CN115505897B - 一种用于制备外延片的转盘式反应器、制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于制备外延片的转盘式反应器、制备方法及用途，包括壳体，壳体内设置有转盘和位于转盘上方的喷淋装置，转盘的底面设置有转筒，转筒的一端敞口边缘与转盘的底面边缘对接，转筒用于带动转盘旋转；转盘下方设置有加热盘，加热盘覆盖转盘的整个底面，加热盘包括呈同心圆设置的至少三个主体加热件，相邻两个主体加热件之间设置有过渡加热件。以转筒形成的边缘旋转代替转轴形成的中心旋转，在转盘中心位置处设置加热件，扩大了转盘的中心加热区域，通过设置过渡加热件，以调节相邻两个主体加热件之间的加热功率密度的差异，使得转盘上方的温度分布更均匀，满足了大尺寸外延片的生产需求。

Description

一种用于制备外延片的转盘式反应器、制备方法及用途
技术领域
本发明属于外延片制备技术领域，涉及一种用于制备外延片的转盘式反应器、制备方法及用途。
背景技术
金属有机化学气相沉淀(以下简称MOCVD)，是在外延片上通过沉积一层或持续沉积多层外延晶格结构薄膜，以形成如发光二极管(LED)等半导体器件的过程。半导体器件的性能和良品率，如波长、亮度和前置电压的正态分布，直接由外延片(或称衬底基片)上各层外延薄膜的质量、厚度与材料组成的均匀性决定；而外延片的均匀性，又与外延片的温度均匀性和外延片表面上反应气体的均匀混合情况和分布情况直接关联。例如，在外延关键的发光晶格薄膜时，如外延片的温差大于3℃，该器件的良品率可能降低15％～20％。
另外，随着HEMT、Micro-LED等市场应用的逐步打开，为提高系统的产能，降低基片外延的生产成本，在MOCVD反应腔内同时进行外延生长的外延片数量在不断增加，其中不乏大尺寸的外延片。外延片的尺寸从传统的4英寸和6英寸迅速向8英寸甚至12英寸的大尺寸方向发展，对高均匀性的大尺寸外延的需求变得越来越迫切。根据以往的半导体制备经验来看，大尺寸外延通常使用水平式反应器结构即可满足要求。但是，由于第三代半导体的III族氮化物生长预反应强烈、环境不够干净，故而垂直型的高速转盘式MOCVD反应器以其维护周期长、工艺稳定性高等优点，被目前成熟的产业、特别是LED光电领域，作为主流设备而被广泛应用。此类反应器通过转盘高速旋转形成吸泵效应，将喷淋头喷出的反应气体均匀的“拉到”转盘上方，进行外延片表面的沉积。而大尺寸外延片需要配备大尺寸的转盘，更加加剧了温度分布的不均匀性。
因此，在外延晶格薄膜时，如何控制外延片之间，以及单个大尺寸外延片上温度的均匀性，对于获得高质量的外延薄膜和提高器件良品率至关重要。特别是对Al组分均匀性要求较高的HEMT外延片以及对波长均匀性要求高的Micro-LED外延片，其温度的均匀性远远无法达到要求。因此，亟需对现有的外延片反应器的结构进行改进，以解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于制备外延片的转盘式反应器、制备方法及用途，提出以转筒形成的边缘旋转代替转轴形成的中心旋转，并在转盘中心位置处设置加热件，扩大了转盘的中心加热区域，此外，通过设置过渡加热件，用于对接两侧主体加热件之间落差较大的加热功率密度，以调节相邻两个主体加热件之间的加热功率密度的差异，使得转盘上方的温度分布更均匀，满足了大尺寸外延片的生产需求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于制备外延片的转盘式反应器，所述转盘式反应器包括壳体，所述壳体内设置有转盘和位于所述转盘上方的喷淋装置，所述转盘的底面设置有转筒，所述转筒的一端敞口边缘与所述转盘的底面边缘对接，所述转筒用于带动所述转盘旋转；
所述转盘下方设置有加热盘，所述加热盘覆盖所述转盘的整个底面，所述加热盘包括呈同心圆设置的至少三个主体加热件，相邻两个所述主体加热件之间设置有过渡加热件。
在现有的外延片制备工艺中，需要严格控制外延片在金属有机化学气相沉积外延晶格薄膜时的温度均匀性，但由于当前的转轴都设置在转盘中心，而转轴本身带有水冷以防止高温变形。所以当内圈的加热丝对转盘进行加热时，由于冷轴的存在，相对于转盘其他的区域，中心区的温度仍然偏低，因此造成了中心区温场不均匀的现象发生。截止目前，现有技术中公开了通过设计环绕转轴的内圈加热丝来提升转盘中心处的温度以平衡转盘表面的温度分布，但实际效果有限，很难达使得转盘中心区域与外周区域的温度均匀一致。为了解决这一技术问题，本发明摒弃了高速转盘式反应器传统的加热结构和旋转结构，取消了传统反应器中的转轴，提出以转筒形成的边缘旋转代替转轴形成的中心旋转，并在转盘中心位置处设置加热件，扩大了转盘的中心加热区域，此外，通过设置过渡加热件，用于对接两侧主体加热件之间落差较大的加热功率密度，以调节相邻两个主体加热件之间的加热功率密度的差异，使得转盘上方的温度分布更均匀，满足了大尺寸外延片的生产需求。
需要说明的是，本发明提供的转筒一端面与转盘外缘接触以作为支撑，并将整个加热盘包裹在其内部。转筒带动转筒进行旋转，本发明对转筒的驱动方式不作具体要求和特殊限定，可以是皮带直接驱动转筒旋转，也可以是转筒下方设置旋转主动件，旋转主动件与电机输出轴连接，通过旋转主动件带动转筒旋转。本发明对转筒的材质不作具体要求和特殊限定，可选地，转筒的材料可以是金属钼，也可以是非金属石英。
作为本发明一种优选的技术方案，所述主体加热件包括由外至内依次设置的外圈加热环、内圈加热环和中心加热片；所述过渡加热件包括位于所述外圈加热环与所述内圈加热环之间的外圈过渡环，以及位于所述内圈加热环与所述中心加热片之间的内圈过渡环。
所述中心加热片为圆形结构且位于所述加热盘的底面中心区域，所述内圈过渡环、内圈加热环、外圈过渡环和外圈加热环以所述中心加热片为中心由内至外呈同心圆结构分布。
作为本发明一种优选的技术方案，所述内圈加热环的环宽≥所述中心加热片的半径≥所述外圈加热环的环宽＞所述外圈过渡环的环宽≥所述内圈过渡环的环宽。
优选地，所述外圈加热环的环宽、所述外圈过渡环的环宽以及所述内圈加热环的环宽之间满足如下关系：
外圈过渡环的环宽＝(1/50～1/25)(外圈加热环的环宽+内圈加热环的环宽)，例如可以是1/50、1/45、1/40、1/35、1/30或1/25，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述内圈加热环的环宽、所述内圈过渡环的环宽以及所述中心加热片的半径之间满足如下关系：
内圈过渡环的环宽＝(1/50～1/25)(内圈加热环的环宽+中心加热片的半径)，例如可以是1/50、1/45、1/40、1/35、1/30或1/25，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明对外圈加热环、外圈过渡环、内圈加热环、内圈过渡环以及中心加热片的环宽之间的比例关系进行了限定，原因在于，考虑到高低温度区在石墨转盘内的热传导过程中的热缓冲区所需的平衡距离，同时将转盘内的热应力降低，即Q＝K×A×ΔT/ΔL，其中Q为能量，K为导热系数，A为面积，ΔT为两端温差，ΔL为所需平衡距离，将相关数据代入即可得到本申请限定的环宽比例关系。
为了进一步平衡转盘内圈和外圈之间的温度差异，本发明还可选地对加热件与转盘底面之间的间隔距离进行了调整，由于转盘中心区域的温度高于转盘外周区域的生长温度，因此，提高中心加热片与转盘底面的间隔距离，使得转盘中心区域的温度因间隔距离的增大而降低，从而降低中心区域与外周区域之间的温度差异，获得均匀性很好的外延片。除了中心加热片外，其他加热件与转盘之间的距离相等，中心加热片与转盘之间的距离记为L1，其他加热件与转盘之间的距离记为L2，L1和L2的差值优选为5～10mm。
作为本发明一种优选的技术方案，所述壳体的内径为100～500mm，例如可以是100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm或500mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述外圈加热环的环宽为5～25mm，例如可以是5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm或25mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述外圈过渡环的环宽为5～10mm，例如可以是5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm或10.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内圈加热环的环宽为70～350mm，例如可以是70mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm、200mm、220mm、240mm、260mm、280mm、300mm、320mm、340mm或350mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内圈过渡环的环宽为3～8mm，例如可以是3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm或8.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述中心加热片的半径为10～50mm，例如可以是10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述主体加热件和所述过渡加热件具有不同的加热功率密度，所述过渡加热件的加热功率密度位于相邻两个所述主体加热件的加热功率密度之间。
现今的高速转盘式反应器由于转盘中心下方是带水冷的转轴，导致的中心温度偏低。而且，传统的加热盘虽然是三圈加热丝加热，但是由于各圈加热丝的加热功率密度不同，相互之间存在干扰，在对温度波动要求较高的场景中，温度突变会引起转盘上方温度分布不均匀，转盘的中心区域温度偏低，而转盘的外周由于散热加剧，温度会骤然衰减。同时，在三圈加热丝之间同样存在细微的温度波动，这是由于相较于中圈加热丝而言，内圈加热丝的加热功率密度更大且存在较大的温度断层，从而在两圈加热丝之间易引起温度波动。同样地，中圈加热丝的低加热功率密度与外圈加热丝的高加热功率密度之间也存在温度波动。
采用本发明提供的转盘式反应器可以很好地解决上述技术问题，首先，转盘的中心区域省去了水冷的转轴，转盘下方的加热盘可以全面覆盖转盘的整个底面，使得转盘的表面温度分布更加均匀。其次，由于转盘边缘处设置了桶状的转筒，对转盘边缘产生了一定的保温作用，加热盘设置于转筒内部，有效防止了加热盘的热量耗散，尤其是外圈加热环的热量耗散，防止了转盘边缘处的温度衰减。再次，相邻两个主体加热件之间设置有环形的过渡加热件，过渡加热件减少了相邻两个主体加热件之间的温度波动，为高均匀性温场提供了可能。
作为本发明一种优选的技术方案，在所述转盘温度为1000～1100℃的生长高温段时，所述外圈加热环的加热功率密度为5×108～1×109W/m3，例如可以是5×108W/m3、6×108W/m3、7×108W/m3、8×108W/m3、9×108W/m3或1×109W/m3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述外圈过渡环的加热功率密度为1×108～5×108W/m3，例如可以是1×108W/m3、1.5×108W/m3、2×108W/m3、2.5×108W/m3、3×108W/m3、3.5×108W/m3、4×108W/m3、4.5×108W/m3、5×108W/m3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内圈加热环的加热功率密度为5×107～1×108W/m3，例如可以是5×107W/m3、5.5×107W/m3、6×107W/m3、6.5×107W/m3、7×107W/m3、7.5×107W/m3、8×107W/m3、8.5×107W/m3、9×107W/m3、9.5×107W/m3或1×108W/m3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内圈过渡环的加热功率密度为7×107～1.5×108W/m3，例如可以是7×107W/m3、7.5×107W/m3、8×107W/m3、8.5×107W/m3、9×107W/m3、9.5×107W/m3、1×108W/m3或1.5×108W/m3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述中心加热片的加热功率密度为9×107～2×108W/m3，例如可以是9×107W/m3、9.5×107W/m3、1×107W/m3、1.5×108W/m3或2×108W/m3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
为了提高转盘表面的温度一致性，本发明设置了内圈过渡环和外圈过渡环，内圈过渡环的加热功率密度介于中心加热片和内圈加热环之间，外圈过渡环的加热功率密度介于内圈加热环和外圈加热环之间。增加内圈过渡环和外圈过渡环，以调节中心加热片和内圈加热环之间，以及内圈加热环和外圈加热环之间的加热功率密度差异，实现转盘上方更加均匀的温度分布。
需要说明的是，本发明提供的外圈加热环、外圈过渡环、内圈加热环、内圈过渡环和中心加热片的输出功率和加热温度均可独立控制。可选地，通过设置温度控制模块进行温度反馈和自动调节，以外延片温度的统计平均值与外延工艺规定温度的差异最小为目标，独立控制转盘下方的主体加热件和过渡加热件的功率输出。具体地：
作为一种温度控制模块的可选结构，温度控制模块包括若干非接触式温度传感器、若干温度控制器和若干功率调节器，温度传感器沿转盘的径向排列在转盘上方，其位置分别对应各主体加热件和各过渡加热件，分别对应检测转盘上同一环状区域内的外延片温度，并反馈至温度控制器，温度控制器根据不同环状区域内的外延片温度控制功率调节器，分别独立地调节相应的主体加热件和过渡加热件的输出功率，实现对外延片温度的独立控制。针对大尺寸的外延片，还可在转盘同一环状区域内设置多个非接触式温度传感器，以检测同一环状区域内周向各点位的温度，取平均值，作为该环形区域的外延片的温度值。
另外，由于加热件发出的热量传递至转盘表面的过程中会出现热量衰减，因此非接触式温度传感器检测到的温度值与加热件的加热温度之间会存在一定差异，因此为了提高反应温度调节的准确性，本发明还可选地在加热盘底部设置若干接触式温度传感器，分别对应接触各主体加热件和各过渡加热件，以监测主体加热件和过渡加热件的加热温度，并将该温度作为外延工艺规定的温度标准值。非接触式温度传感器检测的外延片温度与温度控制器内预先设置的目标温度之间的差值为调节量，以接触式温度传感器检测的加热件的温度作为温度标准值，温度控制器通过功率调节装置对加热件的输出功率进行调节，从而保证了化学气相沉积进行过程中的温度准确性。
本发明通过设置温度控制模块，在不同的温度工艺条件下，能有效平衡外延片及转盘在径向上的热量流失，对外延片不同环形区域之间的温度差异实现了精确控制和调节，从而提高了在衬底上生长的外延片的均匀程度。
进一步需要说明的是，由于转盘不同环形区域的线速度不同，因此不同环形区域对应的非接触式温度传感器的采样频率也不同，非接触式温度传感器的采样频率需要与转盘的转速相匹配，例如，外圈加热环位于转盘外圈，其对应的转盘外圈区域的旋转线速度较大，因此转盘外圈对应的非接触式温度传感器的采样频率需要相应提高；而中心加热片位于转盘中心，其对应的转盘中心区域的旋转线速度较小，因此转盘中心区域对应的非接触式温度传感器的采样频率需要相应减小。
作为本发明一种优选的技术方案，所述加热盘位于所述转筒内部，所述转盘随着所述转筒旋转的同时，所述加热盘固定不动。
优选地，所述转筒内部设置有密封件，所述密封件内由上至下依次设置有反射板和若干电极，所述密封件用于密封所述反射板和所述电极。
优选地，所述壳体外周设置有保温层。
第二方面，本发明提供了一种外延片的制备方法，制备方法在第一方面的转盘式反应器中进行，制备方法包括：
衬底放置于转盘上，喷淋装置向衬底表面喷射反应气体，转盘带动衬底旋转使得反应气体均匀分布于衬底表面，通过加热盘对衬底进行加热，反应气体沉积于衬底表面，得到所述外延片。
作为本发明一种优选的技术方案，在所述转盘温度为1000～1100℃的生长高温段时，所述外圈加热环的加热温度为1600～1700℃，例如可以是1600℃、1610℃、1620℃、1630℃、1640℃、1650℃、1660℃、1670℃、1680℃、1690℃或1700℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述外圈过渡环的加热温度为1450～1550℃，例如可以是1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃、1500℃、1510℃、1520℃、1530℃、1540℃或1550℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内圈加热环的加热温度为1300～1400℃，例如可以是1300℃、1310℃、1320℃、1330℃、1340℃、1350℃、1360℃、1370℃、1380℃、1390℃或1400℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述内圈过渡环的加热温度为1400～1500℃，例如可以是1400℃、1410℃、1420℃、1430℃、1440℃、1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃或1500℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述中心加热片的加热温度为1500～1600℃，例如可以是1500℃、1510℃、1520℃、1530℃、1540℃、1550℃、1560℃、1570℃、1580℃、1590℃或1600℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明提供了一种第一方面的转盘式反应器的用途，所述转盘式反应器用于制备大尺寸的外延片。
所述外延片的直径≥8英寸。
本发明提供的转盘式反应器的转盘表面温度均匀，特别适合生长8英寸及以上尺寸的Micro-LED或者HEMT外延片。
本发明的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在现有的外延片制备工艺中，需要严格控制外延片在金属有机化学气相沉积外延晶格薄膜时的温度均匀性，但由于当前的转轴都设置在转盘中心，而转轴本身带有水冷以防止高温变形。所以当内圈的加热丝对转盘进行加热时，由于冷轴的存在，相对于转盘其他的区域，中心区的温度仍然偏低，因此造成了中心区温场不均匀的现象发生。截止目前，现有技术中公开了通过设计环绕转轴的内圈加热丝来提升转盘中心处的温度以平衡转盘表面的温度分布，但实际效果有限，很难达使得转盘中心区域与外周区域的温度均匀一致。为了解决这一技术问题，本发明摒弃了高速转盘式反应器传统的加热结构和旋转结构，取消了传统反应器中的转轴，提出以转筒形成的边缘旋转代替转轴形成的中心旋转，并在转盘中心位置处设置加热件，扩大了转盘的中心加热区域，此外，通过设置过渡加热件，用于对接两侧主体加热件之间落差较大的加热功率密度，以调节相邻两个主体加热件之间的加热功率密度的差异，使得转盘上方的温度分布更均匀，满足了大尺寸外延片的生产需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的转盘式反应器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的加热盘的俯视图；
图3为本发明对比例提供的转盘式反应器的结构示意图；
图4为本发明对比例提供的加热盘的俯视图；
图5为本发明实施例提供的转盘表面的径向温度分布图；
图6为本发明对比例提供的转盘表面的径向温度分布图。
其中，1-壳体；2-转盘；3-转筒；4-中心加热片；5-内圈过渡环；6-内圈加热环；7-外圈过渡环；8-外圈加热环；9-加热盘；10-转轴。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种用于制备外延片的转盘式反应器，所述转盘式反应器包括壳体1，所述壳体1内设置有转盘2和位于所述转盘2上方的喷淋装置，所述转盘2的底面设置有转筒3，所述转筒3的一端敞口边缘与所述转盘2的底面边缘对接，所述转筒3用于带动所述转盘2旋转；
所述转盘2下方设置有加热盘9，所述加热盘9覆盖所述转盘2的整个底面，所述加热盘9包括呈同心圆设置的至少三个主体加热件，相邻两个所述主体加热件之间设置有过渡加热件。
在现有的外延片制备工艺中，需要严格控制外延片在金属有机化学气相沉积外延晶格薄膜时的温度均匀性，但由于当前的转轴10都设置在转盘2中心，而转轴10本身带有水冷以防止高温变形。所以当内圈的加热丝对转盘2进行加热时，由于冷轴的存在，相对于转盘2其他的区域，中心区的温度仍然偏低，因此造成了中心区温场不均匀的现象发生。截止目前，现有技术中公开了通过设计环绕转轴10的内圈加热丝来提升转盘2中心处的温度以平衡转盘2表面的温度分布，但实际效果有限，很难达使得转盘2中心区域与外周区域的温度均匀一致。为了解决这一技术问题，本发明摒弃了高速转盘式反应器传统的加热结构和旋转结构，取消了传统反应器中的转轴10，提出以转筒3形成的边缘旋转代替转轴10形成的中心旋转，并在转盘2中心位置处设置加热件，扩大了转盘2的中心加热区域，此外，通过设置过渡加热件，用于对接两侧主体加热件之间落差较大的加热功率密度，以调节相邻两个主体加热件之间的加热功率密度的差异，使得转盘2上方的温度分布更均匀，满足了大尺寸外延片的生产需求。
需要说明的是，本发明提供的转筒3一端面与转盘2外缘接触以作为支撑，并将整个加热盘9包裹在其内部。转筒3带动转筒3进行旋转，本发明对转筒3的驱动方式不作具体要求和特殊限定，可以是皮带直接驱动转筒3旋转，也可以是转筒3下方设置旋转主动件，旋转主动件与电机输出轴连接，通过旋转主动件带动转筒3旋转。本发明对转筒3的材质不作具体要求和特殊限定，可选地，转筒3的材料可以是金属钼，也可以是非金属石英。
进一步地，所述主体加热件包括由外至内依次设置的外圈加热环8、内圈加热环6和中心加热片4；所述过渡加热件包括位于所述外圈加热环8与所述内圈加热环6之间的外圈过渡环7，以及位于所述内圈加热环6与所述中心加热片4之间的内圈过渡环5。
所述中心加热片4为圆形结构且位于所述加热盘9的底面中心区域，所述内圈过渡环5、内圈加热环6、外圈过渡环7和外圈加热环8以所述中心加热片4为中心由内至外呈同心圆结构分布。
进一步地，所述内圈加热环6的环宽≥所述中心加热片4的半径≥所述外圈加热环8的环宽＞所述外圈过渡环7的环宽≥所述内圈过渡环5的环宽。
进一步地，所述外圈加热环8的环宽、所述外圈过渡环7的环宽以及所述内圈加热环6的环宽之间满足如下关系：
外圈过渡环7的环宽＝(1/50～1/25)(外圈加热环8的环宽+内圈加热环6的环宽)。
进一步地，所述内圈加热环6的环宽、所述内圈过渡环5的环宽以及所述中心加热片4的半径之间满足如下关系：
内圈过渡环5的环宽＝(1/50～1/25)(内圈加热环6的环宽+中心加热片4的半径)。
本发明对外圈加热环8、外圈过渡环7、内圈加热环6、内圈过渡环5以及中心加热片4的环宽之间的比例关系进行了限定，原因在于，考虑到高低温度区在石墨转盘2内的热传导过程中的热缓冲区所需的平衡距离，同时将转盘2内的热应力降低，即Q＝K×A×ΔT/ΔL，其中Q为能量，K为导热系数，A为面积，ΔT为两端温差，ΔL为所需平衡距离，将相关数据代入即可得到本申请限定的环宽比例关系。
为了进一步平衡转盘2内圈和外圈之间的温度差异，本发明还可选地对加热件与转盘2底面之间的间隔距离进行了调整，由于转盘2中心区域的温度高于转盘2外周区域的生长温度，因此，提高中心加热片4与转盘2底面的间隔距离，使得转盘2中心区域的温度因间隔距离的增大而降低，从而降低中心区域与外周区域之间的温度差异，获得均匀性很好的外延片。除了中心加热片4外，其他加热件与转盘2之间的距离相等，中心加热片4与转盘2之间的距离记为L1，其他加热件与转盘2之间的距离记为L2，L1和L2的差值优选为5～10mm。
进一步地，所述壳体1的内径为100～500mm。
所述外圈加热环8的环宽为5～25mm。
所述外圈过渡环7的环宽为5～10mm。
所述内圈加热环6的环宽为70～350mm。
所述内圈过渡环5的环宽为3～8mm。
所述中心加热片4的半径为10～50mm。
进一步地，所述主体加热件和所述过渡加热件具有不同的加热功率密度，所述过渡加热件的加热功率密度位于相邻两个所述主体加热件的加热功率密度之间。
现今的高速转盘式反应器由于转盘2中心下方是带水冷的转轴10，导致的中心温度偏低。而且，传统的加热盘9虽然是三圈加热丝加热，但是由于各圈加热丝的加热功率密度不同，相互之间存在干扰，在对温度波动要求较高的场景中，温度突变会引起转盘2上方温度分布不均匀，转盘2的中心区域温度偏低，而转盘2的外周由于散热加剧，温度会骤然衰减。同时，在三圈加热丝之间同样存在细微的温度波动，这是由于相较于中圈加热丝而言，内圈加热丝的加热功率密度更大且存在较大的温度断层，从而在两圈加热丝之间易引起温度波动。同样地，中圈加热丝的低加热功率密度与外圈加热丝的高加热功率密度之间也存在温度波动。
采用本发明提供的转盘式反应器可以很好地解决上述技术问题，首先，转盘2的中心区域省去了水冷的转轴10，转盘2下方的加热盘9可以全面覆盖转盘2的整个底面，使得转盘2的表面温度分布更加均匀。其次，由于转盘2边缘处设置了桶状的转筒3，对转盘2边缘产生了一定的保温作用，加热盘9设置于转筒3内部，有效防止了加热盘9的热量耗散，尤其是外圈加热环8的热量耗散，防止了转盘2边缘处的温度衰减。再次，相邻两个主体加热件之间设置有环形的过渡加热件，过渡加热件减少了相邻两个主体加热件之间的温度波动，为高均匀性温场提供了可能。
进一步地，在所述转盘2温度为1000～1100℃的生长高温段时，所述外圈加热环8的加热功率密度为5×108～1×109W/m3。
所述外圈过渡环7的加热功率密度为1×108～5×108W/m3。
所述内圈加热环6的加热功率密度为5×107～1×108W/m3。
所述内圈过渡环5的加热功率密度为7×107～1.5×108W/m3。
所述中心加热片4的加热功率密度为9×107～2×108W/m3。
为了提高转盘2表面的温度一致性，本发明设置了内圈过渡环5和外圈过渡环7，内圈过渡环5的加热功率密度介于中心加热片4和内圈加热环6之间，外圈过渡环7的加热功率密度介于内圈加热环6和外圈加热环8之间。增加内圈过渡环5和外圈过渡环7，以调节中心加热片4和内圈加热环6之间，以及内圈加热环6和外圈加热环8之间的加热功率密度差异，实现转盘2上方更加均匀的温度分布。
需要说明的是，本发明提供的外圈加热环8、外圈过渡环7、内圈加热环6、内圈过渡环5和中心加热片4的输出功率和加热温度均可独立控制。可选地，通过设置温度控制模块进行温度反馈和自动调节，以外延片温度的统计平均值与外延工艺规定温度的差异最小为目标，独立控制转盘2下方的主体加热件和过渡加热件的功率输出。具体地：
作为一种温度控制模块的可选结构，温度控制模块包括若干非接触式温度传感器、若干温度控制器和若干功率调节器，温度传感器沿转盘2的径向排列在转盘2上方，其位置分别对应各主体加热件和各过渡加热件，分别对应检测转盘2上同一环状区域内的外延片温度，并反馈至温度控制器，温度控制器根据不同环状区域内的外延片温度控制功率调节器，分别独立地调节相应的主体加热件和过渡加热件的输出功率，实现对外延片温度的独立控制。针对大尺寸的外延片，还可在转盘2同一环状区域内设置多个非接触式温度传感器，以检测同一环状区域内周向各点位的温度，取平均值，作为该环形区域的外延片的温度值。
另外，由于加热件发出的热量传递至转盘2表面的过程中会出现热量衰减，因此非接触式温度传感器检测到的温度值与加热件的加热温度之间会存在一定差异，因此为了提高反应温度调节的准确性，本发明还可选地在加热盘9底部设置若干接触式温度传感器，分别对应接触各主体加热件和各过渡加热件，以监测主体加热件和过渡加热件的加热温度，并将该温度作为外延工艺规定的温度标准值。非接触式温度传感器检测的外延片温度与温度控制器内预先设置的目标温度之间的差值为调节量，以接触式温度传感器检测的加热件的温度作为温度标准值，温度控制器通过功率调节装置对加热件的输出功率进行调节，从而保证了化学气相沉积进行过程中的温度准确性。
本发明通过设置温度控制模块，在不同的温度工艺条件下，能有效平衡外延片及转盘2在径向上的热量流失，对外延片不同环形区域之间的温度差异实现了精确控制和调节，从而提高了在衬底上生长的外延片的均匀程度。
进一步需要说明的是，由于转盘2不同环形区域的线速度不同，因此不同环形区域对应的非接触式温度传感器的采样频率也不同，非接触式温度传感器的采样频率需要与转盘2的转速相匹配，例如，外圈加热环8位于转盘2外圈，其对应的转盘2外圈区域的旋转线速度较大，因此转盘2外圈对应的非接触式温度传感器的采样频率需要相应提高；而中心加热片4位于转盘2中心，其对应的转盘2中心区域的旋转线速度较小，因此转盘2中心区域对应的非接触式温度传感器的采样频率需要相应减小。
进一步地，所述加热盘9位于所述转筒3内部，所述转盘2随着所述转筒3旋转的同时，所述加热盘9固定不动。
进一步地，所述转筒3内部设置有密封件，所述密封件内由上至下依次设置有反射板和若干电极，所述密封件用于密封所述反射板和所述电极。
进一步地，所述壳体1外周设置有保温层。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种外延片的制备方法，制备方法在上述具体实施方式提供的转盘式反应器中进行，制备方法包括：
衬底放置于转盘2上，喷淋装置向衬底表面喷射反应气体，转盘2带动衬底旋转使得反应气体均匀分布于衬底表面，通过加热盘9对衬底进行加热，反应气体沉积于衬底表面，得到所述外延片。
进一步地，在所述转盘2温度为1000～1100℃的生长高温段时，所述外圈加热环8的加热温度为1600～1700℃。
所述外圈过渡环7的加热温度为1450～1550℃。
所述内圈加热环6的加热温度为1300～1400℃。
所述内圈过渡环5的加热温度为1400～1500℃。
所述中心加热片4的加热温度为1500～1600℃。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述具体实施方式提供的转盘式反应器的用途，所述转盘式反应器用于制备大尺寸的外延片。
所述外延片的直径≥8英寸。
本发明提供的转盘式反应器的转盘2表面温度均匀，特别适合生长8英寸及以上尺寸的Micro-LED或者HEMT外延片。
实施例
本实施例提供了一种用于制备外延片的转盘式反应器，转盘式反应器如图1所示，包括壳体1，壳体1内设置有转盘2和位于转盘2上方的喷淋装置，转盘2的底面外缘设置有转筒3，转筒3用于带动转盘2旋转。
转盘2底部设置有加热盘9，加热盘9覆盖转盘2的整个底面，如图2所示，加热盘9包括由外至内依次设置的外圈加热环8、内圈加热环6和中心加热片4，外圈加热环8与内圈加热环6之间设置有环形结构的外圈过渡环7，内圈加热环6与中心加热片4之间设置有环形结构的内圈过渡环5。
壳体1的内径为300mm，外圈加热环8的环宽为15mm，外圈过渡环7的环宽为7mm，内圈加热环6的环宽为250mm，内圈过渡环5的环宽为5mm，中心加热片4的半径为30mm。
外圈加热环8的加热功率密度为8×108W/m3，外圈过渡环7的加热功率密度为3×108W/m3，内圈加热环6的加热功率密度为8×107W/m3，内圈过渡环5的加热功率密度为1×108W/m3，中心加热片4的加热功率密度为1×108W/m3。
采用上述转盘式反应器在衬底表面进行化学气相沉积得到外延片，在化学气相沉积过程中，通过非接触式温度传感器检测转盘2上方每圈环形区域的温度，并绘制转盘2径向上的温度分布图，如图5所示。
对比例
本实施例提供了一种用于制备外延片的转盘式反应器，其结构如图3所示，与实施例的区别在于省去了转筒3、中心加热片4、内圈过渡环5和外圈过渡环7，转盘2底面中心处设置有转轴10，用于带动转盘2旋转。
本对比例提供的加热盘9如图4所示，包括由内至外呈同心圆设置的内圈加热环6和外圈加热环8，内圈加热环6和外圈加热环8的环宽、加热功率密度和加热温度与实施例提供的完全相同。
采用上述转盘式反应器在衬底表面进行化学气相沉积得到外延片，在化学气相沉积过程中，通过非接触式温度传感器检测转盘2上方每圈环形区域的温度，并绘制转盘2径向上的温度分布图，如图6所示。
由图5和图6对比可以看出，实施例中提供的图5的转盘2上方径向温度分布比对比例中提供的图6的转盘2上方径向温度分布更均匀。图6中的转盘2外缘处出现了明显的温度衰减，在转盘2中心至转盘2外缘的径向区域内，也出现了两次明显的温度波动。这是由于，对比例中的转盘2的中心区域温度偏低，而转盘2的外周由于散热加剧，因此在转盘2外缘的温度会骤然衰减。此外，对比例中的外圈加热环8和内圈加热环6的加热功率密度不同，相互之间存在干扰，转轴10端部与内圈加热环6之间的环形区域，以及内圈加热环6和外圈加热环8之间的环形区域内存在明显的温度断层，由此在相邻两圈加热环之间产生了温度波动。而本发明实施例提供的转盘式反应器将转轴10替换为转筒3，转筒3顶部与转盘2底面外缘对接，一方面，转筒3可以对转盘2底面外缘进行保温，防止边缘处的热量耗散；另一方，由于省去了转盘2中心处的转轴10，在转盘2中心处设置中心加热片4，平衡了转盘2上方的径向温度分布。
申请人声明，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，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种用于制备外延片的转盘式反应器，其特征在于，所述转盘式反应器包括壳体，所述壳体内设置有转盘和位于所述转盘上方的喷淋装置，所述转盘的底面设置有转筒，所述转筒的一端敞口边缘与所述转盘的底面边缘对接，所述转筒用于带动所述转盘旋转；
所述转盘下方设置有加热盘，所述加热盘覆盖所述转盘的整个底面，所述加热盘包括呈同心圆设置的至少三个主体加热件，相邻两个所述主体加热件之间设置有过渡加热件，所述过渡加热件用于对接两侧主体加热件之间的加热功率密度，所述主体加热件和所述过渡加热件具有不同的加热功率密度，所述过渡加热件的加热功率密度位于相邻两个所述主体加热件的加热功率密度之间；
所述主体加热件包括由外至内依次设置的外圈加热环、内圈加热环和中心加热片；所述过渡加热件包括位于所述外圈加热环与所述内圈加热环之间的外圈过渡环，以及位于所述内圈加热环与所述中心加热片之间的内圈过渡环；所述中心加热片为圆形结构且位于所述加热盘的底面中心区域，所述内圈过渡环、内圈加热环、外圈过渡环和外圈加热环以所述中心加热片为中心由内至外呈同心圆结构分布；
所述内圈加热环的环宽≥所述中心加热片的半径≥所述外圈加热环的环宽＞所述外圈过渡环的环宽≥所述内圈过渡环的环宽；
所述外圈加热环的环宽、所述外圈过渡环的环宽以及所述内圈加热环的环宽之间满足如下关系：
外圈过渡环的环宽=(1/50~1/25)(外圈加热环的环宽+内圈加热环的环宽)；
所述内圈加热环的环宽、所述内圈过渡环的环宽以及所述中心加热片的半径之间满足如下关系：
内圈过渡环的环宽=(1/50~1/25)(内圈加热环的环宽+中心加热片的半径)。
2.根据权利要求1所述的用于制备外延片的转盘式反应器，其特征在于，所述壳体的内径为100~500mm；
所述外圈加热环的环宽为5~25mm；
所述外圈过渡环的环宽为5~10mm；
所述内圈加热环的环宽为70~350mm；
所述内圈过渡环的环宽为3~8mm；
所述中心加热片的半径为10~50mm。
3.根据权利要求1所述的用于制备外延片的转盘式反应器，其特征在于，在所述转盘温度为1000~1100℃的生长高温段时，所述外圈加热环的加热功率密度为5×108~1×109W/m3；
所述外圈过渡环的加热功率密度为1×108~5×108W/m3；
所述内圈加热环的加热功率密度为5×107~1×108W/m3；
所述内圈过渡环的加热功率密度为7×107~1.5×108W/m3；
所述中心加热片的加热功率密度为9×107~2×108W/m3。
4.根据权利要求1所述的用于制备外延片的转盘式反应器，其特征在于，所述加热盘位于所述转筒内部，所述转盘随着所述转筒旋转的同时，所述加热盘固定不动。
5.根据权利要求1所述的用于制备外延片的转盘式反应器，其特征在于，所述转筒内部设置有密封件，所述密封件内由上至下依次设置有反射板和若干电极，所述密封件用于密封所述反射板和所述电极。
6.根据权利要求1所述的用于制备外延片的转盘式反应器，其特征在于，所述壳体外周设置有保温层。
7.一种外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法在权利要求1-6任一项所述的转盘式反应器中进行，所述制备方法包括：
衬底放置于转盘上，喷淋装置向衬底表面喷射反应气体，转盘带动衬底旋转使得反应气体均匀分布于衬底表面，通过加热盘对衬底进行加热，反应气体沉积于衬底表面，得到所述外延片。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述转盘温度为1000~1100℃的生长高温段时，所述外圈加热环的加热温度为1600~1700℃；
所述外圈过渡环的加热温度为1450~1550℃；
所述内圈加热环的加热温度为1300~1400℃；
所述内圈过渡环的加热温度为1400~1500℃；
所述中心加热片的加热温度为1500~1600℃。
9.一种权利要求1-6任一项所述的转盘式反应器的用途，其特征在于，所述转盘式反应器用于制备大尺寸的外延片；
所述外延片的直径≥8英寸。
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