加热丝中介间隔件和用于化学气相沉积的加热子系统
阅读：664发布：2020-05-16
专利汇可以提供加热丝中介间隔件和用于化学气相沉积的加热子系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种加热丝中介间隔件和用于 化学气相沉积 的加热子系统。所述加热丝中介间隔件或具有加热丝中介间隔件的加热子系统防止加热线圈的各部分之间出现非所要的电耦合。，下面是加热丝中介间隔件和用于化学气相沉积的加热子系统专利的具体信息内容。
1.一种加热丝中介间隔件，其特征在于其包括：
多个柱；
托架，其配置成至少部分地围绕加热器线圈；以及
绝缘间隔物，其以机械方式耦合到所述托架且配置成防止所述加热器线圈中被所述托架至少部分地围绕的第一部分和所述加热器线圈中没有被所述托架至少部分地围绕的第二部分之间出现电接触。
2.根据权利要求1所述的加热丝中介间隔件，其特征在于其还包括第二绝缘间隔物，所述第二绝缘间隔物以机械方式耦合到所述托架且配置成防止所述加热器线圈的所述第一部分和所述加热器线圈中没有被所述托架至少部分地围绕的第三部分之间出现电接触。
3.根据权利要求1所述的加热丝中介间隔件，其特征在于所述多个柱包括两个柱。
4.根据权利要求1所述的加热丝中介间隔件，其特征在于所述多个柱中的每一个耦合到凸缘。
5.根据权利要求4所述的加热丝中介间隔件，其特征在于所述凸缘中的每一个耦合到凸榫。
6.根据权利要求5所述的加热丝中介间隔件，其特征在于对于每一个柱：
所述托架耦合到所述柱的第一端部；
所述凸缘的第一端部耦合到所述柱中与所述柱的所述第一端部相对的第二端部；
所述凸榫的第一端部耦合到所述凸缘中与所述凸缘的所述第一端部相对的第二端部，并且其中所述凸榫配置成与邻近结构中的榫眼配合。
7.根据权利要求6所述的加热丝中介间隔件，其特征在于所述柱、所述凸缘和所述凸榫中的至少一个包括电绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的加热丝中介间隔件，其特征在于所述绝缘间隔物包括电绝缘材料。
9.根据权利要求8所述的加热丝中介间隔件，其特征在于所述电绝缘材料是氧化铝、氧化锆、块滑石、堇青石和氮化硼中的一种。
10.一种用于化学气相沉积的加热子系统，其特征在于所述加热子系统包括：
布置成蛇形形状的导电加热器线圈；
沿着所述加热器线圈布置的多个加热丝中介间隔件，所述加热丝中介间隔件中的每一个包括：
多个柱；
托架，其配置成至少部分地围绕所述加热器线圈；以及
绝缘间隔物，其以机械方式耦合到所述托架且配置成防止所述加热器线圈中被所述托架至少部分地围绕的第一部分和所述加热器线圈中没有被所述托架至少部分地围绕的第二部分之间出现电接触。
11.根据权利要求10所述的加热子系统，其特征在于所述加热器线圈包括多个加热器线圈段。
12.根据权利要求10所述的加热子系统，其特征在于所述多个加热丝中介间隔件各自还包括第二绝缘间隔物，所述第二绝缘间隔物以机械方式耦合到所述托架且配置成防止所述加热器线圈的所述第一部分和所述加热器线圈中没有被所述托架至少部分地围绕的第三部分之间出现电接触。
13.根据权利要求10所述的加热子系统，其特征在于所述多个柱中的每一个耦合到凸缘，并且其中所述凸缘中的每一个耦合到凸榫。
14.根据权利要求10所述的加热子系统，其特征在于所述绝缘间隔物包括电绝缘材料。
15.根据权利要求14所述的加热子系统，其特征在于所述电绝缘材料是氧化铝、氧化锆、块滑石、堇青石和氮化硼中的一种。
加热丝中介间隔件和用于化学气相沉积的加热子系统
技术领域
背景技术
[0002] 在制造发光二极管(LED)和激光二极管、光学检测器和场效应晶体管等其它高性能装置中，通常使用化学气相沉积(CVD)工艺并使用氮化镓等材料在蓝宝石或硅衬底上生长薄膜堆叠结构。CVD工具包含处理室，处理室是密封环境，它允许注入的气体在衬底(通常呈晶片形式)上进行反应以生长薄膜层。此类制造设备的当前产品线的实例是由纽约普莱恩维尤的维易科仪器公司(Veeco Instruments Inc.)制造的 和系列的金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统。
[0003] 为了实现所期望的晶体生长，控制多种工艺参数，如温度、压力和气体流速。使用不同的材料和工艺参数使不同层生长。例如，由III-V半导体等化合物半导体形成的装置通常通过使用MOCVD生长化合物半导体的连续层来形成。在此过程中，晶片暴露于气体组合，通常包含作为第III族金属的源的金属有机化合物，以及包含当晶片维持在高温下时在晶片表面上流动的第V族元素的源。一般来说，金属有机化合物和第V族源与明显不参与反应的载气(例如氮气)组合。III-V半导体的一个实例是氮化镓，它可以通过有机镓化合物和氨在具有合适晶格间距的衬底上发生反应来形成，衬底的实例是蓝宝石晶片。在氮化镓和相关化合物沉积期间，晶片通常维持在约1000-1100℃的温度下。
[0004] 在MOCVD工艺中，当在衬底的表面上通过化学反应使晶体出现生长时，必须特别注意工艺参数控制以确保化学反应在所要求条件下进行。即使工艺条件发生较小变化，也可能会对装置质量和制造产率产生不利影响。举例来说，如果沉积氮化铟镓层，那么晶片表面温度的变化将引起所沉积层的组成和带隙的变化。因为铟具有相对较高的蒸汽压力，所以所沉积层在晶片中表面温度较高的那些区域中将具有更低比例的铟和更大的带隙。如果所沉积层是LED结构的主动发光层，那么由晶片形成的LED的辐射波长也将在不可接受的程度上变化。
[0005] 在MOCVD处理室中，将上面要生长薄膜层的半导体晶片放置在快速旋转的旋转式传送带(称为晶片载体)上，以使其表面均匀暴露于反应室内的气氛以便半导体材料沉积。旋转速度约为1,000RPM。当晶片载体旋转时，气体被向下引导到晶片载体的顶表面上，并在整个顶表面上朝向晶片载体的外周流动。通过安置在晶片载体下方的端口从反应室中将已用气体抽空。通过安置在晶片载体底表面下方的加热元件(通常是电阻式加热元件)将晶片载体维持在所期望的高温下。这些加热元件维持在高于晶片表面的所期望温度的温度下，而气体分布装置通常维持在远低于所期望反应温度的温度下以便阻止气体过早发生反应。
因此，热从加热元件传递到晶片载体的底表面且通过晶片载体向上流到个别晶片。
因此，热从加热元件传递到晶片载体的底表面且通过晶片载体向上流到个别晶片。
[0006] 晶片上的气流依据每一晶片的径向位置而变化，其中最外面的晶片由于它们在旋转期间速度更快而经受更高的流速。即使在每一个别晶片上，也可能存在温度不均匀性，即冷点和热点。影响温度不均匀性的形成的一个变量是晶片载体内的凹部的形状。一般来说，凹部形状在晶片载体的表面中形成环形形状。当晶片载体旋转时，晶片的最外边缘(即，距离旋转轴最远的边缘)经受相当大的向心力，使得晶片压抵晶片载体中的相应凹部的内壁。在这种条件下，晶片的这些外边缘和凹部边缘之间存在紧密接触。到晶片的这些最外部分的热传导的增加会导致更大的温度不均匀性，从而使上文所描述的问题进一步恶化。已经努力通过增加晶片边缘和凹部内壁之间的空隙来使温度不均匀性最小化，包含设计在边缘的一部分上平坦的晶片(即，“平坦”晶片)。晶片的这一平坦部分产生空隙，并减少与凹部内壁的接触点，从而缓解温度不均匀性。影响由晶片载体固持的整个晶片中的加热均匀性的其它因素包含晶片载体的热传递和辐射率特性，以及晶片凹部的布局。
[0007] 为了持续不断地且均匀地产生所期望的温度，加热器线圈可以定位在基座下方。加热器线圈可以由合适的导电材料制成，所述导电材料的电阻率、横截面和长度被设置成使得线圈在基座中用于晶片生长的部分处产生基本上均匀的热。由于加热器线圈会发生热膨胀，所以如果线圈加热过快、加热不均匀或被加热到足够高的温度，那么线圈的各部分可能会彼此接触。当线圈的各部分接触线圈的其它部分时，可能会出现电弧或放电，从而可能会损坏线圈，导致线圈的一些区段短路(不加热)，或以其它方式损坏设备或导致线圈性能不佳。
实用新型内容
实用新型内容
[0009] 在一个实施例中，本实用新型提供了一种加热丝中介间隔件。该加热丝中介间隔件包括：多个柱；托架，其配置成至少部分地围绕加热器线圈；以及绝缘间隔物，其以机械方式耦合到所述托架且配置成防止所述加热器线圈中被所述托架至少部分地围绕的第一部分和所述加热器线圈中没有被所述托架至少部分地围绕的第二部分之间出现电接触。
[0010] 在又一实施例中，本实用新型提供了一种用于化学气相沉积的加热子系统。所述加热子系统包括：布置成蛇形形状的导电加热器线圈；沿着所述加热器线圈布置的多个加热丝中介间隔件，所述加热丝中介间隔件中的每一个包括：多个柱；托架，其配置成至少部分地围绕所述加热器线圈；以及绝缘间隔物，其以机械方式耦合到所述托架且配置成防止所述加热器线圈中被所述托架至少部分地围绕的第一部分和所述加热器线圈中没有被所述托架至少部分地围绕的第二部分之间出现电接触。附图说明
[0011] 结合附图考虑本实用新型的各种实施例的以下具体实施方式，可以更完整地了解本实用新型，在附图中：
[0012] 图1是根据实施例的MOCVD处理室的示意图。
[0013] 图2是根据实施例的具有多个加热丝中介间隔件的加热器线圈的平面图。
[0014] 图3是图2的加热器线圈的详细视图，更详细地示出了加热丝中介间隔件。
[0015] 图4是根据实施例的加热丝中介间隔件的透视图。
[0016] 图5是图4中所描绘的加热丝中介间隔件的正视图，后视图与其相同。
[0017] 图6是图4中所描绘的加热丝中介间隔件的左视图，右视图与其相同。
[0018] 图7是图4中所描绘的加热丝中介间隔件的俯视图。
[0019] 图8是图4中所描绘的加热丝中介间隔件的仰视图。
[0020] 图9是图4中所描绘的加热丝中介间隔件的部分横截面图。
[0021] 图10是根据第二实施例的加热丝中介间隔件的透视图。
[0022] 图11是图10中描绘的加热丝中介间隔件的正视图，后视图与其相同。
[0023] 图12是图10中描绘的加热丝中介间隔件的左视图，右视图与其相同。
[0024] 图13是图10中描绘的加热丝中介间隔件的俯视图。
[0025] 图14是图10中描绘的加热丝中介间隔件的仰视图。
[0026] 图15是图10中描绘的加热丝中介间隔件的部分横截面图。
[0027] 图16是根据第三实施例的加热丝中介间隔件的透视图。
[0028] 图17是图16中描绘的加热丝中介间隔件的正视图，后视图与其相同。
[0029] 图18是图16中描绘的加热丝中介间隔件的左视图，右视图与其相同。
[0030] 图19是图16中描绘的加热丝中介间隔件的俯视图。
[0031] 图20是图16中描绘的加热丝中介间隔件的仰视图。
[0032] 图21是图16中描绘的加热丝中介间隔件的部分横截面图。
具体实施方式
[0033] 图1示出根据本实用新型的一个实施例的化学气相沉积设备。反应室10限定工艺环境空间。气体分布装置12布置在室的一个端部处。具有气体分布装置12的所述端部在本文中被称作反应室10的“顶部”端部。室的这一端部通常但不是必须地安置在正常重力参考系中的室的顶部处。因此，如本文所使用的向下方向是指远离气体分布装置 12的方向；而向上方向是指室内朝向气体分布装置12的方向，不管这些方向是否与重力向上和向下方向对准。类似地，元件的“顶部”和“底部”表面在本文中是参考反应室10和气体分布装置12的参考系来描述的。
[0034] 气体分布装置12连接到用于供应将在晶片处理过程中使用的处理气体(例如载气和反应气体)的源14、16和18，例如金属有机化合物和第V族金属的源。气体分布装置 12布置成接收各种气体并大体上在向下方向上引导处理气体流。气体分布装置12理想地还连接到布置成使通过气体分布装置12的液体循环的冷却剂系统20，以便在操作期间将气体分布装置的温度维持在所期望的温度下。可以提供类似的冷却剂布置(未示出) 来冷却反应室10的壁。反应室10还配备有排气系统22，所述排气系统22布置成通过处于或接近于室底部的端口(未示出)从室10的内部中去除废气体，以便准许气体在向下方向上从气体分布装置
12连续流动。
12连续流动。
[0035] 转轴24布置在室内，使得转轴24的中心轴26在向上和向下方向上延伸。通过常规的并有轴承和密封件(未示出)的通过装置28将旋转转轴24安装到室上，使得转轴24 可以围绕中心轴26旋转，同时在转轴24和反应室10的壁之间保持密封。转轴在它的顶部端部处具有接合部30，即，在转轴中最接近气体分布装置12的端部处具有接合部 30。如下文进一步论述，接合部30是适于以可释放方式接合晶片载体的晶片载体保持机构的实例。在所描绘的特定实施例中，接合部30是朝向转轴的顶部端部逐渐变细且在平坦顶表面处封端的大体上为截头圆锥形的元件。截头圆锥形元件是一种具有锥形体的平截头体的形状的元件。转轴24连接到旋转驱动机构32，例如电马达驱动器，所述旋转驱动机构32布置成使转轴24围绕中心轴26旋转。
[0036] 接合部30还可为任何数目的其它配置。例如，端部形状为方形或圆角方形、一连串柱、卵形或其它高宽比不是1:1的圆形形状、三角形的转轴24可以插入到匹配接合部 30中。可以在转轴24和接合部30之间使用各种维持那些组件之间的旋转接合并防止非所要的打滑的其它键合、花键或互锁布置。在实施例中，可以使用键合、花键或互锁布置，尽管接合部
30或转轴24会出现预期量的热膨胀或收缩，但是这些装置仍然在接合部30和转轴24之间维持所期望水平的旋转接合。
30或转轴24会出现预期量的热膨胀或收缩，但是这些装置仍然在接合部30和转轴24之间维持所期望水平的旋转接合。
[0037] 加热元件34安装在室内，并且在接合部30下方围绕转轴24。反应室10还设置有通向前室38的进入开口36和用于关闭和打开所述进入开口的门40。门40仅在图1中示意性地描绘，并且示出为可以在以实线示出的关闭位置和在40′处以虚线示出的打开位置之间移动，在所述关闭位置，门将反应室10的内部与前室38隔离开来。门40配备有适当的控制和致动机构，用于在打开位置和关闭位置之间移动门40。图1中所描绘的设备还可包含载入机构(未示出)，所述载入机构能够将晶片载体从前室38移动到室中并在操作条件中将晶片载体与转轴24接合，并且能够将晶片载体从转轴24移动到前室 38中。
[0038] 设备还包含多个晶片载体。在图1所示的操作条件中，第一晶片载体42在反应室 10内部安置在操作位置中，而第二晶片载体44安置在前室38内。每一晶片载体包含基本上呈具有中心轴的圆盘(见图2)形式的主体46。主体46围绕轴线对称地形成。在操作位置中，晶片载体主体的轴线与转轴24的中心轴26重合。主体46理想地由不会污染过程且在这个过程中可以承受所遇到的温度的材料形成。例如，盘的较大部分可基本上或完全由石墨、碳化硅或其它耐火材料等材料形成。主体46大体上具有平面顶表面48 和底表面52，所述顶表面
48和底表面52以大体上彼此平行且大体上垂直于盘的中心轴的方式延伸。主体46还具有适于固持多个晶片的一或多个晶片固持特征。
48和底表面52以大体上彼此平行且大体上垂直于盘的中心轴的方式延伸。主体46还具有适于固持多个晶片的一或多个晶片固持特征。
[0039] 在典型的MOCVD工艺中，上面载有晶片的晶片载体42从前室38载入到反应室 10中，并被放置在图1所示的操作位置。在这种条件中，晶片的顶表面朝上面向气体分布装置12。致动加热元件34，且旋转驱动机构32用以围绕轴线26转动转轴24，并因此围绕轴线26转动晶片载体42。通常，转轴24以约50-1500转/分钟的转速旋转。致动处理气体供应单元14、
16和18以供应气体通过气体分布装置12。气体向下朝向晶片载体42传递，在晶片载体42的顶表面48和晶片54上传递，并向下在晶片载体的外周周围传递到出口和排气系统22。因此，晶片载体的顶表面和晶片54的顶表面暴露于处理气体，所述处理气体包含由各种处理气体供应单元供应的各种气体的混合物。最通常地，在顶表面处的处理气体主要由载气供应单元16所供应的载气构成。在典型的化学气相沉积工艺中，载气可为氮，因此在晶片载体的顶表面处的处理气体主要由氮构成，并带有一定量的反应气体组分。
16和18以供应气体通过气体分布装置12。气体向下朝向晶片载体42传递，在晶片载体42的顶表面48和晶片54上传递，并向下在晶片载体的外周周围传递到出口和排气系统22。因此，晶片载体的顶表面和晶片54的顶表面暴露于处理气体，所述处理气体包含由各种处理气体供应单元供应的各种气体的混合物。最通常地，在顶表面处的处理气体主要由载气供应单元16所供应的载气构成。在典型的化学气相沉积工艺中，载气可为氮，因此在晶片载体的顶表面处的处理气体主要由氮构成，并带有一定量的反应气体组分。
[0040] 加热元件34主要通过辐射热传递将热传递到晶片载体42的底表面52。施加到晶片载体42的底表面52的热通过晶片载体的主体46向上流动到晶片载体的顶表面48。通过主体向上传递的热还通过空隙向上传递到每一晶片的底表面，并通过晶片向上传递到晶片54的顶表面。热从晶片载体42的顶表面48和晶片的顶表面辐射到处理室的更冷元件，例如，辐射到处理室的壁和气体分布装置12。热还从晶片载体42的顶表面48和晶片的顶表面传递到在这些表面上传递的处理气体。
[0041] 在所描绘的实施例中，系统包含设计成评估每一晶片54的表面的加热均匀性的数个特征。在此实施例中，温度分布系统58从温度监测器60接收可包含温度和温度监测位置信息的温度信息。此外，温度分布系统58接收晶片载体位置信息，所述晶片载体位置信息在一个实施例中可来自旋转驱动机构32。通过这一信息，温度分析系统58构建出晶片载体42上的凹部56的温度曲线。所述温度曲线表示每一个凹部56或其中所含的晶片54的表面上的热分布。
[0042] 图2是加热元件134的平面图。加热元件134可用于MOCVD系统，例如代替上文关于图1所描述的加热元件34。加热元件134是可以通过施加电压来加热的蛇形线圈。在实施例中，例如在图2中所示的实施例中，加热元件134的不同部分可以由不同电压源提供电压。如图2所示，加热元件134由五个独立部分组成，这五个独立部分在CVD 系统中分开供电以提供热。
[0043] 加热元件134由一连串柱172和加热丝中介间隔件174支撑。在图2中，柱172布置成从底部支撑加热元件134，但是在替代实施例中，柱172可以定位在防止加热元件 134扭曲、掉落或大体上防止非所要方向上的移动的数个其它区域中的任一个中。柱172 不会完全阻挡加热元件134的移动，因为考虑到加热元件134的热膨胀或收缩，一定的移动是必需的，加热元件可以在数百或甚至数千摄氏度的温度下操作。柱172可包含防止加热元件134和CVD系统的其它组件之间出现电接触的电绝缘组件。
[0044] 加热丝中介间隔件174对加热元件134的移动的限制性比柱172更高。加热丝中介间隔件174沿着由加热元件134限定的路径布置。加热丝中介间隔件174在加热元件174 周围至少部分地周向延伸。在一些实施例中，加热丝中介间隔件174可同时包含导电和电阻组件，如下文更详细地描述。
[0045] 图3是由柱172和加热丝中介间隔件174支撑的加热元件134的一部分的详细视图。图3进一步描绘了向加热元件134提供电力的阳极176A和176B。在实施例中，阳极和对应的阴极布置在加热元件134的每一区段(例如，上文关于图2所描述的五个区段)的相对端部处以便为加热元件134供电。
[0046] 图4-8是加热丝中介间隔件274的一个实施例的详细视图。加热丝中介间隔件274 类似于图2和3中描绘和上文描述的加热丝中介间隔件174。大体来说，在整个本实用新型中，用以因子100迭代的参考标号描述类似部分。加热丝中介间隔件274包含柱280、凸缘282、凸榫284、托架286和绝缘帽288A和288B。
[0047] 柱280、凸缘282和凸榫284配置成将托架286固持在距邻近表面(例如，图2和3 的加热元件134定位在上面的板)一距离处。柱280、凸缘282或凸榫284中的任一个或多个可以由绝缘材料制成以将托架286与邻近表面电隔离。
[0048] 图9是先前关于图4-8描述的加热丝中介间隔件274的部分横截面图。在图9中示出的横截面中，绝缘帽288B被等分(如剖面线所示)。如图9所示，托架286穿过绝缘帽 288B，且绝缘帽288B在托架286上被固持在适当位置。托架286配置成部分周向地围绕电动电阻加热元件，例如上文关于图1-3所描述的加热元件。
[0049] 在实施例中，托架286可以由金属或另一导电材料制成，而柱280、凸缘282和/ 或凸榫284可以由电绝缘材料制成。因而，托架286与邻近表面(例如，如关于图2-3所示出和描述的具有凸榫284可以插入其中的榫眼的板)电隔离。当由托架286固持的受热线圈膨胀、收缩或以其它方式变形时，线圈和线圈的邻近部分之间可能会形成非所要的电接触。托架286防止线圈过度移动，而绝缘帽288A和288B防止线圈和托架286之间的直接电接触。因而，即使线圈与绝缘帽288A或288B中的一个接触，且即使整个加热丝中介间隔件与线圈的邻近部分电接触，线圈的两个区段之间也维持有阻止出现电弧或电接触的空隙。因此，加热器线圈不会被损坏，且在线圈的不同部分之间不具有短路或非所要放电的情况下维持了所期望的均匀电流。
[0050] 在实施例中，绝缘帽288A和288B可以由氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、块滑石、堇青石或氮化硼(BN)以及其它相关材料制成。这些材料中的每一种能够耐受超过1000 ℃的温度，同时具有合乎期望的高相对电容率。
[0051]
[0052]
[0053] 可以使用这些材料或具有高到足以用于CVD或MOCVD系统的操作温度、足够接近托架286的膨胀系数以在加热期间维持配合接触的膨胀系数以及高到足以防止在绝缘帽288A或288B上在电线圈的各区段之间出现电弧或放电的介电常数的其它材料。温度要求和材料对反应器和/或过程产生污染的可能性使得高纯度氧化铝等现代耐火材料更受青睐。
[0054] 图10-15描绘加热丝中介间隔件374的替代设计。如图10-15中所示，加热丝中介间隔件374包含柱380、凸缘382、凸榫384和托架386，它们每一个都基本上类似于上文关于图4-9所描述的它们的对应物(280、282、284和286)。图10-15还描绘绝缘帽388A 和388B，它们类似于图4-9的绝缘帽288A和288B，但是形状不同，从而使得固持在托架386内的绝缘线圈和托架386自身之间可以接触。因此，构成绝缘帽388A和388B 的材料可能不需要对由于与邻近线圈物理接触而出现的变形具有抵抗性，因为线圈将会与托架386进行接触。
[0055] 图16-21描绘加热丝中介间隔件474的替代设计。如图16-21中所示，加热丝中介间隔件474包含柱480、凸缘482、凸榫484和托架486，它们每一个都基本上类似于上文关于图4-15所描述的它们的对应物(280/380、282/382、284/384和286/386)。图16-21 还描绘绝缘帽488，它们是配装在托架486周围的一体式帽。
[0056] 实施例意图是说明性的，且不具有限制性。额外实施例在权利要求书范围内。此外，尽管已经参考具体实施例描述本实用新型的各方面，但是所属领域的技术人员应认识到，可以在在不脱离如权利要求书所限定的本实用新型的范围的情况下对形式和细节做出改变。
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