Системы и способы распределения газа в реакторе для химического осаждения из паровой фазы - RU2499081C2

Чертежи

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Настоящая заявка утверждает преимущество находящейся одновременно на рассмотрении Предварительной патентной заявки США с серийным №61/039758, поданной 26 марта 2008 года, содержание которой включено здесь ссылкой во всей своей полноте.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение направлено на системы и способы получения таких материалов, как поликристаллический кремний, путем химического осаждения из паровой фазы в реакторе. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системам и способам распределения газа для улучшения режимов течения в реакторе для химического осаждения из паровой фазы с использованием кремниевой вертикальной трубы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) имеет отношение к реакциям, обычно протекающим в реакционной камере, в которой происходит осаждение твердого материала из газообразной фазы. CVD может быть использовано для получения с высокой производительностью высокочистых твердых материалов, например, таких как поликристаллический кремний, диоксид кремния и нитрид кремния. При производстве полупроводников и фотоэлектрических устройств CVD часто применяют для получения тонких пленок и массивных полупроводниковых материалов. Например, нагретые поверхности могут быть подвергнуты воздействию одного или более газов. Когда газы попадают в реакционную камеру, они приходят в контакт с нагретыми поверхностями. Как только это происходит, затем протекают реакции или разложение газов с образованием твердой фазы, которая осаждается на поверхности субстрата с формированием желательного материала. Для этого процесса весьма важным является режим течения газа, который влияет на скорость, с которой эти реакции будут протекать, и на качество продуктов.

Например, в процессах химического осаждения поликремния из паровой фазы поликристаллический кремний может быть осажден из силана (SiH₄), дихлорсилана (SiH₂Cl₂), трихлорсилана (SiHCl₃) и тетрахлорсилана (SiCl₄), согласно соответствующим реакциям. Эти реакции обычно проводят в вакууме или в CVD-реакторе под давлением, с использованием либо чистого кремнийсодержащего сырьевого материала, либо смеси кремнийсодержащего сырьевого материала с другими газами. Необходимые для реакции температуры варьируют от сотен градусов Цельсия до температур, превышающих одну тысячу градусов Цельсия. Поликристаллический кремний можно также выращивать с непосредственным легированием, если в CVD-камеру добавлять такие газы, как фосфин, арсин или диборан.

Поэтому режим течения газа является важным не только для роста поликристаллического кремния и прочих материалов, но и для влияния на производительность, качество продукта и энергопотребление всего CVD-реактора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к системам и способам распределения газа в реакторе для химического осаждения из паровой фазы, в частности, для улучшения течения газа в CVD-реакторе. Таким образом, настоящее изобретение может быть использовано для повышения эффективности реакций внутри CVD-реакционных камер, увеличения выхода твердого осажденного продукта, улучшения качества продукта и снижения общих эксплуатационных расходов. Настоящим изобретением также предусматривается, что кремний, осажденный на вертикальных трубах в CVD-реакторе, может быть использован как дополнительный поликремниевый продукт.

В реакторе и способе согласно настоящему изобретению, в частности, в CVD-реакторе и способе, применяют вертикальную трубу. Вертикальная труба может быть применена для введения разнообразных реагентов в реакционную камеру. Вертикальную трубу предпочтительно изготавливают из кремния или других материалов. Эти материалы, без ограничения, включают: металлы, графит, карбид кремния и другие подходящие материалы. Длина вертикальной трубы может варьировать от около 1-2 сантиметров вплоть до примерно нескольких метров, в зависимости от варианта применения. Диаметр трубы может варьировать от около 1-2 миллиметров до десятков сантиметров, в зависимости от величины расхода газового потока. Толщина стенки предпочтительно составляет от около 0,1 до около 5,0 миллиметров.

Реактор согласно настоящему изобретению включает реакционную камеру, имеющую по меньшей мере одну опорную плиту, закрепленную внутри реакционной камеры, и кожух, функционально соединенный с опорной плитой. К опорной плите внутри камеры прикреплены один или более накальных элементов, на которые разнообразные газообразные реактанты осаждаются во время цикла химического осаждения из паровой фазы. Накальный элемент может представлять собой кремниевый накальный элемент или может быть сделан из другого желательного твердого материала, который требуется получить. По меньшей мере один газовпуск и один газовыпуск соединены с реакционной камерой для обеспечения течения газа через реакционную камеру. Может быть также предусмотрено смотровое окно или иллюминатор для наблюдения внутренней части камеры. Источник электрического тока предпочтительно подсоединен к концам накального элемента через электрические подводы в опорной плите для подведения электрического тока для непосредственного нагревания накального элемента в течение CVD-реакционного цикла. Для снижения температуры в системе химического осаждения из паровой фазы может быть также применена система охлаждения, имеющая по меньшей мере один впуск для текучей среды и по меньшей мере один выпуск для текучей среды.

Предпочтительно вертикальная труба согласно настоящему изобретению функционально соединена с по меньшей мере одним газовпуском для введения газового потока в реакционную камеру. Вертикальная труба предпочтительно включает соединительный наконечник и корпус трубы. Длина и диаметр корпуса трубы могут быть выбраны на основе по меньшей мере желательной величины расхода газового потока. Соединительный наконечник дополнительно может включать уплотнительное устройство, такое как прокладка, для герметизации корпуса трубы по меньшей мере на одном газовпуске. Вертикальная труба предпочтительно имеет по меньшей мере одну нагнетательную трубу внутри камеры для распределения потока рабочего газа. Размеры по меньшей мере одной нагнетательной трубы основываются на желательной величине расхода потока. Материалом нагнетательной трубы может быть выбран кремний или еще один материал.

Эти и другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более легко понятными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенных с привлечением чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для того, чтобы специалистам в данной области техники, в компетенцию которых входит настоящее изобретение, было без труда понятно, как реализовать способ и сделать устройство для использования настоящего изобретения без излишнего экспериментирования, предпочтительные варианты его осуществления будут здесь подробно описаны ниже с привлечением определенных фигур, в которых:

ФИГ.1 представляет перспективный вид системы реакционной камеры согласно настоящему изобретению;

ФИГ.2 представляет перспективный вид внутренней части реакционной камеры из ФИГ.1;

ФИГ.3А представляет увеличенный вид в разрезе вертикальной трубы согласно настоящему изобретению;

ФИГ.3В представляет более подробное изображение соединительного наконечника, присоединенного к трубчатому корпусу вертикальной трубы из ФИГ.3А;

ФИГ.3С представляет увеличенный вид прокладки на соединительном наконечнике, изображенном на ФИГ.3В; и

ФИГ.4 представляет вид частичного поперечного сечения системы реакционной камеры согласно настоящему изобретению, включающей многочисленные вертикальные трубы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже с привлечением сопроводительных чертежей, в которых сходные ссылочные позиции представляют одинаковые или подобные элементы.

Настоящее изобретение относится к системам и способам распределения газа в реакторе, в частности, для улучшения течения газа в реакторе для химического осаждения из паровой фазы (CVD). В частности, настоящее изобретение направлено на систему и способ распределения газа в CVD-реакторе с использованием вертикальной трубы. Выгоды и преимущества настоящего изобретения включают, но не ограничиваются таковыми, повышение уровней производительности при получении твердого осажденного материала (например, поликристаллического кремния), снижение энергопотребления и сокращение общих эксплуатационных расходов. В то время как описание настоящего изобретения ориентировано на примерную систему CVD-реактора для получения поликристаллического кремния, система и способы согласно настоящему изобретению могут быть применены в любом CVD-реакторе, для которой желательно усилить распределение газа и улучшить режим течения газа, и к любому реактору вообще.

В примерном варианте применения газообразный трихлорсилан реагирует на стержнях или кремниевых трубчатых накальных элементах внутри реакционной камеры с образованием отложений из поликристаллического кремния на тонких стержнях или накальных элементах. Настоящее изобретение не ограничивается CVD-реакторами, в которых используют осаждение поликристаллического кремния, включающее реакцию трихлорсилана, но может быть применено для реакций с участием силана, дихлорсилана, тетрахлорида кремния или других производных или комбинаций газов, например, с использованием тонких стержней или накальных элементов, имеющих геометрические формы с большой площадью поверхности и сходные характеристики удельного электрического сопротивления в соответствии с изобретением. Могут быть использованы накальные элементы разнообразных форм и конфигураций, например, такие, как описанные в Публикации Патентной Заявки US 2007/0251455, которая включена здесь ссылкой.

С привлечением ФИГ.1 и 2 показан реактор для химического осаждения из паровой фазы (CVD), в котором поликристаллический кремний осаждают на тонких стержнях или накальных элементах согласно настоящему изобретению. Реактор 10 включает реакционную камеру 12, имеющую опорную плиту 30, наконечник 24 газовпуска или фланец для рабочих газов, наконечник 22 газовыпуска или выпускной фланец, и электрические подводы или проводники 20 для подведения тока для непосредственного нагревания одного или более накальных элементов 28 внутри реакционной камеры 12, как показано на ФИГ.2. Наконечник 18 впускного канала для текучей среды и наконечник 14 выпускного канала для текучей среды соединены с системой охлаждения для введения текучей среды в реакционную камеру 10. В дополнение, иллюминатор 16 или смотровое окно предпочтительно обеспечивает визуальное наблюдение внутренней части реакционной камеры 12 и необязательно может быть использована для проведения температурных измерений внутри реакционной камеры 12.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, как изображено на ФИГ.1 и 2, реактор 10 сконфигурирован для получения массивного поликристаллического кремния. Реактор включает опорную плиту 30, которая, например, может представлять собой одиночную плиту или многочисленные противостоящие плиты, предпочтительно скомпонованные для поддержания накальных элементов, и кожух, присоединяемый к опорной плите 30 так, чтобы сформировать осадительную камеру. Как используемый здесь, термин «кожух» имеет отношение к внутренней части реакционной камеры 12, где может протекать CVD-процесс.

Один или более кремниевых накальных элементов 28 предпочтительно размещают внутри реакционной камеры 12 на опорах накальных элементов (не показаны), и источник электрического тока может быть подсоединен к обоим концам накальных элементов 28 через электрические подводы 20 в опорной плите 30 для подведения тока для прямого нагревания накальных элементов. Дополнительно предусмотрены по меньшей мере один наконечник 24 газовпуска в опорной плите 30, соединяемый, например, с источником кремнийсодержащего газа, и наконечник 22 газовыпуска в опорной плите 30, с помощью которого газ может быть выведен из реакционной камеры 12.

С привлечением ФИГ.2 показана структура примерной вертикальной трубы 42, в которой предпочтительно трубчатый корпус 44 функционально соединен с по меньшей мере одним наконечником 24 газовпуска для ввода разнообразных газов в реакционную камеру 12 для проведения CVD-реакции, протекающей в реакционной камере 12 (смотри также ФИГ.3А). Хотя на ФИГ. 2 изображена одиночная нагнетательная труба 42, в реакционной камере могут быть размещены одна или более вертикальных труб. Например, с привлечением ФИГ.4, одиночная вертикальная труба может быть заменена вертикальными трубами 42. Размеры каждой вертикальной трубы или нагнетательной трубы 42 могут варьировать от около 1-2 см в длину вплоть до нескольких метров, и от около 1-2 мм в диаметре до десятков сантиметров, в зависимости от желательной конфигурации газового потока.

Предпочтительно одну или более вертикальных труб 42 используют для нагнетания одного или более газов в различные части реакционной камеры 12, в зависимости от желательного режима течения. Вертикальная(-ные) труба(-бы) 42 может(-гут) быть закреплена(-ны) в реакторе с помощью любого известного монтажного устройства, например, путем ввинчивания корпуса 44 трубы в соединительный наконечник 25 реакционной камеры 12 (смотри ФИГУРЫ 3А-3С, как здесь описано). Поскольку режимы течения могут быть критически важными для выращивания, уровня производительности, качества продукта и энергопотребления при получении поликристаллического кремния, настоящее изобретение может быть применимым для способов получения поликристаллического кремния и любых других способов, которые включают осаждение кремния или кремниевого соединения. Более конкретно, оно может быть также применено в способах, где коррозия, загрязнение и осаждение могут происходить на трубе и компонентах других форм.

Опять с привлечением ФИГУР 3А-3С различные компоненты вертикальной трубы 42 предпочтительно изготавливают из кремниевой трубы. Кремний применяют в качестве альтернативы некремниевым материалам, таким как нержавеющая сталь или другие металлы, которые могут обусловливать коррозию, загрязнение, расплавление и нежелательное осаждение кремния внутри корпуса 44 трубы. На одном конце корпуса 44 трубы материал, из которого сделан корпус 44 трубы, сваривают с материалами, которые могут быть подвергнуты станочной обработке. Эти материалы включают металлы, графит, карбид кремния и любой другой подходящий материал. На другом конце, как показано на ФИГ.3А-3С, корпус 44 трубы предпочтительно присоединяют к соединительному наконечнику 25, имеющему надлежащий диаметр. Соединительный наконечник 25 предпочтительно формируют с прокладкой 26 для обеспечения воздухонепроницаемого уплотнения между наконечником 24 газовпуска и источником газа, подводимого в вертикальную трубу. Длина корпуса 44 трубы может варьировать от примерно нескольких сантиметров до примерно нескольких метров, в зависимости от варианта применения. Диаметр корпуса 44 трубы может варьировать от примерно нескольких миллиметров до десятков сантиметров, в зависимости от величины расхода газового потока. Толщина стенки корпуса 44 трубы предпочтительно составляет величину порядка примерно нескольких миллиметров или меньше. Корпус 44 трубы предпочтительно сделан из кремния.

Способ осаждения материала в реакторе может включать стадии, в которых: предоставляют реакционную камеру, включающую по меньшей мере одну опорную плиту, закрепленную внутри реакционной камеры, и кожух, функционально соединенный с опорной плитой/вставляют по меньшей мере один накальный элемент в опорную плиту; подсоединяют источник электрического тока к реакционной камере для подведения тока к накальному элементу; подсоединяют источник газа для обеспечения возможности протекания газа через реакционную камеру; подсоединяют вертикальную трубу к источнику газа для распределения газового потока внутри реакционной камеры; и обеспечивают работу (эксплуатируют) реактора для осаждения материала на по меньшей мере одном накальном элементе в реакционной камере.

Дополнительное преимущество вертикальной трубы согласно настоящему изобретению состоит в том, что она может быть повторно использована или переработана для повторного применения. В ходе процесса нагнетания газа кремний осаждается на корпусе 44 трубы. Когда слой кремния нарастает, кремний может быть удален с трубчатых оснований и использован в качестве кремниевого продукта.

Хотя настоящее изобретение было описано в отношении предпочтительных вариантов осуществления, квалифицированным специалистам в этой области технологии будет без труда понятно, что изменения или модификации его могут быть сделаны без выхода за пределы смысла и области настоящего изобретения, как определенных в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

ВКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКОЙ

Полное содержание всех патентов, опубликованных патентных заявок и прочих литературных ссылок, цитированных здесь, тем самым определенно включено здесь ссылкой во всей своей полноте.

Реферат

Изобретение относится к получению поликристаллического кремния. Реактор для химического осаждения поликристаллического кремния включает реакционную камеру, содержащую по меньшей мере одну опорную плиту, закрепленную в реакционной камере, и кожух, соединенный с опорной плитой для формирования камеры осаждения, по меньшей мере один накальный элемент, прикрепленный к опорной плите, источник электрического тока для подведения тока к по меньшей мере одному накальному элементу, источник кремнийсодержащего газа, соединенный с реакционной камерой для создания потока кремнийсодержащего газа через реакционную камеру и вертикальную трубу, соединенную с источником кремнийсодержащего газа, для ввода потока кремнийсодержащего газа в реакционную камеру. Вертикальная труба выполнена с возможностью приема отложений поликристаллического кремния в реакционной камере. Обеспечивается улучшение течения газа во всем объеме реакционной камеры, что позволяет повысить выход поликристаллического кремния, улучшается качество поликристаллического кремния и снижается потребление энергии. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула