一种MO源蒸汽产生装置论文和设计-孟亚飞

全文摘要

本实用新型涉及一种MO源蒸汽产生装置，包括本体、载气管和出气管，本体包括用于容纳MO源的腔体，腔体上设有物料进口，载气管与腔体的上部连接，出气管与腔体的下部连接。本实用新型中的MO源蒸汽产生装置采用载气上进下出的气路方式，能够使载气和上升的MO源蒸汽这两种气流相对逆向运动接触，增加相互作用的时间，使混合更加均匀，提高了输出气体中MO源蒸汽的浓度以及稳定性。

主设计要求

1.一种MO源蒸汽产生装置，其特征在于，包括本体(1)、载气管(2)和出气管(3)；所述本体(1)包括用于容纳MO源的腔体，所述腔体上设有物料进口(11)，所述载气管(2)与所述腔体的上部连接，所述出气管(3)与所述腔体的下部连接。

设计方案

1.一种MO源蒸汽产生装置，其特征在于，包括本体(1)、载气管(2)和出气管(3)；

所述本体(1)包括用于容纳MO源的腔体，所述腔体上设有物料进口(11)，所述载气管(2)与所述腔体的上部连接，所述出气管(3)与所述腔体的下部连接。

2.如权利要求1所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述腔体的直径为上细下粗。

3.如权利要求2所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述腔体由上至下包括进口段、扩散段和容纳段；

所述载气管(2)与所述进口段连通，所述出气管(3)与所述容纳段连通；

所述扩散段的直径由上至下逐渐增大。

4.如权利要求1所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述出气管(3)的至少部分管路呈螺旋状。

5.如权利要求4所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述出气管(3)包括水平管(31)，所述水平管(31)与所述腔体的下部连通，且所述水平管(31)的至少部分管路呈螺旋状。

6.如权利要求5所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述水平管(31)的管径范围为1～15cm。

7.如权利要求5所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述出气管(3)还包括竖直管(32)，所述竖直管(32)与所述水平管(31)连通，且所述竖直管(32)的至少部分管路呈螺旋状。

8.如权利要求7所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述竖直管(32)的管径范围为0.1～10cm。

9.如权利要求1-8任一项所述的MO源蒸汽产生装置，其特征在于，

所述本体(1)的外壳与所述腔体之间还设有恒温层(4)，所述恒温层(4)包裹在所述腔体和所述出气管(3)的外侧；

所述物料进口(11)的进料端、所述载气管(2)的进气端以及所述出气管(3)的出气端均伸出所述本体(1)的外壳。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于MO源技术领域，具体涉及一种MO源蒸汽产生装置。

背景技术

“MO源”即高纯金属有机化合物或叫化合物半导体微结构材料，是先进的金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、金属有机分子束外延(Metal-organicMolecular-beam Epitaxy,MOMBE)等技术生长半导体微结构材料的支撑材料，其优异的电学、光学和磁学等性能，可将半导体和集成电路推向更高的频率、更快的速度、更低的噪音和更大的功率。半导体微结构材料技术的发展状况是衡量一个国家电子信息技术发展水平的重要标志。在我国MO源已被大量用于发光二极管、太阳能电池、航空航天技术等多个领域，是一项高新材料生产技术。

MO源钢瓶是MO源的主要存储容器以及向沉积反应器输送MO源蒸汽的重要装置。目前使用最多的MO源钢瓶是鼓泡式的(见附图1)，这种鼓泡瓶可以基本满足液态MO源的流量稳定和连续供应。但对于固态MO源(如三甲基铟TMIn)，在实际应用中发现载气带出蒸汽的量随时间迅速减少，甚至不能将固态MO源带出钢瓶。造成这种现象的原因除了固态MO源和载气可能存在的质量问题，最主要的原因是鼓泡式MO源钢瓶对于固态MO源蒸汽输送的结构不合理，这种鼓泡结构导致了气固两相接触面积小且不稳定，进而造成在输送蒸汽的过程中蒸汽流量不稳定以及MO源蒸汽浓度较低。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供一种MO源蒸汽产生装置，旨在解决现有技术中此装置充装固态MO源时在输送蒸汽的过程中蒸汽流量不稳定以及MO源蒸汽浓度低的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

本实用新型提供一种MO源蒸汽产生装置，包括本体、载气管和出气管；本体包括用于容纳MO源的腔体，腔体上设有物料进口，载气管与腔体的上部连接，出气管与腔体的下部连接。

作为本实用新型一个较佳的实施例，腔体的直径为上细下粗。

作为本实用新型一个较佳的实施例，腔体由上至下包括进口段、扩散段和容纳段，载气管与进口段连通，出气管与容纳段连通；扩散段的直径由上至下逐渐增大。

作为本实用新型一个较佳的实施例，出气管的至少部分管路呈螺旋状。

作为本实用新型一个较佳的实施例，出气管包括水平管，水平管与腔体的下部连通，且水平管的至少部分管路呈螺旋状。

作为本实用新型一个较佳的实施例，水平管的管径范围为1～15cm。

作为本实用新型一个较佳的实施例，出气管还包括竖直管，竖直管与水平管连通，且竖直管的至少部分管路呈螺旋状。

作为本实用新型一个较佳的实施例，竖直管的管径范围为0.1～10cm。

作为本实用新型一个较佳的实施例，本体的外壳与腔体之间还设有恒温层，恒温层包裹在腔体和出气管的外侧；物料进口的进料端、载气管的进气端以及出气管的出气端均伸出本体的外壳。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：

本实用新型中的MO源蒸汽产生装置通过在腔体的上部连接载气管，在腔体的下部连接出气管，整个载气采用上进下出的气路方式，能够使载气和上升的MO源蒸汽这两种气流相对逆向运动接触，使两种气流相互作用的时间更长，混合更加均匀，同时腔体的上部空间也为两种气流的混合提供了充裕的场所，保证了输出气体中MO源蒸汽的浓度稳定。因此，即便腔体内充装固态MO源，在输送蒸汽的过程中不仅能够提高MO源蒸汽的浓度，还能够保证MO源蒸汽流量的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中鼓泡式MO源钢瓶的结构示意图；

图2为如下实施例中提供的MO源蒸汽产生装置的结构示意图。

【附图标记说明】

1：本体；11：物料进口；2：载气管；3：出气管；31：水平管；32：竖直管；4：恒温层。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

参照图2，本实施例提供一种MO源蒸汽发生装置，包括本体1、载气管2和出气管3。

具体地，本体1包括用于容纳MO源的腔体，腔体上设有物料进口11，载气管2与腔体的上部连接，出气管3与腔体的下部连接。

其中，腔体内可以充装液态MO源，也可以充装固态MO源(例如三甲基铟(TMIn)、四溴化碳(CBr_{4<\/sub>)以及二茂镁(C_{10<\/sub>H_{10<\/sub>Mg)等)。在充装固态MO源时，一般采用装料的方式是将固态MO源的晶体粉末由物料进口11装入腔体内。对于腔体的形状可以是圆筒形，也可以其他的形状，本实施例仅为举例说明，对此并不进行限定。}}}

由此，本实施例中通过在腔体的上部连接载气管2，在腔体的下部连接出气管3，整个载气采用上进下出的气路方式，能够使载气和上升的MO源蒸汽这两种气流相对逆向运动接触，使两种气流相互作用的时间更长，混合更加均匀，同时腔体的上部空间也为两种气流的混合提供了充裕的场所，保证了输出气体中MO源蒸汽的浓度稳定。因此，即便腔体内充装固态MO源，在输送蒸汽的过程中不仅能够提高MO源蒸汽的浓度，还能够保证MO源蒸汽流量的稳定性。

在实际应用中，为更方便MO源的装料，上述的物料进口11一般设在腔体的顶部。而为了使上述的两种气流作用时间更长，混合效果更好，一般载气管2与物料进口11的侧部连接，出气管3与腔体的底部连接。

为了使载气更加均匀地作用于整个腔体内部各个位置的固态MO源，上述的腔体的直径为上细下粗。

具体而言，腔体由上至下包括进口段、扩散段和容纳段，载气管2与进口段连通，出气管3与容纳段连通，扩散段的直径由上至下逐渐增大。

这样，腔体的上部分有直径逐渐变大的设计，载气由腔体的上部进入内部后，载气由中间向四周分散，此时会存在载气流速降低的过程，使载气缓慢的向下运动，以使载气在腔体内分散更加均匀而作用于各个位置的固态MO源。而且，载气在腔体内分散更加均匀后，还能够避免充装固态MO源时通入载气一段时间后容易在固态粉末中形成沟流的现象。

为了增加载气和固态MO源的接触面积和接触时间，提高载气中MO源蒸汽的含量，同时节省整个出气管3的体积，出气管3的至少部分管路呈螺旋状。需要说明的是，这个所说的呈螺旋状是指管路本身呈螺旋状的方式弯曲卷绕设置。

为了进一步增加载气和固态MO源的接触面积和接触时间，提高载气中MO源蒸汽的含量，出气管3包括水平管31，水平管31与腔体的下部连通，且水平管31的至少部分管路呈螺旋状。

这样，固态MO源在合适的载气气流的带动下进入水平螺旋管，使固态MO源更加分散，一方面能够使载气和固态MO源的接触面积和接触时间更多，另一方面采用螺旋状设计还能够使两者作用时间更长，以使两者混合更加均匀，提高了载气中MO源的含量，因此，在腔体内充装固态MO源时，保证了输送蒸汽的过程中蒸汽流量的稳定性，还提高了MO源蒸汽的浓度。此外，水平管31采用螺旋状设计，还能够节省水平管31的体积，节省空间。

经过试验和检测表明，采用本实施例中的MO源蒸汽产生装置在充装固态MO源时，最终输出气体中MO源蒸汽的含量可以由现有技术中的80～90％提高到91～99％，大大提高了MO源蒸汽的含量。

为了尽量避免现有技术中充装固态MO源时在输送蒸汽的过程中可能存在的固态MO源微粒散逸的现象，上述的出气管3还包括竖直管32，竖直管32与水平管31连通，且竖直管32的至少部分管路呈螺旋状。

这样，一些可能存在散逸的小粒径固态MO源颗粒在竖直螺旋管内会和管壁发生碰撞，碰撞后在重力的作用下小粒径固态MO源颗粒又会重新回落至水平螺旋管内，进而防止了一些小粒径固态MO源颗粒随着载气进入后续的工艺，对最终产品的质量造成不利的影响，避免了现有技术中充装固态MO源时在输送蒸汽的过程中可能存在的固态MO源微粒散逸的现象。因此，并不需要现有技术中需要使用微孔挡板以阻止固态MO源微粒散逸，从而避免了由微孔挡板造成的气体压降过大，能耗过大的现象。此外，还能够提高固态MO源的利用率。

为了使固态MO源在水平螺旋管内能够更加分散，一般水平管31的管径范围为1～15cm。而为了使一些小粒径固态MO源颗粒能够与竖直螺旋管的管壁发生更多的碰撞，一般竖直管32的管径范围为0.1～10cm。

为了缓解腔体内固态MO源的结块，一般在腔体的内部充装固态MO源时，腔体的内部还填充有球状物。该球状物一般选择表面光滑以及密度小一些的球体，其材质一般可以为玻璃、有机玻璃、聚乙烯、聚丙烯、聚酯类、聚四氟乙烯等性能稳定的聚合物，也可以为不锈钢以及银、铂等惰性金属，还可以为惰性氧化铝等惰性金属氧化物，具体根据实际需要进行选择，本实施例仅为举例说明，对此并不进行限定。

在实际应用中，为了更有利于载气气流带动固态MO源以保证MO源蒸汽的浓度稳定，一般腔体内充装的球状物与充装的固态MO源的体积比为0.1～0.5:1。

为了更有利于保证整个腔体处在恒温区，以对MO源以及载气的加热更加均匀稳定，上述本体1的外壳与腔体之间还设有恒温层4，恒温层4包裹在腔体和出气管3的外侧。物料进口11的进料端、载气管2的进气端以及出气管3的出气端均伸出本体1的外壳。一般恒温层4的温度控制在10～100℃。在实际应用中，恒温层4可以与腔体以及出气管3设计成一体式的结构，当然也可以根据需要设计成可分离式的结构，具体根据实际需要而定，本实施例仅为举例说明，对此并不进行限定。

综上，本实施例中的MO源蒸汽产生装置采用载气上进下出的气路方式，能够使载气和上升的MO源蒸汽这两种气流相对逆向运动接触，增加相互作用的时间，使混合更加均匀，提高了输出气体中MO源蒸汽的浓度以及稳定性。将腔体的上部分有直径逐渐增大的设计，能够使载气更加均匀地作用于整个腔体内部各个位置的固态MO源。同时，将出气管3路设计成一段水平螺旋管和一段竖直螺旋管，不仅能够节省体积，水平螺旋管还能够使固态MO源更加分散，以增加载气和固态MO源的有效接触面积和有效接触时间，提高载气中MO源蒸汽的含量，以为后续气相沉积工艺提供浓度稳定的MO源蒸汽；而竖直螺旋管能够有效避免在输送蒸汽的过程中可能存在的固态MO源微粒散逸的现象，提高了固态MO源的利用率。

此外，本实施例中还通过充装球状物以缓解腔体内固态MO源的结块现象，整个装置结构简单，操作方便且成本低。

以下采用上述MO源蒸汽产生装置的结构，对其充装固态MO源时最终输出气体中MO源蒸汽的体积比进行测试，具体结果如下：

其中，在具体使用中，载气流速一般为0.01～2L\/s，温度为5～20℃，压力为0.01～0.5MPa；固态MO源的平均粒径为0.1～3mm；球状物的直径为0.01～2mm；水平螺旋管的直径为1～15cm，管路长0.3～4m；竖直螺旋管的直径为0.1～10cm，管路长0.1～2m；恒温层4的温度为10～100℃。在进行测试的过程中，MO源蒸汽的含量在载气中的体积比可以采用如下两种方法进行检测：第一种、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)；第二种、气相色谱与质谱联用仪(GC-MS)。

测试例1

载气选用H_{2<\/sub>，载气从腔体上部进入，下部流出，载气流速为0.05L\/s，温度为5℃，压力为0.02MPa；固态MO源为TMIn，固态MO源的平均粒径为0.1mm，恒温层4的温度为15℃；球状物的直径为0.1mm，材质为玻璃；水平螺旋管的直径为5cm，管路长0.5m；竖直螺旋管的管径为2cm，长为0.2m。}

经测试，最终输出气体中MO源蒸汽的体积比为92％，载气和MO源蒸汽的混合气的流速为0.1L\/s，压力为0.05MPa。

测试例2

载气选用H_{2<\/sub>，载气从腔体上部进入，下部流出，载气流速为1L\/s，温度为10℃，压力为0.2MPa；固态MO源为TMIn，固态MO源的平均粒径为0.5mm，恒温层4的温度为20℃；球状物的直径为0.4mm，材质为玻璃；水平螺旋管的管径为8cm，管路长1m；竖直螺旋管的管径为5cm，管路长为0.5m。}

经测试，最终输出气体中MO源蒸汽的体积比为95％，载气和MO源蒸汽的混合气的流速为1.5L\/s，压力为0.15MPa。

测试例3

载气选用H_{2<\/sub>，载气从腔体上部进入，下部流出，载气流速为1.5L\/s，温度为15℃，压力为0.4MPa；固态MO源为TMIn，固态MO源的平均粒径为1mm，恒温层4的温度为30℃；球状物的直径为1mm，材质为聚乙烯；水平螺旋管的管径为10cm，管路长1.5m；竖直螺旋管的管径为2cm，管路长为0.8m。}

经测试，最终输出气体中MO源蒸汽的体积比为98％，载气和MO源蒸汽的混合气的流速为3L\/s，压力为0.2MPa。

测试例4

载气选用H_{2<\/sub>，载气从腔体上部进入，下部流出，载气流速为2L\/s，温度为18℃，压力为0.5MPa；固态MO源为TMIn，固态MO源的平均粒径为2mm，恒温层4的温度为35℃；球状物的直径为2mm，材质为惰性氧化铝；水平螺旋管的管径为12cm，管路长2m；竖直螺旋管的管径为4cm，管路长为1m。}

经测试，最终输出气体中MO源蒸汽的体积比为97％～99％，载气和MO源蒸汽的混合气的流速为2L\/s，压力为0.15MPa。

由上述的各个测试例也可以看出，采用上述的MO源蒸汽产生装置在充装固态MO源时，最终输出气体中MO源蒸汽的含量能够达到91～99％。

以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对实用新型做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

设计图

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