CN103774237B - 热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体处理装置，公开了一热处理装置，包括加热层及夹层，夹层环绕待加热样品以形成加热腔，加热层设置在加热腔内，用于加热待加热样品，夹层内部中空，以允许外界气体进入所述夹层。本发明通过在热处理装置中设置一内部中空的夹层，并控制夹层内部气体压力，当热处理装置升温并至保温阶段，控制夹层内部气体压力为负压，减小热传递及热对流带来的热损失，使热处理装置内部温度快速到达工艺温度，到达工艺温度进行保温时，能降低维持工艺温度的能耗；当热处理装置降温时，控制夹层内部压力为非负压状态，并使气体处于流动状态带走热量，达到热处理装置快速升降温的效果，实现降低热处理装置升温/保温能耗的目的。

Description

热处理装置

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种快速升降温的热处理装置。

背景技术

在半导体制造及生产技术中，对作为被处理基底的半导体晶圆实施成膜处理、氧化扩散处理、改性处理、退火处理等各种热处理。在这些热处理过程中，特别是用于除去成膜后应变的退火处理和离子注入后的退火处理过程中，从提高处理能力和将扩散抑制为最小限的角度看，热处理过程的技术需求趋向于高速地升温降温。

现有技术中，在半导体技术领域，热处理装置主要由加热丝、保温层、金属外壁等部件构成，加热丝处于热处理装置的最内层，保温层包覆在加热丝外侧，最外侧用金属外壁包裹。普通热处理装置，保温层由一定厚度的单一材质组成，升温速率和降温速率较为缓慢，延长了工艺时间，影响产率；具有快速升降温功能的热处理装置，通常在普通热处理装置基础上，通过在保温层上开孔送风的方式实现快速升降温功能。

图1为现有技术中热处理装置结构示意图。

如图1所示，现有技术中，热处理装置100包括加热层102及保温层101，所述保温层101环绕待加热样品(附图中未标示)形成一加热腔，所述加热层102设置在保温层101内部，在所述保温层101侧壁开有通孔103，在热处理装置100需要降温时，冷风可通过所述通孔103进入加热腔，从而实现热处理装置100的降温。

中国专利CN102414800A公开了一种热处理装置，其具有在内部流通冷却水等冷却介质的冷却介质流路的环状的空间，通过通入冷却介质，例如，冷却水来实现热处理装置的快速降温。

上述现有技术由于热损失，需要足够的功率才能维持热处理装置内部的温度，能耗较大。因此，在半导体生产中，急需低能耗、能够实现快速升降温、且具有保温效果的高性能热处理装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种热处理装置，能够实现快速升降温，并具有较低的能耗。

为了解决上述问题，本发明提供了一种热处理装置，包括加热层及夹层，所述夹层为非金属材料，其内部表面光滑且内部中空，并环绕待加热样品形成加热腔；所述加热层位于所述夹层内侧，设置在所述加热腔内；所述夹层设有用于气体通入和输出的进口及出口，以允许外界气体进入所述夹层的内部中空部位；在所述进口及出口处各设置一风机，在所述出口处还设置有一真空发生器；其中，当热处理装置升温并至保温阶段，关闭进口，通过真空发生器控制夹层内部气体压力为负压状态，以减小热传递及热对流带来的热损失；当热处理装置降温时，利用风机在夹层内部形成调整气流，控制夹层内部气体压力为非负压状态，并使气体处于流动状态带走热量。

作为可选择的技术方案，所述加热层与所述夹层间设置有第一保温层；所述夹层外侧设置有第二保温层；所述夹层外侧表面覆盖有反射涂层，均用于防止所述加热腔的热量散失。进一步地，所述第一保温层、第二保温层均为保温棉。

作为可选择的技术方案，所述夹层包括2个或2个以上次级夹层，所述次级夹层拼接形成环绕待加热样品的加热腔。进一步地，加热层引线设置于相邻的所述次级夹层之间，相邻两次级夹层之间具有空隙，所述空隙允许加热层的引线及热电偶通过。进一步地，所述次级夹层中设置有支撑垫，所述支撑垫设置于所述次级夹层内部中空位置。

作为可选择的技术方案，所述次级夹层具有进口及出口，用于气体通入及抽出。进一步地，所述次级夹层为石英制成的无缝结构；进一步地，所述进口设置在次级夹层顶部，所述出口设置在次级夹层底部；进一步地，所述进口及出口相对设置于所述次级夹层的对角线两端点处。

作为可选择的技术方案，该热处理装置还包括端部保温块、固定环以及外壳，所述端部保温块、固定环均设置于所述热处理装置的顶部和底部，所述外壳环绕所述第二保温层，并与所述固定环连接。进一步地，所述固定环和外壳均为金属。

作为可选择的技术方案，该热处理装置还包括顶部保温盖，所述顶部保温盖设置于所述热处理装置的顶部。

本发明提供的热处理装置，通过在热处理装置中设置一内部中空的夹层，并控制夹层内部的气体压力(即气体浓度)实现并控制升降温及保温处理。当热处理装置升温并至保温阶段，控制夹层内部气体压力为负压，减小热传递及热对流带来的热损失，使热处理装置内部温度快速到达工艺温度，到达工艺温度进行保温时，能降低维持工艺温度的能耗；当热处理装置降温时，控制夹层内部压力为非负压状态，并使气体处于流动状态带走热量，达到热处理装置快速升降温的效果，从而实现降低热处理装置升温/保温能耗的目的。

附图说明

图1为现有技术中热处理装置结构示意图；

图2为本发明提供的热处理装置结构爆炸示意图；

图3为本发明提供的热处理装置结构示意图；

图4为本发明提供的热处理装置剖面结构示意图；

图5为本发明提供的热处理装置次级夹层结构示意图；

图6为本发明提供的热处理装置次级夹层剖视图；

图7为本发明提供的热处理装置俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图2～图4分别为本发明提供的热处理装置结构爆炸示意图、热处理装置结构示意图和热处理装置剖面结构示意图。

如图2所示，本具体实施方式提供的热处理装置200包括加热层1、夹层4、第一保温层2、第二保温层3、端部保温块8、固定环9、顶部保温盖13以及外壳10。

如图2～图4所示，本具体实施方式中，所述夹层4环绕待加热样品(附图中未标示)形成一加热腔(附图中未标示)。所述加热层1设置在所述加热腔中，位于所述夹层4内侧。在本具体实施方式中，所述加热层1为加热丝，所述加热层1环绕所述待加热样品，以全方位加热所述待加热样品。所述夹层4为非金属材料，夹层4结构内部表面光滑，且内部中空，允许外界气体进入所述夹层4，以控制夹层4内部的气体压力(即气体浓度)。

图5、图6分别为本发明提供的热处理装置次级夹层结构示意图和次级夹层剖视图。

如图5、图6所示，所述夹层4包括两个或两个以上的次级夹层12，该次级夹层12结构特征与夹层4一致，均内部中空，允许气流通过。换言之，所述次级夹层12为弧状结构，所述多个次级夹层12拼接组成夹层4，进而形成环绕带加热样品的加热腔。加热层1的引线即设置于相邻的两次级夹层12之间，因此，相邻两次级夹层12之间具有空隙，该空隙允许加热层1的引线(附图中未标示)及热电偶(附图中未标示)通过。

作为优选实施方式，如图2～图6所示，所述夹层4包括2个次级夹层12，该次级夹层12均为约180°的圆弧状结构，所述两个次级夹层12协同作用，拼接形成环形的夹层4环绕所述待加热样品，即使得所述夹层4形成环绕待加热样品的加热腔。在拼接形成夹层4的两个次级夹层12之间具有空隙，该空隙为相邻两次级夹层12之间的拼接缝隙，所述空隙允许加热层1的引线及热电偶通过。

作为可选实施例，所述夹层4的次级夹层12由石英制成，且为无缝结构，在高温及负压下均具有一定的强度及刚度。

如图6所示，本具体实施方式中，在所述夹层4中空的内部还设置有支撑垫11，所述支撑垫11位于所述次级夹层12内部中空的部分，用以加强在负压状态下夹层4/次级夹层12的强度，防止夹层4/次级夹层12侧壁向夹层4/次级夹层12中空的内部凹陷。优选地，支撑垫11位于各次级夹层12靠近中间位置的内部中空部分。

作为可选实施方式，在所述夹层4的外侧，即靠近外壳10的一侧，设置有反射涂层(图中未标示)，进一步阻挡热传递，降低热量损失，以增强保温效果。

作为优选实施方式，如图2～图4所示，在所述加热层1及夹层4之间还设置有第一保温层2，所述第一保温层2用于防止加热腔中的热量散失，并为加热层1的安装固定提供了便利条件。作为可选实施例，第一保温层2的材料为保温棉。

作为最佳实施方式，所述夹层4外侧还设置有第二保温层3，所述第二保温层3用于防止所述加热腔的热量散失，同时可便于外壳10的安装。作为可选实施例，所述第二保温层3的材料为保温棉。

本具体实施方式中，当热处理装置200升温并至保温阶段时，控制夹层4内部气体压力为负压，即使夹层4内部具有较低的气体浓度，从而减小热传递及热对流带来的热损失，使热处理装置200内部温度快速到达工艺温度，到达工艺温度进行保温时，能降低维持工艺温度的能耗。

本具体实施方式中，当热处理装置200降温时，控制夹层4内部压力为非负压状态，即使夹层4内部具有较高的气体浓度，并使气体处于流动状态带走热量，使热处理装置200内部温度快速降低并达到目标温度。

图7为本发明提供的热处理装置结构俯视图。

在本具体实施方式中，为了能够实现上述快速升降温效果，并降低热处理装置升温/保温能耗，需要控制夹层4内的气体压力，即气体浓度。因此，如图5～图7所示，作为优选实施方式，夹层4设置有进口6及出口7，用于气体的通入和输出。在本具体实施方式中，所述夹层4包括两个次级夹层12，则每个次级夹层12都具有进口6及出口7，且次级夹层12与进口6、出口7之间并无拼接缝，为无缝的一体化结构。所述进口6及出口7允许气体出入。

本具体实施方式中，进口6及出口7相对设置在次级夹层12的两端，以便于气体流动。作为优选实施例，所述进口6设置在次级夹层12的顶端，所述出口7设置在次级夹层12的底端。作为最佳实施例，进口6及出口7相对设置在次级夹层12的对角线两端点处，以增强次级夹层12内的冷空气与加热腔中的热气体之间的对流效应，从而取得更好的降温效果。

在所述进口6及出口7处各设置一风机(图中未标示)，以加速气体流动，更好的控制夹层4内部气体压力。进一步地，在所述出口7处还设置有一真空发生器(附图中未标示)，用以将夹层4内部的气体抽出，以降低气体压力。作为可选实施例，所述真空发生器为真空泵。

本具体实施方式中，当需要快速降温时，恢复夹层4内压力为常压，并利用风机在夹层4内部形成调整气流，通过对流换热实现快速降温。在升温及恒温阶段，关闭进口6，通过与出口7相连的真空发生器将夹层4内的压力抽成负压，即相对真空的状态，真空的阻热作用可降低热处理装置200的热耗散，提高热处理装置200的升温速度，同时在恒温阶段，也可以通过真空发生器及风机的联合作用来提高热处理装置200控温的精度。

本具体实施方式中，热处理装置200还包括端部保温块8及固定环9，均设置在所述热处理装置200的顶部及底部。进一步，在所述热处理装置200的顶部还设置有顶部保温盖13，用于防止热处理装置200顶部热量散失。所述外壳10环绕所述第二保温层3，所述外壳10与所述固定环9连接，以使所述热处理装置200成为一个整体。作为可选实施例，所述固定环9及外壳10均为金属。

本具体实施方式提供的热处理装置，通过在热处理装置中设置一内部中空的夹层，并控制夹层内部的气体压力(即气体浓度)实现并控制升降温及保温处理。当热处理装置升温并至保温阶段，控制夹层内部气体压力为负压，减小热传递及热对流带来的热损失，使热处理装置内部温度快速到达工艺温度，到达工艺温度进行保温时，能降低维持工艺温度的能耗；当热处理装置降温时，控制夹层内部压力为非负压状态，并使气体处于流动状态带走热量，达到热处理装置快速升降温的效果，从而实现降低热处理装置升温/保温能耗的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (17)

1.一种热处理装置，其特征在于，包括加热层及夹层，所述夹层为非金属材料，其内部表面光滑且内部中空，并环绕待加热样品形成加热腔；所述加热层位于所述夹层内侧，设置在所述加热腔内；所述夹层设有用于气体通入和输出的进口及出口，以允许外界气体进入所述夹层的内部中空部位；在所述进口及出口处各设置一风机，在所述出口处还设置有一真空发生器；其中，当热处理装置升温并至保温阶段，关闭进口，通过真空发生器控制夹层内部气体压力为负压状态，以减小热传递及热对流带来的热损失；当热处理装置降温时，利用风机在夹层内部形成调整气流，控制夹层内部气体压力为非负压状态，并使气体处于流动状态带走热量。

2.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述加热层与所述夹层之间设置有第一保温层。

3.根据权利要求2所述的热处理装置，其特征在于，所述夹层外侧设置有第二保温层。

4.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，在所述夹层外侧表面覆盖有反射涂层。

5.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，所述夹层包括2个或2个以上次级夹层，所述次级夹层拼接形成环绕待加热样品的加热腔。

6.根据权利要求5所述的热处理装置，其特征在于，加热层引线设置于相邻的所述次级夹层之间，相邻两次级夹层之间具有空隙，所述空隙允许加热层的引线及热电偶通过。

7.根据权利要求5所述的热处理装置，其特征在于，所述次级夹层具有进口及出口，用于气体通入及抽出。

8.根据权利要求7所述的热处理装置，其特征在于，所述次级夹层为石英制成无缝结构。

9.根据权利要求7所述的热处理装置，其特征在于，所述进口设置于所述次级夹层顶部，所述出口设置于所述次级夹层底部。

10.根据权利要求9所述的热处理装置，其特征在于，所述进口及出口相对设置于所述次级夹层的对角线两端点处。

11.根据权利要求7所述的热处理装置，其特征在于，所述出口与真空发生器连接。

12.根据权利要求7所述的热处理装置，其特征在于，所述进口及出口处均设置有风机，用以在所述夹层内形成调整气流。

13.根据权利要求5所述的热处理装置，其特征在于，所述次级夹层中设置有支撑垫，所述支撑垫设置于所述次级夹层内部中空位置。

14.根据权利要求3所述的热处理装置，其特征在于，所述第一保温层、第二保温层均为保温棉。

15.根据权利要求3或14中任意一项所述的热处理装置，其特征在于，还包括端部保温块、固定环以及外壳，所述端部保温块、固定环均设置于所述热处理装置的顶部和底部，所述外壳环绕所述第二保温层，并与所述固定环连接。

16.根据权利要求15所述的热处理装置，其特征在于，还包括顶部保温盖，所述顶部保温盖设置于所述热处理装置的顶部。

17.根据权利要求15所述的热处理装置，其特征在于，所述固定环和外壳均为金属。