一种应用于小型mocvd系统的高温加热装置的制造方法
【专利摘要】一种应用于小型MOCVD系统的高温加热装置，包括加热元件、电炉盘和电极连接线，加热元件上面设有盖板，电炉盘底部预留若干孔洞，连接加热元件的电极连接线有陶瓷管加以保护；加热装置外部由不锈钢外罩所封闭，电炉盘下方有隔热板，隔热板上预留若干和电炉盘底部相对应的孔洞，隔热板上方外罩的侧面设有能通保护气体的不锈钢管，不锈钢管管可供氮气等保护气通入加热元件上部，对加热元件进行双重保护；本发明可实现小型MOCVD系统的高温加热，并能有效阻止高温情况下氧气等对加热元件造成的氧化和腐蚀影响，大幅提升了加热元件使用寿命，也可以屏蔽限制高温条件下加热元件的各种释放，有利于获得性能优异的沉积薄膜材料。
【专利说明】
_种应用于小型MOGVD系统的高温加热装置
技术领域
[0001]本发明涉及薄膜沉积技术，特别是一种应用于小型MOCVD系统的高温加热装置。
【背景技术】
[0002]红外辐射加热是对电阻比较高的加热元件通过大电流，使其产生很大的热量，进而主要以辐射的方式对石墨或金属基座进行传热，是工业规模生产和科学实验研究中的一种非常重要的加热方法，但加热设备的大小、结构及使用环境等对其实际的加热效果相差很大。
[0003]对于管式炉来说，炉体一般都设计有一定厚度的保温层及反射层，炉管由加热丝所包裹，可使加热丝产生的热量集中于炉管内部，炉管内部的工艺温度比较接近加热丝的温度，温差一般不超过200°C，因此比较容易实现1100°C左右甚至更高的工艺温度。
[0004]不同薄膜对沉积工艺和设备的要求差别很大，对于MOCVD系统来说，一般需要腔体壁面的冷却设计，由于真空度的需要，腔体的空间一般都比较有限，所以加热设备的大小也会受到限制，再加上衬底旋转等机械要求，沉积样品一般是放在加热设备的上面，并且和加热设备有一定的距离，以上多种因素造成MOCVD系统中的工艺温度和加热元件的温度差异很大，多个理论计算和实测数据表明，1100°C的工艺温度对应的加热元件温度可能会达1700?2000°C。对于部分半导体材料而言，为了得到优异的材料质量，很多情况下都需要将衬底加热到1100度左右，并伴随有氧气或氯气、二氧化碳等氧化性气体，在如此高温条件下工作，加热元件极易被气体氧化或腐蚀，从而严重影响加热设备的寿命及稳定性;另外，在此类高温条件下，加热元件本身已处于炽热状态，会释放杂质或其它不明物，这些对材料的生长将带来不利影响。
【发明内容】
[0005]本发明目的是，提出一种应用于小型MOCVD系统的高温加热装置，针对现有技术的问题，提供了一种易于实现较高工艺温度的加热装置，既可防止加热元件被氧化，大幅延长电炉的寿命，又可以屏蔽限制加热元件在高温情况下的各种释放，净化沉积系统的环境，使沉积材料的性能得到保证。
[0006]本发明技术方案是，一种应用于小型MOCVD系统的高温加热装置，包括加热元件、电炉盘和电极连接线，加热元件上面设有盖板，电炉盘底部预留若干孔洞，连接加热元件的电极连接线有陶瓷管加以保护;加热装置外部由不锈钢外罩所封闭，电炉盘下方有隔热板，隔热板上预留若干和电炉盘底部相对应的孔洞，隔热板上方外罩的侧面设有能通保护气体的不锈钢管，不锈钢管管可供氮气等保护气通入加热元件上部，对加热元件进行双重保护；隔热板置于不锈钢外罩内的支撑体上，电炉盘材料为氧化铝陶瓷或碳化硅或其它耐高温绝缘防火材料；电炉盘设计有若干凹槽，加热元件置于凹槽之中，且凹槽深度略大于加热元件的高度。
[0007]加热元件是加热电阻丝或加热电阻片，材料为钨、钼或金属合金等。
[0008]电炉盘底部由若干支撑杆支撑，支撑杆的另一端固定在加热装置下部的底座上。
[0009]电炉盘形状为圆形，尺寸为6-12cm，根据衬底旋转的需要，电炉盘中心留有孔洞，孔洞直径0.5-2.5cm。
[0010]电炉盘底部可预留若干孔洞，以供电极连接线或热电偶装置穿过。
[0011]电炉盘最外侧内壁预留放置石英盖板的卡口，保证使用时石英盖板固定不动。
[0012]加热元件上面盖板材料为石英或不锈钢，根据衬底旋转的需要，盖板中心可留有孔洞，孔洞直径0.5-1.5cm;盖板上方为旋转被加热平台即样品生长台，反应气体可由喷淋头或其它形式的进气管道通入到样品平台上。
[0013]隔热板上方不锈钢外罩侧面的不锈钢管数量为1-6个，管径大小为0.3-1.5cm。
[0014]位于电炉盘下方的隔热板材料为石英或不锈钢，隔热板放置于不锈钢外罩内的支撑体上，隔热板和电炉盘的间距为0-lcm，隔热板上预留若干孔洞，以供电极连接线或热电偶装置穿过，根据衬底旋转的需要，隔热板中心可留有孔洞。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果，本发明可实现小型MOCVD系统的高温加热，并能有效阻止高温情况下氧气等对加热元件造成的氧化和腐蚀影响，大幅提升了加热元件使用寿命，也可以屏蔽限制高温条件下加热元件的各种释放，有利于获得性能优异的沉积薄膜材料。尤其是:
[0016]1、可实现小型MOCVD系统的较高工艺温度，防止电阻丝在高温条件下被反应气体所氧化或腐蚀，大幅延长电炉的寿命；
[0017]2、可以屏蔽限制电阻丝在高温情况下的各种释放，净化沉积系统的环境；
[0018]3、加工技术难度小，成本低廉，实用性强，兼容性好，易于推广。
【附图说明】
[0019]图1、本发明所述半封闭式加热装置剖面结构示意图；
[0020]图2、应用图1所述加热装置的MOCVD系统剖面结构示意图；
[0021]图3、全封闭式加热装置剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明:
[0023]在本发明中，电炉盘材料为99瓷、95瓷、90瓷等氧化铝陶瓷，或碳化硅或其它耐高温绝缘防火材料，实现本加热装置的相关原材料选择空间大，价格低廉。
[0024]在本发明中，电炉盘设计有若干凹槽，电阻丝置于凹槽之中，且凹槽深度略大于电阻丝的高度，可避免电阻丝出现短路的情况。
[0025]在本发明中，电炉盘底部预留若干孔洞，可供电极引线或热电偶装置或衬底转动支撑轴穿过，实现沉积系统的多功能性。
[0026]在本发明中，加热上面有石英或不锈钢盖板，可防止氧气等氧化性气体和电阻丝接触，盖板中心留有孔洞也可供衬底转动支撑轴穿过。
[0027]在本发明中，加热主体外部由不锈钢外罩所封闭，电炉盘下方有置于不锈钢外罩支撑体上的隔热板，可起到屏蔽保温作用，此外隔热板上方外罩侧面有不锈钢管，可供氮气等保护气通入，使隔热板及外罩形成的狭小空间保持对腔室的正压，避免电阻丝和反应气体的接触，对加热元件进行双重保护。
[0028]在本发明中，加热上面的盖板和加热主体的外罩还可以有效屏蔽限制电阻丝在高温情况下的各种释放，净化沉积系统的环境。
[0029]实施例1
[0030 ]如图1所示，本发明所述的一种应用于小型MOCVD系统的高温加热装置，包括加热主体，加热主体中有加热电阻丝11、电极连接线12和电炉盘13，在本实施例中，电阻丝材料为钨丝，电炉盘为95瓷，形状为圆形，直径为10cm，由固定于腔体内部的底座上的支撑杆20所支撑。电炉盘中间留有孔洞14(同时标上直径R)，孔洞直径1.2cm，可供转动轴穿过，电极连接线上部首先穿过长2cm、直径0.4cm的不锈钢套管，并焊接在一起，不锈钢套管外部有陶瓷管15加以保护，以防短路，下部和一金属螺丝焊接在一起，螺丝直径和不锈钢套管经相当，并通过螺母和接线柱16紧密相联，保证电极的良好接触。在电阻丝上面有外径为9.8cm、内径1.2cm的石英盖板17，厚度为2_，在加工制作电炉盘时，预留和石英盖板尺寸相当的卡口，使用时可将石英盖板放置于卡口中，保证石英盖板固定不动，同时确保石英盖板的中心孔洞和电阻丝托盘孔洞对齐。加热主体外部由不锈钢外罩18所封闭，在电炉正上方的不锈钢盖板为环形，其内径9cm，比石英盖板外径略小，保证不锈钢上盖板能完全覆盖石英盖板，其外侧和外围的不锈钢焊接在一起。在不锈钢外罩内侧，焊接有支撑体19，在支撑体上放置隔热板10，隔热板和电炉盘间距0.5cm，在隔热板上方外罩的侧面焊有不锈钢管21，可供氮气等保护气通入，对电阻丝进行双重保护。根据此实施例发明，我们实现的最高衬底温度可达1100°C，在此温度下电阻丝使用寿命可达200小时，而没有盖板、隔热板和不锈钢外罩的加热装置可实现的最高温度约900°C，在最高温度下的使用寿命仅30小时。
[0031]图2中41为样品生长台，42为样品，43为进气喷淋头，44为旋转轴
[0032]实施例2
[0033]如图3所示，本发明所述的一种小型MOCVD系统的高温加热装置，包括加热本体，加热本体中有加热电阻丝31、电极连接线32、电炉盘33，由固定于腔体内部的底座上的支撑杆30所支撑。在本实施例中，电阻丝材料为钨丝，电炉盘为95瓷，形状为圆形，直径为8cm。电极引线上部首先穿过长3cm、直径0.4cm的不锈钢套管，并焊接在一起，不锈钢套管外部有陶瓷管34加以保护，以防短路，下部和一金属螺丝焊接在一起，螺丝直径和不锈钢套管经相当，并通过螺母和接线柱35紧密相联，保证电极的良好接触。加热主体外部由不锈钢外罩36所封闭，在电炉正上方由不锈钢盖板37完全覆盖(可以不留孔，为固定样品台结构)，盖板的外边缘和外围的不锈钢焊接在一起。在不锈钢外罩内侧，焊接有支撑体38，在支撑体上放置隔热板39，隔热板和电炉盘间距0.3cm，在隔热板上方外罩的侧面焊有不锈钢管40，可供氮气等保护气通入，对电阻丝进行双重保护。根据此实施例发明，我们实现的衬底温度可达10000C，在此温度下电阻丝使用寿命可达300小时。
[0034]对于本领域的技术人员来说，可根据本发明所述的技术方案和构思，做出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都属于本发明权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种应用于小型MOCVD系统的高温加热装置，包括加热元件、电炉盘和电极连接线，加热元件上面设有盖板，电炉盘底部预留若干孔洞，连接加热元件的电极连接线有陶瓷管加以保护;加热装置外部由不锈钢外罩所封闭，电炉盘下方有隔热板，隔热板上预留若干和电炉盘底部相对应的孔洞，隔热板上方外罩的侧面设有能通保护气体的不锈钢管，不锈钢管管可供氮气等保护气通入加热元件上部，对加热元件进行双重保护；隔热板置于不锈钢外罩内的支撑体上，电炉盘材料为氧化铝陶瓷或碳化硅或其它耐高温绝缘防火材料；电炉盘设计有若干凹槽，加热元件置于凹槽之中，且凹槽深度略大于加热元件的高度。2.根据权利要求1所述的高温加热装置，其特征是加热元件是加热电阻丝或加热电阻片，材料为钨、钼或金属合金等。3.根据权利要求1所述的高温加热装置，其特征是电炉盘底部由若干支撑杆支撑，支撑杆的另一端固定在加热装置下部的底座上。4.根据权利要求1所述的高温加热装置，其特征是电炉盘形状为圆形，尺寸为6-12cm，根据衬底旋转的需要，电炉盘中心留有孔洞，孔洞直径0.5-2.5cm。5.根据权利要求1所述的高温加热装置，电炉盘底部可预留若干孔洞，以供电极连接线或热电偶装置穿过。6.根据权利要求1所述的高温加热装置，电炉盘最外侧内壁预留放置石英盖板的卡口，保证使用时石英盖板固定不动。7.根据权利要求1所述的高温加热装置，加热元件上面盖板材料为石英或不锈钢，根据衬底旋转的需要，盖板中心可留有孔洞，孔洞直径0.5-1.5cm;盖板上方为旋转被加热平台即样品生长台，反应气体可由喷淋头或其它形式的进气管道通入到样品平台上。8.根据权利要求1所述的高温加热装置，隔热板上方不锈钢外罩侧面的不锈钢管数量为1-6个，管径大小为0.3-1.5cm。9.根据权利要求1所述的高温加热装置，位于电炉盘下方的隔热板材料为石英或不锈钢，隔热板放置于不锈钢外罩内的支撑体上，隔热板和电炉盘的间距为0-lcm，隔热板上预留若干孔洞，以供电极连接线或热电偶装置穿过，根据衬底旋转的需要，隔热板中心可留有孔洞。
【文档编号】C23C16/48GK105862013SQ201610439793
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】朱顺明, 刘松民, 顾书林, 叶建东, 汤琨
【申请人】南京大学