。
根据本发明的设备允许通过气体分配器或者废气收集器的简单移除和清洁而移除落入其中的Si片。
因为气体分配器或者废气收集器由多个部分构成，所以如果需要，则也可能仅拆卸分配器/收集器的受污染零部件并且对其进行清洁(节省安装时间)或者可选地替换该零部件。
在多数情况下，可以通过在高压下弹射出硅片而进行分配。
而且，通过利用辅助装置(夹持臂、真空清洁器等)的人为操作步骤不能使设施的使用寿命增加。
在不需要整体拆卸底板以便于进行设施下方的维护工作的情况下(例如，使用设施下方的反应器凹陷)，可以相对快速地移除并且清洁气体分配器/废气收集器的单个部分。
此外，在通过下列方式布置的气体分配器或者废气收集器的情况下，即，其进给管线/废气移除管线在几何形状上相同，在理想情况下，其管道甚至能竖直地向上/向下连接(即，进给管线/废气移除管线没有弯曲)，在反应器中形成均匀的气流，这改善了沉积工艺。
下面将参考图1、图2、图3、以及图4描述本发明。
使用的参考标识的列表
1反应器罩
21进给气体分配器
22废气收集器
31进给气体管线
32废气管线
41反应物气体进给部
42废气移除部
5底板
6凸缘连接件
7U形衬底(长丝)
8水冷却部(双壁)
9水喷雾件
图1示意性地示出了具有进给气体分配器的西门子反应器。
图2示出了具有废气收集器的西门子反应器。
图3示意性地示出了具有废气收集器和两个进给气体分配器的西门子反应器。
图4示意性地示出了在反应器唇缘上具有废气收集器且在反应器基底上具有两个进给气体分配器的西门子反应器。
图1示出了具有反应器罩1、U形衬底7(其上沉积有硅)、以及进给气体分配器21的反应器。31示出了进给气体管线。反应物气体经由反应物气体进给部41被导向至进给气体分配器21。示出了用于反应物气体的三个孔。在底板5中设置有对应的孔。通过凸缘连接件6可使进给气体分配器的各个元件紧固并且可分离。经由底板5中的孔移除废气。
图2示出了具有反应器罩1、U形衬底7(其上沉积有硅)、以及废气收集器22的反应器。32示出了废气管线。经由底板5中的三个孔将废气从反应器引导至废气管线32(废气收集器具有对应的孔)并且废气通过废气移除部42从废气收集器22移除。通过凸缘连接件6使废气收集器22的各个元件紧固并且可分离。提供了水冷却部8，该水冷却部设置有水喷雾件9。
图3示出了具有反应器罩1、U形衬底7(其上沉积有硅)以及两个进给气体分配器21的反应器。31示出了进给气体管线。反应物气体经由反应物气体进给部41被引导至进给气体分配器21中。示出了每个进给气体分配器21具有用于反应物气体的三个孔。底板5中存在对应的孔。通过凸缘连接件6可使进给气体分配器的各个元件紧固并且可分离。此外，设置有废气收集器22。32示出了废气管线。经由底板5中的三个孔将废气从反应器引导至废气管线32中(废气收集器具有对应的孔)并且废气通过废气移除部42从废气收集器22移除。通过凸缘连接件6使废气收集器22的各个元件紧固并且可分离。提供了水冷却部8，该水冷却部设置有水喷雾件9。
图4示出了具有废气收集器22与两个进给气体分配器21的实施方式，然而，其中，与图3相反，废气收集器并不通过凸缘连接至底板，而是，连接至反应器唇缘。
Claims (12)
1.一种气体分配器，气体能够在所述气体分配器中传输，所述气体分配器包括：通过能易于拆卸的紧固装置气密性地连接至彼此的至少两个部分；至少一个气体进口孔；以及至少一个气体出口孔，其中，所述气体分配器能够通过能易于拆卸的紧固装置安装至用于多晶体硅沉积的反应器，其中，所述气体分配器的所述至少一个气体出口孔连通地连接至所述反应器的至少一个气体进口孔，和/或其中，所述气体分配器的所述至少一个气体进口孔连通地连接至所述反应器的介质供应部的至少一个气体进给管线。
2.根据权利要求1所述的气体分配器，所述气体分配器适于将气体引入至所述反应器中，其中，所述至少一个气体进口孔被设置成用于进给气体并且连接至气体进给管线，其中，所述至少一个气体出口孔用于将气体进给至反应器喷嘴。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气体分配器，其中，所述能易于拆卸的紧固装置是凸缘连接件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体分配器，其中，从所述气体分配器至喷嘴的进给管线具有相同形状且优选竖直地延伸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体分配器，其中，所述气体分配器为环形类型。
6.一种气体分配器，气体在所述气体分配器中传输，所述气体分配器包括：通过能易于拆卸的紧固装置气密性地连接至彼此的至少两个部分；至少一个气体进口孔；以及至少一个气体出口孔，其中，所述气体分配器能够通过能易于拆卸的紧固装置安装至用于多晶体硅沉积的反应器，其中，所述气体分配器的所述至少一个气体进口孔被设置成用于从所述反应器进给废气并且被连接至所述反应器的至少一个废气口，其中，所述气体分配器的所述至少一个气体出口孔用于从所述气体分配器移除所述废气。
7.根据权利要求6所述的气体分配器，其中，所述能易于拆卸的紧固装置是凸缘连接件。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的气体分配器，其中，从所述反应器的所述废气口至所述气体分配器的连接管线具有相同形状。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的气体分配器，其中，所述气体分配器为环形类型。
10.一种用于多晶体硅沉积的反应器，所述反应器包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的气体分配器。
11.一种用于多晶体硅沉积的反应器，所述反应器包括至少一个根据权利要求6至9中任一项所述的气体分配器。
12.一种用于多晶体硅沉积的反应器，所述反应器包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的气体分配器以及至少一个根据权利要求6至9中任一项所述的气体分配器。
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