CN105333726A - 真空热压烧结装置以及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空热压烧结装置以及测温方法，包括设有发热体的密闭炉体、一端设于密闭炉体内，另一端伸出密闭炉体的测温单元、设于测温单元与密闭炉体连接处的第一密封固定单元，还包括移动单元，在测温单元测量的温度达到阈值温度时改变所述测温单元位于所述密闭炉体内的一端相对于所述发热体的距离；以及定位单元。本发明还提供一种测温方法，包括：对真空烧结装置中位于密闭炉体内的发热体进行温度测量；当发热体的温度低于阈值温度时减小测温单元与发热体之间的距离或者接触发热体；当发热体的温度高于阈值温度时增大测温单元与发热体之间的距离。本发明在保证密闭炉体的密封性的同时，尽量精确的测量发热体的温度。

Description

真空热压烧结装置以及测温方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种真空热压烧结装置以及测温方法。

背景技术

在现有的半导体制造领域的各种工艺中，通常需要精确控制工艺温度。

以真空热压烧结为例，真空热压烧结指在高真空的密闭容器以及惰性气体保护的环境下，将粉末冶金或陶瓷坯料进行加热并施以单轴压力，使坯料的固相颗粒相互键联，从而使坯料的晶粒长大，气孔和晶界渐趋减少，并通过物质传递，使坯料总体收缩、密度增大，最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体。

在真空热压烧结期间，需要精确控制炉体中的温度。但是现有技术中一般仅仅对烧结的高温进行监控，并没有对烧结的低温进行监控，这不利于精确控制整个真空热压烧结工艺的温度，工艺结果也可能产生偏差。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种真空热压烧结装置以及测温方法，增加对真空热压烧结低温的测量，以尽量提高真空热压烧结的工艺精度。

为解决上述问题，本发明提供一种真空热压烧结装置，包括：

密闭炉体，所述密闭炉体内设有发热体；

与所述密闭炉体活动连接，并用于测量所述密闭炉体内部发热体温度的测温单元，所述测温单元的一端设于所述密闭炉体内，另一端伸出所述密闭炉体；

与测温单元位于密闭炉体之外的一端相连接的移动单元，用于在测温单元测量的温度达到阈值温度时改变所述测温单元位于所述密闭炉体内的一端相对于所述发热体的距离；

与移动单元电连接的定位单元，用于控制所述测温单元被移动的距离。

可选的，所述测温单元包括热电偶，所述测温单元设于密闭炉体内的一端为所述热电偶的热端，测温单元伸出所述密闭炉体的一端为热电偶的冷端。

可选的，所述测温单元还包括一套设于热电偶外部的空心管，所述空心管一端设于所述密闭炉体内，另一端伸出密闭炉体，所述测温单元设于密闭炉体内的一端包括热电偶的热端以及空心管设于密闭炉体内的一端，所述测温单元伸出所述密闭炉体的一端包括热电偶的冷端以及空心管伸出密闭炉体的一端。

可选的，所述真空热压烧结装置还包括：第一密封固定单元，所述第一密封固定单元套设于所述空心管外壁，并设于所述测温单元与所述密闭炉体连接处，用于使密闭炉体保持密封。

可选的，所述第一密封固定单元包括套设于所述空心管外壁的多个密封圈以及多个金属垫圈，所述密封圈与金属垫圈沿空心管轴向排列且交替设置。

可选的，所述第一密封固定单元包括：套设于所述空心管外壁的中空壳体，以及位于所述中空壳体远离所述密闭炉体一侧的盖板，所述中空壳体与所述盖板围成一与密闭炉体连通的腔体，所述密封圈与金属垫圈设于所述腔体内，所述空心管以及热电偶设于密闭炉体内的一端贯穿所述盖板。

可选的，所述真空热压烧结装置还包括第二密封固定单元，所述第二密封固定单元位于所述热电偶的冷端，包括设于所述空心管内并套设在所述热电偶周围的多个密封圈以及多个金属垫圈，所述第二密封固定单元用于固定热电偶并使空心管伸出密闭炉体的一端保持密封。

可选的，所述密封圈与金属垫圈沿空心管轴向排列且交替设置。

可选的，所述移动单元与所述空心管的外壁固定连接，用于带动所述空心管以及热电偶移动。

可选的，所述移动单元包括：与所述测温单元固定连接的传动部件、控制所述传动部件移动的伺服电机、控制所述伺服电机停止或启动的继电器；所述移动单元还包括与所述测温单元相连接的控制器，用于根据测温单元测得的温度控制所述继电器，继而控制所述伺服电机。

可选的，所述定位单元包括分别位于传动部件移动方向上不同位置的至少两个感应开关；

所述感应开关用于在所述传动部件移动至感应开关对应位置时，控制所述继电器，以使伺服电机停止控制所述传动部件移动从而定义测温单元与所述发热体的距离。

此外，本发明还提供一种测温方法，包括：

通过测温单元对真空烧结装置中位于密闭炉体内的发热体进行温度测量；

判断发热体的温度与阈值温度的相对大小；

当所述发热体的温度低于所述阈值温度时，减小测温单元与发热体之间的距离或者接触所述发热体；

当所述发热体的温度高于所述阈值温度时，增大测温单元与发热体之间的距离。

可选的，所述阈值温度为700摄氏度。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

通过在所述密闭炉体中设置测温单元，测温单元的一端设于所述密闭炉体内，可以直接测量所述密闭炉体内部发热体的温度，也就是说，可以直接测量发热体在低温时的温度；设置移动单元可以改变所述测温单元位于所述密闭炉体内的一端相对于所述发热体的距离，也就是说，可以在需要测量发热体温度的时候，使测温单元尽量靠近发热体，而在不需要测量发热体温度的时候，例如发热体温度较高不适合采用测温单元直接测量时，通过移动单元可以在测温单元测量的温度达到阈值温度时使测温单元远离发热体，也就是使整个温度测量过程变得更加灵活；定位单元可以用于控制测温单元移动的距离，也就是可以使测温单元不会因过于贴近发热体而造成测温单元或者发热体损坏，或者过于远离发热体导致脱离密闭炉体。

附图说明

图1至图4是本发明真空热压烧结装置一实施例的结构示意图；

图5是本发明真空热压烧结装置一实施例中部分结构之间的控制关系框图。

具体实施方式

在现有的半导体制造工艺中，温度控制在大多数工艺中占有重要地位。以真空热压烧结为例，现有技术仅仅对密闭炉体内处于高温时进行检测，而没有对于烧结的低温的检测，其原因在于低温比较不容易检测，高温可以采用红外测温等方式检测到，而当温度低于一定程度时，红外测温并不精确。没有烧结低温检测不利于精确控制真空热压烧结工艺的温度，以此得到的多晶烧结体也可能不够理想。

为了尽量精确的控制工艺温度，本发明提供一种真空热压烧结装置，以尽量精确的检测密闭炉体内部的温度。

所述真空热压烧结装置包括以下结构：

密闭炉体，所述密闭炉体内设有发热体；与所述密闭炉体活动连接，并用于测量所述密闭炉体内部发热体温度的测温单元，所述测温单元的一端设于所述密闭炉体内，另一端伸出所述密闭炉体；与测温单元位于密闭炉体之外的一端相连接的移动单元，用于在测温单元测量的温度达到阈值温度时改变所述测温单元位于所述密闭炉体内的一端相对于所述发热体的距离；与移动单元电连接的定位单元，用于控制所述测温单元被移动的距离。

通过在所述密闭炉体中设置测温单元，可以直接测量所述密闭炉体内部发热体的温度，也就是说，可以直接测量发热体在低温时的温度；设置移动单元可以在测温单元测量的温度达到阈值温度时改变所述测温单元位于所述密闭炉体内的一端相对于所述发热体的距离，也就是说，可以在需要测量发热体温度的时候，使测温单元尽量靠近发热体，而在不需要测量发热体温度的时候，例如发热体温度较高不适合采用测温单元直接测量时，通过移动单元使测温单元远离发热体，也就是使整个温度测量过程变得更加灵活；定位单元可以用于控制测温单元移动的距离，也就是可以使测温单元不至于过分贴近发热体，或者过分远离发热体以至于脱离密闭炉体。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细的说明。

参考图1，本实施例以真空热压烧结装置为例，所述真空热压烧结装置包括设有发热体11的密闭炉体10，所述密闭炉体10用于热压烧结各种粉末冶金或者陶瓷坯料，所述发热体11为热源。

测温单元与所述密闭炉体10活动连接，并用于测量所述密闭炉体10内部发热体11的温度；所述测温单元的一端设于所述密闭炉体10内，另一端伸出所述密闭炉体10。

在本实施例中，所述测温单元包括热电偶201，用于测量发热体11的温度。具体来说，所述测温单元设于密闭炉体10内的一端为所述热电偶201的热端，测温单元伸出所述密闭炉体10的一端为热电偶201的冷端。

在本实施例中，为了尽量获得发热体11温度的精确数值，所述热电偶201接触所述发热体11。接触发热体11可以更加精确的测得发热体11的温度，例如，当发热体11处于较低温度时；其原因在于，现有技术中一般采用的红外测温方式测温，但是这种方式一般只能测高温，低温难以精确测量；本发明采用热电偶201直接接触所述发热体11，可以比较精确地测得发热体11低温时的温度。

由于所述测温单元需要与移动单元连接。由于直接接触所述热电偶201会导致热电偶201的测量精度受到影响，为了尽量保证热电偶201的测量精度，在本实施例中，在所述热电偶201外部套设有一空心管202，所述移动单元可以与所述空心管202固定连接，也就是与空心管202的外壁连接，而不会直接接触热电偶201，因而能够保证测温精度。

具体的，所述空心管202的一端(图中为左端)与所述热电偶201的热端一同设于所述密闭炉体10内，空心管202的另一端(图中为右端)与所述热电偶201的冷端一同伸出所述密闭炉体10，也就是说，所述测温单元设于密闭炉体10内的一端包括：热电偶201的热端以及空心管202设于密闭炉体10内的一端；所述测温单元伸出所述密闭炉体10的一端包括：热电偶201的冷端以及空心管202伸出密闭炉体10的一端。

在本实施例中，所述真空热压烧结装置还包括第二密封固定单元203，所述第二密封固定单元203设于所述热电偶201的冷端，并位于热电偶201的外围与所述空心管202的内壁之间，一方面用于将所述热电偶201固定于所述空心管202内部，另一方面用于保证密闭炉体10的密封性，因为空心管202的一端位于密闭炉体10内部另一端则伸出密闭炉体10外，这会影响密闭炉体10的真空度，在所述热电偶201的冷端与所述空心管202之间设置第二密封固定单元203可以避免影响密闭炉体10的真空度。

具体来说，参考图2，为所述第二密封固定单元203在本实施例中的结构示意图，所述第二密封固定单元203包括套设在所述热电偶201周围的多个密封圈204以及多个金属垫圈205，所述密封圈204与金属垫圈205的外圈形状与空心管202的内壁相适应，内圈形状与热电偶201的外围相适应，密封圈204与金属垫圈205沿空心管202轴向排列且交替设置；金属垫圈205用于支承所述热电偶201，以将热电偶201固定于所述空心管202内，所述密封圈205可以用橡胶等材料制成，用于起密封作用。

但是需要说明的是，第二密封固定单元203旨在将热电偶201固定于空心管202内，同时保证密闭炉体10的密封性，所以本发明对是否必须将所述金属垫圈205以及密封圈204是否必须交替设置不作限定。

继续参考图1，本实施例中的真空热压烧结装置还包括设于所述测温单元与所述密闭炉体10连接处的第一密封固定单元206。

具体的，所述第一密封固定单元206套设于所述空心管202的外壁，并设于所述测温单元与所述密闭炉体10的连接处，用于使密闭炉体10保持密封。

结合参考图3，为所述第一密封固定单元206在本实施例中的局部示意图，所述第一密封固定单元206包括套设于所述空心管202外壁的多个密封圈208以及多个金属垫圈207，所述密封圈208与金属垫圈207沿空心管202轴向排列且交替设置。所述密封圈208可以用橡胶等材料制成，用于起密封作用；由于空心管202与第一密封固定单元206为活动连接，空心管202可以相对所述第一密封固定单元206在轴向，也就是图中的水平方向运动，所以，所述金属垫圈207用于使所述空心管202在垂直轴线的方向上被固定，空心管202只能沿自身轴向(也就是图中的水平方向)移动，进而保证密闭炉体10的密封性。

所述第一密封固定单元206还包括套设于所述空心管202外壁的中空壳体12，以及位于所述中空壳体12远离所述密闭炉体10一侧的盖板14，所述中空壳体12与所述盖板14围成一与密闭炉体连通的腔体20，所述密封圈208与金属垫圈207均设于所述腔体20内，所述空心管202以及热电偶201设于密闭炉体内的一端并贯穿所述盖板14。其中，所述空心管202在移动时可能带动所述密封圈208与金属垫圈207一同移动，所述盖板14用于抵住所述密封圈208与金属垫圈207，使密封圈208与金属垫圈207位于所述腔体20内。

另外，设置中空壳体12与所述盖板14所围成的腔体20可以减少对密闭炉体10本身的影响。

结合参考图1和图4，本发明还包括与测温单元位于密闭炉体10之外的一端相连接的移动单元，所述移动单元用于在测温单元测量的温度达到阈值温度时改变所述测温单元位于所述密闭炉体10内的一端相对于所述发热体11的距离。

在本实施例中，所述移动单元用于使空心管202以及热电偶201移动，进而靠近或接触所述发热体以准确测量温度(图1)，并在达到一个事先预先设定的阈值温度时，使空心管202与热电偶201远离所述发热体11(图4)，例如，当发热体11温度高于热电偶201的测量范围时，移动单元可以使热电偶201连同空心管202远离所述发热体11，进而保护热电偶201。

在本实施例中，所述移动单元包括：与所述测温单元的空心管202外壁固定连接的传动部件101、103，控制所述传动部件101、103移动的伺服电机102，控制所述伺服电机102停止或启动的继电器(图中未示出)；所述移动单元还包括与所述测温单元相连接的控制器(图中未示出)，所述控制器用于根据测温单元测得的温度控制所述继电器，继而控制所述伺服电机102的工作或者启动。

结合参考图5，为本实施例中真空热压烧结装置中部分部件之间的控制关系框图。继电器72用于控制伺服电机102的正转/反转或停止，继电器72受控制器70所控制。所述控制器70与测温单元75电连接，并用于根据测温单元75测得的温度控制所述伺服电机102，也就是说控制器70用于获取测温单元75中热电偶201所测得的温度，并根据控制器70内部设置的事先编好的程序控制继电器72，进而控制伺服电机102；伺服电机102转动时将带动传动部件74(包括图1和图4中的传动部件101、103)，传动部件74使测温单元75移动进而靠近或者远离所述发热体11。

在本实施例中，所述控制器可以是可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)但是本发明对此不作限定。

本发明的真空热压烧结装置还包括定位单元，用于控制所述测温单元被移动的距离，也就是使所述测温单元不至于过分靠近设置挤压所述发热体11，也不至于过分远离发热体11以至于脱离密闭炉体10。

在本实施例中，所述定位单元包括分别位于传动部件传动方向上不同位置的至少两个感应开关，所述感应开关用于在所述传动部件移动至感应开关对应位置时，控制所述继电器，以使伺服电机102停止控制所述传动部件移动，从而定义测温单元与所述发热体11的距离。

具体地，所述定位单元包括第一感应开关110以及第二感应开关120，所述第一感应开关110以及第二感应开关120用于感应到传动部件101、103所在位置，也就是说，当传动部件101、103移动至第一感应开关110以及第二感应开关120的感知区域内时，第一感应开关110以及第二感应开关120发送停止信号至所述继电器，继电器控制所述伺服电机102停止工作，进而使所述空心管202以及热电偶201停止移动；当传动部件101、103未移动至第一感应开关110以及第二感应开关120的感知区域内时，第一感应开关110以及第二感应开关120则处于待命状态，或者是发送一个能让继电器继续控制伺服电机102工作的信号。也就是说，所述第一感应开关110以及第二感应开关120各自所在的位置为测温装置的空心管202与热电偶201停止的位置。

在本实施例中，所述第一感应开关110以及第二感应开关120可以是红外感应开关或者触碰式感应开关等，本发明对此不作任何限定。

当热电偶201测得温度低于某一预先设定的阈值温度时，控制器控制继电器使伺服电机102启动，伺服电机102通过传动部件101以及传动部件103带动空心管202以及热电偶201靠近发热体11；当传动部件103运动到第一感应开关110的位置时，第一感应开关110向控制器发出停止信号，控制器控制继电器使伺服电机102停止，空心管202以及热电偶201便停止于接近甚至接触发热体11的某一位置，以避免空心管202以及热电偶201过于靠近所述发热体11。

当热电偶201测得温度高于某一预先设定的阈值温度时，控制器控制继电器使伺服电机102启动(此次伺服电机102的转动方向应相反)，通过传动部件101以及传动部件103带动空心管202以及热电偶201远离发热体11，当传动部件103运动到第二感应开关120的位置时，第二感应开关120向控制器发出信号，控制器控制继电器使伺服电机102停止，空心管202以及热电偶201便停止于远离发热体11的某一位置，以避免空心管202以及热电偶201脱离密闭炉体。通过上述方式实现热电偶201的自动进出。

在本实施例中，所述第一感应开关110以及第二感应开关120安装于一支架13上。

但是需要说明的是，本发明旨在通过定位单元控制测温单元被移动的距离，对安装的感应开关的类型以及数量不作限定，同时也对是否必须采用支架13固定第一感应开关110以及第二感应开关120不作任何限定。

此外，本发明还提供一种测温方法，包括以下步骤：

通过测温单元检测对真空烧结装置中位于密闭炉体内的发热体进行温度测量；判断发热体的温度与阈值温度的相对大小；当所述发热体的温度低于所述阈值温度时，减小测温单元与发热体之间的距离或者接触所述发热体；当所述发热体的温度高于所述阈值温度时，增大测温单元与发热体之间的距离。

通过上述方法可以较好的测量密闭炉体中某一发热体的温度，且这种方式是采用测温单元靠近发热体来测量，因而适合于测量低温；相对于现有技术中只有高温测量，本发明有利于更加全面的对密闭炉体中的温度进行测量，有利于增加热压烧结的精度。

由于测温单元与密闭炉体之间为活动连接，当发热体的温度高于设定的阈值时，增大测温单元与发热体之间的距离有利于保护测温单元。

同时，由于测温单元的一端位于所述密闭炉体内，另一端伸出密闭炉体外部，设置密封单元能够保持密闭炉体的密封性。

在本实施例中，使所述阈值温度为700摄氏度，也就是说，当温度低于700摄氏度时，可以使测温单元靠近甚至接触所述发热体以尽量准确地测量温度，当发热体温度高于700摄氏度时，使测温单元远离所述发热体，这样可以保护测温单元不至于受到过高的温度。

但是需要说明的是，以上数值仅为本实施例为起示意性说明而采用的例子，实际的阈值温度应当根据具体采用的测温单元的元件以及其他因素而定，故本发明对此限定。

另外，本实施例的测温方法可以但不限于采用上述的真空热压烧结装置实行。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种真空热压烧结装置，其特征在于，包括：

密闭炉体，所述密闭炉体内设有发热体；

与所述密闭炉体活动连接，并用于测量所述密闭炉体内部发热体温度的测温单元，所述测温单元的一端设于所述密闭炉体内，另一端伸出所述密闭炉体；

与测温单元位于密闭炉体之外的一端相连接的移动单元，用于在测温单元测量的温度达到阈值温度时改变所述测温单元位于所述密闭炉体内的一端相对于所述发热体的距离；

与移动单元电连接的定位单元，用于控制所述测温单元被移动的距离。

2.如权利要求1所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述测温单元包括热电偶，所述测温单元设于密闭炉体内的一端为所述热电偶的热端，测温单元伸出所述密闭炉体的一端为热电偶的冷端。

3.如权利要求2所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述测温单元还包括一套设于热电偶外部的空心管，所述空心管一端设于所述密闭炉体内，另一端伸出密闭炉体，所述测温单元设于密闭炉体内的一端包括热电偶的热端以及空心管设于密闭炉体内的一端，所述测温单元伸出所述密闭炉体的一端包括热电偶的冷端以及空心管伸出密闭炉体的一端。

4.如权利要求3所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述真空热压烧结装置还包括：第一密封固定单元，所述第一密封固定单元套设于所述空心管外壁，并设于所述测温单元与所述密闭炉体连接处，用于使密闭炉体保持密封。

5.如权利要求4所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述第一密封固定单元包括套设于所述空心管外壁的多个密封圈以及多个金属垫圈，所述密封圈与金属垫圈沿空心管轴向排列且交替设置。

6.如权利要求5所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述第一密封固定单元包括：套设于所述空心管外壁的中空壳体，以及位于所述中空壳体远离所述密闭炉体一侧的盖板，所述中空壳体与所述盖板围成一与密闭炉体连通的腔体，所述密封圈与金属垫圈设于所述腔体内，所述空心管以及热电偶设于密闭炉体内的一端贯穿所述盖板。

7.如权利要求3所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述真空热压烧结装置还包括第二密封固定单元，所述第二密封固定单元位于所述热电偶的冷端，包括设于所述空心管内并套设在所述热电偶周围的多个密封圈以及多个金属垫圈，所述第二密封固定单元用于固定热电偶并使空心管伸出密闭炉体的一端保持密封。

8.如权利要求7所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述密封圈与金属垫圈沿空心管轴向排列且交替设置。

9.如权利要求3所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述移动单元与所述空心管的外壁固定连接，用于带动所述空心管以及热电偶移动。

10.如权利要求1所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述移动单元包括：与所述测温单元固定连接的传动部件、控制所述传动部件移动的伺服电机、控制所述伺服电机停止或启动的继电器；所述移动单元还包括与所述测温单元相连接的控制器，用于根据测温单元测得的温度控制所述继电器，继而控制所述伺服电机。

11.如权利要求10所述的真空热压烧结装置，其特征在于，所述定位单元包括分别位于传动部件移动方向上不同位置的至少两个感应开关；

所述感应开关用于在所述传动部件移动至感应开关对应位置时，控制所述继电器，以使伺服电机停止控制所述传动部件移动从而定义测温单元与所述发热体的距离。

12.一种测温方法，其特征在于，包括：通过测温单元对真空烧结装置中位于密闭炉体内的发热体进行温度测量；判断发热体的温度与阈值温度的相对大小；

当所述发热体的温度低于所述阈值温度时，减小测温单元与发热体之间的距离或者接触所述发热体；

当所述发热体的温度高于所述阈值温度时，增大测温单元与发热体之间的距离。

13.如权利要求12所述的测温方法，其特征在于，所述阈值温度为700摄氏度。