CN103789824A - 一种用于氢化物气相外延的光辅助加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多片式氢化物气相外延（HVPE）反应器的光辅助加热系统，包括：放置在反应器内部、石墨衬底正上方的红外灯加热器，放置在反应器外底部、石墨衬底正下方的红外灯加热器，放置在反应器外部、石墨衬底侧上方或侧下方的包围着反应器石英管一圈的红外灯加热器，以及包围着反应器石英管其余部分的电阻丝加热器。本发明提出的光辅助加热系统能够快速均匀地加热衬底温度，特别是能够满足均匀加热大面积衬底的要求。

Description

一种用于氢化物气相外延的光辅助加热系统

技术领域

本发明涉及一种用于制备半导体材料的气相外延装置，具体为一种用于氢化物气相外延（HVPE）的红外光辅助加热系统。

背景技术

气相外延（VPE）技术广泛用于制备半导体薄膜或厚膜，其中的氢化物气相外延（HVPE）技术具有生长速度快、生产成本低等特点，非常适用于III族氮化物半导体材料生长，例如氮化镓（GaN）厚膜的生长。为了大批量地生长高质量的氮化镓厚膜，期望在HVPE反应室的较大衬底或较大沉积区域上获得均匀的反应前体浓度和均匀的衬底温度。这些因素非常重要，其直接影响半导体器件的质量和成本，故而影响器件在市场中的竞争力。

目前的氢化物气相外延（HVPE），仍局限在小尺寸反应器，例如一次生长3片或6片2英寸的 GaN晶片，一次生长10片以上的GaN晶片仍很困难。其中的难点之一是，当衬底面积增大后，温度均匀性难以保证。由于HVPE反应为放热反应，需要向衬底放出热量，因此必须依靠外部加热，产生一个从外壁向衬底的温度递减。对于目前广泛采用的垂直式HVPE反应器，外部加热主要依靠电阻加热。热量一般从垂直于侧壁的电阻丝发出，通过导热和辐射穿过半透明石英壁面，传递到水平放置的石墨衬底。由于辐射面与接收面相互垂直，辐射角倾斜度大，因此导热传热远远高于辐射传热，造成衬底边缘温度高于中心温度。当反应器尺寸增大后，温度的径向不均匀性更加突出。而且由于电阻加热功率密度低，甚至中心部分无法加热到生长温度。

发明专利 CN 102465335 A，公开了一种利用射频感应加热的气相外延系统，可以快速加热衬底，并提高功率密度。但是对于大尺寸的衬底，感应加热虽然能够提供足够的能量，但需要进行精确而复杂的感应线圈和感应体的形状设计,仍难以克服衬底中心和边缘温度不均的困难。发明专利 CN 103276444 A，公开了一种双加热器的气相外延系统，可以同时在反应器外部和内部加热，提供气相外延系统所需的高温生长温度。但是该系统设计采用电阻加热，并且仅限于非对称系统如水平式反应器，不能用于圆柱对称的垂直式反应器。

发明内容

本发明的主要目的是，提供一种方便而有效的大尺寸垂直式HVPE反应器的加热方式。在向大尺寸的反应器衬底提供足够热量的同时，解决衬底中心和边缘温度不均的困难。从而获得均匀的反应沉积温度，实现III族氮化物半导体材料的高质量生长和大批量生产。

本发明的大尺寸垂直式HVPE反应器加热系统的主要技术方案为：在传统的围绕反应器石英管外壁的电阻丝加热器的基础上，增加设置在反应器内部和/或外部的红外灯加热，利用红外灯加热的定向性好、快速等优点，使石墨托盘中心温度快速提升，从而弥补传统的电阻加热方式功率密度低，沿径向温度分布不均匀的缺点。

红外灯加热器可设置在反应器内部石墨衬底的正上方，将其辐射光对准石墨衬底上表面的中心部位进行照射，起到快速加热石墨衬底上表面中心的效果。红外灯加热器也可布置在反应器外部，在石墨衬底的侧上方，围绕石英管外壁一圈设置数个红外灯加热器，将其辐射光以约45度角对准石墨衬底的中心部位进行照射，快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。红外灯加热器也可布置在反应器外部的石墨衬底的正下方，将其辐射光对准石墨衬底下表面中心及其周围进行照射，快速加热石墨中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。红外灯加热器还可布置在反应器外部，在石墨衬底的侧下方，围绕石英管外壁一圈设置数个红外灯加热器，将其辐射光以约45度角对准石墨衬底下表面中心及其周围进行照射，快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

以上四种红外辅助加热方式可以分别单独实施，也可以同时联合实施。在红外辅助加热的同时，石英管外部的电阻加热器依然提供主要的反应器热源。

本发明提出的红外光辅助加热系统能够快速均匀地加热衬底温度，特别是能够满足均匀加热大面积衬底的要求。

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

附图说明

如附图1、2、3、4所示 在垂直式HVPE反应器1的石英管外壁2，围绕有电阻加热器3（该电阻加热器一般分为三区或四区，此处简化为单区）。在此电阻加热器的基础上，在反应器内部和/或外部设置红外灯加热器4、5、6或7，有四种设置方式：

方式1如附图1所示. 红外灯加热器4布置在反应器内部，位于石墨衬底8的正上方，喷淋头9的正下方（但也可以布置在喷淋头9的内部或上方）。依靠红外灯4A和半球形反光板4B，将辐射光对准石墨衬底8的中心及其周围进行照射，快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

方式2如附图2所示. 数个红外灯加热器5，布置在反应器1外部，围绕石英管外壁2一圈，依靠红外灯5A和半球形反光板5B，将辐射光以约45度角对准石墨衬底8的中心及其周围进行照射（其具体角度以辐射光不受喷淋头9遮挡为准），快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

方式3如附图3所示. 红外灯加热器6，布置在反应器外部，位于石墨衬底8的正下方。依靠红外灯6A和半球形反光板6B，将辐射光对准石墨衬底下方中心及其周围进行照射，快速加热石墨中心部分，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

方式4如附图4所示. 数个红外灯加热器7布置在反应器1外部，围绕石英管外壁2一圈，依靠红外灯7A和半球形反光板7B，将辐射光以约45度角对准石墨衬底8的正下方中心及其周围进行辐射，快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

具体实施方式

方案1：如图1, 在垂直式HVPE反应器1的石英管外壁2，围绕有电阻加热器3（该电阻加热器一般分为三区或四区，此处简化为单区）。在此电阻加热器的基础上，在反应器内部设置红外灯加热器4。布置在石墨衬底8的正上方，喷淋头9的正下方。依靠红外灯4A和半球形反光板4B，将辐射光对准石墨衬底8的中心及其周围进行照射，快速加热石墨衬底中心部分，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

方案2：如图2，数个红外灯加热器5，均匀布置在反应器1外部，围绕石英管外壁2一圈，且在石墨衬底8侧上方约45度角，以辐射光不受喷淋头9遮挡为准。依靠红外灯5A和半球形反光板5B，将辐射光以约45度角对准石墨衬底8的中心及其周围进行照射，快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

方案3：如图3，红外灯加热器6，布置在反应器外部，位于石墨衬底的正下方。依靠红外灯6A和半球形反光板6B，将辐射光对准石墨衬底8下方中心及其周围进行照射，快速加热石墨中心部分，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

方案4：如图4，数个红外灯加热器7均匀布置在反应器1外部，围绕石英管外壁2一圈，且在石墨衬底8侧下方约45度角，依靠红外灯7A和半球形反光板7B，将辐射光以约45度角对准石墨衬底8的正下方中心及其周围进行照射，快速加热石墨衬底中心部位，以补偿石墨盘中心温度低于边缘的温差热量。

当采用方案1时，红外灯加热器4也可以固定在喷淋头9的内部，此时喷淋头需要做成中空的结构。从喷淋头中部喷出惰性气体，喷在红外灯加热器的反射背板，为灯管提供冷却，同时起到保护红外灯管避免玷污的作用。红外灯加热器反射背板的余热辐射，还可为上方的镓舟提供所需的热量。

当采用方案2时，围绕石英管外壁2的一圈红外灯加热器5，将占据原来的电阻加热器3的位置，除了一圈红外灯加热器之外，其余石英管外壁2仍为电阻加热器3包围。

当采用方案3时，红外灯加热器6由下方的支撑杆10固定，石墨托盘的转轴采用中空的旋转筒11。中空部分留给红外灯加热器6的安置。

当采用方案4时，围绕石英管外壁2的一圈红外灯加热器7，将占据原来的电阻加热器3的位置，除了一圈红外灯加热器之外，其余石英管外壁2仍为电阻加热器3包围。

本发明提出的光辅助加热系统能够快速均匀地加热衬底，特别是能够补偿大面积衬底中心温度的偏低，满足大面积衬底均匀加热温度的要求。

Claims (8)

1.一种用于多片式氢化物气相外延 (HVPE)反应器的光辅助加热系统，其特征为：采用光辅助红外灯加热器，或是布置在反应器内部，位于石墨衬底正上方的轴线上；或是布置在反应器底部，位于石墨衬底正下方的轴线上；或是布置在围绕反应器石英管外壁的圆周上，位于石墨衬底的侧上方或侧下方，而包围反应器石英管外壁的其余部分采用主电阻加热器，在主电阻加热器实施加热的同时，四种红外灯辅助加热器可以分别单独地、也可以联合地实施加热。

2.根据权利要求1所述的HVPE反应器光辅助加热系统，其特征是，在反应器内部轴线上、石墨衬底的正上方，布置一个红外灯加热器，该加热器可以悬挂在喷淋头的下方（也可以布置在在喷淋头的内部或上方），由喷淋头支撑，该加热器依靠红外灯和半球形反光板，将辐射光对准石墨衬底上表面中心部位进行照射，起到快速加热石墨中心部位，补偿石墨盘温度中心低于边缘的作用。

3.根据权利要求1所述的HVPE反应器光辅助加热系统，其特征是，在反应器石英管外部的石墨衬底侧上方约45度角，布置一圈红外灯加热器，而反应器石英管外部的其余部分则为电阻丝加热器，所述的红外灯加热器有反射曲面，使得反射光以约45度角照射石墨衬底，其具体角度以辐射光不受喷淋头遮挡为准。

4.根据权利要求1所述的HVPE反应器光辅助加热系统，其特征是，在反应器外底部轴线上、石墨衬底的正下方，布置一个红外灯加热器，该加热器依靠红外灯和半球形反光板，将辐射光对准石墨盘下表面中心部位进行照射，起到快速加热石墨中心部位，补偿石墨盘温度中心低于边缘的作用。

5.根据权利要求1所述的HVPE反应器光辅助加热系统，其特征是，在反应器石英管外部的石墨衬底侧下方约45度角，布置一圈红外灯加热器，反应器石英管外部的其余部分则为电阻丝加热器，所述的红外灯加热器有反射曲面，使得反射光以约45度角照射石墨衬底正下方中心及其周围，补偿石墨盘温度中心低于边缘的作用。

6.根据权利要求1和2所述的HVPE反应器光辅助加热系统，其特征是，从喷淋头中部喷出惰性气体，喷在红外灯加热器的反射背板，为灯管提供冷却, 同时起到保护红外灯管避免玷污的作用，红外灯加热器的背面余热，还提供上方的金属镓舟所需的热量。

7.根据权利要求1和2所述的HVPE反应器光辅助加热系统，红外灯加热器固定在喷淋头的内部，此时，红外灯加热器下方的喷淋头中轴部分开有与红外灯加热器尺寸相当的孔道，以便辐射光束穿过该孔道照至石墨盘中心部位。

8.根据权利要求1和4所述的HVPE反应器光辅助加热系统，红外灯加热器由下方的支撑杆固定，石墨托盘转轴采用中空的旋转筒, 中空部分安置红外灯加热器。

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