CN110285677B - 一种微型电流加热快速退火炉及加热夹具 - Google Patents

一种微型电流加热快速退火炉及加热夹具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型电流加热快速退火炉及加热夹具，属于热处理设备技术领域，主要包括：真空腔体、加热系统、出气管路、进气管路以及泄气管路。加热系统由氧化铝支撑板、电流加热夹具和加热电极构成。本发明可以对固定在夹具上的半导体样品直接通电加热，或把耐热金属片，如钨、钼等固定在夹具上，样品置于金属片上，通电后金属片用焦耳热加热样品。本发明适用于小尺寸样品，可用于不同尺寸的样品进行高真空快速退火、惰性气体氛围退火等。本发明采用电流加热，具有升温速度快、能耗低、占用体积小等特点。

Description

一种微型电流加热快速退火炉及加热夹具
技术领域
本发明涉及热处理设备技术领域，特别涉及一种微型电流加热快速退火炉及加热夹具。
背景技术
快速热退火(RTA)是半导体加工工艺中的一种常规技术手段，RTA技术指的是将晶片从环境温度快速加热至约1000–1500K，晶片达到该温度后保持一段时间，然后降温冷却。这种技术主要被应用于薄膜晶体管、太阳电池等器件生产过程中的掺杂、杂质激活等高温过程。
传统的管式退火装置不仅体积大，热能浪费严重，而且升温速度较慢，达不到快速退火的要求。目前快速退火的方式主要有红外辐射加热法、微波加热法，这两种方式可以实现快速升温且热能利用率高，但成本较高且体积都较大，不适用于实验室小样品的少量退火处理。
发明内容
基于此，本发明提供了一种新型的微型电流加热快速退火炉，利用大电流通过样品时产生的焦耳热进行快速退火，用于解决现有的退火炉升温慢、体积大、能耗高、成本高等问题。
本发明的技术方案为：一种微型电流加热快速退火炉，包括保护罩(2)、加热夹具(3)、连接导线(6)、真空密封电极法兰(7)、加热电极正极(8)、加热电极负极(9)、进气管(11)、泄气管(14)、出气管(16)、底座(17)、直流电源线(19)；
所述保护罩(2)内部设有加热夹具(3)，保护罩(2)的下端通过真空密封电极法兰(7)固定在底座(17)上，形成真空腔体；
所述加热夹具(3)水平悬空放置在支撑板(5)上，支撑板(5)的两端分别连接支撑柱(4)的上部，支撑柱(4)的底部和真空密封电极法兰(7)固连；
所述加热夹具(3)的底端通过连接导线(6)分别连接加热电极正极(8)、加热电极负极(9)，加热电极正极(8)、加热电极负极(9)穿过真空密封电极法兰(7)底下的绝缘陶瓷(18)与直流电源线(19)相连，直流电源线(19)和直流电源相连；
所述进气管(11)一端连接气体罐，进气管(11)另一端依次设有进气阀(13)、流量计(12)，并与真空腔体相连通；所述泄气管(14)上设有泄气阀(15)并与真空腔体相连通；所述出气管(16)上设有出气阀(20)，出气管(16)一端连通真空腔体，出气管(16)另一端连接真空泵组。
进一步，所述加热夹具为左右对称结构，左右两端各包括夹具体(301)，螺栓(302)，压板(303)，螺钉(304)，螺母(305)；
支撑板(5)上对应的一端分别设有第一腰形通孔(307)和第二腰形通孔(308)，夹具体(301)通过螺栓(302)固定在支撑板(5)上；此时，螺栓(302)可以在第二腰形通孔(308)内移动并进行加热夹具范围粗调；此外，第一腰形通孔(307)能够防止螺栓(304)在移动或加热膨胀时和支撑板(5)发生挤压；
夹具体(301)上端放置压板(303)，压板(303)和夹具体(301)通过螺钉(304)连接，螺钉(304)能够在压板(303)上开有的第三腰形通孔(306)内移动，并进行加热夹具范围微调；
加热样品放置于夹具体(301)和压板(303)之间，夹具所夹样品范围可以通过夹具体(301)粗调和压板(303)微调，夹具体夹样品的一端微陷，可以与样品良好地接触。
进一步，所述加热夹具(3)为钼、钨等耐高温金属；可将半导体样品，或耐热金属片，如钨、钼等通过螺钉(304)固定在压板(303)上。
进一步，所述加热电极正极(8)和加热电极负极(9)由真空密封电极法兰(7)上两根金属柱导出到真空腔室外。
进一步，所述底座(17)为中空腔体，底座(17)为上端开口，进气管(11)、泄气管(14)、出气管(16)、直流电源线(19)均经过底座(17)的上端开口；所述出气管(16)、进气管(11)以及泄气管(14)通过真空管接头接于真空密封电极法兰(7)上。
进一步，所述的保护罩(2)为透明的石英材质或耐高温金属。
进一步，所述支撑板(5)材质为氧化铝。
进一步，所述保护罩(2)、真空密封电极法兰(7)通过螺栓(10)固定在底座(17)上。
进一步，所述保护罩(2)上设有观察窗(1)。
一种微型电流加热快速退火炉用到的加热夹具，所述加热夹具为左右对称结构，左右两端各包括夹具体(301)，螺栓(302)，压板(303)，螺钉(304)，螺母(305)；
支撑板(5)上对应的一端分别设有第一腰形通孔(307)和第二腰形通孔(308)(第一腰形通孔(307)和第二腰形通孔(308)在同一水平线上)，夹具体(301)通过螺栓(302)固定在支撑板(5)上；此时，螺栓(302)可以在第二腰形通孔(308)内移动并进行加热夹具范围粗调；此外，第一腰形通孔(307)能够防止螺栓(304)在移动或加热膨胀时和支撑板(5)发生挤压；
夹具体(301)上端放置压板(303)，压板(303)和夹具体(301)通过螺钉(304)连接，螺钉(304)能够在压板(303)上开有的第三腰形通孔(306)内移动，并进行加热夹具范围微调；
加热样品放置于夹具体(301)和压板(303)之间，夹具所夹样品范围可以通过夹具体(301)粗调和压板(303)微调，夹具体夹样品的一端微陷，可以与样品良好地接触。
本发明与现有的退火设备相比，本发明优点如下：
本发明热源来自电流流过电阻时产生的焦耳热，采用耐高温金属和支撑板组成加热平台，可实现均匀、快速升温，无需价格高昂的红外加热设备，降低快速退火装置成本。相比于目前快速退火的红外辐射加热法、微波加热法，本发明具有更快的升温、节约空间、提高热能利用率、降低成本、操作简便、方便维修等特点，其中加热夹具范围可调，灵活性高。本发明用于少量小样品快速真空退火、快速特殊气体氛围退火。
附图说明
图1为本发明的剖视图。
图2为加热夹具图。
图3为加热夹具A-A剖面图。
图中，观察窗1、保护罩2、加热夹具3、支撑柱4、支撑板5、连接导线6、真空密封电极法兰7、加热电极正极8、加热电极负极9、螺栓10、进气管11、流量计12、进气阀13、泄气管14、泄气阀15、出气管16、底座17、绝缘陶瓷18、直流电源线19、出气阀20、夹具体301，螺栓302，压板303，螺钉304，螺母305；第三腰形通孔306；第一腰形通孔307；第二腰形通孔308；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
如图1为本发明电流加热快速退火炉的二维示意图，包括观察窗1、保护罩2、加热夹具3、支撑柱4、支撑板5、连接导线6、真空密封电极法兰7、加热电极正极8、加热电极负极9、螺栓10、进气管11、流量计12、进气阀13、泄气管14、泄气阀15、出气管16、底座17、绝缘陶瓷18、直流电源线19、出气阀20。
所述真空腔体由保护罩2和真空密封电极法兰7通过CF法兰连接，可达到高真空水平，进一步的，保护罩2上侧设有观察窗1，真空腔体通过螺栓10连接固定在底座17上。
所述电流夹具由支撑板5、加热夹具3构成。进一步的，加热夹具3通过螺栓固定在支撑板5上，并用连接导线6与真空密封电极法兰7上的加热电极连接起来。该夹具范围可调，适用于不同尺寸的退火样品。采用这种电流加热方法加热体积小、升温速率快且受热均匀。
所述出气管16、进气管11以及泄气管14通过真空管接头接于真空密封电极法兰7上。出气管16用于排除气体，可与真空泵组通过KF法兰密封；进气管11用于高真空模式和通入所需气体模式之间的切换；泄气管14用于平衡真空腔体内外气压，当真空腔体内外气压一致时才可以开启腔体取放样品。
该装置可用于少量样品的快速真空退火、快速特殊气体氛围退火。
其中：保护罩2和真空密封电极法兰7采用CF法兰密封构成真空腔体，易达到较高水平真空度；螺栓10头部焊接在底座17上，便于取放样品；支撑柱4通过焊接和真空密封电极法兰7连接在一起，用于固定支撑板5；支撑板5用于支撑夹具3；进气管11、泄气管14、出气管16通过KF法兰和真空密封电极法兰7连接在一起，进气管用于通气模式下向腔体输送所需气体，流量计12用于测量所需气体流入腔体时的流量，出气管道16与真空泵组连接；泄气阀15位于泄气管左侧，高真空模式和通气负压模式下，泄气阀处于关闭状态，通气正压模式下，泄气阀处于打开状态；进气阀13位于进气管左侧，高真空模式下进气阀13处于关闭状态，通气模式下进气阀处于打开状态；加热电极正极8和加热电极负极9由真空密封电极法兰上两根金属柱导出到真空腔室外；直流电源线19通过绝缘陶瓷18与真空密封电极法兰7隔离；真空腔体通过螺栓固定在底座17上；底座可设有开合门，方便电极维修。
图2-3为加热夹具的剖视图，301为夹具体，302为螺栓，303为压板，304为螺钉，305为螺母，5为支撑加热夹具的支撑板。夹具所夹样品范围可以通过夹具体粗调和压板微调，夹具体夹样品的一端微陷，可以与样品良好地接触。加热夹具为钼、钨等耐高温金属。
所述的保护罩2可为透明的石英材质或耐高温金属。
下面介绍本发明的三种工作模式：真空模式、负压气体氛围模式和正压气体氛围模式。
(1)真空模式：关闭进气阀13和出气阀20，打开泄气阀15，当真空腔室内外压力一致时关闭泄气阀，打开保护罩2将样品固定在加热夹具3上，关闭保护罩2，打开真空泵组，待真空腔体达到所需真空度后接通直流电源进行加热，加热到设定时间后关闭直流电源，待样品自动降温。关闭真空泵组，打开泄气阀15，当腔室内外压力一致时关闭泄气阀，打开保护罩2取出样品。
(2)负压气体氛围模式：取放样品同上。打开进气阀13和出气阀20，打开真空泵组，打开所需气体罐总阀和减压阀，流量计12观察气体流量和流速，待气路稳定后，对样品进行同上的热处理。
(3)正压气体氛围模式：取放样品同上。关闭出气阀20，打开进气阀13和泄气阀15打开所需气体罐总阀和减压阀，流量计12观察气体流量和流速，待气路稳定后，对样品进行同上的热处理。
综上，本发明的一种微型电流加热快速退火炉及加热夹具，属于热处理设备技术领域，主要包括：真空腔体、加热系统、出气管路、进气管路以及泄气管路。加热系统由氧化铝支撑板、电流加热夹具和加热电极构成。本发明可以对固定在夹具上的半导体样品直接通电加热，或把耐热金属片，如钨、钼等固定在夹具上，样品置于金属片上，通电后金属片用焦耳热加热样品。本发明适用于小尺寸样品，可用于不同尺寸的样品进行高真空快速退火、惰性气体氛围退火等。本发明采用电流加热，具有升温速度快、能耗低、占用体积小等特点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种微型电流加热快速退火炉，其特征在于，包括保护罩(2)、加热夹具(3)、连接导线(6)、真空密封电极法兰(7)、加热电极正极(8)、加热电极负极(9)、进气管(11)、泄气管(14)、出气管(16)、底座(17)、直流电源线(19)；
所述保护罩(2)内部设有加热夹具(3)，保护罩(2)的下端通过真空密封电极法兰(7)固定在底座(17)上，形成真空腔体；
所述加热夹具(3)水平悬空放置在支撑板(5)上，支撑板(5)的两端分别连接支撑柱(4)的上部，支撑柱(4)的底部和真空密封电极法兰(7)固连；
所述加热夹具(3)的底端通过连接导线(6)分别连接加热电极正极(8)、加热电极负极(9)，加热电极正极(8)、加热电极负极(9)穿过真空密封电极法兰(7)底下的绝缘陶瓷(18)与直流电源线(19)相连，直流电源线(19)和直流电源相连；
所述进气管(11)一端连接气体罐，进气管(11)另一端依次设有进气阀(13)、流量计(12)，并与真空腔体相连通；所述泄气管(14)上设有泄气阀(15)并与真空腔体相连通；所述出气管(16)上设有出气阀(20)，出气管(16)一端连通真空腔体，出气管(16)另一端连接真空泵组；
所述加热夹具为左右对称结构，左右两端各包括夹具体(301)，螺栓(302)，压板(303)，螺钉(304)，螺母(305)；
支撑板(5)上对应的一端分别设有第一腰形通孔(307)和第二腰形通孔(308)，夹具体(301)通过螺栓(302)固定在支撑板(5)上；此时，螺栓(302)可以在第二腰形通孔(308)内移动并进行加热夹具范围粗调；此外，第一腰形通孔(307)能够防止螺栓（ 302 ） 在移动或加热膨胀时和支撑板(5)发生挤压；
夹具体(301)上端放置压板(303)，压板(303)和夹具体(301)通过螺钉(304)连接，螺钉(304)能够在压板(303)上开有的第三腰形通孔(306)内移动，并进行加热夹具范围微调；
加热样品放置于夹具体(301)和压板(303)之间，夹具所夹样品范围可以通过夹具体(301)粗调和压板(303)微调，夹具体夹样品的一端微陷，可以与样品良好地接触；
所述加热夹具(3)为钼、钨；可将半导体样品，或耐热金属片通过螺钉(304)固定在压板(303)上，耐热金属片为钨、钼；
所述加热电极正极(8)和加热电极负极(9)由真空密封电极法兰(7)上两根金属柱导出到真空腔室外。
2.根据权利要求1所述的一种微型电流加热快速退火炉，其特征在于，所述底座(17)为中空腔体，底座(17)为上端开口，进气管(11)、泄气管(14)、出气管(16)、直流电源线(19)均经过底座(17)的上端开口；所述出气管(16)、进气管(11)以及泄气管(14)通过真空管接头接于真空密封电极法兰(7)上。
3.根据权利要求1所述的一种微型电流加热快速退火炉，其特征在于，所述的保护罩(2)为透明的石英材质或耐高温金属。
4.根据权利要求1所述的一种微型电流加热快速退火炉，其特征在于，所述支撑板(5)材质为氧化铝。
5.根据权利要求1所述的一种微型电流加热快速退火炉，其特征在于，所述保护罩(2)、真空密封电极法兰(7)通过螺栓(10)固定在底座(17)上。
6.根据权利要求1所述的一种微型电流加热快速退火炉，其特征在于，所述保护罩(2)上设有观察窗(1)。
7.一种根据权利要求1所述的微型电流加热快速退火炉用到的加热夹具，其特征在于，所述加热夹具为左右对称结构，左右两端各包括夹具体(301)，螺栓(302)，压板(303)，螺钉(304)，螺母(305)；
支撑板(5)上对应的一端分别设有第一腰形通孔(307)和第二腰形通孔(308)，夹具体(301)通过螺栓(302)固定在支撑板(5)上；此时，螺栓(302)可以在第二腰形通孔(308)内移动并进行加热夹具范围粗调；此外，第一腰形通孔(307)能够防止螺栓（ 302 ） 在移动或加热膨胀时和支撑板(5)发生挤压；
夹具体(301)上端放置压板(303)，压板(303)和夹具体(301)通过螺钉(304)连接，螺钉(304)能够在压板(303)上开有的第三腰形通孔(306)内移动，并进行加热夹具范围微调；
加热样品放置于夹具体(301)和压板(303)之间，夹具所夹样品范围可以通过夹具体(301)粗调和压板(303)微调，夹具体夹样品的一端微陷，可以与样品良好地接触。
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