CN113089090A - 反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反应系统，包括：反应器，具有反应腔以及连通反应腔的进气口和抽气口；进气装置，设置在进气口，用于向反应腔供给反应气体；抽气系统，和抽气口连接，用于对反应腔内进行抽气；旋转装置，绕自身轴线可转动地设置在反应器上，旋转装置的一端伸至反应腔内；石墨托盘，设置在旋转装置伸至反应腔的一端，石墨托盘用于承载衬底；预热筒，设置在石墨托盘的外侧；第一加热器，设置在预热筒的外侧；第二加热器，设置在石墨托盘的下方。本发明结合了冷壁系统和热壁系统的优点，可以生长出更好的单晶材料，并且通过调节预热筒的温度，实现反应系统在冷壁系统和热壁系统之间来回切换，兼容性好。

Description

反应系统
技术领域
本发明涉及化学气相沉积(CVD)设备领域，尤其涉及一种反应系统。
背景技术
SiC单晶材料的生长主要采用CVD设备，反应原理是反应气体流经被加热到反应温度的基片(即衬底)表面，发生化学反应生成SiC单晶薄膜。目前，CVD设备存在两种反应系统：热壁系统和冷壁系统。热壁系统的特点是反应器内腔连同放置在内的石墨托盘和衬底都被加热。冷壁系统的特点是反应器内腔不加热，只有放衬底的石墨托盘被加热。
热壁系统存在以下问题：(1)反应器内腔壁面上也有大量沉积，需要频繁清理，造成大量颗粒物污染内腔；(2)需要更高的热负荷与能耗。
冷壁系统存在以下问题：(1)衬底温度不均匀程度较明显；(2)沉积层厚度不均匀；(3)处理的批量较小；(4)衬底容易产生热应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应系统，以解决上述技术问题。
为此，本发明采用的一个技术方案是提供一种反应系统，包括：
反应器，具有反应腔以及连通所述反应腔的进气口和抽气口；
进气装置，设置在所述进气口，用于向所述反应腔供给反应气体；
抽气系统，和所述抽气口连接，用于对所述反应腔内进行抽气；
旋转装置，绕自身轴线可转动地设置在所述反应器上，所述旋转装置的一端伸至所述反应腔内；
石墨托盘，设置在所述旋转装置伸至所述反应腔的一端，所述石墨托盘用于承载衬底；
预热筒，设置在所述石墨托盘的外侧；
第一加热器，设置在所述预热筒的外侧；
第二加热器，设置在所述石墨托盘的下方。
本发明的一实施例中，所述反应器包括顶板、侧板和底板，所述顶板的中心位置设置有所述进气口；所述侧板设置在所述顶板的下表面，所述预热筒的上端和所述侧板连接；所述底板设置在所述侧板的下表面，所述旋转装置绕自身轴线可转动地设置在所述底板的中心位置，所述抽气口设置在所述底板上且位于所述旋转装置的一侧。
本发明的一实施例中，所述顶板、所述侧板和所述底板均设置有第一冷水腔，所述第一冷水腔内循环流动冷却液，用于对所述反应器降温。
本发明的一实施例中，所述预热筒包括第一竖直段、变径段和第二竖直段，所述第一竖直段的一端和所述反应器连接；所述变径段的一端与所述第一竖直段的另一端连接，所述变径段远离所述第一竖直段的一端朝向所述反应器的侧壁倾斜设置；所述第二竖直段的一端与所述变径段的另一端连接，所述第二竖直段的另一端延伸至包围至少部分所述旋转装置以及所述石墨托盘。
本发明的一实施例中，所述第一竖直端的直径大于所述进气口的直径。
本发明的一实施例中，所述进气装置包括进气腔以及连通所述进气腔的若干进气孔，若干所述进气孔均匀设置在所述进气装置靠近所述反应器的一侧表面。
本发明的一实施例中，所述进气装置还包括第二冷水腔，所述第二冷水腔内循环流动冷却液，用于对所述进气装置降温。
本发明的一实施例中，还包括保温层，所述保温层设置在所述第一加热器和所述反应器的侧壁之间。
本发明的一实施例中，还包括抽气管，所述抽气管的一端和所述抽气口连接，所述抽气管的另一端和所述抽气系统连接。
本发明的一实施例中，所述进气装置、所述反应器、所述预热筒、所述第一加热器、所述保温层、所述石墨托盘、所述第二加热器和所述旋转装置同轴设置。
本发明的有益之处在于：
区别于现有技术，应用本发明的技术方案，实际使用时，进气装置向反应腔内通入一定质量的反应气体，抽气系统通过抽气口将反应腔的气压抽至设定范围，第一加热器将预热筒加热至第一设定值，第二加热器将石墨托盘加热至第二设定值，旋转装置带动石墨托盘旋转至设定转速，反应气体通过预热筒时被快速加热，高速流向石墨托盘并在石墨托盘上放置的衬底上表面进行化学反应，生成等外延薄膜，外延生长完成后，第一加热器和第二加热器同时降温，外延生长完成。本发明结合了冷壁系统和热壁系统的优点，可以生长出更好的单晶材料，并且通过调节预热筒的温度，实现反应系统在冷壁系统和热壁系统之间来回切换，兼容性好；由于预热筒温度调节范围大，方便探索出最佳的工艺参数；相比于纯冷壁系统，第一加热器可以提供石墨托盘一定的热能，降低了第二加热器的功率，提高了第二加热器的使用寿命；由于第一加热器设置在石墨托盘的外侧，提高了石墨托盘的外围温度，使石墨托盘温度均匀性更好，从而外延层的厚度均匀性更好；通过预热筒，可以防止第一加热器被反应气体侵蚀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中反应系统的剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参见图1所示，本发明的一实施例中提供的一种反应系统，包括：进气装置1、反应器2、预热筒3、第一加热器4、石墨托盘6、第二加热器7、旋转装置8和抽气系统9。反应器2具有反应腔a以及连通反应腔a的进气口和抽气口。进气装置1设置在进气口，用于向反应腔a供给反应气体。抽气系统9和抽气口连接，用于对反应腔a内进行抽气。旋转装置8绕自身轴线可转动地设置在反应器2上，旋转装置8的一端伸至反应腔a内。石墨托盘6设置在旋转装置8伸至反应腔a的一端，石墨托盘6用于承载衬底。预热筒3设置在石墨托盘6的外侧且位于反应腔a内。第一加热器4设置在预热筒3的外侧且位于反应腔a内。第二加热器7设置在石墨托盘6的下方且位于反应腔a内。
上述反应系统，实际使用时，进气装置1向反应腔a内通入一定质量的反应气体，抽气系统9通过抽气口将反应腔a的气压抽至设定范围，第一加热器4将预热筒3加热至第一设定值，第二加热器7将石墨托盘6加热至第二设定值，旋转装置8带动石墨托盘6旋转至设定转速，反应气体通过预热筒3时被快速加热，高速流向石墨托盘6并在石墨托盘6上放置的衬底上表面进行化学反应，生成SiC等外延薄膜，外延生长完成后，第一加热器4和第二加热器7同时降温，外延生长完成。本发明结合了冷壁系统和热壁系统的优点，可以生长出更好的单晶材料，并且通过调节预热筒3的温度，实现反应系统在冷壁系统和热壁系统之间来回切换，兼容性好；由于预热筒3温度调节范围大，方便探索出最佳的工艺参数；相比于纯冷壁系统，第一加热器4可以提供石墨托盘6一定的热能，降低了第二加热器7的功率，提高了第二加热器7的使用寿命；由于第一加热器4设置在石墨托盘6的外侧，提高了石墨托盘6的外围温度，使石墨托盘6温度均匀性更好，从而外延层的厚度均匀性更好；通过预热筒3，可以防止第一加热器4被反应气体侵蚀。
具体到实施例中，反应器2包括顶板21、侧板22和底板23。顶板21的中心位置设置有进气口。侧板22设置在顶板21的下表面，预热筒3的上端和侧板22连接。底板23设置在侧板22的下表面，旋转装置8绕自身轴线可转动地设置在底板23的中心位置，抽气口设置在底板23上且位于旋转装置8的一侧。通过采用顶板21、侧板22和底板23组成反应器2，便于将第一加热器4和预热筒3等零部件安装在反应器2内。
本发明的实施例中，顶板21、侧板22和底板23均设置有第一冷水腔b，第一冷水腔b内循环流动冷却液，用于对反应器2降温。
本发明的实施例中，预热筒3包括第一竖直段、变径段和第二竖直段，第一竖直段的一端和反应器2连接。变径段的一端与第一竖直段的另一端连接，变径段远离第一竖直段的一端朝向反应器2的侧壁倾斜设置。第二竖直段的一端与变径段的另一端连接，第二竖直段的另一端延伸至包围至少部分旋转装置8以及石墨托盘6。
进一步地，第一竖直端的直径大于进气口的直径。
本发明的实施例中，进气装置1包括进气腔11以及连通进气腔11的若干进气孔12，若干进气孔12均匀设置在进气装置1靠近反应器2的一侧表面(下表面)。如此，反应气体进入进气腔11后从若干均匀设置的进气孔12进入到反应器2的反应腔a内。采用上述喷淋式进气结构，反应气体能够均匀快速地喷入反应器2的反应腔a内。
进一步地，进气装置1还包括第二冷水腔，第二冷水腔内循环流动冷却液，用于对进气装置1降温。如此，进气装置1温度很低，进气装置1靠近反应器2的一侧表面基本上不会沉积SiC等外延薄膜，所以无反应颗粒掉落在衬底上表面，提高了外延薄膜的质量。
本发明的实施例中，反应系统还包括保温层5，保温层5设置在第一加热器4和反应器2的侧壁之间。如此，可以对反应腔a内的温度进行保温。
进一步地，第一反应器4呈圆筒状，保温层5也呈圆筒状，保温层5套设于第一反应器4的外侧。
本发明的实施例中，反应系统还包括抽气管10，抽气管10的一端和抽气口连接，抽气管10的另一端和抽气系统9连接。
本发明的实施例中，进气装置1、反应器2、预热筒3、第一加热器4、保温层5、石墨托盘6、第二加热器7和旋转装置8同轴设置。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种反应系统，其特征在于，包括：
反应器，具有反应腔以及连通所述反应腔的进气口和抽气口；
进气装置，设置在所述进气口，用于向所述反应腔供给反应气体；
抽气系统，和所述抽气口连接，用于对所述反应腔内进行抽气；
旋转装置，绕自身轴线可转动地设置在所述反应器上，所述旋转装置的一端伸至所述反应腔内；
石墨托盘，设置在所述旋转装置伸至所述反应腔的一端，所述石墨托盘用于承载衬底；
预热筒，设置在所述石墨托盘的外侧；
第一加热器，设置在所述预热筒的外侧；
第二加热器，设置在所述石墨托盘的下方。
2.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述反应器包括顶板、侧板和底板，所述顶板的中心位置设置有所述进气口；所述侧板设置在所述顶板的下表面，所述预热筒的上端和所述侧板连接；所述底板设置在所述侧板的下表面，所述旋转装置绕自身轴线可转动地设置在所述底板的中心位置，所述抽气口设置在所述底板上且位于所述旋转装置的一侧。
3.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，所述顶板、所述侧板和所述底板均设置有第一冷水腔，所述第一冷水腔内循环流动冷却液，用于对所述反应器降温。
4.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述预热筒包括第一竖直段、变径段和第二竖直段，所述第一竖直段的一端和所述反应器连接；所述变径段的一端与所述第一竖直段的另一端连接，所述变径段远离所述第一竖直段的一端朝向所述反应器的侧壁倾斜设置；所述第二竖直段的一端与所述变径段的另一端连接，所述第二竖直段的另一端延伸至包围至少部分所述旋转装置以及所述石墨托盘。
5.根据权利要求4所述的反应系统，其特征在于，所述第一竖直端的直径大于所述进气口的直径。
6.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述进气装置包括进气腔以及连通所述进气腔的若干进气孔，若干所述进气孔均匀设置在所述进气装置靠近所述反应器的一侧表面。
7.根据权利要求6所述的反应系统，其特征在于，所述进气装置还包括第二冷水腔，所述第二冷水腔内循环流动冷却液，用于对所述进气装置降温。
8.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，还包括保温层，所述保温层设置在所述第一加热器和所述反应器的侧壁之间。
9.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，还包括抽气管，所述抽气管的一端和所述抽气口连接，所述抽气管的另一端和所述抽气系统连接。
10.根据权利要求8所述的反应系统，其特征在于，所述进气装置、所述反应器、所述预热筒、所述第一加热器、所述保温层、所述石墨托盘、所述第二加热器和所述旋转装置同轴设置。
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