制备高纯度磷化氢和其它气体的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述了在半导体的生产和掺杂中所用的高纯度磷化氢气体或其它气体的生成的装置和方法。所述优选装置包括采用微波辐射来生成气体的设备、控制生成速率的设备（１０）、纯化产物气体的设备以及用稀释气体可控混合所述气体至所需输送组合物的设备。通过这些设备，生成直接导入用于制造和掺杂半导体的工艺过程的、具有足够纯度、合适压力以及所需体积的气体。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
专利
本专利技术涉及半导体级气体如磷化氢的化学合成和生产以及用来实施本合成的反应器。设计所述合成和所述反应器用来生产高纯度气体并将其输送至半导体制造工艺过程。本专利技术的相关领域在半导体的制造和掺杂中需要高纯度气体如磷化氢(PH3)。磷化氢易燃，具有极强的毒性并且危险。磷化氢的毒性暴露极限为0.3ppm。目前，所述气体主要集中在化学工厂中进行生产并随后以钢制压缩气瓶的形式输送至半导体生产装置。压缩气瓶以每平方英寸几千磅的压力贮存这种有毒气体并且含有1-45磅气体。因此，运输、贮存和处理这些压缩气体钢瓶时，对半导体生产中的环境和工人带来许多有毒气体的释放危害。这些气体的原地合成提供了一种替代的方法从而以安全的方式提供半导体工业中的这些气体。此处所述的方法和反应器可以按需要原地生成气体从而免去半导体制造厂的有毒气体钢瓶的运输、贮存和处理。磷化氢气体发生器可以用于Ⅱ-Ⅵ晶体生长，所述晶体生长包括InP、GaP和固态激光(如用于光纤通讯的基于InGaAsP的那些)的有机金属汽相外延和分子束外延。此外，磷化氢发生器可以用作硅半导体制造的掺杂源。以下参考公开了通过化学方法来生产磷化氢气体的工艺过程。Cotton和Wilkinson,Advanced Inorganic Chemistry，第4版.，WileyInterscience(1980)；Brauer,Preparative Inorganic Chemistry,AcademicPress(1963)；和Kirk-Othmer,Encyclopedia of Chemical Technology,Wiley Press。磷化氢的常规制备是将白磷或金属磷化物进行水解，其反应如下磷化氢也可通过采用强还原剂如氢化锂还原三氯化磷来制备其它的化学反应包括热歧化反应。例如，当加热至大于120℃时，次磷酸(H3PO2)自发歧化生成磷化氢和较亚磷酸的更高价态的氧化物。通过热重量分析我们可以确定主要的反应历程如下(1)其含有以下的部分反应途径130℃(2)ΔG=-30kcal/mole(3)ΔG=+0.9kcal/mole由金属催化的副反应为(4)H.J.Banks和C.J.Waterford在美国专利第5573740中公开了一种基于水或水蒸汽与金属磷化物的反应从而生产磷化氢的方法。W.Frierel和R.Ehert在美国专利第4720380号公开了一种磷化铝制剂用来生产用于杀虫剂用途的磷化氢。这两种方法生产一种用作杀虫剂气体的稀释的含水磷化氢。这种低浓度、不纯气体不适于半导体应用。C.R.Strauss和A.F.Faux在美国专利第5387397号公开了一种基于将反应物送料至微波加热区的方法的化学反应的方法和装置。这种方法只适于其中产物为液体的液相或液浆反应。没有提供在反应区中的相变和气体产物的生产和膨胀。另外，在微波加热区中采用小直径盘管的Strauss说明书不对加热区中的化学反应进行回流并因此限制了产物的收率。Koch在美国专利第5529669号提出采用单种微波辐射方式来升高金属催化剂的温度并由此增加氨与含烃气体的反应速率。Koch将两种气相反应物送料至微波加热的催化剂上。气相反应的产物为另一种气体-氰化氢。在他们的专利中不产生相变或允许相变。另外也不允许对反应物进行回流从而增加产物的反应收率。T.A Koch,K.R.Krause和M.Mehdizadeh(美国专利第5470541和5529669号)公开了制备氰化氢的一种方法。他们的方法提出在与微波源的TE011模式相调谐的共振腔内采用管式反应器。这些专利技术的一个主要限制是采用一种物质(Teflon或玻璃)作为管线来使反应物暴露于微波能。这限制了可以实施的反应的类型。Teflon的温度必须低于260℃而玻璃或石英易受热碱和一些酸溶液的化学浸蚀和腐蚀。专利技术综述本专利技术涉及适于生产具有足够纯度的磷化氢或其它气体以及在合适的压力下直接导入其中制造或掺杂半导体的工艺的化学方法和反应器。这些半导体制造工艺通常包括用于含磷半导体的外延生长的化学汽相沉积反应器(此后称为CVD)或用于半导体掺杂磷的氧化炉。在一个实施方案中，本专利技术提供一种优选的反应器，其包括一个微波辐射源、一个微波通透、无金属、气密的反应区或室以及一个微波反射外壳。所述气体通过前体物质与微波辐射的相互作用来生产。所述前体优选为液体但从广义上讲也可为固体如用来生产磷化氢的晶体H3PO2或晶体H3PO3。优选使一种液体前体如合适的酸或盐的溶液通过微波通透的反应区从而可以生产具有极少副产物杂质的高纯度化学品。所述优选的微波源可以快速接通和切断，由此可以快速加热和冷却前体物质和由此的化学反应速率。微波辐射主要加热前体，同时极少加热周围的容器室。另外，优选的设备提供一种磷化氢发生器，其具有一个可以如所期望地那样用前体物质回充并循环的磷化氢原材料的罐或其它容器。这样可以减少危险的废物处理并提供一种负责任的方法以保护生产和应用磷化氢时的环境。本专利技术的一个特征为通过在高温和高压下使用提供防腐和机械强度的复合或多层(如两层)微波通透管线，使得微波加热区不用只限于使用单种材料如Telflon或玻璃。在反应区中优选的微波通透材料也能保持压力大于一个大气压并且抵御反应区中的化学品腐蚀。本专利技术优选实施方案的其它优点包括通过消除反应区中的所有不耐熔金属并且无需采用调谐共振腔(制造较便宜)，出乎意料地获得了高收率的、纯的、无氢的磷化氢产品。我们发现所述反应可获得高选择性而无需采用特定的TE011微波辐射模式。另外，在反应区中反应物质中的液体或蒸汽与加热的未反应的流体接触从而促进传热和反应进程；热量很快被传递至反应流体。另外，所述优选的方法和反应器提供了反应物在微波加热区中的回流。在更优选的实施方案中，可以采用自动气动管线输送气体从而将所述气体导入半导体反应器。优选管线上存在溶剂蒸汽脱除管(如含有硅胶)从而从气体中脱除微量的水，从而如所希望地那样获得含有不大于百万分之100份的氧或水蒸汽的产物(如磷化氢)气体。还可配备一个气体浓度传感器和反馈控制系统用于控制气体的压力和浓度。可以提供管线上的压力传感器及其所连接的微处理器从而保持进入与其相连的CVD入口所需的反应器压力，从而提供进入其中的合适的流量。管线上的浓度监视器、稀释气体的质量流量控制仪以及连接两者的微处理器可以用于优选的装置中来保持从管线排出的磷化氢或其它气体的所期望的浓度值。所述优选的系统通过微处理器和基于图形界面的软件进行自动控制。所述系统的软件控制可以使系统的操作、清洗和排出更容易，并且以所期望的浓度输送和混合磷化氢。优选的软件也能实时显示出输送气流中的磷化氢浓度、跟踪残留于供料罐的前体物质的量以及显示用于输送的磷化氢或其它气体的量。可以采用密封于Teflon并且位于两相区的电接地(electricallygrounded)温度探针从而更精确地控制磁控管输出，并且没有源于微波的电磁噪音。在磷化氢的生产中可以采用两类反应化学。它们是酸性H3PO2的分解和碱催化的红磷水解，水解红磷生成导致生成磷化氢的H3PO2中间体化合物。在另一个实施方案中，本专利技术提供一种生产用于半导体处理的高纯度气体的方法，其包括通过微波辐射与前体本文档来自技高网...

【技术保护点】
生成高纯度磷化氢气体的方法，其包括：使微波辐射与前体物质相互作用，同时使所述前体物质通过微波通透、无金属、不透气性、加压的反应区来生产磷化氢气体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WM阿耶尔斯，
申请(专利权)人：电子转移技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]