TWI494458B - 在化學氣相沉積反應器中用於配氣之系統和方法 - Google Patents

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Description

在化學氣相沉積反應器中用於配氣之系統和方法 [相關申請之交互對照]
本申請案主張在2008年三月26日提出申請的共同申請中之美國臨時申請案序號61/039,758之權益，該臨時申請案的揭示全文以引用方式特意地併於本文。
本發明係針對在反應器中通過化學氣相沉積製造諸如多晶矽(polysilicon)之材料所用之系統和方法。更特定言之，本發明係關於使用矽豎管(silicon standpipe)配氣以改良在化學氣相沉積反應器中的流動型式所用之系統和方法。
化學氣相沉積(CVD)指的是通常在涉及從氣相沉積固體材料的反應室中所發生的反應。CVD可以用來製造高純度、高性能的的固體材料，諸如多晶矽、二氧化矽、和氮化矽等。於半導體和光電(photovoltaic)工業中，常使用CVD來製造薄膜和基體(bulk)半導體材料。例如，可將受熱表面曝露於一種或多種氣體。隨著氣體被輸送到反應室內，該等氣體可與該受熱表面接觸。一旦此情況發生，隨即發生氣體的反應或分解而形成固相，該固相即沉積在基板表面上而產生所欲材料。對於此製程的關鍵點為氣體流動型式，這會影響此等反應發生的速率和產物的品質。
例如，於多晶矽化學氣相沉積製程中，可從矽烷(SiH4 )、二氯矽烷(SiH2 Cl2 )、三氯矽烷(SiHCl3 )、和四氯矽烷(SiCl4 )根據各自的反應而沉積出多結晶矽。此等反應通常是在真空或加壓CVD反應器內，使用純的含矽原料或含矽原料與其他氣體的混合物來實施。該等反應所需的溫度範圍係從攝氏數百到超過一千度。若在CVD室中添加諸如膦(phosphine)、胂(arsine)或二硼烷(diborane)之氣體，也可以利用摻雜而直接生長多晶矽。
所以，氣體流動型式不僅對多晶矽和其他材料的生長具有關鍵性，而且也會影響整體CVD反應器系統的生產速率、產物品質、和能量消耗。
本發明係關於(尤其是)在化學氣相沉積反應器中配氣以改良在CVD反應器中的氣體流動所用之系統和方法。因此，本發明可用來增加CVD反應室內的反應效率、增加固體沉積物的輸出、改良產物品質、及降低整體操作成本。本發明也涵蓋者為，可以使用在CVD反應器內於矽豎管上沉積的矽作為附加的多晶矽產物。
於根據本發明的反應器系統和方法中，特別者，於CVD反應器系統和方法中，係利用豎管。該豎管可用來將各種反應物注射到反應室內。該豎管較佳地係用矽或其他材料所製造。此等材料包括，但不限於：金屬、石墨、碳化矽、和其他適當的材料。該豎管的長度取決於應用可為從約1至2公分到約數米。該豎管的直徑取決於氣體流速可為從約1至2毫米到長達數十公分。管壁的厚度較佳地為約0.1至約5.0毫米。
本發明的反應器系統包括反應室，其至少具有固定在反應室內的底板，和可操作地連接到該底板的包殼。於該反應室內有一條或多條絲接附到該底板，於該等絲上，可在化學氣相沉積循環期間，沉積各種反應物氣體。該等絲可為矽絲或將要製造的其他所需固體。有至少一個氣體入口和至少一個氣體出口連接到該反應室以讓氣體流經該反應室。此外也裝設一個用以觀看該室的內部部份所用的窗部或觀察口。電流源較佳地係通過該底板內的電導引(electrical feedthrough)連接到該等絲的末端，用以供應電流以在CVD反應循環期間直接加熱該等絲。也可以採用具有至少一個流體入口和至少一個流體出口的冷卻系統來降低該化學氣相沉積系統的溫度。
根據本發明的豎管較佳地係可操作地連接到至少一個將氣體流注射到反應室所用的氣體入口。該豎管較佳地包括個噴嘴耦合器和管體。該管體的長度和直徑可以根據至少一項所欲之氣體流速而選擇。該噴嘴耦合器可進一步包括諸如墊圈之密封裝置，用以將該管體密封到至少一個氣體入口。該豎管較佳地具有至少一個在該室內的注射管用以配送製程氣體流。該至少一個注射管的尺寸係以所欲流速為基礎。注射管材料可用矽或其他材料製成。
本發明的此等和其他態樣和優點可從下面較佳具體實例伴隨著圖式之說明更輕易地明白。
下文要參照所附圖式說明本發明的較佳具體實例，其中相同的元件符號表相同或類似的元件。
本發明係關於在反應器中分配氣體(尤其是)用以改良在化學氣相沉積(CVD)反應器中的氣體流動所用的系統和方法。特別的是，本發明係針對使用豎管在CVD反應器中配氣所用之系統和方法。本發明的效益和優點包括，但不限於，增加固體沉積物(如多晶矽)之生產速率、減低能量消耗、及降低整體操作成本。雖然本發明的揭示係針對例示多晶矽CVD反應器系統，不過本發明系統和方法可以應用到所需之氣體分配增加與氣體流動型式改良之任何CVD反應器系統，或任何一般的反應器系統。
於例示應用中，係用三氯矽烷在反應室內於棒或矽管絲上反應以在細棒或絲上形成多晶矽沉積物。本發明並不侷限於使用涉及三氯矽烷反應的多晶矽沉積之CVD反應器，而為可用於涉及矽烷、二氯矽烷、四氯化矽或其他衍生物或氣體組合的反應，例如可以根據本發明使用具有大表面面積幾何和相似的電阻性質之細棒或絲。可以利用具有各種形狀和組構的絲，例如，在美國專利申請公開US 2007/0251455中所揭示者，該公開以引用方式併入本文。
參照第1和2圖，顯示出化學氣相沉積(CVD)反應器，於其中多晶矽根據本發明而沉積在細棒或絲上。反應器系統10包括反應室12，其具有底板30、氣體入口噴嘴24或製程凸緣(process flange)、氣體出口噴嘴22或排氣凸緣(exhaust flange)、及電導引或導體20用以提供電流來直接加熱在反應室12內的一條或多條絲28，如第2圖中所示者。流體入口噴嘴18和流體出口噴嘴14連接到冷卻系統用以提供流體到反應室10。此外，較佳者有觀察口16或窺鏡(sight glass)用以目視檢查反應室12的內部，且可視需要用來取得反應室12內部的溫度測量。
根據如第1和2圖中所示的本發明之較佳具體實例，反應器系統10係經組構成用於多晶矽的基體製造。該系統包括：底板30，其可為例如單一板或多塊相對的板，較佳地組構有絲支撐體；及包殼，其可接附到底板30以形成沉積室。如本文中使用者，術語“包殼”係與可發生CVD製程的反應室12之內部相關聯。
一條或多條矽絲28較佳地係經配置在反應室12內的絲支撐體(未圖示)之上，且電流源可通過在底板30中的電導引20連接到絲28的兩端，用於供應電流以直接加熱該絲。在底板30中進一步裝設有至少一個氣體入口噴嘴24，其可連通到例如含矽氣體源，且在底板30中可裝設有氣體出口噴嘴22，藉此可將氣體從反應室12釋放出。
參照第2圖，顯示出例示豎管42結構，其中管體44較佳地係經可操作地連接到至少一個氣體入口噴嘴24，用以配合在反應室12內發生的CVD反應將各種氣體注射到反應室12之內(也請參閱第3A圖)。雖然在第2圖中繪示出單一注射管42，不過在反應室之內可包括一支或多支豎管。例如，參照第4圖，單一豎管可被多個豎管42所取代。每一豎管或注射管42的尺寸可在長度上從約1至2公分變到數米，且在直徑上從約1至2毫米變到數十公分，取決於所欲的氣體流動設計。
一支或多支豎管42較佳地係用來注射一種或多種氣體到反應室的不同部份，取決於所欲的流動型式。該(多個)豎管42可用任何已知的安裝機構接附到反應器，例如將管體44螺接到反應室12的入口噴嘴耦合器25(請參閱第3A至3C圖，如本文中所述者)。因為氣體流動型式對於多晶矽的生長、生產速率、產物品質、和能量消耗可能具有關鍵性，故本發明可應用於多晶矽製造過程和涉及矽或矽化合物沉積的任何其他製程。具體而言，本發明也可以應用於可能在管或其他形狀的組件上發生腐蝕、污染、和沉積等情況的製程。
請再參照第3A至3C圖，豎管42的各組件較佳地係由矽管所製成。矽是用為非矽材料(諸如可能引起在管體44內的腐蝕、污染、熔化和不想要的矽沉積物之不銹鋼或其他金屬)的替代物。在管體44的一端，用來製造管體44的材料係與可被機削(machined)的材料熔接。此等材料包括金屬、石墨、碳化矽、與任何其他適當材料。於另一端上，如第3A至3C圖中所示者，管體44較佳地係接附到具有適當直徑的噴嘴耦合器25。該噴嘴耦合器25較佳地係與墊圈26形成用以提供在氣體入口噴嘴24與豎管氣體供應源之間的氣密性密封。管體44的長度可為從約數公分到約約數米，視應用而定。管體44的直徑可為從約數毫米到約數十公分，視氣體流速而定。管體44的壁厚較佳地係在約數毫米或更小的級次。管體44較佳地係用矽製成。
在反應器內沉積材料的方法可包括下列步驟：提供反應室，該室包括固定在該反應室內的底板與可操作地連接到該底板的包殼；將至少一條絲接附到該底板；將電流源連接到該反應室以供應電流到該絲；將氣體源連通到該反應室以讓氣體流經該反應室；連接豎管到該氣體源用以在該反應室內分配氣體流；及操作該反應器以在該反應室內的至少一條絲上沉積材料。
本發明之豎管的其他效益為其可被再使用或回收。於氣體注射製程中，矽經沉積在管體44之上。在矽經增長之後，可從管底取走矽且用為矽產物。
雖然已經針對較佳具體實例來說明本發明，不過本技術領域中具有通常知識者可以輕易地理解，可以對彼等作出改變或修飾而不違離由後附申請專利範圍所界定的本發明旨意或範圍。
[參考資料併入]
本文中引述的所有專利、公開的專利申請和其他參考資料的完整內容都明確地以彼等的全文以引用方式併入本文。
10．．．反應器系統
12．．．反應室
14．．．流體出口噴嘴
16．．．觀察口
18．．．流體入口噴嘴
20．．．電導引
22．．．氣體出口噴嘴
24．．．氣體入口噴嘴
25．．．入口噴嘴耦合器
26．．．墊圈
28．．．絲
30．．．底板
42．．．豎管
44．．．管體
讓熟諳本發明所屬領域中具有通常知識者不需過度的實驗即可輕易地了解如何製作和使用本發明的方法和裝置，下文要參照某些圖式詳細地說明本發明的較佳具體實例，其中：
第1圖為本發明反應室系統的透視圖；
第2圖為第1圖中的反應室之內部透視圖；
第3A圖為根據本發明的豎管之剖視圖；
第3B圖為附接到第3A圖豎管的管體之噴嘴耦合器的放大圖；及
第3C圖為繪示於第3B圖中之噴嘴耦合器之墊圈的放大圖；
第4圖為組入多重豎管的本發明反應室系統之部份橫斷面圖。
12．．．反應室
14．．．流體出口噴嘴
18．．．流體入口噴嘴
28．．．絲
30．．．底板
42．．．豎管

Claims (22)

  1. 一種反應器系統，包括：反應室，係至少包含固定在該反應室內的底板和可操作地連接到該底板的包殼；至少一條絲，係接附到該底板；電流源，用以供應電流到該至少一條絲；氣體源，係可操作地連通到該反應室，以使氣體流經該反應室；以及豎管，係可操作地連接到該氣體源，用以注射該氣體流入該反應室，並且在該反應室內容置多晶矽的沉積物。
  2. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中，該電流係藉由在該底板內的電導引直接供應到該絲。
  3. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中，該反應室復包括觀察口，用以觀看該反應室的內部部份。
  4. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中，該豎管係由矽所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，復包括至少一個額外容置在該反應室內的豎管。
  6. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中，該豎管復包括噴嘴耦合器和管體，該噴嘴耦合器係用於與該氣體源連接。
  7. 如申請專利範圍第6項之反應器系統，其中，該管體的直徑係根據至少一個所欲的氣體流速而選擇。
  8. 如申請專利範圍第6項之反應器系統，其中，該噴嘴耦合器復包括墊圈，用以將該豎管密封到該氣體源。
  9. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中，該反應器系統為化學氣相沉積反應器系統。
  10. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，復包括冷卻系統，係至少具有可操作地連接到該反應器系統的流體入口和流體出口。
  11. 一種在反應器內沉積材料的方法，包括下列步驟：設置反應室，該反應室至少包含固定在該反應室內的底板和可操作地連接到該底板的包殼；將至少一條絲接附到該底板；將電流源連接到該反應室，用以供應電流到該絲；將氣體源連通到該反應室，以使氣體流經該反應室；將豎管連接到該氣體源，用以在該反應室內分配氣體流，並且在該反應室內容置多晶矽的沉積物；以及操作該反應器，以在該反應室內的該至少一條絲上沉積該材料。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，沉積在該絲上的該材料為多晶矽。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，該絲包括矽。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，該反應器為化學氣相沉積反應器。
  15. 如申請專利範圍第11項之方法，復包括下列步驟： 藉由在該底板內的電導引將該電流直接供應到該絲。
  16. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，該反應室復包括觀察口，用以觀看該反應室的內部部份。
  17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，該豎管係由矽所製成。
  18. 一種反應室，包括：至少一個底板，係固定在該反應室內；至少一條絲，係接附到該底板，該反應室係可操作地連接到電流源和氣體源，以促成在該至少一條絲上的材料沉積；以及豎管，係可操作地接附到該氣體源，用以在該反應室內分配氣體流，並且在該反應室內容置多晶矽的沉積物。
  19. 如申請專利範圍第18項之反應室，其中，電流係由該電流源供應到該絲。
  20. 如申請專利範圍第19項之反應室，其中，該電流係藉由在該底板內的電導引直接供應到該絲。
  21. 如申請專利範圍第18項之反應室，復至少包括可操作地連接到該反應室的氣體入口和氣體出口，以使氣體流經該反應室。
  22. 如申請專利範圍第18項之反應室，復包括觀察口，用以觀看該反應室的內部部份。
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