在化學氣相沉積反應器中用于配氣的系統和方法
【專利摘要】本發明提供在反應器中通過化學氣相沉積制造多晶硅或另一材料的系統和方法，其中利用硅豎管來分配氣體。硅豎管可經由噴嘴耦合器接附到反應器系統，使得先質氣體(precursor gases)可注射到反應室的不同部份。結果，可改良在整個反應室內的氣體流動，這能夠增加多晶硅的產率、改善多晶硅的質量和降低能量消耗。
【專利說明】在化學氣相沉積反應器中用于配氣的系統和方法
[0001]本申請為分案申請，其母案申請的申請號為200980116944.2，申請日為2009年03月26日，發明名稱為“在化學氣相沉積反應器中用于配氣的系統和方法”。
[0002]相關申請的交互對照
[0003]本申請主張在2008年3月26日提交的共同申請中的美國臨時申請案序號61/039，758的權益，該臨時申請案揭示的全文以引用方式特意地并于本文。

【技術領域】
[0004]本發明是針對在反應器中通過化學氣相沉積制造諸如多晶娃(polysilicon)的材料的系統和方法。更具體而言，本發明涉及使用娃豎管(silicon standpipe)配氣以改良在化學氣相沉積反應器中的流動型式的系統和方法。

【背景技術】
[0005]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可以用來制造高純度、高性能的固體材料，諸如多晶硅、二氧化硅、和氮化硅等。在半導體和光電(photovoltaic)工業中，常使用CVD來制造薄膜和基體(bulk)半導體材料。例如，可將受熱表面曝露于一種或多種氣體。隨著氣體被輸送到反應室內，所述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期望的材料。對于此制程而言，其關鍵點為氣體流動型式，這會影響這些反應發生的速率和產物的質量。
[0006]例如，在多晶硅化學氣相沉積制程中，可從硅烷(SiH4)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)、和四氯硅烷(SiCl4)根據各自的反應而沉積出多結晶硅。這些反應通常是在真空或加壓CVD反應器內，使用純的含硅原料或含硅原料與其它氣體的混合物來實施。這些反應所需的溫度范圍從攝氏數百度到超過一千度。若在CVD室中添加諸如膦(phosphine)、胂(arsine)或二硼燒(diborane)等氣體,也可以利用摻雜而直接生長多晶硅。
[0007]所以，氣體流動型式不僅對多晶硅和其它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、產物質量、和能量消耗。


【發明內容】

[0008]本發明涉及在化學氣相沉積反應器中配氣(尤其是)用以改良在CVD反應器中的氣體流動的系統和方法。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、改良產物質量、及降低整體操作成本。本發明還涵蓋，在CVD反應器內、沉積在硅豎管上的硅可以用作附加的多晶硅產物。
[0009]在根據本發明的反應器系統和方法中，尤其是，在CVD反應器系統和方法中，利用的是豎管。該豎管可用來將各種反應物注射到反應室內。該豎管優選用硅或其它材料制造。這些材料包括，但不限于:金屬、石墨、碳化硅、和其它適當的材料。根據應用，該豎管的長度范圍為從約1至2厘米到約數米。根據氣體流速，該豎管的直徑范圍為從約1至2毫米到長達數十厘米。管壁的厚度優選為約0.1至約5.0毫米。
[0010]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。在該反應室內有一條或多條絲接附到該底板，在這些絲上，可在化學氣相沉積循環期間，沉積各種反應物氣體。這些絲可以是硅絲或將要制造的其它所需固體。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。電流源優選通過該底板內的電導引(electrical feedthrough)連接到這些絲的末端，用以供應電流以在CVD反應循環期間直接加熱這些絲。也可以采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。
[0011]根據本發明的豎管優選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。該豎管優選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期望的氣體流速而選擇。該噴嘴耦合器可進一步包括諸如墊圈的密封裝置，用以將該管體密封到至少一個氣體入口。該豎管優選具有至少一個在該室內的注射管用以配送制程氣體流。該至少一個注射管的尺寸是以期望的流速為基礎。注射管材料可用硅或其它材料制成。
[0012]本發明的這些和其它特點和優點可從下面結合附圖的優選實施例的說明更輕易地得以了解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了使本發明所屬領域中的普通技術人員不需過度的實驗即可輕易地了解如何制作和使用本發明的方法和裝置，下文將參照某些附圖詳細地說明本發明的優選實施例，其中:
[0014]圖1為本發明反應室系統的立體圖；
[0015]圖2為圖1中的反應室的內部立體圖；
[0016]圖3A為根據本發明的豎管的剖視圖；
[0017]圖3B為附接到圖3A的豎管的管體的噴嘴耦合器的放大圖；
[0018]圖3C為圖3B中所示的噴嘴耦合器的墊圈的放大圖；及
[0019]圖4為包括多個豎管的本發明反應室系統的局部橫斷面圖。

【具體實施方式】
[0020]下文將參照【專利附圖】

【附圖說明】本發明的優選實施例，其中相同的附圖標記表示相同或類似的組件。
[0021]本發明涉及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。具體而言，本發明涉及使用豎管在CVD反應器中分配氣體所用的系統和方法。本發明的效益和優點包括，但不限于，增加固體沉積物(如多晶硅)的生產速率、減低能量消耗和降低整體操作成本。雖然本發明的揭示內容是針對示例性的多晶硅CVD反應器系統，不過本發明的系統和方法可以應用到需要氣體分配增加與氣體流動型式改良的任何CVD反應器系統，或任何一般的反應器系統。
[0022]在示例性的應用中，是使用三氯硅烷在反應室內的棒或硅管絲上反應以在細棒或絲上形成多晶硅沉積物。本發明并不局限于使用涉及三氯硅烷反應的多晶硅沉積的CVD反應器，而且可用于涉及硅烷、二氯硅烷、四氯化硅或其它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尺寸(large surface area geometries)和相似的電阻性質的細棒或絲。可以利用具有各種形狀和構造的絲，例如，在美國專利申請公開US2007/0251455中所揭示的，該公開以引用方式并入本文。
[0023]參照圖1和圖2，其顯示的是化學氣相沉積(CVD)反應器，其中，根據本發明使多晶硅沉積在細棒或絲上。反應器系統10包括具有底板30的反應室12、氣體入口噴嘴24或制程凸緣(process flange)、氣體出口噴嘴22或排氣凸緣(exhaust flange)、以及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的電導引或導體20，如圖2中所示。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，優選有觀察口 16或窺鏡(sight glass)用以目視檢查反應室12的內部，且可視需要用以取得反應室12內部的溫度測量。
[0024]根據如圖1和圖2中所示的本發明的優選實施例，反應器系統10構造成用于多晶硅的基體制造。該系統包括:底板30，其可為例如單一板或多塊相對的板，優選地構造有絲支撐體；及包殼，其可接附到底板30以形成沉積室。如本文中所使用的，術語“包殼”指的是可發生CVD制程的反應室12的內部。
[0025]一條或多條硅絲28優選地配置在反應室12內、在絲支撐體(未圖示)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，用于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，其可連通到例如含硅氣體源，且在底板30中可裝設有氣體出口噴嘴22，由此可將氣體從反應室12釋放出。
[0026]參照圖2，顯示的是示例性的豎管42的結構，其中管體44優選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反應而將各種氣體注射到反應室12之內(也請參閱圖3A)。雖然在圖2中示出的是單一注射管42，不過在反應室內可包括一支或多支豎管。例如，參照圖4，單一豎管可被多個豎管42所取代。根據期望的氣體流動設計，每一豎管或注射管42的尺寸在長度上的變化為約1至2厘米到數米，在直徑上的變化為約1至2毫米變到數十厘米。
[0027]根據期望的流動型式，一支或多支豎管42優選地用來注射一種或多種氣體到反應室的不同部份。所述(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 (請參閱圖3A至圖3C，如本文中所述)。因為氣體流動型式對于多晶硅的生長、生產速率、產物質量、和能量消耗至關重要，故本發明可應用于多晶硅制造過程和涉及硅或硅化合物沉積的任何其它制程。具體而言，本發明也可以應用于可能在管或其它形狀的組件上發生腐蝕、污染、和沉積等情況的制程。
[0028]請再參照圖3A至圖3C，豎管42的各組件優選由硅管制成。硅是用作非硅材料(諸如可能在管體44內引起腐蝕、污染、熔化和不想要的硅沉積物的不銹鋼或其它金屬)的替代物。在管體44的一端,用來制造管體44的材料與能夠進行機加工(machined)的材料熔接。這些材料包括金屬、石墨、碳化硅和任何其它適當材料。在另一端上，如圖3A至圖3C中所示，管體44優選接附到具有適當直徑的噴嘴耦合器25。該噴嘴耦合器25優選形成有墊圈26，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。根據應用，管體44的長度范圍為約數厘米到約數米。根據氣體流速，管體44的直徑范圍為約數毫米到約數十厘米。管體44的壁厚優選在約數毫米或更小。管體44優選用硅制成。
[0029]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。
[0030]本發明的豎管的其它益處在于所述豎管可被再使用或回收。在氣體注射制程期間，硅沉積在管體44之上。一旦硅逐漸積聚，就可以從管底取走硅并將其用作硅產物。
[0031]雖然已經參照優選實施例對本發明進行了描述，不過本【技術領域】中的普通技術人員可以輕易地理解，可以在背離所附權利要求所限定的本發明的精神或范圍的情況下，對實施例進行修改或變型。
[0032]參考文獻并入
[0033]本文中引用的所有專利、公開的專利申請和其它參考文獻的全部內容在此特以弓丨用方式整體并入本文。
【權利要求】
1.一種娃反應器系統，包括: 反應室，該反應室至少包括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，該至少一條絲接附到該底板； 電流源，該電流源連接到該至少一條絲的末端用以供應電流到該至少一條絲； 氣體源，該氣體源可操作地連通到該反應室，以使含硅氣體流經該反應室；以及豎管，該豎管包括由硅制成的管體且該管體具有可操作地連接到該氣體源的入口端及深入且暴露于該反應室內的出口端，用以將該氣體流注入該反應室，該出口端作為該管體的終端而不用添加額外結構到該管體，該出口端位于連接到該電流源的該至少一條絲的末端之上的高度，其中，該豎管構造成在該反應室內容置多晶硅的沉積物。
2.如權利要求1所述的反應器系統，其中，該電流通過該底板內的電導引直接供應到該絲。
3.如權利要求1所述的反應器系統，其中，該反應室還包括觀察口，用以觀看該反應室的內部部份。
4.如權利要求1所述的反應器系統，還包括至少一個容置在該反應室內的額外的豎管。
5.如權利要求1所述的反應器系統，其中，該豎管的該入口端結束在噴嘴耦合器中，該噴嘴耦合器構造成用于與該氣體源連接。
6.如權利要求5所述的反應器系統，其中，該管體的直徑是根據至少期望的氣體流速而選擇。
7.如權利要求5所述的反應器系統，其中，該噴嘴耦合器還包括墊圈，該墊圈用以將該豎管密封到該氣體源。
8.如權利要求1所述的反應器系統，其中，該反應器系統是化學氣相沉積反應器系統。
9.如權利要求1所述的反應器系統，還包括冷卻系統，該冷卻系統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。
10.一種在硅反應器內沉積硅材料的方法，包括下列步驟: 設置反應室，該反應室至少包括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； 將至少一條硅絲接附到該底板； 將電流源連接到該至少一條硅絲的末端，用以供應電流到該至少一條硅絲； 將氣體源連通到該反應室，以使含硅氣體流經該反應室； 將由硅制成的豎管連接到該氣體源，用以在該反應室內分配氣體流，其中，該豎管包括管體，該管體具有可操作地連接到該氣體源的入口端及深入且暴露于該反應室內的出口端，用以將該氣體流直接注入該反應室，該出口端作為該管體的終端而不用添加額外結構到該管體，該出口端位于連接到該電流源的該至少一條硅絲的末端之上的高度，其中，該豎管構造成在該反應室內容置多晶硅的沉積物；以及 操作該硅反應器，以在該反應室內的該至少一條硅絲上沉積該硅材料。
11.如權利要求10所述的方法，其中，該硅反應器是化學氣相沉積反應器。
12.如權利要求10所述的方法，還包括下列步驟: 通過在該底板內的電導引將該電流直接供應到該硅絲。
13.如權利要求10所述的方法，其中，該反應室還包括觀察口，用以觀看該反應室的內部部份。
14.一種娃反應器系統,包括: 反應室，該反應室至少包括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; 至少一條硅絲，該至少一條絲接附到該底板； 電流源，該電流源連接到該至少一條硅絲的末端用以供應電流到該至少一條硅絲； 氣體源，該氣體源可操作地連通到該反應室，以使含硅氣體流經該反應室，使得硅能夠在該至少一條硅絲上沉積；以及 豎管，該豎管由硅制成且可操作地接附到該氣體源，用以在該反應室內分配氣體流，該豎管包括管體，該管體具有入口端及出口端，用以將該氣體流直接注入該反應室，該入口端透過有助于從該反應器移除該豎管的機構而可操作地連接到該氣體源及該底板，該出口端深入且暴露于該反應室內，其中，該豎管構造成在該反應室內容置多晶硅的沉積物。
15.如權利要求14所述的硅反應器系統，其中，該電流通過在該底板內的電導引直接供應到該絲。
16.如權利要求14所述的硅反應器系統，還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。
17.如權利要求14所述的硅反應器系統，還包括觀察口，用以觀看該反應室的內部部份。
【文檔編號】C23C16/455GK104357807SQ201410532387
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2009年3月26日 優先權日:2008年3月26日
【發明者】秦文軍 申請人:Gtat公司