CN114657636A - 有机金属化学气相沉积设备 - Google Patents

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Abstract

一种有机金属化学气相沉积设备，该有机金属化学气相沉积设备包括：反应壳体，其用于形成发生有机金属化学气相沉积的反应腔；喷淋组件，其设置在反应腔的上部，与气体源流体连通并用于进行气体的喷淋；支承座，其用于支承基片，以使喷淋组件向基片喷淋气体；以及加热装置，其设置在基片的下部用于对基片进行加热，加热装置包括平板热管加热装置。根据本发明的有机金属化学气相沉积设备采用了具有高度均温性的平板热管加热装置，能够将平板热管加热装置的加热表面的温差控制在0.1℃以内，由此能够有利地确保对基片的均匀加热，使得基片的局部温差极小，同时能够非常快速地控制基片的升温或降温，为基片上的有机金属晶体生长提供了温度保障。

Description

有机金属化学气相沉积设备
技术领域
本发明涉及化学气相沉积技术领域，具体涉及一种在高温环境下能够保持高均温性的气相沉积设备。
背景技术
有机金属化学气相沉积技术是一种生产化合物半导体薄片单晶的技术。通过将承载于载气中的气态金属有机化合物通入反应器中，在被加热的基片衬底上进行分解、氧化、还原等反应，最后生成物沉积到衬底上进而形成薄膜。有机金属化学气相沉积目前是氮化镓等半导体晶体生长的核心设备，在半导体行业中应用广泛且作用关键。
有机金属化学气相沉积加热系统通过加热衬底载物台，来为晶体外延生长提供均匀、稳定的温度边界，并为外延生长所需的物理化学反应提供相应的能量。外延生长对加热系统有很高的要求，一般要求衬底温度为400℃～1200℃，具备短时间内迅速升温与降温以及快速实现温度稳定的能力。
此外，有机金属化学气相沉积加热器还需要保证物理化学反应速率均匀，以便生产高质量的外延薄膜，而温度是影响反应速率的重要因素，因此在整个外延生长过程中，生长区域的温度必须保持恒定，不能存在较大波动。目前对高质量的大面积外延薄膜晶体的需求不断增长，对有机金属化学气相沉积加热系统的外延生长温度的要求存在升高的趋势，且衬底在整个面积上的温差要求越来越严格。现有技术中采用加热石墨载物台的方式对基片衬底进行加热，石墨能够保证一定的均温性，但是石墨载物台需要对加热系统进行多区域控温，因此其整体系统非常复杂。另外，石墨本身也存在耐磨性差、易产生粉体以及易释放吸附气体等缺陷，使其应用受到限制。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于有机金属化学气相沉积的设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种有机金属化学气相沉积设备，该有机金属化学气相沉积设备包括：
反应壳体，所述反应壳体用于形成发生有机金属化学气相沉积的反应腔；
喷淋组件，所述喷淋组件设置在所述反应腔的上部，与气体源流体连通并用于进行气体的喷淋；
支承座，所述支承座用于支承基片，以使所述喷淋组件向所述基片喷淋所述气体；以及
加热装置，所述加热装置设置在所述基片的下部用于对所述基片进行加热，
其中，所述加热装置包括平板热管加热装置。
根据本发明的有机金属化学气相沉积设备采用了具有高度均温性的平板热管加热装置，能够将平板热管加热装置的加热表面的温差控制在0.1℃以内，由此能够有利地确保对基片的均匀加热，使得基片的局部温差极小，同时能够非常快速地控制基片的升温或降温。通过为基片提供均匀的升温和降温，能够为基片上有机金属晶体的生长提供温度保障。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明的有机金属化学气相沉积设备的示意图；
图2是根据本发明的有机金属化学气相沉积设备的平板热管加热装置的立体视图；
图3是根据本发明的有机金属化学气相沉积设备的平板热管加热装置的切除板状顶壁的立体剖视图；
图4是沿图2中的线A-A的剖视图；
图5是根据本发明的另一个实施例的平板热管加热装置的去除板状顶壁的立体视图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
针对目前有机金属化学气相沉积装置中存在的问题，本发明利用具有超高等效导热系数的平板热管来对有机金属化学气相沉积装置的加热系统进行改进，利用相变传热的原理，获得比传统所采用的石墨更佳的传热能力。平板热管不仅具有较大面积的吸热表面和散热表面，还具有高效的传热能力和均温性，能够获得在1400℃以上温度工作的高温平板热管，热管表面温差能够控制在0.1℃以下。此外，热管结构简单，对热源要求较低，可大幅简化温控系统，有利于工业批量化生产。
本发明的实施例提供一种有机金属化学气相沉积设备10，如附图1所示，该有机金属化学气相沉积设备10包括形成用于发生有机金属化学气相沉积的反应腔122的反应壳体12、设置在反应腔122的上部的喷淋组件14、用于支承基片20的支承座16以及设置在基片20的下部用于对基片20进行加热的加热装置18。在此，反应壳体12形成位于其内部的密闭反应腔122，以便于对反应腔122的反应环境进行调节和控制，喷淋组件14与气体源(附图中未示出)流体连通并用于将来自气体源的气体喷淋到作为衬底的基片20上，从而在基片20上进行晶体的生长。
喷淋组件14与气体源相连，气体源可以包括反应前体、载气、吹扫气体中的一种或多种。反应前体可以包括III族金属有机物和V族氢化物。III族金属有机物包括Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al(CH3)3、Ga(C2H5)3、Zn(C2H5)3气体中的一种或多种。V族氢化物包括NH3、PH3、AsH3气体中的一种或多种。
支承座16用于对基片20提供支承，以使喷淋组件14向基片20上喷淋气体；同时，支承座16还可以为加热装置18提供支承，比如可以通过支承座16首先对加热装置18进行支承，然后通过加热装置18对基片20提供支承，基片20可以直接放置在加热装置18上，由此能够通过加热装置18直接对基片20进行加热。在此，加热装置18包括平板热管加热装置18。通过平板热管加热装置18能够为基片20提供快速的升温或降温，同时能够提供基片20的均温性，即使得基片20整体上具有相同的温度，也就是基片20的各个不同位置具有一致的温度。由此能够为有机金属在基片20上的化学气相沉积提供稳定的温度条件。
由于有机金属的化学气相沉积需要提供较高的温度，比如基片20的温度需要维持在400℃-1500℃之间，因此需要为基片20提供具有优良导热性能的加热装置18，平板热管加热装置18则能够提供稳定且优良的导热性能。进一步地，为了确保平板热管加热装置18在高温状态下的稳定导热性和均温性，在此平板热管加热装置18的换热介质采用了碱金属，通过以碱金属作为换热介质，能够将平板热管加热装置的表面温度控制的1500℃左右，同时能够将温差控制在0.1℃以内。在此，平板热管加热装置18的换热介质可以包括钠、钾或锂等液态碱金属。其中，钾换热介质可以在400℃到1100℃的温度范围内使用，钠换热介质可以在500℃到1200℃的温度范围内使用，锂换热介质可以在1000℃到1500℃的温度范围内使用，由此可以根据不同的工作温度范围来选择不同的换热介质。采用上述换热介质的饱和蒸汽压强不会超过0.5MPa，因此对平板热管加热装置18的壁厚没有太高要求。
以下参照附图2-4对根据本发明的有机金属化学气相沉积设备10的平板热管加热装置18的结构进行说明。
根据本发明的平板热管加热装置18包括板状顶壁182、与板状顶壁182的形状相似的板状底壁184、包围板状顶壁182和板状底壁184的外周缘设置的侧壁186以及设置在板状顶壁182与板状底壁184之间的吸液芯190。在此板状顶壁182可以用于支承基片20，并用于向基片20传递热量，从而控制基片20的温度。板状顶壁182的形状可以根据基片20的形状来确定，比如，在基片20为圆形的情况下，可以将板状顶壁182的形状设置成圆形，在基片20为方形的情况下，则可以将板状顶壁182的形状设置成方形。当然，也可以根据实际的制造需求确定板状顶壁182的形状，而无需关注基片20的形状。板状底壁184与板状顶壁182具有相同或相似的形状，并且两者相对地设置，以便在两者以及侧壁186之间形成反应腔122，板状底壁184则可以被设置在其下部的加热组件进行加热。平板热管加热装置18还可以包括设置在板状顶壁182与板状底壁184之间的一个或更多个支承件188，一个或更多个支承件188用于在板状顶壁182与板状底壁184之间提供支承，以免由于板状顶壁182和板状底壁184面积过大而发生相对变形，因此，设置在板状顶壁182与板状底壁184之间的支承件188能够提高平板热管加热装置18的刚度。在平板热管加热装置18具有较小尺寸的情况下，可以不设置支承件188。设置在板状顶壁182与板状底壁184之间的吸液芯190则能够将在板状顶壁182完成放热而液化的换热介质通过毛细作用传输至板状底壁184，从而在板状底壁184上完成被加热的过程，再以气体形式运动至板状顶壁182的下表面。
进一步地，吸液芯190可以设置在板状顶壁182的下侧、板状底壁184的上侧以及侧壁186的内侧上。通过将吸液芯190设置在板状顶壁182的下侧、板状底壁184的上侧以及侧壁186的内侧能够在三者之间形成换热介质循环路径，使得换热介质在板状底壁184上被加热，以使处于液体状态的换热介质被加热从而气化，并从板状底壁184做上升运动，运动至板状顶壁182的下侧，从而与板状顶壁182进行换热，将热量传递至板状顶壁182，板状顶壁182则对位于其上部的基片20进行加热。换热介质经过与板状顶壁182换热之后转变为液态，液态的换热介质从板状顶壁182上的吸液芯190在毛细作用力的作用下沿着侧壁186上的吸液芯190朝向板状底壁184运动，直到完全运动到板状底壁184上，接着被板状底壁184进行加热，如此往复循环。由于换热介质在蒸发过程中非常均匀地蒸发到板状顶壁182的下表面上，因此能够对板状顶壁182进行均匀加热，确保了板状顶壁182的温度均匀性，由此能够对基片20进行均匀加热。
进一步地，吸液芯190还可以设置在多个支承件188中的至少一个的外侧上。在此有利的是，可以在全部支承件188的外周上设置吸液芯190，由此能够在板状顶壁182与板状底壁184之间建立多个换热介质的流动路径，从而使得换热介质在板状顶壁182与板状底壁184之间的循环更加顺畅。在此，吸液芯190可以由丝网制成，或者也可以通过烧结而形成。多个支承件188可以与板状顶壁182和/或板状底壁184一体地形成，比如可以通过铸造工艺一体地铸造。当然，多个支承件188也可以通过焊接等其他连接方式固定在板状顶壁182和/或板状底壁184上。
进一步地，根据本发明的有机金属化学气相沉积设备10的平板热管加热装置18的侧壁186上设置有从侧壁186朝向外部延伸的充装部件192，该充装部件192用于为平板热管加热装置18抽真空和充注换热介质。即，通过充装部件192能够为平板热管加热装置18的内腔193进行抽真空处理，随后再通过充装部件192为平板热管加热装置18的内腔193充注换热介质，比如充入液态钠。充装部件192可以是设置在平板热管加热装置18的侧壁186上并且与平板热管加热装置18的内腔193流体连通的管件，在完成对平板热管加热装置18抽真空和介质充注之后可以对充装部件192进行密封处理，如有必要，后续还可以对其进行检漏处理。
根据本发明的有机金属化学气相沉积设备10的平板热管加热装置18的板状顶壁182和板状底壁184可以具有适当的形状，比如为圆形形状、方形形状或三角形形状。当然，其可以根据各种应用需求设计成具有其他形状，比如椭圆形、菱形等。比如，平板热管加热装置18可以设计成具有100mm-600mm直径以及30mm-100mm厚度的圆盘形状，也可以是如图5所示的方形形状。
平板热管加热装置18还可以包括设置在其与基片20相反的一侧的加热组件194。加热组件194可以是电加热组件，比如可以为关于平板热管加热装置18的板状底壁184的下侧均匀分布的电加热丝或电加热管，以便为板状底壁184提供均一性的热源。
在此，由于根据本发明的有机金属化学气相沉积设备10的平板热管加热装置18工作在高温状态下，因此其板状顶壁182、板状底壁184和侧壁186采用高熔点金属材料制成，比如可以由不锈钢、镍基合金、钽基合金、钨或钼制成，由此使得平板热管加热装置18的壳体具有较高的稳定性。
根据本发明的有机金属化学气相沉积设备采用了具有高度均温性的平板热管加热装置，能够将平板热管加热装置的加热表面的温差控制在0.1℃以内，由此能够有利地确保对基片的均匀加热，使得基片的局部温差极小，同时能够非常快速地控制基片的升温或降温。通过在平板热管加热装置中充装高熔点和高沸点的换热介质，能够使有机金属化学气相沉积设备具备较高的工作温度，确保有机金属化学气相沉积的正常进行，保证了有机金属晶体的外延生长。由于平板热管加热装置自身的均温性良好，因此可以大幅简化控温结构，节约生产成本。根据本发明的有机金属化学气相沉积设备的平板热管加热装置不会产生较大的热应力，因此不易因疲劳而损坏。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，所述设备包括：
反应壳体，所述反应壳体用于形成发生有机金属化学气相沉积的反应腔；
喷淋组件，所述喷淋组件设置在所述反应腔的上部，与气体源流体连通并用于进行气体的喷淋；
支承座，所述支承座用于支承基片，以使所述喷淋组件向所述基片喷淋所述气体；以及
加热装置，所述加热装置设置在所述基片的下部用于对所述基片进行加热，
其中，所述加热装置包括平板热管加热装置。
2.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置的换热介质包括碱金属。
3.根据权利要求2所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置的换热介质包括钠、钾或锂。
4.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置包括板状顶壁、与所述板状顶壁形状相似且相对地设置的板状底壁、包围所述板状顶壁和所述板状底壁的外周缘设置的侧壁以及设置在所述板状顶壁与所述板状底壁之间的吸液芯。
5.根据权利要求4所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述吸液芯设置在所述板状顶壁的下侧、所述板状底壁的上侧以及所述侧壁的内侧上。
6.根据权利要求4所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置还包括设置在所述板状顶壁与所述板状底壁之间的一个或更多个支承件。
7.根据权利要求6所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述吸液芯设置在所述一个或更多个支承件中的至少一个的外侧上。
8.根据权利要求4所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置的侧壁上设置有充装部件，所述充装部件用于为所述平板热管加热装置抽真空和充注换热介质。
9.根据权利要求8所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述充装部件是设置在所述平板热管加热装置的侧壁上并且与所述平板热管加热装置的内腔流体连通的管件，所述充装部件从所述平板热管加热装置的侧壁向外延伸。
10.根据权利要求4所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置的板状顶壁、板状底壁以及侧壁由高熔点金属材料制成。
11.根据权利要求10所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述高熔点金属材料包括不锈钢、镍基合金、钽基合金、钨或钼。
12.根据权利要求4所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述板状顶壁和板状底壁具有圆形形状、方形形状或三角形形状。
13.根据权利要求1所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述平板热管加热装置还包括设置在其与所述基片相反的一侧的加热组件。
14.根据权利要求13所述的有机金属化学气相沉积设备，其特征在于，
所述加热组件包括关于所述平板热管加热装置的板状底壁的下侧均匀分布的电加热丝或电加热管。
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