一種用于氫化物氣相外延的光輔助加熱系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于多片式氫化物氣相外延（HVPE）反應器的光輔助加熱系統(tǒng)，包括：放置在反應器內(nèi)部、石墨襯底正上方的紅外燈加熱器，放置在反應器外底部、石墨襯底正下方的紅外燈加熱器，放置在反應器外部、石墨襯底側(cè)上方或側(cè)下方的包圍著反應器石英管一圈的紅外燈加熱器，以及包圍著反應器石英管其余部分的電阻絲加熱器。本發(fā)明提出的光輔助加熱系統(tǒng)能夠快速均勻地加熱襯底溫度，特別是能夠滿足均勻加熱大面積襯底的要求。
【專利說明】一種用于氫化物氣相外延的光輔助加熱系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制備半導體材料的氣相外延裝置，具體為一種用于氫化物氣相外延(HVPE)的紅外光輔助加熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣相外延(VPE)技術(shù)廣泛用于制備半導體薄膜或厚膜，其中的氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)具有生長速度快、生產(chǎn)成本低等特點，非常適用于III族氮化物半導體材料生長，例如氮化鎵(GaN)厚膜的生長。為了大批量地生長高質(zhì)量的氮化鎵厚膜，期望在HVPE反應室的較大襯底或較大沉積區(qū)域上獲得均勻的反應前體濃度和均勻的襯底溫度。這些因素非常重要，其直接影響半導體器件的質(zhì)量和成本，故而影響器件在市場中的競爭力。
[0003]目前的氫化物氣相外延(HVPE)，仍局限在小尺寸反應器，例如一次生長3片或6片2英寸的GaN晶片，一次生長10片以上的GaN晶片仍很困難。其中的難點之一是，當襯底面積增大后，溫度均勻性難以保證。由于HVPE反應為放熱反應，需要向襯底放出熱量，因此必須依靠外部加熱，產(chǎn)生一個從外壁向襯底的溫度遞減。對于目前廣泛采用的垂直式HVPE反應器，外部加熱主要依靠電阻加熱。熱量一般從垂直于側(cè)壁的電阻絲發(fā)出，通過導熱和輻射穿過半透明石英壁面，傳遞到水平放置的石墨襯底。由于輻射面與接收面相互垂直，輻射角傾斜度大，因此導熱傳熱遠遠高于輻射傳熱，造成襯底邊緣溫度高于中心溫度。當反應器尺寸增大后，溫度的徑向不均勻性更加突出。而且由于電阻加熱功率密度低，甚至中心部分無法加熱到生長溫度。
[0004]發(fā)明專利CN 102465335 A，公開了一種利用射頻感應加熱的氣相外延系統(tǒng)，可以快速加熱襯底，并提高功率密度。但是對于大尺寸的襯底，感應加熱雖然能夠提供足夠的能量，但需要進行精確而復雜的感應線圈和感應體的形狀設計，仍難以克服襯底中心和邊緣溫度不均的困難。發(fā)明專利CN 103276444 A，公開了一種雙加熱器的氣相外延系統(tǒng)，可以同時在反應器外部和內(nèi)部加熱，提供氣相外延系統(tǒng)所需的高溫生長溫度。但是該系統(tǒng)設計采用電阻加熱，并且僅限于非對稱系統(tǒng)如水平式反應器，不能用于圓柱對稱的垂直式反應器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是，提供一種方便而有效的大尺寸垂直式HVPE反應器的加熱方式。在向大尺寸的反應器襯底提供足夠熱量的同時，解決襯底中心和邊緣溫度不均的困難。從而獲得均勻的反應沉積溫度，實現(xiàn)III族氮化物半導體材料的高質(zhì)量生長和大批量生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的大尺寸垂直式HVPE反應器加熱系統(tǒng)的主要技術(shù)方案為:在傳統(tǒng)的圍繞反應器石英管外壁的電阻絲加熱器的基礎上，增加設置在反應器內(nèi)部和/或外部的紅外燈加熱，利用紅外燈加 熱的定向性好、快速等優(yōu)點，使石墨托盤中心溫度快速提升，從而彌補傳統(tǒng)的電阻加熱方式功率密度低，沿徑向溫度分布不均勻的缺點。[0007]紅外燈加熱器可設置在反應器內(nèi)部石墨襯底的正上方，將其輻射光對準石墨襯底上表面的中心部位進行照射，起到快速加熱石墨襯底上表面中心的效果。紅外燈加熱器也可布置在反應器外部，在石墨襯底的側(cè)上方，圍繞石英管外壁一圈設置數(shù)個紅外燈加熱器，將其輻射光以約45度角對準石墨襯底的中心部位進行照射，快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。紅外燈加熱器也可布置在反應器外部的石墨襯底的正下方，將其輻射光對準石墨襯底下表面中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。紅外燈加熱器還可布置在反應器外部，在石墨襯底的側(cè)下方，圍繞石英管外壁一圈設置數(shù)個紅外燈加熱器，將其輻射光以約45度角對準石墨襯底下表面中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0008]以上四種紅外輔助加熱方式可以分別單獨實施，也可以同時聯(lián)合實施。在紅外輔助加熱的同時，石英管外部的電阻加熱器依然提供主要的反應器熱源。
[0009]本發(fā)明提出的紅外光輔助加熱系統(tǒng)能夠快速均勻地加熱襯底溫度，特別是能夠滿足均勻加熱大面積襯底的要求。
[0010]下面結(jié)合附圖和實施例對本專利進一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]如附圖1、2、3、4所示在垂直式HVPE反應器I的石英管外壁2，圍繞有電阻加熱器3 (該電阻加熱器一般分為三區(qū)或四區(qū)，此處簡化為單區(qū))。在此電阻加熱器的基礎上，在反應器內(nèi)部和/或外部設置紅外燈加熱器4、5、6或7，有四種設置方式:
方式I如附圖1所不.紅外燈加熱器4布置在反應器內(nèi)部,位于石墨襯底8的正上方，噴淋頭9的正下方(但也可以布置在噴淋頭9的內(nèi)部或上方)。依靠紅外燈4A和半球形反光板4B，將輻射光對準石墨襯底8的中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0012]方式2如附圖2所示.數(shù)個紅外燈加熱器5，布置在反應器I外部，圍繞石英管外壁2 —圈，依靠紅外燈5A和半球形反光板5B，將輻射光以約45度角對準石墨襯底8的中心及其周圍進行照射(其具體角度以輻射光不受噴淋頭9遮擋為準)，快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0013]方式3如附圖3所示.紅外燈加熱器6，布置在反應器外部，位于石墨襯底8的正下方。依靠紅外燈6A和半球形反光板6B，將輻射光對準石墨襯底下方中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨中心部分，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0014]方式4如附圖4所示.數(shù)個紅外燈加熱器7布置在反應器I外部，圍繞石英管外壁2 —圈，依靠紅外燈7A和半球形反光板7B，將輻射光以約45度角對準石墨襯底8的正下方中心及其周圍進行輻射，快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
【具體實施方式】
[0015]方案1:如圖1，在垂直式HVPE反應器I的石英管外壁2，圍繞有電阻加熱器3(該電阻加熱器一般分為三區(qū)或四區(qū)，此處簡化為單區(qū))。在此電阻加熱器的基礎上，在反應器內(nèi)部設置紅外燈加熱器4。布置在石墨襯底8的正上方，噴淋頭9的正下方。依靠紅外燈4A和半球形反光板4B，將輻射光對準石墨襯底8的中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨襯底中心部分，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0016]方案2:如圖2，數(shù)個紅外燈加熱器5，均勻布置在反應器I外部，圍繞石英管外壁2一圈，且在石墨襯底8側(cè)上方約45度角，以輻射光不受噴淋頭9遮擋為準。依靠紅外燈5A和半球形反光板5B，將輻射光以約45度角對準石墨襯底8的中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0017]方案3:如圖3,紅外燈加熱器6,布置在反應器外部,位于石墨襯底的正下方。依靠紅外燈6A和半球形反光板6B，將輻射光對準石墨襯底8下方中心及其周圍進行照射，快速加熱石墨中心部分，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0018]方案4:如圖4，數(shù)個紅外燈加熱器7均勻布置在反應器I外部，圍繞石英管外壁2一圈，且在石墨襯底8側(cè)下方約45度角，依靠紅外燈7A和半球形反光板7B，將輻射光以約45度角對準石墨襯底8的正下方中心及其周圍進行照射,快速加熱石墨襯底中心部位，以補償石墨盤中心溫度低于邊緣的溫差熱量。
[0019]當采用方案I時，紅外燈加熱器4也可以固定在噴淋頭9的內(nèi)部，此時噴淋頭需要做成中空的結(jié)構(gòu)。從噴淋頭中部噴出惰性氣體，噴在紅外燈加熱器的反射背板，為燈管提供冷卻，同時起到保護紅外燈管避免玷污的作用。紅外燈加熱器反射背板的余熱輻射，還可為上方的鎵舟提供所需的熱量。
[0020]當采用方案2時，圍繞石英管外壁2的一圈紅外燈加熱器5，將占據(jù)原來的電阻加熱器3的位置，除了一圈紅外燈加熱器之外，其余石英管外壁2仍為電阻加熱器3包圍。
[0021]當采用方案3時，紅外燈加熱器6由下方的支撐桿10固定，石墨托盤的轉(zhuǎn)軸采用中空的旋轉(zhuǎn)筒11。中空部分留給紅外燈加熱器6的安置。
[0022]當采用方案4時，圍繞石英管外壁2的一圈紅外燈加熱器7，將占據(jù)原來的電阻加熱器3的位置，除了一圈紅外燈加熱器之外，其余石英管外壁2仍為電阻加熱器3包圍。
[0023]本發(fā)明提出的光輔助加熱系統(tǒng)能夠快速均勻地加熱襯底，特別是能夠補償大面積襯底中心溫度的偏低，滿足大面積襯底均勻加熱溫度的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種用于多片式氫化物氣相外延(HVPE)反應器的光輔助加熱系統(tǒng),其特征為:米用光輔助紅外燈加熱器，或是布置在反應器內(nèi)部，位于石墨襯底正上方的軸線上；或是布置在反應器底部，位于石墨襯底正下方的軸線上；或是布置在圍繞反應器石英管外壁的圓周上，位于石墨襯底的側(cè)上方或側(cè)下方，而包圍反應器石英管外壁的其余部分采用主電阻加熱器，在主電阻加熱器實施加熱的同時，四種紅外燈輔助加熱器可以分別單獨地、也可以聯(lián)合地實施加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，其特征是，在反應器內(nèi)部軸線上、石墨襯底的正上方，布置一個紅外燈加熱器，該加熱器可以懸掛在噴淋頭的下方(也可以布置在在噴淋頭的內(nèi)部或上方)，由噴淋頭支撐，該加熱器依靠紅外燈和半球形反光板，將輻射光對準石墨襯底上表面中心部位進行照射，起到快速加熱石墨中心部位，補償石墨盤溫度中心低于邊緣的作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，其特征是，在反應器石英管外部的石墨襯底側(cè)上方約45度角，布置一圈紅外燈加熱器，而反應器石英管外部的其余部分則為電阻絲加熱器，所述的紅外燈加熱器有反射曲面，使得反射光以約45度角照射石墨襯底，其具體角度以輻射光不受噴淋頭遮擋為準。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，其特征是，在反應器外底部軸線上、石墨襯底的正下方，布置一個紅外燈加熱器，該加熱器依靠紅外燈和半球形反光板，將輻射光對準石墨盤下表面中心部位進行照射，起到快速加熱石墨中心部位，補償石墨盤溫度中心低于邊緣的作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，其特征是，在反應器石英管外部的石墨襯底側(cè)下方約45度角，布置一圈紅外燈加熱器，反應器石英管外部的其余部分則為電阻絲加熱器，所述的紅外燈加熱器有反射曲面，使得反射光以約45度角照射石墨襯底正下方中心及其周圍，補償石墨盤溫度中心低于邊緣的作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，其特征是，從噴淋頭中部噴出惰性氣體，噴在紅外燈加熱器的反射背板，為燈管提供冷卻，同時起到保護紅外燈管避免玷污的作用，紅外燈加熱器的背面余熱，還提供上方的金屬鎵舟所需的熱量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，紅外燈加熱器固定在噴淋頭的內(nèi)部，此時，紅外燈加熱器下方的噴淋頭中軸部分開有與紅外燈加熱器尺寸相當?shù)目椎?，以便輻射光束穿過該孔道照至石墨盤中心部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和4所述的HVPE反應器光輔助加熱系統(tǒng)，紅外燈加熱器由下方的支撐桿固定，石墨托盤轉(zhuǎn)軸采用中空的旋轉(zhuǎn)筒，中空部分安置紅外燈加熱器。
【文檔編號】C30B25/10GK103789824SQ201410028449
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】左然, 劉鵬, 童玉珍, 張國義 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司, 北京大學