外延生長用氣體的供給裝置的製作方法

2023-10-17 03:44:49

專利名稱：外延生長用氣體的供給裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以液體原料氣化而生成的氣體作為原料氣，並將該原料氣作為反應氣而供給到外延生長用反應爐中的裝置。
作為這種供給到外延生長用反應爐中的反應氣，主要是使用那些以二氯矽烷(SiH2Cl2)、三氯矽烷(SiHCl3)、四氯矽烷(SiHCl4)等液體原料進行氣化而生成的氣體。除了二氯矽烷之外，上述的其他原料在室溫和大氣壓下均為液體。
過去，原料氣是以與載氣混合的形式供給到反應爐中。作為這種混合氣的供給方法，例如象圖4所示那樣，向貯存在高壓儲氣瓶1內的液體原料2中吹入載氣3，通過向液體原料2鼓泡以生成一種由液體原料氣化而形成的原料氣與載氣3的混合氣4，然後將這種混合氣4直接地供給到外延生長用反應爐6中。作為其他方法，雖然圖中沒有示出，但是可以舉出，進而向混合氣中混入稀釋用的氫氣使其達到預定的原料氣濃度，然後將該混合氣供入反應爐的方法，或者向混合氣中注入磷等摻雜劑並將其供給入反應爐中的方法等。通過將混合氣供給到反應爐中，從而使得在反應爐內設置的單晶矽基片上外延生長成一層矽單晶薄膜。
然而，上述通過鼓泡來供給混合氣的方法存在如下問題。
①考慮到作業員的操作，當使用一種內部裝有25kg液體原料，其總重約為50kg的上述高壓儲氣瓶時，在用一個高壓儲氣瓶向數臺反應爐供給混合氣的情況下，混合氣中所含原料氣的濃度容易發生變化，從而導致反應爐中的反應速度發生變化。因此，通常1個高壓儲氣瓶只能用來向1臺反應爐供給混合氣。
②原料氣的流量分別地與按液溫變化的液體原料的蒸氣壓、高壓儲氣瓶內的壓力、載氣的流量有關，從而使原料氣的濃度控制變得複雜化。
③隨著液體原料的消耗，高壓儲氣瓶內液體原料的殘留量逐步減少，使得鼓泡氣體與液體的接觸時間逐漸變短，另外，由於鼓泡時蒸發的液體原料的潛熱而使液溫降低，這些都導致了產生的原料氣濃度的降低。其結果，反應爐中的反應速度逐漸降低。
④通過鼓泡而由液體原料製備原料氣的操作是一種蒸餾操作，因此在液體原料中所含的極微量的重金屬和高沸點雜質在液相中偏析，隨著液體原料的蒸發，使得雜質濃度相對地增高。其結果，在通過鼓泡獲得的原料氣中的雜質量隨著液體量的減少而增加。
⑤每逢更換高壓儲氣瓶時，高壓儲氣瓶與反應爐的連接口都向大氣開放，因此，這時在大氣中的水分等就進入供氣系統中，從而使外延生長的薄膜的質量下降。
⑥在每次更換高壓儲氣瓶之後和在反應爐內進行外延生長的操作之前，必須重新確認反應條件，為此必須進行試運轉。
本發明的目的是提供一種能夠對外延生長用氣體容易地設定其所需濃度和所需壓力的方法及其裝置。
本發明的另一個目的是提供一種能由1臺氣體供給裝置向多臺反應爐供給一定濃度外延生長用氣體的方法及其裝置。
本發明還有一個目的是提供一種在更換高壓儲氣瓶時可以不中斷操作，能連續地供給高純度的外延生長用氣體的方法及其裝置。
本發明的第1項發明是一種外延生長用氣體的供給方法，該方法包括下列工序在氣化器中將液體原料加熱至該液體的沸點以上的溫度以使其氣化的工序；一邊將被氣化器氣化的原料氣在其露點以上的溫度下加熱保溫，一邊調節原料氣流量的工序；一邊將該已調節好流量的原料氣在其露點以上的溫度下加熱保溫，一邊將其供給到外延生長用反應爐中的工序。
由於不採用過去的鼓泡法而是使用氣化器將液體原料氣化成預定濃度的氣體並調節其流量，因此能容易地將外延生長用氣體控制在一定濃度，而且能用1臺供給裝置向多臺反應爐供給。
本發明的第2項發明是一種外延生長用氣體的供給方法，該方法包括下列工序在氣化器中將液體原料加熱至該液體的沸點以上的溫度以便其氣化的工序；將被氣化器氣化的原料氣與載氣按預定濃度混合的工序；一邊將原料氣與載氣的混合氣在其露點以上的溫度下加熱保溫，一邊調節混合氣流量的工序；一邊將該調整好流量的混合氣在其露點以上的溫度下加熱保溫，一邊將其供給到外延生長用反應爐中的工序。
由於不採用過去的鼓泡法而是使用氣化器將液體原料氣化成預定濃度的氣體，將氣化的原料氣與載氣混合併調節原料氣的濃度，因此能容易地將外延生長用氣體控制在一定濃度，而且能用1臺供給裝置向多臺反應爐供給。
本發明的第3項發明是上述1或2所述發明的方法，其中，在氣化器中用於加熱液體原料的介質是溫度在該液體沸點以上的一定溫度的水。
由於使用在該液體原料的沸點以上的一定溫度的水來加熱氣化器，因此加熱溫度的偏差較小，可以使由該溫度決定的原料氣的蒸氣壓穩定化。
本發明的第4項發明是一種外延生長用氣體的供給裝置，如

圖1～圖3所示，該裝置具有用於將液體原料20在該液體沸點以上的溫度下加熱以使其氣化的氣化器19、用於把被該氣化器19氣化而形成的原料氣控制在預定質量流量的第1質量流量控制器36、用於將載氣控制在預定質量流量的第2質量流量控制器41、用於把分別控制在預定質量流量的原料氣和載氣相混合的混合器43、用於調節原料氣與載氣二者的混合氣流量的第1流量調節閥48、用於將該已調節好流量的混合氣供入外延生長用反應爐51中的管路49以及用於在氣化器19的原料氣輸出用管路25至管路49之間將原料氣和混合氣在其露點以上的溫度下加熱保溫的裝置53。
由於氣化的原料氣與載氣在分別用質量流量控制器控制其質量流量之後再進行混合，因此可以將所需濃度的外延生長用氣體穩定地供入反應爐中。
本發明的第5項發明是上述4所述發明的裝置，其中多個氣化器19並列地設置，由選自這些多個氣化器中的單一氣化器產生的原料氣通過第1質量流量控制器36送出。
由於許多個氣化器並列設置並將其交替使用，因此可以預防在長時間蒸發時在液體原料中偏析的重金屬或高沸點雜質對原料氣的汙染，從而可以連續地通過質量流量控制器36送出高純度的原料氣。
本發明的第6項發明是上述4所述發明的裝置，該裝置具有一個能夠使被氣化器19氣化的原料氣滯留的第1緩衝罐33，從該第1緩衝罐33送出的原料氣被第1質量流量控制器36控制在預定的質量流量。
由於設置了緩衝罐33，因此能夠吸收原料氣的壓力變動。
本發明的第7項發明是上述4或6所述發明的裝置，如圖3所示，在氣化器19中用於加熱液休原料20的介質是溫度在該液體沸點以上的一定溫度的水24，並且該裝置具有用於檢測在氣化器19或第1緩衝罐33內部的原料氣壓力的壓力傳感器27、用於調節向氣化器19供應的液體原料20供給量的第2流量調節閥18以及用於根據壓力傳感器27的檢測輸出來控制第2流量調節閥18的控制器28。
在加熱到一定溫度的狀態下，在氣化器內液體原料的蒸發氣體的蒸氣壓成為預定的數值。當氣化器內的氣體消耗時，氣化器內的壓力隨之下降。由於壓力降低，貯存在氣化器內的液體原料重新蒸發直至達到上述預定的蒸氣壓為止，這時的液體量就減少了。也就是說，當氣化器內的氣體壓力低於預定值時，壓力傳感器27將這一信號檢出，氣化器的氣體就送出到緩衝罐33中，而隨著液體原料的蒸發而使液體量減少時，控制器28對此作出判斷，開啟流量調節閥18，從而使液體原料供入氣化器19中。
當氣化器的氣體沒有消耗而使氣化器內的氣體壓力(蒸氣壓)超過預定值時，該氣體就冷凝直至壓力恢復至其預定值為止。也就是說，當壓力傳感器27檢出氣化器內的氣體壓力上升恢復到預定值時，停止氣體從氣化器的送出並引起氣化器內氣體的冷凝，當控制器28判斷出液體量有增加的傾向時，關閉流量調節閥18，從而停止向氣化器19供給液體原料。因此，氣化器19的液位能經常地維持恆定，同時由氣化器送出的原料氣的壓力也被控制在恆定值。
本發明的第8項發明是上述4所述發明的裝置，該裝置具有一個用於滯留被混合器43混合的氣體的第2緩衝罐46，根據該第2緩衝罐46內的混合氣壓力，利用第1流量調節閥48來調節混合氣的流量。
由於設置了緩衝罐46，因此可以吸收混合氣的壓力變化。另外，由於通過調節流量調節閥48來調節緩衝罐46內的壓力，因此可以將恆定流量的混合氣向反應爐供給。
本發明的第9項發明是上述4或8所述發明的裝置，其中的管路49由與第1流量調節閥48相連接的主管路49a和與該主管路49a及多臺外延生長用反應爐51相連接的環狀管路49b組成，通過主管路49a的混合氣按雙方向流入環狀管路49b中。
由於混合氣按雙方向流入環狀管路49b，因此，在設置多臺反應爐的情況下，處於下遊側的反應爐中的混合氣的壓力損失可以減小。
下面根據附圖來解釋本發明的實施方案。
如圖1和圖2所示，容器10通過管路11與貯存罐12相連接。作為本發明的液體原料，可以舉出二氯矽烷(SiH2Cl2)、三氯矽烷(SiHCl3)、四氯矽烷(SiHCl4)等。
貯存罐12通過管路13和換向閥14與多個供給罐16相連接。雖然圖2中只示出2個供應罐，但是也可以在3個以上。這些供給罐16各自通過管路17和流量調節閥18而與氣化器19相連接。這樣就可以相對於單一的貯存罐12並列地設置多臺氣化器19。
如圖3所示，該實施方案中的氣化器19是多管式氣化器，使用三氯矽烷(SiHCl3)作為液體原料20，作為用於加熱該液體原料的介質，使用溫度在該液體的沸點以上的一定溫度的水。這時的溫度可以根據為了供給入反應爐所必須的原料氣壓力和在由氣化器至反應爐之間的供給系統中損失的壓力這二者的總壓力來決定。這是因為液體原料的壓力與沸點有一定關係的緣故。
三氯矽烷在大氣壓下的混點為31.8℃，這時它的蒸氣壓為760mmHg。當上述總壓力達到760mmHg以上(大氣壓以上)時，三氯矽烷的沸點上升，這時必須強制地加熱氣化器內的三氯矽烷。例如，當上述總壓力必須達到4.2kg/cm2(即3.2kg/cm2G，0.412MPa，3090mmHg)時，可由公知的三氯矽烷的蒸氣壓表得知，用於加熱三氯矽烷的加熱介質的水的溫度應達到80℃。同樣，當總壓力必須達到6.8kg/cm2(即5.8kg/cm2G，0.667MPa、5000mmHg)時，用於加熱三氯矽烷的水溫必須達到100℃。這樣通過改變作為加熱介質的水的溫度，就可以將氣化氣體的壓力變成所需的數值。
管路17通過換向閥21和管路22而與氣化器19的底部相連接。換向閥21另一側的管路23則與圖中沒有示出的回收罐相連接。作為加熱介質的熱水24從氣化器19的下側部導入而從其上側部排出。在氣化器19的頂部連接有用於送出氣化的原料氣的管路25。在氣化器19的另一個側部安裝有液位計26。在氣化器19上端的內部設置有用於檢測氣化的原料氣壓力的壓力傳感器27，該壓力傳感器27的檢測輸出端與控制器28相連接。控制器28的控制輸出端與流量調節閥18相連接。
再參考圖1和圖2，來自2個氣化器19的管路25通過換向閥31和管路32而與緩衝罐33相連接。該緩衝罐33通過管路34而與質量流量控制器36相連接。應予說明，雖然圖中沒有示出，但是氣化器與緩衝罐可以製成一體化。在此情況下，可在與2個緩衝罐的排出口相連接的2條管路的合流點設置一個換向閥。另外，上述壓力傳感器27如圖3所示那樣設置在緩衝罐內部。
在該實施方案中可以使用氫氣作為載氣。除了氫氣之外，也可以使用氦(He)氣。該載氣貯存在載氣罐37中，該載氣罐37通過管路38和加熱器39而與質量流量控制器41相連接。質量流量控制器36和41可以根據它們對質量流量的控制量分別地設置多個。在本實施方案中各設置了5個。質量流量控制器36和41通過管路42而與混合器43相連接。混合器43通過管路44與緩衝罐46相連接，而緩衝罐46又通過管路47而與流量調節閥48相連接。
流量調節閥48通過管路49與多臺外延生長用反應爐51相連接。在本實施方案中設置有10臺反應爐。管路49由與流量調節閥48相連接的主管路49a和與該主管路49a及多臺反應爐51相連接的環狀管路49b組成，在主管路49a與環狀管路49b的連接點設置一個分配閥52，通過主管路49a的混合氣按圖中的箭頭所示的雙方向流入環狀管路49b中。雖然圖2中沒有示出，但是在由氣化器19的原料氣輸出用管路25至管路49之間，設置有用於將原料氣和混合氣在其露點以上的溫度下進行加熱保溫的加熱保溫裝置53(圖1)。具體地說，雖然圖中沒有示出，但是緩衝罐33和46、質量流量控制器36、混合器43及流量調節閥48都分別被夾套覆蓋著，另外，在管路25、32、34、42、44、47和49的外周皆附設有加熱保溫用套管，在該夾套和套管中通入一種溫度超過上述氣體露點的熱水。
利用具有這樣構成的供給裝置，按照以下步驟向反應爐51中供給外延生長用氣體。
如圖2所示，可以裝在容器10內進行運輸的液體原料(三氯矽烷)通過管路11轉移入貯存罐12中進行貯存。在貯存罐12內的液體原料通過換向閥14分配到2個供給罐16中進行貯存。2個供給罐16交替地使用。
如圖3所示，該供給罐16的液體原料通過流量調節閥18調節成預定流量後再通過換向閥21供給到氣化器19內。氣化器19內液體原料的液位由液位計26監視，以防止液體原料溢流。當貯夠預定量的液體原料之後，按照本實施方案向氣化器19中導入作為加熱介質的被控制在100℃的預定溫度的熱水。由於對液體原料不採用電加熱或蒸汽加熱而是採用熱水加熱，因此加熱溫度比較穩定。利用這種加熱來蒸發氣化器19中的液體原料三氯矽烷，利用壓力傳感器27來檢測三氯矽烷的蒸氣壓。控制器28根據壓力傳感器27的檢測輸出來控制流量調節閥18並藉此調節液體原料三氯矽烷的供給量，同時將氣化器19的液位和氣化器內的氣壓經常地控制在恆定值。如上所述，該三氯矽烷的氣壓被控制在6.8kg/cm2(即5.8kg/cm2G，0.667Mpa，5000mmHg)。
氣化的原料氣(三氯矽烷氣)被滯留和保存在緩衝罐33中。藉此可以吸收氣化原料氣的壓力變化。由緩衝罐33輸出的原料氣被質量流量控制器36控制在恆定的質量流量。另外，由載氣罐37供給並被加熱器39加熱的載氣(氫氣)也被質量流量控制器41控制在恆定的質量流量。加熱器39將載氣加熱到與原料氣相同的溫度。在質量流量控制器36和41中的控制可以根據反應爐要求的原料氣濃度來進行。藉此可以將氣體混合到所需的濃度。
質量流量被控制的原料氣(三氯矽烷氣)與載氣(氫氣)在混合器43中混合，然後被滯留和保存在緩衝罐46中。藉此可以吸收混合氣的壓力變化。雖然在圖中沒有示出，但是在緩衝罐46的內部設置有壓力傳感器，流量調節閥48根據壓力傳感器的檢測輸出來調節由緩衝罐46輸出的混合氣的流量。被調節到預定流量的混合氣通過分配閥52而雙方向地分配到環狀管路49b中。在設置多臺反應爐的情況下，利用這種雙方向分配可以減少在下遊側的反應爐中混合氣的壓力損失。也就是說，可以將預定濃度的混合氣穩定地供給到多臺反應爐51中，在安放於反應爐中的單晶矽基片上按照預定速度外延生長成一層矽單晶薄膜。
當氣化器19在工作並將混合氣供給入反應爐51中的一段時間內，緩衝罐33和46、質量流量控制器36、混合器43、流量調節閥48、管路25、32、34、42、44、47和49都被加熱和保溫在原料氣或混合氣的露點以上的溫度。藉此可以防止混合氣中原料氣濃度的變化。
當在一個氣化器19中對液體原料的蒸發操作進行一定時間之後，再用另一個氣化器19來蒸發液體原料，待氣化的原料氣達到預定的壓力時就將換向閥31切換過來。這樣就可以預防較長時間蒸發時在液體原料中偏析的重金屬或高沸點雜質對原料氣的汙染，從而可以連續地將高純度的原料氣滯留在緩衝罐33中。使用完畢的液體原料通過切換圖3中所示的換向閥21而將其排出並送往圖中沒有示出的回收罐中。
應予說明，雖然在上述的實施方案中向反應爐內供給的是由原料氣與載氣混合而獲得的混合氣，但是按照本發明，也可以不用載氣而直接將100％的原料氣供給到反應爐中。
如上所述，按照本發明，由於不採用過去的鼓泡法而是使用氣化器將液體原料氣化成預定濃度的氣體並調節其流量，因此就能容易地將外延生長用氣體設定在所需的濃度和所需的壓力。另外，由於可以根據氣化器的容積來製備原料氣，因此可以用1臺氣體供給裝置來向多臺反應爐穩定地供給恆定濃度的外延生長用氣體。
另外，由於並列地設置多臺氣化器，因此不會象過去那樣由於更換高壓儲氣瓶而必須中斷操作，可以連續地供給高純度的外延生長用氣體。特別是在氣化器中在保持加熱介質的溫度恆定的條件下使液體原料氣化，並通過調節氣化器內的氣體壓力來調節向氣化器內供入液體原料的供給量，從而能將氣化器的液位經常地保持恆定。
圖1是本發明外延生長用氣體供給裝置的構成圖。
圖2是圖1所示供給裝置的詳細構成圖。
圖3是氣化器的構成圖。
圖4是過去的外延生長用氣體供給裝置的構成圖。
對圖中符號的說明18--第2流量調節閥；19--氣化器；20--流體原料；24--熱水；25--原料氣輸出用管路；27--壓力傳感器；28--控制器；33--第1緩衝罐；36--第1質量流量控制器；41--第2質量流量控制器；43--混合器；46--第2緩衝罐；48--第1流量調節閥；49--混合氣供給用管路；49a--主管路；49b--環狀管路；51--外延生長用反應爐；53--加熱保溫裝置。
權利要求
1.一種外延生長用氣體的供給裝置，該裝置具有用於將液體原料(20)在上述液體的沸點以上的溫度下加熱以使其氣化的氣化器(19)、用於把被上述氣化器(19)氣化而形成的原料氣控制在預定質量流量的第1質量流量控制器(36)、用於將載氣控制在預定質量流量的第2質量流量控制器(41)、用於把分別控制在預定質量流量的上述原料氣和上述載氣相混合的混合器(43)、用於調節上述原料氣與上述載氣二者的混合氣流量的第1流量調節閥(48)、用於將上述已調節好流量的混合氣供入外延生長用反應爐(51)中的管路(49)、用於在氣化器(19)的原料氣輸出用管路(25)至上述管路(49)之間將原料氣和混合氣在其露點以上的溫度下加熱保溫的裝置(53)。
2.如權利要求1所述的供給裝置，其中多個氣化器(19)並列地設置，由選自上述多個氣化器中的單一氣化器產生的原料氣通過上述第1質量流量控制器(36)送出。
3.如權利要求1所述的供給裝置，該裝置具有一個能夠使被氣化器(19)氣化的原料氣滯留的第1緩衝罐(33)，從上述第1緩衝罐(33)送出的原料氣被第1質量流量控制器(36)控制在預定的質量流量。
4.如權利要求1所述的供給裝置，在氣化器(19)中用於加熱液體原料(20)的介質是溫度在上述液體沸點以上的一定溫度的水(24)，並且該裝置具有用於檢測在上述氣化器(19)或第1緩衝罐(33)內部的原料氣壓力的壓力傳感器(27)、用於調節向上述氣化器(19)供應的液體原料(20)的供給量的第2流量調節閥(18)以及用於根據上述壓力傳感器(27)的檢測輸出來控制上述第2流量調節閥(18)的控制器(28)。
5.如權利要求1所述的供給裝置，該裝置具有一個用於滯留被混合器(43)混合的氣體的第2緩衝罐(46)，根據上述第2緩衝罐(46)內的混合氣壓力，利用第1流量調節閥(48)來調節上述混合氣的流量。
6.如權利要求1所述的供給裝置，其中的管路(49)由與第1流量調節閥(48)相連接的主管路(49a)和與上述主管路(49a)及多臺外延生長用反應爐(51)相連接的環狀管路(49b)組成，通過上述主管路(49a)的混合氣按雙方向流入上述的環狀管路(49b)中。
7.如權利要求3所述的供給裝置，在氣化器(19)中用於加熱液體原料(20)的介質是溫度在上述液體沸點以上的一定溫度的水(24)，並且該裝置具有用於檢測在上述氣化器(19)或第1緩衝罐(33)內部的原料氣壓力的壓力傳感器(27)、用於調節向上述氣化器(19)供應的液體原料(20)的供給量的第2流量調節閥(18)以及用於根據上述壓力傳感器(27)的檢測輸出來控制上述第2流量調節閥(18)的控制器(28)。
8.如權利要求5所述的供給裝置，其中的管路(49)由與第1流量調節閥(48)相連接的主管路(49a)和與上述主管路(49a)及多臺外延生長用反應爐(51)相連接的環狀管路(49b)組成，通過上述主管路(49a)的混合氣按雙方向流入上述的環狀管路(49b)中。
全文摘要
公開了一種外延生長用氣體的供給裝置。在氣化器19中將液體原料加熱至該液體的沸點以上的溫度以使其氣化，將氣化的原料氣與載氣在混合器43中按預定的濃度混合，將該混合氣在其露點以上的溫度下加熱保溫，同時調節該溫合氣的流量，然後在將該混合氣加熱保溫在其露點以上溫度的條件下供入外延生長用反應爐51中。在氣化器內將加熱介質的溫度保持恆定以使液體原料氣化，根據氣化器內的氣壓來調節供入氣化器內的液體原料的供給量，這樣能夠將氣化器的液位經常地保持恆定。
文檔編號C30B25/14GK1508283SQ02149828
公開日2004年6月30日 申請日期1998年7月29日 優先權日1998年1月27日
發明者遠山美晴, 黑田明壽, 木山德二, 木田純生, 吉田俊治, 山本孝, 渥美徹彌, 二, 壽, 彌, 治, 生 申請人:三菱住友矽晶株式會社, 三菱綜合材料多晶矽股份有限公司