CN101918611A - Cvd反应器中气态前体的热化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体加工领域，并提供了通过促进前体气体在其反应之前更有效地热化来改进半导体材料的化学气相沉积(CVD)的设备和方法。在优选实施方式中，本发明包括传热结构体及其在CVD反应器内的安置方式，以促进向流动处理气的传热。在一些可用于对来自加热灯的辐射透明的CVD反应器的优选实施方式中，本发明包括辐射吸收性表面，所述辐射吸收性表面被放置来获取来自所述加热灯的辐射并将其传递至流动处理气。

Description

CVD反应器中气态前体的热化
技术领域
本发明涉及半导体加工领域，并提供了通过促进前体气体在其反应之前更有效地热化来改进半导体材料化学气相沉积(CVD)的设备和方法。
背景技术
化学气相沉积(CVD)反应器中气态前体在反应之前的温度是在所需位置获得有效沉积(例如，在预期基片上进行预期半导体材料的有效沉积)的一个重要参数。
例如，设想通过卤化物(或氢化物)气相外延(HVPE)法进行GaN的生长。某些HVPE法使CVD反应室中的气态GaCl3直接与气态NH3反应生成沉积在基片上的GaN和排出反应室的NH4Cl。但是，该直接反应只在前体气体温度约900℃～930℃及以上的情况下有效进行，因为(据认为)在较低温度时，该前体气体没有充分地直接分解为反应性物质，因此不能快速反应。另外，在较低温度，GaCl3和NH3可形成无反应性的不合需要的加合物，如GaCl3:NH3。因此，未充分热化的大部分前体气体仅仅是被浪费；它们穿过反应器，并未经反应或以无反应性加合物的形式排出排气口。相似的效应也出现在通过HVPE和其他方法进行其他III族-N化合物半导体的CVD生长中，而且更常见于III族-V族化合物半导体的生长中。
另外，在III族-V族化合物的大规模生产(HVM)中，未充分热化的前体的浪费可能更多，并且当寻求更快的生长速率时，浪费掉的部分可能增加。这可能是因为：更快的生长速率需要更快的前体流速，更快的流速则减少了预期基片附近的反应可用的时间，而减少的反应时间降低了受反应速率限制的生长过程的效率。
但是，问题已经阻碍了实现前体气体的充分热化，尤其在III族-V族化合物的HVM的情况中，其中必须将腐蚀性的前体气体热化至高温。首先，不能在进入反应室前充分热化前体气体。常用的前体气体在高温可快速腐蚀常用于已知气体传输系统中的材料，而且所述腐蚀可进一步导致传输管道中的颗粒形成/沉积、降低反应器洁净度和最终造成管道堵塞等。但是，在气体传输系统中使用诸如石英、石墨、碳化硅等抗腐蚀材料，将使其造价非常昂贵。
另外，也不能在前体气体进入反应室后在已知的CVD反应器内实现前体气体的充分热化。尤其在GaN(和其他III族-V族化合物)的HVM的情况中，前体气体的流动可能出乎寻常的高，如超过50slm(标准升分钟)。在这样的高流速时，前体气体移动穿过反应器中的高温区太快，而无法在越过生长基片之前能充分热化。
例如US 6,325,858中描述了在CVD反应室内部使用的平板辐射吸收性材料。该专利公开了置于作为其上倾向于发生有害沉积的“吸收(getter)”板的基座下游的碳化硅(SiC)板的应用。该专利也公开了使用SiC板与石英反应室壁接触以便加热该室壁而且由此限制有害沉积。Dauelsberg等(Journal of Crystal Growth 298 418(2007))描述了一种用于GaN生长用MOCVD(金属有机CVD)法中所使用的标准喷头气体注射器类型的穿孔式盖板，据称该盖板会提高温度。
因此，虽然对在III族-V族化合物、尤其是GaN的HVM中采用的前体气体的适当热化非常重要，但是现有技术中没有充分给出关于如何实现所述热化的教导(发明人意识到这点)。
发明内容
本发明一般性地包括对受热化学气相沉积(CVD)反应器、尤其是生产半导体材料的CVD反应器的改进。除了此类反应室内常见的常规部件之外，在结构上或排列方式上在反应室内部进行改进，特别是用于在前体气体在反应器内的基片上发生反应前和进行反应期间提高向流动的前体气体的传热。在没有本发明的传热结构体时，热量可透过反应室壁而传递至流动气体，而且因为对于流动气体而言，CVD室壁与本发明的传热结构体相比更加在外围布置，所以所述传热的效率小于本发明改进的传热效率。
提高的传热促进了反应前和反应中前体气体的热化的改善，因此提高了前体气体之间的预期反应的效率，而同时限制了可生成无反应性的络合物或物质的不合需要的反应。如果所述络合物或物质确实形成，改进的热化作用可促使该络合物或物质分解成为之前的前体形态。因此，本发明提供了更为快速的半导体材料的生长，提高了前体的利用效率，并限制了不合需要的络合物或物质并入生长外延层(growing epilayer)。次要优点可包括减少或限制半导体材料在例如反应室壁上的不必要沉积，或减少或限制反应前体或反应副产物的不合需要的凝聚。
本发明的传热结构体通常将用于加热反应室的已存在的主动加热元件的热量传递和散播至反应室中流动的前体或其他处理气。必要时，除了现有反应室加热元件以外，可以提供主动加热元件，将其设置来主要加热传热结构体。优选按照可用加热元件的特性和性能以及反应器的几何形状来安置和设置本发明的传热结构体。例如，在电阻加热元件的情形中，本发明的传热结构体可将热量由较高温度区域传导至处理气流中。例如，该传热结构体可设置来提供多条由临近电阻元件的较高温度区至流动气体的更短、更直接的传热路径，其中可将所述结构体设计为具有增大的表面面积(例如平板、肋片和隔板等)以提高向流动气体的传热。作为其它选择，可设置特定电阻元件来加热所述传热结构体。这些结构体优选由既具有热传导性也具有对运行中CVD反应器内的状况的耐受性的材料制成。
本发明尤其适用于主要通过辐射加热元件加热的反应器，该辐射加热元件可发出用于在半导体加工中进行加热的例如RF、微波、IR、光、UV和其他类型的辐射。所述反应器通常具有对发出的辐射(至少一部分)基本透明的室壁，因而该室壁在很大程度上并不直接被发出的辐射加热。但是，反应器的内部组件通常(至少一部分)基本为吸收性的，因而被发出的辐射直接加热。已知此类反应器被称为“冷壁”反应器。
在使用冷壁反应器的情况下，本发明的传热结构体也优选为基本上具有吸收性，以便该传热结构体可被辐射加热元件发出的辐射加热，并继而加热流动气体。重要的是，将这些结构体相对于流动气体设置并排列在反应室的内部，以使这些气体的至少一部分在到达基片(或其他反应区域)之前得到有效热化。如此传递的热量是除了从反应室中现有的常规元件传递至流动气体的任何热量之外的热量。例如，所述传热结构体可包含表面，该表面的一个侧面处于加热元件发出的辐射的路径中，该表面的另一侧处于流动气体附近或流动气体中。所述表面也优选较薄(在表面稳定性的极限内)以提高表面之间的导热性。将所述传热表面的至少一部分安置在基座的上游(由流动气体限定)，以使前体气体在其反应时已被热化。
出于简洁但并不出于限制目的，以下对本发明的描述主要应用于优选但常见的此类冷壁反应器类型，尤其是设置用于基本水平的处理气流的冷壁反应器，该处理气流由入口端口进入，随后穿过通常设置在反应室中央的基座(或其他基片载台)，之后到达一个或多个废气端口。所述反应室可具有旋转对称性(如扁平球状结构)，但通常可在水平方向伸长而使气体主要沿该伸长方向流动。所述水平流动(如沿反应室的长轴流动)在本申请中称作“纵向”流动。伸长的反应室可具有不同的横向横截面(如圆形、椭圆形、正方形和矩形等)，通常为矩形横截面，因此在以下描述中将使用矩形横截面。反应室壁基本上是透明的，通常主要是石英。反应室通常由例如加热灯的辐射加热元件加热，石英对该辐射加热元件发出的辐射基本上是透明的。通常，在反应室的相对侧面设置至少两排加热元件(加热灯)阵列(例如，反应室上方的上层阵列和反应室下方的下层阵列)，以使反应器内部组件、包括本发明的传热结构体在两个侧面均可受热。所述反应室内部的常规组件(例如基座)及其承载环(“土星环”)等通常由石墨、SiC涂覆石墨和/或SiC制成。它们是吸收性的，因此可由加热灯直接加热，并且除了本发明的传热结构体所有效传递的热量以外能够将一部分热量传递至流动处理气。
在优选实施方式中，本发明的传热结构体被安置于冷壁反应器内以便限定内区，大部分处理气体在由入口端口至基片的流动过程中通过该区域。外区则被限定为反应室内处于内区之外的部分。通常，该外区至少部分地由反应室壁界定。内区的一部分也可由本发明的传热结构体与其他反应器内已有的内部(常规)组件协同限定。该内区和对应的外区沿处理气流纵向延伸，且在不同的实施方式中，这两个区域可沿由入口端口至基片(和超过基片)的部分或全部气流路径延伸。因为在处理气流经由入口端口至基片穿过内区时，限定内区的传热结构体受热，所以气体被逐渐热化。如果与其他已有的内部组件协同地部分限定了内区，且如果这些内部组件也受热，则内区内流动的气体也可接收来自这些组件的热量。
重要的是，内区的至少一部分(因此也有外区的一部分)在基片或基座的上游(即，处理气流的反方向)延伸有一段距离，以便当该内区中流动的气体到达基片或基座时，基座处的处理气已被热化。在另一些实施方式中，该内区的一部分可在基片或基座的下游延伸。
因为内区沿处理气流纵向排列，且其部分或完全由受热的传热结构体(必要时也可由受热的常规内部组件)限定，所以可认为该内区形成了位于反应室中央的扩展较热区。于是可认为外区形成了位于反应室内外围的扩展较冷区，这是因为它位于扩展内区的外侧，并且其通常至少部分地由未受热的反应室壁界定。因此，该优选实施方式可在功能上设立两区反应器加热排布方式，该两区占有反应室横截面的不同部分，而同时以相同的方式沿反应室纵向延伸。应想到，常规的两区(或多区)加热排布方式限定了占有沿反应室纵向的不同位置却同样横跨反应室横截面的区域。在另一实施方式中，可使内区相对于外区的温度沿反应室在纵向有所不同，例如通过改变加热元件的强度。
内区和外区温度不同的实施方式可被视为“混合冷壁反应器”，其中该反应室具有较冷的外壁，且包含具有至少部分受热的壁的内部延长区域。另外，这些实施方式的内区可被视为内部的延伸“等温热区”(IHZ)。该术语不应做字面理解或限制性理解。尽管内区较热，且流经内区的处理气被热化，但是通常可预期内区具有内部温度梯度(例如，并不是严格的等温)。例如，该限定性结构体的不同部分可被加热至不同的温度，并且流经内区的气体的温度在热化过程中升高。
在石英冷壁反应器的示例性优选实施方式中，外区的外边界(或上边界)可为较冷的石英反应器壁，而其内边界(或下边界)也可充当内区的上边界。该共有边界可包括一个或多于一个的本发明的传热结构体，该结构体由辐射加热元件发出并穿过石英反应室壁的辐射加热。优选地，该内区具有附加边界(或下边界)，该附加边界的至少一部分可由反应室内已有的内部组件形成。因为这些组件通常具有辐射吸收性，所以该内区的下边界也可被加热。该内区下边界的其它部分可由其它的辐射吸收性传热结构体形成。传热结构体也可设置在该内区的附加边界上，如在侧边界处。
在另一些优选实施方式中，一个或多个传热结构体可为板状：沿两个维度相对伸长，而横向相对较薄。这些板可为不同的形式，包括平面形、拱形、半球形、常见曲线形或其他形状，并且优选包含辐射吸收性陶瓷。优选将所述板放置来使得该板暴露于来自加热灯的能量和流动处理气中。进一步将其放置来使得该板(至少一部分)在流动处理气到达目标基片之前暴露于该处理气中，以使处理气在基片处发生反应前可被更好地热化。所述板状实施方式在本文中称作黑体板(BBP)。本文所用术语“黑体”(BB)指吸收至少大于50％、或至少75％或以上的入射辐射而因此呈现黑色的实际材料。因此，“黑体”不限于理想黑体。
在其它优选实施方式中，内区可具有2个、3个或4个可为平面状或曲面状的侧面。并不优选单一边界。在其它实施方式中，可通过例如暴露于加热灯发出的辐射中而加热内区的两个或多于两个边界。并不优选只加热内区的一个边界。在设置有用于将基片移入和移出反应室的自动化或机械化装置的CVD系统中，优选的是，内区的尺寸和设置使得该自动化或机械化单元能在不受干扰的情况下转移基片。
在其它优选实施方式中，可以模块化构建传热结构体，从而不同数量的具有不同尺寸和配置的传热结构体(如传热板)可间或用于单一反应器中，以适应不同CVD方法的需要。例如，可将传热结构体设置在不同的位置以加热局部区域，或可将其安置来将热量也分配至石英反应器壁以防止发生例如沉积或凝聚。另外，传热结构体可与不同形状的非吸收性材料(如，IR透明石英)结合，并且安置于不需要加热的位置。因此，可将热量分配至内区内的选定位置而非该内区内的其他位置，同时内区的边界可保持连续状态，以避免引入不需要的气体湍流。
在其它优选实施方式中，内区可具有不同的横截面，如大致为直线形，例如更为四方或更为扁平的形状等，或者大致为曲线形，例如拱形、半圆形或扁圆形等。在其它实施方式中，反应器加热元件还可包括电阻加热元件和感应加热元件等，且不同加热元件可分别进行控制。在其它实施方式中，优选例如通过使内区的边界基本平滑且几乎没有不规则性，而将内区的边界构造来使向气流中引入的湍流最小。在其它实施方式中，优选例如通过在基片前提供极为不规则的加热和气体混合，使内区的边界构造来将湍流引入气流中。在其它实施方式中，将反应器入口端口和传热结构体相互依存地安置和配置，以使引入反应器的大部分处理气穿过入口端口并进入且流经内区。因此，可在流经内区的处理气到达基座时，将其可控地热化。
更具体而言，本发明的一个优选实施方式提供了一种适用于受热CVD反应室内部的热化设备。所提供的设备包含一个或多个传热结构体，所述传热结构体被安置来接收来自一个或多个反应室热源的热量并将所接收的热量输送至反应室内流动的一种或多种处理气，所述热化设备被配置和安排在CVD反应器内以便在处理气在反应室内基片处发生反应前，将至少一部分热量输送至该处理气。热化设备也可包括两种或多于两种传热结构体。另外，除热化设备之外，该CVD反应器通常包含安置于其内的组件，例如基座和/或基座承载环。
在其它优选实施方式中，可将至少一个传热结构体设置来具有受热表面，该表面暴露于发生CVD反应前的流动处理气中，例如通过将该结构体置于基片沿处理气流的上游(相对于穿过反应室处理气流)，并在处理气流的横向上与该基片相隔。另外，暴露于流动处理气中的表面可由电阻热源的热传导或辐射式热源的热吸收加热。优选地，至少一个传热结构体包含既具有辐射吸收性又对选定CVD工序期间(包括III族-V族化合物的HVPE沉积过程中)在CVD反应室内的热学状况和化学状况具有耐受性的材料。所述材料的实例包括石墨、热解石墨、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、热解氮化硼(PBN)、碳化钽(TaC)和碳化硼(B4C)。
本发明的另一优选实施方式提供一种适于在加热CVD反应室内使用的热化设备，该反应室内具有基座和/或基座承载环。所提供的设备包含一个或多个安置于反应室内的传热结构体，所述传热结构体用于接收来自一个或多个反应室热源的热量，并将所接收的热量输送至反应室内流动的一种或多种处理气。这一安置方式可使至少一部分传热结构体相对于穿过反应室的处理气流位于基片沿处理气流的上游并在处理气流横向上与该基片相隔的位置而将热量输送至处理气流。
在其它优选实施方式中，可将传热结构体进行不同的安置。至少一部分传热结构体可相对于穿过反应室的处理气流位于基片沿处理气流的下游处而将热量输送至处理气流。为将热量输送至处理气流，可将两个或多于两个的传热结构体相对于穿过反应室的处理气流而言安置在沿着处理气流至少部分地重叠，但在处理气流横向上相互隔离和/或互成角度的位置，从而至少部分地限定处理气所流经的反应室内区的受热壁。至少一个传热结构体包含可位于处理气入口端口和基片之间的受热表面。可将多个受热表面沿穿过反应室的处理气流顺次安置。另外，可将至少一个附加组件(除传热结构体以外的其它组件)安置于反应室内以受热，并与至少一个传热结构体配合，从而至少部分地限定处理气所流经的反应室中内区的受热壁。
在其它优选实施方式中，传热结构体可具有不同的形式和组成。至少一个传热结构体可具有由所吸收的辐射加热的表面，且将该表面暴露于流动处理气中从而将至少一部分所吸收的辐射传递至处理气；至少一个传热结构体可具有基本为平面的受热表面；至少一个传热结构体可具有拱形受热表面；且至少一个传热结构体对选定辐射波段为基本透明的，且位于多个吸收表面之前、之间或之后。
本发明的另一优选实施方式提供用于使两种或多于两种处理气之间在CVD反应室内部基片处进行CVD反应的方法。所提供的方法的步骤可以包括将处理气体流经CVD反应室并流向基片。一个或多个传热结构体同时接收来自一个或多个与反应室结合的热源的热量。至少一个传热结构体位于基片沿处理气流方向的上游，并在处理气流横向上与基片相隔。因此，所接收的热量随后被输送至反应室内流动的一种或多种处理气，以使至少一种处理气在到达基片之前得到热化。
可将热量传导至该流动处理气中，以使至少一种处理气的温度沿穿过内区的流动方向升高。优选地，传导的热量将至少一种处理气热化至足以准备进行预期CVD反应的温度。特别地，如果预期CVD反应包括III族-V族化合物的HVPE沉积，该足量温度至少为约900℃。
流动处理气可在CVD反应室内部的不同位置接收热量。可在两个或多于两个传热结构体处接收热量并且随后将热量传导至处理气流，所述两个或多于两个传热结构体沿着处理气流方向至少部分地重叠但在处理气流横向上相互隔离和/或互成角度。这种传热结构体优选并至少部分地限定处理气所流经的反应室内区的受热壁。也可在附加受热组件(除传热结构体以外的其它组件)处接收热量，并且随后将热量传导至处理气流，该附加加热组件被安置在反应室内以与至少一个传热结构体配合，从而至少部分地限定处理气所流经的内区的受热壁。
因此，本发明的传热结构体提供了改进的处理气热化过程，从而提高预期生长反应的效率，降低非预期反应的效率，减少加合物的形成，减少不合需要的络合物或物质并入生长外延层等。另外，这些结构体通过阻止经热化的前体气体与处于较低温度的外层反应器(冷壁)的接触，至少部分地限制了该冷壁上的不必要的沉积。因此提高了反应器的洁净度和使用寿命。
本发明的其它方面和细节以及要素的替代性组合将通过以下详细描述而变得显而易见，并且也处于本发明的范围之内。
附图说明
通过参考对本发明的优选实施方式、本发明的具体实施方式的说明性实例的以下详细描述并参考附图，本发明将得到更加充分的理解，附图中：
图1A～D图示了本发明的多种优选实施方式的横向剖视图；和
图2A～C图示了本发明的多种优选实施方式的俯视图。
具体实施方式
下文将主要根据可用于冷壁CVD反应器中的优选实施方式来描述本发明，该反应器受辐射加热元件(如IR加热灯)加热并且具有对辐射能量基本透明的室壁(如包含石英)。应当理解的是，这些优选实施方式不具有限制性，如上文所述，该发明可用于其它类型的使用其它热源类型的CVD反应器。首先给出了所述实施方式的一般性描述，然后将通过描述示意性实施方式说明本发明的具体特征。
本申请全文采用的术语“基本上”可理解为指代相关标准制造公差和其它相关的商业上合理的标准。例如，“基本上”平坦的B4C表面是平坦度在标准制造公差之内的表面，该公差足以保证所述表面适合并可实现本发明描述的目的。不应使用商业上不合理的精度(或缺乏精度)。
一般地，本发明的优选实施方式包含传热结构体，该传热结构体包含一个或多个安置于反应室内的辐射吸收性陶瓷板，以辅助前体气体的热化，即于在反应器内流动的处理气到达反应室内基片之前促进从所吸收的辐射向处理气的传热。因此，在大多数实施方式中，将一个传热结构体的至少一部分安置来在处理气在基片处反应之前与处理气接触并将热量传递至处理气。换言之，将至少一个传热结构体部分地或整体地安置于基片的上游。一般地，所述板具有相对较大的水平长度和相对较薄的垂直高度，而且在不同的实施方式中，该板材可以为平面、拱形、半球形等。就所述传热结构体和板的辐射吸收特性而言，本文将其称为“黑体板”(BBP)。
在优选实施方式中，将BBP与反应器中已有的内部组件(例如，基座和基座环等，将这类组件总称为“其他内部组件”或“常规组件”)相配合安置，以部分地或完整地限定和包围处理气在到达基座前流经的反应器内部的延伸区。另外，一个或多个BBP且通常还有一个或多个其他内部组件由加热元件加热，从而使内区的一个或多个的限定性边界或内壁受热。因此，因为至少一个、优选两个或多于两个的内区的内壁受热，内区内流动气体的温度将朝向受热壁的温度升高。内区在本文中也称为等温热区(IHZ)，但是该术语不可做字面理解。
可将冷壁反应器内受热内区(IHZ)的组合视为混合冷壁(HCW)反应器。HCW反应器具有至少两个加热区，该加热区由反应器的横截面的不同部分所限定并沿反应器的部分或整体纵向延伸。通常，较冷的外部或外区将部分地或整体地围绕较热的内部或内区。必要时，可以以常规方式将附加加热区沿反应器的长度纵向安置，例如，可安置来对内区且必要时也对外区的不同纵向部分进行不同的加热。例如，可差异性地控制加热灯的强度，而使内区的第一纵向部分的受热强度较弱，而之后的纵向部分受热强度更强。
在优选实施方式中，BBP的尺寸和形状可以以模块化方式设定，从而能在单一反应室中，由以不同安置方式安置的不同种类的BBP模块来间或可逆地组装成不同配置的内区。具体的BBP模块和安置方式以及通常内区的配置，优选根据待进行的具体CVD工序的要求选定。例如，模块化BBP可包括宽度相似但长度不同的BBP以便能组装内区从而该内区可只沿反应器的前三分之一延伸、或只沿反应器的前三分之二延伸、或沿整个反应器延伸、或只沿反应器的后三分之一延伸、或沿反应器的前三分之一和后三分之一延伸等。
此类模块化和可配置的实施方式还优选包含用于承载板的固定装置和类似单元。例如，所述固定装置可为其上承载BBP的单独组件，如支腿或支架等；作为另一种选择，反应室的内壁可配置有固定装置，例如壁架、支柱等；作为另一种选择，还可将板设置为互锁式、自支撑式，包括支撑腿等。另外，在包括侧面放置的BBP的实施方式中(其中该BBP限定了沿部分或全部内区的侧边界)，可设置额外的固定装置以将BBP保持在原位。作为其它选择，所述BBP可为自支撑式。
为了促进无湍流气体流入内区，有利的是使限定内区的边界不受间隙、不规则度或粗糙度阻断。因此，在优选内区以不连续或分段方式受热的实施方式中，优选将BBP间的任何必要间隙由非吸收性(即透明的)结构体(例如平板)跨过或填充，所述结构体被设置来与BBP相配合以形成连续的内区边界。透明板是有利的，因为该板材可使内区内部的一个或多于一个部分(如基片所处的位置)直接由热源加热。例如，基座上的透明顶板可使基座被直接加热；透明板也可设置有窗体，通过该窗体可监测进行中的CVD工序。
在优选实施方式中，该BBP包含能够耐受运行中的CVD反应器苛刻的内部环境的材料，如陶瓷材料。已知可用于BBP的适当光吸收性陶瓷材料包括例如，石墨、热解石墨、碳化硅(SiC)、氮化铝(AIN)、氮化硼(BN)、热解氮化硼(PBN)、碳化钽(TaC)和碳化硼(B4C)。石墨不是优选的材料，这是因为石墨通常是脆性的，因此石墨是反应器和外延层污染的潜在来源。另一方面，SiC和AlN都是许多CVD方法中黑体陶瓷板的优选材料，因为SiC和AlN都能耐受运行中的CVD系统的温度和苛刻的化学环境。但是，一些CVD方法产生的环境甚至可分解SiC和AlN，因此对于这些方法，不优选这些材料。
具体而言，GaN的HVPE生长能够产生在延长的时段中甚至可分解SiC和AlN的环境。对于这类方法(优选用于GaN的HVM(大规模生产))，BN、PBN或B4C均可代替SiC和AlN，作为BBP的优选材料。在这些含硼的材料中，BN和PBN在本申请较不优选，因为BN和PBN在850℃以上的氧化性环境中并不稳定。优选B4C，因为B4C可在延长的时段中耐受运行中的HVPE反应器的温度(熔点为2450℃)和化学环境。另外，经小心放置和加热的B4C板也可用于防止反应室内的石英区不发生材料沉积和凝聚。
除了上述热学和化学特性之外，用作BBP的材料应具有吸收性(如黑体)以便该材料可由辐射加热元件有效加热。材料的一个关键黑体特性为加热灯发出的光谱范围内的发射率(ε)。发射率被定义为在相同温度时材料表面的辐射功率与理想黑体辐射功率的比值，且因为ε约为(1-反射率)，故通常可通过测量反射率而间接测得发射率。例如，镜面表面可反射98％的能量而吸收并发射出2％的能量，而良好黑体表面具有相反的比率，吸收并发射出98％的能量而只反射2％的能量。
可获得感兴趣的材料(即AlN、SiC和B4C)的多种发射率数据。US6,140,624报道了波长为1.55μm时SiC的发射率为0.92；Fuentes等(FusionEngineering and Design 56-57315(2001))报道了B4C的发射率为0.92(未给出测量波长)；Barral等(IEPC-2005-152“Hall Effect Thruster with anAlN discharge channel”)报道了AlN的发射率为0.98。根据所报道的AlN、SiC和B4C的发射率(分别为0.98、0.92和0.92)数据及其热学和化学特性，这些材料对于在BBP中的使用具有适当的吸收性。
现转向示例性优选实施方式，图1A～D图示了替代性优选实施方式的横向剖视图；图2A～C图示了替代性优选实施方式的俯视图。首先，在图1A～D中，图1B～D中与图1A中相应元件不同的元件的参考数字，分别以后缀“b”、“c”和“d”给出。图1B～D中没有给出与图1A中相应元件基本相同的元件的参考数字。同样地，在图2A～C中，图2B～C中与图2A中相应元件不同的元件的参考数字，分别以后缀“b”和“c”给出。图2B～C中没有给出与图2A中相应元件基本相同的元件的参考数字。
图1A～D图示了安置于常规CVD反应室19(a，b，c，d)中的本发明。该反应室由石英(或其他对辐射热源发出的辐射透明的材料)罩体3限定。反应室由位于反应室上方的上部辐射加热元件(如加热灯)1′加热，且由位于反应室下方的下部辐射加热元件(如加热灯)1″加热。该反应室内部的常规组件包括具有中心基片保持器7(与基片共同示出)的基座9和基座控制环5。本发明向反应室19(a，b，c，d)内部的常规组件添加了一个或多于一个BBP 11(a，b，c，d)和必要时的一个或多于一个固体装置13(a，b，c)。上述BBP和固定装置优选包含上文所述的材料；固定装置还可包含石英。
图1A图示了具有承载在固定装置13a上的一个或多于一个BBP 11a的本发明的示例性实施方式。此处将内区15a通过包括BBP 11a的上边界和包括内部反应器组件5、7和9(还可能包括其他未示出的组件)的下边界来限定。内区的垂直高度D1由上述边界限定。在设置有将基片移入和移出反应室的自动化或机械化装置的CVD系统中，优选将高度D1设置得足够大以使所述转移单元可在无障碍的情况下运行。将BBP 11a的至少一部分在纵向上置于基片保持器的上游。上边界由上部热源1′加热，下边界由下部热源1″加热。内区15a未设置附加侧面BBP，因此，内区15a的侧边界为石英反应器罩体。该罩体即便受热也仅由热源1′或1″极少地加热。外区通常由反应器内部处于内区之外的那些部分限定。此处，外区17a处于内区15a之外，且具有由BBP 11a限定的下边界和由石英罩体3限定的其余边界。在反应器中，BBP11a的两侧边缘由可由石英制成的左、右固定装置13a承载。单一固定装置可沿反应室3的大部分纵向长度延伸，或作为另一种选择，多个固定装置可在反应室纵向上间隔排列。作为另一种选择，板承载固定装置可与石英罩体1整合。
优选地，本发明添加的组件BBP 11a(以及b、c和d)和(可选地)板承载固定装置13a(以及b和c)为模块化的，且独立于该罩体和其他内部组件，并且可在反应室内进行移出和/或替换。这就使得能在单一反应室19a中组合形成配置不同的内区。
优选地，将大部分处理气导入反应室19a中，以使处理气在反应前和在载台7上承载的基片处发生反应时流经内区15a。随着气体流经内区15a，他们将逐渐被热化，即，气体温度朝向热上边界和下边界的温度的而升高。因为内区部分或整体地在基片载台的上游延伸，将使气体准备好以便在基片处反应，此处基片由来自载台7的传导热从下方受热。通常，受热的内区15的温度高于外区17a，且在本文中也被称为等温热区(IHZ)。因此，内区和外区在反应室中生成两个加热区，所述加热区垂直分层并纵向延伸。
图1B图示了与图1A相似的实施方式，不同之处在于固定装置13b比固定装置13a短，以使内部区15b的垂直高度(高度D2)小于内区15a的垂直高度(高度D1)。优选的是，高度D2不会过低而干扰或阻碍可能存在的自动化或机械化的基片转移用单元。在优选的模块化实施方式中，可移除和替换添加在反应室19(a，b)内部的组件11b和13b，以通过将固定装置13a和13b交换而使图1A和图1B的实施方式可相互转换。
图1C图示了与图1B相似的实施方式，不同之处在于，图1C的实施方式的内区15c设置有侧面放置的BBP 21c，BBP 21c充当内区的左侧壁和右侧壁。BBP 21c可由热源1′和1″加热至某一程度，而如果在邻近反应室19b的左侧壁和右侧壁处设置有额外热源时，该BBP 21c可更为直接地受热。优选将至少部分BBP 21c置于基座保持器的上游。这些BBP可沿整个内区15c的一部分延伸，但是如果BBP只沿内区的一部分延伸，则优选将间隙用限制内区中流动气体的湍流的结构体(例如部分透明的侧壁)填充。本图中图示的固定装置13c既承载了BBP 11c，又在垂直方向上保持BBP 21c以使其远离反应室壁3且不与反应室壁3接触。作为另一种选择，可将侧壁保持来与反应室壁接触；作为另一种选择，可设置独立的多个固定装置以保持BBP 21c。
图1D图示了使用具有非平面设置的BBP(与图1A～C的平面BBP对比)。BBP 11d具有拱形横截面，并从基座保持器的上游开始沿气流延伸而在反应室19d内纵向延伸。如图所示，BBP 11d具有足够的弧度以使其侧边缘直接承载于反应室3的内部组件(如基座控制环5等)上；作为另一种选择，可设置固定装置来保持BBP 11d的位置。作为另一种选择，也可设置固定装置以将BBP 11d的侧边缘抬高至反应器其它内部组件之上(在这种实施方式中，BBP 11d的弧度可较小或甚至基本上为平面状)。BBP 11d由上部热源加热，且中央受热更为集中。BBP 11d在上方和侧面限定了内区15d，因此，内区的上边界和侧边界均受热。内区的下边界由反应器19d内部的其他组件限定，而这些组件也优选由下部热源加热。因此，该内区采用了具有拱形横截面和在纵向上延伸的始于基座保持器上游的通道的形式，并在所有侧面上受热。外区17d现可完全包围内区，并将该内区与该反应室的罩体隔离。
通常优选的是，将大部分处理气体导入反应室19d中，以使处理气在到达并在基片保持器上承载的基片处反应之前流经内区15d。因为该内区可在所有侧面受热，因而与之前的实施方式相比，内部流动的气体可得到更为完全的热化。而且，因为受热内区15d全部被外区17d包围，可认为该实施方式具有两个纵向延伸的受热区，即较热区和包围该较热区的较冷区，该较冷区继而由反应室壁包围。
图2A～C图示了BBP和透明板材沿具有石英罩体33的常规CVD反应室31(a、b、c)纵轴的示意性安置方式的俯视图。所述BBP在本文中也被称为BBP节段或简称节段。所示反应室具有常规内部组件，包括基座39和基座控制环41。处理气体沿该反应室的纵轴由入口端口35流入，穿过基座39，并经过废气端口37排出。本发明向这些常规组件添加了BBP 43(a)和45(a，b，c)，透明板51(b，c)和如固定装置47-(1，2，3，4)等固定装置。这些图中的反应器的横截面可如图1A～D所示。特别地，BBP和透明板可为平面或拱形(或其它形状)。
图2A图示了一种示例性安置方式，其中内部和外部BBP贯穿反应室31a从入口端口35延伸至废气端口37。可在47a处设置沿基座和基座控制环长度延伸的侧边BBP。水平和垂直方向的BBP由固定装置47-1、47-2、47-3和47-4承载和维持在原位。只承载水平方向的外层BBP 45a的固定装置47-1和47-2可类似于例如图1A-B的固定装置13a或13b。承载水平方向的内层BBP 43a且还保持垂直方向的BBP 47a的固定装置47-3和47-4可类似于例如图1C的固定装置13c。该内层和外层BBP可如图1A-C所示基本上为平面状，或如图1D所示基本上为拱形(或其它形状)。优选至少加热该内层和外层BBP以及其它内部组件。
优选地，大部分处理气流经由BBP 43a和45a之间所限定的内区和其它内部组件(基座39和基座控制环41)。因此，到达基座上基片的处理气将由邻近入口端口(基片上游)的BBP 43a和45a传递的热量热化。热量也可由与流过基片之前的流动气体接触的部分基座控制环41传递。邻近废气端口(基片下游)的BBP 43a和45a，以及与流过基片之后的流动气体接触的部分基座控制环41可将热量传递至处理气废气，以防止在反应器罩体和内部组件上发生不合需要的沉积或凝聚。
图2B-C图示了与基本透明的节段结合但不具备侧壁的BBP节段的替代性安置方式。这些安置方式提供了内区的上表面和下表面的不同的受热分布，这对于某些方法可能是有利的。优选地，将所有节段装配在一起而呈现出对内区内流动的气体光滑的表面。透明节段首先对提供选定的内区纵向受热分布有利，因此也对内区内流动气体的热化有利。透明节段也对设置窗体有利，透过该窗体可观察并监测进行中的CVD。对于后一种用途，透明节段应基本上对用于所述观察和监测的辐射透明，但可或多或少对来自辐射加热元件的辐射具有吸收性(如果在光谱上不同于用于观察的辐射)。透明节段可由如石英或蓝宝石等常用材料制得。
图2B图示了具有外层BBP节段45b和一对内层BBP节段43b的示意性实施方式，其中，所述BBP节段45b包括反应室31b前端的一段和该反应室后端的一段，而所述BBP节段43b安置于反应室的中央并覆盖较大部分的基座(该实施方式中，后端外层BBP节段的长度大于前端外层BBP节段的长度(L)和两个内层BBP节段的长度；所有的节段具有相似的宽度(W))。包含例如石英的一对透明节段51b被安置于内层BBP节段43b和外层BPP节段45b之间。虽然处于透明板处的内区的上壁基本上不受热，但是所述板使上部热源直接加热位于透明板下方的反应室31b的内部组件。因此，相对于其它实施方式，直接由上部热源和下部热源加热的这些组件可处于较高的温度。
图2C图示了具有一对外层BBP节段45c的另一示例性实施方式，在该对外层BBP节段45c之间为一对基本上透明的内层节段51c(平板和拱形等)。在此，加热基座上游的内区的水平壁以将处理气热化，并且加热基座下游的水平壁以限制不必要的沉积。中央透明节段使该基座和承载环(和其他内部组件)的两个侧面均被直接加热，可能达到的温度可高于其它情况下的温度。这些透明节段也为观察进行中的CVD过程中的基片提供了位置良好的窗体。对于需要与热化处理气体相结合的高基片温度的方法而言，这种安置方式是有利的。
应注意的是，在反应器内其他固定装置和任何可能需要接入反应器的输送系统(例如机械臂等)的上述约束下，可在本发明中对BBP的位置和高度做出多种变化。如果需要更严格的热控制，可将该BBP的厚度调整为更精密的尺寸。此外，如果BBP的宽度必须等于W，也可使其横向维度更加精细，以保证承载于固定板上并防止板落入反应器中。
本发明的上述优选实施方式不应限制本发明的范围，这是因为这些实施方式只是对本发明的几个优选方面的阐释。任何等同的实施方式都应处在本发明的范围内。实际上，除了本申请所显示和描述的内容之外，本发明的各种变化(例如所述要素的替代性可用组合)通过后续描述对本领域技术人员而言都将显而易见。所述变化还应落入所附权利要求的范围内。在下文(和本申请全文)中，标题和图例的使用仅为清楚和方便起见。
本申请使用的各标题只为了阐述清楚，并没有任何限制性意图。本申请引用了多篇参考文献，本文出于所有目的通过参考并入其全部公开内容。此外，无论所引文献在上文中怎样表述，都不应认为其先于本申请所要求保护的发明主题。

Claims (16)

1.一种在受热CVD反应室内使用的热化装置，所述装置包含一个或多于一个传热结构体，所述传热结构体被安置来接收来自一个或多于一个反应室热源的热量，并将所接收的热量传导至一种或多于一种流动于所述反应室内的处理气，所述热量的至少一部分在所述处理气在所述反应室内的基片处发生CVD反应之前传导至所述处理气。
2.如权利要求1所述的热化装置，其中，至少一个所述传热结构体包含在所述处理气发生CVD反应之前暴露于所述流动处理气的受热表面，而至少一个在所述处理气发生CVD反应之前暴露于所述流动处理气的表面通过热传导接收来自电阻或辐射热源的热量。
3.如权利要求2所述的热化装置，其中，相对于穿过所述反应室的处理气流，至少一部分所述受热表面位于所述基片沿处理气流的上游，并在处理气流横向上与所述基片相隔。
4.如权利要求1所述的热化装置，其中，至少一个传热结构体包含既具有辐射吸收性又对选定CVD工序期间在CVD反应室内出现的热学和化学状况具有耐受性的材料，所述选定CVD工序包括III族-V族化合物的HVPE沉积。
5.如权利要求4所述的热化装置，其中，所述耐受性材料包含石墨、热解石墨、碳化硅(SiC)、氮化铝(AIN)、氮化硼(BN)、热解氮化硼(PBN)、碳化钽(TaC)和碳化硼(B4C)中的一种个或多种，还包含多个传热结构体。
6.如权利要求1所述的热化装置，其中，将除所述热化装置之外的组件安置于所述反应室内，该附加组件包括基座和基座承载环中的至少一个，其中，相对于通过该反应室的处理气流，传热结构体的至少一部分被安置来在所述基片沿所述处理气流的上游且在所述处理气流横向上与所述基片隔开的位置处将热量输送至所述处理气流。
7.如权利要求6所述的装置，其中，相对于通过所述反应室的所述处理气流，至少一个传热结构体被安置来在所述基片沿处理气流的下游位置处将热量输送至所述处理气流。
8.如权利要求6所述的装置，其中，相对于通过所述反应室的所述处理气流，两个或多于两个传热结构体被安置来在沿所述处理气流至少部分重叠但在处理气流横向上相互隔离和/或互成角度的位置处将热量输送至所述处理气，从而至少部分地限定处理气体流经的内区的受热壁。
9.如权利要求6所述的装置，其中，加热至少一个安置于所述反应室内的附加组件，其中，受热的所述附加组件与至少一个传热结构体协同作用，从而至少部分地限定处理气体流经的内区的受热壁。
10.如权利要求6所述的装置，其中，至少一个传热结构体包含由所吸收的辐射加热并暴露于所述流动处理气中以便将至少一部分所吸收辐射传递至所述处理气的表面。
11.如权利要求10所述的装置，其中，至少一个包含受热表面的传热结构体基本上为平面或拱形，并位于处理气入口和所述基片之间。
12.如权利要求11所述的装置，所述装置还包含多个受热表面，所述多个受热表面沿通过所述反应室的所述处理气流依次安置，且所述装置还包含至少一个对选定辐射波段基本透明的结构体，所述透明结构体位于多个所述受热表面之前、之间或之后。
13.一种在CVD反应室内部基片处进行两种或多于两种处理气之间的CVD反应的方法，所述包括：
将处理气体穿过CVD反应室流向所述基片；
在一个或多于一个传热结构体处，接收一个或多于一个与所述反应室结合的热源发出的热量，至少一个所述传热结构体位于所述基片沿处理气流方向的上游，并在处理气流横向方向上与所述基片隔开；和
将所接收的热量输送至一种或多于一种流动于所述反应室内的处理气，从而使所述处理气中的至少一种在到达所述基片之前被热化。
14.如权利要求13所述的方法，其中，将热量在两个或多于两个传热结构体处输送至所述处理气，所述两个或多于两个传热结构体沿处理气流方向至少部分地重叠，但在处理气流横向方向上相互隔离和/或互成角度，从而至少部分地限定所述处理气体流经的内区的受热壁。
15.如权利要求13所述的方法，其中，进行热量输送以使至少一种处理气的温度沿通过所述内区的流动方向升高。
16.如权利要求13所述的方法，所述方法还包括控制所输送的热量以将至少一种处理气热化至足以准备进行预期CVD反应的温度，其中，所述预期CVD反应包括III族-V族化合物的HVPE沉积，且其中足够的温度至少约为900℃。
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