CN106488997B - 在cvd反应器中被涂覆的扁平构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有扁平构件(11、12)的CVD反应器以及扁平构件(11、12、15、17)，所述扁平构件(11、12、15、17)具有两个相互平行延伸且以厚度(d)相互间隔的宽侧(3、3′)，其中，每个宽侧(3、3′)的外部边缘(5)通过构成具有边棱倒圆部半径(R)和边棱倒圆部弧长(α)的边棱倒圆部无弯折地向外部的周向侧(4)的边缘过渡，其中，厚度(d)明显小于与宽侧面表面等效的圆直径(D)，其中，构件(11、12、15、17)构成由石墨制成的芯体(1)，所述芯体的材料与由SiC或TaC制成的涂层(2)的材料相比具有更大的热膨胀系数，宽侧(3、3′)和周向侧(4)在高于室温的涂覆温度下被所述涂层(2)涂覆，以至于在室温下涂层具有压应力。为了降低涂层(2)与芯体(1)之间的应力建议，边棱倒圆部弧长(α)大于90°，并且边棱倒圆部半径(R)为最多1mm和/或大于涂层(2)的厚度，其中，周向侧(4)具有无弯折地相互过渡、构成至少一个凹处(6)的倒圆区段。

Description

在CVD反应器中被涂覆的扁平构件
本发明涉及一种带有扁平构件的CVD反应器和一种扁平构件。该扁平构件具有两个优选形状相同、相互平行延伸且以厚度相互间隔的宽侧，其中，外部的边棱在每个与外部的圆周侧的边缘邻接的宽侧上具有边棱倒圆部，该边棱倒圆部具有倒圆半径和倒圆弧长，其中，厚度明显小于与宽侧面表面等效的圆直径，其中，扁平构件构成芯体，该芯体的材料具有比涂层的材料更大的热膨胀系数，利用该涂层在高于室温的涂覆温度下对宽侧和圆周侧进行涂覆，从而使涂层在室温下具有压应力。
文献WO 2013/064613描述了一种CVD反应器，其具有进气机构和布置在进气机构中的基座，该基座具有圆盘形状并且在涂覆过程中成为基体的支架。
文献WO 99/43874同样也描述了一种CVD反应器，其具有两个盘状构件，也即过程室盖部和用于容纳在过程室中待涂覆的基底的基座。
文献US 2005/0183669A1在图5中描述了一种盖件，该盖件由扁平柱状的构件构成。所述盖件具有一个涂层和两个相互背离指向的宽侧。一个宽侧通过构成具有90°倒圆弧长的边棱倒圆部向周向面过渡。周向面在构成凸起部和拐点的情况下向第二宽侧过渡。
文献US5,837,058描述了一种用于CVD装置的基座，其中，在边缘上延伸的凸起部在构成倒圆的情况下向周向面过渡。
文献US 2003/0205324 A1以及US 2005/0092439 A1在图4中描述了一种具有两个相互背离指向的宽侧的基座，该宽侧分别通过构成边棱倒圆向周向面过渡。周向面具有沿周向延伸的凹口。
CVD反应器中的基座或盖板通常由石墨制成。石墨构件具有扁平、片状的构造。石墨构件通常具有两个形状相同、相互平行延伸的宽侧。其可以是圆柱体。该圆柱体的厚度与其直径相比较小。除了具有圆形形状的构件之外，在CVD反应器中也可以使用被涂覆的具有不同于圆形底面的其他底面的扁平构件。而且在此厚度与直径相比也相对较小，其中，此处该直径理解为与扁平构件的宽侧具有相同底面的圆形的直径。石墨体被数微米厚的层涂覆。涂层的层厚小于1mm。为了进行涂覆，通常使用SiC或TaC或其他碳化物或硬质材料。涂层的敷设在高于1000℃的温度下进行。芯体与涂层相比具有更大的热膨胀系数，宽侧和周向侧用该涂层涂覆。在被涂覆的构件从涂覆温度冷却至室温时，在涂层的内部产生应力。该应力是压应力。该压应力由层和芯体的不同收缩导致。收缩朝构件的重心的方向进行。若涉及均匀物体，则重心是质量重心。否则重心是体积重心。由于扁平构件的圆盘形状，周向侧离重心比较远，从而在该处形成在层中或者说在涂层和芯体之间的界面的区域中的最大应力。在冷却时比芯体更小程度收缩的涂层内部形成压应力。高的压应力会长期影响涂层的质量。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种措施，以便更牢固地涂层，尤其(在任何温度下)在每个时刻降低涂层中出现的临界最大应力。
该技术问题通过在各权利要求中给出的技术方案解决。
建模计算结论表示，较大的边棱倒圆半径会导致在涂层与芯体之间的界面的区域中较大的最大应力。这归结于涂层的由边棱倒圆所构成的弧的几何形状决定的稳定性。该弧沿径向具有相对较大的稳定性。出人意料的是，具有大于90°的弧长的边棱倒圆导致最大应力的显著下降。若边棱倒圆半径约为1mm或小于1mm，则会出现最大应力的显著下降。在扁平构件的一种优选设计方式中(在扁平构件中宽侧形状相同，扁平构件由此在某种程度上是扁平柱体)有利的是，在向周向侧的倒圆部上邻接有底切的、环绕的凹处。该凹处可以向环绕的凸峰过渡。凸峰则又向凹处过渡。周向侧的横截面轮廓线由此优选在两个宽侧之间波纹状地延伸。因为扁平构件在热状态下被涂覆，所以在冷却状态下、也即在室温下出现最大应力。该应力在构件被加热至1000℃的工作期间削减。由此在每次温度变化时、也就是说在每次使用扁平构件时都会发生负载变化。根据本发明的规定，可以避免频繁的负载变化对扁平构件寿命的不利影响。有利的是，边棱倒圆部的弧长大于90°、优选大于95°、100°、105°、110°、115°或大于120°。周向侧的横截面轮廓线不具有拐点，而是具有波纹形状。构件的宽侧可以平滑地设计。然而构件的宽侧也可以具有多个凹陷，分别用于容纳圆盘状的波状体或基体载体。扁平构件的指向下的宽侧(该宽侧在此可以是基座)可以具有结构化部(Strukturierung)。同样也适用于盖板。此外还可以规定，扁平构件具有孔。该孔可以是圆柱形构件的中央孔。开口的内壁同样也构成扁平构件的周向侧，该周向侧如上所述被结构化。该周向侧具有倒圆的边棱，其中，倒圆半径小于或等于1mm。宽侧面无拐点地通过边棱倒圆部向周向侧过渡，其中，在观察横截面时，与宽侧面相对应的直线上邻接有连续弯曲的弧线。宽侧面在某种程度上平滑地向弧线过渡，该弧线在不改变弯曲方向的情况下弯曲90°以上，随后弧线在弯曲转折点上向反向弯曲的区段过渡，该反向弯曲的区段要么向周向侧的直线状延伸的区段过渡，要么继续波纹状延伸。在穿过扁平构件的横截面平面中，扁平构件的宽侧的边缘沿两条平行线延伸。这两条平行线与宽侧面相对应并且以其长度的一半以下、优选四分之一以下的距离相互间隔。平行线在其端部上向对应于边棱倒圆部的弧线过渡。该弧线优选在圆弧或近似圆弧上延伸。弧的周长大于90°、优选至少为95°或至少为100°。弧的第一端部无拐点地相应邻接在每一条平行线上。弧的第二端部优选向反向弯曲的弧段过渡，从而在周向面上构成至少一个凹处，该凹处的底部相对于穿过第二弧的顶点的假想线回缩。优选地，扁平构件在其整个圆周上具有之前所述的边缘区域的横截面。由于倒圆部的大于90°的弧长，在扁平构件的宽侧面的两个倒圆的边棱之间形成环绕的、至少在边缘区域横截面中倒圆的凹处。扁平构件的厚度优选小于表面等同的圆直径的五分之一、优选十分之一。该扁平构件可以具有圆柱形的轮廓。然而也可以具有与圆形不同的轮廓。本发明涉及CVD反应器的被涂覆的构件的周向边缘的设计方式，其中，构件涉及基座、基座的放置在兜孔中的基底固持器、过程室的盖板或喷淋头的排气板。
以下借助附图阐述实施例。在附图中：
图1示意性示出CVD反应器连同布置在CVD反应器中的扁平构件11、12；
图2示出成圆柱形状的第一扁平构件12；
图3示出根据图2的剖切线3-3的剖视图；
图4示出第二实施例的根据图3的视图；
图5示出根据图4中局部V的放大图；
图6示出第三实施例的根据图5的视图；
图7示出第四实施例的根据图5的视图；
图8示出呈带有中央孔8的圆盘11形状的第五实施例；
图9示出根据图8中剖切线IX-IX的剖视图；
图10示出类似于图1的视图，其示意性示出带有进气机构13的CVD反应器，进气机构具有带有排气孔16的、被涂覆的排气板15；
图11示出图10中的局部XI；
图12示出带有兜孔的被涂覆的基座12，在兜孔中设有被涂覆的基体载体17；
图13放大示出图12中的局部XIII；
图14放大地示出图12中的局部XIV；和
图15示出类似于图11、13、14的其他横截面形廓
图1示意性示出CVD反应器。CVD反应器10具有壳体，在该壳体中设有进气机构13，利用该进气机构能够将过程气输入CVD反应器10的过程室中。过程室盖部11由石墨件构成，该石墨件在中心处具有孔。石墨件具有圆盘状的外形轮廓。
在过程室的盖部11下方具有过程室的底部，该底部由基座12构成，该基座自下借助加热器14被加热至1000℃以上的过程温度。基座由石墨件12构成，该石墨件具有圆形的轮廓。基座12的顶面设有构成用于容纳基体的兜孔的结构基体。
两个石墨件11、12在其外形轮廓方面具有形状相同的顶侧和底侧。这些构件在图2和图8中示意性示出，其中，为清楚起见而将边棱倒圆半径与根据本发明所应具有的尺寸相比明显更大地示出。
图2所示的构件表示基座12。它是圆盘状的石墨件1，该石墨件具有1-4cm的厚度d和大于20cm、尤其大于30cm的直径D。由石墨构成的芯体1的整个外表面设有涂层2。该涂层2在此是由SiC或TaC构成的50至200μm或75至150μm厚的涂层。涂层在1000℃以上的温度下被涂覆在芯体1上。因为碳化硅或碳化钽具有比石墨小的热膨胀，所以石墨芯体1与涂层2相比以更剧烈的程度沿图3所示且以K标注的线条朝重心M的方向收缩。这导致两个相互背离指向的从轮廓开始形状相同的宽侧3轻微窝成杯状。而且在周向侧4中在被涂覆的构件12冷却时还观察到轻微的收缩。
根据本发明，构件12的边棱5设有微小的倒圆部。倒圆半径R大于涂层的厚度，然而最大为1mm。
在图4和5所示的实施例中，边棱5具有倒圆半径R为1mm的倒圆部。边棱倒圆部5的弧长α在此大于90°。边棱倒圆弧长α在此具有约为120°的数值。这使得垂直作用在周向侧4上的、由收缩引起的力K并非垂直作用于表面上，而是与垂直方向具有夹角。力K由此分解为相互正交的分力P和S。垂直作用在芯体1和涂层2之间的界面上的力分量S的数值小于力K的数值。这导致在涂层内部或者说在涂层2与芯体1之间的界面上的压力降低。
在边棱倒圆部5的区域中，在倒圆的涂层2的内部构成压应力，该压应力不垂直地通过涂层2与芯体1之间的界面导出到芯体1中。而基于圆弧的几何形状稳定性，力正切地导入宽侧3或周向侧4的涂层区段中。倒圆半径R的数值降低至1mm以下导致应力的显著降低。
在图6所示的实施例中，示出带有由石墨构成的芯件1的构件，该芯件1设有碳化硅涂层。边棱5设有近乎180°的倒圆部。倒圆部延伸至宽侧3的平面上。在两个边棱倒圆部5之间构成凹处6，周向侧4利用这两个边棱倒圆部5分别过渡至相应的宽侧3。
在图7所示的实施例中，周向侧4的横截面轮廓线波纹状地延伸，因此凸峰7和凹处6交替。周向侧4在两个边棱5之间无拐点地延伸。凸形的倒圆区段光滑壁式地向内凹形的倒圆区段过渡。由此构成绕构件的周向环绕的凹处6和位于凹处6之间的凸峰7。
图8示出另一个实施例。在此构件11是盖板，该盖板在中央处具有孔8。孔8构成周向侧4，该周向侧4通过倒圆的边棱5向宽侧3过渡。在此也在两个边棱倒圆部5之间构成凹处6。
本发明所基于的认识在于，倒圆部应该通过形成收缩部向周向侧4或宽侧面2过渡或者不应该大于最小值。这导致应力补偿。此外有利的是，各个面区段3、4、5、6、7通过构成具有小的倒圆半径的倒圆区无拐点地、也就是说光滑地相互过渡。
在实施例中描述了石墨体，该石墨体具有圆柱体形状。然而本发明还涉及这种扁平的石墨体，该扁平的石墨体具有与圆形不同的宽侧外形轮廓。而且此处在宽侧面与周向面之间的过渡区域的半径应该小于1mm并且半径区段大于90°。
图10示意性示出带有进气机构13的CVD反应器的过程室的另一种实施例，该进气机构设计为喷淋头。进气机构具有由石墨构成的排气板15，该排气板15具有排气孔16。排气板15的外周向面具有如图11所示的横截面轮廓。至少在两个相互对置的宽侧3、3′的边缘区段上，宽侧3、3′相互平行地延伸。宽侧面在该处分别无拐点地向边棱倒圆部5过渡，该边棱倒圆部5具有约为1mm的倒圆半径R1、R2。在过渡点18上，边棱倒圆部5的120°的弧长之后无拐点地邻接有半径为R3的弧段。参照在个宽侧3、3′之间延伸的中间平面，排气板15的边缘的横截面是对称的。这意味着，半径R1、R2是等大的。在具有半径R2的边棱倒圆部5上，在过渡点18上邻接有具有半径R3的弧。穿过边棱倒圆部5的顶点的假想线g跨越凹处6，该凹处的底部由半径R3构成。
图10中所示的过程室具有基座12，该基座12自下能够借助加热装置14被加热。基座12的周向侧4可以具有如图11、13、14和15所示的横截面视图的轮廓。
图12示出基座的另一种实施例，其中，在基座12的兜孔中置入基体载体17。基体载体17在涂覆运行过程中通过气流被旋转驱动，并且支承在由气流形成的气体轴承上。图13示出基座2的边缘横截面，并且图14示出基体载体17的边缘横截面。由图13和图14可知，周向侧4的横截面由三个依次相接布置的弧组成，具有半径R1、R2、R3的弧在过渡点18上无拐点地相互过渡。半径R1、R2约为1mm。半径R3与芯体1的厚度d相关，所述芯体被最多0.5mm厚的涂层2涂覆，并且半径R3可以明显大于半径R1、R2。半径R3在构件的厚度为13cm时可以在8至9mm之间。两个边棱倒圆部5之间的凹处6的横截面半径由此可以优选比边棱倒圆部半径大至少5倍。半径R3此外还还选择为，形成过渡点18，在该过渡点18上仅改变弯曲方向，但此外轮廓线无拐点地相互过渡。
图15中所示的实施例示出一种变型方案，其中，在边棱倒圆部5上分别邻接有反向弯曲的具有半径R3的弧，该弧向在直线上延伸的凹处6过渡，其中，平面的凹处6在过渡点19上无拐点地向具有半径R3的凹陷的倒圆部过渡。
上述实施例用于阐述全部包含在本申请之内的本发明，本发明至少通过以下技术特征组合分别创造性地改进现有技术，也即：
一种CVD反应器，其特征在于，为了减小涂层2与芯体1之间的应力，边棱倒圆部弧长α大于90°。
一种应用于CVD反应器中的构件，其特征在于，为了降低涂层2与芯体1之间的应力，边棱倒圆弧长α大于90°。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，涂层是SiC、TaC或其他硬质材料。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，边棱倒圆部半径R为最多1mm和/或大于涂层2的厚度。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，芯体1由石墨构成。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，涂层2在温度＞1000℃时被涂覆。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，周向侧4具有无拐点地相互过渡的、至少构成凹处6的倒圆区段。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，周向侧4在横截面中仅由圆弧段构成。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，构件11、12是基座12或盖板11、基体载体17或进气机构13的排气板15。
根据上述权利要求中任一项所述的CVD反应器或构件，其特征在于，构件11、12呈圆柱形，并且尤其具有至少20cm、尤其至少30cm的直径D和1至3cm之间的厚度d。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，构件11、12具有与圆形不同的轮廓。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，在穿过构件11、12、15、17的横截面平面中，所述构件的横截面至少在构件的边缘附近具有两条相互平行延伸的线条，所述线条对应于构件11、12、15、17的宽侧3、3′的边缘区域，并且所述线条的端部无拐点地向与边棱倒圆部相对应的弧线过渡，其中，弧线在圆弧或近似圆弧上延伸，并且弯曲的连接线使弧线无拐点地相互连接并且构成至少一个凹处6，所述凹处6相对于过弧线的顶点的直线回缩。
一种CVD反应器或构件，其特征在于，周向侧4在横截面中仅由依次相接布置的、具有半径R1、R2、R3的圆弧线构成。
所有公开内容(本身、然而也可以以相互组合的方式)都是有创造性的。在本申请的公开内容中由此还包含所属/所附优先权文件(在先申请的文本)的全部内容，然而为此目的，所述文件的技术特征也包含在本申请的权利要求中。从属权利要求以其技术特征对现有技术进行创造性的改进，尤其可以基于所述权利要求进行分案申请。
附图标记清单
1 芯体
2 涂层
3、3′ 宽侧
4 周向侧
5 边棱、边棱倒圆部
6 凹处
7 凸峰
8 孔
10 CVD反应器
11 盖板
12 基座
13 进气机构
14 加热装置
15 排气板
16 排气孔
17 基体载体
18 过渡点
19 过渡点
α 弧长
d 厚度
g 直线
D 圆直径
K 力
P 分力
R1 半径
R2 半径
R3 半径
S 分力
M 重心

Claims (26)

1.一种带有扁平构件的CVD反应器，所述扁平构件具有两个相互平行延伸且以厚度(d)相互间隔的宽侧(3、3′)，其中，每个宽侧(3、3′)的外部边缘(5)通过构成具有边棱倒圆部半径(R)和边棱倒圆部弧长(α)的边棱倒圆部无弯折地向外部的周向侧(4)的边缘过渡，其中，厚度(d)明显小于与宽侧面表面等效的圆直径(D)，其中，所述扁平构件构成芯体(1)，所述芯体的材料与涂层(2)的材料相比具有更大的热膨胀系数，宽侧(3、3′)和周向侧(4)在高于室温的涂覆温度下被所述涂层涂覆，以至于在室温下涂层具有压应力，其特征在于，边棱倒圆部弧长(α)大于90°，用于降低涂层(2)与芯体(1)之间的应力。
2.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，所述涂层是SiC、TaC或其他硬质材料。
3.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，所述边棱倒圆部半径(R)为最多1mm和/或大于涂层(2)的厚度。
4.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，芯体(1)由石墨构成。
5.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，涂层(2)在温度＞1000℃时被涂覆。
6.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，周向侧(4)具有无拐点地相互过渡的、构成至少一个凹处(6)的倒圆区段。
7.根据权利要求6所述的CVD反应器，其特征在于，周向侧(4)在横截面中仅由圆弧段构成。
8.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，所述扁平构件是基座(12)或盖板(11)、基体载体(17)或进气机构(13)的排气板(15)。
9.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，所述扁平构件呈圆柱形，并且具有至少20cm的直径(D)以及1至3cm之间的厚度(d)。
10.根据权利要求9所述的CVD反应器，其特征在于，所述扁平构件呈圆柱形，并且具有至少30cm的直径(D)以及1至3cm之间的厚度(d)。
11.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，所述扁平构件具有与圆形形状不同的轮廓。
12.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，在穿过扁平构件的横截面平面中，扁平构件的横截面至少在扁平构件的边缘附近具有两个相互平行延伸的线条，所述线条与扁平构件的宽侧(3、3′)的边缘区域相对应，并且所述线条的端部无拐点地向对应于边棱倒圆部(5)的弧线过渡，其中，所述弧线在圆弧或近似圆弧上延伸，并且弯曲的连接线使弧线无拐点地相互连接并且构成至少一个凹处(6)，所述凹处(6)相对于过弧线的顶点的直线回缩。
13.根据权利要求1的CVD反应器，其特征在于，周向侧(4)在横截面中仅由依次相接布置的具有半径(R1、R2、R3)的圆弧线构成。
14.一种应用于CVD反应器中的扁平构件，所述扁平构件具有两个相互平行延伸且以厚度(d)相互间隔的宽侧(3、3′)，其中，每个宽侧(3、3′)的外部边缘(5)通过构成具有边棱倒圆部半径(R)和边棱倒圆部弧长(α)的边棱倒圆部无弯折地向外部的周向侧(4)的边缘过渡，其中，厚度(d)明显小于与宽侧面表面等效的圆直径(D)，其中，所述扁平构件构成芯体(1)，所述芯体的材料与涂层(2)的材料相比具有更大的热膨胀系数，宽侧(3、3′)和周向侧(4)在高于室温的涂覆温度下被所述涂层涂覆，以至于在室温下涂层具有压应力，其特征在于，边棱倒圆部弧长(α)大于90°，用于降低涂层(2)与芯体(1)之间的应力。
15.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，所述涂层是SiC、TaC或其他硬质材料。
16.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，所述边棱倒圆部半径(R)为最多1mm和/或大于涂层(2)的厚度。
17.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，芯体(1)由石墨构成。
18.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，涂层(2)在温度＞1000℃时被涂覆。
19.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，周向侧(4)具有无拐点地相互过渡的、构成至少一个凹处(6)的倒圆区段。
20.根据权利要求19所述扁平构件，其特征在于，周向侧(4)在横截面中仅由圆弧段构成。
21.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，所述扁平构件是基座(12)或盖板(11)、基体载体(17)或进气机构(13)的排气板(15)。
22.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，所述扁平构件呈圆柱形，并且具有至少20cm的直径(D)以及1至3cm之间的厚度(d)。
23.根据权利要求22所述的扁平构件，其特征在于，所述扁平构件呈圆柱形，并且具有至少30cm的直径(D)以及1至3cm之间的厚度(d)。
24.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，所述扁平构件具有与圆形形状不同的轮廓。
25.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，在穿过扁平构件的横截面平面中，扁平构件的横截面至少在扁平构件的边缘附近具有两个相互平行延伸的线条，所述线条与扁平构件的宽侧(3、3′)的边缘区域相对应，并且所述线条的端部无拐点地向对应于边棱倒圆部(5)的弧线过渡，其中，所述弧线在圆弧或近似圆弧上延伸，并且弯曲的连接线使弧线无拐点地相互连接并且构成至少一个凹处(6)，所述凹处(6)相对于过弧线的顶点的直线回缩。
26.根据权利要求14所述的扁平构件，其特征在于，周向侧(4)在横截面中仅由依次相接布置的具有半径(R1、R2、R3)的圆弧线构成。
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