CN103556131B - 一种用于化学气相沉积的高温加热沉积台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学气相沉积的高温加热沉积台，属于材料制备加工领域。本发明改进了加热式沉积台的设计，在沉积台台面的内表面镀覆了一层100nm的氧化铬薄膜，利用氧化铬0.8的黑体系数提高了沉积台台面接收热辐射的效率。同时，对于密封在沉积台内部的加热体，其绝缘体支撑件被设计成陶瓷柱阵列，在不影响支撑功能的同时，提高了加热体的散热效率。这些改进使得这种新型的高温加热沉积台的加热效率与稳定性得以大幅提高，并可以在700℃～1000℃温度段内持续稳定工作，填补了加热式沉积台在高温段的技术缺口。

Description

一种用于化学气相沉积的高温加热沉积台

技术领域

本发明涉及半导体器件材料制备技术，尤其是涉及一种用于化学气相沉积的高温加热沉积台，可应用于各种新型薄膜材料的制备。

背景技术

化学气相沉积（Chemical vapor deposition，简称CVD）是一种广泛应用于新型薄膜材料、尤其是半导体器件材料制备的材料制备方法。由于CVD制备材料时参与反应的气体分子或者离子需要根据不同工艺沉积在一定温度的基片上，因此一些CVD系统配备有可自行加热基片的沉积台。

在使用CVD系统制备材料时，高温促使气体之间发生反应是一个重要手段。一般加热式沉积台可以加热基片至700℃左右，能够满足一部分材料制备所需的反应条件。然而很多材料例如一些氧化物薄膜的制备需要700℃～1000℃的反应温度，这时一般的加热式沉积台难以满足要求。这是因为沉积台的加热装置通常由电阻式发热器件供热，实际应用过程中存在一系列问题。由于发热体材料在高温下容易发生形变，会引起加热温度的不均匀；而为发热体加装绝缘体支撑件来改善其高温强度又会引起散热问题，造成发热体在高温段容易自熔断；另外发热体与反应气体接触容易氧化腐蚀，沉积台从发热体获得热量的效率也不高。这些问题限制了加热式沉积台的应用价值，也使一般加热时沉积台难以在700℃～1000℃

温度段稳定工作。

针对CVD系统加热式沉积台的这些问题，国内外许多专家和技术人员提出了很多设计方案，以改善沉积台的加热效率与稳定性和提高温度范围。美国专利US8461490B2采用密封加热装置来保证发热件的稳定性，并提高沉积台边缘的加热功率使得整个沉积台温度均匀；欧洲专利EP1359610B1使用两种不同热导率的材料复合构成沉积台台面，以降低垂直方向的温度梯度，使加热更均匀；美国专利US5911896采用两块陶瓷面板夹持发热体的设计，一定程度上增强了了发热体材料的高温强度和稳定性；而美国专利US20070275178更是独到地使用流动的甘油作为发热体材料的散热载体并帮助其避免氧化腐蚀。这些创新设计都对沉积台的加热效果和效率起到了积极的作用，但是可以实现的有效温度并没有超过800℃，而且稳定性仍然不理想。为实现更加高效稳定的沉积台加热，突破700℃～1000℃

的缺口，为此，需要一种具有新的加热装置的沉积台。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的高温加热沉积台，进一步提高沉积台的加热效率和稳定性，并突破700℃～1000℃高温加热的技术缺口。

为了实现本发明的目的，提出以下技术方案：

一种用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述高温加热沉积台包括沉积台台面2、沉积台基座1和内部发热装置，其中，

沉积台台面2构成上层结构，沉积台基座1支撑了整个沉积台以及内部发热装置，所述沉积台基座1和沉积台台面2构成封装，将所述发热装置密封在内部；

所述内部发热装置包括发热部件和支撑部件，所述发热部件由发热体电极3和发热体5构成；所述支撑部件由发热体支撑托盘4和陶瓷柱阵列8构成。对发热体5形成支撑。

所述沉积台台面2的内表面镀覆的一层氧化铬镀层9，成为热辐射吸收面。

所述氧化铬镀层9为黑体系数0.8，100nm厚的氧化铬薄膜。

所述发热体5呈蛇形布局，两端为发热体电极3。

所述发热体5为熔点为1400℃的镍铬合金Ni80Cr20。

所述发热体支撑托盘4和陶瓷柱阵列8是由95瓷制成。

所述沉积台台面2和发热体5表面分别设置沉积台测温电偶6和发热体测温电偶7，对沉积台台面2和发热体5直接进行温度监控。

所述沉积台测温电偶6 为4-6个，分别均匀间隔设置在沉积台台面2的表面。

本发明的有益效果

（1）沉积台的发热体不与反应气体接触，不容易氧化腐蚀；

（2）发热体不易变形，散热效率较高，加热均匀；

（3）沉积台台面吸热效率高，升温快速、均匀；

（4）可在700℃～1000℃的高温段持续稳定工作。

附图说明

图1为高温加热沉积台的正面示意图；

图2为高温加热沉积台的俯视图。

其中，

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

图1是高温加热沉积台的正面图；如图所示，高温加热沉积台包括沉积台台面2、沉积台基座1和内部发热装置，沉积台基座1和沉积台台面2构成封装，将发热装置密封在内部；沉积台台面2构成上层结构，沉积台基座1支撑了整个沉积台以及内部发热装置；内部发热装置包括发热部件和支撑部件，发热体电极3和发热体5构成了发热部件；发热体支撑托盘4和陶瓷柱阵列8构成支撑部件，支撑了发热部件；沉积台台面2的内表面镀覆的一层氧化铬镀层9，成为热辐射吸收面，沉积台台面2和氧化铬镀层9接受发热体5传来的热辐射从而被加热。沉积台台面2和发热体5表面分别设置沉积台测温电偶6和发热体测温电偶7，对沉积台台面2和发热体5直接进行温度监控；为了监控沉积台台面2温度的均匀度，特别在沉积台台面2表面设置多个沉积台测温电偶，6分别间隔设置在沉积台台面2表面。

图2是高温加热沉积台的俯视图，为清楚显示内部结构去掉沉积台台面2，如图2所示，发热体5呈蛇形布局封闭在沉积台基座1内，两端为发热体电极3；发热体测温电偶7设置在发热体5表面。

沉积台基座1和沉积台台面2构成的密闭结构最大限度地降低了发热体与反应气体的接触，也更加有利于发热体材料的稳定工作。

发热体5选用镍铬合金Ni80Cr20，Ni80Cr20本身具有良好的抗氧化腐蚀性，其熔点为1400℃，很适合作为CVD系统中高温加热沉积台的发热体材料。

为提高沉积台台面2的吸热效率，从而提高这种高温加热沉积台的发热效率，沉积台台面2的内表面上被镀覆了一层100nm的氧化铬薄膜。沉积台常用的镍铬合金的黑体系数为0.6，而氧化铬的黑体系数可达到0.8，因此镀覆氧化铬薄膜的沉积台内表面比直接采用金属面接收辐射的效率提高了近33%，在发热体处于同等功率或温度的情况下，将使沉积台获得更高的温度。换言之，即沉积台要获得相同的加热温度，镀覆氧化铬薄膜后只需提供更小的发热体功率或温度。

镍铬合金在高温下本身的机械强度大幅下降，容易变形，变形的程度随着温度继续升高而加剧，这会严重影响加热的均匀性。为了解决镍铬合金发热体的受热变形问题，需要给加热体做绝缘支撑。由于绝缘体支撑件一般为陶瓷器件，本发明的陶瓷柱阵列8与发热体支撑托盘4均使用氧化铝陶瓷（95瓷）。

由于陶瓷器件导热系数低，因此在发热体工作时巨大的热量会聚集在支撑件与发热体的贴合部位，致使发热件局部温度迅速上升而自熔断。针对这一问题，本发明使用陶瓷柱阵列8来支撑镍铬合金发热体，大大减小了绝缘体支撑件与发热体之间的接触面积，在不影响支撑效果的同时大大提高了发热体的散热效率。

经实测，在没有陶瓷柱阵列8和氧化铬镀层9的情况下，当沉积台台面2的温度达到700℃时，发热体的表面温度最高可达1000℃；继续升高台面温度，发热体5的温度也将随之大幅升高；当台面温度达到870℃时，发热体的表面温度达到1250℃，并迅速自熔融，短路后停止工作，总工作时间为4小时。此时拆卸发热体时发现发热体已与绝缘支撑器件粘连，因此确认在没有陶瓷柱阵列8和氧化铬镀层9的辅助时沉积台无法维持1000℃的使用温度。

而在增加了陶瓷柱阵列8和氧化铬镀层9后，当沉积台台面2温度达到700℃时，发热体5的表面温度最高仅930℃；继续升高台面温度至1000℃，发热体的表面温度达到1180℃，保持该温度持续加热100小时后加热体仍稳定工作；继续升高台面温度至1130℃，发热体表面温度达到1270℃，自熔断后停止工作，在1100℃以上工作时间为4.5小时。因此确认这种新型的高温加热沉积台大大提高了加热效率和稳定性，并可以在700℃～1000℃的温度段内持续稳定工作。

实施例1：

使用化学气象沉积（CVD）在平玻璃基板上生长氮化硅薄膜。平玻璃基板放置于高温加热沉积台台面上，开启发热体电极，加热基板至700℃并保持。按15:1比例通入氨气与硅烷气体，生长氮化硅薄膜。工作100小时后，发热体测温电偶测得镍铬合金加热体温度小于900℃。

实施例2：

使用化学气象沉积（CVD）在铁基板上生长掺硼碳涂层。铁基底放置于高温加热沉积台台面上，开启发热体电极，加热基板至1000℃并保持。按1:2:30的比例通入三氯化硼、甲烷和氢气，生长掺硼碳涂层。工作100小时后，发热体测温电偶测得镍铬合金加热体温度小于1150℃。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于化学气相沉积的高温加热沉积台，所述高温加热沉积台包括沉积台台面(2)、沉积台基座(1)和内部发热装置，其中，

沉积台台面(2)构成上层结构，沉积台基座(1)支撑了整个沉积台以及内部发热装置，所述沉积台基座(1)和沉积台台面(2)构成封装，将所述发热装置密封在内部；

所述内部发热装置包括发热部件和支撑部件，所述发热部件由发热体电极(3)和发热体(5)构成；所述支撑部件由发热体支撑托盘(4)和陶瓷柱阵列(8)构成。对发热体(5)形成支撑；其特征在于：所述沉积台台面(2)的内表面镀覆的一层氧化铬镀层(9)，成为热辐射吸收面。

2.如权利要求1所述的用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述氧化铬镀层(9)为黑体系数0.8，厚度100nm的氧化铬薄膜。

3.如权利要求2所述的用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述发热体(5)呈蛇形布局，两端为发热体电极(3)。

4.如权利要求3所述的用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述发热体(5)为熔点为1400℃的镍铬合金Ni80Cr20。

5.如权利要求4所述的用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述发热体支撑托盘(4)和陶瓷柱阵列(8)是由95瓷制成。

6.如权利要求5所述的用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述沉积台台面(2)和发热体(5)表面分别设置沉积台测温电偶(6)和发热体测温电偶(7)，对沉积台台面(2)和发热体(5)直接进行温度监控。

7.如权利要求6所述的用于化学气相沉积的高温加热沉积台，其特征在于：所述沉积台测温电偶(6)为4-6个，分别均匀间隔设置在沉积台台面(2)的表面。