WO1989000080A1 - Gas inlet for a plurality of various reaction gases in reaction vessels - Google Patents

Gas inlet for a plurality of various reaction gases in reaction vessels Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a gas inlet for a plurality of different reaction gases in reaction vessels in which the gases flow at high flow rates, with feed lines, the cross section of which is substantially smaller than that of the reaction vessel.
  • Such gas inlets are required, for example, in MOCVD reactors, but also in other reactors for semiconductor production.
  • the general problem here is that one or more gas streams, which are supplied through a supply line with a relatively small cross-section, should be expanded as homogeneously as possible and without dead volumes to a large cross-section. This is particularly important if "sharp" layer boundaries are to be generated by "switching" the gas streams.
  • the invention has for its object to provide a gas inlet for a plurality of reaction gases in reaction vessels according to the preamble of claim 1 that one or more gas flows can be expanded to a comparatively large cross-section as homogeneously and without dead volumes.
  • the gas inlet has a part with a conical inner contour, the cross section of which is adapted to the cross section of the reaction vessel and which is arranged at one end of the flow through the reaction vessel.
  • the individual feed lines open approximately at the focal point of the part with a conicoid inner contour, the gas outlet openings of the feed lines being directed towards the apex of the conicoid part.
  • the measure characterized in claim 4 achieves atomization and thus further homogenization of the gas stream over the cross section of the reactor.
  • the gas inlet according to the invention has a base body 1 on which a flange 2 is located.
  • the flange 2 serves to connect the base body 1 to a reactor (not shown), for example a reactor as described in the patent application filed on the same day “quartz glass reactor for MOCVD systems”.
  • the recess 3 provided in the base body 1 has a "rear" end face 4, the shape of which is hemispherical in the exemplary embodiment shown.
  • gas supply lines are provided which are arranged in a star shape and of which only two lines 5 and 6 are shown in the drawing.
  • the feed lines 5 and 6 have outlet openings 7 and 8 which are located approximately in the center of the hemispherical surface 4. The edges of the outlet openings are "broken", so that the escaping gas stream is partially “atomized”.
  • the gas inlet according to the invention works as follows:
  • the gas streams emerging from the outlet openings 7 or 8 at high speed are partially atomized by the edge structure of the openings and strike a region of the surface 4.
  • the gas stream escaping at high speed is reflected “practically according to the laws of geometric optics”, so that it is expanded homogeneously and further atomized through the opening of the flange by the gas stream emerging from the openings 7 and 8 “in countercurrent” 2 emerges in a reactor, not shown.
  • a conical cut surface for example a paraboloid
  • a conical cut surface for example a paraboloid
  • the number of gas inlet lines can be increased as desired.
  • the star-shaped arrangement results in the same conditions for all gas flows and in particular a homogeneous gas distribution over the cross section.
  • the gas inlet according to the invention is thus not only suitable for the successive admission of different gas streams which are to be "switched over" quickly, but also for the simultaneous admission of several gas streams which are to be expanded homogeneously and mixed well.

Description

Λ -
Gaseinlaß für eine Mehrzahl verschiedener Reaktionsgase in Reaktionsgefäße
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaseinlaß für eine Mehrzahl verschiedener Reaktionsgase in Reaktionsgefäße, in denen die Gase mit hoher Strömungsgeschwindigkeit strö¬ men, mit Zuführleitungen, deren Querschnitt wesentlich kleiner als der des Reaktionsgefäßes ist.
Stand der Technik
Derartige Gaseinlässe werden beispielsweise bei MOCVD- Reaktoren, aber auch bei anderen Reaktoren zur Halbleiter- Herstellung benötigt. Dabei stellt sich allgemein das Problem, daß ein oder mehrere Gasströme, die durch eine Versorgungsleitung mit relativ geringem Querschnitt zuge¬ führt werden, möglichst homogen und ohne Totvolumina auf einen großen Querschnitt aufgeweitet werden soll. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn durch "Umschalten" der Gasströme möglichst "scharfe" Schichtbegrenzungen erzeugt werden sollen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaseinlaß für eine Mehrzahl von Reaktionsgasen in Reaktionsgefäße gemäß dem Oberebgriff des Anspruchs 1 derart weiterzubil- den, daß ein oder mehrere Gasströme möglichst homogen und ohne Totvolumina auf einen vergleichsweise großen Quer¬ schnitt aufgeweitet werden können.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß weist der Gaseinlaß einen Teil mit coni¬ coider Innenkontur auf, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Reaktionsgefäßes angepaßt ist und der an einem Ende des durchströmten Reaktionsgefäßes angeordnet ist. Die einzelnen Zuführleitungen münden in etwa im Brennpunkt des Teils mit conicoider Innenkontur, wobei die Gasaustritts¬ öffnungen der Zuführleitungen auf den Scheitelpunkt des conicoiden Teils gerichtet sind.
Hierdurch wird der "dünne" Gasstrahl, der mit hoher Ge¬ schwindigkeit aus den Gasaustrittsöffnungen der Zuführlei¬ tungen austritt, von der conicoiden Innenkontur "praktisch nach den Gesetzen der geometrischen Optik" homogen und ohne Totvolumina aufgeweitet.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet:
Durch die im Anspruch 2 gekennzeichnete sternförmige An¬ ordnung der Zuführleitungen ist das (gleichzeitige und/ oder "serielle") Einleiten mehrerer Gassorten möglich, ohne daß die Homogenität des aufgeweiteten GasStroms ge¬ stört würde.
Für praktische Zwecke wird eine mehr als ausreichende Homgenität des aufgeweiteten Gasstrahls erhalten, wenn die Innenkontur des conicoiden Teils, d.h. die conicoide Form durch eine Halbkugel angenähert ist.
Durch die im Anspruch 4 gekennzeichnete Maßnahme wird eine Zerstäubung und damit eine weitere Homogenisierung des Gasstroms über den Querschnitt des Reaktors erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs¬ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be¬ schrieben, deren einzige Figur einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gaseinlaß zeigt.
Ausdrücklich soll darauf hingewiesen werden, daß die in der Zeichnung angegebenen Maße in mm exemplarisch zu verstehen sind, und die Erfindung nicht einschränken.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Der erfindungsgemäße Gaseinlaß weist einen Grundkörper 1 auf, an dem sich ein Flansch 2 befindet. Der Flansch 2 dient zur Verbindung des Grundkörpers 1 mit einem nicht dargestellten Reaktor, beispielsweise einem Reaktor, wie er in der am gleichen Tage eingereichten Patentanmeldung "Quarzglasreaktor für MOCVD-Anlagen" beschrieben ist.
Die in dem Grundkörper 1 vorgesehene Ausnehmung 3 hat eine "hintere" Abschlußfläche 4, deren Form bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel halbkugelförmig ist.
Ferner sind Gaszuführleitungen vorgesehen, die sternförmig angeordnet sind, und von denen in der Zeichnung lediglich zwei Leitungen 5 und 6 dargestellt sind. Die Zuführleitun¬ gen 5 und 6 weisen Austrittsöffnungen 7 und 8 auf, die sich in etwa im Mittelpunkt der Halb-Kugelfläche 4 befin¬ den. Die Kanten der Austrittsöffnungen sind "gebrochen" , so daß der austretende Gasstrom teilweise "zerstäubt" wird.
Der erfindungsgemäße Gaseinlaß arbeitet wie folgt:
Die aus den Austrittsöffnungen 7 bzw. 8 mit hoher Ge¬ schwindigkeit austretenden Gasströme werden durch die Kantenstruktur der Öffnungen zum Teil zerstäubt und tref¬ fen auf einen Bereich der Fläche 4 auf. An dieser Fläche 4 wird der mit hoher Geschwindigkeit austretende Gasstrom "praktisch nach den Gesetzen der geometrischen Optik" - reflektiert, so daß er homogen aufgeweitet und durch den "im Gegenstrom" aus den Öffnungen 7 und 8 austretenden Gasstrom weiter zerstäubt durch die Öffnung des Flansches 2 in einen nicht dargestellten Reaktor austritt.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan¬ kens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstverständ¬ lich die verschiedensten Modifikationen möglich sind:
So kann beispielsweise anstelle einer Kugelfläche auch eine Kegelschnittfläche (conicoide Innenkontur) , bei¬ spielsweise ein Paraboloid verwendet werden. Diese aus der geometrischen Optik bekannte vorteilhafte Weiterentwick¬ lung spärischer Flächen bringt jedoch im vorliegenden Falle nur geringe Vorteile.
Die Zahl der Gaseinlaß-Leitungen kann beliebig erhöht werden. Durch die sternförmige Anordnung ergben sich für alle Gasströme die selben Verhältnisse und insbesondere eine homnogene Gasverteilung über den Querschnitt. Der erfindungsgemäße Gaseinlaß ist damit nicht nur zum aufeinanderfolgendem Einlassen unterschiedlicher Gasströ¬ me, die schnell "umgeschaltet" werden sollen, sondern auch zum gleichzeitigen Einlassen mehrerer Gasströme, die homo¬ gen aufgeweitet und gut durchmischt werden sollen, geeig¬ net.

Claims

P a t~e -n* t a n s p r ü c h e
1. Gaseinlaß für eine Mehrzahl verschiedener Reaktionsga¬ se in Reaktionsgefäße, in denen die Gase mit hoher Strö¬ mungsgeschwindigkeit strömen, mit Zuführleitungen, deren Querschnitt wesentlich kleiner als der des Reaktionsgefäßes ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- der Gaseinlaß weist einen Teil mit conicoider Innenkon¬ tur auf, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Reaktions¬ gefäßes angepaßt ist, und der an einem Ende des durch¬ strömten Reaktionsgefäßes angeordnet ist
- die einzelnen Zuführleitungen münden in etwa im Brenn¬ punkt des Teils mit conicoider Innenkontur,
- die Gasaustrittsöffnungen der Zuführleitungen sind auf den Scheitelpunkt des Teils mit conicoider Innenkontur gerichtet.
2. Gaseinlaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d£e Zuführleitungen "sternför¬ mig" angeordnet sind.
3. Gaseinlaß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die conicoide Form durch eine Halbkugel angenähert ist.
4. Gaseinlaß nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen der Zuführleitungen den Gasstrom zerstäuben.
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