具有间隙和下部封闭元件的用于沉积反应器的反应室和反应器的制作方法

发明领域

本发明涉及一种具有间隙和下部封闭元件的用于沉积反应器(depositionreactor)的反应室以及使用该反应室的反应器。

技术现状

反应器的反应室在反应温度(在反应室内部)较高时需要被冷却。

这尤其适用于例如用于在基底(substrate)(有时被称为“晶种(seed)”)上沉积半导体材料的层的反应器，其中反应温度在硅的外延沉积的情况下可以是例如800℃-1200℃，并且在碳化硅的外延沉积的情况下可以是例如1600℃-3000℃；沉积的结果可以是例如(厚度或多或少的)层或晶块(ingot)(即长晶体)。

期望的是，反应室的壁被有效地且均匀地冷却。

此外，期望的是，冷却系统可靠地操作，即不会出故障。

本申请人已经将注意力集中在包括管的反应室上，该管由石英制成并且具有圆柱形的形状，并且适于在使用中被定位成使得其轴线是竖直的；特别地，本申请人将注意力集中在大尺寸的室(例如，直径大于50cm且高度大于100cm)。

这些室特别地被用于以下反应器中：该反应器用于在非常高的温度，例如高于2000℃，从“晶种”开始生长碳化硅晶块。

概述

本发明的总体目的是提供一种有效且可靠的反应室。

由于形成本说明书的组成部分的所附权利要求中所表达的内容，基本上达到该总体目的。

本发明的主题还是使用这样的反应室的反应器。

附图列表

根据待结合附图考虑的以下详细描述，本发明将变得更明显，在附图中：

图1示出了根据本发明的反应室的实施方案的实例的纵向剖面图(非常示意性的)，

图2示出了图1的反应室的封闭元件的局部纵向剖面图，

图3示出了图1的反应室的管的第一局部纵向剖面图(非常示意性的)，

图4示出了图1的反应室的管的第二局部纵向剖面图(非常示意性的)，以及

图5示出了使用图1的反应室的根据本发明的反应器的框图。

如可以容易地理解的，存在多种实际实施本发明的方式，本发明在其主要有利方面中在所附权利要求中界定并且不限于以下的详细描述或所附权利要求。

详细描述

图1至图6全部涉及本发明的实施方案的相同的实例；参考标记100指示作为整体的反应室，并且参考标记1000指示作为整体的反应器。

图1示出了围绕内部反应和沉积区域170的室100；在区域170中定位了至少一个基底(图中未示出)，该基底通常由被称为“基座(susceptor)”的支撑元件(图中未示出)所支撑，尤其是当该元件不仅具有支撑的功能，还具有加热基底的功能时。在所谓的高温“生长”过程期间，(厚度或多或少的)层在基底上被沉积。图1未示出反应室100内部的任何部件，其与本发明的目的无关。

室100包括基底(base)150、盖160和外围壁(perimeterwall)；特别地，外围壁由管110组成，管110由石英制成并且具有圆柱形的形状，并且适于在使用中被定位成使得其轴线111是竖直的。

管110具有圆柱形的内部间隙112，该内部间隙112沿着管110的整个长度延伸并且适于容纳流动的液体，特别是冷却流体。

具有间隙112的管状管110相对容易制造，因为它由同心地定位的两个同心的圆柱形壁组成；两个壁中的每一个通常沿着其整个长度具有恒定的直径；两个壁的两个直径彼此之间的差异很小(例如直径的差异可以是20mm-60mm)；两个壁的厚度可以彼此相等，并且在任何地方都是均匀的(厚度可以是3mm-10mm)；一个可以被称为“内壁”(参见图3和图4中的元件116)；一个可以被称为“外壁”(参见图3和图4中的元件115)。然而，考虑到通常管的直径可以是例如大于50cm并且管的高度可以是例如大于100cm，两个石英壁的制造是精细的。

室100还包括环形的封闭元件120，该封闭元件120由石英制成并且被固定到管110的第一下端，以便封闭间隙112，防止液体在底部处从间隙流出。

在管110和元件120之间的固定特别地通过焊接进行；应理解，这些焊接(元件120与管110的内壁的焊接和元件120与管110的外壁的焊接)必须小心地进行，以避免流动的液体泄漏的风险，尤其是流动的液体向室100的内部泄漏的风险，并且这些焊接优选地在低热应力和低机械应力的区域中进行。

在顶部处，封闭元件120具有面向间隙112的环形凹部122，使得流动的液体可在底部处到达凹部122。优选地并且如图1中所示，凹部122的宽度对应于在封闭元件120与管110接触的地方的间隙112的宽度。事实上，间隙112(在反应器操作期间充满液体)根据连续表面(即没有台阶)在元件120内部延伸。

以这种方式，间隙的任何特定构型(conformation)(由于机械和/或热和/或液压的原因)集中在元件120(及其凹部122)中，还由于元件120的尺寸小(比管110小得多)的事实，该元件120更容易机械地生产和加工。例如，元件120的宽度可以是25mm-50mm，并且其高度可以是35mm-70mm，并且其直径等于管的直径(参见图2)。

元件120的特定构造在图2中示出。

凹部122的径向横截面轮廓可以包括圆弧，该圆弧具有不同的半径，特别是在凹部122的底部124处的第一半径(小的，例如5mm-15mm)和在凹部122的侧部125、126处的大于第一半径的第二半径(大的，例如50mm-150mm)。应当注意，侧部125上的半径可以与侧部126上的半径相同或不同。在图2中，底部124通过两个细虚线部分与侧部125和126在图形上区别开。使用不同半径的圆弧允许例如最佳地分配和释放由于在圆柱形石英管的间隙中的液体的重量而产生的应力；事实上，由于管通常是大尺寸的并且竖直放置，所以液体的总重量是高的。

凹部122的径向横截面轮廓可以使得凹部122的侧部126和凹部的侧部125终止于不同的水平高度。特别地，封闭元件120的面向管110的轴线111的第一侧上的侧部126相对于封闭元件120的与封闭元件120的第一侧相对的第二侧上的侧部125终止于更高的水平高度(例如，5mm-15mm)。不同的水平高度允许便于元件120到管110的焊接操作；图2的构造是优选的，因为其允许通过围绕管110移动从外部进行这两个焊接。

封闭元件120可以在封闭元件120的不与管110接触的第二(下部)区域处具有凸缘123；凸缘123有利地在径向方向上突出。该凸缘通常被用于固定石英管；图2示意性地示出了凸缘123被紧固在上部元件和下部元件之间的情况，特别是由于凸缘123的径向突出部；图2还示出了一些密封垫片(对应于图中的黑色圆圈)：在上部元件与凸缘的突起部的上表面之间放置垫片，并且在下部元件与凸缘的底表面之间放置一个或两个垫片。在图2中，凸缘123通过细虚线部分与元件120的其余部分在图形上区别开，即使元件120优选地被制成一体。

本发明的重要方面是冷却液体在室中的循环，准确地说是在室的外围壁内的循环，这将在下文描述；特别地，在间隙内提供了从管的第一下部区域延伸到管的第二上部区域的导管，以便于流动的液体的循环。

管110具有多于一个开口113、114，用于流动的液体进入和/或离开间隙112的入口和/或出口；图1通过两个虚线圆圈示出了开口113和114的可能位置。

优选地，开口113和114可以周向地位于(如图1中所示)管110的外表面上。优选地，开口113和114可以位于(如图1中所示)管110的第一下部区域中；这些开口可以在距管的下端一定距离处(例如10mm-50mm)。例如，可以提供3个-10个优选地在第一圆周上等距间隔的开口113，以及3个-10个优选地在第二圆周上等距间隔的开口114；第一圆周和第二圆周可以处于相同的水平高度(如图3和图4中所示)或处于稍微不同的水平高度；开口113和开口114可以围绕管110交替。

在附图的实例中(特别是图3和图4)，在间隙112内部的由石英制成的一组内部导管130从位于管110的第一下部区域中的开口113延伸直到管110的第二上部区域(由于导管130的“l”形状，导管130的一小段在间隙的外部)；多于一个开口中的第一组开口113(在管的下部区域中)适于液体出口并且与该组内部导管130连通；第二组开口114(在管的下部区域中)适于液体入口。冷却液体在底部处进入间隙112(特别是通过导管140)，沿着间隙112向上流动，在顶部处(在间隙112的终端区域处)进入内部导管130，沿着内部导管130向下流动，并且在底部处从内部导管130中离开。

在附图的实例中(特别是图3和图4)，间隙112外部的由石英制成的一组外部导管140与第二组开口114连通(与图4不同，导管140的一小段可以在间隙112内部)。

从附图中特别是从图3和图4中可以看出，在顶部处，间隙112由某种封闭元件(其可以对应于图1中所示的盖160或专用的“塞子”)封闭，并且液体的自由表面与封闭元件稍微间隔开。可选择地，间隙可以在顶部处是开放的。优选的是，间隙由某种封闭元件封闭，特别地，以避免液体的蒸发。

根据(指示性的而非限制性的)实例，壁115具有4mm-6mm的(通常均匀的)厚度，壁116具有4mm-6mm的(通常均匀的)厚度，间隙112具有15mm-30mm的(通常均匀的)宽度，导管130具有10mm-20mm的(通常均匀的)直径，并且它们与壁115和116是等距的，导管130的上端距壁115和116的上端20mm-50mm。

冷却液体在室的外围壁内的循环还可以以与图3和图4中所示的方式不同的方式进行，例如如下文描述的。

管可以具有第一组开口(在管的下部区域中)，用于流动的液体进入间隙的入口，这类似于前面的实例的开口114。

液体通过该第一组开口在底部处进入间隙，沿着间隙向上流动，并且在上方离开间隙。

该输出可以在管110的上边缘处(优选地外壁115的上边缘处)以“堰(weir)”的方式发生(参见图4)。

可选择地，该输出可以通过第二组开口进行。在这种情况下，管具有第二组开口(在管的上部区域中)，用于离开间隙的液体出口，第二组开口可以周向地位于管的外表面上；第二组开口位于管的第二上部区域处。

在离开间隙的上部液体出口的这两种情况下，与离开间隙的下部液体出口的情况(图3和图4的情况)相比，管的壁经受更大的压力。

在离开间隙的上部液体出口的这两种情况下，与离开间隙的下部液体出口的情况(图3和图4的情况)相比，使液体循环的泵被迫做更多的功。

如已经说过的，类似室100的反应室通常被用于诸如图5的反应器1000的反应器中。

特别有利的应用是以下的反应器：该反应器用于在非常高的温度，例如高于2000℃，从“晶种”开始生长碳化硅晶块。