一種利于穩(wěn)定轉化率的反應裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種涉及氣態(tài)反應物(簡稱第一前驅物)和固態(tài)或液態(tài)反應物(簡稱第二前驅物)參與反應的反應裝置，特殊的導流管和擋板結構，有利于反應物的充分接觸，有效解決了第一前驅物利用率不高，第二前驅物消耗對第一前驅物轉化率影響大等問題。高轉化率有利于降低生產成本，穩(wěn)定的反應率有利于降低工藝難度。
【專利說明】一種利于穩(wěn)定轉化率的反應裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種反應裝置，更具體地，涉及一種氣態(tài)的反應物(以下簡稱第一前驅物，在某種條件下為氣態(tài))與固態(tài)或液態(tài)的反應物(以下簡稱第二前驅物，在某種條件下為固態(tài)或者液態(tài))參與反應的反應裝置。

【背景技術】
[0002]隨著II1- V族膜材料在制造與開發(fā)各種半導體器件中的地位日益顯著，其在新型半導體材料行業(yè)中也備受關注。然而，半導體薄膜或厚膜的制備廣泛采用氣相外延(VPE)技術，其中的氫化物氣相外延(HVPE)技術，因生長速度快、生產成本低等特點，常被用于III族氮化物半導體材料生長，尤其是氮化鎵(GaN)厚膜的生長。
[0003]由使用氫化物氣相外延(HVPE)設備外延氮化鎵(GaN)薄膜向外延氮化鎵(GaN)厚膜過渡過程中，之前的金屬鎵(Ga，相當于為第二前驅物)與氯化氫(HC1，相當于第一前驅物)反應生成氯化鎵(GaCl)的反應器暴露種種缺陷。主要有以下幾個方面:
[0004]一方面，氮化鎵(GaN)薄膜外延時，金屬鎵(Ga)的耗費速度比較慢，每次添加金屬鎵(Ga)以后，因為每一次工藝使用的金屬鎵(Ga)的量很少，所以設備可以進行很多次薄膜外延工藝，數(shù)周后才進行下一次金屬鎵(Ga)添加。而氮化鎵(GaN)厚膜外延時，每一次外延耗費的金屬鎵(Ga)是薄膜外延時的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，所以厚膜外延工藝導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)，設計人員將反應器容納金屬鎵(Ga)的結構做大。因為金屬鎵(Ga)與氯化氫(HCl)表面接觸后才能反應生成氯化鎵(GaCl)，結構做大后，剛添加過金屬鎵(Ga)的時候，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，轉化率高，但隨著金屬鎵(Ga)的耗費，金屬鎵表面與氯化氫(HCl)噴口距離變化，嚴重情況下，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)，無法參與反應，較剛加完金屬鎵(Ga)時相比，氯化氫(HCl)轉化率大幅度降低，利用率降低。即金屬鎵(Ga)的量對氯化氫(HCl)轉化率影響極大。
[0006]針對上述問題，本發(fā)明提出一種反應裝置，穩(wěn)定氯化氫(HCl)轉化率，提高第一前驅物利用率。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明目的:解決第一前驅物利用率不高，第二前驅物量的變化對第一前驅物轉化率影響大，第一前驅物轉化率不穩(wěn)定等問題。
[0008]本發(fā)明技術方案是:通過在反應裝置內設計擋板和導流管，來實現(xiàn)提高第一前驅物利用率，穩(wěn)定轉化速率。
[0009]本發(fā)明裝置包括頂壁、側壁、底部、導流管、出口通道和擋板結構。
[0010]所述頂壁、側壁、底部組成反應裝置的外壁。[0011 ] 所述導流管，與頂壁相連，在導流管側壁上分布有內外連通口，連通口形狀可以是矩形、圓形、橢圓形和楔形，也可以是數(shù)個大小漸變或結構不同的形狀組合，部分結構示意見圖1。所述導流管用于添加第二前驅物，以及作為第一前驅物的進入裝置的通道，所述導流管數(shù)量可以是2至6個，所述導流管的端口高于底部1_-50_。當反應裝置中第二前驅物的量比較少，其表面未接觸到導流管時，大部分第一前驅物從導流管端口流出，與第二前驅物表面接觸進行反應；當?shù)诙膀屛锏牧勘容^多，其表面高于導流管底端，該端被堵住時，第一前驅物從導流管側壁的連通口流出，此時容易與第二前驅物接觸并反應。
[0012]所述出口通道，與底部(或與頂壁)相連，作為未參與反應的第一前驅物和反應生成物流出裝置的通道。
[0013]所述擋板，均與頂壁和側壁相連，可以與底部相連，用于將反應裝置分隔為數(shù)個緩慢流動區(qū)和一個圓形快速流動區(qū)，其中快速流動區(qū)可以是橢圓形。并在快速流動區(qū)與每一個緩慢流動區(qū)之間形成一個狹小通道，狹小通道流出方向(靠快速流動區(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速度并改變流體(包含第一前驅物、第二前驅物和反應生成物，下同)流動方向。經過狹小通道后，流體圍繞出口通道做圓周運動，第二前驅物在離心力的作用下，沿出口通道的半徑方向遠離出口通道，從而有效防止其進入出口通道，被帶出裝置。
[0014]本發(fā)明裝置的工作流程:當?shù)谝磺膀屛镞M入裝置后，通過導流管，到達第二前驅物表面，先在緩慢流動區(qū)中進行反應，因為在這個區(qū)域內流速慢，所以有足夠的時間進行反應。經過反應后，未反應的第一前驅物、飛濺的第二前驅物和反應生成物一起從緩慢流動區(qū)經過狹小通道，流向快速流動區(qū)，其流動速度加快，在快速流動區(qū)內，圍繞出口通道做圓周流動，進一步將未反應的第一前驅物與反應后生成物混合，并為未反應的第一前驅物提供再次參與反應的機會，迫使第二前驅物(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離出口通道，從而有效防止其被帶出。最后，未反應的第一前驅物與生成物通過出口通道流出裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為三種不同的導流管結構示意圖，不同處在于側壁連通口的結構，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為實施例中涉及的本發(fā)明反應裝置結構示意圖。
[0017]圖3為第二前驅物表面高度不同時，第一前驅物流出導流管示意圖，當?shù)诙膀屛镆好嫣幱趆i位置時，第一前驅物主要從導流管連通口 21位置流出；當?shù)诙膀屛镆好嫣幱趆2位置時，第一前驅物主要從導流管端口 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方向示意圖。
[0019]圖中編號含義如下:頂壁11、側壁12、底部13、導流管2、導流管連通口 21、導流管端口 22、出口通道3、擋板4，緩慢流動區(qū)51、狹小通道52、快速流動區(qū)53，A-A表示截面位置，hi與h2表示第二前驅物量不同時對應的液面高度，箭頭表示流體流動方向。

【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、內容和優(yōu)勢更加清楚明白，便于理解，以下結合具體實施例做進一步說明。
[0021]本實施例所設計的反應裝置結構如圖2所示。裝置包括頂壁11、側壁12、底部13、兩個導流管2、一個出口通道3、兩組擋板4。頂壁11、側壁12和底部13構成裝置的外壁。
[0022]該裝置設計有兩個導流管2，導流管2與頂壁11相連，每一個導流管2側壁上設計有一個楔形連通口 21，連通口 21高度為導流管高度的三分之二，導流管端口 22距離底部13 約 10mnin
[0023]總共設計兩塊擋板4，均與頂壁11、側壁12和底部13相連。擋板4將反應裝置分隔為兩個慢速流動區(qū)51和一個圓形快速流動區(qū)53。慢速流動區(qū)51和圓形快速流動區(qū)53之間為兩個狹小通道52，狹小通道52的流出方向在出口通道3的圓周方向。
[0024]設計一個出口通道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處于快速流動區(qū)53的中心位置。
[0025]從圖2中虛線A-A位置將反應裝置水平截開，截面俯視圖如圖4所示。
[0026]第二前驅物表面高度不同時，第一前驅物流出位置如圖3所示，當反應裝置中第二前驅物的量比較少，其液面處于h2位置時，第一前驅物主要從導流管端口 22位置流出，與第二前驅物表面接觸進行反應；當?shù)诙膀屛锏牧勘容^多，其液面處于hi位置時，其表面高于導流管底端22，該端被堵住時，第一前驅物主要從導流管連通口 21位置流出，此時容易與第二前驅物接觸并反應。
[0027] 裝置工作流程:當?shù)谝磺膀屛镞M入裝置后，通過導流管2，到達第二前驅物表面，先在緩慢流動區(qū)51中進行反應，因為在這個區(qū)域內流速慢，所以有足夠的時間進行反應。如圖4所示，經過反應后，未反應的第一前驅物、飛濺的第二前驅物和反應生成物一起從緩慢流動區(qū)51經過狹小通道52，流向快速流動區(qū)53，其流動速度加快，在快速流動區(qū)53內，圍繞出口通道3做圓周流動，進一步將未反應的第一前驅物與反應后生成物混合，并為未反應的第一前驅物提供再次參與反應的機會，迫使第二前驅物(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離出口通道3，從而有效防止其被帶出。最后，未反應的第一前驅物與生成物通過出口通道3流出裝置。
[0028]應當說明的是，以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的部分實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，比如導流管的數(shù)量、導流管側壁連通口的形狀、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)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種利于穩(wěn)定轉化率的反應裝置，其特征在于，包括導流管和擋板結構，所述導流管側壁上分布有內外連通口 ；所述擋板，將反應裝置分隔為緩慢流動區(qū)和快速流動區(qū)，并在快速流動區(qū)與每一個緩慢流動區(qū)之間形成一個狹小通道，狹小通道流出方向(靠快速流動區(qū)方向)在裝置出口通道的圓周方向。
2.根據(jù)權利要求1中所述一種利于穩(wěn)定轉化率的反應裝置，其特征在于，導流管側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)個大小漸變或結構不同的形狀組口 ο
3.根據(jù)權利要求1中所述一種利于穩(wěn)定轉化率的反應裝置，其特征在于，當反應裝置中第二前驅物的量比較多，其表面高于導流管底端，該端被堵住時，第一前驅物從所述導流管側壁的連通口 流出。
4.根據(jù)權利要求1中所述一種利于穩(wěn)定轉化率的反應裝置，其特征在于，當反應裝置中第二前驅物的量比較少，其表面未接觸到導流管時，大部分第一前驅物從所述導流管端口流出。
【文檔編號】C23C16/34GK104178746SQ201410398217
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權日: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, 張國義 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司, 北京大學