CN104264218A - 一种用于氢化物气相外延(hvpe)生长的加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，包括5个加热温区、炉内加热模块、加热炉体及加热炉外壳；所述加热炉体分为辅助加热温区和材料生长加热恒温区；所述各加热温区均设置多个加热模块及其内置温度传感器；所述各加热模块及其内置温度传感器分别与自动控温电路连接，通过自动控温电路合理调节加热模块的加热功率，结合在加热温区中设置的加热模块的种类及加热方式，将每一个温区的温度独立、精密控制在预设温度范围，从而实现炉内温场的温度分布均匀、稳定。本发明尤其适合于大面积区域的材料生长。

Description

一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置

技术领域

本发明涉及半导体工业材料生长领域，尤其涉及一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长领域使用的加热装置。

背景技术

加热炉应用范围十分广阔，包括熔炼、高温锻造、材料生长、高温加工等等。其主要原理是通过不同加热方式提高温度，控制预先设定的温度，使原材料在高温下发生物理或者化学反应，或者使加工原料在高温下分子结构发生改变，从而实现加工或制作的目的。

随着半导体工业技术的发展，半导体工业材料生长领域的产品不断更新，其中生长工艺对于温场控制的要求越来越高，半导体材料生长领域，尤其氢化物气相外延(HVPE)材料生长领域中加热炉应用十分广泛，其关键技术是保证加热炉的温场恒定和高精度控制，因此高精度恒温场加热方式的研究成为重点。

在半导体材料生长领域，尤其氢化物气相外延(HVPE)材料生长领域中，传统的加热炉为管式结构，多段加热，均采用单层、外置的电阻丝加热，每段温区的电热丝处于同一平面。此结构的温度均匀性差(炉体中心区域温度较低，接近炉内壁区域温度较高)，当其用于大面积材料生长时，影响尤为突出。

因此，针对上述技术问题，迫切需要提供一种能够在较大面积区域实现温场均匀、稳定分布且能精密控制温度的加热装置供半导体材料生长使用。

发明内容

本发明的主要目的是，提供一种能够实现精密控制且保持温场均匀性的加热装置。

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置；本加热装置包括加热炉体、五个(第一～第五)加热温区、石英部件、加热炉体外壳、上法兰盘和下法兰盘。在加热炉体的中设置圆柱形中空腔石英反应腔(供作材料生长用)。

本发明一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其结构特点：

1.加热炉体中设置五个加热温区，所述加热炉体内置各加热温区可分为辅助加热温区和材料生长加热恒温区：其中，在加热炉体上端的第一加热温区和第五加热温区均为辅助加热温区；而加热炉体中段的第三加热温区与其上邻段第二加热温区、下邻段第四加热温区，均为材料生长加热恒温区；其中，第二加热温区以一定的倾斜角度与第一、第三加热温区邻接，第四加热温区以一定的倾斜角度与第三、第五加热温区邻接；从而第二、第三、第四加热温区，在加热炉中空腔室内形成较大容积的立体对称聚焦型加热空间。这种结构，其供作材料生长的加热恒温区容积大，材料受气源流入、尾气流出对区域温场的影响小，有利于生长区域温场温度保持均匀、稳定。

2.在各加热温区内均设置多个各自独立的加热模块：其中，在辅助加热温区的各加热模块为电热丝加热模块，而在材料生长加热恒温区的各加热模块为电热丝加热模块或射频加热模块；在电热丝加热模块内用电热丝以脉冲型双层阵列均匀排布，在射频加热模块内用感应线圈以圆周双层阵列均匀排布；在每个加热模块内均设置一个耐高温温度传感器，分别与自动控温电路连接，可根据材料生长工艺要求预先设定并实时调控各温区温度，以实现温度的精密控制。

3.炉内加热模块：设置于圆柱形中空石英腔内中心处的石英托架与石墨盘之间。炉内加热模块为射频感应加热模块，其内设置射频感应线圈和耐高温温度传感器，而射频感应线圈以圆形双层排布，温度传感器与自动控温电路连接，可独立调控反应腔中心区域温度，有利于实时补足反应腔中心区温度低于边缘温度的温差。

在圆柱形石英腔体两端面与上、下法兰盘盖面板相接处，用双水冷真空橡胶密封，构成材料生长腔体，并在上、下法兰盘端面与加热炉体两端处，内圈用高温纤维棉封装，外圈用双水冷真空橡胶密封，从而在各加热温区与石英管之间的空间，形成并保持真空状态以减少热量流失，提高热效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提出了一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其加热炉体分为辅助加热温区和材料生长加热恒温区，辅助加热温区为电热加热模块，材料生长加热恒温区分别为电加热模块和射频加热模块，材料生长区域设置了射频加热模块，起到材料生长温度的补偿作用，材料生长恒温区在炉体结构上改造为聚焦型热壁外延立体加热区域，使加热炉整体恒温均匀性较好，尤其是材料生长恒温区的温场趋于稳定，更适用于大面积材料生长。而且，其中每一个加热温区内各设置有加热模块和温度传感器，所述加热模块和温度传感器分别与自动控温电路连接，通过温度传感器反馈各加热温区的温度，并通过自动控温程序对加热温区所需材料生长温度的控制。加热温区设置的加热模块，通过加热温区置于不同种类的加热模块，以此实现对氢化物气相外延(HVPE)生长加热装置温度的精密控制，保证材料生长温场的温度分布均匀、稳定。

附图说明

附图1是一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置内部结构图：其中，加热炉体1，加热炉外壳2，第一加热温区3，第二加热温区4，第三加热温区5，第四加热温区6，第五加热温区7，炉内加热模块11，中空腔石英腔室8，上法兰盘9，下法兰盘10。

附图2是电热丝加热模块结构图：其中，电热丝加热模块12，脉冲型双层阵列均匀排布电热丝13，温度传感器14。

附图3是射频加热模块结构图：其中，射频加热模块16，圆形双层阵列均匀排布的射频感应线圈15，温度传感器14。

具体实施方式

实施例1：

本发明提出一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，如图1所示，本加热装置包括加热炉和炉内加热模块11；所述加热炉，包括第一加热温区3、第二加热温区4、第三加热温区5、第四加热温区6、第五加热温区7以及加热炉体1和加热炉外壳2。

如图1所示，在加热炉的上下两端较短的，第一加热温区3、第五加热温区7为独立控温的辅助加热温区，用来预热进入气体和防止过早形成氯化铵粉尘，辅助维持加热炉内部温场稳定。

如图1所示，在上下两段辅助加热器之间的，第二加热温区4、第三加热温区5、第四加热温区6为材料生长加热恒温区；其中，中段的第三加热温区5，其外延热辐射沿着衬底表面平行方向直至材料生长区；第二加热温区4在第三加热温区5与第一加热温区3之间以其面夹角为120°～160°衔接，第四加热温区6，在第三加热温区5与第五加热温区7之间以其面夹角为120°～160°衔接，致使第二加热温区4、第四加热温区6的外延热辐射沿着其面方向指至材料生长区；因此，发自第二加热温区4、第三加热温区5、第四加热温区6的全部外延热辐射，均指向由第二、第三、第四加热温区所形成的立体对称聚焦空间区域，因而有利于在较大容积范围形成GaN生长所需要的温场区域。在所述各加热温区内均设置多个各自独立的电热丝加热模块12(其内置以脉冲型双层阵列均匀排布的电热丝13，如图2所示)并内置耐高温温度传感器14，各温度传感器分别与自动控温电路连接，可依据材料生长工艺要求预设定的各温区温度及实际温差，分别实时调控各加热温区的加热功率，从而在较大范围的GaN生长区域，实现温场均匀、稳定分布。

如图1所示，在加热炉体1内设置中空腔石英腔室8，在其中部(位于材料生长恒温区)设置石墨舟(其上放置待生长GaN的衬底)，在其下方设置炉内加热模块11，该加热模块为射频感应加热模块，其射频辐射透过紧贴的石墨舟传至且快速加热GaN生长区(既石墨舟的中心区)；在炉内加热模块11内为射频感应加热模块16，如图3所示，其内设置圆形双层阵列均匀排布的射频感应线圈(15)和温度传感器(14)，该温度传感器与自动控温电路连接，独立控温并自动补偿GaN生长中心区(即石墨舟的中心区)温度，补足中心与边缘区域的温差，从而辅助所述多个各加热温区对GaN生长区域温场的调控，使GaN生长区域的温场温度均匀、稳定。

通常用于GaN生长的氢化物气相外延(HVPE)的加热装置，其工作温度高达850℃-1150℃，所用高温温度传感器为R型(铂铑-铂)热电偶。根据生长工艺的要求，预先设置加热炉每个加热温区的加热温度和炉内加热模块的加热温度，在工作时，温度传感器将所检测的温度信号实时反馈给上位工控计算机，经PID运算后通过IGPT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块实时控制各加热模块的输出功率(0-100％无级输出)，使每个温区的温度(在生长期各步骤时段内)精确控制在预先设定值范围，从而确保GaN生长区域温场均匀、稳定。

在中空腔石英腔室8的两个开端与上法兰盘9、下法兰盘10面板接口处，用双水冷真空橡胶密封，形成材料生长腔室；在加热炉的上下两个开端与法兰盘之间，内圈用保温材料(如高温纤维棉)密封，外圈用优质不锈钢双水冷真空橡胶密封起来形成封闭式加热炉；以此减少热量流失，提高加热效率。在上法兰盘有生长源气体及保护气体进入的连接口，下法兰盘有真空连接口连通保护气体。

如图2所示，电热丝加热模块12，其内置脉冲形双层阵列均匀排布电热丝13。如图3所示，炉内加热模块11为射频感应加热模块16，其内置圆形双层阵列均匀排布的射频感应线圈15、温度传感器14。各加热模块设置独立电源端口；各加热模块、温度传感器分别与自动控温电路连接，通过自动控温电路合理调节加热模块的加热功率，实现加热装置内生长区域温度均匀、稳定；双层阵列均匀排布式模块，可选择单层或双层使用，如此设置，既能快速加热升温也能快速调控，便于提高温场均匀性、稳定性，并节约电能，延长加热模块内电阻丝、感应线圈的使用寿命。

本加热装置，各加热温区的加热模块主要为电阻丝加热模块，根据工艺需要，各加热温区所用加热模块类型可选择性更换，如红外线加热模块，电磁感应加热模块等；不同类型的加热模块既可选用单一类型，也可混合使用；而双层阵列均匀排布式模块，也可选择单层或双层使用。

由于各加热温区内置彼此独立的加热模块，且实施独立控温，使用和更换都非常灵活方便。

本发明是一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，特别适用于大面积材料生长，实现加热炉温度精密控制，确保在大面积材料生长区域的温场温度分布均匀、稳定。

Claims (6)

1.一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，包括加热炉和炉内加热模块(11)；其特征在于，所述加热炉包括第一加热温区(3)、第二加热温区(4)、第三加热温区(5)、第四加热温区(6)、第五加热温区(7)以及加热炉体(1)和加热炉外壳(2)；所述各加热温区均设置多个加热模块及其内置温度传感器(14)；所述加热模块及其内置温度传感器(14)分别与自动控温电路连接。

2.根据权利要求1所述一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其特征在于，所述第二加热温区(4)在第三加热温区(5)与第一加热温区(3)之间以其面夹角为120°～160°衔接，第四加热温区(6)，在第三加热温区(5)与第五加热温区(7)之间以其面夹角为120°～160°衔接，从而第二、第三、第四加热温区，在加热炉中空腔室内形成立体对称聚焦型热辐射加热空间。

3.根据权利要求1所述一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其特征在于，所述加热炉体(1)内置各加热温区可分为辅助加热温区和材料生长加热恒温区；其中，第一加热温区(3)、第五加热温区(7)为辅助加热温区，而第二加热温区(4)、第三加热温区(5)、第四加热温区(6)为材料生长加热恒温区。

4.根据权利要求1所述一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其特征在于，所述辅助加热温区内置加热模块为电热丝加热模块(12)，所述各材料生长加热恒温区内置加热模块为电热丝加热模块(12)或射频加热模块(16)；所述电热丝加热模块(12)内，是脉冲型双层阵列均匀排布电热丝(13)，所述射频加热模块(16)内，是圆形双层阵列均匀排布的射频感应线圈(15)。

5.根据权利要求1所述一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其特征在于，所述温度传感器(14)为耐高温温度传感器。

6.根据权利要求1所述一种用于氢化物气相外延(HVPE)生长的加热装置，其特征在于，所述炉内加热模块(11)为射频加热模块(16)，其内设置圆形双层阵列均匀排布的射频感应线圈(15)和温度传感器(14)。