FI120544B - HVPE-reaktorijärjestely - Google Patents

Description

HVPE-REAKTORIJÄRJESTELY KEKSINNÖN ALA

Esillä oleva keksintö koskee alennetussa paineessa toimivia hydridikaasufaasiepitaksia (Hydride 5 Vapor Phase Epitaxy, HVPE) -reaktoreita, joita käytetään esimerkiksi GaN-pohjaisten puolijohdesubstraattien ja -komponenttien epitaksiaaliseen kasvatukseen. Erityisesti esillä oleva keksintö koskee järjestelmää reaktiokammion 10 tyhjentämiseksi.

KEKSINNÖN TAUSTA

Olemassa olevissa HVPE-reaktoreissa, jotka on tarkoitettu GaN-kasvatukseen, eräänä tyypillisenä ja 15 vakavana ongelmana on eri materiaalien, etenkin NH4Cl:n ja GaCl3:n, korkea parasiittisen kasvun määrä reaktorin sisäpinnoilla erityisesti prosessikaasujen poistoaukon lähellä ja sen jälkeen. Tämän seurauksena jotkut reaktorit tukkeutuvat jopa muutaman tunnin 20 toiminnan jälkeen. Tukkeutumisongelma koskee koko poistojärjestelmää, mutta erityisesti tyhjennyspumppua. Mainitut kiinteät yhdisteet tekevät normaalien tavanomaisten tyhjöpumppujen käytön reaktorin paineen alentamisessa erittäin vaikeaksi. 25 Tämä edellyttää erikoistuneita järjestelmiä, jotka puolestaan aiheuttavat korkeita kustannuksia. Eräs tunnettu ratkaisu, jolla pyritään välttämään pumpun tukkeutuminen, on suuren lauhdutuskammion (condensing chamber) asentaminen ennen pumppua. Lauhdutuskammio 30 toimii erottimena jäännöskaasuille, joista suuri määrä keräytyy lauhdutuskammion seinämille. Tämä ratkaisu kuitenkin luonnollisesti vain lykkää tukkeutumista ratkaisematta kuitenkaan ensisijaista ongelmaa.

Näin ollen on olemassa tarve tehokkaalle, 35 edullisesti kustannuksiltaan alhaiselle 2 tyhjennysjärjestelmälle, joka mahdollistaa HVPE-reaktorin jatkuvan toiminnan ilman kaasunpoistojärjestelmän tukkeutumisen aiheuttamia keskeytyksiä.

5 Esimerkkejä ehdotetuista ratkaisuista esitetään julkaisuissa JP 6342785 A ja US 6221164 B1. Ratkaisut käsittävät välineitä puhdistavien aineiden tuomiseksi pumppuun.

10 KEKSINNÖN TARKOITUS

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada tehokas, edullisesti kustannuksiltaan alhainen tyhjennysjärjestelmä HVPE-reaktoreille, joka tyhjennysjärjestelmä mahdollistaa reaktorin jatkuvan 15 toiminnan ilman kaasunpoistojärjestelmän tukkeutumisen aiheuttamia keskeytyksiä parasiittisen kasvun vuoksi.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Esillä olevalle keksinnölle on tunnusomaista 20 se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Esillä olevan keksinnön HVPE- reaktorijärjestely käsittää reaktiokammion, kaasun tuloaukon prosessikaasujen tuomiseksi reaktiokammioon, jäännöskaasun poistoaukon ja pumpun jäännöskaasujen 25 tyhjentämiseksi reaktiokammiosta jäännöskaasun poistoaukon kautta, joka pumppu kykenee luomaan ja ylläpitämään reaktiokammiossa paineen, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin noin 100 mbar. Edelleen järjestely käsittää välineet liuotusnesteen 30 syöttämiseksi pumppuun jäännöskaasujen aineiden mahdollisen parasiittisen kasvun liuottamiseksi pumpun sisäpinnoilta.

Näin ollen esillä olevan keksinnön eräänä keskeisenä ominaisuutena on mainitut välineet 35 liuotusnesteen syöttämiseksi pumppuun, jotka mahdollistavat kiinteän parasiittikasvun liuottamisen 3 ja sen huuhtelemisen pois pumpusta ja seuraavista poistokanavista. Pumpun puhdistaminen tällä tavoin voidaan suorittaa sekä prosessointijaksojen välissä että myös prosessiajojen aikana. Siinä tapauksessa, 5 että liuotusnestettä syötetään reaktorilaitteiston toiminnan aikana, voi liuotusnesteellä olla myös toinen tärkeä tehtävä sen liuottaessa jäännöskaasuja jo ennen pumppua, jolloin estetään niiden kerrostuminen tai tiivistyminen pumpun pinnoille.

10 Molemmat mainitut mekanismit suojaavat pumppua tukkeutumiselta mahdollistaen näin reaktorin pitkäkestoisen toiminnan keskeytyksettä. Tämä merkitsee huomattavaa etua verrattuna sellaisiin tunnetun tekniikan mukaisiin järjestelmiin, joissa 15 käytetään kalliita, mutta kuitenkin helposti tukkeutuvia ja vahingoittuvia tyhjiöpumppuja.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa järjestelyssä käytettävä pumppu voi olla mitä tahansa tyyppiä, joka kykenee aikaansaamaan mainitun tyhjön ja 20 joka myös kykenee siirtämään kaasujen lisäksi nestettä ja höyryä. Mahdollisia pumpputyyppejä ovat esimerkiksi nesterengaspumput, kalvopumput ja mäntäannostuspumput. Esimerkiksi teollisesta keraamisesta materiaalista valmistettu nesterengastyhjöpumppu voisi olla hyvä 25 valinta. Mäntäannostuspumppu on pumppu, joka perustuu männän sykliseen edestakaiseen toimintaan.

Mäntäannostuspumppu ottaa yleensä männän liikkuessa yhteen suuntaan sisäänsä tietyn nestemäärän ja työntää sen ulos männän liikkuessa vastakkaiseen suuntaan. 30 Näin toiminnan voidaan sanoa olevan sykäyksittäistä jatkuvan nestesiirron sijaan.

Mäntäannostuspumpputyypin tapauksessa järjestelyssä on edullisesti vähintään kaksi pumppua, joita käytetään epäsynkronisesti pumpun sykäystyyppisestä toiminnasta 35 johtuvien paineen vaihtelujen minimoimiseksi.

4

Keksinnön mukaisesti välineet liuotusnesteen syöttämiseksi pumppuun käsittävät liuotusnestesäiliön, joka on virtausyhteydessä sekä pumpun sisäänottoaukon että poistoaukon kanssa muodostaen näin liuotusnesteen 5 kierrätysreitin, mikä mahdollistaa liuotusnesteen pidempiaikaisen käytön. Virtausyhteyttä ohjataan edullisesti venttiilillä. Järjestelyssä on edullisesti myös toinen liuotusnestesäiliö, joka toimii lisäsäiliönä puhtaan nesteen lisäämiseksi 10 nestekiertoon tarvittaessa.

Edullisesti esillä olevan keksinnön reaktorijärjestely käsittää myös toisen jäännöskaasun poistoaukon, jonka jälkeen on sijoitettu etyleeni-glykoli-pesupullo, jotka yhdessä toimivat 15 vaihtoehtoisena jäännöskaasun tyhjennysreittinä jäännöskaasujen tyhjentämiseksi esim. reaktorin puhdistamisen aikana ja muissa tilanteissa, joissa pumppu ei ole käytössä. Ammoniumkloridin ja muiden jätetuotteiden vesiliuos voi olla erittäin 20 vahingollista reaktorin osille, ja näiden liuosten höyryn takaisinvirtaus vähäisten prosessikaasuvirtausten aikana voi myös vaikuttaa kasvuprosessiin negatiivisesti. Etyleeni-glykoli-pesupullo toimii venttiilin tavoin estäen mainitun 25 takaisinvirtauksen.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Seuraavaksi esillä olevaa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen kuvaan 1, joka 30 on kaaviokuva esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesta HVPE-reaktorijärjestelystä.

Kuvan 1 reaktorijärjestely käsittää reaktiokammion 1 ja prosessikaasun tuloaukon 2 prosessikaasujen tuomiseksi kammioon.

35 Yksinkertaisuuden vuoksi kuvassa 1 on esitetty vain yksi prosessikaasun tuloaukko. Luonnollisesti 5 todellisissa laitteistoissa niitä on yleensä useita. Kammion läpi virranneiden prosessikaasujäännösten tyhjentämiseksi järjestelyssä on jäännöskaasun poistoaukko 3, jonka jälkeen on sijoitettu kokoonpano, 5 joka käsittää pumpun 4, jonka sisäänottoaukko on järjestetty virtausyhteyteen reaktiokammion kanssa jäännöskaasun poistoaukon kautta. Kokoonpanossa pumpun ja jäännöskaasun poistoaukon välissä on ensimmäinen kaksitieventtiili VI, jota käytetään reaktiokammion ja 10 pumpun välisen virtausyhteyden ohjaamiseen.

Ensimmäiseen kaksitieventtiiliin on myös yhdistetty inertin kaasun linja 5 typen tai muun inertin kaasun syöttämiseksi pumppuun sen toimintajaksojen välissä pumppulinjan eli pumpun ja/tai siihen tulevien ja 15 siitä lähtevien kanavien puhdistamiseksi ja kuivaamiseksi. Edelleen liitettynä virtausyhteyteen pumpun sisäänottoaukon kanssa toisen venttiilin V2 kautta on tislatun veden säiliö 6 tislatun veden varastoimiseksi ja syöttämiseksi pumppuun 20 jäännöskaasuista peräisin olevien materiaalien, joita on kertynyt pumpun sisäpinnoille parasiittikasvun vuoksi, liuottamiseksi ja huuhtelemiseksi pois pumpusta. Pumpun poistoaukko avautuu vesisäiliöön 7, joka vuorostaan on liitetty takaisin pumpun 25 sisäänottoaukkoon kolmannen venttiilin V3 kautta. Näin pumpun ja vesisäiliön 7 läpi kulkee veden kierrätysreitti. Vesisäiliöön 7 on yhdistetty myös neljäs venttiili V4 säiliöstä ulos virtaavan veden ohj aamiseksi.

30 Vaihtoehtoisena jäännöskaasun tyhjennysreittinä on toinen jäännöskaasun poistoaukko 8, jonka jälkeen on sijoitettu viides venttiili V5, etyleeni-glykoli-pesupullo 9 ja kuudes venttiili V6. Tätä vaihtoehtoista jäännöskaasun tyhjennysreittiä 35 voidaan käyttää esim. reaktorin puhdistusjaksojen aikana tai olosuhteissa, joissa paine on ilmanpainetta 6 korkeampi. Etyleeni-glykoli-pesupullo estää kemiallisesti aggressiivisten yhdisteiden takaisinvirtauksen kammioon. Lopuksi nämä kaksi jäännöskaasun tyhjennysreittiä kohtaavat avautuen 5 yhteiseen poistoputkeen 10 jäännöskaasujen kuljettamiseksi pesuriin (ei esitetty kuvassa 1).

Seuraavassa kuvataan lyhyesti kuvan 1 reaktorijärjestelyn toimintaa. Normaalissa prosessitoiminnassa jäännöskaasut tyhjennetään 10 jäännöskaasun poistoaukosta 3. Viides ja kuudes venttiili V5, V6 ovat suljettuja, kun taas ensimmäinen venttiili VI on auki. Reaktiokammion tyhjentämiseen käytetään pumppua 4. Kolmatta venttiiliä V3 käytetään ohjaamaan vedensyöttöä vesisäiliöstä 7 pumppuun pumpun 15 puhdistamiseksi liuottamalla ja huuhtelemalla pois parasiittikasvu pumpun sisäpinnoilta. Pumpun jälkeen vesi palaa vesisäiliöön 7, josta kontaminoitunut vesi voidaan poistaa neljännen venttiilin V4 kautta. Puhdasta tislattua vettä voidaan lisätä vesikiertoon 20 tislatun veden säiliöstä 6 toisen venttiilin V2 kautta. Pumppu voidaan puhdistaa prosessin aikana sekä prosessijaksojen välissä.

On tärkeää huomata, että vesi liuotusnesteenä on vain eräs yksinkertainen esimerkki. Luonnollisesti, 25 kuten alan asiantuntijalle on selvää, puhtaan veden sijasta voidaan käyttää mitä tahansa muuta sopivaa nestettä tai sopivan aineen vesiliuosta. Esimerkiksi HC1, ammoniakkikaasut ja ammoniumkloridi voidaan liuottaa tehokkaammin joillakin alkoholeilla kuin 30 vedellä.

Kun reaktoria puhdistetaan prosessiajojen välissä, ja muissa tilanteissa, joissa pumput eivät ole käytössä, ensimmäinen venttiili VI on suljettu reaktiokammiota vastaan ja viides ja kuudes venttiili 7 V5, V6 ovat auki. Näin jäännöskaasut virtaavat tällöin toisen jäännöskaasun poistoaukon 8 ja etyleeni-glykoli-pesupullon 9 läpi. Tällöin pumppu 4 voidaan kuivata esim. typpivirtauksella 5 kaksitieventtiilin VI läpi.

Alan asiantuntijalle on selvää, että esillä olevaa keksintöä ei rajata edellä kuvattuun esimerkkiin. Esillä olevan keksinnön suoritusmuodot voivat sen sijaan vaihdella vapaasti 10 patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (2)

1. Hydridikaasufaasiepitaksian (HVPE) reaktorijärjestely, joka käsittää reaktiokammion (1), 5 kaasun tuloaukon (2) prosessikaasujen tuomiseksi reaktiokammioon, jäännöskaasun poistoaukon (3) ja pumpun (4) jäännöskaasujen tyhjentämiseksi reaktiokammiosta jäännöskaasun poistoaukon kautta, joka pumppu kykenee luomaan ja ylläpitämään 10 reaktiokammiossa paineen, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin noin 100 mbar, sekä välineet (6, 7, V2, V3) liuotusnesteen syöttämiseksi pumppuun jäännöskaasujen aineiden mahdollisen parasiittisen kasvun liuottamiseksi pumpun sisäpinnoilta, tunnettu 15 siitä, että mainitut välineet käsittävät liuotusnesteen säiliön (7), joka on virtausyhteydessä sekä pumpun (4) sisäänottoaukon että poistoaukon kanssa muodostaen näin liuotusnesteen kierron.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen HVPE- 20 reaktori j ärj estely, tunnettu siitä, että reaktorijärjestely käsittää toisen jäännöskaasun poistoaukon (8), jonka jälkeen on sijoitettu etyleeni-glykoli-pesupullo (9), jotka toimivat vaihtoehtoisena jäännöskaasun tyhjennysreittinä jäännöskaasujen 25 tyhjentämiseksi esim. reaktorin puhdistamisen aikana.