一種mocvd反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MOCVD反應(yīng)器。所述反應(yīng)器包括旋轉(zhuǎn)支撐軸，裝在旋轉(zhuǎn)支撐軸頂端的基片載盤，以及設(shè)置在基片載盤下方的加熱組件；所述加熱組件為上下布置的多層加熱組件，相鄰兩層加熱組件具有間隙，在所述加熱組件設(shè)有熱屏蔽組件。由此，多層加熱元件的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒄麄€載片盤下方的面積都利用起來。從而增加了高溫輻射面積，使加熱元件在相同溫度下能夠?qū)⑤d片盤加熱到更高的溫度，加熱效率提高30%左右，為沉積高質(zhì)量AlGaN/AlN外延薄膜提供更寬的溫度窗口。
【專利說明】一種MOCVD反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種MOCVD反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(Metal-organicChemical Vapor Deposit1n，簡稱MOCVD)技術(shù)因具有薄膜生長速率較快、生長質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，成為GaN、AlGaN, AlN等II1- V族化合物薄膜生長與器件制作最適合的外延技術(shù)。利用MOCVD外延技術(shù)制備的AlGaN/GaN器件具有廣泛的用途，如AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管(AlGaN/GaN HEMT)器件主要用于耐高溫抗輻照的高頻大功率器件及電路的制作，是未來微波功率器件的首選，將成為通訊、雷達(dá)、制導(dǎo)、空間防御及電子對抗等現(xiàn)代化裝備的核心部件；AlGaN/GaN光電探測器件包括紫外探測器、ISBT紅外探測器、UV/IR雙色探測器等，在多個行業(yè)及領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用需求。
[0003]在AlGaN/GaN器件構(gòu)筑過程中，均涉及到多層GaN、AlGaN與AlN薄膜的疊層外延生長，外延薄膜質(zhì)量成為器件性能得以實(shí)現(xiàn)的一個關(guān)鍵。特別地，在AlGaN和AlN外延工藝中，如何有效控制Al組分、提高Al原子的表面迀移能力，改善外延薄膜質(zhì)量，是目前MOCVD設(shè)備在II1- V族氮化物材料外延與器件制備時所面臨的重要瓶頸之一，亟待技術(shù)突破。
[0004]研宄表明，通過提高外延生長溫度(高于1400 °C)，使得Al原子獲得更多能量，從而能夠有效增強(qiáng)Al原子表面迀移率，改善Al組分的均勻性、表面形貌和晶體質(zhì)量。但是，目前商用的MOCVD機(jī)臺一般最高加熱溫度為1300°C左右，距離在1400°C以上工況長時間、穩(wěn)定運(yùn)行還有較大差距，并不能滿足沉積高質(zhì)量A1N、AlGaN等材料的生長要求。
[0005]目前，MOCVD—種普遍采用的加熱方式是輻射加熱，輻射加熱使用的加熱元件的基本形狀如圖1所示。由圖可見目前使用的加熱元件50—般都是由平滑的片狀或者由彈簧型的加熱絲制成。平滑的片狀加熱元件能夠承受很大的電流，但是其輻射面積有限；繞成圓柱狀的加熱絲輻射面積很大，但是單根加熱絲承受電流的能力有限，若采用多根加熱絲的方式制造加熱元件，加熱器的設(shè)計(jì)及制造難度急劇上升，并且在受熱后還存在變形下垂的問題，實(shí)際使用非常少。
[0006]使用以上兩種形狀加熱元件的加熱器在現(xiàn)有MOCVD中將基片加熱到1200°C時使用情況都非常好，但是隨著基片對更高溫度的要求的提升，加熱元件上需要承擔(dān)的功率越來越大，表面負(fù)荷也越來越重，但是因?yàn)椴牧咸匦?，加熱元件表面熱載荷負(fù)荷能力卻在不斷下降(金屬鎢及金屬錸表面載荷承受能力與溫度的關(guān)系如圖2所示，線性近似，實(shí)際上下降更快)。因此，現(xiàn)有MOCVD中加熱元件設(shè)計(jì)不能夠滿足MOCVD將基片加熱到更高溫度的要求。
[0007]如圖1所示，當(dāng)前加熱器中的加熱元件一般都是單層設(shè)計(jì)，而加熱元件本身并不是由整個圓板構(gòu)成，其一般是如上所述的片狀或者螺旋狀金屬絲繞制而成，相互之間是存在空隙的，并沒有將載片盤下方的面積全部利用。
[0008]綜上所述，針對上述問題，本發(fā)明擬提供一種能夠?qū)⒛壳凹訜嵩g空隙也利用起來的加熱器，解決輻射加熱方式中加熱元件不能將基片加熱到1400°C及更高溫度的問題，以滿足沉積高質(zhì)量AlN/AlGaN薄膜材料對基片高溫的要求，并且該加熱器的加熱元件還易于加工制造。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服MOCVD中目前普遍使用的輻射式加熱器中的加熱元件不能承受較大功率，不能將基片加熱到1400°C及更高溫度的問題，本發(fā)明旨在提供一種能夠承受較大功率、使用輻射加熱方式將載片盤上方基片加熱到1400°C及以上的MOCVD反應(yīng)器，以滿足沉積高質(zhì)量AlGaN/AIN外延工藝對基片溫度的要求。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種MOCVD反應(yīng)器，包括旋轉(zhuǎn)支撐軸，裝在旋轉(zhuǎn)支撐軸頂端的基片載盤，以及設(shè)置在基片載盤下方的加熱組件；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，所述加熱組件為上下布置的多層加熱組件，相鄰兩層加熱組件具有間隙，在所述加熱組件設(shè)有熱屏蔽組件。
[0011]由此，多層加熱元件的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒄麄€載片盤下方的面積都利用起來。從而增加了高溫輻射面積，使加熱元件在相同溫度下能夠?qū)⑤d片盤加熱到更高的溫度，加熱效率提高30%左右，為沉積高質(zhì)量AlGaN/AIN外延薄膜提供更寬的溫度窗口。
[0012]以下為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案:
進(jìn)一步地，多層加熱元件在水平面的投影形成實(shí)心圓形，該實(shí)心圓的直徑小于基片載盤的外徑，由此，所述多層加熱元件每層加熱元件以重疊的方式安裝后能夠相互補(bǔ)充，使整個基片載盤下方的平面都能夠被加熱元件所覆蓋，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)對基片載盤的底面進(jìn)行加熱。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述加熱組件為上下布置的2?5層加熱組件。
[0014]為了防止熱量向周向輻射損失，所述加熱組件外周設(shè)有筒狀隔板，該筒狀隔板的底端固定在反應(yīng)器底板上。
[0015]進(jìn)一步地，每層加熱組件包括多個位于中心的主加熱元件和位于外側(cè)的熱平衡加熱元件構(gòu)成，同一層加熱組件中相鄰兩個主加熱元件之間、相鄰兩個熱平衡加熱元件之間，以及主加熱元件與熱平衡加熱元件之間電氣絕緣；多個所述熱平衡加熱元件整體呈環(huán)狀且具有共同的軸心線。由此，所述多層加熱元件中每層加熱元件都具有相似得形狀，并且具有相同的中心線。
[0016]每個主加熱元件和熱平衡加熱元件分別與各自獨(dú)立的加熱電源電連接，由此，可以更具實(shí)際工況單獨(dú)控制各加熱元件。
[0017]進(jìn)一步地，為了盡可能實(shí)現(xiàn)對基片載盤進(jìn)行加熱，所述加熱組件下方設(shè)有水平隔熱板，所述主加熱元件和熱平衡加熱元件均通過支撐柱裝在所述水平隔熱板上；所述水平隔熱板通過支撐元件裝在水冷板上，所述水冷板通過支撐柱裝在反應(yīng)器的底板上。進(jìn)一步地，所述水平隔熱板有上下布置的2-10層，上下相鄰兩層之間通過隔離塊隔開。
[0018]為了防止熱量沿著支撐軸軸向下移，所述旋轉(zhuǎn)支撐軸上部設(shè)有筒狀的熱平衡加熱組件。從而解決了旋轉(zhuǎn)支撐軸散熱較嚴(yán)重的現(xiàn)象。
[0019]優(yōu)選地，所述筒狀隔板的外徑小于所述基片載盤的外徑。
[0020]藉由上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的MOCVD反應(yīng)器至少包含兩層加熱元件，支撐元件、電氣連接元件及隔熱屏蔽組件構(gòu)成。
[0021]本發(fā)明所述之加熱器具有上下平面，其上平面與基片載盤相對應(yīng)，下表面與使用該加熱器的反應(yīng)室的反應(yīng)室底部相鄰，作為一種優(yōu)選方案，加熱器的上平面與下平面相互平行。所述加熱器的多層加熱元件以重疊的方式分布于加熱器的上方。
[0022]作為一種優(yōu)選方案，所述加熱元件由難恪材料制成，如石墨、鶴、錸等。
[0023]所述加熱元件通過電氣連接元件與外部加熱電源相連接，所述電器連接連接元件穿過屏蔽層后與加熱元件以螺釘連接的方式連接在一起。
[0024]所述加熱元件由位于加熱元件下方的加熱元件支撐絲在軸線方向定位。作為一種優(yōu)選方案，所述支撐絲位于其支撐的加熱元件沿軸線方向投影所形成的區(qū)域內(nèi)。
[0025]所述熱屏蔽組件位于加熱元件的下方，其與加熱元件及電氣連接元件之間具有電氣絕緣設(shè)計(jì)。所述熱屏蔽組件包括2-10層熱屏蔽板。每層屏蔽板為整板制成或由多塊小屏蔽板構(gòu)成，各層屏蔽板之間通過墊換進(jìn)行隔開，再輔以支撐柱安裝成為熱屏蔽組件整體。所述熱屏蔽組件下方還分布有一冷卻板，其內(nèi)部通有冷卻液。上述之電氣連接元件及加熱元件支撐元件都已電氣絕緣的方式安裝于冷卻板之上，熱屏蔽逐漸中的支撐柱同樣也是安裝于冷卻板上。
[0026]作為一種優(yōu)選方案，所述熱屏蔽板由難熔材料制成，如陶瓷、金屬鎢、鉬等。
[0027]作為一種優(yōu)選方案，所述熱屏蔽板每層由2-8塊小屏蔽層組成。
[0028]所述加熱元件、多層熱屏蔽結(jié)構(gòu)及電極連接元件等結(jié)構(gòu)的外部還環(huán)繞有熱屏蔽層，所述熱屏蔽層為1-4層。
[0029]作為一種優(yōu)選方案，外部環(huán)繞的熱屏蔽層將組成加熱器的水平熱屏蔽組件、水冷板及加熱器完全包圍。
[0030]作為一種優(yōu)選方案，加熱元件、多層熱屏蔽結(jié)構(gòu)及電極連接元件等結(jié)構(gòu)外部環(huán)繞的熱屏蔽層的外徑小于等于基片載盤的外徑。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在使用輻射加熱的條件下，通過使用在水平面上能夠互補(bǔ)的多層加熱元件，提高了基片載盤下方面積的利用率，增加了輻射面積，使加熱元件在相同溫度下能夠?qū)⑤d片盤加熱到更高的溫度，熱效率提高達(dá)30%，為沉積高質(zhì)量AlGaN/AIN外延薄膜提供更寬的溫度窗口。
[0032]
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是目前輻射加熱方式中廣泛采用的加熱元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是鎢、錸表面載荷承載能力與溫度的曲線關(guān)系；
圖3是本發(fā)明的一種實(shí)施實(shí)例結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明中支撐陶瓷及支撐絲的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明中支撐陶瓷及支撐絲的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]—種MOCVD反應(yīng)器，如圖3所示，該反應(yīng)器101頂端為分布有氣體、冷卻液接口組1、2、3、4的氣體分布裝置6。所述氣體接口組I連接第一前體氣體接口組，第一前體氣體為含有III族元素有機(jī)物的氣體，如含三甲基鎵的氣體；所述氣體接口組2連接第二前體氣體供應(yīng)管道，第二前體氣體為含有V族元素的氣體。所述氣體接口組3連接載氣氣體，如氫氣、氮?dú)狻Ｋ鼋涌诮M4為冷卻液接口組，其內(nèi)部為對氣體分布裝置6進(jìn)行冷卻的冷卻液，冷卻液為水或油。
[0035]所述氣體分布裝置6下方為基片載盤5，所述基片載盤5通過旋轉(zhuǎn)支撐軸11進(jìn)行定位，并且所述基片載盤5在旋轉(zhuǎn)支撐軸的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?；d盤5上分布有沉積AlN/AlGaN薄膜的基片19?；d盤5的上表面與氣體分布裝置6相對，下表面與本發(fā)明實(shí)施例相對。本發(fā)明實(shí)施例周邊為反應(yīng)室壁8，下方為使用本發(fā)明實(shí)施例的反應(yīng)室底板，底板上，分布有反應(yīng)氣體排氣口 10。
[0036]本發(fā)明所述之實(shí)施例包含有上下兩層加熱片14、15、16、17，每層加熱片由一個加熱元件或多個加熱元件構(gòu)成。
[0037]優(yōu)選的，所述每層加熱元件包含有兩個加熱元件，其上層為加熱元件16、17，下層為 14、15。
[0038]優(yōu)選的，每層加熱元件中的兩個加熱元件的中心面位于同一水平面上。
[0039]優(yōu)選的，每層加熱元件中的兩個加熱元件分別為主加熱元件(14、17)及熱平衡加熱元件(15、16)。
[0040]優(yōu)選的，上述各加熱元件之間電氣絕緣，其分別與不同的加熱電源相連接，從而能夠分別控制其加熱功率。
[0041]上述實(shí)施例中還分布有旋轉(zhuǎn)支撐軸的熱平衡加熱組件18，以擴(kuò)大基片載盤5上適合工藝的溫區(qū)。
[0042]所述加熱元件14、15、16、17由分布于加熱器底部水冷板21上的支撐組件12、13在軸線方向定位。所述支撐組件包含有陶瓷柱12及支撐絲13。其具體連接方式如圖4與圖5所示。
[0043]優(yōu)選的，陶瓷柱的軸截面形狀為橢圓形或多邊形等具有中心軸線，并且可以依靠外形進(jìn)行周向定位的形狀。
[0044]優(yōu)選的，支撐絲由難熔材料制成，如鎢錸合金。
[0045]上述之加熱元件下方為熱屏蔽組件，熱屏蔽組件主要由水平隔熱板7、外層隔熱板9及水冷板21組成。多層水平隔熱板7由支承柱(在圖上未示出)定位、由隔離塊(圖上未示出)將每層隔熱板分開。熱屏蔽組件安裝在水冷板21上，水冷板21由支撐柱22安裝于反應(yīng)室底板上。
[0046]本發(fā)明中的加熱元件使用了在水平面上能夠相互補(bǔ)充的多層加熱元件，從而能夠加大基片載盤下部的輻射面積，從而能夠在加熱元件表面溫度不變的前提下，增加輻射到基片載盤上的熱量，達(dá)到了在不提高加熱元件表面溫度的方法，提高了基片載盤的溫度。使加熱器能夠滿足沉積高質(zhì)量AlGaN/AIN外延薄膜對溫度窗口的要求。
[0047]上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種MOCVD反應(yīng)器，包括旋轉(zhuǎn)支撐軸(11)，裝在旋轉(zhuǎn)支撐軸(11)頂端的基片載盤(5)，以及設(shè)置在基片載盤(5)下方的加熱組件；其特征在于，所述加熱組件為上下布置的多層加熱組件(14，15，16，17)，相鄰兩層加熱組件(14，15，16，17)具有間隙，在所述加熱組件設(shè)有熱屏蔽組件(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，多層加熱元件在水平面的投影形成實(shí)心圓形，該實(shí)心圓的直徑小于基片載盤(5)的外徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，所述加熱組件為上下布置的2?5層加熱組件(14，15，16，17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，所述加熱組件外周設(shè)有筒狀隔板(9)，該筒狀隔板(9)的底端固定在反應(yīng)器底板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，每層加熱組件包括多個位于中心的主加熱元件和位于外側(cè)的熱平衡加熱元件構(gòu)成，同一層加熱組件中相鄰兩個主加熱元件之間、相鄰兩個熱平衡加熱元件之間，以及主加熱元件與熱平衡加熱元件之間電氣絕緣；多個所述熱平衡加熱元件整體呈環(huán)狀且具有共同的軸心線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，每個主加熱元件和熱平衡加熱元件分別與各自獨(dú)立的加熱電源電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，所述加熱組件下方設(shè)有水平隔熱板(17)，所述主加熱元件和熱平衡加熱元件均通過支撐柱(12)裝在所述水平隔熱板(17)上；所述水平隔熱板(17)通過支撐元件裝在水冷板(21)上，所述水冷板(21)通過支撐柱(22)裝在反應(yīng)器的底板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，所述水平隔熱板(17)有上下布置的2-10層，上下相鄰兩層之間通過隔離塊隔開。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)支撐軸(11)上部設(shè)有筒狀的熱平衡加熱組件(18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的M0CVD反應(yīng)器，其特征在于，所述筒狀隔板(9)的外徑小于所述基片載盤(5)的外徑。
【文檔編號】C23C16/46GK104498906SQ201410694026
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】羅才旺, 魏唯, 陳特超, 劉欣, 陳峰武 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所