TWI685376B

TWI685376B - 冷阱

Info

Publication number: TWI685376B
Application number: TW105111473A
Authority: TW
Inventors: 湯瑪斯克呂肯; 華特法蘭肯
Original assignee: 德商愛思強歐洲公司
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2020-02-21
Also published as: DE202015101792U1; TW201701935A; WO2016166079A1

Abstract

本發明係有關於一種用於冷凝移除氣流之揮發性組分的裝置，該裝置具有：殼體，該殼體具有筒形下部(1)及封閉該下部之開口的蓋子(2)；及設於該下部(1)之腔內的嵌件(3)，該嵌件具有上游段及下游段，其中該上游段具有數個可被冷卻劑穿過之冷卻元件(4)，該等冷卻元件相互間以第一間距佈置，並且與一或數個氣體流道(12)相交且在平行佈置之情況下自上充氣部(5)延伸至下充氣部(6)，其中該二充氣部(5、6)分別流體連接冷卻劑入口(13)或冷卻劑出口(14)，其中該嵌件(3)具有導氣元件(10、10'、21)，以便使該氣流自進氣口(16)至排氣口(17)發生多次偏轉，且其中該嵌件(3)之該下游段具有第二冷卻元件(20)，該等第二冷卻元件導熱連接該下充氣部(6)且相互間具有第二間距，其中該第二間距小於該第一間距。

Description

冷阱

本發明係有關於一種用於冷凝移除氣流之揮發性組分的清潔裝置，該清潔裝置在CVD塗佈設備特別是MOCVD設備之反應器的下游使用。在CVD塗佈裝置中，氣態起始材料被導入反應器並於該處相互發生化學反應或者與包含於反應器中之基板發生化學反應。起始材料或反應產物為離開該反應器之氣流中的揮發性組分。該氣流穿過冷阱，該冷阱被冷卻介質冷卻，因而當壁溫低於該揮發性組分之冷凝溫度時，該等揮發性組分在該冷阱之表面冷凝。此種冷阱之作用在於移除氣流中之殘餘製程氣體或反應產物，該氣流接下來被進一步清潔及/或穿過真空泵。

DE 299 04 465 U1描述一種具有相互平行佈置之冷卻元件的冷阱，該等冷卻元件可被冷卻液穿過且相互平行佈置。冷卻液自第一充氣部(Plenum)被送入冷卻元件。冷卻液自冷卻元件進入第二充氣部。DE 86 25 127 U1描述一種冷阱，氣流在該冷阱中發生多次偏轉。DE 697 36 124 T2描述一種具有殼體之冷阱，在該殼體中安裝有螺旋線狀冷卻旋管並且待冷卻之介質必須從經冷卻之導氣板旁邊流過。

由US 4,142,580及US 3,681,936已知熱交換器。

DE 2 537 639 A1描述一種用於自蒸汽-氣體混合物中凍結分離固態組分之裝置，其中冷卻劑經導引而穿過數個並置冷卻元件。該等構建為管子之冷卻元件自下充氣部延伸至上充氣部。透過中央進料管實現下充氣部之進料。

DE 1 203 226同樣描述一種用於分離可昇華物質之裝置，其中在冷卻管上固定有若干側面，該等側面之間距沿流向減小。

FR 2 146 100描述一種具有容器之冷阱，該容器向外隔離且在該容器中插設有內部容器，該內部容器中儲存有冷卻液。該冷卻液穿過數個呈環形佈置之冷卻通道。

US 7,067,088 B2描述一種具有數個等距佈置之熱交換面元件的聚合反應器。

由US 4,538,423已知一種冷阱，其中以氮為冷卻劑並且導熱元件載有數個導氣板，使得氣流可蜿蜒穿過冷卻裝置。由導氣板形成之氣體流道的間距沿流向減小。

此外，由US 3,226,936及WO 2011/135333 A2以及US 4,142,580及US 3,681,936已知具有相互平行佈置之傳熱元件的熱交換器。

本發明之目的在於提供一種適合用於MOCVD塗佈裝置之冷阱，該冷阱具有較小之氣體流道堵塞風險。

該目的透過請求項所給予之發明而達成，其中附屬項不僅為請求項1中所給予之解決方案的進一步有益方案，亦為該目的之獨立解決方案。

首先且主要提出一種用於冷凝移除氣流之揮發性組分的裝置，該裝置具有殼體。該殼體具有包含開口之筒形下部及氣密封閉該開口之蓋子。該蓋子可藉由密封件氣密貼靠於該下部之開口邊緣上且與邊緣夾緊。設有特定言之可穿過該開口而插入該下部之腔內的嵌件。此嵌件可固定連接蓋子，從而在蓋子與殼體下部分離後，可藉由抬升蓋子來自殼體下部取出嵌件。本發明亦提出，該嵌件可拆卸地連接蓋子。該嵌件具有數個冷卻元件。該等冷卻元件經佈置而與一由數個區段組成之氣體通道相交。為此，該氣體通道由數個沿流向依次佈置之氣體流道組成。該等氣體流道可相互平行延伸。該等冷卻元件同樣可相互平行延伸且較佳橫向於該等氣體流道延伸。設有上充氣部及下充氣部。其中一充氣部被供應冷卻劑。另一充氣部具有冷卻劑排出管。該等冷卻元件自一充氣部延伸至另一充氣部，較佳自上充氣部延伸至下充氣部。該殼體為一容器且具有進氣口及排氣口。該進氣口可由鄰近該開口佈置之管接頭形成。該排氣口可由鄰近殼體底部佈置之管接頭形成。藉由該等管接頭，氣態介質可穿過容器壁上之開口而進入容器並透過容器壁而再度離開容器。在殼體內部設有導氣元件，該等導氣元件使得氣流自進氣口至排氣口發生多次偏轉。其中特別提出，該發生多次偏轉之氣流與冷卻元件多次相交。該等冷卻元件可由呈直線延伸之管子形成，該等管子以其相對末端保持在分別形成上充氣部或下充氣部之壁之板體的開口中。該等導氣板可為平的板形物體，該等板形物體平行於該等保持冷卻元件之自由端的板體佈置。該等導氣板可具有交替相對設置之通氣孔，該等通氣孔分別設於殼體邊緣。由此，氣流可逐層偏轉並且蜿蜒地在較佳呈柱形之殼體的兩個相對壁段間穿過。該氣流總是沿橫向於殼體之柱體軸線的方向越過一導板，而後透過與殼體壁相鄰佈置之通氣孔進入一軸向偏移之平面，接著在該導氣板下方以相反方向流向另一通氣孔。在一尤佳技術方案中，該等氣體流道具有不同之自由橫截面積。自由橫截面積係指其中未設導流元件或冷卻元件之面積，即例如由兩個相對導氣板及兩個相鄰冷卻元件界定之面積。由於數個冷卻元件與該氣體流道相交，該自由橫截面積比氣體流道之總橫截面積小數倍。根據本發明之一態樣，該等自由橫截面積應當沿流向變小。此點在結構上可透過以下方案而實現，即，相互平行佈置之導氣板的間距沿流向減小。為達此目的，冷卻元件之間距同樣沿流向減小。具體而言，兩個相鄰冷卻元件及兩個相鄰導氣板沿橫向於流向之方向相互間具有最小間距。此最小間距沿流向減小，使得由冷卻元件表面及導氣元件表面所形成的用於冷凝揮發性組分之作用面沿流向增大。特定言之，該嵌件或該容器之冷卻體積具有兩個體積段，其中在上游段中設有第一冷卻元件，並且在下游段中設有第二冷卻元件。第二冷卻元件之間距小於第一冷卻元件。該冷阱之上游區域的冷卻面積-通流體積比小於下游區域，故上游區域之冷卻效率低於下游區域。然而，更大的自由橫截面積具有以下優點，即，在冷卻元件之自由表面及導氣板上能沉積比下游區域更厚之冷凝物層，且不會堵塞氣體流道，而下游區域已發生揮發性組分之氣相耗盡，故該處之沉積率低於上游區域。本發明進一步提出，該冷卻劑反向於氣流穿過容器腔。若冷卻劑入口位於殼體蓋上，則冷卻劑入口連接一將冷卻劑導向下充氣部之冷卻劑管道。下充氣部透過數個相互平行分佈之管子連接上充氣部。由此，冷卻劑自下向上穿過管形冷卻元件流向連接冷卻劑出口之上充氣部。待清潔之氣體則自上向下穿過冷阱，其中該氣體發生多次偏轉並在此過程中與冷卻元件多次相交。在下游段中，該氣體被第二冷卻元件進一步冷卻。第二冷卻元件同樣可為可被冷卻液穿過之管子或腔室。本發明亦提出，第二段中之該等冷卻元件為較佳具有良好傳導性能之實心體，特別是良好地導熱連接充氣部之棒體。上充氣部及下充氣部可佔據相同體積；但上游段較佳佔據比下游段更大之體積。體積比較佳為四分之三比四分之一。本發明之冷阱特別用於MOCVD設備之排氣系統，其中在該冷阱內部凍結分離乾式蝕刻所使用之氣體或進行乾式蝕刻時所產生之反應產物。因此，本發明之冷阱係應用於就地清潔步驟。藉由本發明之冷阱尤其能凍結分離第三主族之氯化物，即GaCl_x及AlCl_x。

1‧‧‧殼體下部

2‧‧‧殼體蓋、蓋子

3‧‧‧嵌件

4‧‧‧冷卻元件

4'‧‧‧出口段

4"‧‧‧出口端

5‧‧‧上充氣部

6‧‧‧下充氣部

7‧‧‧開口邊緣

8‧‧‧蓋板

9‧‧‧充氣部壁

10‧‧‧導氣板

10'‧‧‧導氣板

11‧‧‧通氣孔

12‧‧‧氣體流道

12'‧‧‧氣體流道

13‧‧‧冷卻劑入口

14‧‧‧冷卻劑出口

15‧‧‧冷卻劑連接管

16‧‧‧進氣口

17‧‧‧排氣口

18‧‧‧底板

19‧‧‧底板

20‧‧‧冷卻元件

21‧‧‧導氣板、冷卻板

22‧‧‧通氣孔

23‧‧‧底部

24‧‧‧容器壁、側壁

25‧‧‧密封件

26‧‧‧夾緊元件

27‧‧‧通氣孔

以下結合實施例詳細闡述本發明。

圖1為冷阱立體圖；圖2為冷阱俯視圖；圖3為沿圖2中III-III線所截取之剖面圖；圖4為沿圖3中IV-IV線所截取之剖面圖；圖5為沿圖3中V-V線所截取之剖面圖；圖6為立體剖面圖；圖7為根據圖1之視圖，其中固定於蓋子2上之嵌件3自殼體下部1取出後之第一立體圖；及圖8為自殼體下部1取出之嵌件3的第二立體圖。

圖式中所示出之實施例為一應用於塗佈設備(例如MOCVD塗佈設備)之廢氣通道的清潔裝置，其用於自載氣流中凍結分離在沉積層或就地清潔塗佈設備之反應器時被運出該反應器之氣態反應產物或起始材料。該裝置具有殼體，該殼體由殼體下部1及殼體蓋2組成。殼體下部1為一具有圓形底部23及柱形側壁24之筒形體。該側壁在其開口區域具有固定連接該側壁之開口邊緣7，該開口邊緣徑向凸出。開口邊緣7正下方設有管接頭形式之進氣口16，待清潔之廢氣可經該進氣口流入容器之柱形內體積。靠近底部23處設有形式同樣為管接頭之排氣口17，氣體可經該排氣口離開容器。容器壁24在進氣口16區域具有較大之通氣孔。排氣口17之壁24的通氣孔27小於該排氣接頭之橫截面，故通氣孔27與底部23隔開。由此形成近底部怠體積，自氣體中凍結分離出來之冷凝物可積聚於此冷凝物收集體積中。

殼體下部1之被開口邊緣7包圍的開口由殼體蓋2封閉。殼體蓋2具有蓋板8，該蓋板在夾設密封件25之情況下貼靠於開口邊緣7上。設有數個夾緊元件26，該等夾緊元件在夾設密封件25之情況下將蓋板8壓抵於開口邊緣7，使得殼體下部1被殼體蓋2氣密封閉。

在殼體下部1之殼體腔內部設有嵌件3。在實施例中，嵌件3固定連接蓋子2。但該嵌件亦可固定連接殼體下部。嵌件3主要由數個相互平行分佈之冷卻元件4組成，該等冷卻元件分別由管子形成。冷卻元件4之上出口段4'插在蓋板8之開口中，使得管形冷卻元件4通入設於蓋板8上方之上充氣部5內。上充氣部5形成收集體積，以便收集自冷卻元件4排出之冷卻介質並透過冷卻劑出口14排出該冷卻介質。為此，冷卻劑出口14安裝在平行於蓋板8延伸之充氣部壁9上。

特定言之由金屬構成之冷卻元件4以其第二出口端 4"連接下充氣部6。為此，該等冷卻元件插在底板18之開口中，該底板平行於蓋板8延伸且形成下充氣部6之壁，該下充氣部為一分配體積。另一底板19向下界定下充氣部6。設於蓋子區域之冷卻劑入口13透過冷卻劑連接管15連接下充氣部6，使得透過冷卻劑入口13所送入之冷卻介質可流入下充氣部6，而後經由相互平行分佈之冷卻元件4進入上充氣部5並經由冷卻劑出口14離開上充氣部，該冷卻介質例如為冷卻液，如液氮、乙醇、乙二醇或水。

冷卻元件4為數個相互平行佈置之導氣板10的支撐件。導氣板10在兩充氣部5、6之間延伸且具有大致呈圓形之輪廓，故該等導氣板之邊緣延伸至壁24之內側。導氣板10、10'具有一大約延伸60°至90°之邊緣段，該邊緣段與壁24隔開，使得該處形成通氣孔11，流入上流道12、12'之氣流可穿過該通氣孔而進入設於下方之流道12。通氣孔11交替相對設置，使得氣流呈之字形自進氣口16流向排氣口17。

位於最上方之導氣板10'到蓋板8之距離大於第二導氣板10到位於最上方之導氣板10'的距離。此外，導氣板10、10'之間距沿氣流之流向(即沿自上向下之容器軸向)減小，使得氣體流道12、12'之自由通流橫截面沿流向減小。

下充氣部6位於排氣口17上方並向下界定約四分之三之容器體積。在下部的四分之一之容器體積中設有包含第二冷卻元件20之第二冷卻段，在實施例中，該等冷卻元件由傳導性能良好之柱形棒形成。第二冷卻元件20之間距小於第一冷卻元件4，使得下部區段中之流道具有更小的自由橫截面積。本發明亦提出，第二冷卻元件20構建為管子並且被冷卻介質穿過。在實施例中，冷卻棒20以一末端連接底板19，該底板被流入之冷卻介質冷卻。冷卻棒20之自由端延伸至鄰近殼體底部23。

兩個冷卻板21在排氣口17上方延伸，該等冷卻板相互間之距離及其到底板19之距離小於上部區段之導氣板10相互間的距離及其到底板18或蓋板8之距離。

下充氣部6形成邊緣通氣孔22，待清潔之氣體可透過該通氣孔自第一區段流入第二區段。該氣體以橫向於容器軸向之方向環繞導氣板21及導氣板10流動並且沿徑向穿過通氣孔22。

前述實施方案係用於說明本申請整體所包含之發明，該等發明至少透過以下特徵組合分別獨立構成相對於先前技術之進一步方案：一種裝置，其特徵在於冷凝移除氣流之揮發性組分，該裝置具有：殼體，該殼體具有筒形下部1及封閉該下部之開口的蓋子2；及設於該下部1之腔內的嵌件3，該嵌件具有數個冷卻元件4，該等冷卻元件與一或數個氣體流道12相交且在平行佈置之情況下自上充氣部5延伸至下充氣部6，其中該二充氣部5、6分別流體連接冷卻劑入口13或冷卻劑出口14，其中該嵌件3具有導氣元件10、10'、21，以便使該氣流自進氣口16至排氣口17發生多次偏轉。

一種裝置，其特徵在於，該等沿該氣體之流向依次佈置的氣體流道12、12'具有沿流向變小之自由橫截面積。

一種裝置，其特徵在於，該等氣體流道12、12'由相互平行佈置之導氣板10、10'、21界定。

一種裝置，其特徵在於，該等導氣板10、10'、21之間距沿流向變小。

一種裝置，其特徵在於，該嵌件3之第一上游段具有第一冷卻元件4，該等第一冷卻元件相互間以第一間距佈置，且該嵌件3之下游第二段具有第二冷卻元件20，該等第二冷卻元件相互間具有第二間距，其中該第二間距小於該第一間距。

一種裝置，其特徵在於，該等第一冷卻元件4可被冷卻劑穿過，並且該等第二冷卻元件20可被冷卻劑穿過或者導熱連接充氣部6。

一種裝置，其特徵在於，該第一段約占該殼體之總體積的四分之三，且該第二段約占該殼體之總體積的四分之一。

一種裝置，其特徵在於，該嵌件3固定連接該蓋子2，並且蓋板8形成該上充氣部5之壁。

一種裝置，其特徵在於，該等導氣板10、10'、21具有通氣孔11、22以使得於該導氣板10、10'、21上方流入之氣體在該導氣板10、10'、21下方偏轉成相反流向，使得該氣流蜿蜒地發生多次偏轉且在與該等冷卻元件4、20多次相交之情況下穿過該冷阱。

一種裝置，其特徵在於，該進氣口16鄰近該殼體下部1之開口佈置，且該排氣口17鄰近該殼體下部1之底部23佈置。

一種裝置，其特徵在於用於將該氣流排出該冷阱之通氣孔27，其中該通氣孔27與該殼體下部1之底部23隔開。

一種裝置，其特徵在於，該穿過該等冷卻元件4之冷卻介質的流動與該氣流之流向相反。

所有已揭露特徵(作為單項特徵或特徵組合)皆為發明本質所在。故本申請之揭露內容亦包含相關/所附優先權檔案(在先申請副本)所揭露之全部內容，該等檔案所述特徵亦一併納入本申請之請求項。附屬項以其特徵對本發明針對先前技術之改良方案的特徵予以說明，其目的主要在於在該等請求項基礎上進行分案申請。