CN1820545A - 用于高温扩散炉的加热线圈的保持机构 - Google Patents

Abstract

在一电炉中使用的加热组件，包括被绝热体围绕的一个螺旋加热件，以及用于保持所述加热件的各线圈之间间隔开预定距离的间隔器排。每个间隔器包括圆周侧部，所述圆周侧部大体上面对所述加热件的圆周方向并向着所述间隔器的中心区域收敛，以形成一个径向下切，所述绝热体紧靠着所述下切。每一排的所述间隔器具有平行于所述加热件的一纵向轴线延伸的通孔。并且一个导杆延伸通过每个间隔器排的所述通孔。

Description

用于高温扩散炉的加热线圈的保持机构

技术领域

本发明涉及一种高温扩散炉，例如在半导体工业中用来加热半导体片以使晶片能够掺杂合适材料的扩散炉。具体的，本发明涉及一种保持机构，所述保持机构保持了螺旋缠绕的电阻丝的期望结构。

背景技术

高温扩散炉在半导体工业中是众所周知的(例如参见美国专利5,038,019、5,461,214和6,512,206，这些专利在此结合以供参考)。高温扩散炉中的热处理是硅片制造工艺的一部分，例如藉此像硼那样的掺杂元素能够引入半导体材料的分子结构中。炉的热循环必须精确控制时间和温度。还需要扩散炉足够耐用以承受重复的加热和冷却循环。而且，为了制造工艺，重要的是扩散炉迅速到达期望温度，保持温度一段预选的时间阶段，并且然后迅速将温度减至期望水平。

在实际操作中，用于半导体工业的扩散炉大体上是圆柱形的。所有的扩散炉都具有一个工艺管，硅片在其中被处理。工艺室由石英、多晶硅、金刚砂或陶瓷构造而成，并且***扩散炉内。

如图1所示，现有技术的扩散炉20包括通常由不锈钢或铝制成的一个外金属性壳体22和像陶瓷纤维那样的绝热材料内层24。几个螺旋加热线圈26、28、30固定在一起以形成一个连续的螺旋件29，中间加热线圈28操作在最佳温度且端加热线圈26、30操作在足以克服炉端部外的热损失的温度，并且足以预热任何引入炉的工艺室内的气体，工艺室可以包括一个或多个处理区域。加热件通常是由铬-铝-铁合金制成的螺旋盘绕电阻线。电阻线通常具有粗大的直径(例如0.289英寸到0.375英寸直径)以在加热温度下延长加热件寿命。

如图1所示，炉20的任一端都是前庭46、48。前庭46、48被扩孔以容纳尺寸配合工艺室21的终端阻块60、62。工艺室21悬挂在终端阻块60、62之间。将被加热处理的硅片56安装在由石英、多晶硅、金刚砂或陶瓷制成的船形器皿54内。船形器皿54然后装载在工艺室21内以进行加工。船形器皿54可以手动滑动或者自动进入工艺室21内或者在工艺室内悬挂在由金刚砂或陶瓷和石英构成的悬臂支撑臂59上。

用于加热件合金的最大允许操作温度是大约1420℃。因为加热件和工艺室内部之间存在着温差，扩散炉通常操作在大约1300℃的最大操作工艺室温度。

具有一个线圈保持机构以将螺旋加热件29的每个线圈分离并保持就位。每个线圈圈之间正确的分离对于炉的操作来讲是至关重要的，沿着处理区域的整个长度，炉通常需要不超过正负1/2℃的温差。如果线圈各圈之间的间隙改变那么会导致线圈间的电短路和不均匀热分配的干涉。保持机构典型地包括陶瓷间隔器排，比如图2所示的间隔器32。排平行于螺旋加热件的纵轴线延伸，并且在加热件的圆周周围间隔开。

通常绝热体24包括具有50％或更多的铝以及平衡硅的陶瓷纤维绝热材料。这个绝热材料在线圈设置在间隔器内以后被施加于加热件的外部。绝热体或者作为湿层被施加，或者作为干层被施加，缠绕在加热件周围，或者在加热件上方形成真空。在绝热体干了以后，位于间隔器排之间的绝热体的截面与间隔器排配合以保持螺旋加热件29的线圈恰当地排列。

如上面所述，炉的操作温度通常超过1000℃。当船形器皿装载进炉工艺室的时候炉典型地循环在接近800℃的温度之间，并且在全部操作期间超过1000℃。如上面所述，必须使炉迅速达到操作温度并且在操作以后迅速冷却下来。

这些现有技术的炉20的缺陷通常是由于无法控制加热件的增生和膨胀，无法防止陶瓷纤维绝热体的失效，无法使间隔器恰当地保持加热件的每个线圈的间距，以及这些事件的总效果，导致线圈松弛。

绝热体发生的问题涉及绝热体容易随时间和温度变化而收缩。结果，随着那些收缩的截面在圆周方向上从间隔器排离开，在间隔器排和位于间隔器排之间的绝热体截面之间可以形成间隙。间隙相对于线圈径向定位，藉此形成直接通路，辐射热损失可以通过这个直接通路发生。

由于缺乏对加热线圈的最端部圈的足够支持所产生的另一个问题是使那些端部能够松弛并产生线圈的过早破坏。

发明内容

本发明涉及一种电炉，所述电炉包括一个螺旋加热件以及用于在所述加热件的相邻圈之间保持间距的间隔器排，每个间隔器排从所述加热件的一端延伸到所述加热件的相对端，所述间隔器排相对于所述加热件的中心轴在圆周方向上间隔开，每个间隔器包括限定了径向下切的圆周面对的侧表面。绝热体围绕所述加热件的外部延伸。所述绝热体包括圆周间隔部分，每个所述间隔部分设置在由间隔器的两个相邻排之间所限定的各自的空间内，并且与所述两排间隔器的所述径向下切接合。

本发明的另一个方面涉及一种电炉，所述电炉具有被绝热体围绕的一个螺旋加热件，以及用于保持所述加热件的各线圈之间间隔开预定距离的间隔器排。每个间隔器包括圆周侧部，所述圆周侧部大体上面对所述加热件的圆周方向并向着所述间隔器的中心区域收敛，以形成一个径向下切，所述绝热体紧靠着所述下切。每一排的所述间隔器具有平行于所述加热件的纵向轴线延伸的通孔。一个导杆延伸通过每个间隔器排的所述通孔。

本发明的再一个方面涉及一种间隔器，用于将一螺旋加热件的各圈间隔开。所述间隔器包括相对面对的一对第一侧表面和相对面对的一对第二侧表面。所述第一侧表面之一包括在一第一方向上间隔开的一对突起。所述第二侧表面的另一个包括尺寸能够容纳所述突起的一个凹槽。所述第二侧表面的部分在平行于所述第一方向的一第二方向上收敛，以形成下切。

附图说明

本发明的目的和优势将通过随后参考了附图的优选实施例的详细描述而变得清楚，其中类似的标号表示类似的元件，图中：

图1是现有技术的炉的纵向截面图；

图2是相对于图1所示现有技术炉的纵轴线的周向方向(或切线)视图，表示了传统间隔器保持加热件的方式；

图3是从图2的右面方向看的图2的间隔器之一的视图；

图4是适于在图1所示类型的炉中使用的根据本发明的加热组件的分解透视图；

图5是图4的放大局部视图；

图6是图5的加热组件的另一部分的放大的透视局部图；

图7是图5所示的加热组件的分解的纵向端部视图；

图8是图7的放大局部纵向端部视图；

图9是根据本发明的间隔件的透视图；

图10是图9中的间隔器的另一个方向的透视图；

图11是图9的间隔器的在圆周方向上(或切线)的正视图，圆周方向是相对于间隔件使用于其中的加热件的纵轴线的；

图12是从图11的右面看的图9-11所示的间隔器的正视图；

图13是修改的端间隔器的侧视图；

图14是与图13所示间隔器相对的端间隔器的侧视图，具有相似的修改；

图15是加热线圈的一端的局部视图，展示了安装于其上的一个线圈延伸。

具体实施方式

在图4中概括描述的根据本发明的一个绝热加热结构70包括被绝热体74围绕的一个螺旋加热线圈72。线圈72可以与前面描述的线圈29相同。加热结构70适于在图1所示的前面描述的炉内使用，也就是在半导体工业中使用的扩散炉，其是在70-130安培之间的典型范围内的低压、高安培扩散炉操作。

加热线圈的保持机构是间隔器84的排82的形式。排平行于加热线圈72的纵轴线延伸，并且在加热线圈的圆周上大体上等间隔布置。将在下面充分描述的间隔器用于保持加热件72的单独的环或线圈102。炉的直径越大，维持加热件72位置所需的间隔器排82就越多。

在图9-12中详细示出的每个间隔器84包括第一和第二纵向面对侧88、90，纵向面对侧在平行于加热线圈72的纵轴线的各自相对的方向上面对。间隔器还包括第一和第二周向面对侧92、94，周向面对侧在相对于纵轴线的圆周方向上大体定位的各自相对的方向上面对。

第一纵向面对侧88包括一个第一轭结构，第一轭结构包括一对突起96。第二纵向面对侧90包括一个第二轭结构，第二轭结构包括一对第二突起98，第二突起在它们之间限定了一个凹槽100，这个凹槽足够大能够容纳第一突起96，更具体的是同等临近间隔器84的突起96，如图5所示。突起96在它们之间形成一个小的凹槽101，这个小的凹槽足够大能够接收加热件72的一圈。

间隔器84的形状相对于一个径向中央平面A-A对称，因此第一和第二周向面对侧92、94是同样的，每个都包括在相对于加热件的一个中轴线径向延伸的一个方向上间隔开的第一和第二侧部102、102’。侧部102构成径向外侧部，并且侧部102’构成径向内侧部。

侧部102是倾斜的(有斜面的)，其中它们大体上向着间隔器的中心区域103收敛。因此，每个侧部102形成一个径向下切105，如图8所示。侧部102也是同样。

“径向下切”的意思是侧部102的一个径向内端设置得比同一侧部的径向外端更靠近径向中央平面A-A。

优选地，每个侧部102、102’与相对于加热件的半径沿切线延伸的一条线T形成锐角α，角度α例如是75°。

径向外侧部102与径向内侧部102’通过从间隔器的中央区域延伸的一对翼105分离。翼105具有倾斜表面107，倾斜表面与各自的侧部形成角度B，例如90°的角度β。

每个排82的间隔器84通过一个导杆109相互成一直线地保持，导杆平行于加热件72的纵轴线延伸，并且经过通过间隔器84形成的孔112或112’。

每个间隔器排82包括设置在排各自端部的第一和第二端部间隔器114、116(还可见图13、14)，以将排的剩余间隔器保持在一起，并径向支撑线圈的最终(最端部)圈。每个第一端部间隔器114(见图5)的形状与图11所示的间隔器84的左半部分相似，并因此包括在其间形成一空间120的一对突起118，这个空间能够容纳相邻间隔器84的两个突起96、96’。

每个第二端部间隔器116的形状与图11所示的间隔器84的右半部分相似，并因此包括在其间形成一空间124的一对突起122，这个空间能够容纳加热件的各自的最终圈。

第一和第二端部间隔器114、116包括相应于间隔器84的那些侧部的倾斜的(有斜面的)侧部102、102’，其原因将被解释。

第一和第二端部间隔器的每一个包括为了容纳各自的排终端栓122而向外面对远离加热件的一个凹槽126，排终端栓在所有一排间隔器组件之后通过例如焊接被修正到导杆109(并且可选择的也可以是各自的端部间隔器)上，以便于相对导杆不能轴向移动。

不仅仅是端部间隔器114、116将成排间隔器的其余保持在一起，它们也支撑加热件的最终(最端部)圈，藉此防止那些最终圈的松弛。因此，在加热组件被用在垂直状态的情况下，也就是加热件的中心轴线垂直定位的情况下，设置在这样一种加热组件底部上的端部间隔器114或者116将用于支撑加热组件。端部间隔器的远离加热件72轴向向外面对的表面可以是平的(平坦的)，或者可以是不平坦的，也就是可以具有粗糙表面，比如图13、14所示的锯齿表面125a，用以将端部间隔器同它们与之接合的表面之间的摩擦(夹紧)最大化。

当炉被装配的时候，加热件72和间隔器84在炉安装以前被安装。加热件72上方具有一个绝热的第一薄层130。这个绝热体可以包括大约50％的铝和平衡硅。

这个第一薄绝热层可以以一些方式形成，包括湿处理，其中一个材料层被形成，并且然后层带132沿着加热件的长度方向在间隔器排之间设置(见图4)。第一层的外表面131大体上与间隔器84的径向向外表面134对齐。然后，绝热第二层140被施加以覆盖第一层130。第二层140以带142的形式以偏移方式施加在绝热材料第一层上，使得临近的带42之间的接缝144与间隔器排82之间有沿圆周的偏移。

第二绝热层140可以具有大约80％的铝和平衡硅。在这个第二层140以同第一层相似的方式施加以后，随后的层可以施加在第二层上。这些随后的层由传统的绝热材料制成。一旦完成，在一个优选实施例中由不锈钢制成的壳体22(图1)以某种方式被施加于最外面的绝热层上，这种方式能将绝热体从大约6到10磅每平方英尺的密度压缩到大约14到18磅每平方英尺的密度。这个压缩将加热件、间隔器和绝热体共同保持成为一个刚性组件。如果绝热体已经作为湿层被施加，那么加热件就通电以使绝热体变干。

应该理解，第一绝热层的带132的圆周端进入由间隔器84、114、116、102的倾斜的圆周侧部所形成的径向下切105。也就是说，第一层130被湿地施加且滚动以被压缩。滚动作用迫使绝热体的圆周端紧密地进入下切105内。一旦绝热体130干了，它就***并且变得积极地附连在相邻间隔器排82之间。

压缩的绝热体不仅仅在周向上容易承受紧密抵靠侧部102，而且在径向向外方向上也承受，这是因为那些表面是倾斜的以便于形成一个下切。这形成了绝热体和间隔器之间的一个高级热封。

在第一绝热层随着时间和温度循环而收缩的情况下，导致这个层的圆周端在圆周方向被拉伸远离间隔器84的侧部102，或者从侧部102退化，所产生的间隙不再相对于加热件的轴线径向延伸，因为侧部102相对于径向方向倾斜。这用于使任何容易通过间隙产生的辐射热损失发生***，因为辐射能量容易被径向引导。而且，因为第二绝热层140的接缝144是相对于间隔器排周向偏离，所以那些接缝144不能形成间隙的延伸并且因此将热损失最小化。

此外，由于下切，绝热体能够更好地支撑间隔器排，并且因此更好地支撑加热件的线圈。

间隔器84具有径向内表面部分102’，以保证间隔器不能被颠倒地安装，也就是说，间隔器是可颠倒的，使得无论间隔器的方向如何，在适当位置处将设置有下切105。如果不希望有这个可颠倒特性，那么倾斜表面部分102’可以取消，也就是只有表面部分102是倾斜的。

每个间隔器84具有尺寸D(图11)，这个尺寸限定了加热件72的相邻圈之间的间距。尺寸D不必对于一个给定排82的所有间隔器84都是相等的。通过改变每排的尺寸D，加热件的一些圈之间的间隔将彼此不同，以改变线圈的一些圈之间的间隔，并且因此产生炉内期望的热环境。

图15所示为加热线圈72的端部，展示了与一电导线152相连的其自由端150。为了防止自由端/导线150、152松弛，一个螺旋线圈延伸154与线圈任一端直接相连，或者通过直接与导线152相连而与之间接相连。延伸154在周向上限定了线圈端150的一个短延伸。延伸154被两排间隔器160(没有示出其各自的端间隔器)支撑以防止线圈的自由端松弛。间隔器可以是此前描述类型的。这个特征可以在水平或垂直炉中使用。

应该理解，本发明提出了一种新颖的保持机构，它容易安装，支撑最端部线圈圈，并且以热损失最小化的方式同绝热体配合。

尽管本发明已经结合优选实施例进行了描述，本领域技术人员应该理解，在没有脱离如所附权利要求所限定的本发明的实质的情况下，没有特别描述的附加、删除、修改和替代都是可以作出的。

Claims (15)

1.一种电炉，所述电炉包括：

一个螺旋加热件；

用于在所述加热件的相邻圈之间保持间距的间隔器排，每个间隔器排从所述加热件的一端延伸到所述加热件的相对端，所述间隔器排相对于所述加热件的一中心轴线在圆周方向上间隔开，每个间隔器包括限定了径向下切的圆周面对的侧表面；以及

围绕所述加热件的外部延伸的绝热体，所述绝热体包括圆周间隔部分，每个所述圆周间隔部分设置在由间隔器的两个相邻排之间所限定的各自的空间内，并且与所述两排间隔器的所述径向下切接合。

2.根据权利要求1所述的电炉，其中，间隔器的每排包括中间间隔器和两个端部间隔器，其中所述端部间隔器支撑所述加热件的各自的最终圈。

3.根据权利要求2所述的电炉，进一步包括平行于所述加热件的所述中心轴线延伸的导杆，所述导杆相对于所述中心轴线在圆周上间隔开，每个导杆通过在各自排的所述间隔器上形成的孔而延伸。

4.根据权利要求3所述的电炉，进一步包括设置在每个导杆的各自端、且与各自的端部间隔器的一个轴向外表面相接合的终端元件，所述终端元件连接于各自的导杆以相对于所述导杆不能轴向移动。

5.根据权利要求3所述的电炉，其中，所述各自的端部间隔器的轴向外表面是平滑的。

6.根据权利要求3所述的电炉，其中，所述端部间隔器的轴向外表面是粗糙的。

7.根据权利要求1所述的电炉，其中，所述轴向下切构成了轴向下切的一第一对；每个间隔器的周向面对侧表面进一步包括径向下切的一第二对，其中所述间隔器是可颠倒的。

8.根据权利要求1所述的电炉，其中，每个间隔器包括两个轴向面对侧表面，所述轴向面对侧表面之一包括一个第一凹槽，并且另一个轴向面对侧表面包括装配在一相邻间隔器的一第一凹槽内的一对径向间隔突起，所述加热件的每圈设置在所述两个突起之间形成的一第二凹槽内。

9.根据权利要求8所述的电炉，其中，每个间隔器包括平行于所述轴线且与所述第一凹槽径向间隔开的一通孔，以及通过每个间隔器排的间隔器的所述通孔延伸的一个导杆。

10.根据权利要求1所述的电炉，其中，所述绝热体构成绝热体的第一层，并且进一步包括围绕着所述第一层的一个径向外部延伸的绝热体第二层，所述第二层包括在连接处形成接缝的周向相邻的绝缘体部分，所述接缝与所述间隔器排周向偏离。

11.根据权利要求1所述的电炉，其中，所述加热件的一自由端与一个电导线相连，并且进一步包括一个螺旋线圈延伸，所述螺旋线圈延伸与所述线圈端部相连，并且被至少一个间隔器排支撑以防止所述线圈端部的松弛。

12.一种电炉，所述电炉具有被绝热体围绕的一个螺旋加热件，以及用于保持所述加热件的各线圈之间间隔开预定距离的间隔器排，每个间隔器包括圆周侧部，所述圆周侧部大体上面对所述加热件的圆周方向并向着所述间隔器的中心区域收敛，以形成一个径向下切，所述绝热体紧靠着所述径向下切，每一排的所述间隔器具有平行于所述加热件的一纵向轴线延伸的通孔，并且一个导杆延伸通过每个间隔器排的所述通孔。

13.一种间隔器，用于将一螺旋加热件的各圈间隔开，所述间隔器包括一对相对面对的第一侧表面和一对相对面对的第二侧表面，所述第一侧表面之一包括在一第一方向上间隔开的一对突起，所述第二侧表面的另一个包括尺寸能够容纳所述突起的一个凹槽，所述第二侧表面的部分在平行于所述第一方向的一第二方向上收敛，以形成下切。

14.根据权利要求13所述的间隔器，其中，每个间隔器包括延伸通过所述第一侧表面的一个通孔。

15.根据权利要求14所述的间隔器，其中，所述第二侧表面的所述收敛部分构成第一部分，并且所述下切构成第一下切；所述第二侧表面包括向着所述第一部分收敛的第二部分，以限定致使所述间隔器可颠倒的第二下切。

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