一種應用于小型mocvd系統的高溫加熱裝置的制造方法
【專利摘要】一種應用于小型MOCVD系統的高溫加熱裝置，包括加熱元件、電爐盤和電極連接線，加熱元件上面設有蓋板，電爐盤底部預留若干孔洞，連接加熱元件的電極連接線有陶瓷管加以保護；加熱裝置外部由不銹鋼外罩所封閉，電爐盤下方有隔熱板，隔熱板上預留若干和電爐盤底部相對應的孔洞，隔熱板上方外罩的側面設有能通保護氣體的不銹鋼管，不銹鋼管管可供氮氣等保護氣通入加熱元件上部，對加熱元件進行雙重保護；本發明可實現小型MOCVD系統的高溫加熱，并能有效阻止高溫情況下氧氣等對加熱元件造成的氧化和腐蝕影響，大幅提升了加熱元件使用壽命，也可以屏蔽限制高溫條件下加熱元件的各種釋放，有利于獲得性能優異的沉積薄膜材料。
【專利說明】
_種應用于小型MOGVD系統的高溫加熱裝置
技術領域
[0001]本發明涉及薄膜沉積技術，特別是一種應用于小型MOCVD系統的高溫加熱裝置。
【背景技術】
[0002]紅外輻射加熱是對電阻比較高的加熱元件通過大電流，使其產生很大的熱量，進而主要以輻射的方式對石墨或金屬基座進行傳熱，是工業規模生產和科學實驗研究中的一種非常重要的加熱方法，但加熱設備的大小、結構及使用環境等對其實際的加熱效果相差很大。
[0003]對于管式爐來說，爐體一般都設計有一定厚度的保溫層及反射層，爐管由加熱絲所包裹，可使加熱絲產生的熱量集中于爐管內部，爐管內部的工藝溫度比較接近加熱絲的溫度，溫差一般不超過200°C，因此比較容易實現1100°C左右甚至更高的工藝溫度。
[0004]不同薄膜對沉積工藝和設備的要求差別很大，對于MOCVD系統來說，一般需要腔體壁面的冷卻設計，由于真空度的需要，腔體的空間一般都比較有限，所以加熱設備的大小也會受到限制，再加上襯底旋轉等機械要求，沉積樣品一般是放在加熱設備的上面，并且和加熱設備有一定的距離，以上多種因素造成MOCVD系統中的工藝溫度和加熱元件的溫度差異很大，多個理論計算和實測數據表明，1100°C的工藝溫度對應的加熱元件溫度可能會達1700?2000°C。對于部分半導體材料而言，為了得到優異的材料質量，很多情況下都需要將襯底加熱到1100度左右，并伴隨有氧氣或氯氣、二氧化碳等氧化性氣體，在如此高溫條件下工作，加熱元件極易被氣體氧化或腐蝕，從而嚴重影響加熱設備的壽命及穩定性;另外，在此類高溫條件下，加熱元件本身已處于熾熱狀態，會釋放雜質或其它不明物，這些對材料的生長將帶來不利影響。
【發明內容】
[0005]本發明目的是，提出一種應用于小型MOCVD系統的高溫加熱裝置，針對現有技術的問題，提供了一種易于實現較高工藝溫度的加熱裝置，既可防止加熱元件被氧化，大幅延長電爐的壽命，又可以屏蔽限制加熱元件在高溫情況下的各種釋放，凈化沉積系統的環境，使沉積材料的性能得到保證。
[0006]本發明技術方案是，一種應用于小型MOCVD系統的高溫加熱裝置，包括加熱元件、電爐盤和電極連接線，加熱元件上面設有蓋板，電爐盤底部預留若干孔洞，連接加熱元件的電極連接線有陶瓷管加以保護;加熱裝置外部由不銹鋼外罩所封閉，電爐盤下方有隔熱板，隔熱板上預留若干和電爐盤底部相對應的孔洞，隔熱板上方外罩的側面設有能通保護氣體的不銹鋼管，不銹鋼管管可供氮氣等保護氣通入加熱元件上部，對加熱元件進行雙重保護；隔熱板置于不銹鋼外罩內的支撐體上，電爐盤材料為氧化鋁陶瓷或碳化硅或其它耐高溫絕緣防火材料；電爐盤設計有若干凹槽，加熱元件置于凹槽之中，且凹槽深度略大于加熱元件的高度。
[0007]加熱元件是加熱電阻絲或加熱電阻片，材料為鎢、鉬或金屬合金等。
[0008]電爐盤底部由若干支撐桿支撐，支撐桿的另一端固定在加熱裝置下部的底座上。
[0009]電爐盤形狀為圓形，尺寸為6-12cm，根據襯底旋轉的需要，電爐盤中心留有孔洞，孔洞直徑0.5-2.5cm。
[0010]電爐盤底部可預留若干孔洞，以供電極連接線或熱電偶裝置穿過。
[0011]電爐盤最外側內壁預留放置石英蓋板的卡口，保證使用時石英蓋板固定不動。
[0012]加熱元件上面蓋板材料為石英或不銹鋼，根據襯底旋轉的需要，蓋板中心可留有孔洞，孔洞直徑0.5-1.5cm;蓋板上方為旋轉被加熱平臺即樣品生長臺，反應氣體可由噴淋頭或其它形式的進氣管道通入到樣品平臺上。
[0013]隔熱板上方不銹鋼外罩側面的不銹鋼管數量為1-6個，管徑大小為0.3-1.5cm。
[0014]位于電爐盤下方的隔熱板材料為石英或不銹鋼，隔熱板放置于不銹鋼外罩內的支撐體上，隔熱板和電爐盤的間距為0-lcm，隔熱板上預留若干孔洞，以供電極連接線或熱電偶裝置穿過，根據襯底旋轉的需要，隔熱板中心可留有孔洞。
[0015]與現有技術相比，本發明的有益效果，本發明可實現小型MOCVD系統的高溫加熱，并能有效阻止高溫情況下氧氣等對加熱元件造成的氧化和腐蝕影響，大幅提升了加熱元件使用壽命，也可以屏蔽限制高溫條件下加熱元件的各種釋放，有利于獲得性能優異的沉積薄膜材料。尤其是:
[0016]1、可實現小型MOCVD系統的較高工藝溫度，防止電阻絲在高溫條件下被反應氣體所氧化或腐蝕，大幅延長電爐的壽命；
[0017]2、可以屏蔽限制電阻絲在高溫情況下的各種釋放，凈化沉積系統的環境；
[0018]3、加工技術難度小，成本低廉，實用性強，兼容性好，易于推廣。
【附圖說明】
[0019]圖1、本發明所述半封閉式加熱裝置剖面結構示意圖；
[0020]圖2、應用圖1所述加熱裝置的MOCVD系統剖面結構示意圖；
[0021]圖3、全封閉式加熱裝置剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實施例對本發明做詳細的說明:
[0023]在本發明中，電爐盤材料為99瓷、95瓷、90瓷等氧化鋁陶瓷，或碳化硅或其它耐高溫絕緣防火材料，實現本加熱裝置的相關原材料選擇空間大，價格低廉。
[0024]在本發明中，電爐盤設計有若干凹槽，電阻絲置于凹槽之中，且凹槽深度略大于電阻絲的高度，可避免電阻絲出現短路的情況。
[0025]在本發明中，電爐盤底部預留若干孔洞，可供電極引線或熱電偶裝置或襯底轉動支撐軸穿過，實現沉積系統的多功能性。
[0026]在本發明中，加熱上面有石英或不銹鋼蓋板，可防止氧氣等氧化性氣體和電阻絲接觸，蓋板中心留有孔洞也可供襯底轉動支撐軸穿過。
[0027]在本發明中，加熱主體外部由不銹鋼外罩所封閉，電爐盤下方有置于不銹鋼外罩支撐體上的隔熱板，可起到屏蔽保溫作用，此外隔熱板上方外罩側面有不銹鋼管，可供氮氣等保護氣通入，使隔熱板及外罩形成的狹小空間保持對腔室的正壓，避免電阻絲和反應氣體的接觸，對加熱元件進行雙重保護。
[0028]在本發明中，加熱上面的蓋板和加熱主體的外罩還可以有效屏蔽限制電阻絲在高溫情況下的各種釋放，凈化沉積系統的環境。
[0029]實施例1
[0030 ]如圖1所示，本發明所述的一種應用于小型MOCVD系統的高溫加熱裝置，包括加熱主體，加熱主體中有加熱電阻絲11、電極連接線12和電爐盤13，在本實施例中，電阻絲材料為鎢絲，電爐盤為95瓷，形狀為圓形，直徑為10cm，由固定于腔體內部的底座上的支撐桿20所支撐。電爐盤中間留有孔洞14(同時標上直徑R)，孔洞直徑1.2cm，可供轉動軸穿過，電極連接線上部首先穿過長2cm、直徑0.4cm的不銹鋼套管，并焊接在一起，不銹鋼套管外部有陶瓷管15加以保護，以防短路，下部和一金屬螺絲焊接在一起，螺絲直徑和不銹鋼套管經相當，并通過螺母和接線柱16緊密相聯，保證電極的良好接觸。在電阻絲上面有外徑為9.8cm、內徑1.2cm的石英蓋板17，厚度為2_，在加工制作電爐盤時，預留和石英蓋板尺寸相當的卡口，使用時可將石英蓋板放置于卡口中，保證石英蓋板固定不動，同時確保石英蓋板的中心孔洞和電阻絲托盤孔洞對齊。加熱主體外部由不銹鋼外罩18所封閉，在電爐正上方的不銹鋼蓋板為環形，其內徑9cm，比石英蓋板外徑略小，保證不銹鋼上蓋板能完全覆蓋石英蓋板，其外側和外圍的不銹鋼焊接在一起。在不銹鋼外罩內側，焊接有支撐體19，在支撐體上放置隔熱板10，隔熱板和電爐盤間距0.5cm，在隔熱板上方外罩的側面焊有不銹鋼管21，可供氮氣等保護氣通入，對電阻絲進行雙重保護。根據此實施例發明，我們實現的最高襯底溫度可達1100°C，在此溫度下電阻絲使用壽命可達200小時，而沒有蓋板、隔熱板和不銹鋼外罩的加熱裝置可實現的最高溫度約900°C，在最高溫度下的使用壽命僅30小時。
[0031]圖2中41為樣品生長臺，42為樣品，43為進氣噴淋頭，44為旋轉軸
[0032]實施例2
[0033]如圖3所示，本發明所述的一種小型MOCVD系統的高溫加熱裝置，包括加熱本體，加熱本體中有加熱電阻絲31、電極連接線32、電爐盤33，由固定于腔體內部的底座上的支撐桿30所支撐。在本實施例中，電阻絲材料為鎢絲，電爐盤為95瓷，形狀為圓形，直徑為8cm。電極引線上部首先穿過長3cm、直徑0.4cm的不銹鋼套管，并焊接在一起，不銹鋼套管外部有陶瓷管34加以保護，以防短路，下部和一金屬螺絲焊接在一起，螺絲直徑和不銹鋼套管經相當，并通過螺母和接線柱35緊密相聯，保證電極的良好接觸。加熱主體外部由不銹鋼外罩36所封閉，在電爐正上方由不銹鋼蓋板37完全覆蓋(可以不留孔，為固定樣品臺結構)，蓋板的外邊緣和外圍的不銹鋼焊接在一起。在不銹鋼外罩內側，焊接有支撐體38，在支撐體上放置隔熱板39，隔熱板和電爐盤間距0.3cm，在隔熱板上方外罩的側面焊有不銹鋼管40，可供氮氣等保護氣通入，對電阻絲進行雙重保護。根據此實施例發明，我們實現的襯底溫度可達10000C，在此溫度下電阻絲使用壽命可達300小時。
[0034]對于本領域的技術人員來說，可根據本發明所述的技術方案和構思，做出各種相應的改變和變形，而所有的這些改變和變形都屬于本發明權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種應用于小型MOCVD系統的高溫加熱裝置，包括加熱元件、電爐盤和電極連接線，加熱元件上面設有蓋板，電爐盤底部預留若干孔洞，連接加熱元件的電極連接線有陶瓷管加以保護;加熱裝置外部由不銹鋼外罩所封閉，電爐盤下方有隔熱板，隔熱板上預留若干和電爐盤底部相對應的孔洞，隔熱板上方外罩的側面設有能通保護氣體的不銹鋼管，不銹鋼管管可供氮氣等保護氣通入加熱元件上部，對加熱元件進行雙重保護；隔熱板置于不銹鋼外罩內的支撐體上，電爐盤材料為氧化鋁陶瓷或碳化硅或其它耐高溫絕緣防火材料；電爐盤設計有若干凹槽，加熱元件置于凹槽之中，且凹槽深度略大于加熱元件的高度。2.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，其特征是加熱元件是加熱電阻絲或加熱電阻片，材料為鎢、鉬或金屬合金等。3.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，其特征是電爐盤底部由若干支撐桿支撐，支撐桿的另一端固定在加熱裝置下部的底座上。4.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，其特征是電爐盤形狀為圓形，尺寸為6-12cm，根據襯底旋轉的需要，電爐盤中心留有孔洞，孔洞直徑0.5-2.5cm。5.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，電爐盤底部可預留若干孔洞，以供電極連接線或熱電偶裝置穿過。6.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，電爐盤最外側內壁預留放置石英蓋板的卡口，保證使用時石英蓋板固定不動。7.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，加熱元件上面蓋板材料為石英或不銹鋼，根據襯底旋轉的需要，蓋板中心可留有孔洞，孔洞直徑0.5-1.5cm;蓋板上方為旋轉被加熱平臺即樣品生長臺，反應氣體可由噴淋頭或其它形式的進氣管道通入到樣品平臺上。8.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，隔熱板上方不銹鋼外罩側面的不銹鋼管數量為1-6個，管徑大小為0.3-1.5cm。9.根據權利要求1所述的高溫加熱裝置，位于電爐盤下方的隔熱板材料為石英或不銹鋼，隔熱板放置于不銹鋼外罩內的支撐體上，隔熱板和電爐盤的間距為0-lcm，隔熱板上預留若干孔洞，以供電極連接線或熱電偶裝置穿過，根據襯底旋轉的需要，隔熱板中心可留有孔洞。
【文檔編號】C23C16/48GK105862013SQ201610439793
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】朱順明, 劉松民, 顧書林, 葉建東, 湯琨
【申請人】南京大學