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带有感应器和电磁屏蔽件的沉积反应器的制作方法

文档序号:24941317发布日期:2021-05-04 11:34
带有感应器和电磁屏蔽件的沉积反应器的制作方法

描述

发明领域

本发明涉及一种用于在配备有感应器和屏蔽件的基底上沉积半导体材料层的反应器。

现有技术

由于反应温度高,所以需要加热用于在基底上沉积半导体材料层(有时称为“半(semi)”)的反应器的反应室。

在这些反应器中,在硅的外延沉积的情况下,反应温度可以是例如800℃-1200℃,并且在碳化硅的外延沉积的情况下,反应温度可以是例如1600℃-3000℃;沉积的结果可以是例如层(或薄或厚)或晶锭(ingot)(即长晶体)。

为了获得这种加热,在反应室内可以放置适于通过电磁感应加热的基座组件,并且在反应室外可以放置适于生成用于加热基座组件的磁场的感应器。

基座组件通常由石墨制成,并且可以具有不同的形状和不同的组成,以在反应室内获得希望的加热。应该注意的是,一般来说,可能更优选的是使室内温度不均匀;特别是,室内所希望的温度分布可以取决于反应器的操作条件。

申请人集中在反应室,该反应室包括由石英制成并且具有圆柱形形状的管;特别地,申请人集中在大尺寸的室(例如,直径大于50cm并且高度大于100cm)。

这样的室特别适用于在极高温度(例如高于2000℃)从“籽晶(seed)”生长碳化硅的晶锭的反应器中。

概述

本发明的总体目的是提供一种反应器,在该反应器中可以在反应室内很好地控制温度。

由于形成本申请的组成部分的所附权利要求书中阐述的内容而实现了该总体目的。

基于本发明的第一个想法是使用至少两个感应器来加热基座组件。

基于本发明的第二个想法是使用屏蔽组件,该屏蔽组件适于限制两个感应器之间的电磁耦合,使得更容易彼此独立地电控制它们,并且因此彼此独立地控制它们的加热效果。

附图列表

从将结合附图考虑的以下的详细描述中,本发明将更加清楚,在附图中:

图1示出了根据本发明的反应器的实施例的非常示意性的和局部的侧剖视图,

图2示出了从图1的反应器的上方的非常示意性的和局部的视图,

图3示意性地示出了螺线管的磁场线,

图4示意性地示出了与根据本发明的屏蔽件相关联的图3的螺线管的磁场线,并且

图5示出了根据本发明的部分剖开的组件的三维视图,该组件可以构成图1的反应器的部件。

如能够容易理解的,有各种方式来实际实施本发明,本发明在所附权利要求中的其主要有利方面进行了限定,并且不受以下的详细描述或附图的限制。

详细描述

图1示出了内部具有基座组件120的反应器100的反应室110。室110的侧壁特别地由管组成,该管由石英制成并具有圆柱形形状;管的轴线垂直布置,但是管的轴线还可以不同地布置(例如水平布置)。

反应器100还包括适于通过电磁感应加热基座组件120的加热系统130(将作为子系统来说明)。

应当注意,为了简单起见,反应室在图1中被表示为单个管状体。然而,典型地,存在由石英制成并且具有圆柱形形状的第一管;在第一管内存在由绝热材料制成并且具有圆柱形形状的第二管;在第二管内存在由石墨制成并且具有圆柱形形状的第三管。典型地但不是必须地,第三管也适于由加热系统130通过电磁感应加热;因此,在某种意义上,第三管也可以被认为是反应器的基座组件的部件。

根据图1和图2的示例,加热系统130由第一感应器131和第二感应器132以及电源135组成,该电源135适于将彼此不同且独立的交流电电力地馈电给感应器131和感应器132;特别地,并且如图1示意性所示,电源135包括用于给第一感应器131馈电的第一馈电部分135a和用于给第二感应器132馈电的第二馈电部分135b(与第一馈电部分不同且独立)。

根据图1和图2的示例,基座组件120由石墨制成的两个管状元件120a和120b组成。通常,基座组件(被说明为子系统)可以包括至少部分地由导电材料制成的一个或更多个元件,该导电材料适于与由加热系统的一个感应器或更多个感应器生成的磁场耦合,以被电流穿过并且通过焦耳效应加热。这样的一个或更多个元件可以被不同地配置并且位于反应室内。一个或更多个这样的元件可以实行其它功能,例如支撑一个或更多个基底。

图1示出了内部反应和沉积区域190;在区域190中,放置至少一个基底(图中未示出),该基底通常由支撑元件(图中未示出)支撑,当该元件不仅具有支撑功能,而且具有加热基底的功能时,该支撑元件可以被称为“基座元件”(如上所述)。在所谓的高温“生长”过程期间,在基底上沉积(或薄或厚)层。图1未示出反应室110内的、除了基座组件120之外的与本发明的目的无关的任何部件。

许多感应器的使用使得可以更好地控制能量向基座组件的传递,并且因此从空间角度更精确地控制基座组件的加热。

如图1中可以看出,感应器131和感应器132稍微间隔开;这样的距离不一定是固定的,并且可以例如在从5cm至50cm的范围内;两个感应器131和132之间的空间用参考数字133示意性地表示。然而,这样的距离不能避免两个感应器之间的电磁耦合。实际上,例如在螺线管的情况下,(在图3中表示的)磁场在径向方向上和轴向方向上都从螺线管延伸很大的距离。在图1和图2的示例中,当感应器131和感应器132被使电磁耦合在一起的电流穿过时,该磁场是由感应器131和感应器132生成的磁场的轴向延伸。

如果两个感应器彼此电磁耦合,则当两个感应器中的一个感应器被电力地馈电时,能量(根据耦合程度而或多或少)也被间接提供给两个感应器中的另一个感应器,并且因此就好像是不仅一个感应器是被电控制的,而且另一个感应器也是被电控制的。

如果两个感应器131和132之间的电磁耦合受到限制,则通过馈电部分135a和馈电部分135b彼此独立地电控制它们并且因此彼此独立地控制它们对基座组件120的加热效果将更容易;如果没有耦合,那就更好了。

为了限制加热系统的感应器之间的电磁耦合,本发明提供了屏蔽组件(将被说明为子系统)。

在图1和图2中,反应器100包括适于限制感应器131和感应器132之间的电磁耦合的屏蔽组件140;组件140特别包括第一屏蔽件141和第二屏蔽件142。

如图1中可以看出,屏蔽组件140的放置是违反直觉的。实际上,由于要屏蔽感应器131和感应器132,合适的东西通常将被放置在将它们分开的空间中(在图1中用133表示)。另一方面,根据本发明的优选实施例,屏蔽组件相对于感应器横向放置;这样的放置是可能的,因为已经考虑到使用一些材料的特性,即,具有高磁导率的材料(例如铁磁材料适合于该目的,因为它们至少在某些条件下具有高磁导率)。根据这样的特性,当一块这样的材料浸入磁场中时,该材料使该磁场变形,使得磁场线趋向于集中在该块内部。图4示出了与图3相同螺线管的磁场,但是添加了例如(径向)围绕螺线管的铁氧体的圆柱形管;磁场线集中在管内;因此,磁场不仅在径向方向上延伸得更少,而且在轴向方向上延伸得也更少,并且因此与铁氧体管相同或相似的屏蔽件可以用于屏蔽根据本发明的反应器的加热系统的感应器。

应该注意的是,刚刚描述的特性可以用于设计具有非圆柱形管形状和/或适于不围绕螺线管布置的屏蔽件;例如,屏蔽件可以具有穿孔圆盘的形状,并且被布置成(基本上)与螺线管同轴并且(轴向地)在螺线管旁边。

屏蔽组件(更准确地说是其屏蔽部件(还称为“屏蔽件”))的材料是具有高磁导率(优选地相对磁导率大于100,更优选地相对磁导率大于500)的材料;铁磁材料适合于此目的,因为它们至少在某些条件下(即当它们远离饱和时)具有高磁导率。

为了本发明的目的,非常优选的是,屏蔽组件(更准确地说是其屏蔽部件(还称为“屏蔽件”))的材料是不仅具有高磁导率而且具有高电阻率(优选地电阻率大于1ohm*mm2/m,更优选地电阻率大于10ohm*mm2/m,甚至更优选地电阻率大于100ohm*mm2/m)的材料。实际上,如果屏蔽件的材料具有高电阻率(即它是电绝缘的),则在屏蔽件中感应的电流具有有限强度,并且因此由电源提供给感应器的电能(部分地)转换成电磁能,该电磁能在很大程度上传递给与感应器相关联的基座组件的元件,并且在很小程度上传递给与感应器相关联的屏蔽件。

应该注意的是,一块材料的(至少)电特性和磁特性不仅取决于构成该材料的物质,而且取决于生产该块的方式。

特别适用于根据本发明的屏蔽件的材料(考虑到磁导率、电阻率和成本)是例如铁氧体和硅铁合金(例如以相邻片的形式)。

在图1和图2的示例中,屏蔽组件140包括与第一感应器131相关联的第一屏蔽件141和与第二感应器132相关联的第二屏蔽件142。用更笼统的话说,每个感应器与一个屏蔽件相关联,该屏蔽件可以说倾向于限制(不是狭义的限制)当感应器在某个表面上被电流穿过时由该感应器生成的磁场;这样的表面基本上对应于屏蔽件的外表面(在图4中是圆柱形表面)。

感应器131和感应器132特别是螺线管;此外,它们通常是同轴的并且轴向地间隔开;最后,在图1和图2的示例中,两个螺线管具有相同的直径。

在图1和图2的示例中,螺线管131和螺线管132适于彼此独立地在轴向方向上平移;为此目的,可以提供例如电致动器来实行感应器的平移。这样的平移的可能性使得影响室110内部的温度分布成为可能。这样的平移可以作为反应器的校准“每隔一段时间(everysooften)”实行,但是还可以在反应器的使用期间(例如在加热期间和/或在沉积过程期间和/或在冷却期间)实行。

在图1和图2的示例中,如已经陈述的,存在与第一感应器131相关联的第一屏蔽件141和与第二感应器132相关联的第二屏蔽件142。优选地,因为感应器(131,132)适于平移,所以屏蔽件(141,142)也适于与相应的感应器(131,132)一起平移。这样,不管感应器的位置如何,屏蔽件的屏蔽作用总是相同的。

如前所述,屏蔽组件140在形状上是管状的,并且位于螺线管131和螺线管132周围,特别是每个螺线管周围有一个管状屏蔽件。

根据优选的实施例,螺线管的绝缘可以通过彼此平行的合适材料(如前所述)的多个棒(特别地具有正方形或矩形截面)来实行。换句话说,已经从(理想的)圆柱形管中去除了材料;以这种方式,节省了材料,减轻了重量,生产更容易,并且保留了空间,通过该空间不仅可以看到螺线管,而且可以(例如通过x射线)看到反应室的更多内部区域(特别是沉积步骤中的基底和层)。图2作为示例以实线示出了八根棒并且以虚线示出了另外八根棒,以表示棒的数量取决于它们的尺寸、螺线管的直径(因此取决于反应室的直径);认为最小数量为六根棒和最大数量为六十根棒是合理的,但是在成形棒(shapedbars)(例如拱形截面)的情况下,该数量还可以更少。

在图1和图2的示例中,存在用于第一感应器131的第一组棒143和用于第二感应器132的第二组棒144。根据替代的但性能较差的解决方案,可以例如提供单组棒。

如图2中可以看出,可能更优选地的是将屏蔽件的棒与一层电绝缘材料相关联;在该图中,该层用参考数字145表示。这样的层用于防止棒能够与螺线管(准确地说是与螺线管的线圈)进行电接触;这样的接触可以通过增加棒和螺线管之间的距离来避免,然而,由于更优选的是棒靠近螺线管,因此提供了一个层,该层因此可以被限制在棒的面向感应器的一侧(在图2中,每根棒143上的层135被限制在面向感应器131的一侧)。值得注意的是,在操作期间,即当电流穿过感应器且磁场集中在棒上时,在棒上沿线圈方向和在线圈上沿棒的方向产生力,该力倾向于使棒和线圈变形,以便使它们在一起;此外,这样的力产生的振动频率是感应器中流动的电流频率的两倍。

如图1中可以看出,第一屏蔽件141和第一感应器131被虚线包围并且相关联以形成第一组件500,并且第二屏蔽件142和第二感应器132被虚线包围并且相关联以形成第二组件550;组件500和组件550都适于沿着反应室110轴向地平移。

这种可能的组件在图5中示出;在这样的图中,假设参考了组件500。

在图5中,可以看到螺线管131及其线圈(在这个示例中存在五个内部中空的线圈,以便能够有效且简单地冷却它们)和屏蔽件141及其相互平行的棒143(在这个示例中存在四十根棒)。此外,组件500包括下部支撑环510(特别是由玻璃纤维制成)和上部支撑环520(特别是由玻璃纤维制成)。螺线管131机械地固定到环510和环520。棒143机械地固定到环510和环520。

电源135(更准确地说是馈电部分135a和馈电部分135b)适用于将交流电馈电给感应器131和感应器132,交流电的频率优选地包括在1khz和10khz之间。部分135a可以向感应器131提供例如20kwatt-200kwatt的电功率,并且部分135b可以向感应器132提供例如20kwatt-200kwatt的电功率;提供给这两个感应器的电功率通常彼此不同,并且通常随时间变化。

在感应器131中流动的交流电和感应器132中流动的交流电(由馈电部分135a和馈电部分135b引起)优选地处于不同的频率;例如,在两个感应器中的一个感应器中流动的电流的频率可以比在两个感应器中的另一个感应器中流动的电流的频率高1.8倍且小于4.4倍。频率的差异有利于馈电部分135a和馈电部分135b彼此独立地给感应器131和感应器132馈电的任务。

然而,通过电源135的适当设计,在感应器131和感应器132中流动的交流电(由电源135引起)能够处于相同的频率,但是彼此不同并且独立。特别地,电源135具有用于每个感应器的插座,并且这样的插座彼此不同并且独立。

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