CN203112961U - 刻蚀烘烤设备的反应炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种刻蚀烘烤设备的反应炉，所述反应炉包括反应室组件、加热组件以及冷却组件，其中，所述反应室组件包括反应罩，所述反应罩上设有通气管，反应气体通过所述通气管输入到反应罩内部；所述加热组件包括红外灯管组件，所述红外灯管组件设置在所述反应罩外侧；所述冷却组件包围所述加热组件设置。采用根据实用新型的反应炉，可以使反应炉可以使反应腔内的温度稳定均匀、加热反应周期短，从而延长石墨盘的使用寿命。

Description

刻蚀烘烤设备的反应炉

技术领域

本实用新型涉及一种刻蚀烘烤设备的反应炉，尤其涉及一种氯气刻蚀烘烤设备的反应炉，用于清除MOCVD外延工艺生长后沉积在石墨盘表面的氮化镓等残留物，并可以用于清除外延片衬底表面的外延层。

背景技术

金属有机化学气相沉积设备（简称MOCVD）以热分解反应方式在衬底上进行化学沉积反应，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料，石墨盘作为衬底的承载平台，在该反应过程中会有多余的化学反应残留物沉积在石墨盘表面上，假如不加以清除，必然会在新的一炉外延片生长过程中影响对应的温度控制、表面颗粒等，并最终影响到外延片生长的成品率。另外在外延片生长过程中，会有大量的衬底片因生长不出质量合格的外延片而报废，因没有专业的外延衬底片刻蚀设备，无法对这些不合格的外延片上的外延层化学沉积物进行有效地刻蚀，无法对该类衬底片进行重复利用，造成大量的成本浪费和损失。

目前市场上还没有对于MOCVD和外延片进行刻蚀、清洁的专用设备，目前业内使用的石墨盘清洁方法通常采用真空烧结炉进行长时间高温烘烤的方式，存在单炉次烘烤的时间比较长（单炉次约14小时），烘烤温度太高（最高温度约1400度）影响石墨盘循环使用的寿命等问题，同时无法对工艺生长过程中产生的报废外延衬底片进行刻蚀。另外该类设备体积比较大，在净化车间内占用比较大的安装和使用空间。该设备在烘烤石墨盘的工作原理是使用高温烧结的方式把氮化镓残留物物理性粉尘化，运行后会产生大量的粉尘，同时会大量残留在反应炉内，所以该类设备需要经常维护和清洁。为了解决通常烤盘设备的不足，现提供一种新的设备，即氯气刻蚀烘烤设备，该设备是利用氯气或气体氯化物，在一定温度的条件下对石墨盘或外延衬底片进行刻蚀反应，并最终达到对石墨盘表面进行有效的清洁和对外延衬底片表面的不良外延层进行有效刻蚀的功用。

通常石墨盘和外延衬底片是放在刻蚀烘烤设备的反应炉内里进行清洁，该反应炉是设备的核心部分，他的组成结构、加热、冷却等各项功能都非常重要，必须满足和保证设备正常运行和安全需要。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种刻蚀烘烤设备的反应炉，反应炉包括反应室组件、加热组件以及冷却组件，其中，反应室组件包括反应罩，反应罩上设有通气管，反应气体通过通气管输入到反应罩内部；加热组件包括红外灯管组件，红外灯管组件设置在反应罩外侧；冷却组件包围加热组件设置。

根据本实用新型的一个方面，加热组件还包括反射板组件，反射板组件设置在反应罩外侧。红外灯管组件可包括多个红外灯管，这些红外灯管构造成并联回路以进行分区温度控制。

根据本实用新型的冷却组件包括循环风冷却系统和水冷却系统，循环风冷却系统构造成通入气流对反应炉内的部件进行冷却，水冷却系统构造成具有冷却水管，冷却水管通入冷却水以便对反应炉内的部件进行冷却。

根据本实用新型的另一个方面，加热组件通常包括反射板，反射板设置在反应罩的上侧和四周侧，反射板的外侧固定有冷却板，冷却水管盘设在冷却板的外侧。

根据本实用新型的另一个方面，循环风冷却系统包括位于反应室组件上方的顶部集气槽；位于反应室组件下方的底部集气槽；连通在顶部集气槽和底部集气槽之间的风腔，风腔位于反应室组件以及加热组件四周。较佳地，循环风冷却系统还包括：换热器，该换热器被连接到底部集气槽的下游；以及串接在循环风冷却系统中的、使气流循环运动的鼓风机。

根据本实用新型的又一个方面，反应室组件还包括：反应罩固定座，反应罩固定座固定支承反应罩；以及可开启的底盖，该底盖设有连通位于反应室组件内的、容纳石墨盘或外延衬底片的反应腔的尾气通道，并且底盖密封连接到反应罩固定座上。较佳地，反应罩通过耐高温的密封圈将反应罩固定到反应罩固定座上。

较佳地，冷却组件包括循环风冷却系统，循环风冷却系统构造成通入气流对反应炉内的部件进行冷却，循环风冷却系统位于反应室组件上方的顶部集气槽；位于反应室组件下方的底部集气槽；连通在顶部集气槽和底部集气槽之间的风腔，风腔位于反应室组件以及加热组件四周。

根据本实用新型的又一个方面，底盖设有压力检测口，通入反应罩内的反应气体的流量被控制成使反应腔内压力与风腔内的压力大致相等。

根据本实用新型的反应罩由石英材料制成。

根据本实用新型的又一个方面，反应气体通过通气管通入，反应气体包括氯气和气体氯化合物中的一种或多种。

根据本实用新型的又一个方面，反应炉内放置石墨盘或外延衬底片。较佳地，反应炉内以竖直状态放置一片或两片石墨盘。

根据本实用新型的又一个方面，所述反应炉构造成将所述反应炉的反应过程中的炉内温度控制在500°Ｃ-800°Ｃ的范围内。

采用根据实用新型的反应炉，可以较佳的控制反应腔内的温度稳定均匀，最高温度控制在800度左右，单炉次加热周期控制在3小时内，从而可以适当延长石墨盘的使用寿命。

附图说明

图1为根据本实用新型的一实施例的反应炉的立体图，其外壳被移去，以示出其内部构件。

图2为图1所示的反应炉的侧剖视图。

图3为图1所示的反应炉的另一剖视图，该剖视方位相对图2所示方位呈转了90度。

图4为示出了可放置在根据本实用新型的反应炉内的石墨盘及其支撑工装的立体图。

图5为根据本实用新型的红外灯管组件的加热原理图。

图6为根据本实用新型的反应炉的水冷却系统的原理图。

图7为根据本实用新型反射板组件的侧剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于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实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。

根据本实用新型刻蚀烘烤设备的反应炉10主要包括三部分组件：反应室组件100、加热组件200以及冷却组件。加热组件200通常设置在反应室组件100外周，冷却组件又设置在加热组件200的外周。根据本实用新型的一个具体实施例，反应室组件100包括由石英制成的反应罩110，加热组件200包括红外灯管组件210，并且冷却组件包括围绕加热组件200设置的循环风冷却系统310和水冷却系统350。加热组件200对反应室组件100、特别是置于反应室组件100内的石墨盘600或外延衬底片（通常，外延衬底片对应放置吸附在石墨盘上的片槽内，同石墨盘20一同放置在反应炉10内，但这不是限制性的，外延衬底片也可以通过专用的工装单独放置在反应炉10内）进行加热，而冷却组件对红外灯管组件210及相关其他部件进行冷却，保护红外灯管212，延长红外灯管212使用寿命。以下，对这三个组件作具体描述。

反应室组件

反应室组件100包括：反应罩110，该反应罩110的顶侧设有通气管111，反应罩110的底侧敞开；反应罩固定座120，反应罩固定座120固定支承反应罩110；以及可开启的底盖130，该底盖130设有连通反应腔150的尾气通道132，并且底盖130密封连接到反应罩固定座120上。

反应罩110通常设置成顶侧封闭、底部敞开的构造，反应罩110的顶侧设有通气管111，通过设置在反应罩110顶侧的通气管111，诸如氮气、氯气或氯化物之类反应所需的气体可输送到反应腔150内。较佳地，反应罩110的顶部设有至少一层、较佳地两层配流板112，配流板112上设有若干通孔，用于使通入的气体散布开以均匀地通入反应腔150内。通孔的设置位置、大小、数量可以根据需要设计而定。较佳地，当有两层配流板112时，上层配流板112上的通孔与下层配流板112上的通孔位置错开。反应罩110较佳地由石英材料制成，石英反应罩110的各部分可以采用焊接的方式实现。此外，反应罩110顶部还设有中间通管115，用于使测温热电偶140直接伸入到反应腔150内。

反应室组件100中的反应罩固定座120设置在刻蚀烘烤设备10中的设备平台400上，用于固定支承反应罩110。作为一种实施例，反应罩110的下端设有凸缘部116，反应罩110通过压圈160接合反应罩110下端的凸缘部116将反应罩110固定到反应罩固定座120上，并且凸缘部116和压圈160的接合部中设有耐高温的密封件，如Ｏ型圈。反应罩固定座120具有面朝上方的第一配合面，第一配合面与反应罩110的敞开的下端的端面配合在一起。反应罩固定座120具有面朝下方的第二配合面。根据本实用新型的较佳实施例，第二配合面形成有台阶部，台阶部将第二配合面分成两个部分，其中第二配合面的一部分与设备平台400配合，第二配合面的另一部分与底盖130配合。并且，在底盖130与第二配合面之间设有密封件，如Ｏ型圈，以防反应腔150内的气体或热量外泄。

反应室组件100的底盖130设有尾气通道132，尾气通道132的入口与反应腔150连通，用于使反应腔150中的气体流出反应腔150。尾气通道132的入口通常设置在底盖130与反应罩110的敞开的底侧相对应的一部分的中间位置。尾气通道132的出口连接一个单向阀170，以排出到相应的厂区废气系统（未图示）中。在本实施例中，单向阀170是安装在设备平台400上，而尾气通道132连接到设备平台400并且连通单向阀170。

底盖130可通过多个旋转夹紧气缸180紧固到设备平台400下方。根据本实用新型的较佳实施例，旋转夹紧气缸180设有三个，当然，其他合理数量的气缸也是可行的，例如二个或四个等。旋转夹紧气缸180固定在设备平台400的下侧面上，旋转夹紧气缸180具有卡爪，当旋转夹紧气缸180和卡爪缩紧后，卡爪压接位于底盖130上的辅助压块136，从而达到密封的功能，以满足设备正常加热反应的需要。

此外，底盖130上还设有压力检测口，用以检测反应室组件100的内部空间中的腔体压力，以保证设备正常运行，特别是当使用石英反应罩110时，以防反应罩110由于罩内外压差过大而碎裂。

加热组件

根据本实用新型的较佳实施例，加热组件200包括红外灯管组件210和反射板组件220。红外灯管组件210包括第一红外灯管组件部和第二红外灯管组件部，它们分别设置在反应室组件100的相对两个侧面的外侧，即反应室组件100大致位于两个红外灯管组件部之间，如图1所示，两个红外灯管组件部设置在反应罩110的四个外周面中两个较大的侧面上。红外灯管组件210包括红外灯管212、对于支承红外灯管212的红外灯管212固定座以及固定红外灯管212固定座的反射板。在反应罩110的四个外周面中较小的两个侧面处，设置了反射板组件220，但没有设置红外灯管组件210，反射板组件220用于反射由红外灯管组件210发出的热量。

较佳地，红外灯管组件210中的多个红外灯管212可以构造成并联回路以进行分区控温。图5为根据本实用新型的红外灯管组件210的加热原理图，如图所示，多个红外灯管212被分成了八路并联线路，但这只是示例性的，也可以按具体需要设定。多路并联线路较佳可以分成三个区进行温度控制，温控区至上而下排列，通过从反应罩110顶侧的通管115伸入到反应罩110内的测温组件可以对三个区进行测温，从而进行相应的温度控制，以使反应腔150内的温度均匀。

冷却组件

在本实用新型的反应炉10中，冷却组件包括循环风冷却系统310和水冷却系统350，循环风冷却系统310构造成通入气流对反应炉10内的部件进行冷却，水冷却系统350构造成通入冷却水对反应炉10内的部件进行冷却。

循环风冷却系统310包括：位于反应室组件100上方的顶部集气槽312；位于反应室组件100下方的底部集气槽314；连通在顶部集气槽312和底部集气槽314之间的风腔，风腔位于反应室组件100以及加热组件200四周，引入风腔中的气流能够对加热组件200进行冷却。根据本实用新型的一个较佳实施例，循环风冷却系统310还包括：外接或内置的换热器，该换热器可以被连接到底部集气槽314的下游；以及串接在循环风冷却系统310中的、使气流循环运动的鼓风机。这样，在鼓风机驱动下，气流通过顶部集气槽的进口313通入到顶部集气槽312中，随后，气流垂直向下流入到反应室组件四周的风腔中，并进入相应的内风道，对加热组件200进行冷却，气流接着向下流入到底部集气槽314中，并且通过底部集气槽的出口315离开反应腔150，接着，收集了热量的气流将流到换热器，在换热器中气流的温度得以下降，例如下降约10度左右，随后再次循环回到顶部集气槽312用于执行冷却作用。

此外，循环风冷却系统310还可连接一个补风通道，该补风通道设置在底部集气槽314与换热器之间，用于将温度低于进入换热器的气流温度的低温气体补充到循环气流中，以避免循环气体中热量不断累积。

循环风冷却系统310中的风腔包括反射面风腔319和加热面风腔318，其中反射面风腔319设置在设有反射板的两个相对侧面处的第一反射面风腔319和第二反射面风腔319，加热面风腔318包括设置在设有红外灯管组件210的两个相对侧面处的第一加热面风腔318和第二加热面风腔318。反射面风腔319将配流后的冷却风从两个风腔、进入内部对应风道，对红外灯管212的接头部分进行冷却；而第一加热面风腔318和第二加热面风腔318通过配流结构通向内风腔，以对红外灯管组件210中的红外灯管212以及构成反应腔的反应罩110进行冷却，由此可避免红外灯管212因发热部分温度过高而引起的石英管爆裂，另外，还可以对红外灯管212的灯碗反射面零件进行相应的冷却。

水冷却系统350可包括设置在加热组件200上的冷却水管353和位于反应罩固定座120中的水腔356。根据本实用新型的一个较佳方案，加热组件200中的反射板222包括红外灯管组件210中的反射板和反射板组件中的反射板，通常安装有红外灯管的反射板比未安装红外灯管的反射板更厚，这样利于支承红外灯管。这些反射板可分别设置在反应罩110的上侧（反应罩的上侧通常不设置红外灯热管）和四周侧，反射板222的外侧可固定有冷却板352，冷却板352例如可由黄铜制成，冷却水管353按预定的长度盘设在冷却板352的外侧。反射板与冷却板352之间的固定可以借助于例如螺栓螺母之类的螺纹紧固件。各个侧面的冷却水管353分别与一个入口354和一个出口355相连，以便分别输入和输出冷却水。通常，冷却水管353的入口354和出口355均穿过反应炉10的外壳向外通出，以便连接相应的供给源和排放系统。

图2中示出了反应罩固定座120中的水腔356，水腔356设有水腔入口和水腔出口，水腔入口和水腔出口均可设置于设备平台400的下方，诸如水之类的冷却剂从水腔入口输入又从水腔出口输出从而在水腔356内循环，从而特别对Ｏ型圈起到冷却作用。

图6为根据本实用新型的反应炉10的水冷却系统350的原理图。五个冷却水管353和反应罩固定座120中的水腔356可并联设置而构成反应炉10的水冷却系统，但根据需要也可以对冷却水管的设置位置和面积进行调整。冷却水管353和水腔356的所有入口均连接同一入口水排/水管，出口接到同一出口水排/水管。

以上，对反应室组件100、加热组件200和冷却组件进行了描述。石墨盘600在由反应室组件100、加热组件200和冷却组件构成的反应炉10内进行烘烤。如图4所示，石墨盘600以竖直位置（即圆盘面处于垂直位置）放置到烤盘工装500上，当反应室组件100的底盖130通过自动升降机构（未图示）向下移动而打开反应腔150后，烤盘工装500连接石墨盘600放置到底盖130上，随后底盖130上升，并通过旋转夹紧气缸180夹紧到设备平台的下侧面上，从而关闭反应腔150。随后，开始从通气孔通入反应气体，致动加热组件200，使反应腔150升温，同时包括循环风冷却系统310和水冷却系统350的冷却组件开启，对于参与光源辐射零件和热传导的相关零件进行必要的冷却，从而保证反应炉10安全正常的运行。

在反应炉10运行过程中，从反应罩110顶上的通管115伸入到反应罩110内的测温组件对反应腔150内的温度进行监测，较佳地，可以分区进行监测，根据测量的结果对于加热组件200的红外灯管组件210进行分区控制，从而使反应腔150的温度能够得到精确、均匀地控制。该反应炉10在运行过程中温度可以从室温上升到最高800°Ｃ，较佳地，在反应炉的反应过程中，即氯气或气体氯化物从反应罩110顶上的通管115通入到反应腔150内以进行反应的过程中，反应炉的炉内温度可被控制在500°Ｃ-800°Ｃ的范围内。

此外，根据本实用新型的较佳实施例，反应罩110是由石英制成的，为此，底盖130上还设有一个压力检测口，用以检测反应室组件100的内部空间中的反应腔150内部压力。为保证设备正常运行，需要避免石英反应罩110内外的压差过大。根据从压力检测口测得的压力，操作人员可以控制通过反应室组件100的反应罩110内的诸如氮气、氯气或氯化物气体的流量，从而将腔内压力控制得与循环风冷却系统310的风腔内的压力大致相等，即可避免石英反应罩110碎裂。

由此，本实用新型提供一种新的专用的刻蚀烘烤设备反应炉，该反应炉是利用氯气或气体氯化物，在一定温度的条件（刻蚀最高温度800度以内）下对石墨盘或外延衬底片进行刻蚀反应，并最终达到对石墨盘表面进行有效的清洁和对外延衬底片表面的不良外延层进行有效刻蚀、清洁的功用。该反应炉的单炉次时间比较短，可以控制在3小时以内完成；同时因反应炉的尺寸和外形比较小，合理的节省了在净化车间对应的安装和使用空间。该反应炉是通过在一定温度条件下的化学反应的方式来分解氮化镓残留物，运行后的产物粉尘颗粒少，同时会通过尾气排放结构及时排出反应炉内，所以可以保证多炉次重复运行，减少设备维护和清洁的频率，保证设备具有比较高的使用效率。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改。

Claims (14)

1.一种刻蚀烘烤设备的反应炉（10），所述反应炉包括反应室组件（100）、加热组件（200）以及冷却组件，其特征在于， 

所述反应室组件（100）包括反应罩（110），所述反应罩（110）上侧设有通气管（111），反应气体通过所述通气管（111）输入到所述反应罩（110）内部； 

所述加热组件（200）包括红外灯管组件（210），所述红外灯管组件（210）设置在所述反应罩（110）外侧； 

所述冷却组件包围所述加热组件（200）设置。 

2.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述加热组件（200）还包括反射板组件（220），所述反射板组件（220）设置在所述反应罩（110）外侧。 

3.如权利要求2所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述红外灯管组件（210）包括多个红外灯管（212），所述多个红外灯管（212）构造成并联回路以进行分区温度控制。 

4.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，冷却组件包括循环风冷却系统（310）和水冷却系统（350），所述循环风冷却系统（310）构造成通入气流进行冷却，所述水冷却系统（350）构造成具有冷却水管（353），所述冷却水管（353）通入冷却水进行冷却。 

5.如权利要求4所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述加热组件（200）包括反射板，所述反射板设置在反应罩（110）的上侧和四周侧，所述反射板的外侧固定有冷却板（352），所述冷却水管（353）盘设在冷却板（352）的外侧。 

6.如权利要求4所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述循环风冷却系统（310）包括：位于反应室组件（100）上方的顶部集气槽（312）；位于反应室组件（100）下方的底部集气槽（314）；连通在顶部集气槽（312）和底部集气槽（314）之间的风腔，风腔位于反应室组件（100）以及加热组件（200）四周。 

7.如权利要求6所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述 循环风冷却系统（310）还包括：换热器，所述换热器被连接到所述底部集气槽（314）的下游；以及串接在循环风冷却系统（310）中的、使气流循环运动的鼓风机。 

8.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，反应室组件（100）还包括：反应罩固定座（120），反应罩固定座（120）固定支承反应罩（110）；以及可开启的底盖（130），该底盖（130）设有连通位于所述反应室组件（100）内的、容纳石墨盘（600）或外延衬底片的反应腔的尾气通道（132），并且底盖（130）密封连接到反应罩固定座（120）上。 

9.如权利要求8所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，冷却组件包括循环风冷却系统（310），所述循环风冷却系统（310）构造成通入气流对所述反应炉内的部件进行冷却，所述循环风冷却系统（310）包括位于反应室组件（100）上方的顶部集气槽（312）；位于反应室组件（100）下方的底部集气槽（314）；连通在顶部集气槽（312）和底部集气槽（314）之间的风腔，风腔位于反应室组件（100）以及加热组件（200）四周, 

所述底盖（130）设有压力检测口，通入所述反应罩（110）内的反应气体的流量被控制成使所述反应腔的内压力与所述风腔内的压力大致相等。 

10.如前述任一项的权利要求所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述反应罩由石英材料制成。 

11.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，在反应炉的运行过程中，反应气体通过所述通气管（111）通入。 

12.如权利要求1或11所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述反应炉内放置石墨盘或外延衬底片。 

13.如权利要求1或11所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述反应炉内以竖直状态放置一片或两片石墨盘。 

14.如权利要求1所述的刻蚀烘烤设备的反应炉（10），其特征在于，所述反应炉构造成将所述反应炉的反应过程中的炉内温度控制在500°Ｃ-800°Ｃ的范围内。 

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