CN1977070A - 磷喷射室装置和生产分子磷的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的磷喷射室装置包括第一红磷真空腔,第二白磷真空腔,所述第一和第二真空腔相互连接,一个提供真空的设备,一个与所述第二真空腔连接的热裂解器,以及一个介于所述第二真空腔与所述热裂解器之间的控制阀。本发明的特征在于所述第一和第二真空腔之间进一步包括一个隔离阀,条件是所述第一真空腔与所述热裂解器间不直接连通。本发明还涉及一种生产分子磷P2的方法。

Description

磷喷射室装置和生产分子磷的方法
发明领域
本发明涉及一种磷喷射室(phosphorus effusion cell)装置,包括第一红磷真空腔,第二白磷真空腔,所述第一和第二真空腔相互连接,一种提供真空的设备,一个与所述第二真空腔连接的热裂解器,以及一个介于所述第二真空腔与所述热裂解器之间的控制阀。
本发明还涉及生产分子磷P2的方法,所述方法包括使红磷在第一真空腔内升华,将所述升华的红磷引至第二真空腔,冷却所述第二真空腔,使所述升华的红磷凝结生成白磷,加热所述第二真空腔来使所述白磷在所述第二真空腔内升华,将所述升华的白磷引至热裂解器,使所述升华的白磷热裂解成磷P2
发明背景
在本说明书中,术语“P红”与“红磷”可互换使用,术语“P白”与“白磷”也可互换使用。
在分子束外延(MBE)反应器中,磷喷射室用于产生磷分子束(P2)。喷射室使用红磷(P-红)作为原料。P-红首先转化为白磷(P-白)。然后加热P-白生成磷(P4),磷(P4)经控制阀引至热裂解器。热裂解器将P4分子裂解成P2分子。从材料品质和安全性两方面考虑,以P2替代P4有利于磷化铟和相关物质的生长。白磷腔和热裂解器间的控制阀用来控制P2的流量。
MBE中使用的磷装料为固体红磷形式。在本说明书中,P-红意指是磷的红色同素异形体,而P-白意指磷的白色同素异形体。
众所周知,当P-红真空加热至超过300℃时,会生成(通过升华)P4分子。300℃下P-红的P4蒸汽压为8.5mbar,300℃下P-红的P2蒸汽压小于4×10-5mbar。因此实际上所有由P-红升华的磷都是P4分子形式。当P4在更冷的表面冷凝时,会凝结成P-白形式,P-白300℃的蒸汽压高达约1000mbar。而且P4分子可热裂解成P2,当P2在冷表面冷凝时以P-红形式凝结。公知在室温下P-白具有很高的易燃性,因此设备必须要保持在真空条件下。
已知有若干不同的装置用于磷喷射源。例如,在专利US 5431735中提出一种设备,包括一个由红磷(P-红)产生磷蒸汽的容器。该容器由两个具有不同温度的同轴区域构成,一个区域用来升华P-红,另一区域用来冷凝和再蒸发P-白。操作过程中将P-红连续加热并将P-白连续冷凝到所述的冷凝区域。磷从P-红腔连续流经P-白腔并进一步流入热裂解器。在此设备中,P-红原料在操作过程中必须连续被加热以维持从P-红向P-白再向热裂解器的流动。
专利US 6030458公开一种P-红和P-白腔用一个真空夹套封装的设备。两个腔彼此用管道连接。该设备的操作方式是首先将P-红转化成P-白,转化后将P-白蒸发形成P4。转化过程之后,P-红腔维持在高温条件下以防磷再冷凝回P-红腔。在此设备中,为防止P4再冷凝回P-红腔,必须将P-红连续加热。
本申请人已进一步发现,现有技术的设备还有如下问题:
在现有技术的设备中,两个腔以物理方式连接,因此当同温度的区域连通时,很难达到稳定的P4蒸汽压。因而改变一个腔的温度将会影响另一腔的温度。
另一方面,生产规模的MBE系统需要使用大量的P-红装料以便加大系统原料填料的间隔期,正常情况下需要排空MBE生长室。在上面提及的两个设备中,P-红装料必须连续维持在高温条件下,因P-红装料的热质量很大故对温度变化的响应时间变得很长。
并且,如专利US 5431735所述,喷射室内任意热的部分可能引起P2在该室内热裂解成P4。一般来说,因有热泄漏的缘故P-红加热元件的运行温度必须高于所需的P-红温度,这就使得P4流体到达裂解区之前少部分P4在加热元件内或P-红腔的热壁上热裂解成P2。由于P2是以P-红形式凝结,故在现有技术的设备中,喷射室内会出现一些P-红凝结的现象,经过一段时间这导致在P-白腔内有红磷累积沉积。这会对膜的质量和P-白腔的热特性有不利影响。
最后但并非最不重要的是,在上述两个现有技术的设备中,在用P-红再填充原料的过程中P-白腔曝露于空气中,这肯会对生长外延层的纯度以及安全性不利,因为P-白在室温下高度易燃。
本发明目的和概述
本发明的目的是提供一种没有上述缺点的磷热裂解装置。因此,本发明的目的是提供一种能有效和安全地连续生产高品质分子磷的装置和方法。本发明的另一目的是提供一种P-白腔内没有或只有最少量P-红沉积的生产分子磷的装置和方法。本发明还有一个目的是提供一种不需要长运行周期的生产分子磷的装置和方法。
根据本发明的磷喷射室装置包括第一红磷真空腔,第二白磷真空腔,所述第一和第二真空腔相互连接,一个提供真空的设备,一个与所述第二真空腔连接的热裂解器,以及一个介于所述第二真空腔与所述热裂解器之间的控制阀。本发明的特征在于所述装置在所述第一和第二真空腔之间进一步包括一个隔离阀,条件是所述第一真空腔与所述热裂解器间不直接连通。
本发明还涉及一种生产分子磷P2的方法,所述方法包括使红磷在第一真空腔内升华,将所述升华的红磷引至第二真空腔,冷却所述第二真空腔使所述升华的红磷凝结以生成白磷,加热所述第二真空腔以使所述白磷在所述第二真空腔内升华,将所述升华的白磷引至热裂解器并使所述升华的白磷热裂解成磷P2。根据本发明的方法的特征在于所述第二真空腔加热过程中所述第一和第二真空腔之间的连接是关闭的。
发明详述
本发明涉及一种磷喷射室装置,即涉及一种将磷升华并裂解的装置。
根据本发明的磷喷射室装置包括第一红磷真空腔,第二白磷真空腔,所述第一和第二真空腔相互连接,一个提供真空的设备,一个与所述第二真空腔连接的热裂解器,以及一个介于所述第二真空腔与所述热裂解器之间的控制阀。本发明的特征在于所述第一和第二真空腔之间进一步包括一个隔离阀,条件是所述第一真空腔与所述热裂解器间不直接连通。
因此,根据本发明的磷喷射室装置包括如下主要部分:
磷喷射室装置包括一个带阀的第一真空腔,所述阀使该腔能用真空泵抽空。第一真空腔即P-红腔一般也有对其加热用的设备,例如一个用来加热升华P-红的内加热器。P-红向P-白转化过程中典型的P-红温度是350℃。根据本发明,第一真空腔有一个将其与用于将升华的P-红冷凝的第二真空腔分隔开来的第二阀。
第二真空腔即P-白腔用于两个目的,因此根据本发明的一个实施方案,其包括加热和冷却设备如加热器/冷却器。首先是在P-红向P-白转化过程中,第二真空腔被冷却到30℃以下使升华的P-红凝结。P-红完全转化为P-白之后将两个真空腔间的阀关闭。第二即P-白腔的第二个目的是要产生足够高的P4蒸汽压以便可产生足够的P4流经控制阀引至热裂解器区。因此,所述第二真空腔的加热器/冷却器是在P-红向P-白转化过程中用于冷却该腔到30℃以下和在生长过程中用于加热该腔到50℃。
根据本发明的一个实施方案,在第一真空腔中提供真空的设备也用于在第二真空腔中提供真空。当然第二真空腔也可包括独立的提供真空设备。第二真空腔即所述P-白腔也可包上一个真空夹套。
在本说明书中,术语“第一真空腔”与“P-红真空腔”可互换使用,术语“第二真空腔”与“P-白真空腔”也可互换使用。
P-红真空腔与P-白真空腔之间的隔离阀使P-红腔与P-白腔用真空密封隔离开来。
本装置进一步包括一个介于P-白腔和热裂解器之间的控制阀。此阀是一种具有可变流导的控制阀。该阀用来调节P4进入热裂解器的流量。热裂解器区一般包括一个将P4分子热裂解成P2分子的加热器。
控制阀优选维持在约80-100℃以防白磷在阀内凝结。可以通过在阀体四周包上绝热加热套或是任意原本已知的其它方法进行。
红磷腔与白磷腔之间的阀也优选维持在约80-100℃以防白磷在阀内凝结。优选当此阀关闭且红磷池被移出时该阀也保持为热的。也可通过将红磷腔与白磷腔之间的隔离阀用阀体四周包上绝热加热套,或是任意原本已知的其它方法进行加热。
本发明解决了现有技术设备所遇到的问题并实现了上述目的。确实,在本发明中,生长(P-白)过程中只有一个腔的温度需要调节。这提高了P-白腔的温度稳定性,因此而提高了磷流量的稳定性。另一方面,已发现为了提供来自喷射室的恒定流量,仔细和准确地调节P-红腔和P-白腔二者的温度十分重要,采用本发明可以实现这一点,因为这两个腔可以相互关闭。
另外,根据本发明的一个实施方案,可将P-红池从磷喷射室移出而不干扰生长过程。甚至当P-红池断开连接以再填充P-红原料时,P-白腔可用于磷蒸发过程。另外,甚至对于生产MBE用途而言,可使用更少的P-红装料量。这意味着对P-红向P-白转化过程来说可在很短的稳定时间内定下P-红的温度,这一点与先有设备不同。本发明中所需的稳定时间在几小时的数量级。
并且,在本发明中,因为P-红池仅在P-红向P-白转化过程中被加热,因此可消除红磷累积沉积在P-白腔内的现象。在生长过程中用隔离阀将其关闭并冷却下来。因此,不会对膜的质量和P-白腔的热特性有不利影响。
并且,本发明中,在装置或所述第二真空腔的整个使用期内,P-白腔可长时间即维持在超高真空(UHV)条件下。由于原料再装填过程中P-白腔的内表面不会曝露于空气和潮气中,提高了生长外延层的纯度。因为P-白腔内任何残留的P-白永远都不会曝露于空气中,也提高了安全性。
本发明的另一优点是易于调整装置容量,因为如上所述可使用不同量的P-红。
根据本发明的一个实施方案,可从喷磷室移出P-红腔,而不用排空MBE室或排空P-白腔。可将从磷喷射室移出的P-红腔用于例如再填料或清洁,而喷磷室用于生长。
根据本发明的一个实施方案,只在P-红腔中需要提供真空的设备。提供真空的设备是原本已知的任意设备,如真空泵。
并且,用于加热和/或冷却真空腔的设备是原本已知的任意设备,如加热丝或者液或气循环装置。另外,本发明所用的热裂解器是本领域技术人员已知的任意热裂解器。
本发明还涉及一种生产分子磷P2的方法,所述方法包括使红磷在第一真空腔内升华,将所述升华的红磷引至第二真空腔,冷却所述第二真空腔使所述升华的红磷凝结生成白磷,加热所述第二真空腔使所述白磷在所述第二真空腔内升华,将所述升华的白磷引至热裂解器并使所述升华的白磷热裂解成磷P2。根据本发明的方法的特征在于所述第二真空腔加热过程中所述第一和第二真空腔之间的连接是关闭的。
根据本发明,可以避免升华的白磷从所述第二真空腔流入所述第一真空腔。
根据本发明的一个实施方案,所述第二真空腔加热过程中,所述第一真空腔与所述第二真空腔是分隔的。
根据本发明的另一实施方案,在加热所述第二真空腔的至少部分过程中,将所述第一真空腔进行再填料。根据本发明的还有一个实施方案,基本上整个使用期内,所述第二真空腔都处于真空条件下。
显然,上述所有与本装置相关的其它细节和实施方案也可用于本方法。
附图简述
图1图示说明本发明第一实施方案。
图2图示说明本发明第二实施方案。
附图详述
图1图示说明本发明第一实施方案。该图示出一个P-红真空腔1。P-红腔1有阀2,可使P-红腔1用真空泵(未示出)抽空。P-红腔1有一个内加热器3,可加热升华P-红使其蒸发。P-红向P-白转化过程中P-红的典型温度是350℃。P-红腔1有一个第二阀4,使其与将蒸发的P-红进行冷凝的P-白腔5,即P-白真空腔5分隔开来。P-白腔5用于两个目的,首先是在P-红向P-白转化过程中,P-白腔5被冷却到30℃以下使蒸发的P-红凝结。P-红完全转化为P-白之后,关闭阀4。P-白腔5的第二个目的是在所述P-白腔5内产生足够高的P4蒸汽压,以便产生足够的P4流经控制阀6引至热裂解器区7。加热器/冷却器8是在红向白转化过程中用于将P-白腔5冷却到30℃以下和在生长过程中用来将P-白腔5加热到50℃。
阀4使P-红腔1与P-白腔5用真空密封隔离开来。阀6是一个具有可变流导的控制阀,阀6用来调节由其经过并进入热裂解器7的P4流量。带有加热器9的热裂解器7将P4分子热裂解成P2分子。
图2图示说明本发明第二实施方案。此实施方案与图1实施方案的不同之处在于它进一步包括一个能使P-红腔1从喷射室移出用于再填料或清洁同时喷磷室用于生长的一对法兰10。在此实施方案中,装置还包括用于加热隔离阀4的设备11以及用于加热控制阀6的设备12。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
[国际局于2005年5月4日收到该修改权利要求书;原权利要求1被修改;原权利要求2-10未修改(2页)]
1.一种磷喷射室装置,包括
-第一红磷真空腔(1),
-第二白磷真空腔(5),所述第一和第二真空腔相互连接,
-提供真空的设备,
-与所述第二真空腔(3)连接的热裂解器(7),
-介于所述第二真空腔(3)与所述热裂解器(7)之间的控制阀(6),
特征在于所述装置在所述第一和第二真空腔之间进一步包括一个隔离阀(4),和所述第一真空腔(1)与所述热裂解器(7)间不直接连通。
2.一种根据权利要求1的磷喷射室装置,特征在于所述第一真空腔(1)布置成可与所述隔离阀(4)分开。
3.一种根据权利要求1或2的磷喷射室装置,特征在于所述提供真空的设备与所述第一真空腔(1)连通。
4.一种根据前面任一项权利要求的磷喷射室装置,特征在于它进一步包括加热和冷却所述第二真空腔(3)的设备(5)。
5.一种根据前面任一项权利要求的磷喷射室装置,特征在于它进一步包括加热所述隔离阀(4)的设备(11)。
6.一种根据前面任一项权利要求的磷喷射室装置,特征在于它进一步包括加热所述控制阀(6)的设备(12)。
7.一种生产分子磷P2的方法,包括
-使红磷在第一真空腔内升华,
-将所述升华的红磷引至第二真空腔,
-冷却所述第二真空腔使所述升华的红磷凝结来生成白磷,
-加热所述第二真空腔来使所述白磷在所述第二真空腔内升华,
-将所述升华的白磷引至热裂解器,
-将所述升华的白磷热裂解成磷P2
特征在于所述第二真空腔加热过程中所述第一和第二真空腔之间的连接是关闭的。
8.一种根据权利要求7的生产分子磷P2的方法,特征在于所述第二真空腔加热过程中所述第一真空腔与所述第二真空腔是分离的。
9.一种根据权利要求7或8的生产分子磷P2的方法,特征在于在加热所述第二真空腔的至少一部分过程中将所述第一真空腔进行再填料。
10.一种根据权利要求7-9任一项的生产分子磷P2的方法,特征在于在所述第二真空腔的基本上整个使用期内,所述第二真空腔都处于真空条件下。

Claims (10)

1.一种磷喷射室装置,包括
-第一红磷真空腔(1),
-第二白磷真空腔(5),所述第一和第二真空腔相互连接,
-提供真空的设备,
-与所述第二真空腔(3)连接的热裂解器(7),
-介于所述第二真空腔(3)与所述热裂解器(7)之间的控制阀(6),
特征在于所述装置在所述第一和第二真空腔之间进一步包括一个隔离阀(4),条件是所述第一真空腔(1)与所述热裂解器(7)间不直接连通。
2.一种根据权利要求1的磷喷射室装置,特征在于所述第一真空腔(1)布置成可与所述隔离阀(4)分开。
3.一种根据权利要求1或2的磷喷射室装置,特征在于所述提供真空的设备与所述第一真空腔(1)连通。
4.一种根据前面任一项权利要求的磷喷射室装置,特征在于它进一步包括加热和冷却所述第二真空腔(3)的设备(5)。
5.一种根据前面任一项权利要求的磷喷射室装置,特征在于它进一步包括加热所述隔离阀(4)的设备(11)。
6.一种根据前面任一项权利要求的磷喷射室装置,特征在于它进一步包括加热所述控制阀(6)的设备(12)。
7.一种生产分子磷P2的方法,包括
-使红磷在第一真空腔内升华,
-将所述升华的红磷引至第二真空腔,
-冷却所述第二真空腔使所述升华的红磷凝结来生成白磷,
-加热所述第二真空腔来使所述白磷在所述第二真空腔内升华,
-将所述升华的白磷引至热裂解器,
-将所述升华的白磷热裂解成磷P2
特征在于所述第二真空腔加热过程中,关闭所述第一和第二真空腔之间的连接。
8.一种根据权利要求7的生产分子磷P2的方法,特征在于所述第二真空腔加热过程中,分隔所述第一真空腔与所述第二真空腔。
9.根据权利要求7或8的生产分子磷P2的方法,特征在于在加热所述第二真空腔的至少一部分过程中将所述第一真空腔进行再填料。
10.根据前面权利要求7-9任一项的生产分子磷P2的方法,特征在于在所述第二真空腔基本上整个使用期内,所述第二真空腔都处于真空条件下。
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