CN1109129C - 气体输送定量分配管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一个气体输送定量分配管。该气体输送定量分配管包括多个轴向对齐并且套叠的管子，其中，最内侧管子容纳一种气体并沿着最内侧管子的整个长度建立均匀的托持压力；最外侧管子使得从气体输送定量分配管流出的气体均匀分布。

Description

气体输送定量分配管

本专利申请涉及1999年5月21日递交的、其系列号为NO.60/135358的美国临时专利申请，并要求该申请的优先权，该专利作为本申请的参考。

技术领域

本发明涉及一种用于输送气体的气体输送定量分配(metering)管。

本发明特别是涉及一种轴向对齐的套叠式或者同轴气体输送定量分配管，该定量分配管可以基本上实现气体的均匀分布。

背景技术

气体输送在许多工业中起重要的作用。例如，在半导体处理或者制造领域，气体输送起着至关重要的作用。一种类型的半导体处理方法是化学蒸汽沉淀法。当利用热反应或者某些气态化学物质的分解形成一个稳定的组合物、然后这样的组合物沉淀在基片的表面上。化学蒸汽系统有多种形式。一种用于这种方法的设备包括一个机械化运输大气压力CVD(APCVD)系统，该系统描述在美国专利US4834020中，并属于其受让人，该专利作为本申请的参考。可以使用的其他类型的CVD装置包括等离子增强CVD(PECVD)系统和低压CVD(LPCVD)系统。

半导体处理系统中的重要部件包括一个发生沉淀的沉淀室和用于将气态化学物质输送到所述的沉淀室内的基片的表面上的喷射器。气体必须分配到基片上，从而气体可以在基片的表面上发生反应并沉淀成一个合格的薄膜。沉淀室必须精心设计以提供一个发生沉淀的可控环境。例如，沉淀室必须具有气体封闭装置，但是又必须减少气体的再循环，因为这种再循环可能导致气体预反应(pre reaction)并沉淀形成一个非均匀薄膜。该沉淀室必须具有排泄装置，以消除过量的反应物和反应物副产品，同时又不会干扰气体流动到基片而发生反应。而且沉淀室的温度和其部件必须精心控制以避免反应物气体凝聚、减少副产品灰尘的聚集和清洗系统。另外，沉淀室在操作过程中应该最好具有一个机械完整性(例如象允许一定的误差)。所有这些因素必须认真进行平衡考虑以提供一个正确的沉淀环境。

在这样的一个沉淀室中喷射器的一个功能就是以可控方式将气体分配到所需位置。气体的可控分配大大提高了有效的、均匀的气相反应物形成良好的化学物类的机会，而这将在基片上形成一个高质量的薄膜。需要可控的气体分配来保证整个薄膜具有均匀的组成以及气体均匀反应，这部分地可以通过减少气体的预混合和早期反应来实现。一个完整的反应提供了更大的机会来制造具有良好质量的薄膜。如果气体流动不可控，则化学反应不会最优化，所形成的薄膜也将不会具有均匀的组分。当薄膜不具有均匀的组分时，就伤害了半导体的正确功能。因此，喷射器的结构能够实现气体以可控方式流动是非常重要的。

气体可能分配到沉淀室的其他部分和/或除了用喷射器外用其他部件进行分配。例如，惰性气体可以输送到沉淀室内从而以可控方式分离、或者引导气体。惰性气体或者其他气体被输送到沉淀室内是作为稀释剂或者运载气体。以这种方式使用气体的一个例子就是未处理的系列号为09/185180的美国专利申请，该专利的全部内容作为本申请的参考。

在半导体制造领域，由于要求装置几何收缩量小于0.2微米，因此增加了对薄膜沉淀厚度不均匀度小于2％的需求。现有技术中的线性气体分配系统还没有成功满足这些较高的要求。最简单的现有技术是使用一个单个的管子，在该管子的表面上分布由小孔或者小口，如图1所示，该管子的长度为L，直径为D，而小口的直径为d。气体在管子的一端以压力P引入，并具有初速度V0。在这种结构中，均匀度取决于压力。在每一个小口处，压力和速度均降低相应的量。假定小口的尺寸和管子的直接D相比非常小，而提供的压力非常大，那么每个小口处压力和速度的降低和P0、V0比就非常小。除非气流较小的情况下，沿着管子的速度的降低通常伴随有压力的增加。在远离气体供应装置的某个距离处，管子内的压力P0将会下降(用P0-Δp)表示。利用具有同样直径和等距间隔的小口的单个定量分配管不可能实现均匀气体流动。现有技术中单个管子的一个具体缺陷就是当定量分配管需要处理较大尺寸或者直径的基片时，很难在其增加了的长度上具有良好的均匀度。对于某些压力，给定D、d和L关系后，通过重新分布这些具有同样直径的小口或者这些等距间隔的小孔，定量分配管将产生均匀的速度向量(vi)和均匀的气体流速。然而如果不只是在一个特定的操作条件下进行操作，这种小口的分布就只能在较窄的操作条件下产生优化的流动。而且，这种现有技术通常根据具体的气体流速和压力将产生较高的5～10％薄膜厚度不均匀度。此外，在较低的气体流速和压力下，从最靠近气体供应装置流出的气体的流速较高，如图2所示。换句话说，如果P0为一个相对较低的值，则定量分配管中的整个压力将按照与气体供应装置的距离的函数而快速下降。在这种情况下，整个的流动均匀度非常糟糕。此外，当气体供应的流速和压力增加从这种管子中流出的气体的流速的方向性增加(或者称为“喷射”)。从这种管子流出的气体的流速是不均匀的，在其整个长度上将表现出一个线性增量，如图3a所示。作为另外一种形式，气体可以在定量分配管的两端引入，如图3b所示。在这两种情况下，气体都不能均匀分配，因此在晶片上产生不均匀的沉淀。

另外一个现有技术是使用单个的多孔材料管子。气体还是在管子的一端引入。通过这种方法就克服了带孔定量分配管的“喷射”问题。多孔材料的孔隙度通常决定了定量分配管内的托持压力(backingpressure)，因此也决定了沿着定量分配管的整个长度的整个均匀度。例如，一个筛网可以看作为一个多孔材料。对于最好的均匀度，筛子必须对于气体流动提供良好的阻力，以沿着定量分配管的整个长度上保持一个良好的托持压力。通常，流动的阻力取决于定量分配管表面区域的开口面积。筛网的开口通常与多孔材料的厚度具有相同数量级或者更高(＞0.005英寸)。一个第二个例子是一个多孔陶材料(例如象经常用于过滤装置上的材料)，该多孔材料的颗粒间距为微米数量级。这样的材料通常给气体流动提供良好的阻力，从而建立起均匀的托持压力，并且输送气体沿着输送管线的整个长度具有良好的均匀度。

尽管多孔陶材料定量分配管输送气体具有良好的均匀度，但是该材料本身非常脆弱，并且很难密封到气体供应管线上以承受更高的温度。

第三种现有技术是使得定量分配管的直径按照距离气体供应装置的距离的函数而逐渐变细。这种方法的主要缺点是：一种设置为只是在某一个流速下均匀流动的设计不可能在另外一个流速下正确工作。

使用单个带孔定量分配管或者多孔材料定量分配管的最大缺点是这些定量分配管对压力过分敏感，因此导致不均匀流动作为在输送管线上的整个长度上位置的函数而进行变化。而且，如图4所示，非均匀流动是气体流速的强函数(strong function)，而不同的应用和处理条件又需要不同的气体流速，因此设计和研制能够提供均匀薄膜沉淀的方法变得越来越复杂。图4所示的曲线表示了气体的流动条件的范围和典型的CVD的几何形状，雷诺数100＜Re＜2000。而且，当晶片直径增加时，随着气体输送管子的长度的增加，薄膜的不均匀度也进一步增加。

压力的变化通常由使用者有意操作形成，但是通常是由于气体输送系统到CVD系统的设备上的波动所导致的。因此，根据现有技术，压力的变化将影响喷射器和/或沉淀室内的气体输送的均匀度，这由影响基片上的薄膜的形成和薄膜的成分。换句话说，使用现有技术的系统，气体输送设备只是在某一个操作条件下是有用的。因此，需要提供一个气体输送系统，该气体输送系统能够促使气体基本上均匀流动和/分配，特别是在沿着其整个长度不受波动的影响，并且能够在较宽的流速范围内进行操作。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一个改进的用于输送气体的气体定量分配管，特别是能够沿着气体输送定量分配管的整个长度上实现均匀的气体输送，气体从该定量分配管的一端提供，本发明的这些和其他目的通过一个气体输送定量分配管来实现。该定量分配管由套叠并轴向对齐的或者同轴的定量分配管组合到一起，其中，一个最内侧管子盛装气体并沿着最内侧管子的整个长度建立基本上均匀的托持压力；一个最外侧管子使得从气体输送定量分配管流动出来的气体均匀分配。根据本发明的另外一个方面，一个气体输送定量分配管与至少一个喷射器装置组合在一起，该喷射器装置至少具有一个用于盛装气体输送定量分配管的开口。根据本发明的又一个方面，一个气体输送定量分配管与一个屏蔽装置组合在一起，该屏蔽装置具有至少一个用于盛装气体输送定量分配管的小室。该气体输送定量分配管特别适合应用于半导体处理。

通过本发明的详细描述和下面的权利要求书以及附图，本发明的其他目的和优点将会更加清楚，这些附图包括：

附图说明

图1是现有技术中应用的一个单个的定量分配管中的气体流动的剖面图；

图2是当压力较低时现有技术中应用的一个单个的定量分配管中的气体流动的剖面图；

图3a和3b是现有技术中气体流动不均匀的示意图；

图4是一个曲线，用于说明沿着各种类型的定量分配管(现有技术)的整个长度上气体流动的分布；

图5是本发明的气体输送定量分配管的剖面图；

图6a和6b是根据本发明的两个实施例的气体输送定量分配管的端部的剖面图；

图7是一个CVD沉淀室的一个例子的剖面图，用于表示一个保护性屏蔽装置和一个喷射器，该喷射器使用本发明的一个气体输送定量分配管；

图8是一个喷射器例子的剖面图，该喷射器使用本发明的气体输送定量分配管。

具体实施方式

在上述的具体的优点中，本发明提供了一个气体分配定量分配管，该定量分配管沿着其整个长度特别是定量分配管的整个长度定量分配其气体，使得所分配的气体对较宽操作条件或者气体流速范围内的压力变化不敏感，并针对解决现有技术的问题。本发明包括一个气体输送定量分配管，该定量分配管具有管装置，该管装置包括两个或者多个套叠并轴向对齐或者同轴的管子，最内侧管子最好联接到一个气体供应装置上，内侧管子和外侧管子均具有一排或者多排小口，这些小口沿着最内侧管子或者最外侧管子上分布。为讨论的目的，一个气体输送定量分配管10包括两个轴向对齐并套叠的圆形横截面管子；然而也可以使用其他数量的管子，例如象三个管子或者更多的同轴管子。用于处理半导体基片的气体输送定量分配管的长度通常比基片的宽度或者直径大几个厘米。

本发明的一个实施例参照附图5、6a所示。图5是一个气体输送定量分配管10的一个示意图，该定量分配管10包括一个双管装置，该双管装置具有由一个环形空间15分隔开的同轴的内侧管子12和外侧管子14。每一个管子具有两个端部。内侧管子12的一个端部13连接到气体供应装置上，而另外一端带有一个盖子。沿着内侧管子12的基本上整个长度上分布由一排或者多排小口16，这些小口16被设置在一定位置并具有一定尺寸并沿着内侧管子12的整个长度上建立均匀的托持压力，并从内侧管子12提供足够的气体流动到环形空间15内。在外侧管子14的整个长度上具有一排小口18。一排或者多排小口18设置在一定的位置并具有一定的尺寸用于在环形空间内保持一定的托持压力，并外侧管子14提供均匀的气体流动到外侧管子14附近。外侧管子14的两端最好具有盖子；然而，在部分的另外一个实施例，外侧管子还可以盛装一个气体供应装置。内侧管子12的小口16最好与外侧管子14的小口18错开180度，如图5和6a所示。然而，任何这些排的小口的任何旋转对齐和线性对齐都可以。本发明的最佳实施例中内侧管子的小口与外侧管子的小口错开180度。

尽管气体输送定量分配管10具有两个轴向对齐套叠的管子，也可以使用另外的管子。例如，气体输送定量分配管10可以包括三个或者多个同轴的管子。尽管使用两个或者多个套叠的同轴管子，本发明的设备的创造性之处在于首先沿着内侧管子的整个长度建立均匀的托持压力然后将具有均匀度和一致性的压力沿着气体输送定量分配管10的整个长度输送到两个管子之间的环形空间来减少在整个流速范围内的对压力的敏感长度。所形成的从外侧管子流出的气体非常均匀。本发明的有效第将在气体输送定量分配管的整个长度上建立压力和流动分成了两个步骤。

如上所述，具有单个管子的现有技术只是具有一排小口并在一端提供气体，这就要求在该管子的整个长度上气体托持压力均匀分布，以实现小口的均匀气体流动。在较低流速条件下，托持压力可能降低到很低，距离气体供应装置最远的小口的气体流动的压力将下降，从而在管子的整个长度上形成不均匀的分配。与此相反，根据本发明，本发明的内侧管子12具有一定的直径尺寸，其小口16用于沿着其整个长度建立均匀的托持压力。换句话说，管子的直径和小口的直径的关系是最重要的。小口16分布在内侧管子12的长度并且最好分布在内侧管子12的整个长度上，小口16的尺寸和数量设置用于保证从内侧管子流出的气体流动具有足够的流动阻力，以在内侧管子的整个长度上建立托持压力。从内侧管子流出的气体流动沿着其整个长度进行均匀分配，并将气体提供给内侧管子和外侧管子之间的环形空间。

在Mokhtari以及其他人的文章中(“多出口流动分配管的流动均匀度和压力变化”，参见Advancein Analytical，Experimental andComputational Techologies in Fluids，Strcture，Transients andNatural hazards，ASME，PVP-第355卷113页，1997年)中讨论了内侧管子12的内径(D_in)、管子长度L和小口的尺寸(din)用于沿着单个的管子建立均匀流动时的一般性关系。另外在Acrivos以及其他人的文章(“集管中的流动分布”，参见Chemical Engineering Science化学工程科学第10卷112～124页，Pergamon Press 1959)中要求L/D_in＜70，而Mokhtari举例建议L/D_in＞50。此外，Mokhtari以及其他人的研究表明，D_in/din≈10或者＞10能够在管子的整个长度上提供一个具有良好均匀度的流动。Acrivos建议整个的小口的面积(Nπdin2/4)与集管的面积(πDin2/4)之比不能超过单数(unity)。

现有技术中还提供了一些法则用于在单个的管子内建议一个相对较为稳定的托持压力。具体地，该关系可以表示如下：L/D＜70，D/d≈＞10以及N_Aport/A_tube≈1，其中N是管子上的小口的数量，而A_port是每一个小口的横截面积。这个现有技术只是限于单个的管子，然而，如上所述，这样的单个管子限于其具体的应用，无法提供具有满意均匀度的薄膜。

本发明的发明人已经发现，保持现有技术对于内侧管子12的要求可以在内侧管子12内建立一个相对稳定的托持压力(P0-Δp)。另外，本发明人发现，保持气体流动从内侧管子12的开口16到两个管子之间的环形空间15的均匀流动可以在管子的整个长度上实现基本上均匀的气体流动。根据本发明，在内侧管子12和外侧管子14之间的环形空间内的压力的均匀度由环形空间的尺寸来建立，而气体分配的均匀度则由内侧管子12上的小口16确定，但是通过增加一个外侧管子14和其小口18可以改善其均匀度。因此，根据本发明，两个同轴管子的组合沿着这些管子的整个长度在最内侧管子12与最外侧管子14之间的环形空间15内建立恒定均匀的压力，导致最外侧管子的气体流动非常均匀。

本发明已经发现内侧管子12和其与外侧管子14之间的环形空间15的横截面积应该大约相等，至少是在一个系数互为3的关系范围内。换句话说，有效的环形空间的有效直径D_eff和最内侧管子的内径D_in应该位于系数互为3的范围之间，并且最好D_eff≈D_in。此外，一个管子的内表面积与该管子上的所有小口的整个表面积应该相等或者二者之比大于10，最好大于100。换句话说，表面积_outer/NA_outer≈10或者＞10。和现有技术中5～10％的不均匀度相比，本发明显著第改善了气体流动的不均匀度，使得不均匀度等于或者小于3％。外侧管子14对于气体流动不均匀度对于管子长度的敏感程度大大小于内侧管子12的敏感程度。

总之，本发明的创造性之处在于：通过内侧管子的设计而沿着气体输送定量分配管的整个长度上建立恒定的托持压力，然后在内侧管子和外侧管子的整个几何关系的长度内维持恒定的压力和均匀的分布，最后使得流过外侧管子的小口的气体的流动定量分配。

本发明可以有多种应用。下面将描述两个这样的申请。在一个实施例中，本发明的气体输送定量分配管10用于一个大气压/低于大气压的化学蒸汽沉淀系统，该系统使用一个线性的喷射器装置，如图7或者8所示。该气体输送定量分配管10可以用于喷射器本身(如图8所示)和/或用于屏蔽装置内(附图7所示)，屏蔽装置用于包围喷射器的侧面。

一个CVD系统20的一部分如图7所示。该CVD系统包括一个沉淀室，该沉淀室包括一个喷射器22、保护性屏蔽装置24和一个晶片26。该晶片26通过一个运输机构例如象喷射器22和屏蔽装置下方的一个皮带进行运输并穿过沉淀区域28。气体从喷射器22喷射到沉淀区域28并发生反应而在晶片20的表明上发生沉淀而形成一个薄层或者薄膜。屏蔽装置24通常喷射惰性气体例如象氮气，这有助于减少在喷射器表明上形成沉淀，因此也有助于隔离沉淀区域28。在该实施例中，屏蔽装置24包括四个部分，其中的两个部分包围喷射器22的侧面。一个这种类型的CVD系统的例子还描述于美国专利US5849088和系列号为No.09/185180中的美国专利申请(代理人档案号为A-65583-1)中。这两个专利所公开的内容作为本申请的参考。

由于工业上要求薄膜厚度不均匀度小于3％，因此包围喷射器侧面的屏蔽气体流动在一段时间内保持稳定是非常重要的，相对于与喷射器另外一侧的气体流动，流动到喷射器每个侧面的气体沿着喷射器的整个长度被严密封闭。沉淀气体由线性喷射器垂直输送到晶片的表面上，并使得气体排泄到喷射器的两侧。而且作为更为具体的方式，屏蔽装置24的主要目的是减少无用的材料在喷射器22和排泄通路表面上沉淀。屏蔽装置24由几个部分组成，这些部分具有带孔材料的起伏状表面，形成一个小室25，通过该小室25输送惰性气体。惰性气体被输送到排泄通路内并稀释无用的沉淀气体流，而且将无用的沉淀气体从排泄通路表面移开。

为了使得效率最大化，惰性气体必须输送到沉淀区域的下游区域，而且惰性气体靠近沉淀气体时要求该惰性气体不会干扰沉淀气体在晶片基片上的沉淀。另外，典型的A PCVD和SACVD工具需要在基片的表面上施加热量，以促使沉淀气体发生反应并重新结合形成所需的薄膜。薄膜的温度通常为500℃或者更高，因此尽管周围的装置没有受到直接加热，但是这些设备还是处于一个较高的温度(几百度℃)环境下。因此，惰性气体最好被定量分配并沿着屏蔽装置和喷射器的整个长度均匀输送，其均匀度类似于沉淀气体所需的均匀度(亦即不均匀度大约＜1％)，其硬件必须能够在较宽的温度范围内操作。在这些优点中，本发明的气体输送定量分配管特别适合于沿着屏蔽装置的整个长度上提供定量分配的气体流动，而该宽度则横跨基片的宽度或者直径，尤其对于大的基片例如象300mm的晶片的晶片特别有利。特别如图7所示，本发明的一个气体输送定量分配管10位于一个或者多个屏蔽装置部分的小室25内。气体输送定量分配管10可以定位在屏蔽装置部分内的任何位置，并且每一个部分内可以放置不只一个定量分配管。

通常，用浸蚀剂例如象氢氟酸清洗时屏蔽装置24和喷射器22需要拆除。因此，气体输送定量分配管10最好也能够承受这种清洗液和/或很容易拆除，以促使屏蔽装置可以单独工作。

在本发明的另外一个实施例中，气体输送定量分配管10应用于喷射器22本身，并且最好放置在如美国专利5683516和系列号为09/113823的美国专利申请(代理人档案号A-59471-4)中所描述的那种类型的线性喷射器，这两个专利所公开的内容作为本申请的参考。通常，喷射器22由多个横穿通道或者沟道构成，这些横穿通道32沿着喷射器22的长度分布，每一个横穿通道32都利用一个窄槽形通道36连接到一个公共气体输送表面34，该窄槽形通道36也沿着喷射器22的长度延伸。气体从气体输送表面34排出到位于晶片基片26上方的沉淀区域28(一定体积)。作为优先的一种选择，沉淀气体分别提供给每一个横穿通道32。本申请的所应用的那些公开的专利详细描述了几种结构来保证沉淀气体沿着喷射器22的整个长度均匀分布。在各种优点中，本发明的气体输送定量分配管10特别适合于那些需要插入到喷射器22的一个或者多个小室32内以提供所需的均匀和/或定量分配气体流动的气体输送装置。

通常，使用现有技术形成的薄膜厚度的不均匀度接近于2％，但是根据所使用的化学方法和CVD条件，该不均匀度可能达到4％到5％。本发明通过进一步改进气体分布的均匀度来进一步改进现有技术，从而使得所形成的薄膜的不均匀度等于或者小于2％，这是对现有技术中的一大改进。

在这些特别的优点中，本发明提供一种装置来定量分配气体流动，以保证气体流动沿着气体输送系统的整个长度上均匀分布。在屏蔽装置的应用中，单个管子的气体流速通常为几个标准升/分钟的数量级到30slm；而在喷射器的应用中，气体流速最好为几个slm到大约20slm。在屏蔽装置的应用中，惰性气体被输送到屏蔽网后方的相对不受限制的空间内，而在喷射器的应用中，小室和通道沟槽的横穿靠近距离有助于调节气体分布和引导气体流动。

线性喷射器、屏蔽装置和基片的结构的几何形状要求气体必须从气体输送定量分配管的一端引入。用于线性气体分布系统的现有技术包括几个方法，但是这些方法没有成功应用于APCVD系统，特别是不适合于宽于200mm的基片。最简单的设计是一个单个管子，在该单个管子的表面分布有小口，如图1、2所示。

当本发明的气体输送定量分配管应用于屏蔽装置时，气体流动不需要从惰性气体输送装置“喷出”，而是应当沿着一定的方位角从管子排出。位于这种情况，根据本发明的另外一种形式的实施例，外侧管子上的小口分布可以为沿着管子的整个长度并分布在一定的方位角内的几排小孔的形式(图6b)。

对于附图8中所述的喷射器应用，喷射器横穿通道或者开口本身在本发明的具有创造性的装置周围形成了一个边界，并在气体穿过沟槽到达混合室之前调节气体的流动的方向。因此，决定喷射器的外侧管子上小口分布形式的定律没有决定屏蔽装置的外侧管子上小口分布形式的定律那么严格。使用本发明的气体输送定量分配管使得屏蔽装置和喷射器中的气体流动更加均匀。尽管上面套管了两个具体的例子，胆汁应该能够理解，本发明的气体输送定量分配管可以单独使用或者适合于多种需要均匀气体输送的应用(例如象所有CVD应用、半导体设备或者类似物)中。

(例子)

下面提供的几个例子只是为了说明本发明，不能认为是对本发明的限制。各种参数如表1所示：

表1

	内侧管子					外侧管子
											方案	#排	#孔/排	孔径	内径ID	外径OD	#排	#孔/排	孔径	内径ID	外径OD
A	1@2@	3938	0.014	0.114	0.314	5	156	0.014	0.186	0.25
											B	1	39	0.010	0.114	0.314	6	156	0.114	0.186	0.25
C	孔隙材料
											D	1	39	0.0095	0.136	0.156	1	77	0.0138	0.261	0.281
E	1	39	0.0095	0.136	0.156		3	3.06×0.005	0.261	0.281

(说明性的例子)

例1：下面演示表1中的方案A中的设计参数的可行性，这些参数用于保护性的屏蔽装置内的定量分配管，所述的屏蔽装置类似于图7所示中的屏蔽装置。

托持压力大约为200托(毫米汞柱)

气体流动：单管5～30升/分钟

内侧管子长度(第一孔到最后一孔长度)≈9.26英寸

外侧管子长度(第一孔到最后一孔长度)≈9.7英寸

内侧管子的尺寸入表1所示(内径ID＝0.114英寸，而外径OD＝0.134英寸)，而外侧管子的尺寸为内径ID＝0.186英寸，外径OD＝0.250英寸。

确定内侧管子和外侧管子之间的环形空间的有效直径D_eff的公式为： $A_{\mathrm{outer}}-A_{\mathrm{inner}}=\mathrm{\π}{\left(\frac{D_{\mathrm{eff}}}{2}\right)}^2---\left(1\right)$

式中，A_outer为外侧管子的横截面积，A_inter为内侧管子的横截面积，外侧管子内径为ID_outer而内侧管子外径为OD_inner，而D_eff为内侧管子和外侧管子之间的环形空间的有效直径。因此求解方程3可以得到： $2{\left(\frac{A_{\mathrm{outer}}-A_{\mathrm{inner}}}{\mathrm{\π}}\right)}^{1/2}=D_{\mathrm{eff}}---\left(2\right)$ $2{(R_{\mathrm{outer}}^2-R_{\mathrm{inner}}^2)}^{1/2}=D_{\mathrm{eff}}---\left(3\right)$

从而可以求解：

＝2×[(186/2)²-(.134/2)²]^1/2＝0.129inch＝D_eff

我们关心的是管子横截面积与管子的小口的横截面积的和的对比关系。对于内侧管子，横截面积为π(ID_inner/2)²＝π(114/2)²＝000325π，而每一个小口的横截面积为π(.007)²＝0.000049π。

对于内侧管子设计，我们感兴趣的是Mohktari和Acrivos的现有技术中所述的三个条件。这三个条件是(a)管子长度与直径的比值；(b)管子直径与小口直径的比值；以及小口的面积之和与管子的横截面积之比。具体地：

L/D＜70               (4a)

D/d≈＞10             (4b)

NAport/A_tube≈≤1    (4c)

对于表1中的方案1中的内侧管子计算如下：

(a)内侧管子L/D＝9.26/0.114＝81

(b)内侧管子D/d＝0.114/0.014＝8.1

(c)内侧管子的小口的面积之和与内侧管子横截面积之比为：

39×(0.000049)π/(0.00325π)＝0.6

将所提出的该设计的计算值与现有技术(公式4a，4b，4c)指南进行对比表明，方案A的内侧管子的设计大致上满足均匀流动条件，并且能够注意到，该设计方案实际上位于条件4a的高侧(high side)。

根据本发明，对于外侧管子的设计准则是：

D_eff≈D_in(或者两者至少位于一个系数3范围内)  (5a)

表面积_outer/NA_outer≈10或者更大             (5b)

式中，D_in为最内侧管子的内径，表面积_outer为最外侧管子的表面积，而NA_outer为最外侧管子上的所有小口的横截面积之和。

表1中的方案A的计算值如下：

(a)D_eff＝0.129≈0.114＝D_in

(b)表面积与小口横截面积之和之比＝(9.7)π(.186)/(156×5×.007²π)＝47，均满足设计准则。

例子2：下面演示表1中的方案D的设计参数的可行性，这些参数用于一个喷射器装置(如图7所示)内的定量分配管。

托持压力大约为200托(毫米汞柱)

气体流动：单管2～20升/分钟

内侧管子长度(第一孔到最后一孔长度)≈9.27英寸

内侧管子和外侧管子的内径和外径的关系如表1所示。各种关键的设计值可以利用例子1中所述的公式进行计算。具体地：

内侧管子和外侧管子之间的环形空间的面积D_eff＝2×[(261/2)²-(.156/2)²]^1/2＝0.209inch＝D_eff

内侧管子的横截面积＝π(.136/2)²＝0.00462π

内侧管子和外侧管子的小口的横截面积＝π￡.0048)²＝0.000023π

利用这些数据，方案D的内侧管子如公式4a、4b、4c所示的关系可以计算如下：

L/D_in＝9.27/1.36＝68

D_in/d＝.136/.0095＝14.3

NA_port/A_tube＝39π(.0048)²/.00462π＝0.19

将该设计的计算值与现有技术中的指南相比，方案D大致上满足均匀流动的条件。

方案D的外侧管子也必须用公式5a和5b进行验证。位于方案D，第一个关系满足：这就是说D_eff/D_in＝.129/.136＝1.54，位于系数3范围之内。方案D中的外侧管子包括77个直径为0.0138英寸的小口。因此对于9.7英寸长的外侧管子，公式5b的计算值为9.7π(261)/(77×0.0069²π＝690。

例子3：表1中的方案E使用与例子D中同样的内径，但是在外侧管子上具有3排小口而不是线性的一排小口。对于根据本发明的具有这样的小口的外侧管子：

D_eff/D_in＝.209/.136≈1.54，与前面一样

表面积与小口的横截面积之比＝

(9.7)π(.261)/(3×3.360×.005)＝173

也外侧管子也满足设计准则。

最内侧管子和最外侧管子之间的环形空间是一个有效的环形空间。换句话说，环形空间的面积为最内侧管子和最外侧管子之间的面积减去管子的形状的面积的面积，因为管子(除了具有圆柱形形状外还)可以具有多种形状。

如上所述和本发明的试验的演示，本发明通过创造一个可以建立恒定托持压力的装置(托持压力的建立与沿着管子整个长度上均匀流动的建立是互相分开的)，其气体输送定量分配管能够沿着给定的长度提供均匀的气体流动，而与管子的直径和长度无关。如上所述，对于实现所需的流速和均匀度来说环形空间的横截面积是重要的。在本发明的优点中，已经发现，只要给定了纵横(亦即孔-壁厚度)比≥1，管子的尺寸对于实现所需结果不是重要的；只要供应的气体不会限制气体的流动，这气体的供应也不是重要的。

另外，轴向对齐、套叠的管子可以为各种形状。例如，与附图中所示的圆柱形管子相比，套叠的管子可以包括两个轴向对齐的矩形截面的管子。而且本发明的气体输送定量分配管可以设置为在需要时“喷射”气流或者设置为不喷射气流。

在本领域的普通技术人员阅读了本发明后其他的特点和优点是显而易见的。本发明的上述的具体的实施例和例子的描述只是说明性的和描述性的。尽管本发明已经参照前面的某些例子进行了描述，不能认为是对本发明的限制。这些例子不是穷举的，本发明不是限制于这些公开的精确的形式，显而易见，根据上述的提示，各种修改、实施例、变化都是可能的。应该能够理解，本发明的范围包括这里所公开的内容、所附的权利要求书公开的内容亦即其等同物。

Claims (11)

1.一种用于输送气体的气体输送定量分配管，包括：

细长的至少轴向对齐并套叠的一个最内侧管子和一个最外侧管子，在所述至少一个最内侧管子和套叠的最外侧管子之间具有一个有效环形空间；

一排或者多排小口，所述的小口沿着所述各管子的基本长度而形成在所述的至少一个最内侧管子和一个最外侧套叠管子的每一个之上；

其特征在于，形成在最内侧管子的一排或多排小口在所述的最内侧管子内并沿着最内侧管子的基本上整个长度形成一个基本上均匀的托持压力，因此在整个工作条件的范围内，促使气体沿着最外侧管子的大致整个长度并从该最外侧管子的小口向外大致均匀输送。

2.根据权利要求1所述的气体输送定量分配管，其特征在于，有效环形空间具有一个有效直径D_eff，而最内侧管子具有一个内径D_in，D_eff和D_in之比大致在1/3到3的范围内。

3.根据权利要求1所述的气体输送定量分配管，其特征在于，最内侧管子具有下列性质：

L/D＜70

D/d≈＞10

NA_port/A_tube≈≤1

式中，L是最内侧管子的长度，D是最内侧管子的直径，d是在所述的最内侧管子上的所述的小口排上的一个小口的直径，N是最内侧管子上的小口的数量，A_port是所述的各小口的横截面积，而A_tube是所述的最内侧管子的面积；并且

最外侧管子具有下列性质：

D_eff和D_in之比大致在1/3到3的范围内。

表面积_outer/NA_outer≈10或者更大

其中，D_eff是有效环形空间的有效直径，表面积_outer是最外侧管子的表面积，而NA_outer是最外侧管子上的所有小口的横截面积之和。

4.根据权利要求2或3所述的气体输送定量分配管，其特征在于D_eff约等于D_in。

5.根据权利要求1所述的气体输送定量分配管，其特征在于，最外侧管子的表面积与在所述的最外侧管子上形成的小口的横截面积之和的比率等于或者大于大约10。

6.根据权利要求5所述的气体输送定量分配管，其特征在于，所述的比率大于100。

7.根据权利要求1或3所述的气体输送定量分配管，其特征在于，所述的定量分配管用于化学蒸汽沉淀系统。

8.根据权利要求1所述的气体输送定量分配管，其特征在于，最内侧管子具有一个长度和直径，其长度与直径的比率在小于大约70的范围。

9.根据权利要求1或3所述的气体输送定量分配管，其特征在于，套叠的管子是圆柱形的或者矩形形状。

10.一种根据权利要求1或3所述的气体输送定量分配管与至少一个喷射器装置的组合，所述的喷射器装置具有一个用于盛装所述的气体输送定量分配管的开口。

11.一种根据权利要求1或3所述的气体输送定量分配管与至少一个屏蔽装置的组合，所述的屏蔽装置具有一个用于盛装所述的气体输送定量分配管的压力通风系统(plenum)。

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