IT201900000235A1 - Camera di reazione per un reattore di deposizione con intercapedine ed elemento di chiusura inferiore e reattore - Google Patents

Description

"Camera di reazione per un reattore di deposizione con intercapedine ed elemento di chiusura inferiore e reattore"

DESCRIZIONE CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda una camera di reazione per un reattore di deposizione con intercapedine ed elemento di chiusura inferiore e un reattore che la utilizza.

STATO DELLA TECNICA

Le camere di reazione dei reattori richiedono di essere raffreddate quando la temperatura di reazione (al loro interno è elevata).

Ciò è particolarmente vero, ad esempio, per i reattori per deposizione di strati di materiale semiconduttore su substrati, talvolta chiamati "semi", in cui la temperatura di reazione può essere ad esempio di 800-1200°C nel caso di deposizione epitassiale di silicio, e ad esempio di 1600-3000°C nel caso di deposizione epitassiale di carburo di silicio; il risultato della deposizione può essere ad esempio uno strato (più o meno spesso) oppure un lingotto (ossia un lungo cristallo).

E' auspicabile che le pareti della camera di reazione siano raffreddate efficacemente e uniformemente.

Inoltre, è auspicabile che il sistema di raffreddamento abbia un funzionamento affidabile, ossia non si guasti.

La Richiedente si è concentrata sulle camere di reazione comprendenti un tubo fatto di quarzo e avente forma cilindrica e atto a essere posizionato in uso in modo che il suo asse sia verticale; in particolare, la Richiedente si è concentrata sulle camere di grosse dimensioni (ad esempio diametro maggiore di 50 cm ed altezza maggiore di 100 cm). Tali camere trovano applicazione, in particolare, nei reattori per la crescita di lingotti di carburo di silicio a partire da "semi" a elevatissima temperatura, ad esempio superiore a 2000°C.

SOMMARIO

Scopo generale della presente invenzione è di fornire una camera di reazione efficace e affidabile.

Questo scopo generale è raggiunto grazie a quanto espresso nelle rivendicazioni annesse che formano parte integrante della presente descrizione.

È anche oggetto della presente invenzione un reattore che utilizza tale camera di reazione.

ELENCO DELLE FIGURE

La presente invenzione risulterà più chiara dalla descrizione dettagliata che segue da considerare assieme ai disegni annessi in cui:

Fig. 1 mostra una vista in sezione longitudinale (molto schematica) di un esempio di realizzazione di una camera di reazione secondo la presente invenzione,

Fig. 2 mostra una vista in sezione longitudinale parziale di un elemento di chiusura della camera di reazione di Fig.1,

Fig. 3 mostra una prima vista in sezione longitudinale (molto schematica) parziale di un tubo della camera di reazione di Fig.1, Fig. 4 mostra una seconda vista in sezione longitudinale (molto schematica) parziale di un tubo della camera di reazione di Fig.1, e Fig. 5 mostra uno schema a blocchi di un reattore secondo la presente invenzione che utilizza la camera di reazione di Fig.1.

Come si comprende facilmente, vi sono vari modi di implementare in pratica la presente invenzione che è definita nei suoi principali aspetti vantaggiosi nelle rivendicazioni annesse e non è limitata né dalla descrizione dettagliata che segue né dai disegni annessi.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Le figure da 1 a 6 si riferiscono tutte al medesimo esempio di realizzazione della presente invenzione; con il riferimento 100 è indicata una camera di reazione nel suo complesso e con il riferimento 1000 è indicato un reattore nel suo complesso.

In Fig. 1, è mostrata la camera 100 che circonda una zona interna di reazione e deposizione 170; nella zona 170 viene posizionato almeno un substrato (non mostrato nella figura) che è tipicamente supportato da un elemento di supporto (non mostrato nella figura) chiamato "suscettore" soprattutto quando l'elemento ha non solo la funzione di supportare, ma anche quella di riscaldare il substrato. Sul substrato viene depositato uno strato (più o meno spesso) durante un processo cosiddetto di "crescita" ad alta temperatura. In Fig. 1 non è mostrato nessuno dei componenti interni alla camera di reazione 100 non essendo rilevante ai fini della presente invenzione.

La camera 100 comprende un basamento 150, un coperchio 160 e delle pareti perimetrali; nello specifico, le pareti perimetrali sono costituite da un tubo 110 fatto di quarzo e avente forma cilindrica e atto a essere posizionato in uso in modo che il suo asse 111 sia verticale. Il tubo 110 ha un'intercapedine interna 112 di forma cilindrica che si estende per tutta la lunghezza del tubo 110 e che è atta a ospitare un liquido fluente, in particolare un liquido di raffreddamento.

Un tubo come il tubo 110 con intercapedine 112 è relativamente facile da produrre perché è costituito da due pareti di quarzo cilindriche posizionate concentricamente; ciascuna delle due pareti ha tipicamente un diametro costante per tutta la sua lunghezza; i due diametri delle due pareti sono poco diversi tra loro (ad esempio la differenza di diametro può essere di 20-60 mm); gli spessori delle due pareti possono essere uguali tra loro e uniformi ovunque (lo spessore può essere di 3-10 mm); una può essere chiamata "parete interna" (si veda l'elemento 116 in Fig. 3 e Fig. 4); una può essere chiamata "parete esterna" (si veda l'elemento 115 in Fig.3 e Fig.4). La produzione delle due pareti di quarzo è comunque delicata tenendo conto che tipicamente il diametro del tubo può essere ad esempio maggiore di 50 cm e l'altezza del tubo può essere ad esempio maggiore di 100 cm. La camera 100 comprende ulteriormente un elemento di chiusura 120 di forma anulare, fatto di quarzo e fissato a un primo estremo inferiore del tubo 110 in modo tale da chiudere l'intercapedine 112 impedendo l'uscita del liquido fluente dall'intercapedine inferiormente.

Il fissaggio tra il tubo 110 e l'elemento 120 è fatto in particolare per saldatura; si comprende che tali saldature (quella dell'elemento 120 con la parete interna del tubo 110 e quella dell'elemento 120 con la parete esterna del tubo 110) devono essere fatte con cura per evitare rischi di perdite del liquido fluente soprattutto verso l'interno della camera 100, e sono fatte preferibilmente in zone a bassa sollecitazione termica ed a bassa sollecitazione meccanica.

L'elemento di chiusura 120 presenta superiormente una rientranza 122 di forma anulare affacciata all'intercapedine 112 in modo tale che il liquido fluente possa raggiungere la rientranza 122 inferiormente. Preferibilmente e come mostrato in Fig. 1, la larghezza della rientranza 122 corrisponde alla larghezza dell'intercapedine 112 dove l'elemento di chiusura 120 è in contatto con il tubo 110. Di fatto, l'intercapedine 112 (piena di liquido durante il funzionamento del reattore) si prolunga all'interno dell'elemento 120 secondo superfici continue (ossia senza scalini).

In tal modo, eventuali conformazioni particolari dell'intercapedine (per motivi meccanici e/o termici e/o idraulici) si concentrano nell'elemento 120 (e nella sua rientranza 122) che è più facile da produrre e lavorare meccanicamente anche per il fatto di essere di piccole dimensioni (assai più piccole del tubo 110). Ad esempio, la sua larghezza può essere di 25-50 mm e la sua altezza può essere di 35-70 mm ed il suo diametro pari a quello del tubo – si veda Fig.2.

Una particolare configurazione dell'elemento 120 è mostrata in Fig.2. Il profilo in sezione radiale della rientranza 122 può comprendere archi di cerchio di raggi diversi, in particolare un primo raggio (piccolo, ad esempio 5-15 mm) sul fondo 124 della rientranza 122 e un secondo raggio (grande, ad esempio 50-150 mm) maggiore del primo raggio sui fianchi 125 e 126 della rientranza 122. E' da notare che il raggio sul fianco 125 può essere uguale o diverso dal raggio sul fianco 126. In Fig. 2, il fondo 124 è distinto graficamente dai fianchi 125 e 126 da due sottili segmenti tratteggiati. L'uso di archi di cerchio di raggi diversi permette ad esempio di distribuire e scaricare ottimamente gli sforzi dovuti al peso del liquido nell'intercapedine del tubo cilindrico di quarzo; infatti, essendo tipicamente il tubo di grosse dimensioni e posto verticalmente, il peso complessivo del liquido è elevato.

Il profilo in sezione radiale della rientranza 122 può essere tale per cui il fianco 126 della rientranza 122 e il fianco 125 della rientranza terminano a quote diverse. In particolare, il fianco 126 su un primo lato dell'elemento di chiusura 120 rivolto verso l'asse 111 del tubo 110 termina a una quota più elevata (ad esempio, 5-15 mm) rispetto al fianco 125 su un secondo lato dell'elemento di chiusura 120 opposto al primo lato dell'elemento di chiusura 120. La differente quota permette di facilitare l'operazione di saldatura dell'elemento 120 al tubo 110; la configurazione di Fig. 2 è preferibile perché consente di effettuare entrambe le saldature dall'esterno muovendosi intorno al tubo 110.

L'elemento di chiusura 120 può presentare una flangia 123 in corrispondenza di una seconda zona (inferiore) dell'elemento di chiusura 120 non in contatto con il tubo 110; la flangia 123 sporge vantaggiosamente in direzione radiale. Tale flangia serve tipicamente per il fissaggio del tubo di quarzo; in Fig. 2 è schematizzato il caso in cui la flangia 123 è stretta tra un elemento superiore e un elemento inferiore in particolare grazie alla sua sporgenza radiale; in Fig. 2 sono anche schematizzate alcune guarnizioni di tenuta (corrispondenti ai cerchi neri in figura): una guarnizione è posta tra l'elemento superiore e la superficie superiore della sporgenza della flangia e una oppure due guarnizioni sono poste tra l'elemento inferiore e la superficie inferiore della flangia. In Fig. 2, la flangia 123 è distinta graficamente dal resto dell'elemento 120 da un sottile segmento tratteggiato anche se l'elemento 120 è preferibilmente realizzato in un solo pezzo.

Un aspetto importante della presente invenzione è la circolazione del liquido di raffreddamento nella camera, precisamente all'interno delle pareti perimetrali della camera, che verrà descritto nel seguito.

Il tubo 110 presenta una pluralità di aperture 113 e 114 per ingresso e/o uscita di liquido fluente nella e/o dalla intercapedine 112; in Fig. 1 sono mostrate possibili posizioni delle aperture 113 e 114 mediante due cerchi tratteggiati.

Preferibilmente, le aperture 113 e 114 possono essere situate (come mostrato in Fig. 1) circonferenzialmente su una superficie esterna del tubo 110. Preferibilmente, le aperture 113 e 114 possono essere situate (come mostrato in Fig. 1) in una prima zona inferiore del tubo 110; tali aperture possono essere a una certa distanza (ad esempio 10-50 mm) dall'estremo inferiore del tubo. Ad esempio, si possono prevedere 3-10 aperture 113 preferibilmente equispaziate su una prima circonferenza e 3-10 aperture 114 preferibilmente equispaziate su una seconda circonferenza; la prima circonferenza e la seconda circonferenza possono essere alla medesima quota (come mostrato in Fig. 3 e Fig. 4) o a una quota un po' diversa; le aperture 113 e le aperture 114 possono alternarsi attorno al tubo 110.

Nell'esempio delle figure (in particolare Fig. 3 e Fig. 4), una serie di condotti interni 130 fatti di quarzo interni all'intercapedine 112 si estendono dalle aperture 113, situate nella prima zona inferiore del tubo 110, fino a una seconda zona superiore del tubo 110 (un piccolo tratto dei condotti 130 è esterno all'intercapedine a causa della forma a "L" dei condotti 130); una prima serie di aperture 113 della pluralità (nella zona inferiore del tubo) sono atte all'uscita di liquido e sono in comunicazione con la serie di condotti interni 130; una seconda serie di aperture 114 (nella zona inferiore del tubo) sono atte all'ingresso di liquido. Il liquido di raffreddamento entra nell'intercapedine 112 inferiormente (in particolare attraverso condotti 140), fluisce in salita lungo l'intercapedine 112, entra nei condotti interni 130 superiormente (in corrispondenza di una zona estrema della intercapedine 112), fluisce in discesa lungo i condotti interni 130, ed esce dai condotti interni 130 inferiormente.

Nell'esempio delle figure (in particolare Fig. 3 e Fig. 4), una serie di condotti esterni 140 fatti di quarzo esterni all'intercapedine 112 sono in comunicazione con la seconda serie di aperture 114 (differentemente da Fig. 4, un piccolo tratto dei condotti 140 potrebbe essere interno all'intercapedine 112).

Si nota dalle figure, in particolare da Fig. 3 e Fig. 4, che superiormente l'intercapedine 112 è chiusa da un qualche elemento di chiusura (che potrebbe corrispondere al coperchio 160 mostrato in Fig. 1 oppure un apposito "tappo") e vi è un pelo libero del liquido lievemente distanziato dall'elemento di chiusura. In alternativa, l'intercapedine potrebbe essere aperta superiormente. E' preferibile che l'intercapedine sia chiusa da un qualche elemento di chiusura in particolare per evitare evaporazione del liquido.

Secondo un esempio (indicativo e non limitativo), la parete 115 ha uno spessore (tipicamente uniforme) di 4-6 mm, la parete 116 ha uno spessore (tipicamente uniforme) di 4-6 mm, l'intercapedine 112 ha una larghezza (tipicamente uniforme) di 15-30 mm, i condotti 130 hanno un diametro (tipicamente uniforme) di 10-20 mm e sono equidistanti dalle pareti 115 e 116, l'estremo superiore dei condotti 130 dista 20-50 mm dall'estremo superiore delle pareti 115 e 116.

La circolazione del liquido di raffreddamento all'interno delle pareti perimetrali della camera può essere fatta anche in modo diverso da quello mostrato in Fig.3 e Fig.4, ad esempio come descritto qui sotto. Il tubo può presentare una prima serie di aperture (nella zona inferiore del tubo) per ingresso di liquido fluente nell'intercapedine, analoghe alle aperture 114 dell'esempio precedente.

Il liquido entra nell'intercapedine inferiormente attraverso le aperture di questa prima serie, fluisce in salita lungo l'intercapedine ed esce dalla intercapedine superiormente.

Tale uscita può avvenire per "stramazzo" in corrispondenza del bordo superiore del tubo 110, preferibilmente il bordo superiore della parete 115 esterna (si veda Fig.4),

Alternativamente, tale uscita può avvenire attraverso una seconda serie di aperture. In questo caso, il tubo presenta una seconda serie di aperture (nella zona superiore del tubo) per uscita di liquido dall'intercapedine; le aperture della seconda serie possono essere situate circonferenzialmente su una superficie esterna del tubo; le aperture della seconda serie sono situate in una seconda zona superiore del tubo.

In entrambi questi casi di uscita superiore del liquido dall'intercapedine, le pareti del tubo sono soggette ad una pressione maggiore rispetto al caso di uscita inferiore del liquido dall'intercapedine (caso di Fig. 3 e Fig. 4).

In entrambi questi casi di uscita superiore del liquido dall'intercapedine, la pompa che fa circolare il liquido è costretta ad un lavoro maggiore rispetto al caso di uscita inferiore del liquido dall'intercapedine (caso di Fig. 3 e Fig.4).

Come già detto, una camera di reazione come la camera 100 viene tipicamente usata in un reattore come il reattore 1000 di Fig.5.

Un'applicazione particolarmente vantaggiosa sono i reattori per la crescita di lingotti di carburo di silicio a partire da "semi" a elevatissima temperatura, ad esempio superiore a 2000°C.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Camera di reazione (100) per un reattore (1000) per deposizione di strati di materiale semiconduttore su substrati, comprendente un tubo (110) fatto di quarzo e avente forma cilindrica e atto a essere posizionato in uso in modo che il suo asse (111) sia verticale, in cui il tubo (110) ha un'intercapedine interna (112) di forma cilindrica che si estende per tutta la lunghezza del tubo (110) e che è atta a ospitare un liquido fluente; la camera (100) comprendendo ulteriormente un elemento di chiusura (120) di forma anulare, fatto di quarzo e fissato a un primo estremo inferiore del tubo (110) in modo tale da chiudere l'intercapedine (112) impedendo l'uscita del liquido fluente dall'intercapedine inferiormente; in cui l'elemento di chiusura (120) presenta superiormente una rientranza (122) di forma anulare affacciata all'intercapedine (112) in modo tale che il liquido fluente possa raggiungere la rientranza (122) inferiormente.
2. 2. Camera di reazione (100) secondo la rivendicazione 1, in cui la larghezza della rientranza (122) corrisponde alla larghezza dell'intercapedine (112) in corrispondenza di una prima zona dell'elemento di chiusura (120) in contatto con il tubo (110).
3. 3. Camera di reazione (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il profilo in sezione radiale della rientranza (122) comprende archi di cerchio di raggi diversi, in particolare un primo raggio sul fondo (124) della rientranza (122) e un secondo raggio maggiore del primo raggio sui fianchi (125, 126) della rientranza (122).
4. 4. Camera di reazione (100) secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui il profilo in sezione radiale della rientranza (122) è tale per cui un primo fianco (126) della rientranza (122) e un secondo fianco (125) della rientranza terminano a quote diverse.
5. 5. Camera di reazione (100) secondo la rivendicazione 4, in cui un primo fianco (126) della rientranza (122) su un primo lato dell'elemento di chiusura (120) rivolto verso l'asse (111) del tubo (110) termina a una quota più elevata rispetto a un secondo fianco (125) della rientranza (122) su un secondo lato dell'elemento di chiusura (120) opposto al primo lato dell'elemento di chiusura (120).
6. 6. Camera di reazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento di chiusura (120) presenta una flangia (123) in corrispondenza di una seconda zona dell'elemento di chiusura (120) non in contatto con il tubo (110).
7. 7. Camera di reazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 6, in cui il tubo (110) presenta una pluralità di aperture (113, 114) per ingresso e/o uscita del liquido fluente nella e/o dalla intercapedine (112), le aperture (113, 114) essendo situate circonferenzialmente su una superficie esterna del tubo in una prima zona inferiore del tubo (110) a una quota superiore a quella dell'elemento di chiusura (120).
8. 8. Camera di reazione (100) secondo la rivendicazione 7, comprendente una serie di condotti interni (130) fatti di quarzo interni all'intercapedine (112), in cui detti condotti interni (130) si estendono fino a una seconda zona superiore del tubo (110), in cui una prima serie di aperture (113) della pluralità sono atte all'uscita del liquido fluente e sono in comunicazione con la serie di condotti interni (130) e una seconda serie di aperture (114) della pluralità sono atte all'ingresso del liquido fluente.
9. 9. Camera di reazione (100) secondo la rivendicazione 8, comprendente una serie di condotti esterni (140) fatti di quarzo esterni all'intercapedine (112), in cui la seconda serie di aperture (114) sono in comunicazione con la serie di condotti esterni (140).
10. 10. Camera di reazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 6, in cui il tubo presenta una prima serie di aperture per ingresso del liquido fluente nella intercapedine, le aperture della prima serie essendo situate circonferenzialmente su una superficie esterna del tubo, in cui le aperture della prima serie sono situate in una prima zona inferiore del tubo.
11. 11. Camera di reazione secondo la rivendicazione 10, in cui il tubo presenta una seconda serie di aperture per uscita del liquido fluente dalla intercapedine, le aperture della seconda serie essendo situate circonferenzialmente su una superficie esterna del tubo, in cui le aperture della seconda serie sono situate in una seconda zona superiore del tubo.
12. 12. Reattore (1000) comprendente una camera di reazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.