一種利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種涉及氣態(tài)反應(yīng)物(簡(jiǎn)稱第一前驅(qū)物)和固態(tài)或液態(tài)反應(yīng)物(簡(jiǎn)稱第二前驅(qū)物)參與反應(yīng)的反應(yīng)裝置，特殊的導(dǎo)流管和擋板結(jié)構(gòu)，有利于反應(yīng)物的充分接觸，有效解決了第一前驅(qū)物利用率不高，第二前驅(qū)物消耗對(duì)第一前驅(qū)物轉(zhuǎn)化率影響大等問(wèn)題。高轉(zhuǎn)化率有利于降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定的反應(yīng)率有利于降低工藝難度。
【專利說(shuō)明】一種利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種反應(yīng)裝置，更具體地，涉及一種氣態(tài)的反應(yīng)物(以下簡(jiǎn)稱第一前驅(qū)物，在某種條件下為氣態(tài))與固態(tài)或液態(tài)的反應(yīng)物(以下簡(jiǎn)稱第二前驅(qū)物，在某種條件下為固態(tài)或者液態(tài))參與反應(yīng)的反應(yīng)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著II1- V族膜材料在制造與開發(fā)各種半導(dǎo)體器件中的地位日益顯著，其在新型半導(dǎo)體材料行業(yè)中也備受關(guān)注。然而，半導(dǎo)體薄膜或厚膜的制備廣泛采用氣相外延(VPE)技術(shù)，其中的氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)，因生長(zhǎng)速度快、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，常被用于III族氮化物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)，尤其是氮化鎵(GaN)厚膜的生長(zhǎng)。
[0003]由使用氫化物氣相外延(HVPE)設(shè)備外延氮化鎵(GaN)薄膜向外延氮化鎵(GaN)厚膜過(guò)渡過(guò)程中，之前的金屬鎵(Ga，相當(dāng)于為第二前驅(qū)物)與氯化氫(HC1，相當(dāng)于第一前驅(qū)物)反應(yīng)生成氯化鎵(GaCl)的反應(yīng)器暴露種種缺陷。主要有以下幾個(gè)方面:
[0004]一方面，氮化鎵(GaN)薄膜外延時(shí)，金屬鎵(Ga)的耗費(fèi)速度比較慢，每次添加金屬鎵(Ga)以后，因?yàn)槊恳淮喂に囀褂玫慕饘冁?Ga)的量很少，所以設(shè)備可以進(jìn)行很多次薄膜外延工藝，數(shù)周后才進(jìn)行下一次金屬鎵(Ga)添加。而氮化鎵(GaN)厚膜外延時(shí)，每一次外延耗費(fèi)的金屬鎵(Ga)是薄膜外延時(shí)的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，所以厚膜外延工藝導(dǎo)致添加金屬鎵的頻率迅速上升。
[0005] 另一方面，為了保證氮化鎵(GaN)厚膜工藝中有足夠的金屬鎵(Ga)，設(shè)計(jì)人員將反應(yīng)器容納金屬鎵(Ga)的結(jié)構(gòu)做大。因?yàn)榻饘冁?Ga)與氯化氫(HCl)表面接觸后才能反應(yīng)生成氯化鎵(GaCl)，結(jié)構(gòu)做大后，剛添加過(guò)金屬鎵(Ga)的時(shí)候，鎵(Ga)與氯化氫(HCl)表面距離近，接觸概率大，氯化氫(HCl)基本完全反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率高，但隨著金屬鎵(Ga)的耗費(fèi)，金屬鎵表面與氯化氫(HCl)噴口距離變化，嚴(yán)重情況下，金屬鎵(Ga)開始收縮，鎵(Ga)與氯化氫(HCl)表面接觸面積和概率減小，部分氯化氫(HCl)接觸不到金屬鎵(Ga)，無(wú)法參與反應(yīng)，較剛加完金屬鎵(Ga)時(shí)相比，氯化氫(HCl)轉(zhuǎn)化率大幅度降低，利用率降低。即金屬鎵(Ga)的量對(duì)氯化氫(HCl)轉(zhuǎn)化率影響極大。
[0006]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種反應(yīng)裝置，穩(wěn)定氯化氫(HCl)轉(zhuǎn)化率，提高第一前驅(qū)物利用率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的:解決第一前驅(qū)物利用率不高，第二前驅(qū)物量的變化對(duì)第一前驅(qū)物轉(zhuǎn)化率影響大，第一前驅(qū)物轉(zhuǎn)化率不穩(wěn)定等問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明技術(shù)方案是:通過(guò)在反應(yīng)裝置內(nèi)設(shè)計(jì)擋板和導(dǎo)流管，來(lái)實(shí)現(xiàn)提高第一前驅(qū)物利用率，穩(wěn)定轉(zhuǎn)化速率。
[0009]本發(fā)明裝置包括頂壁、側(cè)壁、底部、導(dǎo)流管、出口通道和擋板結(jié)構(gòu)。
[0010]所述頂壁、側(cè)壁、底部組成反應(yīng)裝置的外壁。[0011 ] 所述導(dǎo)流管，與頂壁相連，在導(dǎo)流管側(cè)壁上分布有內(nèi)外連通口，連通口形狀可以是矩形、圓形、橢圓形和楔形，也可以是數(shù)個(gè)大小漸變或結(jié)構(gòu)不同的形狀組合，部分結(jié)構(gòu)示意見圖1。所述導(dǎo)流管用于添加第二前驅(qū)物，以及作為第一前驅(qū)物的進(jìn)入裝置的通道，所述導(dǎo)流管數(shù)量可以是2至6個(gè)，所述導(dǎo)流管的端口高于底部1_-50_。當(dāng)反應(yīng)裝置中第二前驅(qū)物的量比較少，其表面未接觸到導(dǎo)流管時(shí)，大部分第一前驅(qū)物從導(dǎo)流管端口流出，與第二前驅(qū)物表面接觸進(jìn)行反應(yīng)；當(dāng)?shù)诙膀?qū)物的量比較多，其表面高于導(dǎo)流管底端，該端被堵住時(shí)，第一前驅(qū)物從導(dǎo)流管側(cè)壁的連通口流出，此時(shí)容易與第二前驅(qū)物接觸并反應(yīng)。
[0012]所述出口通道，與底部(或與頂壁)相連，作為未參與反應(yīng)的第一前驅(qū)物和反應(yīng)生成物流出裝置的通道。
[0013]所述擋板，均與頂壁和側(cè)壁相連，可以與底部相連，用于將反應(yīng)裝置分隔為數(shù)個(gè)緩慢流動(dòng)區(qū)和一個(gè)圓形快速流動(dòng)區(qū)，其中快速流動(dòng)區(qū)可以是橢圓形。并在快速流動(dòng)區(qū)與每一個(gè)緩慢流動(dòng)區(qū)之間形成一個(gè)狹小通道，狹小通道流出方向(靠快速流動(dòng)區(qū)方向)在裝置出口通道的圓周方向，狹小通道用于加快流體的流動(dòng)速度并改變流體(包含第一前驅(qū)物、第二前驅(qū)物和反應(yīng)生成物，下同)流動(dòng)方向。經(jīng)過(guò)狹小通道后，流體圍繞出口通道做圓周運(yùn)動(dòng)，第二前驅(qū)物在離心力的作用下，沿出口通道的半徑方向遠(yuǎn)離出口通道，從而有效防止其進(jìn)入出口通道，被帶出裝置。
[0014]本發(fā)明裝置的工作流程:當(dāng)?shù)谝磺膀?qū)物進(jìn)入裝置后，通過(guò)導(dǎo)流管，到達(dá)第二前驅(qū)物表面，先在緩慢流動(dòng)區(qū)中進(jìn)行反應(yīng)，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域內(nèi)流速慢，所以有足夠的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)。經(jīng)過(guò)反應(yīng)后，未反應(yīng)的第一前驅(qū)物、飛濺的第二前驅(qū)物和反應(yīng)生成物一起從緩慢流動(dòng)區(qū)經(jīng)過(guò)狹小通道，流向快速流動(dòng)區(qū)，其流動(dòng)速度加快，在快速流動(dòng)區(qū)內(nèi)，圍繞出口通道做圓周流動(dòng)，進(jìn)一步將未反應(yīng)的第一前驅(qū)物與反應(yīng)后生成物混合，并為未反應(yīng)的第一前驅(qū)物提供再次參與反應(yīng)的機(jī)會(huì)，迫使第二前驅(qū)物(主要指裝置底部的液體和飛濺在氣體中的液滴)在離心力的作用下遠(yuǎn)離出口通道，從而有效防止其被帶出。最后，未反應(yīng)的第一前驅(qū)物與生成物通過(guò)出口通道流出裝置。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為三種不同的導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)示意圖，不同處在于側(cè)壁連通口的結(jié)構(gòu)，圖示自左到右分別為矩形連通口、大小漸變的圓形連通口和楔形連通口。
[0016]圖2為實(shí)施例中涉及的本發(fā)明反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為第二前驅(qū)物表面高度不同時(shí)，第一前驅(qū)物流出導(dǎo)流管示意圖，當(dāng)?shù)诙膀?qū)物液面處于hi位置時(shí)，第一前驅(qū)物主要從導(dǎo)流管連通口 21位置流出；當(dāng)?shù)诙膀?qū)物液面處于h2位置時(shí)，第一前驅(qū)物主要從導(dǎo)流管端口 22位置流出。
[0018]圖4為圖2中裝置按照A-A虛線位置截開的截面俯視圖，圖中箭頭表示流體流動(dòng)方向示意圖。
[0019]圖中編號(hào)含義如下:頂壁11、側(cè)壁12、底部13、導(dǎo)流管2、導(dǎo)流管連通口 21、導(dǎo)流管端口 22、出口通道3、擋板4，緩慢流動(dòng)區(qū)51、狹小通道52、快速流動(dòng)區(qū)53，A-A表示截面位置，hi與h2表示第二前驅(qū)物量不同時(shí)對(duì)應(yīng)的液面高度，箭頭表示流體流動(dòng)方向。

【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)勢(shì)更加清楚明白，便于理解，以下結(jié)合具體實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置包括頂壁11、側(cè)壁12、底部13、兩個(gè)導(dǎo)流管2、一個(gè)出口通道3、兩組擋板4。頂壁11、側(cè)壁12和底部13構(gòu)成裝置的外壁。
[0022]該裝置設(shè)計(jì)有兩個(gè)導(dǎo)流管2，導(dǎo)流管2與頂壁11相連，每一個(gè)導(dǎo)流管2側(cè)壁上設(shè)計(jì)有一個(gè)楔形連通口 21，連通口 21高度為導(dǎo)流管高度的三分之二，導(dǎo)流管端口 22距離底部13 約 10mnin
[0023]總共設(shè)計(jì)兩塊擋板4，均與頂壁11、側(cè)壁12和底部13相連。擋板4將反應(yīng)裝置分隔為兩個(gè)慢速流動(dòng)區(qū)51和一個(gè)圓形快速流動(dòng)區(qū)53。慢速流動(dòng)區(qū)51和圓形快速流動(dòng)區(qū)53之間為兩個(gè)狹小通道52，狹小通道52的流出方向在出口通道3的圓周方向。
[0024]設(shè)計(jì)一個(gè)出口通道3，與底部13相連，向上延伸至距離頂壁21約1mm處，出口通道3處于快速流動(dòng)區(qū)53的中心位置。
[0025]從圖2中虛線A-A位置將反應(yīng)裝置水平截開，截面俯視圖如圖4所示。
[0026]第二前驅(qū)物表面高度不同時(shí)，第一前驅(qū)物流出位置如圖3所示，當(dāng)反應(yīng)裝置中第二前驅(qū)物的量比較少，其液面處于h2位置時(shí)，第一前驅(qū)物主要從導(dǎo)流管端口 22位置流出，與第二前驅(qū)物表面接觸進(jìn)行反應(yīng)；當(dāng)?shù)诙膀?qū)物的量比較多，其液面處于hi位置時(shí)，其表面高于導(dǎo)流管底端22，該端被堵住時(shí)，第一前驅(qū)物主要從導(dǎo)流管連通口 21位置流出，此時(shí)容易與第二前驅(qū)物接觸并反應(yīng)。
[0027] 裝置工作流程:當(dāng)?shù)谝磺膀?qū)物進(jìn)入裝置后，通過(guò)導(dǎo)流管2，到達(dá)第二前驅(qū)物表面，先在緩慢流動(dòng)區(qū)51中進(jìn)行反應(yīng)，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域內(nèi)流速慢，所以有足夠的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)。如圖4所示，經(jīng)過(guò)反應(yīng)后，未反應(yīng)的第一前驅(qū)物、飛濺的第二前驅(qū)物和反應(yīng)生成物一起從緩慢流動(dòng)區(qū)51經(jīng)過(guò)狹小通道52，流向快速流動(dòng)區(qū)53，其流動(dòng)速度加快，在快速流動(dòng)區(qū)53內(nèi)，圍繞出口通道3做圓周流動(dòng)，進(jìn)一步將未反應(yīng)的第一前驅(qū)物與反應(yīng)后生成物混合，并為未反應(yīng)的第一前驅(qū)物提供再次參與反應(yīng)的機(jī)會(huì)，迫使第二前驅(qū)物(主要指裝置底部的液體和飛濺在氣體中的液滴)在離心力的作用下遠(yuǎn)離出口通道3，從而有效防止其被帶出。最后，未反應(yīng)的第一前驅(qū)物與生成物通過(guò)出口通道3流出裝置。
[0028]應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的部分實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，比如導(dǎo)流管的數(shù)量、導(dǎo)流管側(cè)壁連通口的形狀、擋板的數(shù)量、出口通道的數(shù)量和位置等，這些均屬于本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)裝置，其特征在于，包括導(dǎo)流管和擋板結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)流管側(cè)壁上分布有內(nèi)外連通口 ；所述擋板，將反應(yīng)裝置分隔為緩慢流動(dòng)區(qū)和快速流動(dòng)區(qū)，并在快速流動(dòng)區(qū)與每一個(gè)緩慢流動(dòng)區(qū)之間形成一個(gè)狹小通道，狹小通道流出方向(靠快速流動(dòng)區(qū)方向)在裝置出口通道的圓周方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)裝置，其特征在于，導(dǎo)流管側(cè)壁上分布的連通口形狀可以是矩形、圓形、橢圓形、楔形和數(shù)個(gè)大小漸變或結(jié)構(gòu)不同的形狀組口 ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)裝置，其特征在于，當(dāng)反應(yīng)裝置中第二前驅(qū)物的量比較多，其表面高于導(dǎo)流管底端，該端被堵住時(shí)，第一前驅(qū)物從所述導(dǎo)流管側(cè)壁的連通口 流出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)裝置，其特征在于，當(dāng)反應(yīng)裝置中第二前驅(qū)物的量比較少，其表面未接觸到導(dǎo)流管時(shí)，大部分第一前驅(qū)物從所述導(dǎo)流管端口流出。
【文檔編號(hào)】C23C16/34GK104178746SQ201410398217
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】趙紅軍, 劉鵬, 魏武, 張俊業(yè), 畢綠燕, 童玉珍, 張國(guó)義 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)