專(zhuān)利名稱(chēng)：磷噴射室裝置和生產(chǎn)分子磷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磷噴射室(phosphorus effusion cell)裝置，包括第一紅磷真空腔，第二白磷真空腔，所述第一和第二真空腔相互連接，一種提供真空的設(shè)備，一個(gè)與所述第二真空腔連接的熱裂解器，以及一個(gè)介于所述第二真空腔與所述熱裂解器之間的控制閥。
本發(fā)明還涉及生產(chǎn)分子磷P2的方法，所述方法包括使紅磷在第一真空腔內(nèi)升華，將所述升華的紅磷引至第二真空腔，冷卻所述第二真空腔，使所述升華的紅磷凝結(jié)生成白磷，加熱所述第二真空腔來(lái)使所述白磷在所述第二真空腔內(nèi)升華，將所述升華的白磷引至熱裂解器，使所述升華的白磷熱裂解成磷P2。
背景技術(shù)：
在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“P紅”與“紅磷”可互換使用，術(shù)語(yǔ)“P白”與“白磷”也可互換使用。
在分子束外延(MBE)反應(yīng)器中，磷噴射室用于產(chǎn)生磷分子束(P2)。噴射室使用紅磷(P-紅)作為原料。P-紅首先轉(zhuǎn)化為白磷(P-白)。然后加熱P-白生成磷(P4)，磷(P4)經(jīng)控制閥引至熱裂解器。熱裂解器將P4分子裂解成P2分子。從材料品質(zhì)和安全性?xún)煞矫婵紤]，以P2替代P4有利于磷化銦和相關(guān)物質(zhì)的生長(zhǎng)。白磷腔和熱裂解器間的控制閥用來(lái)控制P2的流量。
MBE中使用的磷裝料為固體紅磷形式。在本說(shuō)明書(shū)中，P-紅意指是磷的紅色同素異形體，而P-白意指磷的白色同素異形體。
眾所周知，當(dāng)P-紅真空加熱至超過(guò)300℃時(shí)，會(huì)生成(通過(guò)升華)P4分子。300℃下P-紅的P4蒸汽壓為8.5mbar，300℃下P-紅的P2蒸汽壓小于4×10-5mbar。因此實(shí)際上所有由P-紅升華的磷都是P4分子形式。當(dāng)P4在更冷的表面冷凝時(shí)，會(huì)凝結(jié)成P-白形式，P-白300℃的蒸汽壓高達(dá)約1000mbar。而且P4分子可熱裂解成P2，當(dāng)P2在冷表面冷凝時(shí)以P-紅形式凝結(jié)。公知在室溫下P-白具有很高的易燃性，因此設(shè)備必須要保持在真空條件下。
已知有若干不同的裝置用于磷噴射源。例如，在專(zhuān)利US 5431735中提出一種設(shè)備，包括一個(gè)由紅磷(P-紅)產(chǎn)生磷蒸汽的容器。該容器由兩個(gè)具有不同溫度的同軸區(qū)域構(gòu)成，一個(gè)區(qū)域用來(lái)升華P-紅，另一區(qū)域用來(lái)冷凝和再蒸發(fā)P-白。操作過(guò)程中將P-紅連續(xù)加熱并將P-白連續(xù)冷凝到所述的冷凝區(qū)域。磷從P-紅腔連續(xù)流經(jīng)P-白腔并進(jìn)一步流入熱裂解器。在此設(shè)備中，P-紅原料在操作過(guò)程中必須連續(xù)被加熱以維持從P-紅向P-白再向熱裂解器的流動(dòng)。
專(zhuān)利US 6030458公開(kāi)一種P-紅和P-白腔用一個(gè)真空夾套封裝的設(shè)備。兩個(gè)腔彼此用管道連接。該設(shè)備的操作方式是首先將P-紅轉(zhuǎn)化成P-白，轉(zhuǎn)化后將P-白蒸發(fā)形成P4。轉(zhuǎn)化過(guò)程之后，P-紅腔維持在高溫條件下以防磷再冷凝回P-紅腔。在此設(shè)備中，為防止P4再冷凝回P-紅腔，必須將P-紅連續(xù)加熱。
本申請(qǐng)人已進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備還有如下問(wèn)題在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中，兩個(gè)腔以物理方式連接，因此當(dāng)同溫度的區(qū)域連通時(shí)，很難達(dá)到穩(wěn)定的P4蒸汽壓。因而改變一個(gè)腔的溫度將會(huì)影響另一腔的溫度。
另一方面，生產(chǎn)規(guī)模的MBE系統(tǒng)需要使用大量的P-紅裝料以便加大系統(tǒng)原料填料的間隔期，正常情況下需要排空MBE生長(zhǎng)室。在上面提及的兩個(gè)設(shè)備中，P-紅裝料必須連續(xù)維持在高溫條件下，因P-紅裝料的熱質(zhì)量很大故對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間變得很長(zhǎng)。
并且，如專(zhuān)利US 5431735所述，噴射室內(nèi)任意熱的部分可能引起P2在該室內(nèi)熱裂解成P4。一般來(lái)說(shuō)，因有熱泄漏的緣故P-紅加熱元件的運(yùn)行溫度必須高于所需的P-紅溫度，這就使得P4流體到達(dá)裂解區(qū)之前少部分P4在加熱元件內(nèi)或P-紅腔的熱壁上熱裂解成P2。由于P2是以P-紅形式凝結(jié)，故在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中，噴射室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一些P-紅凝結(jié)的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間這導(dǎo)致在P-白腔內(nèi)有紅磷累積沉積。這會(huì)對(duì)膜的質(zhì)量和P-白腔的熱特性有不利影響。
最后但并非最不重要的是，在上述兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中，在用P-紅再填充原料的過(guò)程中P-白腔曝露于空氣中，這肯會(huì)對(duì)生長(zhǎng)外延層的純度以及安全性不利，因?yàn)镻-白在室溫下高度易燃。
本發(fā)明目的和概述本發(fā)明的目的是提供一種沒(méi)有上述缺點(diǎn)的磷熱裂解裝置。因此，本發(fā)明的目的是提供一種能有效和安全地連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)分子磷的裝置和方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種P-白腔內(nèi)沒(méi)有或只有最少量P-紅沉積的生產(chǎn)分子磷的裝置和方法。本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種不需要長(zhǎng)運(yùn)行周期的生產(chǎn)分子磷的裝置和方法。
根據(jù)本發(fā)明的磷噴射室裝置包括第一紅磷真空腔，第二白磷真空腔，所述第一和第二真空腔相互連接，一個(gè)提供真空的設(shè)備，一個(gè)與所述第二真空腔連接的熱裂解器，以及一個(gè)介于所述第二真空腔與所述熱裂解器之間的控制閥。本發(fā)明的特征在于所述裝置在所述第一和第二真空腔之間進(jìn)一步包括一個(gè)隔離閥，條件是所述第一真空腔與所述熱裂解器間不直接連通。
本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)分子磷P2的方法，所述方法包括使紅磷在第一真空腔內(nèi)升華，將所述升華的紅磷引至第二真空腔，冷卻所述第二真空腔使所述升華的紅磷凝結(jié)以生成白磷，加熱所述第二真空腔以使所述白磷在所述第二真空腔內(nèi)升華，將所述升華的白磷引至熱裂解器并使所述升華的白磷熱裂解成磷P2。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于所述第二真空腔加熱過(guò)程中所述第一和第二真空腔之間的連接是關(guān)閉的。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種磷噴射室裝置，即涉及一種將磷升華并裂解的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的磷噴射室裝置包括第一紅磷真空腔，第二白磷真空腔，所述第一和第二真空腔相互連接，一個(gè)提供真空的設(shè)備，一個(gè)與所述第二真空腔連接的熱裂解器，以及一個(gè)介于所述第二真空腔與所述熱裂解器之間的控制閥。本發(fā)明的特征在于所述第一和第二真空腔之間進(jìn)一步包括一個(gè)隔離閥，條件是所述第一真空腔與所述熱裂解器間不直接連通。
因此，根據(jù)本發(fā)明的磷噴射室裝置包括如下主要部分磷噴射室裝置包括一個(gè)帶閥的第一真空腔，所述閥使該腔能用真空泵抽空。第一真空腔即P-紅腔一般也有對(duì)其加熱用的設(shè)備，例如一個(gè)用來(lái)加熱升華P-紅的內(nèi)加熱器。P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程中典型的P-紅溫度是350℃。根據(jù)本發(fā)明，第一真空腔有一個(gè)將其與用于將升華的P-紅冷凝的第二真空腔分隔開(kāi)來(lái)的第二閥。
第二真空腔即P-白腔用于兩個(gè)目的，因此根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其包括加熱和冷卻設(shè)備如加熱器/冷卻器。首先是在P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程中，第二真空腔被冷卻到30℃以下使升華的P-紅凝結(jié)。P-紅完全轉(zhuǎn)化為P-白之后將兩個(gè)真空腔間的閥關(guān)閉。第二即P-白腔的第二個(gè)目的是要產(chǎn)生足夠高的P4蒸汽壓以便可產(chǎn)生足夠的P4流經(jīng)控制閥引至熱裂解器區(qū)。因此，所述第二真空腔的加熱器/冷卻器是在P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程中用于冷卻該腔到30℃以下和在生長(zhǎng)過(guò)程中用于加熱該腔到50℃。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在第一真空腔中提供真空的設(shè)備也用于在第二真空腔中提供真空。當(dāng)然第二真空腔也可包括獨(dú)立的提供真空設(shè)備。第二真空腔即所述P-白腔也可包上一個(gè)真空夾套。
在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“第一真空腔”與“P-紅真空腔”可互換使用，術(shù)語(yǔ)“第二真空腔”與“P-白真空腔”也可互換使用。
P-紅真空腔與P-白真空腔之間的隔離閥使P-紅腔與P-白腔用真空密封隔離開(kāi)來(lái)。
本裝置進(jìn)一步包括一個(gè)介于P-白腔和熱裂解器之間的控制閥。此閥是一種具有可變流導(dǎo)的控制閥。該閥用來(lái)調(diào)節(jié)P4進(jìn)入熱裂解器的流量。熱裂解器區(qū)一般包括一個(gè)將P4分子熱裂解成P2分子的加熱器。
控制閥優(yōu)選維持在約80-100℃以防白磷在閥內(nèi)凝結(jié)?？梢酝ㄟ^(guò)在閥體四周包上絕熱加熱套或是任意原本已知的其它方法進(jìn)行。
紅磷腔與白磷腔之間的閥也優(yōu)選維持在約80-100℃以防白磷在閥內(nèi)凝結(jié)。優(yōu)選當(dāng)此閥關(guān)閉且紅磷池被移出時(shí)該閥也保持為熱的。也可通過(guò)將紅磷腔與白磷腔之間的隔離閥用閥體四周包上絕熱加熱套，或是任意原本已知的其它方法進(jìn)行加熱。
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備所遇到的問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)了上述目的。確實(shí)，在本發(fā)明中，生長(zhǎng)(P-白)過(guò)程中只有一個(gè)腔的溫度需要調(diào)節(jié)。這提高了P-白腔的溫度穩(wěn)定性，因此而提高了磷流量的穩(wěn)定性。另一方面，已發(fā)現(xiàn)為了提供來(lái)自噴射室的恒定流量，仔細(xì)和準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)P-紅腔和P-白腔二者的溫度十分重要，采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)檫@兩個(gè)腔可以相互關(guān)閉。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，可將P-紅池從磷噴射室移出而不干擾生長(zhǎng)過(guò)程。甚至當(dāng)P-紅池?cái)嚅_(kāi)連接以再填充P-紅原料時(shí)，P-白腔可用于磷蒸發(fā)過(guò)程。另外，甚至對(duì)于生產(chǎn)MBE用途而言，可使用更少的P-紅裝料量。這意味著對(duì)P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)說(shuō)可在很短的穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)定下P-紅的溫度，這一點(diǎn)與先有設(shè)備不同。本發(fā)明中所需的穩(wěn)定時(shí)間在幾小時(shí)的數(shù)量級(jí)。
并且，在本發(fā)明中，因?yàn)镻-紅池僅在P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程中被加熱，因此可消除紅磷累積沉積在P-白腔內(nèi)的現(xiàn)象。在生長(zhǎng)過(guò)程中用隔離閥將其關(guān)閉并冷卻下來(lái)。因此，不會(huì)對(duì)膜的質(zhì)量和P-白腔的熱特性有不利影響。
并且，本發(fā)明中，在裝置或所述第二真空腔的整個(gè)使用期內(nèi)，P-白腔可長(zhǎng)時(shí)間即維持在超高真空(UHV)條件下。由于原料再裝填過(guò)程中P-白腔的內(nèi)表面不會(huì)曝露于空氣和潮氣中，提高了生長(zhǎng)外延層的純度。因?yàn)镻-白腔內(nèi)任何殘留的P-白永遠(yuǎn)都不會(huì)曝露于空氣中，也提高了安全性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是易于調(diào)整裝置容量，因?yàn)槿缟纤隹墒褂貌煌康腜-紅。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，可從噴磷室移出P-紅腔，而不用排空MBE室或排空P-白腔?？蓪牧讎娚涫乙瞥龅腜-紅腔用于例如再填料或清潔，而噴磷室用于生長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，只在P-紅腔中需要提供真空的設(shè)備。提供真空的設(shè)備是原本已知的任意設(shè)備，如真空泵。
并且，用于加熱和/或冷卻真空腔的設(shè)備是原本已知的任意設(shè)備，如加熱絲或者液或氣循環(huán)裝置。另外，本發(fā)明所用的熱裂解器是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意熱裂解器。
本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)分子磷P2的方法，所述方法包括使紅磷在第一真空腔內(nèi)升華，將所述升華的紅磷引至第二真空腔，冷卻所述第二真空腔使所述升華的紅磷凝結(jié)生成白磷，加熱所述第二真空腔使所述白磷在所述第二真空腔內(nèi)升華，將所述升華的白磷引至熱裂解器并使所述升華的白磷熱裂解成磷P2。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于所述第二真空腔加熱過(guò)程中所述第一和第二真空腔之間的連接是關(guān)閉的。
根據(jù)本發(fā)明，可以避免升華的白磷從所述第二真空腔流入所述第一真空腔。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述第二真空腔加熱過(guò)程中，所述第一真空腔與所述第二真空腔是分隔的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，在加熱所述第二真空腔的至少部分過(guò)程中，將所述第一真空腔進(jìn)行再填料。根據(jù)本發(fā)明的還有一個(gè)實(shí)施方案，基本上整個(gè)使用期內(nèi)，所述第二真空腔都處于真空條件下。
顯然，上述所有與本裝置相關(guān)的其它細(xì)節(jié)和實(shí)施方案也可用于本方法。
附圖簡(jiǎn)述

圖1圖示說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方案。
圖2圖示說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施方案。
附圖詳述圖1圖示說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方案。該圖示出一個(gè)P-紅真空腔1。P-紅腔1有閥2，可使P-紅腔1用真空泵(未示出)抽空。P-紅腔1有一個(gè)內(nèi)加熱器3，可加熱升華P-紅使其蒸發(fā)。P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程中P-紅的典型溫度是350℃。P-紅腔1有一個(gè)第二閥4，使其與將蒸發(fā)的P-紅進(jìn)行冷凝的P-白腔5，即P-白真空腔5分隔開(kāi)來(lái)。P-白腔5用于兩個(gè)目的，首先是在P-紅向P-白轉(zhuǎn)化過(guò)程中，P-白腔5被冷卻到30℃以下使蒸發(fā)的P-紅凝結(jié)。P-紅完全轉(zhuǎn)化為P-白之后，關(guān)閉閥4。P-白腔5的第二個(gè)目的是在所述P-白腔5內(nèi)產(chǎn)生足夠高的P4蒸汽壓，以便產(chǎn)生足夠的P4流經(jīng)控制閥6引至熱裂解器區(qū)7。加熱器/冷卻器8是在紅向白轉(zhuǎn)化過(guò)程中用于將P-白腔5冷卻到30℃以下和在生長(zhǎng)過(guò)程中用來(lái)將P-白腔5加熱到50℃。
閥4使P-紅腔1與P-白腔5用真空密封隔離開(kāi)來(lái)。閥6是一個(gè)具有可變流導(dǎo)的控制閥，閥6用來(lái)調(diào)節(jié)由其經(jīng)過(guò)并進(jìn)入熱裂解器7的P4流量。帶有加熱器9的熱裂解器7將P4分子熱裂解成P2分子。
圖2圖示說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施方案。此實(shí)施方案與圖1實(shí)施方案的不同之處在于它進(jìn)一步包括一個(gè)能使P-紅腔1從噴射室移出用于再填料或清潔同時(shí)噴磷室用于生長(zhǎng)的一對(duì)法蘭10。在此實(shí)施方案中，裝置還包括用于加熱隔離閥4的設(shè)備11以及用于加熱控制閥6的設(shè)備12。
權(quán)利要求
1.一種磷噴射室裝置，包括-第一紅磷真空腔(1)，-第二白磷真空腔(5)，所述第一和第二真空腔相互連接，-提供真空的設(shè)備，-與所述第二真空腔(3)連接的熱裂解器(7)，-介于所述第二真空腔(3)與所述熱裂解器(7)之間的控制閥(6)，特征在于所述裝置在所述第一和第二真空腔之間進(jìn)一步包括一個(gè)隔離閥(4)，條件是所述第一真空腔(1)與所述熱裂解器(7)間不直接連通。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的磷噴射室裝置，特征在于所述第一真空腔(1)布置成可與所述隔離閥(4)分開(kāi)。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2的磷噴射室裝置，特征在于所述提供真空的設(shè)備與所述第一真空腔(1)連通。
4.一種根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的磷噴射室裝置，特征在于它進(jìn)一步包括加熱和冷卻所述第二真空腔(3)的設(shè)備(5)。
5.一種根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的磷噴射室裝置，特征在于它進(jìn)一步包括加熱所述隔離閥(4)的設(shè)備(11)。
6.一種根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的磷噴射室裝置，特征在于它進(jìn)一步包括加熱所述控制閥(6)的設(shè)備(12)。
7.一種生產(chǎn)分子磷P2的方法，包括-使紅磷在第一真空腔內(nèi)升華，-將所述升華的紅磷引至第二真空腔，-冷卻所述第二真空腔使所述升華的紅磷凝結(jié)來(lái)生成白磷，-加熱所述第二真空腔來(lái)使所述白磷在所述第二真空腔內(nèi)升華，-將所述升華的白磷引至熱裂解器，-將所述升華的白磷熱裂解成磷P2，特征在于所述第二真空腔加熱過(guò)程中，關(guān)閉所述第一和第二真空腔之間的連接。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7的生產(chǎn)分子磷P2的方法，特征在于所述第二真空腔加熱過(guò)程中，分隔所述第一真空腔與所述第二真空腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的生產(chǎn)分子磷P2的方法，特征在于在加熱所述第二真空腔的至少一部分過(guò)程中將所述第一真空腔進(jìn)行再填料。
10.根據(jù)前面權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)的生產(chǎn)分子磷P2的方法，特征在于在所述第二真空腔基本上整個(gè)使用期內(nèi)，所述第二真空腔都處于真空條件下。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的磷噴射室裝置包括第一紅磷真空腔，第二白磷真空腔，所述第一和第二真空腔相互連接，一個(gè)提供真空的設(shè)備，一個(gè)與所述第二真空腔連接的熱裂解器，以及一個(gè)介于所述第二真空腔與所述熱裂解器之間的控制閥。本發(fā)明的特征在于所述第一和第二真空腔之間進(jìn)一步包括一個(gè)隔離閥，條件是所述第一真空腔與所述熱裂解器間不直接連通。本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)分子磷P
文檔編號(hào)C23C14/24GK1977070SQ200480043471
公開(kāi)日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者L·薩爾米寧, E·蘇波寧, J·萬(wàn)哈塔洛 申請(qǐng)人:Dca－器械有限公司