CN104178746B - 一种利于稳定转化率的反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种涉及气态反应物(简称第一前驱物)和固态或液态反应物(简称第二前驱物)参与反应的反应装置，特殊的导流管和挡板结构，有利于反应物的充分接触，有效解决了第一前驱物利用率不高，第二前驱物消耗对第一前驱物转化率影响大等问题。高转化率有利于降低生产成本，稳定的反应率有利于降低工艺难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应装置，更具体地，涉及一种气态的反应物(以下简称第一前驱物，在某种条件下为气态)与固态或液态的反应物(以下简称第二前驱物，在某种条件下为固态或者液态)参与反应的反应装置。
背景技术
随着Ⅲ-Ⅴ族膜材料在制造与开发各种半导体器件中的地位日益显著，其在新型半导体材料行业中也备受关注。然而，半导体薄膜或厚膜的制备广泛采用气相外延(VPE)技术，其中的氢化物气相外延(HVPE)技术，因生长速度快、生产成本低等特点，常被用于III族氮化物半导体材料生长，尤其是氮化镓(GaN)厚膜的生长。
由使用氢化物气相外延(HVPE)设备外延氮化镓(GaN)薄膜向外延氮化镓(GaN)厚膜过渡过程中，之前的金属镓(Ga，相当于为第二前驱物)与氯化氢(HCl，相当于第一前驱物)反应生成氯化镓(GaCl)的反应器暴露种种缺陷。主要有以下几个方面：
一方面，氮化镓(GaN)薄膜外延时，金属镓(Ga)的耗费速度比较慢，每次添加金属镓(Ga)以后，因为每一次工艺使用的金属镓(Ga)的量很少，所以设备可以进行很多次薄膜外延工艺，数周后才进行下一次金属镓(Ga)添加。而氮化镓(GaN)厚膜外延时，每一次外延耗费的金属镓(Ga)是薄膜外延时的数倍乃至数十倍，所以厚膜外延工艺导致添加金属镓的频率迅速上升。
另一方面，为了保证氮化镓(GaN)厚膜工艺中有足够的金属镓(Ga)，设计人员将反应器容纳金属镓(Ga)的结构做大。因为金属镓(Ga)与氯化氢(HCl)表面接触后才能反应生成氯化镓(GaCl)，结构做大后，刚添加过金属镓(Ga)的时候，镓(Ga)与氯化氢(HCl)表面距离近，接触概率大，氯化氢(HCl)基本完全反应，转化率高，但随着金属镓(Ga)的耗费，金属镓表面与氯化氢(HCl)喷口距离变化，严重情况下，金属镓(Ga)开始收缩，镓(Ga)与氯化氢(HCl)表面接触面积和概率减小，部分氯化氢(HCl)接触不到金属镓(Ga)，无法参与反应，较刚加完金属镓(Ga)时相比，氯化氢(HCl)转化率大幅度降低，利用率降低。即金属镓(Ga)的量对氯化氢(HCl)转化率影响极大。
针对上述问题，本发明提出一种反应装置，稳定氯化氢(HCl)转化率，提高第一前驱物利用率。
发明内容
本发明目的：解决第一前驱物利用率不高，第二前驱物量的变化对第一前驱物转化率影响大，第一前驱物转化率不稳定等问题。
本发明技术方案是：通过在反应装置内设计挡板和导流管，来实现提高第一前驱物利用率，稳定转化速率。
本发明装置包括顶壁、侧壁、底部、导流管、出口通道和挡板结构。
所述顶壁、侧壁、底部组成反应装置的外壁。
所述导流管，与顶壁相连，在导流管侧壁上分布有内外连通口，连通口形状可以是矩形、圆形、椭圆形和楔形，也可以是数个大小渐变或结构不同的形状组合，部分结构示意见图1。所述导流管用于添加第二前驱物，以及作为第一前驱物的进入装置的通道，所述导流管数量可以是2至6个，所述导流管的端口高于底部1mm-50mm。当反应装置中第二前驱物的量比较少，其表面未接触到导流管时，大部分第一前驱物从导流管端口流出，与第二前驱物表面接触进行反应；当第二前驱物的量比较多，其表面高于导流管底端，该端被堵住时，第一前驱物从导流管侧壁的连通口流出，此时容易与第二前驱物接触并反应。
所述出口通道，与底部(或与顶壁)相连，作为未参与反应的第一前驱物和反应生成物流出装置的通道。
所述挡板，均与顶壁和侧壁相连，可以与底部相连，用于将反应装置分隔为数个缓慢流动区和一个圆形快速流动区，其中快速流动区可以是椭圆形。并在快速流动区与每一个缓慢流动区之间形成一个狭小通道，狭小通道流出方向(靠快速流动区方向)在装置出口通道的圆周方向，狭小通道用于加快流体的流动速度并改变流体(包含第一前驱物、第二前驱物和反应生成物，下同)流动方向。经过狭小通道后，流体围绕出口通道做圆周运动，第二前驱物在离心力的作用下，沿出口通道的半径方向远离出口通道，从而有效防止其进入出口通道，被带出装置。
本发明装置的工作流程：当第一前驱物进入装置后，通过导流管，到达第二前驱物表面，先在缓慢流动区中进行反应，因为在这个区域内流速慢，所以有足够的时间进行反应。经过反应后，未反应的第一前驱物、飞溅的第二前驱物和反应生成物一起从缓慢流动区经过狭小通道，流向快速流动区，其流动速度加快，在快速流动区内，围绕出口通道做圆周流动，进一步将未反应的第一前驱物与反应后生成物混合，并为未反应的第一前驱物提供再次参与反应的机会，迫使第二前驱物(主要指装置底部的液体和飞溅在气体中的液滴)在离心力的作用下远离出口通道，从而有效防止其被带出。最后，未反应的第一前驱物与生成物通过出口通道流出装置。
附图说明
图1为三种不同的导流管结构示意图，不同处在于侧壁连通口的结构，图示自左到右分别为矩形连通口、大小渐变的圆形连通口和楔形连通口。
图2为实施例中涉及的本发明反应装置结构示意图。
图3为第二前驱物表面高度不同时，第一前驱物流出导流管示意图，当第二前驱物液面处于h1位置时，第一前驱物主要从导流管连通口21位置流出；当第二前驱物液面处于h2位置时，第一前驱物主要从导流管端口22位置流出。
图4为图2中装置按照A-A虚线位置截开的截面俯视图，图中箭头表示流体流动方向示意图。
图中编号含义如下：顶壁11、侧壁12、底部13、导流管2、导流管连通口21、导流管端口22、出口通道3、挡板4，缓慢流动区51、狭小通道52、快速流动区53，A-A表示截面位置，h1与h2表示第二前驱物量不同时对应的液面高度，箭头表示流体流动方向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、内容和优势更加清楚明白，便于理解，以下结合具体实施例做进一步说明。
本实施例所设计的反应装置结构如图2所示。装置包括顶壁11、侧壁12、底部13、两个导流管2、一个出口通道3、两组挡板4。顶壁11、侧壁12和底部13构成装置的外壁。
该装置设计有两个导流管2，导流管2与顶壁11相连，每一个导流管2侧壁上设计有一个楔形连通口21，连通口21高度为导流管高度的三分之二，导流管端口22距离底部13约10mm。
总共设计两块挡板4，均与顶壁11、侧壁12和底部13相连。挡板4将反应装置分隔为两个慢速流动区51和一个圆形快速流动区53。慢速流动区51和圆形快速流动区53之间为两个狭小通道52，狭小通道52的流出方向在出口通道3的圆周方向。
设计一个出口通道3，与底部13相连，向上延伸至距离顶壁21约10mm处，出口通道3处于快速流动区53的中心位置。
从图2中虚线A-A位置将反应装置水平截开，截面俯视图如图4所示。
第二前驱物表面高度不同时，第一前驱物流出位置如图3所示，当反应装置中第二前驱物的量比较少，其液面处于h2位置时，第一前驱物主要从导流管端口22位置流出，与第二前驱物表面接触进行反应；当第二前驱物的量比较多，其液面处于h1位置时，其表面高于导流管底端22，该端被堵住时，第一前驱物主要从导流管连通口21位置流出，此时容易与第二前驱物接触并反应。
装置工作流程：当第一前驱物进入装置后，通过导流管2，到达第二前驱物表面，先在缓慢流动区51中进行反应，因为在这个区域内流速慢，所以有足够的时间进行反应。如图4所示，经过反应后，未反应的第一前驱物、飞溅的第二前驱物和反应生成物一起从缓慢流动区51经过狭小通道52，流向快速流动区53，其流动速度加快，在快速流动区53内，围绕出口通道3做圆周流动，进一步将未反应的第一前驱物与反应后生成物混合，并为未反应的第一前驱物提供再次参与反应的机会，迫使第二前驱物(主要指装置底部的液体和飞溅在气体中的液滴)在离心力的作用下远离出口通道3，从而有效防止其被带出。最后，未反应的第一前驱物与生成物通过出口通道3流出装置。
应当说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如导流管的数量、导流管侧壁连通口的形状、挡板的数量、出口通道的数量和位置等，这些均属于本发明的发明构思，都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种利于稳定转化率的反应装置，包括顶壁、侧壁、底部，所述顶壁、侧壁和底部组成反应装置的外壁，其特征在于，还包括导流管、出口通道和挡板结构，所述导流管，与顶壁相连，导流管侧壁上分布有内外连通口；所述出口通道，与底部或顶壁相连；所述挡板，与顶壁和侧壁相连，将反应装置分隔为数个缓慢流动区和一个快速流动区，并在快速流动区与每一个缓慢流动区之间形成一个狭小通道，狭小通道流出方向在装置出口通道的圆周方向。
2.根据权利要求1中所述一种利于稳定转化率的反应装置，其特征在于，导流管侧壁上分布的连通口形状是矩形、圆形、椭圆形、楔形和/或数个大小渐变或结构不同的形状组合。
3.根据权利要求1中所述一种利于稳定转化率的反应装置，其特征在于，当反应装置中第二前驱物的量比较多，其表面高于导流管底端，该端被堵住时，第一前驱物从所述导流管侧壁的连通口流出。
4.根据权利要求1中所述一种利于稳定转化率的反应装置，其特征在于，当反应装置中第二前驱物的量比较少，其表面未接触到导流管时，大部分第一前驱物从所述导流管端口流出。
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