CN117051383A - 加热炉体和半导体设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种加热炉体和半导体设备，该加热炉体包括：环形保温体，所述环形保温体包括多个环形分体，且沿轴向依次连接形成连续的环体，所述环形分体为采用硬质材料制作的刚性保温体；以及相互独立且沿环形保温体的轴向依次设置的多个加热结构，各个所述加热结构一一对应地设置在各个所述环形分体的内侧，且各所述加热结构至少部分嵌入所述环形保温体的内环壁内。本发明提供的加热炉体，其能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间。
Description
本申请为2019年8月29日提交中国专利局、申请号为201910807519.3、发明名称为“加热炉体和半导体设备”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种加热炉体和半导体设备。
背景技术
现有的等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，以下简称PECVD)设备，反应腔室通常采用管状炉体，且炉体温场是采用圆周方向均匀加热的设计，具体的加热结构是使用电阻丝均匀绕制成型后，在其外部包裹保温棉。在工艺运行过程中，首先石墨舟冷态进入管状炉体，然后等待管状炉体整体回温至工艺温度后开始镀膜工艺。
在实际应用中，石墨舟中的石墨片均竖直放置(沿管状炉体的轴向放置)，且多片石墨片沿管状炉体的一条直径方向间隔分布，这使得在加热时，最外侧的两片石墨片因最靠近炉体吸热速率最高，升温最快，而中间的石墨片因外侧的石墨片的阻挡导致吸热速率较低，需要通过提高加热功率以及延长加热时间来使中间的石墨片达到温度要求，但是提高加热功率会造成工艺成本增加，而延长加热时间会导致产能降低。此外，由于石墨片之间存在温度差异，导致膜层的厚度均匀性较差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种加热炉体和半导体设备，其能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间。
为实现上述目的，本发明提供了一种加热炉体，包括：
环形保温体，所述环形保温体包括多个环形分体，且沿轴向依次连接形成连续的环体，所述环形分体为采用硬质材料制作的刚性保温体；以及
相互独立且沿所述环形保温体的轴向依次设置的多个加热结构，各个所述加热结构一一对应地设置在各个所述环形分体的内侧，且各所述加热结构至少部分嵌入所述环形保温体的内环壁内。
可选的，所述加热结构为加热丝，所述加热丝由沿所述环形保温体的周向弯曲缠绕的线体绕制而成，并且所述线体的至少一部分为螺旋弹簧状线体。
可选的，所述线体包括多个第一线段和多个第二线段，其中，每个所述第一线段为所述螺旋弹簧状线体，且沿所述环形保温体的轴向设置；多个所述第一线段沿所述环形保温体的周向间隔设置；
各个所述第二线段用于分别将各个相邻的两个所述第一线段的首尾两端串接。
可选的，所述硬质材料包括由多晶莫来石和硅酸铝组成的混合纤维。
可选的，所述混合纤维中的所述多晶莫来石和所述硅酸铝的含量比为7:3。
可选的，所述环形保温体的内部空间在其轴向上划分为主加热区和位于所述主加热区两侧的炉口加热区和炉尾加热区，其中，
至少两个所述环形分体对应所述主加热区；
至少一个所述环形分体对应所述炉口加热区；
至少一个所述环形分体对应所述炉尾加热区；
同一时间，所述炉口加热区中的所述环形分体上的所述加热结构辐射出的热量大于所述炉尾加热区中的所述环形分体上的所述加热结构辐射出的热量。
可选的，各个相邻的两个所述环形分体之间设置有配合结构，用于限定相邻的两个所述环形分体的相对位置。
可选的，所述配合结构包括分别设置在相邻的两个所述环形分体之间的凹部和凸部，二者插接配合。
可选的，所述加热炉体还包括多个引出结构，各个所述引出结构设置在所述环形保温体的外侧，且与各个所述加热结构一一对应地设置，并且每个所述引出结构包括结构相同的两套引线组件，两套所述引线组件分别用于引入和引出对应的所述加热结构的两条接线。
可选的，所述加热炉体还包括保护罩，所述保护罩环绕设置在各个所述引出结构的外侧。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体设备，包括工艺腔、加热炉体和石墨舟，所述加热炉体采用本发明提供的上述加热炉体。
本发明的有益效果：
本发明提供的加热炉体，其通过在环形保温体的内侧设置相互独立的多个加热结构，可以实现对炉体内部温度的分区独立控制，从而可以根据具体需要单独控制每个加热结构的加热时间和加热速率，以能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间。
本发明提供的半导体设备，其通过采用本发明提供的上述加热炉体，能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的加热炉体的轴向截面图；
图2A为本发明实施例提供的加热炉体的径向截面图；
图2B为本发明实施例采用的加热结构的局部结构图；
图3为本发明实施例采用的其中一个环形保温体的轴向截面图；
图4为本发明实施例提供的加热炉体的一个侧视图；
图5为本发明实施例采用的引出结构的结构图；
图6为本发明实施例提供的加热炉体的另一个侧视图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的加热炉体和半导体设备进行详细描述。
请一并参阅图1至图6，本发明实施例提供的加热炉体，其包括多个环形保温体1和多个加热结构2，其中，环形保温体1包括多个环形分体，且沿其轴向(即，图1中的X方向)依次连接形成连续的环体，例如，图1示出了5个环形分体(1a-1e)。加热结构2的数量与环形分体的数量相同，且各个加热结构2一一对应地设置在各个环形分体的内侧。
可选的，加热结构2的一部分内置在环形分体的内环壁中，而另一部分暴露在环形分体的内部环境中，以能够辐射热量。在实际应用中，可以根据具体需要，使加热结构2可以相对于内环壁面平齐、凸出或者凹陷，只要加热结构2的暴露面积满足对热量的需求即可。
可选的，在内环壁上设置相应形状的凹槽，并采用半嵌入的方式将加热结构2安装在环形分体的内环壁中，或者也可以在制作环形分体的过程中，采用固化的方式将加热结构2半埋入环形分体的内环壁中。
环形保温体1的内部空间即为工艺空间，该环形保温体1用于对加热结构2起到固定和保温作用。而且，在本实施例中，通过采用分体式的环形保温体1，即，环形保温体1由多个环形分体连接而成，便于将相应的加热结构2装配至环形分体的内侧，从而可以降低加工难度。同时，分体式的环形保温体1便于拆装和维修，从而降低了人力和维护成本。
可选的，环形保温体1为采用硬质材料制作的刚性保温体，这与软质的保温棉相比，既能够在保温的同时稳固地固定加热结构2，又能够将环形保温体1与加热结构2组合成一体的模块式结构，便于安装和加工。可选的，硬质材料包括由多晶莫来石和硅酸铝组成的混合纤维。该材料是一种保温材料，同时又具有良好的刚度，从而在具有良好的保温效果的同时，能够稳固的固定加热结构2。优选的，混合纤维中多晶莫来石和硅酸铝的含量比为7:3。具有该含量比的混合纤维的保温效果和固定效果最佳。
多个加热结构2相互独立，这样，可以独立地控制每个加热结构2的加热功率开启、关闭以及功率调节等，从而可以实现对炉体内部温度的分区(即，轴向上划分的多个区域)独立控制，从而可以根据具体需要单独控制每个加热结构2的加热时间和加热速率，以能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间。
并且，有至少一个加热结构2包括多个加热分部，且与环形保温体1的周向上划分的多个分区一一对应，其中至少两个加热分部在同一时间辐射出的热量不同。这样，可以使加热结构2在环形保温体1的周向上为非均匀结构，其可以形成非均匀温场，从而可以补偿被加热件的温度差异，提高工艺均匀性。
可选的，每个加热结构2为加热丝。并且，可以通过使加热丝在其中至少两个分区中的分布密度和/或直径不同，来实现加热丝在同一时间辐射出的热量不同。当然，在实际应用中，还可以采用其他任意结构的加热元件，只要能够辐射热量即可。
可选的，加热丝由沿环形保温体1的周向弯曲缠绕的线体绕制而成，该线体的至少一部分为螺旋弹簧状线体。例如，如图2B所示，线体包括多个第一线段21和多个第二线段22，其中，每个第一线段21为螺旋弹簧状线体，且沿环形保温体1的轴向(图2B中的X方向)设置。并且，多个第一线段21沿环形保温体1的周向间隔设置。各个第二线段22用于分别将各个相邻的两个第一线段21的首尾两端串接，从而构成连续的线体。可选的，第二线段22呈直线状。这样，可以通过减少各第一线段21之间的间隔以及增加第一线段21绕制的紧密程度，以进一步增加由其组成的加热丝的分布密度和分布均匀性，从而可以在同等或较少的加热功率条件下，进一步提高加热效率，缩短加热时间。当然，在实际应用中，根据具体需要，加热丝还可以采用其他任意缠绕方式和加热丝结构。当然需要强调的是，第一线段21和多个第二线段22之间的设置方式不限于此。
可选的，加热丝由高电阻铝合金制作而成，这种加热丝能够有效降低炉体使用过程中自身产生的塑性变形，延长了炉体的使用寿命。
在本实施例中，如图2A所示，环形保温体沿周向上划分的分区为四个，分别为分区A1、分区A2、分区B1和分区B2。并且，四个分区俩俩相对，即，分区A1和分区A2相对，分区B1和分区B2相对。并且，加热结构2对应分区A1和分区A2(或者分区B1和分区B2)中的加热分部在同一时间辐射出的热量相同，而分区A1(或者分区A2)和与之相邻的分区B1和分区B2中的加热分部在同一时间辐射出的热量不同。
当石墨舟位于加热炉体中时，可以使石墨舟上的石墨片7均竖直放置(沿炉体的轴向放置)，且多片石墨片7沿炉体的一条直径方向间隔分布，在这种情况下，通过采用上述分区和温场的分布方式，可以使最外侧的两片石墨片7分别正对分区A1和分区A2，而中间的石墨片7的两侧边缘分别正对分区B1和分区B2，并且分区B1和分区B2中的加热分部在同一时间辐射出的热量大于分区A1和分区A2中的加热分部在同一时间辐射出的热量。具体地，如图2A所示，加热丝在分区B1和分区B2中的分布密度较大，而在分区A1和分区A2中的分布密度较小。由此，中间的石墨片7因正对分区B1和分区B2能够获得较多的热量，而最外侧的两片石墨片7因正对分区A1和分区A2获得的热量较少，从而可以补偿石墨片之间存在的温度差异，进而提高膜层的厚度均匀性。
在实际应用中，可以通过工艺实验的方式获得石墨片之间的温度差异情况，然后根据工艺实验结果估算加热丝各个部分的供热速率，合理排布加热丝，以能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间，同时又能够提高工艺均匀性。
可选的，四个分区在环形保温体1的周向上均匀分布，当然，在实际应用中，也可以根据具体需要设计为非均匀分布。而且，分区的数量也并不局限于四个，可以根据具体需要自由设定。此外，加热结构2对应各个分区的加热分部在同一时间辐射出的热量的差异也可以根据具体需要自由设定。
可选的，环形保温体1的内部空间在其轴向上划分为主加热区和位于该主加热区两侧的炉口加热区和炉尾加热区，其中，至少两个环形分体对应主加热区；至少一个环形分体对应炉口加热区；至少一个环形分体对应炉尾加热区。例如，如图1所示，中间的三个环形分体(1b、1c、1d)共同构成的内部空间为主加热区；两侧的两个环形分体(1a、1e)的内部空间分别为炉口加热区和炉尾加热区。
在实际应用中，可以将例如石墨舟等的被加热件放置于主加热区中进行工艺，并且通过在主加热区中设置至少两个环形分体，可以在主加热区的轴向上实现对温度的分区控制，例如可以通过建立温控表来对主加热区中的各个环形分体上的加热结构2的加热时间和/或加热速率进行分段控制，以使主加热区的轴向上的温度呈预设梯度分布。
对于炉口加热区，由于需要频繁开关炉门，炉口加热区的热量损耗较大，且炉口加热区的轴向尺寸较大，这就需要增大炉口加热区中的环形分体上的加热结构2在同一时间辐射出的热量，例如增大加热丝的直径和/或分布密度。反之，由于炉尾加热区的热量损耗较小，且轴向尺寸较小，其环形分体上的加热结构2在同一时间辐射出的热量无需太多。
可选的，各个相邻的两个环形分体之间设置有配合结构8，用于限定相邻的两个环形分体的相对位置，避免二者出现错位，热量泄漏的情况。在本实施例中，如图3所示，配合结构8包括分别设置在相邻的两个环形分体之间的凹部82和凸部81，二者通过插接配合。当然，在实际应用中，还可以采用例如卡接等其他配合方式限定两个环形分体的相对位置。
在本实施例中，如图4所示，加热炉体还包括多个引出结构9，各个引出结构9设置在环形保温体1的外侧，且与各个加热结构2一一对应地设置，并且每个引出结构9包括结构相同的两套引线组件(91，92)，两套引线组件(91，92)分别用于引入和引出对应的加热结构2的两条接线(31，32)。
具体地，如图5所示，加热炉体还包括环绕设置在环形保温体1周围的炉壳10和分别设置在炉壳10的两端的两个环形端板11，可选的，炉壳10和环形端板11采用铆钉固定连接。以引线组件91为例，其包括：绝缘件911、引线焊片912、引线螺钉914和螺母913，其中，绝缘件911设置在炉壳10上，且在绝缘件911中设置有可供接线(31或32)通过的通道；引线焊片912设置在绝缘件911上，且与接线电连接；引线螺钉914和螺母913用于将引线焊片912固定在绝缘件911上，且引线螺钉914与引线焊片912电导通；引线螺钉914用于与电源电连接。由此，可以实现加热结构2的两条接线(31，32)的引入和引出。
可选的，如图5和图6所示，加热炉体还包括保护罩122，该保护罩122环绕设置在各个引出结构9的外侧，用于隔离电源和操作人员，保证操作人员的人身安全。可选的，保护罩122通过支撑板121固定。
可选的，加热炉体还包括多个温度检测单元6，各个温度检测单元6设置在环形保温体1上，且与各个加热结构2一一对应地设置，用以检测加热结构2对应环形分体的内部温度。具体地，每个温度检测单元6包括：温度传感器61和安装板131，其中，温度传感器61穿设在环形保温体1的侧壁中，如图2A所示，可选的，温度传感器61为热电偶，其探头沿环形保温体1的径向延伸至环形保温体1的内部。安装板131设置在炉壳10的外侧，且在安装板131上设置有传感器固定件132，用于固定温度传感器61。
需要说明的是，在本实施例中，环形保温体1采用分体式结构，即，由多个环形分体沿其轴向依次连接形成连续的环体，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，环形保温体1也可以采用一体式结构。
综上所述，本发明实施例提供的加热炉体，其通过在环形保温体的内侧设置相互独立的多个加热结构，可以实现对炉体内部温度的分区独立控制，从而可以根据具体需要单独控制每个加热结构的加热时间和加热速率，以能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间。同时，至少一个加热结构包括一一对应地分布在沿环形保温体的周向划分的多个分区中的多个加热分部，其中至少两个分区中的加热分部在同一时间辐射出的热量不同，这样，可以使加热结构在环形保温体的周向上为非均匀结构，其可以形成非均匀温场，从而可以补偿被加热件的温度差异，提高工艺均匀性。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体设备，其包括工艺腔(例如石英腔)、加热炉体和石墨舟，其中，工艺腔用于对石墨舟中的石墨片进行工艺；加热炉体用于加热石墨舟中的石墨片以及通过抽真空形成真空环境。该加热炉体采用本发明实施例提供的上述加热炉体。
可选的，该半导体设备应用在PECVD设备。
可选的，加热炉体为卧式，即，如图1所示，加热炉体的轴向水平设置。并且，如图2A所示，石墨舟中的多片石墨片7沿加热炉体的一条直径方向间隔设置，例如沿水平方向上的一条直径方向间隔设置。每个石墨片7均竖直放置。
在这种情况下，在环形保温体1的周向上，可以划分为四个分区进行独立控温，具体地，如图2A所示，四个分区分别为分区A1、分区A2、分区B1和分区B2，且俩俩相对，其中相对的分区A1和分区A2分别正对最外侧的两片石墨片7；其余相对的分区B1和分区B2分别正对中间的石墨片7的两侧边缘。并且，加热结构2对应分区A1和分区A2的加热分部在同一时间辐射出的热量，小于对应分区B1和分区B2的加热分部在同一时间辐射出的热量。由此，中间的石墨片7因正对分区B1和分区B2能够获得较多的热量，而最外侧的两片石墨片7因正对分区A1和分区A2获得的热量较少，从而可以补偿石墨片之间存在的温度差异，进而提高膜层的厚度均匀性。
可选的，可以通过增大加热丝在分区B1和分区B2中的分布密度，和/或减小分区A1和分区A2中的分布密度来获得不均匀的温场。当然，还可以通过使加热丝的直径不同来获得不均匀的温场。
本发明实施例提供的半导体设备，其通过采用本发明实施例提供的上述加热炉体，能够在同等或较少的加热功率条件下，提高加热效率，缩短加热时间，同时又能够提高工艺均匀性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种加热炉体，其特征在于，包括：环形保温体，所述环形保温体包括多个环形分体，且沿轴向依次连接形成连续的环体，所述环形分体为采用硬质材料制作的刚性保温体；以及
相互独立且沿所述环形保温体的轴向依次设置的多个加热结构，各个所述加热结构一一对应地设置在各个所述环形分体的内侧，且各所述加热结构至少部分嵌入所述环形保温体的内环壁内。
2.根据权利要求1所述的加热炉体，其特征在于，所述加热结构为加热丝，所述加热丝由沿所述环形保温体的周向弯曲缠绕的线体绕制而成，并且所述线体的至少一部分为螺旋弹簧状线体。
3.根据权利要求2所述的加热炉体，其特征在于，所述线体包括多个第一线段和多个第二线段，其中，每个所述第一线段为所述螺旋弹簧状线体，且沿所述环形保温体的轴向设置；多个所述第一线段沿所述环形保温体的周向间隔设置；各个所述第二线段用于分别将各个相邻的两个所述第一线段的首尾两端串接。
4.根据权利要求1所述的加热炉体，其特征在于，所述硬质材料包括由多晶莫来石和硅酸铝组成的混合纤维。
5.根据权利要求4所述的加热炉体，其特征在于，所述混合纤维中的所述多晶莫来石和所述硅酸铝的含量比值为7:3。
6.根据权利要求1所述的加热炉体，其特征在于，所述环形保温体的内部空间在其轴向上划分为主加热区和位于所述主加热区两侧的炉口加热区和炉尾加热区，其中，
至少两个所述环形分体对应所述主加热区；
至少一个所述环形分体对应所述炉口加热区；
至少一个所述环形分体对应所述炉尾加热区；
同一时间，所述炉口加热区中的所述环形分体上的所述加热结构辐射出的热量大于所述炉尾加热区中的所述环形分体上的所述加热结构辐射出的热量。
7.根据权利要求1所述的加热炉体，其特征在于，各个相邻的两个所述环形分体之间设置有配合结构，用于限定相邻的两个所述环形分体的相对位置。
8.根据权利要求7所述的加热炉体，其特征在于，所述配合结构包括分别设置在相邻的两个所述环形分体之间的凹部和凸部，二者插接配合。
9.根据权利要求1所述的加热炉体，其特征在于，所述加热炉体还包括多个引出结构，各个所述引出结构设置在所述环形保温体的外侧，且与各个所述加热结构一一对应地设置，并且每个所述引出结构包括结构相同的两套引线组件，两套所述引线组件分别用于引入和引出对应的所述加热结构的两条接线。
10.根据权利要求9所述的加热炉体，其特征在于，所述加热炉体还包括保护罩，所述保护罩环绕设置在各个所述引出结构的外侧。
11.一种半导体设备，包括工艺腔、加热炉体和石墨舟，其特征在于，所述加热炉体采用权利要求1-10任意一项所述的加热炉体。
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