[发明专利]一种利于稳定转化率的反应装置

说明书

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。