CN101404834A - 电磁加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁加热装置，主要解决半导体衬底加热不均匀问题。该装置包括发热体和线圈，线圈(5)缠绕在发热体(1)的外部，发热体(1)上开有环形槽(6)，以改变热传导方向。当线圈中通入交变电流时，发热体上的环形槽(6)将发热体因感应产生的热量分成两部分，其中位于槽上方的一部分热量直接对发热体上表面或放于其上的衬底边缘附近进行加热；位于槽下方的另一部分热量由于槽的阻断，则沿槽的下部分绕过而传至发热体的中心附近，以提高发热体上表面温度分布的均匀性，使被加热的衬底(4)均匀受热，本发明可用于MOCVD反应室内获得均匀的淀积膜层。

Description

电磁加热装置

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种用于制备半导体薄膜的加热装置。

技术背景

现今制备半导体薄膜的电磁加热式MOCVD，采用将衬底放置在石墨基座上，线圈绕于反应室器壁之外，石墨基座由于电磁感应产生的热经热传导至衬底，使反应气体在加热的衬底上发生化学反应，反应产物在衬底上淀积生长成半导体薄膜，衬底温度分布的均匀性直接关系到薄膜的厚度均匀性和质量，因而这种设备对衬底温度的均匀性要求很高。但由于集肤效应的存在，使得基座及衬底表面的温度分布很不均匀，边缘附近高而中间附近低，从而影响了薄膜的质量。目前国内外对这方面的研究还很少，相关的研究主要有以下三种：

罗小兵、詹少彬、徐天明等人采用特殊的线圈空间分布，这种结构虽可以获得较均匀的衬底表面温度分布，但对线圈的空间布置要求极高，参见文献罗小兵、詹少彬、徐天明等“MOCVD加热方式对比研究”，第十届全国MOCVD学术会议论文集pp.114-118。

Berkman et al.设计的加热器，该加热器包括一个空心截断金字塔形的常规石墨基座，多个衬底片放在中空的锥体的表面，即热盾上，能一次同时对多个衬底片加热，但由于锥面的倾斜，会使得各衬底片由上到下的温度分布不一，参见US Patent3980854-Graphite susceptor structure for inductively heating semiconductor wafers USPatent Issued on September 14，1976。

吕惠宾、周岳亮、崔大复等人提出的直接将石墨制成长方体条或圆管形加热器，然后在两端引入电极，通入电流而使加热器加热，参见专利号94246584.9。这种加热装置，虽能使表面加热均匀，但由于电极将加热器与电源联为一体，使得加热器在旋转方面受到制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁加热装置，以克服感应加热物体由于集肤效应使得发热体表面的温度分布不均匀性，且不易操作和控制的问题，保证发热体的正常旋转，提高薄膜的质量。

为实现上述目的，本发明的电磁加热装置包括：发热体和线圈，线圈缠绕在发热体的外部，其中发热体上开有环形槽(6)，以改变发热体的热传导方向。

所述的发热体由上发热体和下发热体两部分组合而成，且上发热体的高度小于下发热体的高度。

所述的环形槽的位置位于下发热体的上端面，该环形槽根据发热体的直径大小设为一个或多个。

所述的环形槽(6)的形状为矩形旋转体形槽，或梯形旋转体形槽，或三角形旋转体形槽。

本发明由于采用在发热体上开有环形槽的结构，使发热体因感应产生的热量主要分成两部分，一部分位于槽的上方的上发热体侧面边缘附近，其中的热量可直接对发热体上表面的边缘附近进行加热；另一部分位于下发热体槽的下方侧面边缘附近，其中的热量由于槽的阻断改变传导方向，即绕过槽而传至发热体的中心附近，提高了发热体上表面温度分布的均匀性，使被加热衬底受热更均匀，提高了淀积薄膜的质量。仿真结构表明，衬底温度分布标准差由开槽前的21℃降到1.7℃。

附图说明

图1是本发明的整体结构的轴截面示意图；

图2a是本发明发热体的内部结构轴截面示意图；

图2b是本发明发热体上的环形槽分布示意图；

图3a是本发明发热体上的矩形旋转体形槽示意图；

图3b是本发明发热体上的梯形旋转体形槽示意图；

图3c是本发明发热体上的三角形旋转体形槽示意图；

图4是本发明发热体开有5个槽的结构示意图；

图5是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明由圆柱形可导电导热发热体1和线圈5组成，发热体1分为上、下两部分，上部分2的高度小于下部分3的高度，下部分3的上端面开有环形槽6，该环形槽6的数量根据发热体的直径大小设为一个或多个。本实施例给出三个环形槽，即第一环形槽6、第二环形槽7和第三环形槽8，这三个环形槽的高度相同，自外向内分布在发热体下部分3的上端面。环形槽之间开有通气孔，即第一环形槽6与第二环形槽7之间开有第一通气孔9，第二环形槽7与第三环形槽8之间开有第二通气孔10。槽的形状为矩形旋转体形，如图3a；或梯形旋转体形，如图3b；或三角形旋转体形，如图3c。上部分2压接在开有环形槽的下部分3的上端面，与下部分紧贴不留空隙，构成发热体整体结构。线圈5缠绕在发热体1的外部，被加热衬底4放置在发热体上部分2的上部。

由于本电磁加热装置受外加交变电流频率的影响，因此在应用过程中对不同半径的发热体所开的槽有所不同，以下通过具体实施例加以说明：

实施例1

参照图3a，在发热体1的半径r是集肤深度的1至4倍情况下，在距发热体的上表面高度为0.1h，h为0.96r的周围开一个环形槽6。槽的深度为0.6r，高度0.07h。线圈5位于发热体的周围，其匝数根据发热体的半径r和发热体高度h来确定。线圈5缠绕在发热体1的外部，与发热体的距离为0.5r。调节线圈中电流频率的大小，可以提高发热体的上表面或被加热衬底4的温度分布均匀性。具体开槽参数以及电流参数，可事先用计算机仿真得到，这样能快速得到所需要的操作参数。

实施例2

参照图4，在发热体的半径r是集肤深度的4倍以上情况下，由于发热体的横向跨度大，在发热体1的同一高度分别有第一矩形旋转体形槽6、第二矩形旋转体形槽7和第三矩形旋转体形槽8槽，在发热体1的上边缘开第四矩形旋转体形槽11。第一矩形旋转体形槽6、第二矩形旋转体形槽7槽和第三矩形旋转体形槽8，这三个槽均距发热体1的上表面为0.1h；第一矩形旋转体形槽6的深度为0.4r，第二矩形旋转体形槽7的深度为0.01r，第三矩形旋转体形槽8的深度为0.03r；第一矩形旋转体形槽6与第二矩形旋转体形槽7间距为0.01r，第二矩形旋转体形槽7与第三矩形旋转体形槽8的间距为0.02r；槽的高度相同均取0.07h。第四矩形旋转体形槽11位于发热体2的上边缘，槽的横向深度为集肤深度的0.1倍。线圈5的要求及其他如实施例1。

工作时，线圈内通入交变电流后，发热体由于电磁感应产生涡旋电流，从而使发热体加热。发热体由于开的槽，使发热体因感应产生的热量主要分成两部分，一部分主要位于槽的上方上发热体2的侧面边缘附近，其中的热量可直接对发热体上表面的边缘附近进行加热；另一部分位于下发热体3槽的下方侧面边缘附近，其中的热量由于槽的阻断，不能通过热传导形式将热量传至槽的另一侧，只能沿槽下的部分绕过槽而传至发热体的中心附近，对其进行加热。也就是说，开槽的部分将感应生成的热，分隔成了几部分，改变了热传导方向，分别对发热体及被加热衬底的边缘附近和中心处加热。通过调整槽的深度、宽度、位置、形状、个数以及线圈中的电流强度或频率可以使发热体的上表面或被加热衬底上表面受热更加均匀，从而大大提高了其表面温度分布的均匀性。本发明的这种装置不仅易于加工而且易于控制。

图5是通过计算机仿真所得到的开槽前后立式MOCVD反应室内，放置于石墨基座上的衬底沿其直径一线的温度分布曲线，曲线a、b分别是开槽前与开槽后的衬底温度分布曲线。其中衬底直径为2英寸，基座直径56mm，高为25mm，开槽的形状是矩形旋转体形。由计算及图可知，衬底温度均值由开槽前的911.1℃升高到929.7℃，标准差由开槽前的21℃降到1.7℃，开槽后衬底上表面温度波动小于5℃，温度均匀性得到很大的提高。

Claims (7)

1、一种电磁加热装置，包括发热体和线圈，线圈(5)缠绕在发热体(1)的外部，其特征在于发热体(1)上开有环形槽(6)，以改变热传导方向。

2、根据权利1所述的电磁加热装置，其特征在于发热体(1)由上发热体(2)和下发热体(3)组合而成，且上发热体(2)的高度小于下发热体(3)的高度。

3、根据权利1所述的电磁加热装置，其特征在于环形槽(6)的位置位于下发热体(3)的上端面。

4、根据权利1所述的电磁加热装置，其特征在于环形槽(6)根据发热体的直径大小设为一个或多个。

5、根据权利1所述的电磁加热装置，其特征在于环形槽(6)的形状为矩形旋转体形槽。

6、根据权利1所述的电磁加热装置，其特征在于环形槽(6)的形状为梯形旋转体形槽。

7、根据权利1所述的电磁加热装置，其特征在于环形槽(6)的形状为三角形旋转体形槽。

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