[實用新型]熱功率密度徑向分布可調的電磁感應加熱裝置

有效

• 申請號: 201420360508.8
• 申請日: 2014-07-01
• 公開（公告）號: CN203960329U
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 程嘉;曹自立;季林紅;吳曉晶;路益嘉;張可;周競輝
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C23C16/46
• 分類號: C23C16/46
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本實用新型涉及電磁感應加熱領域，特別是涉及一種熱功率密度徑向分布可調的電磁感應加熱裝置。

背景技術

IC制造設備中硅外延設備及其他CVD類設備的主要工藝效果，是在襯底(例如半導體晶片)上形成所需的材料層。工藝過程中，要確保在加熱、處理、冷卻期間，襯底上的溫度均勻分布。由于襯底上的材料層沉積速率取決于襯底溫度及反應物濃度，當襯底表面附近的反應物濃度差異可以忽略時，襯底表面的溫度變化就成為影響沉積層厚度均勻性的主要因素，因此提高襯底表面的溫度均勻性極其重要。

為了達到襯底表面溫度均勻分布的效果，某些早期開發的系統提出了以均勻方式加熱整個襯底的方法。然而，由于通常是襯底不同位置(例如邊緣與中心)的熱損失有差異，這種系統會導致襯底的不同位置之間有明顯的溫度差，并不能使襯底表面溫度梯度減至最小。

目前有些加熱方案采用了電磁感應加熱，常用的結構是襯底放置在圓形加熱基座(材質要具有導電性，例如石墨圓盤)上，加熱基座下方安裝有沿徑向由內到外排列的多匝線圈，當線圈通入一定頻率的交流電時，產生交變的激勵磁場，在加熱基座的內部產生渦流并發熱，從而通過加熱基座的發熱來加熱襯底。加熱基座可以安裝在由電機帶動的轉軸上，處于旋轉狀態，這樣會使加熱基座的同一半徑上各個位置的熱功率密度分布得均勻，此時，襯底的溫度主要沿加熱基座的徑向變化。由于每匝線圈的影響區域主要集中于其上方的加熱基座的環狀區域，目前有些系統采用了各匝線圈的高度(線圈上表面到加熱基座下表面)分別可調的方法來調節襯底沿加熱基座的徑向溫度變化，有些系統采用了各匝線圈分別控制供電的方式來調節襯底沿加熱基座的徑向溫度變化。

上述系統可以通過人為調節或反饋控制系統調節有效提高襯底的溫度均勻性，但是各匝線圈對加熱基座影響的區域是相互交疊的，當單獨調節一匝線圈時，其他線圈上方的加熱基座功率密度也受影響，同時調節多匝線圈時，其影響更是復雜和難以預測的，所以用上述方式調節溫場在靈活性上有一些局限性。此外，熱功率密度場的變化是驅動溫場變化的直接因素，因此，獲取每種溫場對應的熱功率密度場是建立溫場數學模型的基礎。上述系統調節各匝線圈實際上是間接地通過改變功率密度場來調溫場，這種方式更關注于溫場本身的調節，卻不利于研究溫場與熱功率密度場間內在聯系，原因是每組線圈高度(或電流)配置下的溫場較易得到(可由溫度傳感器得到)，而對應的熱功率密度場較難得到，熱功率密度場可以通過仿真軟件求得，但如果想得到多組對應關系數據，每種線圈配置都需要單獨進行一次仿真，仿真的工作量是特別大的。

本實用新型提出的電磁感應加熱裝置，提供了一種新的調節襯底溫場分布的方式，該裝置還可以與線圈高度可調的方式相結合，增強溫場調節的靈活性。同時，該裝置調節溫場，是直接靠改變熱功率密度場來實現的，可以直接提供改變后的熱功率密度場數據，有利于研究溫場與熱功率密度場間內在聯系，大幅降低仿真工作量。如果建立出了較好的溫場模型，即可直接根據熱功率密度場預測溫場分布，溫場就可以根據需要更加靈活的調節了，這是現有同類裝置的溫場調節方式所難以實現的。

實用新型內容

本實用新型的目的是提出一種熱功率密度徑向分布可調的電磁感應加熱裝置，其特征在于：由加熱基座、基本線圈、疊加線圈和線路切換裝置組成；加熱基座安裝于工藝氣體參與反應的工藝腔室內部，加熱基座的下表面靠近但不接觸工藝腔室底部壁面；基本線圈與疊加線圈安裝于工藝腔室外部，基本線圈位于加熱基座正下方，疊加線圈與基本線圈串聯，位于基本線圈正下方；線路切換裝置包含兩個支路開關，與交流電源、基本線圈和疊加線圈相連，控制基本線圈和疊加線圈在兩種子狀態間反復交替工作。

所述基本線圈為多匝平面線圈，各匝線圈的半徑依次增大，各匝線圈的高度相同或不相同；所述疊加線圈由多層多匝平面線圈串聯而成，同層各匝線圈的高度相同或不相同；所述基本線圈和所述疊加線圈串聯后的每匝線圈的繞行方向都一致。

所述基本線圈最內匝的末端與所述疊加線圈最上層線圈最內匝的末端相連；從基本線圈最外匝線圈的末端引出第一饋電端，從基本線圈與疊加線圈連接處引出第二饋電端，從疊加線圈最下層最外匝線圈的末端引出第三饋電端；第一饋電端連接于交流電源一側，第二饋電端和第三饋電端分別通過兩個支路開關連接至交流電源另一端；所述兩個支路開關交替導通，使電磁感應加熱裝置工作在兩種狀態，兩個支路開關各自導通的持續時間能夠調節，各導通一次為一個交替周期。

所述工藝腔室內壓強在0Pa—500MPa之間。

工藝腔室的底部材料、基本線圈與加熱基座之間的介質材料的磁導率為真空磁導率。