CN220290761U - 一种辐射加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种辐射加热装置，包括加热腔和对称设置在加热腔内的两组加热管组，两组所述加热管组之间设置有加热工位；所述加热管组包括若干条并排设置的辐射式加热管，所述加热管组根据加热管的功率划分为一个低功率区、偶数个中功率区和偶数个高功率区，其中，所述低功率区设置于居中位置，偶数个中功率区对称分布于低功率区的两侧，偶数个高功率区关于低功率区对称分布于所述加热管组的边沿位置。本实用新型的装置改善了加热工位居中位置由于加热管热辐射叠加导致的温度偏高状况，使得整个加热工位的加热温度较为均匀，提升了加热装置的性能，提升加工品质。

Description

一种辐射加热装置

技术领域

本实用新型涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种辐射加热装置。

背景技术

随着半导体行业对加热设备的控温性能要求越来越高，需要设备能达到更高的加热温度、更快的加热速度、更准确的温度控制、更好的温度均匀性和更大的加热面积，所以现在半导体热处理设备往往有多达几十根加热管需要同时控制。以快速退火炉(RTP)为例，如何才能同时控制几十根加热管，达到想要的性能参数？大多数设备会利用软件对几十根加热管采用PID算法+调整单个加热管电压的方法来进行控制，这个方法虽然对比老式接触器控制精确很多，但由于算法复杂、且对单个加热管的电压控制精度要求非常高，导致装置成本较高，且维修也较为复杂。

由于红外加热速度快速，灯管制造成熟，所以现有的绝大多数快速退火炉(RTP)设备中均采用红外灯管作为加热源对被加工的晶圆等半导体元件3进行加热。将多根一样长度的红外灯管平行、并排排布，便可以快速地加热一片区域。当平行排布灯管数量足够多时，排布位置中间的热辐射会更集中，其强度会比两侧的辐射强度要高出很多，这样就导致在炉体内整体的温度分布不均匀，降低加热炉的性能。具体的，由于灯管热辐射是以灯管为圆心，向四周发射红外辐射，当多根灯管在同一平面排布时，相邻的灯管之间的热辐射会互相干扰。这样就会导致相邻加热灯管的有效加热区域相互重叠，使被加工的半导体元件表面接收到的热辐射功率不一致，形成温差，可能导致半导体元件加热不均，影响加工品质。

实用新型内容

基于上述表述，本实用新型提供了一种辐射加热装置，以解决加热装置加热不均的问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种辐射加热装置，包括加热腔和对称设置在加热腔内的两组加热管组，两组所述加热管组之间设置有加热工位；所述加热管组包括若干条并排设置的辐射式加热管，所述加热管组根据加热管的功率划分为一个低功率区、偶数个中功率区和偶数个高功率区，其中，所述低功率区设置于居中位置，偶数个中功率区对称分布于低功率区的两侧，偶数个高功率区关于低功率区对称分布于所述加热管组的边沿位置。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：在进行半导体加工时，将被加工的工件置于两组加热管组之间的加热工位上进行加热。加热管组的功率分区设置，对各个区域采用不同功率的加热管，居中的加热管功率最低，趋于加热腔边沿区域的加热管功率最高，改善了加热工位居中位置由于加热管热辐射叠加导致的温度偏高状况，也弥补了边沿位置由于散热效率更高导致的温度偏低问题，从而使得整个加热工位的加热温度较为均匀，提升了加热装置的性能，提升加工品质。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步的，所述低功率区的加热管数量少于中功率区或高功率区的加热管数量。

采用上述技术方案后，其有益效果为：传统加热装置中加热管的位置以及功率均为均匀排布，由于多个加热管的热辐射叠加，从而导致装置中间区域的温度高于其余位置。低功率区对应设置在加工工位的居中位置，以平衡加热工位中间位置的温度。但是加热工位居中位置由于热辐射叠加产生的温度差异有限，且该加热装置主要作用是需在短时间将半导体元件加热到某一高温，以消除半导体元件内部缺陷，为了保证整个装置的加热效率，仅需设置较少的低功率的加热管，以平衡热辐射叠加产生的温度差即可，因此仅需设置较小的低功率区，即仅需设置较少数量的低功率加热管即可达到温度平衡调节的作用。

进一步的，相邻加热管之间的间隙内固定设有隔热挡片，所述隔热挡片的宽度尺寸大于加热管的直径。

采用上述技术方案后，其有益效果为：由于加热管在加热过程中，其热辐射方式为以加热管为圆心、向周围360°发出热辐射，因此在无遮挡的情况下，多个加热管之间的热辐射会发生叠加，尤其是位置越居中的区域叠加的热辐射越多、温度越高，在相邻的加热管之间设置隔热挡片，可有效限制单个加热管的辐射区域、减小因为热辐射叠加产生的温差。

进一步的，所述隔热挡片为陶瓷挡片。

采用上述技术方案后，其有益效果为：陶瓷材料具有较高的耐温性能以及隔热性能，能有效降低热传导系数，从而减小加热工位各区域温差。

进一步的，居中的加热管与其相邻加热管之间的间距大于趋近于边沿的加热管之间的间距。

采用上述技术方案后，其有益效果为：通过调整不同位置加热管之间的间距(即相邻加热管之间的相对距离)，可调整加热工位上不同位置所对应的加热管的热辐射量，例如，对于加热工位的居中位置，增大相邻加热管之间的间距，可减小此处对应叠加的加热管的辐射量密集程度、以抵消距离较远处加热管叠加过来的热辐射量，达到为居中位置降温的目的。

附图说明

图1为本实用新型某一实施例提供的一种辐射加热装置结构示意图，其中图1中(a)为其侧视图，图1中(b)为其俯视剖面图；

图2为本实用新型又一实施例提供的一种辐射加热装置结构示意图，其中图2中(a)为其侧视图，图2中(b)为其俯视剖面图；

图3为本实用新型再一实施例提供的一种辐射加热装置结构示意图，其中图3中(a)为其侧视图，图3中(b)为其俯视剖面图；

图4为本实用新型某实施例中提供的辐射加热装置控制方法流程图；

图5为本实用新型某实施例中提供的辐射加热装置功率分区控制系数表格示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、上排加热管组，101、上加热管，2、加热腔，3、半导体元件，4、下排加热管组，401、下加热管，5、隔热挡片，A、低功率区，B、中功率区，C、高功率区。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

如图1所示为本实用新型某一实施例提供的一种辐射加热装置结构示意图，其中图1中(a)为其侧视图，图1中(b)为其俯视剖面图。

如图1所示，本实施例提供的一种辐射加热装置，包括设置在真空炉体内的加热腔2，以及对称设置在加热腔2内的两组加热管组，例如图1(a)所示的横向并排设置的上排加热管组1和下排加热管组4，两组所述加热管组之间的居中位置设置有加热工位，被加热的半导体元件3(例如晶圆)设置在加热工位上，通过两组加热管组发出的热辐射共同为半导体元件3加热；任意一个所述加热管组包括若干条并排设置的辐射式加热管，例如上排加热管组1包括若干条并排、共面设置的辐射式上加热管101，下排加热管组4包括若干条并排、共面设置的辐射式下加热管401，每个所述加热管组根据加热管的功率划分为一个低功率区A、偶数个中功率区B和偶数个高功率区C，其中，所述低功率区A设置于居中位置，偶数个中功率区B对称分布于低功率区A的两侧，偶数个高功率区C关于低功率区A对称分布于所述加热管组的边沿位置。加热工位的中央位置对应设置在低功率区A的热辐射覆盖范围内。

在进行半导体加工时，将被加工的工件例如图1所示的半导体元件3置于上排加热管组1和下排加热管组4之间的加热工位上进行加热。每个加热管组的功率分区设置，对各个区域采用不同功率的加热管，居中的加热管功率最低，趋于加热腔2边沿区域的加热管功率最高，改善了加热工位居中位置由于加热管热辐射叠加导致的温度偏高状况，也弥补了边沿位置由于散热效率更高导致的温度偏低问题，从而使得整个加热工位的加热温度较为均匀，提升了加热装置的性能，提升加工品质。

在其中可能的一种实施方式中，所述低功率区A的加热管数量少于中功率区B或高功率区C的加热管数量。

可以理解的是，传统加热装置中加热管的位置以及功率均为均匀排布，由于多个加热管的热辐射叠加，从而导致装置中间区域的温度高于其余位置。低功率区A对应设置在加工工位的居中位置，以平衡加热工位中间位置的温度。但是加热工位居中位置由于热辐射叠加产生的温度差异有限，且该加热装置主要作用是需在短时间将半导体元件3加热到某一高温，以消除半导体元件3内部缺陷，为了保证整个装置的加热效率，仅需设置较少的低功率的加热管，以平衡热辐射叠加产生的温度差即可，因此仅需设置较小的低功率区A，即仅需设置较少数量的低功率加热管即可达到温度平衡调节的作用。

在其中可能的一种实施方式中，相邻加热管之间的间隙内固定设有隔热挡片5，所述隔热挡片5的宽度尺寸大于加热管的直径。

由于加热管在加热过程中，其热辐射方式为以加热管为圆心、向周围360°发出热辐射，因此在无遮挡的情况下，多个加热管之间的热辐射会发生叠加，尤其是位置越居中的区域叠加的热辐射越多、温度越高，在相邻的加热管之间设置隔热挡片5，可有效屏蔽大部分的热辐射、限制单个加热管的辐射区域、减小因为热辐射叠加产生的温差。隔热挡片5的宽度尺寸大小决定了单个加热管的辐射区域大小，使单个加热管朝向加热工位的辐射截面变为扇形，从而缩小单个加热管在加热工位上的辐射范围。

在上一实施例的基础上，本实施例中，所述隔热挡片5为陶瓷挡片。

陶瓷材料具有较高的耐温性能、结构刚性以及隔热性能，能有效降低热传导系数，减少热辐射对隔热垫片的穿透，从而减小加热工位各区域温差。

在其中可能的一种实施方式中，居中的加热管与其相邻加热管之间的间距a大于趋近于边沿的加热管之间的间距b，其余相邻加热管之间的间距大小可处于a与b之间，也可与b一致。

通过调整不同位置加热管之间的间距(即相邻加热管之间的相对距离)，可调整加热工位上不同位置所对应的加热管的热辐射量，例如，对于加热工位的居中位置，增大相邻加热管之间的间距，可减小此处对应叠加的加热管的辐射量密集程度、以抵消距离较远处加热管叠加过来的热辐射量，使得半导体元件3接收的热辐射密度更加均匀，达到为加热工位的居中位置降温的目的。

本实用新型提供的一种辐射加热装置，通过分区设置不同功率的加热管、加热管之间设置隔热垫片、以及根据温度值调整加热管之间的相对距离，减小加热工位的各位置由于加热管热辐射叠加造成的中部温度偏高的问题，平衡了被加工的半导体元件3上各区域的温度，提升了加热装置的性能、提高了工件的加工品质。

作为本实用新型的一种扩展方案，还可通过调整各加热管的控制参数调整单个功率管的加热功率，从而间接调整加热工位的温度，使被加工的半导体元件3上各区域得到较为一致的温度。现以某一具体实施场景进行说明。

如图5的表格所示，以三十根加热管构成一组加热管组为例，将三十根加热管分成十个控制区(沿图5表格横向排列的区域1区～10区)。由于加热管在高温和低温时的加热性能不一样，我们再将整个加热温度段(室温～1200℃)分成沿图5表格纵向所示的7段(如图5表格纵向序号的第1～7行)，例如，将升温范围0～1200℃划分为7个温度段，分别为0～240℃、240～340℃、340～440℃、440～640℃、640～840℃、840～1040℃、1040～1200℃，如此，则可通过对十个加热控制区的7个加热温度段分别设置控制参数，实现分区域、分温度段的更精确的温度控制。控制参数包括升温系数以及保温系数，其中第1～7个温度段均设有升温系数，例如图4中的升温系数1～7，第2～7个温度段均设有保温系数，例如图4所示的保温系数1～6。

图5中纵向序号1～7行的数据表示7个温度段中处于升温阶段时向该区域加热管输出的控制电流值，这些控制电流值通过对应的升温系数计算得到；图5中纵向序号8～13行的数据表示第2～6个温度段中处于保温阶段时向该区域加热管输出的控制电流值，这些控制电流值通过对应的保温系数计算得到。

在控制过程中，根据被加工的半导体元件3(工件)的加工工艺获取随时域变化的温度曲线，从温度曲线中采样多组连续的温度数据作为预设温度值SV。根据采样的多个预设温度值SV之间的温度差值，可判断加热管组当前是需要升温还是需要保温。

如流程图4所示，假设每次采样十组连续的温度数据作为预设温度值SV，则将这十组预设温度值SV中最末尾的温度值减去最初的温度值，得到温度差值δSV。由于该工艺用于半导体元件3的加热工序，因此正常情况下温度差值δSV只会出现大于0(升温阶段)或者等于0(保温阶段)的情况。若出现小于0的情况，则说明温度数据读取错误，此处仅讨论正常工艺流程，不讨论此种故障情况。

若温度差值δSV＞0，则说明当前控制阶段需要升温，此时获取各区域加热管的实测温度PV，将实测温度PV与各个温度等级相匹配，采用实测温度PV对应温度等级的升温系数向加热管输出图5表格中对应的升温控制电流、从而实现对加热管的升温控制。

若温度差值δSV＝0，则说明当前控制阶段需要保温，此时获取各区域加热管的实测温度PV，将实测温度PV与各个温度等级相匹配，采用实测温度PV对应温度等级的保温系数向加热管输出图5表格中对应的保温控制电流、从而实现对加热管的升温控制。

根据预设的采样频率按照时域依次采样工艺对应温度曲线的温度数据，重复流程图4中的步骤，由于采样得到的预设温度值SV是随时域变化的，因此可完成连续时段半导体元件3的加热工序。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种辐射加热装置，其特征在于，包括加热腔(2)和对称设置在加热腔(2)内的两组加热管组，两组所述加热管组之间设置有加热工位；所述加热管组包括若干条并排设置的辐射式加热管，所述加热管组根据加热管的功率划分为一个低功率区(A)、偶数个中功率区(B)和偶数个高功率区(C)，其中，所述低功率区(A)设置于居中位置，偶数个中功率区(B)对称分布于低功率区(A)的两侧，偶数个高功率区(C)关于低功率区(A)对称分布于所述加热管组的边沿位置。

2.根据权利要求1所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述低功率区(A)的加热管数量少于中功率区(B)或高功率区(C)的加热管数量。

3.根据权利要求1所述的一种辐射加热装置，其特征在于，相邻加热管之间的间隙内固定设有隔热挡片(5)，所述隔热挡片(5)的宽度尺寸大于加热管的直径。

4.根据权利要求3所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述隔热挡片(5)为陶瓷挡片。

5.根据权利要求1所述的一种辐射加热装置，其特征在于，居中的加热管与其相邻加热管之间的间距a大于趋近于边沿的加热管之间的间距b。