CN107326343B - 用于薄膜材料生长的感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，包括：托盘；以及感应线圈，设置于托盘下方，用于对托盘进行加热；其中，感应线圈为平面螺旋形，且包括p匝线圈：第1匝线圈为感应线圈的最内匝线圈，第p匝线圈为最外匝线圈，第m匝线圈和第n匝线圈均位于第1匝线圈和第p匝线圈之间，1＜m＜n＜p；第1匝至第m匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距和第n匝至第p匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距均小于第m匝至第n匝线圈中任意相邻两匝线圈的匝间间距。本公开提供的感应加热装置，提高了托盘整体的温度均匀性和托盘中心区域的温度，且满足了大尺寸多片式的薄膜材料在高温下生长的需求，提高了生长薄膜材料的效率和质量。

Description

用于薄膜材料生长的感应加热装置

技术领域

本公开涉及薄膜材料生长装备制造领域，尤其涉及一种用于薄膜材料生长的感应加热装置。

背景技术

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备是化合物半导体材料外延生长的关键设备之一，其特别适合于半导体工业的大规模生产，是近年来外延生长氮化镓、磷化铟、砷化镓、氧化锌等化合物半导体最主要的设备。直接影响半导体材料外延生产能力和质量好坏的最重要因素便是生长时衬底片的温度及温度的均匀性。衬底片是放置在托盘上通过热传导方式被加热升温的，因此如何提高托盘的最高温度和温度均匀性是非常关键的问题。

目前MOCVD设备的加热方式大部分采用电阻片或电阻丝进行直流加热，通过电阻片或电阻丝自身的发热升温，再以热辐射的方式将热量传递给托盘使其温度升高。这种加热方式虽然具有设计简单、温度均匀性好的优点，但是对于高温生长薄膜材料的应用却具有升温能力有限且效率较低的缺陷，并且在此种加热方式条件下，生长温度一般不高于1300℃。感应加热是利用电磁感应的原理，即感应线圈中的交流电在空间中产生交变磁场，托盘处于此交变磁场中而在自身内部产生感应电动势进而产生涡流发热，此种加热方式具有加热效率高、升温快、生长温度高等优点。目前有通过采用多区域感应加热的方式，其中感应线圈位于托盘正下方，对不同区域的感应线圈施加不同的功率来提高温度的均匀分布。但由于需要同时控制多个感应电源以及考虑到腔室内复杂的电磁感应现象，各区域感应线圈会互相影响，增加了调试和控制的难度。由于交流电的趋肤效应和复杂的电磁分布，利用感应加热提升托盘温度的均匀性仍需进一步的研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，提高了托盘整体的温度均匀性和托盘中心区域的温度。本公开提供的感应加热装置满足了大尺寸多片式的薄膜材料在高温下生长的需求，提高了生长薄膜材料的效率和质量。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，包括：托盘；以及感应线圈，设置于所述托盘下方，用于对所述托盘进行加热；其中，所述感应线圈为平面螺旋形，且包括p匝线圈：第1匝线圈为所述感应线圈的最内匝线圈，第p匝线圈为最外匝线圈，第m匝线圈和第n匝线圈均位于所述第1匝线圈和所述第p匝线圈之间，1＜m＜n＜p；第1匝至第m匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距和第n匝至第p匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距均小于第m匝至第n匝线圈中任意相邻两匝线圈的匝间间距。

在本公开的一些实施例中，还包括：金属旋转轴，与所述托盘相连，用于带动托盘旋转；以及电阻加热片，设置于所述托盘下方且环绕所述金属旋转轴的上端部，用于对所述金属旋转轴加热。

在本公开的一些实施例中，所述平面螺旋形感应线圈由空心的导电金属管绕制而成。

在本公开的一些实施例中，所述导电金属管的空心区域形成第一冷却通道，用于冷却所述感应线圈；所述金属旋转轴内设有第二冷却通道，用于冷却金属旋转轴。

在本公开的一些实施例中，所述电阻加热片和所述感应线圈均与托盘、金属旋转轴之间存在间隔。

在本公开的一些实施例中，所述感应线圈与所述电阻加热片之间存在间隔。

在本公开的一些实施例中，所述电阻加热片的材料为钨 、铼或钼。

在本公开的一些实施例中，所述感应线圈的最外匝线圈超出所述托盘的外边缘。

在本公开的一些实施例中，所述托盘的下表面与所述感应线圈的平面平行，所述托盘上表面设置有圆坑，用于放置衬底片。

在本公开的一些实施例中，所述p、m、n的取值分别为6、2、5。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种用于薄膜材料生长的感应加热装置至少具有以下有益效果之一：

(1)通过采用第1匝至第m匝线圈和第n匝至第p匝线圈相对于第 m匝至第n匝线圈更密集的排列方式，使磁力线在靠近托盘的中央区域和外边缘区域更加密集，从而抵消了托盘的中央区域的热传导和外边缘区域的热辐射造成的热量散失，提高了托盘整体的温度均匀性；

(2)通过利用电阻加热片围绕所述金属旋转轴的上端部分，通电后的电阻加热片升温后以热辐射的方式对金属旋转轴进行加热，金属旋转轴以热传导的方式将部分热量传递给托盘的中央区域，从而升高托盘的中央区域温度；

(3)通过增加托盘的尺寸和感应线圈的总匝数，并对感应线圈的排列分布作适当地修改，即可制备大尺寸的多片式反应室，结构简单，控制方便。

附图说明

图1为本公开具体实施例中用于薄膜材料生长的感应加热装置的二维剖面结构示意图。

图2为依据本实施例中用于薄膜材料生长的感应加热装置和传统的感应加热装置中托盘上表面径向的温度分布图。

【主要元件】

1托盘；2感应线圈；3金属旋转轴；4电阻加热片；5第一冷却通道； 6第二冷却通道。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，用于改善薄膜材料生长时衬底材料的温度均匀性问题，该装置包括：

托盘；

感应线圈，设置于所述托盘下方，用于对所述托盘进行加热；

金属旋转轴，与所述托盘相连，用于带动托盘旋转；以及

电阻加热片，设置于所述托盘下方且包围着所述金属旋转轴的上端部，用于对所述金属旋转轴加热；其中，

所述托盘的下表面与所述感应线圈的平面平行，上表面设置有圆坑，用于放置衬底片。

所述金属旋转轴由电机驱动，可带动托盘从低速到高速旋转，并且其内部设置有第二冷却通道。

所述感应线圈为平面螺旋形，且包括p匝线圈：第1匝线圈为所述感应线圈的最内匝线圈，第p匝线圈为最外匝线圈，第m匝线圈和第n匝线圈均位于所述第1匝线圈和所述第p匝线圈之间，1＜m＜n＜p；第1匝至第 m匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距和第n匝至第p匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距均小于第m匝至第n匝线圈中任意相邻两匝线圈的匝间间距；进一步的，所述平面螺旋形感应线圈由空心的导电金属管绕制而成，导电金属管的空心部分形成第一冷却通道。

具体地，由于第1匝至第m匝线圈和第n匝至第p匝线圈相对于第m 匝至第n匝线圈的排列更密集，所以当对感应线圈通交流电后，磁力线在靠近托盘的中央区域和外边缘区域更加密集，从而增加了这些区域的感生涡流大小，抵消托盘的中央区域的热传导和外边缘区域的热辐射造成的热量散失，提高托盘整体的温度均匀性。

进一步的，所述第一冷却通道和第二冷却通道在感应加热装置运行的整个过程中一直通水进行冷却，以防止交流功率和直流功率过大时引起感应线圈和金属旋转轴的温度过高。

所述电阻加热片环绕所述金属旋转轴靠近托盘的上端部，当电阻加热片通直流电后，所述电阻加热片由于自身的电阻发热而升温，随后所述电阻加热片以热辐射的方式对金属旋转轴进行加热，金属旋转轴以热传导的方式将部分热量传递给托盘的中央区域，从而升高托盘的中央区域温度，降低了整个托盘内的最高温度与最低温度之间的差值；优选的，所述电阻加热片的材料为钨 、铼或钼。

进一步的，所述电阻加热片和感应线圈均不与托盘、金属旋转轴接触，即它们之间存在一定的间距，所述感应线圈与电阻加热片也互不接触，以上设置均是为了保持电绝缘。

优选的，所述感应线圈的最外匝线圈即第p匝线圈超出托盘的外边缘，以实现当感应线圈通交流电时托盘外边缘的右下角有较强的感生磁场，这是为了防止托盘外边缘的右下角温度过低，目的在于进一步改善托盘的温度均匀性。

另外，对于大尺寸的多片式反应室，感应线圈的总匝数、感应线圈与托盘的距离以及内外匝线圈的半径可根据托盘的大小和衬底片所需要达到的最高温度而确定，不需要对托盘做特殊设计，结构简单，控制方便。

进一步的，随着加热温度需求的升高，相应调整直流功率和交流功率即可；对更大尺寸的反应室需求，相应调整托盘的大小和感应线圈的匝数和排布即可。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开具体实施例中用于薄膜材料生长的感应加热装置的二维剖面结构示意图。请参照图1，托盘1的材料为石墨，形状为圆盘型，其直径为

厚度为8mm，其大小适合于5片4英寸和6片3英寸的衬底片，本公开的托盘材料不限于石墨，形状也不限制为圆盘。进一步的，所述石墨托盘的上表面设置有很薄的防止石墨高温下挥发的涂层，例如碳化硅涂层或碳化钽涂层。金属旋转轴3与石墨托盘直接相连，以带动石墨托盘进行旋转，其下端部可通过对第二冷却通道6通水进行冷却。

为了补偿石墨托盘中央区域与金属旋转轴3之间的热传导所散失的热量，在金属旋转轴3靠近石墨托盘的上端部分设置了电阻加热片4。本实施例中的电阻加热片4的形状为环形，环绕在金属旋转轴3的上端部。

为了使石墨托盘的温度均匀性进一步提高，将感应线圈2的排列分布进行了如下设计。如图1所示，感应线圈2为平面螺旋形，其包括6匝线圈，其中最内匝线圈的内径大于环形电阻加热片4的内径，以避免电阻加热片和感应线圈相接触造成短路。优选的，最外匝线圈即第6匝线圈超出石墨托盘1的外边缘，目的是进一步改善石墨托盘上表面温度的均匀性。感应线圈非均匀排列，其中第1匝线圈和第2匝线圈之间的间距以及第5 匝线圈和第6匝线圈的匝间间距均小于第2匝线圈至第5匝线圈中任意相邻两匝间的间距。另外，平面螺旋形感应线圈由空心的导电金属管绕制而成，可通过对导电金属管的空心部分即第一冷却通道5通水进行冷却。对于感应线圈和电阻加热片与石墨托盘、金属旋转轴之间的距离，保证它们之间不接触，不造成短路即可。

下面通过对本实施例中的用于薄膜材料生长的感应加热装置进行仿真模拟计算，以观察此感应加热装置的性能。在本实施例中，同时对传统的感应加热装置进行了仿真模拟计算，并与本公开的感应加热装置进行了对比。其中，传统的感应加热装置中，也具有6匝线圈，但各匝线圈之间的间距相同，且不包括电阻加热片，其他均与本公开的感应加热装置相同。图2为依据本实施例中用于薄膜材料生长的感应加热装置和传统的感应加热装置中石墨托盘上表面径向的温度分布图。如图2所示，对于传统的感应加热装置，石墨托盘上表面的温度差为259.4℃，而对于本公开的感应加热装置，石墨托盘上表面的温度差为20.3℃，温度均匀性提高了92.17％。另外，从图2中还可以看出，通过利用本实施例中的感应加热装置，石墨托盘中央区域的温度得到了很大的提升，且整个石墨托盘上表面的温度也得到了提高。

对于在更大尺寸的衬底片(如6英寸、8英寸等)上生长薄膜材料，本公开同样适用，只需相应的增加托盘的尺寸，增加感应线圈的匝数并作适当地排列分布修改即可。

现有技术中有通过在发热体中挖环形槽的方式，改变热量的传导路径和分布，从而提高发热体上表面的温度均匀性。这种加热方式中感应线圈在发热体的四周，对于在小尺寸的衬底片(如2英寸)上生长薄膜材料是合适的。但对于大尺寸多片式的反应室，发热体直径增大，由于集肤效应的影响会导致发热体中心区域难以产生涡流而不易被加热，温度均匀性会变得很差。与现有技术相较而言，本公开的感应加热装置易于修改和加工，具有灵活易控的优点，且更适合于大尺寸多片式的薄膜材料在高温下生长的需求。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换，例如：

(1)所述感应线圈的总匝数p不限于6匝，m和n的取值不限于2 和5，可根据托盘的大小和衬底所需加热的最高温度而相应改变，不影响本公开的实现；

(2)所述电阻加热片可以为环形或其他形状，不影响本公开的实现。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

综上所述，本公开通过采用第1匝至第m匝线圈和第n匝至第p匝线圈相对于第m匝至第n匝线圈更密集的排列方式，以及设置电阻加热片环绕金属旋转轴的上端部，提高了托盘中心区域的温度和托盘整体的温度均匀性，从而广泛应用于化合物半导体材料生长、薄膜材料的生长等诸多领域。

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

Claims (8)

1.一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，包括：

托盘；

金属旋转轴，与所述托盘相连，用于带动托盘旋转；

电阻加热片，设置于所述托盘下方且环绕所述金属旋转轴的上端部，用于对所述金属旋转轴加热；以及

感应线圈，设置于所述托盘下方，用于对所述托盘进行加热，所述托盘的下表面与所述感应线圈的平面平行，所述感应线圈的最外匝线圈超出所述托盘的外边缘；其中，

所述感应线圈为平面螺旋形，且包括p匝线圈：第1匝线圈为所述感应线圈的最内匝线圈，第p匝线圈为最外匝线圈，第m匝线圈和第n匝线圈均位于所述第1匝线圈和所述第p匝线圈之间，1＜m＜n＜p；

第1匝至第m匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距和第n匝至第p匝线圈中任意相邻两匝线圈的间距均小于第m匝至第n匝线圈中任意相邻两匝线圈的匝间间距。

2.根据权利要求1所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，所述平面螺旋形感应线圈由空心的导电金属管绕制而成。

3.根据权利要求2所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，

所述导电金属管的空心区域形成第一冷却通道，用于冷却所述感应线圈；

所述金属旋转轴内设有第二冷却通道，用于冷却金属旋转轴。

4.根据权利要求1所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，所述电阻加热片和所述感应线圈均与托盘、金属旋转轴之间存在间隔。

5.根据权利要求1所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，所述感应线圈与所述电阻加热片之间存在间隔。

6.根据权利要求1所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，所述电阻加热片的材料为钨 、铼或钼。

7.根据权利要求1所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，所述托盘上表面设置有圆坑，用于放置衬底片。

8.根据权利要求1所述的一种用于薄膜材料生长的感应加热装置，其中，所述m、n、p的取值分别为2、5、6。

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