DE19530982C1

DE19530982C1 - Apparatus for producing uniform liquid flow in high temperature liquid

Info

Publication number: DE19530982C1
Application number: DE1995130982
Authority: DE
Inventors: Rolf Hartung
Original assignee: CENTROTHERM ELEKTRISCHE ANLAGE
Current assignee: CENTROTHERM ELEKTRISCHE ANLAGE
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2015-08-24

Abstract

An apparatus for producing a flow in a high temperature liquid in a container heated by a heating element is novel in that, to produce a uniform flow profile in at least the bottom region of the container (1), the heating element (2) is located on the face (3) of the container (1) arranged at right angles to the direction of flow, the bottom region of the container being unheated.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung in einer unter hoher Temperatur stehenden Flüssigkeit in einem randseitig geschlossenen, durch ein Heizelement beheizten Behältnis, insbesondere zur Verwendung bei der Flüssigphasenepitaxie an halbleitenden Substraten.The invention relates to a device for generating a flow in a high temperature Liquid in a closed on the edge, through a Heating element heated container, in particular for Use in liquid phase epitaxy on semiconducting Substrates.

Bei der Flüssigphasenepitaxie, wie auch bei anderen Prozessen, bei welchen eine gleichmäßige konstante Vorzugsströmung der Flüssigkeit erforderlich ist, um beispielsweise für eine Nachlieferung der abzuscheidenden Substanz zu sorgen, also eine Materialverarmung zu verhindern, kann diese in der Regel nicht durch mechanische Mittel erzwungen werden. Einerseits würden diese zu Strömungsinhomogenitäten führen, andererseits ist zu befürchten, daß diese mechanischen Mittel Verunreinigungen in die Schmelze bringen.With liquid phase epitaxy, as with others Processes in which an even constant Preferred flow of the liquid is required to for example for a subsequent delivery of those to be separated To worry about substance, i.e. material deprivation can usually prevent this by mechanical means are enforced. On the one hand, would this leads to flow inhomogeneities, on the other hand fear that this mechanical means Bring impurities into the melt.

Aus der DE 39 01 042 C2 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterschichtsystems eine Vorrichtung bekannt, die einen randseitig geschlossenen Reaktionsraum aufweist. In diesem Reaktionsraum ist eine Heizeinrichtung angeordnet. In den Reaktionsräumen wird über eine Einlaßöffnung eine Metallschmelze zugeführt, die durch eine Auslaßöffnung wieder abfließen kann, wobei das Schmelzmaterial ständig umgepumpt und erneuert wird, um eine konstante Zusammensetzung der Schmelze zu erreichen, die weiterhin durch die in der Schmelze wirkende Konvektion gefördert wird. Bei dieser Vorrichtung wird zum Erzielen einer ausreichenden Strömung eine Pumpe eingesetzt, was mit den zuvor genannten Strömungsinhomogenitäten verbunden ist.DE 39 01 042 C2 is used to carry out a Method for producing a semiconductor layer system a device known, the edge has a closed reaction space. In this A heating device is arranged in the reaction space. In the Reaction spaces is a via an inlet opening Molten metal fed through an outlet opening can drain again, the melting material constantly pumped around and renewed to a constant Composition of the melt to achieve that continues promoted by the convection acting in the melt becomes. In this device, a sufficient flow a pump is used, what with the previously mentioned flow inhomogeneities is connected.

Die DE 41 34 261 A1 weist einen randseitig geschlossenen Quarzschmelztiegel auf, an dessen Seiten und im Bodenbereich Heizelemente angeordnet sind, wodurch innerhalb der Schmelze im Quarzschmelztiegel eine Strömung erzeugt werden kann, die allerdings mit starken Inhomogenitäten belastet ist.DE 41 34 261 A1 has a closed edge Quartz melting pot on the sides and in Floor area heating elements are arranged, whereby a flow within the melt in the quartz crucible can be generated, but with strong Inhomogeneities.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die eine gleichmäßige Strömung innerhalb der Flüssigkeit bzw. Schmelze erreicht wird.The invention is therefore based on the object To create device of the type mentioned by which is an even flow within the liquid or melt is reached.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erzeugung eines gleichförmigen Strömungsprofils in wenigstens dem Bodenbereich des Behältnisses das Heizelement an der senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteten Stirnseite des Behältnisses angeordnet und der Bodenbereich des Behältnisses unbeheizt ist.This object is achieved according to the invention in that to create a uniform Flow profile in at least that Bottom area of the container on the heating element face oriented perpendicular to the direction of flow arranged of the container and the bottom area of the Container is unheated.

Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß im Bereich der Stirnseite des Behältnisses durch die dort höhere Temperatur die Moleküle der Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft nach oben aufsteigen. Durch den Strömungsauftrieb im Bereich der Stirnseite t;ritt eine Drehung der Flüssigkeit in ihrem Entstehungsbereich auf, wodurch ein Strömungsprofil erreicht wird, das die Form eines ovalähnlichen Zylinders besitzt. Die Zentralachse des rotierenden Flüssigkeitszylinders bzw. der Flüssigkeitswalze ist dabei horizontal ausgerichtet.The advantage achieved by the invention is essential that in the area of the front of the Container due to the higher temperature there the molecules the liquid upward against gravity rising up. Due to the flow buoyancy in the area of Face t; rode a turn of the liquid in her Area of origin on, creating a flow profile is achieved, which has the shape of an oval-like cylinder owns. The central axis of the rotating Liquid cylinder or the liquid roller is there aligned horizontally.

Um den Strömungsverlauf weiter beeinflussen zu können, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Heizelement in horizontaler Richtung in eine obere und in eine untere Heizzone unterteilt ist. Hierdurch kann über die beiden Heizzonen ein veränderliches Wärmeprofil im Bereich der Stirnseite eingestellt werden. Die beiden Heizzonen weisen dabei vorteilhafterweise etwa gleiche Breite auf.In order to be able to influence the flow course further, is provided in an advantageous development of the invention, that the heating element in a horizontal direction in an upper and is divided into a lower heating zone. This can a variable heat profile over the two heating zones can be set in the area of the front. The two Heating zones advantageously have approximately the same Spread out.

Weiter kann oberhalb des Behältnisses eine sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstreckende Oberflächenheizung vorgesehen sein. Hierdurch läßt sich die Höhe des kühleren Bereiches der Flüssigkeit verändern. Auch die Oberflächenheizung besteht zweckmäßigerweise aus einer vorderen, an das Heizelement angrenzenden, sowie einer hinteren Heizzone, wobei beide Heizzonen etwa gleiche Länge aufweisen.Furthermore, one can be in the above the container extending substantially over its entire length Surface heating may be provided. This allows change the height of the cooler area of the liquid. The surface heating also expediently consists of a front, adjacent to the heating element, and a rear heating zone, both heating zones approximately have the same length.

Um eine gewisse "Balligkeit" des Strömungsprofils zu vermeiden, die dadurch entsteht, daß sich die Flüssigkeit an den an die Stirnseite angrenzenden Seitenflächen frühzeitig wieder abkühlt, empfiehlt es sich, daß an den beiden Seitenwänden des Behältnisses jeweils eine sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstreckende Seitenheizung vorgesehen ist. Auch die Seitenheizung besteht zweckmäßigerweise aus wenigstens zwei Heizzonen, die vorzugsweise untereinander gleiche Länge aufweisen, wobei die vordere Heizzone an das Heizelement der Stirnseite angrenzt.To a certain "crowning" of the airfoil too Avoid that is caused by the liquid on the side faces adjoining the end face cools down early, it is recommended that the two side walls of the container one each in extending substantially over its entire length Side heating is provided. The side heating too expediently consists of at least two heating zones, which preferably have the same length as one another, the front heating zone being connected to the heating element of the Front side adjacent.

Zur weiteren Verbesserung der Strömungseigenschaften ist es günstig, wenn der Boden des Behältnisses innenseitig schräg zu der das Heizelement tragenden Stirnseite hin abfällt. Hierbei hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der Neigungswinkel des Bodens im Bereich zwischen 10° und 30° liegt. To further improve the flow properties it is convenient if the bottom of the container is inside obliquely to the end face carrying the heating element falls off. Here it turned out to be favorable if the angle of inclination of the floor is in the range between 10 ° and is 30 °.

Sofern die Wärmeübertragung zum Behältnis vorwiegend über Wärmeleitung erfolgen soll, sieht die Erfindung vor, daß das Heizelement und die Seitenheizungen dem Behältnis anliegen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Wärmeübertragung in einem in gewissen Grenzen wählbarem Verhältnis sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Wärmestrahlung vorzunehmen. Dazu ist vorgesehen, daß das Heizelement und die Seitenheizungen mit einstellbarem Abstand zum Behältnis angeordnet sind.If the heat transfer to the container is predominantly over If heat conduction is to take place, the invention provides that the heating element and the side heaters of the container issue. However, there is also the option of Heat transfer within a selectable range Ratio both through heat conduction and through To carry out heat radiation. It is intended that the Heating element and the side heaters with adjustable Distance to the container are arranged.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen:In the following the invention on one in the drawing illustrated embodiment explained in more detail; it demonstrate:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 1 shows a longitudinal section through the device according to the invention,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 2 shows a cross section through the article shown in FIG. 1,

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 unter Einfluß der Seitenheizungen, Fig. 3 shows the object of Fig. 2 under the influence of side heaters,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit auf Abstand stehenden Heizungen. Fig. 4 is a perspective view of the device with spaced heaters.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung dient zur Erzeugung einer Strömung in einer unter hoher Temperatur stehenden Flüssigkeit, die in einem randseitig geschlossenen Behältnis 1 angeordnet ist. Diese Vorrichtung dient insbesondere zur Verwendung bei der Flüssigphasenepitaxie an halbleitenden Substanzen, bei welcher die Flüssigkeit von einer Schmelze gebildet ist, die die auf in der Zeichnung nicht dargestellten Substraten oder dergl. abzuscheidenden Substanzen enthält. Das Behältnis steht dabei in der Regel in einem Wärmeumfeld eines Heizrohres. Dieses Wärmeumfeld kann dabei homogen sein oder aber einen Temperaturgradienten in Strömungsrichtung der Flüssigkeit bzw. der Schmelze aufweisen. Dieses Heizrohr ist der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt.The device shown in the drawing is used to generate a flow in a liquid at high temperature, which is arranged in a container 1 closed on the edge. This device is used in particular for use in liquid phase epitaxy on semiconducting substances, in which the liquid is formed by a melt which contains the substances to be deposited on substrates or the like which are not shown in the drawing. The container is usually in a heating environment of a heating pipe. This heat environment can be homogeneous or have a temperature gradient in the direction of flow of the liquid or the melt. For reasons of clarity, this heating tube is not shown in the drawing.

Das Behältnis 1 wird zusätzlich durch ein Heizelement 2 beheizt, das an der senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteten Stirnseite 3 des Behältnisses 1 angeordnet ist. Der Bodenbereich des Behältnisses 1 ist dagegen unbeheizt. Dadurch wird ein gleichförmiges Strömungsprofil in wenigstens dem Bodenbereich des Behältnisses erreicht, da durch die Energiezufuhr im Bereich der Stirnseite 3 dort die Moleküle entgegen der Schwerkraft nach oben aufsteigen und so zu einem Strömungsprofil führen, das etwa die Form eines rotierenden Flüssigkeitszylinders mit horizontal ausgerichteter Zentralachse hat. Dieses Strömungsbild ist in der Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.The container 1 is additionally heated by a heating element 2 which is arranged on the end face 3 of the container 1 oriented perpendicular to the direction of flow. In contrast, the bottom area of the container 1 is unheated. As a result, a uniform flow profile is achieved in at least the bottom region of the container, since the energy supply in the region of the end face 3 causes the molecules to rise upwards against the force of gravity and thus lead to a flow profile which has approximately the shape of a rotating liquid cylinder with a horizontally oriented central axis . This flow pattern is indicated by arrows in FIG. 1.

Um eine Beeinflussung dieses Strömungsprofils vornehmen zu können, ist das Heizelement 2 in horizontaler Richtung in eine obere und untere Heizzone 2.1, 2.2 unterteilt, wie sich dies aus Fig. 1 und Fig. 3 ergibt. Die beiden Heizzonen 2.1, 2.2 besitzen dabei etwa gleiche Breite.To be able to influence this flow profile making, the heating element 2 is divided horizontally into an upper and lower heating zone 2.1, 2.2, as can be seen from FIG 3. 1 and FIG.. The two heating zones 2.1 , 2.2 have approximately the same width.

Um ein frühzeitiges Abkühlen der in den Bereich der Oberfläche der Flüssigkeit aufgestiegenen Moleküle zu verhindern, ist oberhalb des Behältnisses 1 eine sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstreckende Oberflächenheizung 4 vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, daß die Strömung im Oberflächenbereich länger aufrecht erhalten wird, also ein nicht unbeträchtlicher Teil der Strömung bis zur gegenüber liegenden Stirnwand 5 sich erstreckt. Auch die Oberflächenheizung 4 besteht aus einer vorderen 4.1, an das Heizelement 2 angrenzenden, sowie einer hinteren Heizzone 4.2, wobei beide Heizzonen 4.1, 4.2 etwa gleiche Länge aufweisen.In order to prevent premature cooling of the molecules that have risen into the region of the surface of the liquid, a surface heating 4 is provided above the container 1 that extends essentially over its entire length. This ensures that the flow in the surface area is maintained longer, that is, a not inconsiderable part of the flow extends to the opposite end wall 5 . The surface heater 4 also consists of a front 4.1, adjacent to the heating element 2 , and a rear heating zone 4.2 , both heating zones 4.1 , 4.2 having approximately the same length.

Wie sich aus Fig. 2 ersehen läßt, kann bei unbeheizten Seitenwänden 6 dort ein frühzeitiges Abkühlen der Moleküle auftreten, wodurch eine gewisse "Balligkeit" des Strömungsprofils auftritt. Das angestrebte Strömungsprofil ist also nur in dem durch den Pfeil 8 angedeuteten Mittelbereich gegeben. Um dies zu verhindern, ist an den beiden Seitenwänden 6 des Behältnisses 1 jeweils eine sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstreckende Seitenheizung 7 vorgesehen. Auch diese Seitenheizung 7 besteht wiederum aus mehreren, hier aus drei Heizzonen 7.1, 7.2, die vorzugsweise untereinander gleiche Länge aufweisen. Die vordere Heizzone 7.1 grenzt hierbei an das Heizelement 2 der Stirnseite 3 an. Hierdurch wird ein verbessertes Strömungsprofil erreicht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.As can be seen from FIG. 2, premature cooling of the molecules can occur in the case of unheated side walls 6 , as a result of which a certain "crowning" of the flow profile occurs. The desired flow profile is therefore only given in the central region indicated by arrow 8 . In order to prevent this, a side heater 7 extending essentially over its entire length is provided on each of the two side walls 6 of the container 1 . This side heater 7 again consists of several, here three, heating zones 7.1 , 7.2 , which preferably have the same length as one another. The front heating zone 7.1 adjoins the heating element 2 of the end face 3 . As a result, an improved flow profile is achieved, as is shown in FIG. 3.

Eine weitere günstige Beeinflussung des Strömungsprofils kann dadurch erreicht werden, daß der Boden des Behältnisses 1 innenseitig schräg zu der das Heizelement 2 tragenden Stirnseite 1 hin abfällt, wie dies aus Fig. 1 zu ersehen ist. Der Neigungswinkel des Bodens liegt dabei vorteilhafterweise im Bereich zwischen 10° und 30°. A further favorable influencing of the flow profile can be achieved by the bottom of the container 1 sloping on the inside towards the end face 1 carrying the heating element 2 , as can be seen from FIG. 1. The angle of inclination of the floor is advantageously in the range between 10 ° and 30 °.

Um eine Wärmeübertragung zum Behältnis 1 hin vorwiegend durch Wärmeleitung zu erreichen, können das Heizelement 2 und die Seitenheizung 7 dem Behältnis 1 unmittelbar anliegen.In order to achieve heat transfer to the container 1 predominantly by conduction, the heating element 2 and the side heater 7 can be in direct contact with the container 1 .

Das Heizelement 2 und die Seitenheizungen 7 können jedoch auch mit einstellbarem Abstand zum Behältnis 1 angeordnet sein, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist, wodurch die Wärmeübertragung sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Wärmestrahlung erfolgt.The heating element 2 and the side heaters 7 can, however, also be arranged at an adjustable distance from the container 1 , as is indicated in FIG. 4, as a result of which the heat transfer takes place both by heat conduction and by heat radiation.

Claims

1. Device for generating a flow in a liquid at a high temperature in an edge closed, heated by a heating element container, in particular for use in liquid phase epitaxy on semiconducting substrates, characterized in that for generating a uniform flow profile in at least the bottom region of the container ( 1 ) the heating element ( 2 ) is arranged on the end face ( 3 ) of the container ( 1 ) oriented perpendicular to the direction of flow and the bottom region of the container ( 1 ) is unheated.

2. Device according to claim 1, characterized in that the heating element ( 2 ) is divided in the horizontal direction into an upper and a lower heating zone ( 2.1 , 2.2 ).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the two heating zones ( 2.1 , 2.2 ) have approximately the same width.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that above the container ( 1 ) a surface heating ( 4 ) extending substantially over its entire length is provided.

5. The device according to claim 4, characterized in that the surface heating ( 4 ) consists of a front ( 4.1 ), adjacent to the heating element ( 2 ), and a rear heating zone ( 4.2 ), both heating zones ( 4.1 , 4.2 ) having approximately the same length exhibit.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that on the two side walls ( 6 ) of the container ( 1 ) each have a substantially over its entire length extending side heater ( 7 ) is provided.

7. The device according to claim 6, characterized in that the side heater ( 7 ) consists of at least two heating zones ( 7.1 , 7.2 ), which preferably have the same length with each other, the front heating zone ( 7.1 ) to the heating element ( 2 ) of the end face ( 3 ) adjacent.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the bottom of the container ( 1 ) slopes obliquely on the inside towards the end face ( 1 ) carrying the heating element ( 2 ).

9. The device according to claim 8, characterized in that that the angle of inclination of the floor in the area between 10 ° and 30 °.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heating element ( 2 ) and the side heaters ( 7 ) abut the container ( 1 ).

11. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heating element ( 2 ) and the side heaters ( 7 ) are arranged at an adjustable distance from the container ( 1 ).