CN100395373C - 化学气相淀积的生长设备 - Google Patents

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化学气相淀积的生长设备，采用射频感应加热，射频感应加热器中间设有石墨反应腔，石墨反应腔置于真空石英管(1)内，在石英管与被感应加热的石墨反应腔(3)之间设有耐高温的热解BN套管(2)组。BN套管组为2-6只套管，套管壁间距、套管壁与石英管壁间距是1mm-10mm。利用多层BN套管组作为辐射蔽罩、有效地降低热辐射所致的能量损失。BN材料导热率低，可实现100℃/mm以上的温度梯度，具有良好的保温效果。石英管内维持较高真空，BN套管之间、BN套管与石英管之间为真空，有助于减少热量损失。

Description

化学气相淀积的生长设备
技术领域
本发明涉及制备CVD材料的生长设备的设计，尤其是热解BN套管组作为保温装置的制备CVD材料的生长设备。
背景技术
第三代半导体、宽带隙材料具有优异的光电性能，在通讯、信息领域具有广泛的应用。化学气相淀积(CVD)方法是外延生长宽带隙半导体薄膜材料的常用的方法之一。
SiC、GaN等薄膜材料的外延生长都是在高温下实现的，SiC的生长温度为1300~1600℃，GaN的生长温度为1000~1200℃，所采用的CVD材料生长设备的加热装置应具有优良的保温性能，这样就既能满足材料制备的要求、也能实现低能耗的节能目标。
目前，用于SiC薄膜材料制备的CVD材料的外延设备的加热方式大多采用射频感应加热。由于生长温度高达1300~1600℃，为避免石英管软化，在石英管与被感应加热的石墨反应腔之间需要有耐高温的高纯度保温材料，为得到高质量的外延材料、还需要保证在高温生长过程中没有杂质自保温材料向反应腔内逸出。
传统的卧式CVD设备是采用石墨毡来实现耐高温保温功能的。此方法的缺陷是：
1、石墨毡为多孔状。
易吸附杂质，而不易进行清洗，也不易根据需要进行装配的调整及组合。一定使用期后不能保证在高温生长过程中无杂质逸出。
2、石墨毡不能自支撑。
不易在立式CVD设备中使用，而无此配置的CVD设备需要具有较大尺寸的石英腔体，并在石英管壁上附加水冷或气冷夹套管，以保证外延生长过程中管壁处于较低的温度。这样的设备成本高、功耗大。
发明内容
本发明目的是提出一种制备CVD材料的生长设备的设计，尤其是热解BN套管组作为保温装置的制备CVD材料的生长设备。
本发明目的是这样实现的：CVD材料的外延设备，采用射频感应加热，射频感应加热器中间设有石墨反应腔，石墨反应腔置于真空石英管内，其特征是在石英管与被感应加热的石墨反应腔之间设有耐高温的热解BN套管组。
所述热解BN套管组至少包括两只套管，如2-6只套管构成套管组，套管壁间距、套管壁与石英管壁间距≥1mm，小于10mm。套管壁的厚度为0.2-8mm。
本发明尤其是用于在卧式CVD材料生长设备中采用热解BN套管组作为保温装置。
本发明的机理是：热解BN物质具有高熔点、高绝热性、高纯度、高致密度、长寿命、不易吸附杂质、易清洗等显著特点。按材料性能最佳方案是选用壁厚大于5mm的热解BN套管，以使管壁温度降至常规要求的600℃以下，但此方案的成本极高、且目前加工水平尚难以实现。
本发明方案的特点是：
1、利用多层BN套管组作为辐射蔽罩、有效地降低热辐射所致的能量损失。
2、BN材料导热率低，可实现100℃/mm以上的温度梯度，具有良好的保温效果。
3、石英管内维持较高真空，BN套管之间、BN套管与石英管之间为真空，因此沿石英管径向的热导率低，有助于减少热量损失。
4、保证在高温生长过程中没有杂质自保温材料向反应腔内逸出，得到高质量的外延材料。
附图说明
图1是本发明的截面结构示意图，图中标志：石英管1(最外圈)、三层BN套管2、石墨反应腔3、外延基片生长台4(中央矩形)。其中箭头方向表示热辐射方向，箭头密度表示热辐射强度
具体实施方式
如图所示，加热和保温装置包括如下结构：
加热装置，采用射频感应加热，射频感应加热器中间设有石墨反应腔，石墨反应腔置于真空石英管内。在石英管与被感应加热的石墨反应腔之间设有耐高温的热解BN套管组。
射频感应加热炉：功率30~40KW，频率40KHZ左右。
石墨反应腔(加热件)：中空，尺寸按外延基片直径设计。
保温装置，BN套管组：套管数大于2，本实施例中选择三层，较厚的管子选择二层也有较好的效果。要求保温效果好的时候，可以选择四层或更多层数的管。
套管长度为加热件长度的2-3倍，套管间距、套管与石英管间距≥1mm，套管间、套管与石英管用BN环隔离、支撑，内套管中置加热件(石墨反应腔3、外延基片生长台4)在上述反应腔内，外套管置于石英管中。
本发明方案采用的BN套管壁厚选用目前加工水平所能够实现的BN厚度，目前的热解BN套管的加工方法是：聚合物先驱体热解法制备或低成本燃烧合成工艺制备的氮化硼基陶瓷(上海硅酸盐所、哈尔滨工业大学复合材料研究所等采用)，目前热解BN套管套管壁的厚度为0.2-2mm。通过组合、装配实现保温，可以保证在高温生长过程中无杂质逸出，同时具有令人满意的性能价格比和较低的制造成本。壁厚大的BN套管的效果更好。
本发明方案的优点还包括：
1、由于可以方便地实行装配的组合和调整，因此该套装置既能在高温下进行SiC、GaN等宽带隙半导体薄膜材料的外延生长，也能在较低温度下实现Si基材料(Si1-xGex、Si1-x-yGexCy等)的外延生长。
2、BN套管组保温装置的有效保温效果，可使CVD材料生长设备的功耗明显降低；
3、热解BN可以实现自支撑，既可用于卧式CVD材料生长设备，也可用于立式CVD材料生长设备，因而可以有效降低立式CVD材料生长设备的制造成本、技术难度和使用功耗。
本发明方案在卧式CVD材料生长设备中已实现的技术指标：
高温生长温度范围：800~1400℃，生长时石英管外壁温度＜600℃(风冷)；低温生长温度范围：550~850℃，生长时石英管外壁温度＜200℃(风冷)。

Claims (1)

1.化学气相淀积的生长设备，采用射频感应加热，射频感应加热器中间设有石墨反应腔，石墨反应腔置于真空石英管(1)内，其特征是在石英管与被感应加热的石墨反应腔(3)之间设有耐高温的热解BN套管(2)组；所述BN套管组为2-6只套管，套管壁间距、套管壁与石英管壁间距是1mm-10mm；套管壁的厚度为0.2-8mm；套管长度为加热件石墨反应腔(3)长度的2-3倍，套管壁间、套管与石英管用BN环隔离、支撑。
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