CN104046965A - 一种辐射加热元件、辐射加热器及mocvd反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属有机物化学气相沉积设备领域，具体为一种辐射加热元件、辐射加热器及MOCVD反应器，加热元件由加热片以轴线对称方式绕制而成，加热片的截面为异型截面，辐射加热器采用了该异型截面的加热元件，而MOCVD反应器采用了该辐射加热器制成。本发明在使用辐射加热的条件下，通过改进加热元件的结构、形状，提升了加热元件所能承受的功率。通过与之配套的高温MOCVD反应器，解决了目前广泛使用的MOCVD反应器不能提供生长高质量AlN、AlGaN外延工艺所需要的高温条件的问题。

Description

一种辐射加热元件、辐射加热器及MOCVD反应器

技术领域

本发明涉及金属有机物化学气相沉积设备领域，具体为一种辐射加热元件、辐射加热器及MOCVD反应器。 

背景技术

金属有机物化学气相淀积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD）技术因具有薄膜生长速率较快、生长质量好等优点，成为GaN、AlGaN、AlN等Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜生长与器件制作最适合的外延技术。利用MOCVD外延技术制备的AlGaN/GaN器件具有广泛的用途，如AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（AlGaN/GaN HEMT）器件主要用于耐高温抗辐照的高频大功率器件及电路的制作，是未来微波功率器件的首选，将成为通讯、雷达、制导、空间防御及电子对抗等现代化装备的核心部件；AlGaN/GaN光电探测器件包括紫外探测器、ISBT红外探测器、UV/IR双色探测器等，在多个行业及领域都有广泛的应用需求。

在AlGaN/GaN器件构筑过程中，均涉及到多层GaN、AlGaN与AlN薄膜的叠层外延生长，外延薄膜质量成为器件性能得以实现的一个关键。特别地，在AlGaN和AlN外延工艺中，如何有效控制Al组分、提高Al原子的表面迁移能力，改善外延薄膜质量，是目前MOCVD设备在Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料外延与器件制备时所面临的重要瓶颈之一，亟待技术突破。

研究表明，通过提高外延生长温度（高于1400 ℃），使得Al原子获得更多能量，从而能够有效增强Al原子表面迁移率，改善Al组分的均匀性、表面形貌和晶体质量。但是，目前商用的MOCVD机台一般最高加热温度为1300℃左右，距离在1400℃以上工况长时间、稳定运行还有较大差距，并不能满足沉积高质量AlN、AlGaN等材料的生长要求。

目前， MOCVD一种普遍采用的加热方式是辐射加热，辐射加热使用的加热元件的基本形状如图1所示。由图可见目前使用的加热元件一般都是由平滑的片状或者由弹簧型的加热丝制成。平滑的片状加热元件能够承受很大的电流，但是其辐射面积有限；绕成圆柱状的加热丝辐射面积很大，但是单根加热丝承受电流的能力有限，若采用多根加热丝的方式制造加热元件，加热器的设计及制造难度急剧上升，并且在受热后还存在变形下垂的问题，实际使用非常少。使用以上两种形状加热元件的加热器在现有MOCVD中将基片加热到1200℃时使用情况都非常好，但是随着基片对更高温度的要求的提升，加热元件上需要承担的功率越来越大，表面负荷也越来越重，但是因为材料特性，加热元件表面热载荷负荷能力却在不断下降（金属钨及金属铼表面载荷承受能力与温度的关系如图2所示，线性近似，实际上下降更快）。因此，现有MOCVD中加热元件设计不能够满足MOCVD将基片加热到更高温度的要求。 

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术辐射加热方式中加热元件不能将基片加热到1400℃及更高温度的问题，本发明旨在提供一种能够承受较大功率、使用辐射加热方式将载片盘上方基片加热到1400℃及以上的辐射加热元件、利用该辐射加热元件制成的加热器及使用该加热器的、适用于更高温度的MOCVD反应器，满足沉积高质量AlGaN/AlN外延工艺对基片温度的要求。

本发明的技术方案为，一种辐射加热元件，由加热片以轴线对称方式绕制而成，所述加热片的截面为异型截面。

采用异型截面的加热片能够增加辐射加热元件辐射面积，加热效果更好。

所述加热片的截面可为V型、W型、U型、梯形等。

一种辐射加热器，包括辐射加热元件、电极连接元件和设在辐射加热元件外侧的隔热屏蔽组件，所述辐射加热元件采用上述辐射加热元件，所述隔热屏蔽组件包括多层热屏蔽板，每层热屏蔽板为整板或由多块热屏蔽板拼接而成；所述辐射加热元件与对应的电极连接元件连接。 

辐射加热元件经支撑件支撑而置于隔热屏蔽组件上方，支撑件为支撑细丝。

热屏蔽板由难熔材料制成，如陶瓷、金属钨、钼等。

作为一种优选方案，所述每层热屏蔽板由2-8块屏蔽板拼接而成。

一种MOCVD反应器，包括反应器壳体、反应器壳体顶面的多组气体接口、反应器壳体内上部用于放置基片的基片载盘、基片载盘下方的加热器，所述基片载盘的底部中心设有旋转支撑轴，所述加热器为上述辐射加热器，所述辐射加热器分布于旋转支撑轴的外侧；所述加热器的外周还设有竖向热屏蔽板，竖向热屏蔽板的顶端置于辐射加热元件与基片载盘之间，而竖向热屏蔽板的底端与反应器壳体的底面连接。

作为一种优选方案，竖向热屏蔽板所围成圆形外径小于等于基片载盘的外径。

MOCVD反应器内部分布有多层隔热屏蔽层及冷却结构。所述冷却结构内部通有温度可控的冷却液，冷却液为水、油、油水混合物或其它液体。

所述辐射加热器中的辐射加热元件包括置于旋转支撑轴外侧的纵向设置的内圈辐射加热元件、置于基片载盘下方且水平设置的中圈辐射加热元件、置于中圈辐射加热元件外侧的外圈辐射加热元件，所述中圈辐射加热元件与外圈辐射加热元件均置于内圈辐射加热元件的上方。

所述内圈辐射加热元件的截面形状为波浪形，所述中圈辐射加热元件与外圈辐射加热元件的截面均为圆弧形。

作为一种优选方案，所述热屏蔽板表面为热辐射反射率较高的光滑表面。

作为一种优选方案，所述放置基片的基片载盘为热导率高的耐高温材料，如难熔金属、石墨等。

作为一种优选方案，所述载片盘与加热元件相对的表面为辐射吸收率较高的粗糙表面。

本发明在使用辐射加热的条件下，通过改进加热元件的结构、形状，提升了加热元件所能承受的功率。通过与之配套的高温MOCVD反应器，解决了目前广泛使用的MOCVD反应器不能提供生长高质量AlN、AlGaN外延工艺所需要的高温条件的问题。

附图说明

图1为背景技术中现有辐射加热元件的结构示意图；

图2 钨、铼表面载荷承载能力与温度的曲线关系；

图3 本发明中截面为V型的辐射加热元件结构示意图；

图4本发明中截面为U型的辐射加热元件结构示意图；

图5 本发明中截面为梯型的辐射加热元件结构示意图；

图6 为本发明所述MOCVD反应器；

图7为本发明热屏蔽层及加热元件支撑结构示意图；

图8为图6中一层隔热屏蔽层的结构示意图。

具体实施方式

一种辐射加热元件，由加热片17以轴线对称绕制而成，加热片17的截面为异型截面，如图3所示，加热片17的截面为V型；如图4所示，加热片17的截面为U型；如图5所示，加热片17的截面为梯型。

如图6所示，一种MOCVD反应器，包括反应器壳体8、反应器壳体8顶面的4组气体接口1、2、3、4和反应器壳体8内上部用于放置基片15的基片载盘5、基片载盘5下方的辐射加热器、反应器壳体8内部的顶面的气体分布装置6，基片载盘5的底部中心设有旋转支撑轴11；反应器壳体8底部设有抽气口10。第一气体接口1连接第一前体气体接口组，第一前体气体为含有Ⅲ族元素有机物的气体，如含三甲基镓的气体；第二气体接口2连接第二前体气体供应管道，第二前体气体为含有Ⅴ族元素的气体；第三气体接口3连接载气气体，如氢气、氮气；第四接口4为冷却液接口组，其内部为对气体分布装置6进行冷却的冷却液,冷却液为水或油。

辐射加热器包括辐射加热元件、电极连接元件16和设在辐射加热元件外侧的隔热屏蔽组件，辐射加热元件采用上述辐射加热元件，隔热屏蔽组件包括水平设置的4层水平热屏蔽板7，各层水平热屏蔽板之间通过支撑机构支撑，如图7、图8所示，每层水平热屏蔽板由4块热屏蔽板18拼接而成；所述辐射加热元件与对应的电极连接元件16连接。辐射加热元件经支撑件支撑而置于隔热屏蔽组件上方。支撑机构为支撑柱19和支撑环18，支撑柱嵌装在热屏蔽板18中，支撑环18套装在支撑柱19外，且支撑环位于两层热屏蔽板7之间。电极连接元件16为电气连接杆。

辐射加热器分布于旋转支撑轴11的外侧；加热器的外周还设有竖向热屏蔽板9，竖向热屏蔽板9的顶端置于辐射加热元件与基片载盘5之间，而竖向热屏蔽板6的底端与反应器壳体8的底面连接。

辐射加热器中的辐射加热元件包括置于旋转支撑轴11外侧的纵向设置的内圈辐射加热元件12、置于基片载盘5下方且水平设置的中圈辐射加热元件13、置于中圈辐射加热元件13外侧的外圈辐射加热元件14，所述中圈辐射加热元件13与外圈辐射加热元件14均置于内圈辐射加热元件12的上方。

内圈辐射加热元件12的截面形状为波浪形，中圈辐射加热元件13与外圈辐射加热元件14的截面均为圆弧形。 

Claims (9)

1. 一种辐射加热元件，由加热片（17）以轴线对称方式绕制而成，其特征是，所述加热片（17）的截面为异型截面。

2.根据权利要求1所述辐射加热元件，其特征是，所述加热片（17）的截面为U型。

3.根据权利要求1所述辐射加热元件，其特征是，所述加热片（17）的截面为V型。

4.根据权利要求1所述辐射加热元件，其特征是，所述加热片（17）的截面为梯型。

5.一种辐射加热器，包括辐射加热元件、电极连接元件（16）和设在辐射加热元件外侧的隔热屏蔽组件，其特征是，所述辐射加热元件采用权利要求1-4之一所述辐射加热元件，所述隔热屏蔽组件包括多层热屏蔽板，每层热屏蔽板为整板或由多块热屏蔽板（18）拼接而成；所述辐射加热元件与对应的电极连接元件（16）连接。

6.根据权利要求5所述辐射加热器，其特征是，辐射加热元件经支撑件支撑而置于隔热屏蔽组件上方。

7.一种MOCVD反应器，包括反应器壳体（8）、反应器壳体（8）顶面的多组气体接口（1,2,3,4）、反应器壳体（8）内上部用于放置基片（15）的基片载盘（5）、基片载盘（5）下方的加热器，所述基片载盘（5）的底部中心设有旋转支撑轴（11），其特征是，所述加热器为权利要求5-6之一所述辐射加热器，所述辐射加热器分布于旋转支撑轴（11）的外侧；所述加热器的外周还设有竖向热屏蔽板（9），竖向热屏蔽板（9）的顶端置于辐射加热元件与基片载盘（5）之间，而竖向热屏蔽板（6）的底端与反应器壳体（8）的底面连接。

8.根据权利要求7所述MOCVD反应器，其特征是，所述辐射加热器中的辐射加热元件包括置于旋转支撑轴（11）外侧的纵向设置的内圈辐射加热元件（12）、置于基片载盘（5）下方且水平设置的中圈辐射加热元件（13）、置于中圈辐射加热元件（13）外侧的外圈辐射加热元件（14），所述中圈辐射加热元件（13）与外圈辐射加热元件（14）均置于内圈辐射加热元件（12）的上方。

9.根据权利要求7所述MOCVD反应器，其特征是，所述内圈辐射加热元件（12）的截面形状为波浪形，所述中圈辐射加热元件（13）与外圈辐射加热元件（14）的截面均为圆弧形。