CN107523807B - 加热托盘的固定控制装置及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加热托盘的固定控制装置及其设备。其中，加热托盘的固定控制装置包括：旋转轴；螺旋加热丝，设置于旋转轴外围，与旋转轴之间存在间隔；托盘，位于旋转轴正上方；以及铁磁体，固定于托盘内，位于托盘中央区域。通过在旋转轴外围设置与旋转轴存在间隔并构成电磁铁结构的螺旋加热丝，通过控制螺旋加热丝电流的通断，便可实现对托盘与旋转轴的固定状态控制，结构简单，取放控制方便；同时还可以通过调节螺旋加热丝的电流的大小，实现对托盘中央区域的加热控制，从而满足不同大小的托盘、不同生长温度的需求，可有效改善托盘的温度均匀性。

Description

加热托盘的固定控制装置及其设备

技术领域

本公开属于薄膜材料生长装备制造领域，涉及一种加热托盘的固定控制装置及其设备。

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，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。

在生产过程中，对生长有薄膜材料的衬底片的进样和取样操作是必不可少的步骤。衬底片一般放置于托盘上表面内的圆形凹坑内，对托盘进行加热升温，通过托盘与衬底片之间的热传导作用引起衬底片的温度升高，从而提供薄膜材料在衬底片上的生长所需的温度。对于一次可生长多片的MOCVD设备而言，一般并不是依次对单片衬底片进行取放操作，而是对放置着所有衬底片的托盘进行取放操作，这一般通过机械手完成：进样时机械手将放置好衬底片的托盘由进样口送入反应室，在反应室中机械手再将托盘放置在旋转轴上；取样时过程相反。在此过程中，托盘一般是直接搁置在旋转轴上，没有作进一步的固定，方便机械手进行取放操作。

为了提高托盘的温度均匀性从而实现较好的薄膜材料生长质量，托盘一般由电机带动进行低速或高速旋转。对于低速旋转式的MOCVD，托盘与旋转轴接触稳固、转动平稳；但对于高速旋转式的MOCVD，托盘由于未与旋转轴牢靠固定，会受到反应室内气流的影响而出现托盘不平稳的问题。同时，在电磁加热式MOCVD腔室内，托盘还会受到周期性变化的磁力作用，当感应线圈中电流加大到一定程度时，甚至可能会造成托盘的侧翻，这对薄膜材料的生长是非常不利的。但是如果将托盘与旋转轴紧密固定，又会带来无法取片的问题。

对于高温电磁加热式MOCVD设备，如果不牢靠固定托盘于旋转轴，将会造成托盘受力侧翻；然而如果是固定不可拆结构，又会带来机械手取样的困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种加热托盘的固定控制装置及其设备，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公一个方面，提供了一种加热托盘的固定控制装置，包括：旋转轴；螺旋加热丝，设置于旋转轴外围，与旋转轴之间存在间隔；托盘，位于旋转轴正上方；以及铁磁体，固定于托盘内，位于托盘中央区域。

在本公开的一些实施例中，该加热托盘的固定控制装置还包括：加热器，设置在托盘的下方，与托盘存在间距，用于对托盘进行加热。

在本公开的一些实施例中，该加热托盘的固定控制装置还包括：旋转电机，设置在旋转轴的下方，产生旋转的动力。

在本公开的一些实施例中，旋转轴顶端设置有凸出部分；该托盘与旋转轴的接触处设置为凹槽，该凹槽与旋转轴顶端的凸出部分相契合。

在本公开的一些实施例中，螺旋加热丝的材料包括：电阻率高于铜且本身耐高温的导电材料；螺旋加热丝加载的电流为直流电。

在本公开的一些实施例中，螺旋加热丝的材料为钨或铼；和/或托盘的材料包括：表面涂有碳化硅或碳化钽涂层的石墨；和/或旋转轴的材料为铁氧体或硅钢。

在本公开的一些实施例中，加热器包括如下材料中的一种或几种：加热金属丝，加热金属片和交流线圈；加热器加载的电流为直流电或交流电。

在本公开的一些实施例中，加热器与螺旋加热丝的电源是相互独立控制的。

根据本公开的另一个方面，提供了一种设备，包括：反应室；反应室腔盖，设置于反应室顶部，进行密封；进气管，设置于反应室腔盖上；尾气排出口，设置于反应室底部；样品进出口，设置于反应室之上，以及以上公开的任一种加热托盘的固定控制装置；其中，该加热托盘的固定控制装置中的托盘高度与样品进出口的高度相同。

在本公开的一些实施例中，该设备包括：MOCVD设备、感应加热式和辐射加热式薄膜材料生长设备。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的加热托盘的固定控制装置及其设备，具有以下有益效果：

通过在旋转轴外围设置与旋转轴存在间隔并构成电磁铁结构的螺旋加热丝，通过控制螺旋加热丝电流的通断，便可实现对托盘与旋转轴的固定状态控制，结构简单，取放控制方便；同时还可以通过调节螺旋加热丝的电流的大小，实现对托盘中央区域的加热控制，从而满足不同大小的托盘、不同生长温度的需求，可有效改善托盘的温度均匀性。

附图说明

图1为根据本公开实施例加热托盘的固定控制装置的结构示意图。

图2为根据本公开实施例包含加热托盘的固定控制装置的设备的结构示意图。

图3为根据本公开实施例给螺旋加热丝通以不同电流以及不含螺旋加热丝，对应的托盘上表面的温度分布的仿真结果图。

【符号说明】

11-进气管； 12-尾气排出口；

21-反应室腔盖； 30-样品进出口；

100-旋转轴； 200-螺旋加热丝；

300-托盘；

310-铁磁体； 320-托盘边角；

400-加热器。

具体实施方式

本公开提供了一种加热托盘的固定控制装置及其设备，通过在旋转轴外围设置与旋转轴存在间隔并构成电磁铁结构的螺旋加热丝，通过控制该螺旋加热丝的通断，便可实现对托盘与旋转轴的固定状态控制，结构简单，取放控制方便；同时还可以通过调节螺旋加热丝的电流的大小，实现对托盘中央区域的加热控制，从而满足不同大小的托盘、不同生长温度的需求，可有效改善托盘的温度均匀性。

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。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种加热托盘的固定控制装置。

图1为根据本公开实施例加热托盘的固定控制装置的结构示意图；图2为根据本公开实施例包含加热托盘的固定控制装置的设备的结构示意图。结合图1和图2所示，本公开加热托盘的固定控制装置，包括：旋转轴100；螺旋加热丝200，设置于旋转轴外围，与旋转轴100之间存在间隔；托盘300，位于旋转轴正上方；以及铁磁体310，固定于托盘内，位于托盘中央区域。

为了便于说明本公开加热托盘的固定控制装置在取放样和温度均匀性控制方面的优势，下面结合加热托盘的固定控制装置在薄膜材料生长设备中取换样的过程进行详细介绍。

本实施例中，托盘300与旋转轴100的接触处设置为凹槽，该凹槽与旋转轴100顶端的凸出部分相契合。

本实施例中，托盘300优选为涂有碳化硅或碳化钽等涂层的石墨圆盘，在该托盘300的上表面有若干个圆形凹坑，放置用于薄膜材料生长的衬底。需要说明的是，本实施例是在MOCVD设备中进行举例示意说明，托盘的材料并不局限于本公开实施例，且设置的用于放置薄膜材料生长衬底的凹坑的形状不局限于圆形，还可以是矩形或者其他形状。其他用于生长薄膜材料的设备中的托盘都满足要求。

在托盘300的中央区域设置有铁磁体310，位于旋转轴100的上方。螺旋加热丝200设置于旋转轴100外围，与旋转轴100之间存在间隔，形成电磁铁结构。

螺旋加热丝200为导体，对于绕制成螺线管形式的导体，只要通电就会对管两端的铁磁体产生吸引作用；而在此螺线管中心插入金属芯，可以强化磁场，增大磁性吸引力的大小。

本实施例中螺旋加热丝200通直流电，螺旋加热丝200的材料采用钨或铼。

本实施例中，旋转轴100的材料为铁氧体或硅钢等磁导率大且退磁快的软磁材料，作为电磁铁结构的铁芯。

本公开中的螺旋加热丝200和置于其中的旋转轴100共同作为带有金属芯的通电螺线管，通电后，有磁性，可实现对托盘的吸附；断电后，磁性消失，托盘可以从旋转轴上取下。另外，在托盘300内嵌入铁磁体，保证了通电后对托盘的吸引力较大；如果不在托盘内设置铁磁体，也可以通过通断电控制螺旋加热丝和旋转轴的磁性，但是产生的磁性吸引力太小，不能实现对托盘的紧密吸附，在电磁加热式MOCVD腔室内，当托盘受到感应线圈产生的周期性磁力达到一定程度时，可能造成侧翻，因此本公开选择在托盘300内设置铁磁体310。

本公开中的螺旋加热丝200采用诸如钨，铼等电阻率高于铜且本身耐高温的导电材料，其螺旋状构成了螺线管，与旋转轴形成电磁铁结构，一方面在通电后导电产生磁场，对托盘中的铁磁体产生吸引力；一方面由于较高的电阻率，在电流热效应的作用下产生对托盘加热的效果。与现有技术相比，在电磁铁结构中，一般会使用铜等导电率大的材质绕制螺线管，该螺线管除了产生吸引力，是不会发热或者发热量很小可忽略，因而现有技术中的螺线管是没有加热效果的。而本发明创造性的采用电阻率高于铜且本身耐高温的导电材料制备螺旋加热丝，并设置于旋转轴外围，至少同时具有两种作用：1、用于加热；2、形成电磁铁结构。

在本实施例中，在托盘300的下方还设置有加热器400，用于对托盘进行加热。加热器400与托盘不接触，存在间距。

该加热器400与螺旋加热丝200的电源是相互独立控制的。螺旋加热丝200与加热器400的供电分别独立控制，增加了调节的灵活性。

该加热器400可以采用直流或者交流进行通电，可选的，该加热器400既可以是加热金属丝或加热金属片，采用直流通电，以热辐射的方式对托盘进行加热，也可以是交流线圈，采用感应生热的方式对托盘进行感应加热。其中，加热金属丝或加热金属片要满足能承受反应腔内的温度而不至于融化的条件，本领域常见的用于加热的金属丝或金属片都满足要求。

本实施例中，在旋转轴100的下方，还连接有旋转电机110，在托盘放置于旋转轴100之上，进行固定之后，在薄膜生长阶段，产生用于托盘旋转的动力。其中，旋转轴100作为旋转部件，只与托盘，旋转电机接触。其他的部件均为固定且静止的，不与旋转轴接触，尤其是螺旋加热丝，不得与旋转轴接触。一方面是因为接触会妨碍旋转轴旋转，另一方面接触会导致旋转轴带电从而不安全或者影响薄膜生长效果。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种包含加热托盘的固定控制装置的设备。结合图1和图2来看，本公开包含加热托盘的固定控制装置的设备，包括：反应室；反应室腔盖21，设置于反应室顶部，进行密封；进气管11，设置于反应室腔盖上；尾气排出口12，设置于反应室底部；样品进出口30，设置于反应室之上，以及加热托盘的固定控制装置，该装置中的托盘高度与样品进出口30的高度相同。

参照图2所示，在用于薄膜材料生长的反应室中，在反应室的上方采用反应室腔盖21进行密封，该反应室的上方设置有进气管11，该反应室的底部设置有尾气排出口12，在该反应室上还设置有样品进出口30，用于样品的进出；托盘的放置高度与样品进出口30相同，利用机械手抓取托盘边角320控制托盘在反应腔室的进出。

外延生长前，托盘300从样品进出口30处被机械手送入反应室内，并放置在旋转轴100的顶端，托盘边角320为方便机械手取放操作，设置为有突出的一个台阶的形状，如图1所示，此时给螺旋加热丝200通电，便形成电磁铁结构吸引托盘300中的铁磁体310，旋转轴100即相当于电磁铁的金属芯。由于铁磁体310固定于托盘300内，因此托盘300便被电磁力作用而牢固地固定于旋转轴100顶端与之紧密接触，如图2所示。然后便可启动旋转电机110，并开启加热器400，进行正常的薄膜材料生长过程。生长结束后需要取片时，关掉旋转电机100的电源，等待其停止后断开螺旋加热丝200的电源，此时电磁力作用消失，铁磁体310不再受到向下的电磁力，同样的托盘300对应也不受磁力的吸引，此时机械手进入反应室抓取托盘300并从样品进出口30取出。

其中，在薄膜材料的生长过程中，通过调节流过螺旋加热丝200的电流的大小，可改变对托盘300和旋转轴200的辐射热量大小，从而实现对托盘中央区域的温度控制，可有效的改善薄膜材料生长时的温度不均的问题。另外，对于不同的生长温度和转速高低需求，只需简单增减螺旋加热丝200的匝数和/或调整通过的直流电流大小即可满足。

另外，需要强调的是，本公开的加热托盘的固定控制装置及其设备，对于感应加热式和辐射加热式薄膜材料生长设备以及其他的常见薄膜材料生长设备均适用。

根据本公开实施例所示包含加热托盘的固定控制装置的设备进行了仿真模拟实验。

图3为根据本公开实施例给螺旋加热丝通以不同电流以及不含螺旋加热丝，对应的托盘上表面的温度分布的仿真结果图。如图3所示，该模拟仿真的参数设置如下：托盘300为圆形托盘，直径为300mm，加热器输出功率保持不变，恒定为7kW。仿真计算中其他条件均设置为一致，变量只有直流电流大小，本实验电流分别为110A，165A和220A，比较了对螺旋加热丝施加不同大小直流电流对应的托盘上表面温度的分布；以及不含螺旋加热丝时的温度分布。

参照图3可知，在不含螺旋加热丝时，托盘中心，参见图3中位置0mm处，其温度比托盘边缘的温度低约150℃，托盘边缘参见图3中位置-150m和150mm处，这说明整个托盘的温差太大，即温度均匀性很差；在包含螺旋加热丝时，电流分别为110A，165A和220A的情况下，对于不同的直流电流大小，托盘边缘温度略有升高，托盘中心温度大幅升高，同时也可以发现温差相对于不加螺旋加热丝的情况下有明显的减小。

由此可见，螺旋加热丝的直流电流的大小在很大程度上会影响托盘中心的温度，对托盘其他区域的温度影响相对较小。这也说明螺旋加热丝对托盘中心区域的加热作用明显，一方面，可以通过控制螺旋加热丝的直流大小来控制中心区域的温度高低，另一方面，可优化改善温差，即提高托盘温度均匀性。

综上所述，本公开提供了一种加热托盘的固定控制装置及其设备，通过在旋转轴外围设置与旋转轴存在间隔并构成电磁铁结构的螺旋加热丝，通过控制该螺旋加热丝的通断，便可实现对托盘与旋转轴的固定状态控制，结构简单，取放控制方便；同时还可以通过调节螺旋加热丝的电流的大小，实现对托盘中央区域的加热控制，从而满足不同大小的托盘、不同生长温度的需求，可有效改善托盘的温度均匀性。

需要说明的是，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。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

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 (9)

1.一种加热托盘的固定控制装置，包括：

旋转轴；

螺旋加热丝，设置于旋转轴外围，与旋转轴之间存在间隔；

托盘，位于旋转轴正上方；以及

铁磁体，固定于托盘内，位于托盘中央区域；

其中，所述旋转轴顶端设置有凸出部分；所述托盘与旋转轴的接触处设置为凹槽，该凹槽与旋转轴顶端的凸出部分相契合。

2.根据权利要求1所述的固定控制装置，还包括：

加热器，设置在托盘的下方，与托盘存在间距，用于对托盘进行加热。

3.根据权利要求2所述的固定控制装置，还包括：

旋转电机，设置在旋转轴的下方，产生旋转的动力。

4.根据权利要求1所述的固定控制装置，其中：

所述螺旋加热丝的材料包括：电阻率高于铜且本身耐高温的导电材料；

所述螺旋加热丝加载的电流为直流电。

5.根据权利要求1所述的固定控制装置，其中：

所述螺旋加热丝的材料为钨或铼；和/或

所述托盘的材料包括：表面涂有碳化硅或碳化钽涂层的石墨；和/或

所述旋转轴的材料为铁氧体或硅钢。

6.根据权利要求2所述的固定控制装置，其中：

所述加热器包括如下材料中的一种或几种：加热金属丝，加热金属片和交流线圈；

所述加热器加载的电流为直流电或交流电。

7.根据权利要求2所述的固定控制装置，其中，所述加热器与螺旋加热丝的电源是相互独立控制的。

8.一种设备，包括：

反应室；

反应室腔盖，设置于反应室顶部，进行密封；

进气管，设置于反应室腔盖上；

尾气排出口，设置于反应室底部；

样品进出口，设置于反应室之上，以及

权利要求1至7任一项所述的加热托盘的固定控制装置；

其中，所述加热托盘的固定控制装置中的托盘高度与样品进出口的高度相同。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括：采用感应加热式和辐射加热式两种加热方式其中之一的薄膜材料生长设备，以及同时混合采用感应加热式和辐射加热式两种加热方式的薄膜材料生长设备。

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