CN114959659A - 用于样品加热的加热装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于样品加热的加热装置，包括：底座；加热器，所述加热器安装在所述底座上；隔热罩，所述隔热罩固定在所述底座的周边，以形成围绕所述加热器的腔体，所述加热器邻近所述腔体的开口；以及基片台，位于所述腔体的开口上方，并且与所述加热器彼此不接触。本申请的加热装置，加热器的加热盘通过采用螺旋的绕线方式，更加密集，在非接触加热方式中能够提高热辐射效率；同时配合隔热方案，减少辐射损耗，从而提高加热器的加热效果。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜沉积技术领域，特别涉及一种用于样品加热的加热装置。
背景技术
在半导体器件的生产中，为了在工件整体上获得良好性能和可行部件，薄膜均匀性是重要标准，加热器是一个机械部件，其将基片固定在用于在诸如脉冲激光束沉积(PLD)、磁控溅射(Magnetron Sputtering)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或物理气相沉积(PVD)的制造步骤的沉积腔中，并对基片进行加热。
加热器包括固定在芯柱上的基片，以及用于在沉积腔内升高和降低基片的升降组件，以及位于基片内的加热元件。现有技术中，一般采用接触加热基片的方式，例如电阻式加热，这种方式适用于大面积或者小尺寸样品，但是需要衬底粘贴或者用夹具固定，只能单面制膜；激光加热虽然加热温度高，但是需要衬底粘贴或者用夹具固定，只能单面制膜，且加热面积小，只适用于制备小尺寸样品，无法适应高温高氧压环境。另一种非接触加热方式中，例如辐照加热，由于加热丝的材质、固定方式等使得绕线稀疏，且由于目前采用的都是不透明的Si作为基片，而常用的透明基片热吸收差，加热到相同温度需要更高的热辐照效率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种加热装置，加热器通过采用螺旋的绕线方式，更加密集，提高热辐射效率；同时配合隔热方案，减少辐射损耗，从而提高加热器的加热效果。
根据本发明的一方面，提供一种用于样品加热的加热装置，底座；加热器，所述加热器安装在所述底座上；隔热罩，所述隔热罩固定在所述底座的周边，以形成围绕所述加热器的腔体，所述加热器邻近所述腔体的开口；以及基片台，位于所述腔体的开口上方，并且与所述加热器彼此不接触。
可选地，所述加热器包括电阻线、加热丝和第一连接部，所述第一连接部将所述电阻线和所述加热丝连接。
可选地，所述加热丝包括冷端、连接端和加热盘，所述冷端与所述第一连接部连接，所述连接端位于所述加热盘和所述冷端之间。
可选地，所述加热盘由螺旋方式绕线的加热丝组成。
可选地，所述加热盘为绕制成至少两层的螺旋状的加热丝。
可选地，所述加热盘由一个加热丝密绕组成。
可选地，所述加热盘由两个加热丝密绕组成。
可选地，所述加热盘的两层分别由一个加热丝密绕组成。
可选地，所述加热盘包括在同一平面彼此嵌的两个螺旋状的加热丝，两个所述加热丝分别绕成两层。
可选地，所述加热盘通过焊道连接，所述焊道沿所述加热盘的半径延伸，连接相邻两个加热丝。
可选地，所述加热丝的材料包括以下至少一种：碳化硅、铠装丝和铂铑合金。
可选地，所述隔热罩包括至少一个反射片。
可选地，所述底座包括：第五固定部，多层反射片，第一固定部和第三连接部，所述第五固定部通过所述第三连接部与所述第一固定部连接，所述隔热罩固定在所述第五固定部的周边形成围绕所述加热器的腔体，所述多层反射片固定在所述腔体中的所述第五固定部表面。
可选地，所述基片台包括：第二固定部，多个第二连接部以及第三固定部，其中，所述第三固定部用于承载基片且位于所述隔热罩的腔体开口端，所述第二连接部将所述第二固定部与所述第三固定部连接。
可选地，所述基片台的第二固定部与所述底座的中心重合。
可选地，所述隔热罩和所述底座位于所述基片台的多个第二连接部围成的区域内。
本发明提供的加热装置，加热器通过螺旋密绕方式提高加热功率，并通过隔热罩、反射片等方式降低热损耗，从而实现了提高非接触加热方式的加热效率，实现对不透明或透明基片的加热。
进一步地，加热器通过采用特殊的绕线方式，即采用螺旋绕线方式，降低加热丝对弯曲半径的要求，一个或两个加热丝密绕形成一个加热盘，从而增加了加热丝的绕线密度，提高了热辐射效率。且本申请的非接触式的加热装置，具有加热温度高，温度均匀，加热面积大(>2英寸)，耐高氧压等优点。
进一步地，加热器的两组加热丝之间，通过焊接的方式连接和固定相对位置，焊接时在两组加热丝之间形成焊道，不仅可以代替焊接支架或者沟槽，更重要的是可以减小加热丝之间的距离，提高绕线密度。
进一步地，加热器中，每组加热丝都采用双层的绕线方式，可以进一步提高热辐照效率。
进一步地，在加热器中，加热丝冷端距离加热盘的位置较远，可以降低冷端过渡发热引发的寿命问题。
进一步地，在加热器的周围，通过隔热罩和底座围成的腔体采用反射片对热量进行反射，如在底座朝向腔体的一侧表面形成有多层反射片，隔热罩也采用至少一层反射片，从而能够降低热损耗。此外，隔热罩和底座与加热器仅在固定位置有接触，其他位置均没有接触，通过减少接触面积的方式降低热传导，从而也可以相应的提高热辐射效率。
进一步地，由于基片台与加热器采用了非接触式加热，从而基片台在承载基片，在基片的一个表面形成薄膜后，通过对基片进行翻面，可以实现制备双面薄膜，提高了薄膜制备的效率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的薄膜沉积装置的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的加热装置的立体透视结构图；
图3示出了根据本发明实施例的隔热罩和底座的透视结构图；
图4a至图4d示出了根据本发明实施例的加热器的结构图；
图5示出了根据本发明实施例的基片台的结构图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的薄膜沉积装置的结构示意图。
参考图1，本申请的薄膜沉积装置200中，包括反应腔210，位于反应腔210内的靶台233，加热装置240，位于反应腔210壁上的窗口211，位于反应腔210外的激光器221、第一电机组216和第二电机组217。
其中，靶台233用于固定靶材232，加热装置240中包括基片台和加热器，基片台上固定有基片，加热器对基片进行加热。在沉积薄膜时，激光器221产生的激光束经由窗口211照射在靶材232上时，产生等离子体羽辉234，从而在加热的基片表面沉积形成薄膜。
第一电机组216与靶台233连接，用于控制靶台233上的靶材232连接；第二电机组217与加热装置240连接，用于控制基片台转动，进一步地，第二电机组217还可以用于控制加热器与基片台之间的距离，从而实现基片台与加热器之间的距离调整，以及基片台上基片的取放等。
图2示出了根据本发明实施例的加热装置的立体透视结构图；图3示出了根据本发明实施例的隔热罩和底座的透视结构图；图4a至图4d示出了根据本发明实施例的加热器的结构图；图5示出了根据本发明实施例的基片台的结构图。
参考图2至图5，本申请的加热器装置240包括隔热罩241，加热器242，基片台243和底座244。
其中，隔热罩241固定在底座244的周边，形成包围加热器242的多个方面的腔体，仅在一侧表面留有开口，加热器242的一小部分位于腔体中，基片台243中承载基片的第三固定部2433位于该开口处，与加热器242隔开一定距离，从而加热器242产生的热量经由开口到达基片，对基片进行非接触式加热。
参考图3，本申请的底座244包括第一固定部2441，第三连接部2442，第五固定部2443，第四固定部2447以及多层反射片2444，其中，隔热罩241围绕第五固定部2443的周边与第五固定部2443固定。第五固定部2443为高度较小的圆柱状，其中，第五固定部2443的一侧圆表面经由第三连接部2442与第一固定部2441连接，且第四固定部2447也位于第五固定部2443朝向第三连接部2442的一侧表面；在第五固定部2443的另一侧圆表面上，固定有多层反射片2444，多层反射片2444的直径小于第五固定部2443的直径。隔热罩241为圆柱型的侧面，隔热罩241的一侧与第五固定部2443的侧表面连接，从而第五固定部2443与隔热罩241一起形成腔体，因此，本申请的隔热罩241仅通过与第五固定部2443固定的区域与第五固定部2443接触，在加热过程中能够尽可能少的减少热传导。
在该实施例中，隔热罩241同样采用反射片制成，且隔热罩241的反射片包括至少一层。多层反射片2444以及隔热罩241的反射片经由金属抛光、镀金、镀银、光子晶体设计、热反射涂层材料的处理方法来增加反射能力，从而降低辐射损耗。
进一步，在第五固定部2443中具有多个贯穿第五固定部2443的第一通孔2445，第一固定部2441的中心区域具有第二通孔2446，第一通孔2445和第二通孔2446用于加热器242的走线。
参考图4a至图4c，加热器242包括电阻线2422，加热丝2423以及第一连接部2421。其中，第一连接部2421用于将电阻线2422，加热丝2423连接，使得电流可以流经电阻线2422和加热丝2423，且加热丝2423在通电后加热。
其中，为了方便描述，将加热丝2423分为三个部分，分别为冷端2423a，连接端2423b以及加热盘2423c。具体的，参考图4a和图2，加热盘2423c为加热丝2423中主要用于加热的部分，隔热罩241与第五固定部2443围成的腔体中；连接端2423b一端与加热盘2423c连接，另一端依次穿过多层反射片2444、第五固定部2443以及第四固定部2447后聚拢，并与冷端2423a连接。
在该实施例中，参考图2和图4a，由于冷端2423a，连接端2423b以及加热盘2423c为一个整体，因此在制造工艺中：先将加热丝2423弯曲成加热盘2423c的形状；然后将加热丝2423的两端从第五固定部2443具有多层反射片2444的一侧表面穿过多层反射片2444和第五固定部2443的第一通孔2445；然后在第五固定部2443的另一侧对加热丝2423进行弯折，使多个加热丝2423并拢到一起，方便后续步骤中通过加热丝2423的冷端2423a将加热丝2423与电阻线2422进行固定连接。
在该实施例中，加热丝2423的连接端2423b在穿过多层反射片2444和第五固定部2443时，相互不接触，仅在连接端2423b穿过第四固定部2447后，通过螺钉将连接端2423b与第四固定部2447进行了固定，以对加热盘2423c在隔热罩241中的位置进行了限定。因此，在本实施例中，加热丝2423仅通过连接端2423b与第四固定部2447的连接与底座244进行了接触，最大可能的降低了热传导。
参考图4b和图4c，加热盘2423c可以由一个加热丝密绕形成，也可以由两个加热丝密绕组成，以一个加热丝密绕形成为例(图4c)进行说明。加热丝采用螺旋的方式进行绕线，形成的加热盘大致呈圆形，同一加热丝的不同缠绕圈之间存在间隙。其中，若采用一个加热丝密绕形成的加热盘，需尽可能增加密绕的密度，减小相邻缠绕圈之间的间隙；若采用两个加热丝密绕形成的加热盘，相邻缠绕圈之间的间隙大致与加热丝的直径近似，便于将另一个相同的螺旋绕线的加热盘嵌入到前一个加热盘的间隙中，形成两个加热丝密绕的加热盘。本申请中图4a和图4b所示的加热盘2423c，采用了两个加热丝形成，加热盘2423c的两个加热丝之间紧密接触。
进一步地，加热盘2423c可以由一个加热丝密绕形成双层的加热盘2423c；还可以由两个加热丝分别密绕形成一层加热盘，然后将两个加热盘的中心重叠固定进而形成双层的加热盘2423c；还可以由两个加热丝分别绕成存在间隙的双层加热盘，并将两个加热盘进行嵌套从而形成密绕的加热盘2423c。本申请中，通过双层密绕的加热盘2423c，可以提高辐照效率。在其他实施例中，加热盘2423c还可以是一层或三层及以上。
本申请的加热盘的密绕方式，不仅降低了对加热丝进行绕线时的弯曲半径，同时增加了绕线密度，从而提高了辐照效率。
进一步地，参考图4b，在两个加热丝密绕形成的加热盘2423c中，相邻的加热丝之间通过焊接的方式进行固定，使得两个部分的加热丝组成一个近似平面圆形的加热盘2423c。同时，焊接的部分沿加热盘2423c的半径延伸，在加热盘2423c上形成至少一个焊道2425。焊道2425不仅替代了现有技术中的焊接支架或沟槽，用于固定两个加热丝，同时焊道2425也可以增加加热盘2423c的绕线密度，进一步地提高辐照效率。
这种双层绕线方式中，也是通过两个双层的加热丝组合形成一个整体的加热盘2423c，且通过焊道2425进行固定和连接，这种方式可以进一步增加辐照效率。
在该实施例中，加热丝的材料包括以下至少一种：SiC，铠装丝，以及普通铂铑合金。其中，普通铂铑合金的外表面为Al2O3陶瓷绝缘隔离；铠装丝例如包括：铠装外壳，加热丝芯线以及绝缘填充层。具体地，铠装丝的铠装外壳材料包括：GH3039合金(950℃)、Pt合金(1400℃)、Inconel625(Inconel600 1050℃)、不锈钢304L(800℃)、Pt、以及铠装外壳镀Pt、ZrO、Al2O3等材料涂层；加热丝芯线的材料包括：Cr20Ni80合金(1200℃)、PtRh10(1400℃)、Cu、Pt、Pt合金、Ni、以及加热丝芯线镀Pt、ZrO、Al2O3等材料涂层；绝缘填充层的材料包括MgO、Al2O3等。
参考图5，基片台243包括第二固定部2431，第二连接部2432以及第三固定部2433。其中，第二固定部2431通过第二连接部2432与第三固定部2433连接。
具体地，参考图2，第三固定部2433位于隔热罩241的开口一侧，用于放置基片，通过第二连接部2432与位于隔热罩241另一侧的第二固定部2431连接。其中，基片台243的各个部分均不与隔热罩241接触。
进一步参考图5，第三固定部2433例如为圆环形，中间具有第三通孔2434，基片可以固定在第三通孔2434处，这样可以经由第三通孔2434的一侧对基片进行加热，经由第三通孔2434的另一侧在基片表面进行沉积。
进一步地，还包括通过第二电机组217将加热装置240中的隔热罩241、底座244和加热器242进行整体升降，以改变加热器242与基片台243的相对位置，翻转放置在第三固定部2433上的基片即以实现双面制膜。
在该实施例中，基片台243的第三固定部2433，隔热罩241以及底座244的第五固定部2443同心设置。
在该实施例中，加热器242通过加热丝2423与底座244的第四固定部2447连接；隔热罩241通过第一固定部2441与薄膜沉积装置200的反应腔210连接；基片台243通过第二固定部2431与薄膜沉积装置200的反应腔210连接，从而实现加热装置240与反应腔210的连接。
本发明提供的加热装置，加热器通过螺旋密绕方式提高加热功率，并通过隔热罩、反射片等方式降低热损耗，从而实现了提高非接触加热方式的加热效率，实现对不透明或透明基片的加热。
进一步地，加热器通过采用特殊的绕线方式，即采用螺旋绕线方式，降低加热丝对弯曲半径的要求，两个加热丝组合形成一个加热器，从而增加了加热丝的绕线密度，提高了热辐射效率。且本申请的加热装置，具有加热温度高，温度均匀，加热面积大(＞2英寸)，耐高氧压等优点。
进一步地，加热器的两组加热丝之间，通过焊接的方式连接和固定相对位置，焊接时在两组加热丝之间形成焊道，不仅可以代替焊接支架或者沟槽，同时可以增加绕线之间的紧密接触。
进一步地，加热器中，每组加热丝都采用双层的绕线方式，可以进一步提高热辐照效率。
进一步地，在加热器中，加热丝冷端距离底座的位置较远，可以降低冷端过渡发热引发的寿命问题。
进一步地，在加热器的周围，通过隔热罩和底座围成的腔体采用反射片对热量进行反射，如在底座朝向腔体的一侧表面形成有多层反射片，隔热罩也采用至少一层反射片，从而能够降低热辐射的损耗。此外，隔热罩与加热器的底座仅在固定位置有接触，其他位置均没有接触，通过减少接触面积的方式降低热传导，从而也可以相应的提高热辐射效率。
进一步地，由于基片台与加热器采用了非接触式加热，从而基片台在承载基片，在基片的一个表面形成薄膜后，通过对基片进行翻面，可以实现制备双面薄膜，提高了薄膜制备的效率。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (16)
1.一种用于样品加热的加热装置，其特征在于，包括：
底座；
加热器，所述加热器安装在所述底座上；
隔热罩，所述隔热罩固定在所述底座的周边，以形成围绕所述加热器的腔体，所述加热器邻近所述腔体的开口；以及
基片台，位于所述腔体的开口上方，并且与所述加热器彼此不接触。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述加热器包括电阻线、加热丝和第一连接部，所述第一连接部将所述电阻线和所述加热丝连接。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于，所述加热丝包括冷端、连接端和加热盘，所述冷端与所述第一连接部连接，所述连接端位于所述加热盘和所述冷端之间。
4.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘由螺旋方式绕线的加热丝组成。
5.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘为绕制成至少两层的螺旋状的加热丝。
6.根据权利要求5所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘由一个加热丝密绕组成。
7.根据权利要求5所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘由两个加热丝密绕组成。
8.根据权利要求7所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘的两层分别由一个加热丝密绕组成。
9.根据权利要求7所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘包括在同一平面彼此嵌套的两个螺旋状的加热丝，两个所述加热丝分别绕成两层。
10.根据权利要求4-9中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述加热盘通过焊道连接，所述焊道沿所述加热盘的半径延伸，连接相邻两个加热丝。
11.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于，所述加热丝的材料包括以下至少一种：碳化硅、铂铑合金和铠装丝。
12.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述隔热罩包括至少一个反射片。
13.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述底座包括：第五固定部，多层反射片，第一固定部和第三连接部，所述第五固定部通过所述第三连接部与所述第一固定部连接，所述隔热罩固定在所述第五固定部的周边形成围绕所述加热器的腔体，所述多层反射片固定在所述腔体中的所述第五固定部表面。
14.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述基片台包括：第二固定部，多个第二连接部以及第三固定部，其中，所述第三固定部用于承载基片且位于所述隔热罩的腔体开口端，所述第二连接部将所述第二固定部与所述第三固定部连接。
15.根据权利要求14所述的加热装置，其特征在于，所述基片台的第二固定部与所述底座的中心重合。
16.根据权利要求15所述的加热装置，其特征在于，所述隔热罩和所述底座位于所述基片台的多个第二连接部围成的区域内。
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