CN1804117A - 固体金属有机化合物封装容器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电子新材料技术领域中封装三甲基铟等金属有机化合物的容器。容器的瓶体由两只倒置的、上端公用一个封面的大瓶体和小瓶体构成，小瓶体设置在大瓶体的内部，大瓶体的内部空间被分隔成内、外两个腔体。该封装容器用于MOCVD时，内、外两个腔体都盛装固体源，其空间比例及装料量均可以根据需要进行设计和调节，容器的有效体积得到充分利用，载气在容器内部经过的路程延长到原来的两倍以上，气体与固体源的接触几率大为增加，气体出口管中金属有机化合物的气相分压稳定，可以很好地满足气相沉积工序的工艺要求，固体源的利用率提高到90％以上，容器单次封装的使用周期也得到有效延长。

Description

固体金属有机化合物封装容器及其应用

技术领域

本发明涉及有机金属化学气相沉积技术，尤其涉及为实现化学气相沉积过程而对金属有机化合物固体源的封装过程及封装容器，属于光电子新材料技术领域。

背景技术

高纯三甲基铟等金属有机化合物，是金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)过程中生长光电子材料的重要原料，广泛应用于生长磷化铟、铟镓砷氮(InGaAsN)、铟镓砷(InGaAs)、铟镓磷(InGaP)等化合物半导体薄膜材料。纯净的三甲基铟在室温下为固体，当用于MOCVD时需要将该固体源封装在钢瓶内，然后控制钢瓶温度，使其蒸气压达到一定值，再通过持续流动的载气将气相中的三甲基铟带入光电子材料生长系统。

实际使用发现用普通钢瓶封装三甲基铟时，三甲基铟的利用率较低，而且，由于瓶内有插底管、被封装的三甲基铟晶体大小不均匀，很容易造成沟流现象，严重影响到三甲基铟蒸气压的稳定性，导致化合物半导体薄膜材料生长过程的蒸气压不稳定，从而影响生成的化合物半导体薄膜材料的质量。为了解决这一技术难题，科研工作者进行了多种尝试，提出了多项技术解决方案，主要有：1、在三甲基铟的封装容器中加入多孔型惰性支撑物(K.Sanoyoshi and T.Yago，JP1265511)，使固体三甲基铟附着于多孔物体的表面和孔道中，尽量减少三甲基铟固体之间的相互聚集作用，增加载气气流与三甲基铟的作用几率；2、封装钢瓶采用双腔室结构(M.L.Timmons，R.J.Colby，R.S.Stennick，EP1160355，JP2002083777)，内外两个腔室用多孔型金属板隔开，内腔室装三甲基铟固体并连接进气管，外腔室连接出气管。由于多孔金属隔板上面小孔的孔径很小，不仅固体源到达不了外腔室，而且进入内腔室的载气只有与固体源有了比较充分的接触、积累到一定压力之后，才能通过该金属隔板进入外腔室；3、将两只装有三甲基铟固体源的钢瓶反向串联(G.R.Antell，GB2223509)，增加载气气流与三甲基铟固体的作用机会。

上述第1、第2两种方法虽然在一定程度上改善了三甲基铟蒸气压的稳定性，提高了三甲基铟的使用率，但都存在同样的不足，主要是封装钢瓶的有效体积被严重降低，钢瓶内构件比较复杂、制造和安装要求很高，并且，随着工艺要求不断增加固体源装料量，这两种类型的大容量钢瓶在设备加工方面的困难将越来越大。第3种方法虽然不存在以上问题，但是不能满足单瓶使用要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种固体金属有机化合物封装容器，以及该封装容器在金属有机气相沉积技术中的具体应用。该固体源封装容器单独使用，不仅可以有效解决长期以来同类产品在使用过程中固体源蒸气压不够稳定的技术难题，而且还能充分利用容器内部的有效体积，提高被封装的固体金属有机化合物的使用率，延长单次封装的使用周期，更好地满足工艺要求。

为实现本发明的第一个目的，一种固体金属有机化合物封装容器，包括瓶体、进气管和出气管，其中瓶体由两只倒置的、上端公用一个封面的大瓶体和小瓶体构成，小瓶体设置在大瓶体的内部，其高度小于大瓶体；大瓶体的内部空间被小瓶体分隔成内腔体和外腔体两部分，进气管与外腔体连通，出气管与内腔体连通；大瓶体的加料口和小瓶体的加料口分别设在两只瓶体的最下方，内腔体和外腔体经过小瓶体的加料口而通连；在大瓶体外部下方配有凹形底座，底座与大瓶体底部经过组装式密封连接而形成一个整体。

上述固体金属有机化合物封装容器中，可以将进气管和出气管在腔体内部的末端封闭，在管壁上分别设置通气孔，管内各自装有能够在直管内滚动的小球。封装容器倒置时，小球下移封住通气孔，以便防止装料过程中固体金属有机化合物进入气体管路。

上述固体金属有机化合物封装容器中，可以在大瓶体加料口的内部配置塞子，加料完毕、封住该加料口之前塞入塞子，可以防止该封装容器正常使用过程中部分固体源落入该加料口形成死角。

上述固体金属有机化合物封装容器中，内腔体与外腔体的体积比以1∶9～4∶6为宜。其中，大瓶体和小瓶体的下端可以同时或独立地设计成倒置的球面或锥面，当设计成倒置的锥面时，锥面的锥角以大于等于60°且小于等于150°为宜。

为实现本发明的另一个目的，将上述固体金属有机化合物封装容器应用于金属有机化学气相沉积过程，包括以下步骤：

①将封装容器倒置，从加料口和按比例向内腔体和外腔体内部加入固体金属有机化合物，加完后用配套的螺冒封住加料口；

②将底座密封固定在大瓶体的底部；

③正置封装容器，通过载气入口和载气出口将封装容器接入金属有机化学气相沉积过程所使用的载气气路当中；

④将封装容器的温度调节到设定温度，使瓶内固体金属有机化合物的蒸气压稳定；

⑤打开进气阀和出气阀，使固体金属有机化合物的蒸气随载气流入气相沉积系统，生长出化合物半导体材料。

上述应用过程中，步骤④可以采用可控恒温液体浴，尤其是具有精密温控并可调温的冷阱，来对封装容器进行控温，温度设定在10℃～60℃范围之内；所封装的固体源是三甲基铟、二茂基镁等室温下为固体的金属有机化合物，其纯度≥99.999％，甚至于≥99.9999％；所使用的载气可以是氢气、氮气、氩气或者氦气。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

(1)本发明兼具现有技术中在钢瓶内部设置隔板、将两只普通钢瓶串接使用这两种做法的优点，容器内部的内、外两个腔体的空间大小可以根据需要进行设计，两个腔体均可以盛装固体源，固体源的加入比例也能够按需调节，这样，封装容器的有效体积能够得到充分利用；

(2)与现有技术中在钢瓶内部设置多孔隔板相比，本发明容器内部结构比较简单，制作、安装都比较方便；与串接使用两只普通插底管钢瓶的技术相比，本发明避免了需要将两只钢瓶从外部彼此相连的缺点，减少了漏气的环节，给操作使用带来了极大的方便；

(3)当本发明提供的封装容器用于MOCVD时，与使用同样大小的普通钢瓶相比，载气在容器内部经过固体源的路程延长到原来的两倍以上，大大增加了气体与固体的接触几率，使得气体出口管内金属有机化合物的气相分压更加稳定，不仅满足了后道气相沉积工序的工艺要求，也使得固体源的利用率提高到90％以上，钢瓶单次封装的使用周期也得以延长；

(4)本发明在容器底部设置便于拆装的凹形底座，对大瓶体底部的加料口起到了很好的保护作用；气体管路在腔体内部设计成末端封闭、管壁开孔的结构，有效防止了加料过程中固体源进入气体管路；而大瓶体底部的加料口内增加配套的塞子，既可以减少封装容器在使用过程中的死角，又可以提高固体源的利用率。这些措施大大提高了本发明的实际应用效果。

附图说明

图1是本发明一种固体源封装钢瓶的结构示意图。

图中，1为大瓶体，2为小瓶体，3为内腔体，4为外腔体，5为大瓶体的加料口，6为载气入口，7为载气出口，8为进气阀，9为出气阀，10为进气管，11为出气管，12和13为滚动钢球，14和15为通气孔，16为小瓶体的加料口，17为底座，18为螺栓，19为塞子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。该方案是实现本发明目的的比较典型的技术解决方案，不能理解为对本发明要求保护的权利范围的一种限制。凡类似形式的等同替换，均落在本发明的保护范围之内。

如图1，一种固体金属有机化合物封装容器，包括瓶体、进气管10和出气管11。瓶体由两只倒置的、上端公用一个封面的大瓶体1和小瓶体2构成，小瓶体2设置在大瓶体1的内部，其高度小于大瓶体1；大瓶体1的内部空间被小瓶体2分隔成内腔体3和外腔体4，进气管10与外腔体4连通，出气管11与内腔体3连通，内腔体3与外腔体4的体积比在1∶9～4∶6范围之内。大瓶体1的加料口5和小瓶体2的加料口16分别设在两只瓶体的最下方，大瓶体1的加料口5采用标准1/2VCR接口，内部设有配套的塞子19，外部配有相应的封盖和螺冒；小瓶体2的加料口16也为圆形开口，其直径小于大瓶体1的加料口5的直径，使用时加料口16不封闭，内腔体3和外腔体4经过加料口16而通连。另外，在大瓶体1外部下方配有凹形底座17，底座17与大瓶体1底部通过6只螺栓18固定连接而形成一个整体。

在该封装容器中，进气管10和出气管11分别从上方伸入外腔体4和内腔体3的内部，伸入部分的长度适当，其末端封闭，管内各自装有能够在直管内滚动的钢球12和13，管壁上分别开有通气孔14和15，气孔可以是长方形窗口或其它形式；大瓶体1和小瓶体2的下端可以为倒置的球面或锥面，当小瓶体2的下端为倒置的锥面时，该锥面的锥角应当大于等于60°且小于等于150°。

此外，在设计和制作该固体金属有机化合物封装容器时，可以将大瓶体1和小瓶体2的中心对称轴重合，这样内外两个瓶体的加料口5和16的位置正好对应，不仅便于加入固体源，也使得容器更加美观、匀称。

上述固体金属有机化合物封装容器，在金属有机化学气相沉积过程中可以起到良好的应用效果。应用时包括以下步骤：

①将封装容器倒置，从标准1/2VCR加料口5和小瓶体2的加料口16向内腔体3和外腔体4内部按比例加入固体金属有机化合物。加料时先向内腔体3内部加料，然后用临时封盖封住加料口16，再向外腔体4内部加入固体源，加完后撤除加料口16上的临时封盖，用标准1/2VCR接口配套的封盖和螺冒封住加料口5；

②用6只螺栓18将底座17密封固定在大瓶体1的底部；

③正置封装容器，通过载气入口6和载气出口7将封装容器接入金属有机化学气相沉积过程所使用的载气气路当中；

④将封装容器置于具有精密温控并可调温的冷阱中，调节温度到设定值，使瓶内固体金属有机化合物的蒸气压稳定；

⑤打开进气阀8和出气阀9，使固体金属有机化合物的蒸气随载气流入气相沉积系统，生长出化合物半导体材料。

具体应用时，被封装的固体源可以是三甲基铟、二茂基镁等室温下为固体的金属有机化合物，其纯度≥99.999％，甚至于≥99.9999％；所使用的载气可以是氢气、氮气、氩气或者氦气；步骤④中，温度设定值一般在10℃～60℃范围之内。

本发明固体金属有机化合物封装容器，进气管和出气管在腔体内部设计成“末端封闭、管壁开孔、设置滚动小球”结构，是为了在倒置时让滚动小球堵住进气管和出气管上的通气孔，防止固体物料进入气体管路造成阻塞，导致使用时气流不畅。这种结构比较简便，但并非唯一结构，为达到同样的技术效果，还可以选用其它类似的设计。同样道理，加料口除了选用标准1/2VCR接口以外，也可以设计成其它类型的可行接口。

本发明固体源封装钢瓶中，设置底座可以起到三方面作用：其一，保护钢瓶底部的加料口；其二，承重；其三，防止使用过程中外部产生的冷冻液进入钢瓶底部。底座与瓶体之间除了上述使用螺栓这种固定连接方式之外，还可以使用卡槽、螺纹等多种便于拆装的组装式固定连接方式。

Claims (10)

1.一种固体金属有机化合物封装容器，包括瓶体、进气管[10]和出气管[11]，其特征在于：所述瓶体由两只倒置的、上端公用一个封面的大瓶体[1]和小瓶体[2]构成，小瓶体[2]设置在大瓶体[1]的内部，其高度小于大瓶体[1]；大瓶体[1]的内部空间被小瓶体[2]分隔成内腔体[3]和外腔体[4]，进气管[10]与外腔体[4]连通，出气管[11]与内腔体[3]连通；大瓶体[1]的加料口[5]和小瓶体[2]的加料口[16]分别设在两只瓶体的最下方，内腔体[3]和外腔体[4]经过小瓶体[2]的加料口[16]而通连；在大瓶体[1]外部下方配有凹形底座[17]，底座[17]与大瓶体[1]底部组装式密封连接而形成一个整体。

2.如权利要求1所述的固体金属有机化合物封装容器，其特征在于：所述进气管[10]和出气管[11]在腔体内部的末端是封闭的，管壁上开有通气孔[14]和[15]，管内各自装有能够在直管内滚动的小球[12]和[13]。

3.如权利要求1所述的固体金属有机化合物封装容器，其特征在于：所述大瓶体[1]的加料口[5]的内部设有配套的塞子[19]。

4.如权利要求1所述的固体金属有机化合物封装容器，其特征在于：所述内腔体[3]与外腔体[4]的体积比为1∶9～4∶6。

5.如权利要求1～4所述的任意一种固体金属有机化合物封装容器，其特征在于：所述大瓶体[1]和小瓶体[2]的下端为倒置的球面或锥面。

6.如权利要求5所述的固体金属有机化合物封装容器，其特征在于：所述小瓶体[2]的下端是倒置的锥面，该锥面的锥角大于等于60°且小于等于150°。

7、权利要求1所述的固体金属有机化合物封装容器应用于金属有机化学气相沉积过程，包括以下步骤：

①将封装容器倒置，从加料口[5]和[16]按比例向内腔体[3]和外腔体[4]内部加入固体金属有机化合物，加完后用配套的螺冒封住加料口[5]；

②将底座[17]密封固定在大瓶体[1]的底部；

③正置封装容器，通过载气入口[6]和载气出口[7]将封装容器接入金属有机化学气相沉积过程所使用的载气气路当中；

④将封装容器的温度调节到设定温度，使瓶内固体金属有机化合物的蒸气压稳定；

⑤打开进气阀[8]和出气阀[9]，使固体金属有机化合物的蒸气随载气流入气相沉积系统，生长出化合物半导体材料。

8、按权利要求7所述的固体金属有机化合物封装容器在金属有机化学气相沉积过程中的应用，其特征在于：步骤④采用具有精密温控并可调温的冷阱进行控温，温度设定在10℃～60℃范围之内。

9、按权利要求7或8所述的固体金属有机化合物封装容器在金属有机化学气相沉积过程中的应用，其特征在于：所述固体金属有机化合物是纯度大于或等于99.999％的三甲基铟或二茂基镁。

10、按权利要求7或8所述的固体金属有机化合物封装容器在金属有机化学气相沉积过程中的应用，其特征在于：所述载气是氢气、氮气、氩气或氦气。

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