CN104120407A

CN104120407A - 一种用于化学气相沉积液体原料汽化供给装置与使用方法

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Publication number: CN104120407A
Application number: CN201410371134.4A
Authority: CN
Inventors: 刘军; 赵丽丽; 张世伟
Original assignee: Shenyang University
Current assignee: Shenyang University
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: CN104120407B

Abstract

一种用于化学气相沉积液体原料汽化供给装置与使用方法，其供给装置包括储液罐、电子秤、汽化室、供气***、管路、调节阀、截止阀、真空泵和真空计；其使用方法包括：1、预备阶段；2、流量调节阶段；3、稳恒供气阶段；4、停机阶段。本发明与现有的液体原料汽化供给***相比，该装置能够准确地实时测量液体原料汽化蒸汽的流量，并能根据CVD生产***中过程工艺参数的变化，实时调节控制上料阀的开度，使液态原料的汽化流量可调、可控，保持均匀，从而为化学汽相沉积（CVD）生产设备提供有利的液态原料汽化供给装置。

Description

一种用于化学气相沉积液体原料汽化供给装置与使用方法

技术领域

本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别涉及一种用于化学气相沉积的、流量可实时调控的液体原料汽化供给装置及其使用方法。

背景技术

化学气相沉积（CVD）技术，目前在制备纳米材料、半导体材料、薄膜材料等方面有着广泛的应用。CVD技术的工作原理一般是，向一个预先被抽真空的反应室内持续引入一种或多种气态原料，在适当的条件（加热、微波、激光、等离子体等）下，气态原料发生化学反应，生成唯一的一种固态产物，以薄膜、粉体等形态沉积下来，其它产物和剩余原料则必须以气态形式存在，并被真空泵抽走。因此人们可以通过CVD法获得纯净的、有特殊物理结构的固体化学产品，例如金刚石薄膜、氮化硅纳米粉、碳纳米管、钛酸钡纳米晶等。

CVD法反应室内的化学反应很复杂，各种沉积参数，如压力、温度、气体流速与流态、气体成分及各种成分所占比例等，对产品成分和物理结构都有着很大的影响，必须严格控制。其中各种气体的流量的严格、稳恒控制是一个关键问题。由于引入反应室的反应物原料必须是气相的物态，所以，当反应物原料在常态下为液态时，必须先将其汽化。因此，CVD法的生产设备中除了有化学反应***外，往往都配有液体原料的汽化供给装置，具体汽化方法包括加热蒸发和其它气体携带等方式。但是，供给装置中液态原料蒸汽流量的测量与控制，一直是难以解决的技术问题。因为液态原料蒸汽存在着要求高温输送、遇冷发生凝结、可能有腐蚀性等诸多问题，无法像普通永久性气体那样可以利用气体质量流量计等常规仪器加以测量和控制。目前，CVD生产设备中使用的常规液体原料汽化供给***，对汽化原料气体供给流量多采用的是时段控制，而难以做到实时控制。所谓时段控制是指在反应***和液体原料汽化供给***处于固定的温度压力条件下，调节供汽阀门达到合适开度，使一定时段内汽化原料的流量保持相对稳定，当工作结束后，通过称取液态原料在该时段内的质量变化，从而计算出该时段内液态原料蒸汽的平均流量。

常规的液态原料汽化供给***在实际应用中存在如下缺点：

1、不能实时测量。由于加热汽化器有管路连接，无法实时直接测定其内贮存液态原料的质量变化，只能在作业完成前后测量，即只能实现液体原料平均流量的时段计算，而不能实现蒸汽流量的实时测量。然而，CVD生产工艺中有很多因素会影响液态原料的蒸发汽化和供给输送，因此极易发生中间过程液体原料蒸汽流量不稳。

2、不能实时调节控制。由于不能实现液体原料蒸汽流量的实时测量，因此也无法根据CVCD生产过程中的实际沉积参数变化而对液态原料蒸汽流量实现实时控制与调节。

3、液态原料总用量受限。当CVD工艺的化学反应时间长、液态原料使用量大时，如果采用一次装料，则前期预热准备时间偏长，且整个工作周期内前后汽化状态差别很大；如果采用中途加料，则会改变供给***内的压力、温度，这期间，难以保持液体原料蒸汽流量的稳恒。

4、多次生产的重复性差。由于流量控制调节阀门存在空挡等因素，难以做到每一次的位置调节都严格准确，重复性难以保证。在缺乏对液体原料蒸汽流量实时监控的情况下，不同批次生产的工艺参数一致性难以保证。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置与使用方法。与现有的液体原料汽化供给***相比，该装置能够准确地实时测量液体原料汽化蒸汽的流量，并能根据CVD生产***中过程工艺参数的变化，实时调节控制上料阀的开度，使液态原料的汽化流量可调、可控，保持均匀，从而为化学汽相沉积（CVD）生产设备提供有利的液态原料汽化供给装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置，包括储液罐、电子秤、汽化室、供气***、管路、调节阀、截止阀、真空泵和真空计。

所述的储液罐为等截面立式柱状容器，其内盛装有待汽化的液体原料，储液罐上面可加设储液罐盖，储液罐盖上设有加料口，储液罐侧壁设有液位计，储液罐放置在电子秤上；有吸料管悬置在储液罐内部上方，但不与储液罐及储液罐盖有任何接触，吸料管下端***液体原料之中，吸料管上端与供液管路相连；供液管路通过液体调节阀和液体截止阀与汽化室的注液管上端相连。

所述的汽化室为一个密闭真空容器，其外部有加热器和保温层，汽化室上部连接有真空计、注液管、出汽管和进气管，汽化室内设有倾斜放置的布流板；布流板上部与注液管下端相接，下部与汽化室底面相接；进气管下端伸入至汽化室内中部以下，上端与供气***的供气管路相连；出汽管由汽化室罐顶接出，与第一三通管的进气口相连；第一三通管的一侧出口经过供给阀与供给管路相通，供给管路将接往CVD生产设备的反应室进气口，第一三通管的另一侧出口经过真空管路阀与第二三通管的一侧进气口相通，第二三通管的另一侧进气口连接有放气阀，第二三通管的出气口经预抽管路与真空泵的进气口相连。

所述的供气***包括气体钢瓶、气体截止阀、气体质量流量计和供气管路，由气体钢瓶出口引出的供气管路，依次连接气体截止阀和气体质量流量计后，与汽化室的进气管上端相连。

一种用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置的使用方法如下：

1. 预备阶段。装置启动前供给阀、液体截止阀、气体截止阀、真空管路阀和放气阀全部处于关闭状态；启动真空泵，打开真空管路阀，对汽化室粗抽真空；微微打开液体截止阀，使储液罐中液体原料在大气压力作用下进入吸料管，直至液体原料充满供液管路后关闭液体截止阀；继续对汽化室抽真空达到工作本底真空度，启动加热器对汽化室预热，达到能使液体原料迅速过热蒸发的温度。

2. 流量调节阶段。在汽化室达到设定温度后，再次打开液体截止阀，使储液罐中的液体原料通过吸料管、供液管路和注液管流入汽化室，由注液管下端流出的液体原料流到布流板上。布流板能够克服表面张力作用，使液体在布流板表面展开，不形成悬吊液滴。汽化室的温度、压力使液体原料处于过热状态，一旦有液体原料流到布流板上，立即汽化，这就使液体流量（即液体由储液罐到汽化室的转移速度）等于液体汽化速度。通过电子秤自动实时测量储液罐及其内部液体原料的质量，由下述公式计算液体流量：

式中 —液体原料在~时段内的平均质量流量（kg / s）；—储液罐内壁与吸料管外壁间的液面面积（m²）；—吸料管内孔横截面积（m²）；—第一次自动测量的发生时刻（s）；—第二次自动测量的发生时刻（s）；—第一时刻的电子秤读数（kg）；—第二时刻的电子秤读数（kg）。尽可能缩短相邻二次测量的间隔时间，就能得到尽可能准确的实时液体流量计算值。根据CVD生产设备的实际需要，实时调节液体调节阀的开度，控制依据实测数据计算得出的液体流量等于***要求的量值。

3. 稳恒供气阶段。在调节液体流量达到所要求的量值后，关闭真空管路阀，停止真空泵，同时打开放气阀，向真空泵充气后再次关闭放气阀；打开供给阀，通过供给管路开始向CVD生产设备输送液体原料蒸汽；此后按照步骤2的测量、计算和控制方法，实时调节液体调节阀，保证液体流量的稳恒输出；如果需要辅助气体携带汽化蒸汽流向CVD生产设备，则开启供气***，打开气体截止阀，利用气体质量流量计控制辅助气体的流量，使辅助气体由气体钢瓶通过供气管路和汽化室的进气管进入汽化室，再与液体原料蒸汽一同供给CVD生产设备。

4. 停机阶段。关闭液体截止阀，关闭气体截止阀，关闭供给阀，停止向CVD生产设备输送液体原料蒸汽；启动真空泵，开启真空管路阀，对汽化室抽真空；关闭加热器，停止对汽化室加热；待汽化室降温后，关闭真空管路阀，停止真空泵，同时打开放气阀，向真空泵充气后再次关闭放气阀。

本发明的有益效果是：

1、液体原料的储液罐上没有加热器或其它连接部件，因此可以直接利用电子秤称重，从而可以实时测量罐内液体原料的质量读数，继而实时计算出液体原料的流量；汽化室采用过热蒸发方式，无液体原料积存，使液体原料的流量等于当时的原料汽化蒸汽的流量，即实现了液体原料蒸汽流量的实时监测。

2、液体原料蒸汽流量，即单位时间液体原料的转移量，只与调节阀的限流量有关，不受加热温度的影响。在正式向气体混合室供气后，调节阀保持不动，液体原料蒸汽流量便不再波动。

3、液体原料容器不是密闭的，当化学反应要求原料使用量较大时，可在保持向化学反应***供气的同时，直接向液体原料容器内添加原料，能保持液体原料蒸汽流量稳恒，特别适合于反应时间长，反应原料用量大的CVD生产设备。

4、调节阀被固定后，不再发生变动。只要是化学反应不变，这个调节阀就不用再重新调节了，能保证每次都严格准确控制液体原料蒸汽流量，保证不同批次生产的一致性。

附图说明

图1 用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置实施例的结构示意图；

图中，1-真空泵，2-储液罐，3-电子秤，4-吸料管，5-液体原料，6-加热器，7-汽化室，8-布流板，9-注液管，10-真空计，11-供给管路，12-供给阀，13-出汽管，14-真空管路阀，15-第一三通管，16-液体截止阀，17-液体调节阀，18-供液管路，19-第二三通管，20-放气阀，21-预抽管路，22-加料口，23-储液罐盖，24-液位计，25-进气管，26-气体钢瓶，27-气体截止阀；28-气体质量流量计，29-供气管路。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：

本发明所提供的一种用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置，包括真空泵1、储液罐2、电子秤3、汽化室7、真空计10以及供气***和管路阀门。

所述的储液罐2为等截面立式柱状容器，其内盛装有待汽化的液体原料5，储液罐2上面设储液罐盖23，储液罐盖23上设有加料口22，储液罐2侧壁设有液位计24，储液罐2放置在电子秤3上；有吸料管4悬置在储液罐2上方，但不与储液罐2及储液罐盖23有任何接触，吸料管4下端***液体原料5之中，吸料管4上端与供液管路18相连；供液管路18通过液体调节阀17和液体截止阀16与汽化室7的注液管9上端相连。

所述的汽化室7为一个密闭真空容器，其外部有加热器6和保温层，汽化室7上部连接有真空计10、注液管9、出汽管13和进气管25，汽化室7内设有倾斜放置的布流板8；布流板8上部与注液管9下端相接，下部与汽化室7底面相接；进气管25下端伸入至汽化室7内中部以下，上端与供气***的供气管路29相连；出汽管13由汽化室7罐顶接出，与第一三通管15的进气口相连；第一三通管15的一侧出口经过供给阀12与供给管路11相通，供给管路11将接往CVD生产设备的反应室进气口，第一三通管15的另一侧出口经过真空管路阀14与第二三通管19的一侧进气口相通，第二三通管19的另一侧进气口连接有放气阀20，第二三通管19的出气口经预抽管路21与真空泵1的进气口相连。

所述的供气***包括气体钢瓶26、气体截止阀27、气体质量流量计28和供气管路29，由气体钢瓶26出口引出的供气管路29，依次连接气体截止阀27和气体质量流量计28后，与汽化室7的进气管25上端相连。

下面结合附图和实施例说明本发明的使用方法：

1、预备阶段。装置启动前供给阀12、液体截止阀16、气体截止阀27、真空管路阀14和放气阀20全部处于关闭状态；启动真空泵1，打开真空管路阀14，对汽化室7粗抽真空；微微打开液体截止阀16，使储液罐2中液体原料5在大气压力作用下进入吸料管4，直至液体原料5充满供液管路18后关闭液体截止阀16；继续对汽化室7抽真空达到工作本底真空度，启动加热器6对汽化室7预热，达到能使液体原料5迅速过热蒸发的温度。

2、流量调节阶段。在汽化室7达到设定温度后，再次打开液体截止阀16，使储液罐2中的液体原料5通过吸料管4、供液管路18和注液管9流入汽化室7，由注液管9下端流出的液体原料5流到布流板8上。布流板8能够克服表面张力作用，使液体原料5在布流板8表面展开，不形成悬吊液滴。汽化室7的温度、压力使液体原料5处于过热状态，液体原料5一旦流到布流板8上，立即汽化，这就使液体转移速度等于液体汽化速度。通过电子秤3自动实时测量储液罐2内部液体原料5的质量，由下述公式计算液体流量：

式中 —液体原料5在~时段内的平均质量流量（kg / s）；—储液罐2内壁与吸料管4外壁间的液面面积（m²）；—吸料管4内孔横截面积（m²）；—电子秤3第一次自动测量的发生时刻（s）；—电子秤3第二次自动测量的发生时刻（s）；—第一时刻的电子秤3的读数（kg）；—第二时刻的电子秤3的读数（kg）。尽可能缩短相邻二次测量的间隔时间，就能得到尽可能准确的实时液体流量计算值。

根据CVD生产设备的实际需要，实时调节液体调节阀17的开度，控制依据实测数据计算得出的液体流量等于CVD生产设备要求的量值。

3、稳恒供气阶段。在调节液体流量达到所要求的量值后，关闭真空管路阀14，停止真空泵1，同时打开放气阀20，向真空泵1充气后再次关闭放气阀20；打开供给阀12，通过供给管路11开始向CVD生产设备输送液体原料5的蒸汽；此后按照上述的测量、计算和控制方法，实时调节液体调节阀17，保证液体流量的稳恒输出；如果需要辅助气体携带汽化蒸汽流向CVD生产设备，则开启供气***，打开气体截止阀27，利用气体质量流量计28控制辅助气体的流量，使辅助气体由气体钢瓶26通过供气管路29和汽化室7的进气管25进入汽化室7，再与液体原料5的蒸汽一同供给CVD生产设备。

4、停机阶段。关闭液体截止阀16，关闭气体截止阀27，关闭供给阀12，停止向CVD生产设备输送液体原料5的蒸汽；启动真空泵1，开启真空管路阀14，对汽化室7抽真空；关闭加热器6，停止对汽化室7加热；待汽化室7降温后，关闭真空管路阀14，停止真空泵1，同时打开放气,20，向真空泵1充气后再次关闭放气阀20。

Claims

1.一种用于化学气相沉积液体原料汽化供给装置，包括储液罐、电子秤、汽化室、供气***、管路、调节阀、截止阀、真空泵和真空计，其特征是：所述的储液罐为等截面立式柱状容器，其内盛装有待汽化的液体原料，储液罐上面可加设储液罐盖，储液罐盖上设有加料口，储液罐侧壁设有液位计，储液罐放置在电子秤上；有吸料管悬置在储液罐内部上方，但不与储液罐及储液罐盖有任何接触，吸料管下端***液体原料之中，吸料管上端与供液管路相连；供液管路通过液体调节阀和液体截止阀与汽化室的注液管上端相连；所述的汽化室为一个密闭真空容器，其外部有加热器和保温层，汽化室上部连接有真空计、注液管、出汽管和进气管，汽化室内设有倾斜放置的布流板；布流板上部与注液管下端相接，下部与汽化室底面相接；进气管下端伸入至汽化室内中部以下，上端与供气***的供气管路相连；出汽管由汽化室罐顶接出，与第一三通管的进气口相连；第一三通管的一侧出口经过供给阀与供给管路相通，供给管路将接往CVD生产设备的反应室进气口，第一三通管的另一侧出口经过真空管路阀与第二三通管的一侧进气口相通，第二三通管的另一侧进气口连接有放气阀，第二三通管的出气口经预抽管路与真空泵的进气口相连；所述的供气***包括气体钢瓶、气体截止阀、气体质量流量计和供气管路，由气体钢瓶出口引出的供气管路，依次连接气体截止阀和气体质量流量计后，与汽化室的进气管上端相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置，其特征是：一种用于化学气相沉积的液体原料汽化供给装置的使用方法如下为：（1）、预备阶段：装置启动前供给阀、液体截止阀、气体截止阀、真空管路阀和放气阀全部处于关闭状态；启动真空泵，打开真空管路阀，对汽化室粗抽真空；微微打开液体截止阀，使储液罐中液体原料在大气压力作用下进入吸料管，直至液体原料充满供液管路后关闭液体截止阀；继续对汽化室抽真空达到工作本底真空度，启动加热器对汽化室预热，达到能使液体原料迅速过热蒸发的温度；（2）、流量调节阶段：在汽化室达到设定温度后，再次打开液体截止阀，使储液罐中的液体原料通过吸料管、供液管路和注液管流入汽化室，由注液管下端流出的液体原料流到布流板上；布流板能够克服表面张力作用，使液体在布流板表面展开，不形成悬吊液滴；汽化室的温度、压力使液体原料处于过热状态，一旦有液体原料流到布流板上，立即汽化，这就使液体流量（即液体由储液罐到汽化室的转移速度）等于液体汽化速度；通过电子秤自动实时测量储液罐及其内部液体原料的质量，由下述公式计算液体流量：

式中 —液体原料在~时段内的平均质量流量（kg / s）；—储液罐内壁与吸料管外壁间的液面面积（m²）；—吸料管内孔横截面积（m²）；—第一次自动测量的发生时刻（s）；—第二次自动测量的发生时刻（s）；—第一时刻的电子秤读数（kg）；—第二时刻的电子秤读数（kg）；尽可能缩短相邻二次测量的间隔时间，就能得到尽可能准确的实时液体流量计算值；根据CVD生产设备的实际需要，实时调节液体调节阀的开度，控制依据实测数据计算得出的液体流量等于***要求的量值；（3）、稳恒供气阶段：在调节液体流量达到所要求的量值后，关闭真空管路阀，停止真空泵，同时打开放气阀，向真空泵充气后再次关闭放气阀；打开供给阀，通过供给管路开始向CVD生产设备输送液体原料蒸汽；此后按照步骤2的测量、计算和控制方法，实时调节液体调节阀，保证液体流量的稳恒输出；如果需要辅助气体携带汽化蒸汽流向CVD生产设备，则开启供气***，打开气体截止阀，利用气体质量流量计控制辅助气体的流量，使辅助气体由气体钢瓶通过供气管路和汽化室的进气管进入汽化室，再与液体原料蒸汽一同供给CVD生产设备；（4）、停机阶段：关闭液体截止阀，关闭气体截止阀，关闭供给阀，停止向CVD生产设备输送液体原料蒸汽；启动真空泵，开启真空管路阀，对汽化室抽真空；关闭加热器，停止对汽化室加热；待汽化室降温后，关闭真空管路阀，停止真空泵，同时打开放气阀，向真空泵充气后再次关闭放气阀。