CN111447982A - 用于蒸汽发生和薄膜沉积的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于发生蒸汽的设备和方法，具有紧凑的汽化器设计，并将用于汽化的气体和液体混合物暴露于降低的最高温度。气体和液滴流过金属壳体(110)，该金属壳体(110)被构造为加热气体和液滴混合物以汽化，该方法包括引导气体和液滴混合物通过金属壳体的入口(120)，并使气体流过由围绕中心轴线布置的多个管状流道(180)限定的曲折流路以汽化。流路被引导通过热交换器(410)，包括在流入上述另外的曲折流路之前流路方向的一个或多个变化。残余液滴可以通过流过第二金属壳体而进一步汽化，该第二金属壳体被构造为加热气体和液滴混合物以汽化，并具有与第一金属壳体类似的构造，并提供第二曲折流路。

Description

用于蒸汽发生和薄膜沉积的设备和方法

背景技术

从液体产生蒸汽的过程可以通过将液体加热到足够高的温度以使液体经历相变并变成蒸汽来实现。为了以足够高的速率发生蒸汽，需要在相对短的时间内向液体供给充足量的热能。这可以通过提高蒸汽发生设备的工作温度或提供更大的传热表面、使得热可以更容易地传导到液体中来实现。

在半导体应用中，多种多样的易制毒化学品可以液体形式获得，用于蒸汽发生和随后经由汽相工艺在基板上的薄膜沉积。诸如化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVDP)、金属有机CVD(MOCVD)、大气压化学汽相沉积(APCVD)和原子层沉积(ALD)等的工艺是半导体器件制造领域的技术人员公知的。诸如金属有机化合物等的一些易制毒化学品在高温下可以分解而形成不希望的副产物从而导致工艺或设备污染。对于这些应用，加热温度必须保持较低以避免热分解和副产物形成。增加传热表面积通常将导致设备的总体物理尺寸增加，从而使装置对工艺中变化的蒸汽需求的响应性较低。由此，设备的响应速度将降低。因此，增加汽化速率的传统方法不适用于所有应用。

发明内容

本公开致力于一种蒸汽发生方法，该方法允许更紧凑的汽化器设计，同时降低液体和蒸汽所暴露的最高温度。该方法包括使用于汽化的气体和液滴的混合物流过至少一个具有用于将热传递到气体的多个表面的热交换器，热交换器中增加的表面积引导气体和液体混合物通过曲折流路以进一步增加热传递和汽化。该方法可以还包括将混合物引导至第二热交换器以进一步汽化气体中的任何残留液滴。一个或两个热交换器可以被构造有包括多个管状流道的曲折流路。

本公开的另一个方面涉及一种用于汽化气体和液滴混合物的设备。该设备可以更小并且尺寸更紧凑，但是能够保持用于气体中的液滴汽化的高容量。设备中增加的传热表面积允许在设备的较低最高温度下增加的汽化。该设备结合了至少一个热交换器，该热交换器具有增加的加热的流路的表面积，用于从加热元件到包括液滴的气体的热传递。该设备被构造为使液滴汽化以形成蒸汽，并且包括至少第一热交换器和优选地第二热交换器，第一热交换器与第二热交换器流体连通。第一热交换器是主热交换器，包括具有入口和出口的壳体，允许携带悬浮液滴的气体进入并流过第一热交换器。使该气体和液滴混合物流过第一热交换器，并且液滴可以通过曲折流路汽化，其中气体的流动方向在第一热交换器中在流动方向上交替至少一次。流路可以包括第一热交换器内的多个金属管。

然后，主热交换器可以与第二热交换器流体连通，第二热交换器也被称为次热交换器。次热交换器可以具有与第一热交换器的构造基本上类似的构造，并且被构造为接收具有在气体和液体混合物流过主热交换器之后未汽化的至少一些液滴的气体和液体混合物，并且进一步汽化气体和液体混合物。热交换器中的一个或这两个热交换器可以包括被构造为提供用于汽化的曲折流路的管状流道。

定义

除非另有说明，本文所用的以下术语具有下面提供的含义。

术语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可以提供某些益处的本发明的实施方式。然而，在相同或其它情况下，其它实施方式也可以是优选的。而且，一个或多个优选实施方式的详述并不暗示其它实施方式是不可用的，并且不旨在将其它实施方式排除在本公开的范围之外。

术语“大约”和“基本上”在本文中相对于因本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量中的局限性和可变性)而产生的可测量值和范围使用。

附图说明

图1A是蒸汽发生设备的竖直剖视图。

图1B是图1A所示实施方式的蒸汽发生设备沿B-B线的水平剖视图。

图2是根据图1A所示实施方式的结构的放大图。

图3A是蒸汽发生设备的一个实施方式的剖视图。

图3B是蒸汽发生设备的一个实施方式沿图3A中的C-C线的剖视图。

图3C是蒸汽发生设备的一个实施方式沿图3A中的D-D线的剖视图。

图4是蒸汽发生设备的一个实施方式的截面图。

具体实施方式

本公开致力于一种蒸汽发生设备。图1A例示了蒸汽发生设备的竖直剖视图，并且图1B是该蒸汽发生设备沿图1A中的B-B线的水平剖视图。在所有附图中，相同的附图标记将用于相同的元件。

参照图1A-图1B，蒸汽发生设备总体上以100例示。设备100包括金属壳体110和围绕金属壳体110并与金属壳体110良好热接触的电加热器120。雾化器140位于蒸汽发生设备上方。待汽化的液体与载气一起被引入到雾化器140的液体入口120中，载气流入到雾化器140的气体入口150中，以形成由悬浮在载气中的小液滴组成的液滴气溶胶。然后，液滴气溶胶通过出口160流出雾化器140，并流入蒸汽发生设备100中的用于加热和汽化的空间170内。

在正常操作条件下，雾化器140位于洁净室中。流入雾化器140的前体液体和载气以及流出雾化器140的液滴气溶胶都保持在与环境空气温度(通常为“室温”)基本上相同的温度。然后，液滴气溶胶沿众多管状气体流道向下流动。气体流道中的一个由图1B中的圆孔180例示。当气溶胶沿管状气体流道向下流动时，热通过对流从被加热的金属表面传递到液滴气溶胶中，这使气溶胶中的悬浮液滴汽化并形成蒸汽。然后，所产生的气体/蒸汽混合物通过下游流道流出汽化设备，以额外的加热和汽化。图1B中被示出为圆孔180的气体流道被认为是用于液滴汽化的第一、主要加热阶段。然后，任何未汽化的液滴可以在下面进一步描述的第二加热阶段中汽化。

在高液体流速下，气体流道180中的液滴汽化可能是不完全的。然后，液滴气溶胶进入空间200和金属结构220中，以进一步加热和汽化。金属结构220由此变为在这种两阶段加热和汽化过程中用于未汽化液滴的第二汽化阶段。

图2例示了金属结构220的放大竖直剖视图。金属结构的形状可以通常是圆柱形。底部凸缘270与竖直的圆柱形壁230处于良好的热接触，圆柱形壁230附接到内部竖直的圆柱形壁250并与圆柱形壁250处于良好的热接触。杯形圆柱形壁240也通过接触(该竖直剖视图中未示出)而附接到竖直圆柱形壁230。金属结构220的所有元件，包括竖直壁230、240和250，彼此之间处于良好的热接触，允许热通过传导容易地从外壁230流入到内壁240和250中。壁230、240和250本质上可以是圆柱形或管状的，并且在本公开中可以被称为管或圆柱状物。当如箭头215所示，气流通过入口开口260进入金属结构220时，如箭头225所示，气体将首先沿通常向下的方向流过管250，然后如箭头235所示，向上流过管240和250之间的环形空间。然后，气体在通过出口250离开金属结构220之前，如箭头245所示在管230与管240之间沿向下方向流动。竖直圆柱状物230、240和250之间的气流产生曲折流路，大大增加了被加热金属管与沿着管壁流动的气体之间的接触表面积。当气体流过金属结构220时，热从金属表面传递到气体，这有助于残留在气体中的任何悬浮液滴的汽化。

图1A和图1B中所例示的汽化设备可以用于制造集成电路器件芯片的半导体器件实验室中。对于这些应用，优选的构造材料是不锈钢。通常使用不锈钢，因为其耐腐蚀性和提供无污染表面的能力对于应用是优选的。不锈钢是导热的，然而，与其它金属相比，不锈钢是相对差的热导体。表1示出了不锈钢与其它金属相比的热导率。当使用导热性较低的材料时，从电加热器120到曲折流道的热流将较慢，这导致汽化设备的响应时间增加。

表1金属的热导率

为了改善或缩短汽化设备的响应时间，设置第二电加热器232。第二加热器232可以位于汽化设备100的中心附近。从第二电加热器232到汽化设备100的位于汽化设备100的中心附近的所有部件的热流将得到改善，从而缩短设备的总响应时间。

图3A中例示的是用于加热和汽化液滴气溶胶的金属热交换器的另一实施方式300的竖直剖视图。热交换器由与图1A中例示的电加热器120类似的电加热器(未示出)加热。液滴气溶胶通过入口孔310沿向下箭头315的方向进入热交换器到空的空间320中。液滴气溶胶流然后经历流动方向的变化，并且如箭头组325所示，向上流动。然后，该液滴气溶胶沿着箭头345的方向流入管状流道中，其中一个管状流道在图3B中以330表示。然后，液滴气溶胶流过众多管状流道，用于加热气体并汽化其中含有的液滴。

在高气体和液体流速下，流出主热交换器的流道330的气体可能仍然含有悬浮在气体中的未汽化液滴。然后，该液滴气溶胶流入空间340中，随后流过次热交换器350。然后，气溶胶流过次热交换器中的气体流道360，以汽化悬浮在气体中的残留的未汽化液滴。然后，气体和蒸汽混合物通过出口370流出次热交换器。

如图4所示，结合了以上关于图1和图3所述的蒸汽发生的概念。图4例示的实施方式进一步增加了设备的汽化量。为了连结蒸汽发生设备和热交换器，孔口400设置在中心井402处或其附近。孔口400例如设置在中心井402的底部，并且有助于平衡热交换器的两个部分的负载。由此，孔口将热交换器连接到众多管状通道，以增加流路并由此增加设备的汽化量。

如图4所示，蒸汽发生设备460是包括蒸汽发生设备420的壳体(与图1A和图1B中描述和例示的类似)，该蒸汽发生设备在孔口400处流体连接到热交换器410，诸如金属热交换器，以加热并汽化液滴气溶胶(与图3A、图3B和图3C中描述和例示的类似)。液滴气溶胶通过开口进入热交换器410沿向下箭头430的方向到空的空间中。液滴气溶胶流然后经历流动方向的变化，并如箭头432所示向上流动。然后，该液滴气溶胶沿着箭头434的方向流入管状流道中。然后，液滴气溶胶沿向下箭头440的方向流过孔口400，并流入蒸汽发生设备，该蒸汽发生设备包括众多管状流道，用于加热气体并汽化其中含有的液滴。液滴气溶胶流然后经历流动方向的变化，并且如箭头442所示向上流动。然后，该液滴气溶胶在沿箭头450的方向经由出口452离开之前，沿着箭头444的方向流入管状流道中，并流入众多管状流道中。

尽管已经参照优选实施方式描述了本公开，但本领域技术人员将认识到，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行变化。

Claims (15)

1.一种用于汽化液体以形成蒸汽的设备，所述设备包括：

壳体：

主热交换器，该主热交换器在所述壳体内并且具有用于携带悬浮液滴的气体进入的入口和用于气体/蒸汽混合物流出所述热交换器的出口，所述主热交换器包括众多管状流道，该众多管状流道被构造为加热所述气体并且使所述气体中的液滴汽化以产生气体和蒸汽混合物；以及

次热交换器，该次热交换器在所述壳体内并与所述主热交换器流体连通，所述次热交换器包括众多管状流道，该众多管状流道被构造为进一步汽化通过所述主热交换器之后残留在所述气体中的液滴；并且

其中，所述主热交换器或所述次热交换器中的所述管状流道沿着曲折流路引导所述气体/蒸汽混合物，其中，所述流路包括在所述热交换器的所述入口与出口之间沿流动方向的至少一个变化。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主热交换器和所述次热交换器这两者沿着所述曲折流路引导所述气体/蒸汽混合物，所述曲折流路具有沿流动方向的所述至少一个变化。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述主热交换器和所述次热交换器的所述管状气体流道是圆柱形的并且基本上彼此平行。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述主热交换器和所述次热交换器的所述管状气体流道的纵向轴线围绕所述壳体的中心轴线以圆形图案布置。

5.根据权利要求1所述的设备，还包括外部电加热器，该外部电加热器被构造为供给热，用于汽化。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括内部电加热器，该内部电加热器被构造为供给额外热，用于汽化。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述内部电加热器大约设置在所述壳体的中心。

8.一种用于汽化液体以形成蒸汽的方法，所述方法包括：

将气体和液滴混合物流引入到包括多个流道的金属壳体中，该多个流道被构造为加热所述气体和液滴混合物流，并且引导所述气体和液滴混合物通过所述金属壳体的入口，并且使所述气体在第一方向上流过所述壳体内的第一流道；

沿第二方向引导气流通过第二环形流路，所述第二方向与所述第一方向通常相反；

沿第三方向引导所述气流通过第三环形流道，所述第三方向基本上是所述第一方向的方向，并且通常与所述第二方向通常相反；以及

使所述气体流到所述金属壳体的出口。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述流道包括与所述金属壳体热接触的多个金属管，并且所述方法还包括用第一加热器加热所述金属壳体和用与所述壳体热接触的所述加热器加热所述多个管以汽化所述气体中的液滴的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，设置在所述金属壳体内的第二加热器与所述金属壳体和向所述流道提供热的所述多个金属管良好地热接触。

11.根据权利要求8所述的方法，还将所述气体引导到与所述第一金属壳体流体连接的第二金属壳体，第二金属壳体具有与所述第一金属壳体基本上相同的构造，并使所述气体和液滴混合物以与多个所述第一流道基本上相同的方式流过多个第二流道，以进一步汽化所述气体中残留的任何液滴。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二金属壳体的所述流道包括与所述第二金属壳体热接触的多个金属管，并且所述方法还包括用与所述第一壳体和所述第二壳体这两者热接触的加热器加热所述第二金属壳体和所述多个管以汽化所述气体中的液滴的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一金属壳体和所述第二金属壳体的所述管状气体和液滴混合物流道均为圆柱形并且在所述各自的壳体内基本上彼此平行。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一金属壳体和所述第二金属壳体的所述管状气体流道的纵向轴线均围绕中心轴线以圆形图案布置。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述加热步骤还包括用第二内部电加热器加热所述金属壳体中的所述气体，且其中，所述第一加热器包括提供用于汽化的足够的热的外部电加热器。

Images