一种使用源金属制备多元化合物块晶的装置
技术领域
本实用新型涉及一种粉末冶金技术，尤其涉及的是一种使用源金属制备多元化合物块晶的装置。
背景技术
多元金属化合物材料，因其特有的物理特征与工作特性，在电子、半导体领域有其重要用途。氮化铝(AlN)因其无毒不导电，并具有与铜相当的热导率，是光电器件封装中最理想的绝缘、散热材料；氮化镓(GaN)基合金是蓝色激光器、高亮度LED器件、高频功率器件的基础材料；碳化硅(SiC)电场击穿电压高，是制备大功率器件的优选材料；氧化镓(Ga2O3)因其制造成本低、优异的耐高压特性，受到人们越来越多的重视。
目前，单晶、多元金属化合物衬底市场紧缺，价格昂贵、一货难求。通常，单晶、多元金属化合物衬底是由单晶、多元金属化合物块晶材料切割、打磨、抛光而成，由此，单晶、多元金属化合物块晶材料是生产单晶衬底的关键源体材料。
典型的制备单晶、大厚度、多元金属化合物块晶材料方法为HVPE(氢化物气相外延)、MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)等。所谓外延是指在特定条件下，使物质的原子或分子有规则排列，定向生长在衬底的表面上，获得连续、完整的并与衬底晶格结构有对应关系的单晶层，称为外延层，而此过程称为外延生长；而MOCVD是在气相外延生长(HVPE)的基础上，发展起来的一种新型气相外延生长技术。无论HVPE法或MOCVD法，费时、效率低(生长速率：0.1-0.2mm/小时)，而且位错率高、微孔多。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于：如何提高多元化合物块晶的产率及品质，提供了一种使用源金属制备多元化合物块晶的装置。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本实用新型的一种使用源金属制备多元化合物块晶的装置，包括源金属液化器、高压气液混合雾化器、筛选器、金属液回收系统、颗粒预处理器、化合物反应器和沉积生长器；
所述源金属液化器位于高压气液混合雾化器之上，所述高压气液混合雾化器位于金属液回收系统之上，所述筛选器位于金属液回收系统的中部及以上，所述颗粒预处理器的进口与筛选器的出口连接，所述颗粒预处理器的出口与化合物反应器的入口相连，所述沉积生长器位于化合物反应器的底部；所述源金属在源金属液化器内加热液化后进入高压气液混合雾化器内，形成雾化的金属液滴/颗粒，细微的金属液滴/颗粒在气流作用下进入颗粒预处理器，较大的金属液滴落下至金属液回收系统，细微的金属液滴/颗粒在颗粒预处理器内分段加热并与导入气体反应成为化合物颗粒并进入化合物反应器，化合物颗粒在化合物反应器与反应气体反应形成化合物晶粒，化合物晶粒均匀进入沉积生长器形成圆柱状化合物块晶。
所述源金属液化器包括源金属真空容器、真空容器加热器和导流管，所述真空容器加热器设置在源金属真空容器的周围，真空容器加热器对源金属真空容器内的源金属加热至液化，所述导流管设置在源金属真空容器的底部，用于将源金属液体导入至高压气液混合雾化器。
所述高压气液混合雾化器包括气液混合腔、高压雾化喷头和喷头堵塞防护器；所述气液混合腔设置在金属液回收系统顶部，所述气液混合腔与源金属液化器的底部连通，所述高压雾化喷头设置在气液混合腔的尾部，所述喷头堵塞防护器为环状气流斜孔设置在高压雾化喷头的周围。
所述筛选器包括颗粒驱动气体通道和颗粒导引气体通道，所述颗粒驱动气体通道设置在金属液回收系统内壁的一侧；所述颗粒导引气体通道设置在金属液回收系统内壁的另一侧，所述颗粒导引气体通道为环状气流斜孔嵌入在颗粒预处理器入口的内壁处。
所述金属液回收系统包括回收液容器、回收液容器加热器和金属液排料口，所述回收液容器位于源金属液化器的下方，所述回收液容器加热器位于回收液容器的周围，回收液容器加热器对回收液容器内的金属液进行加热、保温；所述金属液排料口位于回收液容器的尾部。
所述颗粒预处理器包括颗粒加热腔、颗粒加热器、颗粒移动加速器和控制阀门，所述颗粒加热腔具有至少一个弯折处，所述颗粒加热腔的入口与金属液回收系统连通，出口与化合物反应器连接，所述颗粒加热器设置在颗粒加热腔的周围，在颗粒加热腔的前半段，加热温度在反应物的反应温度以下，在颗粒加热腔的后半段，加热温度使超细微金属液滴/颗粒的表面温度达到其反应温度以上，所述颗粒移动加速器设置在颗粒加热腔的中部或弯折处，所述控制阀门设置在颗粒加热腔的前端。
所述化合物反应器包括化合物反应室、反应室加热器、隔离网栅、反应气体通道、排气出口；所述化合物反应室的顶部与颗粒预处理器的出口端连通，所述反应室加热器位于化合物反应室的周围，所述隔离网栅位于化合物反应器与沉积生长器之间；所述反应气体通道设置在化合物反应室的顶部，所述排气出口位于化合物反应室的中、上部。
所述隔离网栅为具有多个均匀分布的网孔的平板，所述平板表面及网孔光滑。
所述沉积生长器包括晶体生长室、生长室加热器和沉积槽，所述晶体生长室位于化合物反应室的下方，所述生长室加热器设置在晶体生长室的周围；所述沉积槽位于晶体生长室的底部。
一种制备多元化合物块晶的方法，包括以下步骤：
(101)对源金属进行抽真空、高温熔化处理，使其成为液态金属；
(102)气液混合、高压雾化，使液态金属形成雾化的金属液滴；
(103)筛选超细微金属液滴，导入超细微金属液滴进入颗粒预处理器，而较大的金属液滴下落至金属液滴回收系统的底部；
(104)下落的金属液滴聚集在一起，经过回收，重新处理；
(105)超细微金属液滴通过分段加热、旋转，进行预处理，形成部分反应或表面反应的化合物颗粒；
(106)化合物颗粒在化合物反应器内，与反应气体一起继续反应，形成化合物晶粒，通过隔离网栅，进入沉积生长器；
(107)化合物晶粒下降速率减缓、均匀扩散，而后缓缓下落，逐渐堆积、外延生长，生成圆柱状的化合物块晶。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型使用高纯度源金属，使其熔化、液化，对液态金属通过气液混合、高压雾化，使液态金属转化为超细微的金属微滴。超细微的金属微滴进入化学物反应器，与反应气体进行反应，使其转化成化合物晶粒，而后堆积、生长在设定的沉积槽(有衬底或无衬底)内，形成化合物块状晶体，所有步骤一气呵成。所制成的化合物块晶则具有大尺寸和位错率低等特性，有效解决了利用其它方法，合成化合物块晶的生长速率低及微孔多等问题，适于批量生产。
附图说明
图1是本实用新型方法的流程图；
图2是本实用新型装置的结构示意图；
图3是源金属液化器的结构示意图；
图4是高压气液混合雾化器的结构示意图；
图5是筛选器的结构示意图；
图6是金属液回收系统的结构示意图；
图7是颗粒预处理器的结构示意图；
图8是化合物反应器的结构示意图；
图9是沉积生长器的结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，本实施例包括源金属液化器210，高压气液混合雾化器220，筛选器230，金属液回收系统240，颗粒预处理器250，化合物反应器260及沉积生长器270；所述源金属液化器210位于高压气液混合雾化器220的上方，将源金属加热液化后输送到高压气液混合雾化器220；所述高压气液混合雾化器220设置在金属液回收系统240的顶部，高压气液混合雾化器220内的源金属液流通过高压搅拌与混合形成微细的或超细微的金属液滴；所述筛选器230分别设置在金属液回收系统240及颗粒预处理器250上，超细微的金属液滴在气流驱动和吸引的共同作用下，导入颗粒预处理器250；所述金属液回收系统240位于源金属液化器210的下方，收集下落、较大的金属液滴；超细微的金属液滴在颗粒预处理器250内，通过前低温、后高温，分段加热、旋转移动，形成部分反应或表面反应的超细微化合物颗粒；所述化合物反应器260与颗粒预处理器250连通，位于金属液回收系统240的侧面，超细微化合物颗粒在化合物反应器260内，通过均匀扩散及连续反应，形成超细微化合物晶粒；所述沉积生长器270位于化合物反应器260下方，并与化合物反应器260连体，超细微化合物晶粒在沉积生长器270内进一步均匀扩散、充分反应，最后下落、堆积、生长在沉积生长器270的底部。
图3是源金属液化器210的结构示意图，所述源金属液化器210包括：源金属真空容器311，真空容器加热器312和导流管313。所述真空容器加热器312设置在源金属真空容器311的周围，真空容器加热器312通过电阻加热或电磁感应加热对源金属真空容器311内的源金属进行液化；所述导流管313设置在源金属真空容器311的底部，用于将源金属液体导入至高压气液混合雾化器220。
图4是高压气液混合雾化器220的结构示意图，所述高压气液混合雾化器220包括：气液混合腔421，高压雾化喷头422及喷头堵塞防护器423。所述气液混合腔421嵌入在金属液回收系统240的顶部，气液混合腔421通过导流管313与源金属真空容器311的底部连通；所述高压雾化喷头422设置在气液混合腔421的尾部；所述喷头堵塞防护器423设置在高压雾化喷头422的周围，嵌入在金属液回收系统240的顶部。
所述气液混合腔421为一个由耐高温材料加工而成的圆形或圆锥形的腔体，气液混合腔421的顶部分别与高压气源及导流管313连通。高压气体与由导流管313引入的金属液共同进入混合腔(室)421后，金属液在高压气体、气流冲击力及剪切力的共同作用下，与其充分搅拌、混合，形成细小的金属微滴。所述的气体具体为惰性气体氮气、氩气。
所述高压雾化喷头422为一个由耐高温材料加工而成的狭长的喷管，喷管的头部(即喷头)由耐磨、耐高温材料制成或涂有耐磨、耐高温涂层。细小的金属微滴在高压气体(氮气、氩气)的推动下，通过狭长、尖细的喷管/喷头后，喷发而出，形成微细或超细微的金属液滴/颗粒。
所述喷头堵塞防护器423为多个气流斜孔，围绕高压雾化喷头422构成一个环形。由多个气流斜孔引入的气体对着高压雾化喷头422吹扫，去除粘附在高压雾化喷头422上的金属液滴，防止高压雾化喷头422的堵塞，影响连续工作。所述的气体具体为惰性气体氮气、氩气。
图5是筛选器230的结构示意图，所述筛选器230包括：颗粒驱动气体通道531及颗粒导引气体通道532。所述颗粒驱动气体通道531设置在金属液回收系统240内壁的一侧；所述颗粒导引气体通道532设置在金属液回收系统240的另一侧、颗粒预处理器250入口处的内壁上。超细微的金属液滴/颗粒在气体的驱动及导引下，随气流自动进入液滴/颗粒预处理器250，而较重、较大的金属液滴纷纷下落至金属液回收系统240的底部。
所述颗粒驱动气体通道531由多个气流直孔组成，位于金属液回收系统240中、上部的内壁上。引入的气体驱动超细微液滴/颗粒朝着颗粒预处理器250的入口方向移动。所述的气体具体为惰性气体氮气、氩气。
所述颗粒导引气体通道532为多个气流斜孔，组成一个环形状，嵌入在颗粒预处理器250入口处的内壁上。导入的气体对超细微液滴/颗粒形成一种引力，使超细微液滴/颗粒顺利进入颗粒预处理器250内。所述的气体具体为惰性气体氮气、氩气。
图6是金属液回收系统240的结构示意图，所述金属液回收系统240包括：回收液容器641，回收液容器加热器642及金属液排料口643。所述回收液容器641位于源金属液化器210下方；所述回收液容器加热器642位于回收液容器641的周围，回收液容器加热器642通过电阻加热或电磁感应加热对回收液容器641内的金属液进行加热、保温，使回收液容器641内的金属液保持液态，流动顺畅；所述金属液排料口643位于回收液容器641的尾部。
所述回收液容器641为一个由耐高温材料制备而成的容器，圆锥形或圆柱形。回收液容器641的周围设置有温度、液位测量仪表，实时监测回收液容器641内的温度与液位。
所述金属液排料口643为一个由耐高温材料制备而成的金属液导管。金属液排料口643配置有阀门/开关，金属液在重力的作用下，通过金属液导管，自动排出。
图7是颗粒预处理器250的结构示意图，所述颗粒预处理器250包括：颗粒加热腔751，颗粒加热器752，颗粒移动加速器753及颗粒移动方向控制阀门754。所述颗粒加热腔751的入口与回收液容器651连通，出口与化合物反应器260连接；所述颗粒加热器752设置在颗粒加热腔751的周围；所述颗粒移动加速器753设置在颗粒加热腔751的中部或转弯处；所述颗粒移动方向控制阀门754位于颗粒加热腔751的前端。超细微液滴/颗粒在颗粒加热腔751内，经过加热、预反应处理，形成部分反应或表面反应的颗粒，不易团聚或粘接在颗粒加热腔751的内壁上，而后迅速移向化合物反应器260。
所述颗粒加热腔751为一个由耐高温材料制备而成的圆柱形的腔体，具有至少一个弯折处，内壁光滑，不易粘附金属液滴/颗粒。颗粒加热腔751分段加热，加热温度梯度变化，前低后高。
所述颗粒加热器752使用电阻加热或电磁感应加热，对颗粒加热腔751内移动的超细微金属液滴/颗粒进行分段加热处理。在颗粒加热腔751的前半段，加热温度在反应物的反应温度以下；而在颗粒加热腔751的后半段，使超细微金属液滴/颗粒的表面温度达到其反应温度以上。
所述颗粒移动加速器753由多个斜孔组成，导入的反应气体使超细微的金属液滴/颗粒沿着颗粒加热腔751的内壁旋转，朝着化合物反应器260方向加速移动；同时，由于反应温度适宜，超细微的金属液滴/颗粒开始与反应气体进行反应，使其形成部分反应或表面反应的超细微颗粒，降低其粘性；由此，减少其在颗粒加热腔751内壁上的粘附。
所述颗粒移动方向控制阀门754为一个耐高温、耐磨的单向阀门/开关，控制气流及超细微液滴/颗粒单向移动，使其无逆向的进入化合物反应器260。
图8是化合物反应器260的结构示意图，所述化合物反应器260包括：化合物反应室861，反应室加热器862，隔离网栅863，反应气体通道864及排气出口865。所述化合物反应室861的顶部与颗粒加热腔751的出口端连通；所述反应室加热器862位于在化合物反应室861的周围；所述隔离网栅863设置在化合物反应器260与沉积生长器270的接合部(处)；所述反应气体通道864设置在化合物反应室861的顶部，均匀分布在颗粒加热腔751的出口处周围；排气出口865位于化合物反应室861的中、上部。
所述的化合物反应室861为一个由耐高温材料加工而成的圆柱形或半圆形腔体，内壁光滑，不易粘附化合物晶粒、晶须。
所述的反应室加热器862为电阻加热器或电磁感应加热器，加热温度为反应物(源金属)的反应温度；加热温度误差小，精确控制。
所述的隔离网栅863为一个由高温材料加工而成的平板，平板上设计有多个均匀分布的网孔。平板表面及网孔光滑，不易粘附化合物晶粒，利于气流及化合物晶粒上、下畅通。同时，隔离网栅863不仅使化合物反应器260与沉积生长器270隔离、分开，还使化合物反应器260与沉积生长器270的温度形成梯度变化，有利于晶化。同时，隔离网栅863是气流及化合物晶粒的均衡器，使化合物晶粒下降的速率减缓，而均匀分布的网孔使化合物晶粒在沉积生长器270内进一步扩散，分布均匀化。
所述反应气体通道864为多个斜孔，导入的反应气体不仅参与反应，而且沿着化合物反应室861的内壁进行吹扫，清除粘附在化合物反应室260的内壁上的晶须。同时，使超细微颗粒在化合物反应室260内均匀扩散、分布。
所述的排气出口865由多个废气气流通道组成，当化合物晶粒下落、堆积成晶体后，多余的废气(如氢气)通过隔离网栅863上的网孔向上流动，悬浮在化合物反应室260内的上方，通过排气出口865，排出。
图9是沉积生长器270的结构示意图，所述沉积生长器270包括：晶体生长室971，生长室加热器972及沉积槽973。所述晶体生长室971位于化合物反应室861的下方；所述生长室加热器972设置在晶体生长室971的周围(包括晶体生长室971的底部)；所述沉积槽973位于晶体生长室971的底部。
所述的晶体生长室971为一个由耐高温材料加工而成的圆柱形腔体，与化合物反应室861连体，内壁光滑。
所述的生长室加热器972为电阻加热器或电磁感应加热器，加热温度高于化合物反应室861温度，使晶体生长室971与化合物反应室861的温度形成差异；加热温度误差小，晶体生长室971内温度精确控制，均匀分布(包括晶体生长室971的底部)。
所述的沉积槽973为一个与晶体生长室971直径匹配的大尺寸沟槽，或者是由多个小尺寸(如直径：4英寸、6英寸、8英寸等)的沟槽组成。沟槽内置入衬底或无衬底；置入的衬底可分为同质衬底，或异质衬底；置入的衬底可帮助晶粒“着床”，减少位错率；而无衬底自然成核、结晶，悬挂、外延生长晶体，废品率较高。
如图1所示，本实施例的具体的工作过程如下：
在步骤101中，首先对源金属真空容器311内的源金属进行抽真空，而后对其进行高温熔化处理，使其成为液态金属，通过对其保温，使液态金属保持流动顺畅；
在步骤102中，液态金属通过导流管313与高压气体共同进入气液混合腔421后，液态的金属流在导入的高压气体冲击力及剪切力的作用下，并与其充分搅拌、混合，随后通过狭长、尖细的高压雾化喷头422，喷发而出，使液态金属形成雾化的、微细或超细微的金属液滴；
在步骤103中，通过颗粒驱动气体通道531及颗粒导引气体通道532，引入驱动气体及导引气体，筛选超细微金属液滴，导入超细微金属液滴进入颗粒加热腔751，而较大的金属液滴下落至回收液容器641的底部；
在步骤104中，下落的、较大的金属液滴在回收液容器641的底部聚集在一起，形成液流，通过加热、保温，使其流动顺畅，而后经过回收，进行重新处理；
在步骤105中，超细微金属液滴在颗粒加热腔751内，通过颗粒加热腔751进行先低温、后高温分段加热，并通过由颗粒移动加速器753导入的气体使超细微金属液滴/颗粒旋转、移动，成为部分反应或表面反应的超细微化合物颗粒，而后随气流旋转、飘入化合物反应室861内；
在步骤106中，利用反应室加热器862对化合物反应室861均匀加热，使化合物反应室861保持在反应物反应温度环境。超细微化合物颗粒在化合物反应室861内，通过反应气体通道864引入的反应气体对其均匀扩散。在合宜的反应温度环境下，超细微化合物颗粒并与反应气体进一步反应，形成化合物晶粒；
在步骤107中，化合物晶粒穿过“冷-热区”隔离网栅863，进入晶体生长室971，下落速率减缓，并进一步在晶体生长室971内均匀扩散，最后缓慢下落，堆积、生长，形成圆柱体化合物块晶。同时，晶体生长室971内的加热温度略高于化合物反应室861内的温度，使反应不充分的化合物晶粒进一步反应，使化合物块晶快速生长。
将本实施例的方法用于制备氮化镓块体材料，具体过程如下：
在真空条件下对纯金属镓进行抽真空、加热，加热温度高于29.78℃，使镓金属成为液态；惰性气体氮或氩气参与保护，防止外部杂质气体污染；
对液态的镓进行多级高压雾化，执行气-液混合、多级高压碎化，使其逐步成为微细的及超细微的镓金属液滴；
使用气体、气流筛选系统，对微细的及超细微的镓金属液滴进行筛选，分开处理，使超细微的镓金属液滴/颗粒顺利进入球形化处理系统，而较大、较重的镓金属液滴纷纷下落，聚集在金属液回收系统的底部；使用的气体为氮气或氩气；
较大、较重的镓金属液滴纷纷自由落下，下落至金属液回收系统的底部，聚集在一起，通过加热、保温，保持液态，流动顺畅，等待回收，重新雾化处理；
使用颗粒球形化处理系统，对超细微镓金属液滴/颗粒进行气体研磨，使其成为球形镓金属液滴/颗粒，并快速进入颗粒反应、沉积系统内；
在反应、沉积系统内，使用高纯氨气和氮气作为反应气体，与超细微的镓液滴进行反应，成核、结晶，使超细微的镓液滴转换成氮化镓晶粒，反应方程式为：
2Ga+N2＝2GaN
2Ga+2NH3＝2GaN+3H2
而后，氮化镓晶粒下落沉积，缓慢堆积、生长在晶粒沉积槽内，形成圆柱形氮化镓块晶。
本实用新型具有效率高、寄生反应少、环境影响小的优点，所制成的化合物块晶则具有大尺寸和位错率低等特性，有效解决了利用其它方法，合成化合物块晶的生长速率低及微孔多等问题，适于批量生产。
根据本方法，通过调整源金属、金属液化温度、反应气体、及反应温度等，可以生成许多不同类型的化合物块晶，例如氮基、氧基、碳基等化合物块晶。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
