热处理装置的制作方法

本公开涉及一种用于通过改进的温度控制来热处理一个或多个产品的热处理装置。

背景技术：

由于不同原因，许多产品可能在炉子中经受热处理。例如，在半导体晶片制造中，半导体晶片经受热固化，并且在钢制造中，钢经受用于使钢硬化的退火工艺。在半导体生产中，通常必须非常精确地控制温度，这是因为温度的微小变化能够影响产量，温度可能需要被控制一段特定的时间，并且通常温度需要被快速稳定，使得能够开始制造工艺的下一步。因此，必要的是，能够精确控制热处理。

主动射流冷却是一种减少在批处理炉中的循环时间的众所周知的方法。在此情况下，产品将存在于热处理腔室内，并且温度调节介质被迫通过与炉子接触的通路，以调节热处理装置的温度。现有系统包括单向流动方法，由此温度调节介质在热处理腔室的一个远端被注入并且在热处理腔室的另一个远端被排放，通过该系统，与在排放端处相比，注入温度调节介质所处的远端由于能量的传递而将更快冷却，这导致整个负载上的较大的倾斜温度梯度，这需要大量时间以在工艺循环结束时实现均衡。

通过引入双向流动已经作出了一些改进，由此温度调节介质在两个远端处被交替地引入。在此情况下，位于两个远端之间的冷却更均匀和平衡，然而中心质量冷却得更慢，这是因为一些热容量在朝向中心行进时损失掉了。

针对在热处理腔室中的硅衬底的批量处理，需要新一代热处理腔室来支撑更大批量和更大尺寸衬底，更大批量和更大尺寸两者都导致正在被处理的材料质量更高，因此在高温(例如600℃至1200℃)下处理产品时，更多的能量被储存在质量中。因此，在现有的冷却系统的情况下，循环时间增加，这结果导致处理能力降低。

因此，需要增加热处理系统的冷却能力以及在冷却期间通过改进热均匀性而获得的优点。

技术实现要素：

本公开的一个方面是解决或至少减少上述问题和缺点。因此，本公开提供了一种用于热处理一个或多个产品的热处理装置，该组件包括：热处理腔室，其具有相反的远端和多个可控的加热区；至少一个缓冲区，其被布置在所述远端的每一个远端处，缓冲区和热处理腔室的加热区形成加热元件组件，该加热组件具有内表面和外表面；辅助壳，其被布置在加热元件组件的外表面周围并且与加热元件组件的外表面间隔开，以形成用于温度调节介质沿着加热元件组件流动的流动通路；以及装置，其用于将在输入流动通路中的温度调节介质的流动引导到加热组件的不同区，以调节加热区中的温度，其中，温度调节介质的流动的大部分被输送到加热温度组件的中央区，并且然后朝向所述远端的至少一个远端向外输送。

根据实施例，温度调节介质在至少两个不同方向上流动，以控制从中央区到两个远端向加热元件组件的期望的加热区的流动。

根据实施例，前厅(vestibule)组件被布置在每个远端处，其特征在于，每个前厅组件形成加热元件组件的一部分。

根据实施例，用于引导温度调节介质的流动的装置包括至少一个挡板，所述至少一个挡板被布置在流动通路中，以将流动分成至少两个不同方向，以控制向加热元件组件的期望的加热区的流动。

根据实施例，在加热元件组件的外表面与辅助壳之间的流动通路形成进入流动通路，并且进一步包括环形空间，该环形空间在加热元件组件的内表面与处理腔室的外表面之间，该环形空间形成用于温度调节介质的流动的排放流动通路。

根据实施例，加热元件组件包括至少一层绝热材料，所述至少一层绝热材料位于加热元件组件的内表面处，所述至少一层绝热材料形成加热元件组件的最内表面。

根据实施例，用于引导温度调节介质的流动的装置包括多个注射端口，所述多个注射端口被布置在所述至少一层绝热材料中。

根据实施例，所述至少一层绝热材料具有致密的内部耐火层和较多孔的外部耐火层，该较多孔的外部耐火层被布置用以促进温度调节介质的所述流动流动通过该较多孔的外部耐火层流入注射器中。

根据实施例，注射器被布置在所述多个注射端口中的每一个注射端口中，注射器是大致圆筒形或非圆筒形的。

根据实施例，热处理腔室包括：中央部分；多个注射端口，所述多个注射端口以较高的浓度被布置在加热元件组件的中央部分中的加热区中，并且以较低的浓度被布置在被定位得远离加热元件组件的中央部分的加热区中。

根据实施例，每个前厅组件包括至少一个排放孔，所述至少一个排放孔与排放流动通路流体连通。

根据实施例，每个前厅组件包括温度调节介质注射连接件，所述至少一个排放孔同轴地布置在该温度调节介质注射连接件内。

根据实施例，处理腔室是具有流体冷却系统的水平热处理腔室。

根据实施例，空气收集器子组件被布置用以在输入流动通路中产生排放流，该空气收集器子组件包括：排放环，该排放环被布置用以将输入流动通路连接到该排放环的至少一个排放端口，至少一个排放端口通过截止阀而连接到热交换器流动联接器，该截止阀被布置成在打开位置与闭合冷却位置之间移动，其中在闭合位置中，该输入流动通路变成被加压。

根据实施例，流动联接器包括可移动流动阻尼器，该可移动流动阻尼器被布置用以调节被输送到热交换器的冷却空气流。

当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及下面的具体实施方式。应该理解的是，所描绘的实施例不限于所示的精确布置和手段。

附图说明

图1是根据本公开的热处理装置的立体图。

图2是图1的热处理装置的立体图，其中，外壳被部分地移除。

图3是图1的热处理装置的局部横截面图。

图4是加热元件组件的立体图。

图5a和图5b是具有注射端口和注射器的绝热层的局部横截面图。

图6是热处理装置的注射器的横截面图。

图7是热处理腔室和注射器的横截面图。

图8a和图8b示出了通过注射器的流动情况。

图9是输入流动通路和挡板的横截面图。

图10a是示出了挡板是轴向翅片的立体图，图10b是沿着图10a的线i-i截取的横截面。

图11a是示出了挡板是径向翅片的立体图，图11b是沿着图10a的线i-i截取的横截面。

图12是前厅组件的局部横截面图。

图13是前厅组件的环形通道的局部立体图。

图14示出了沿着热处理腔室并且如在图15至图17中所示的图里使用的区。

图15是当采用单向冷却时整个热处理腔室上的温度分布图。

图16是当采用双向冷却时整个热处理腔室上的温度分布图。

图17是当采用本发明的装置(即，注射点位于加热区的中心处)时整个热处理腔室上的温度分布图。

具体实施方式

参考图1至图3，用于热处理一个或多个产品的热处理装置10包括热处理腔室12(图3)，该热处理腔室12(图3)具有多个可控的加热区14(图3)。待被处理的产品可以包括例如用于固化或掺杂或用于钢的退火的半导体晶片。

如在图3中所示，至少一个缓冲区16被布置在远端11、13的每个远端处。缓冲区16和热处理腔室12的加热区14形成加热元件组件20。加热组件20具有内表面22和外表面24。辅助壳30被布置在加热元件组件20的外表面24周围并与外表面24间隔开，以形成输入流动通路32，用于温度调节介质34沿着加热元件组件20的流动。辅助壳30能够由铝或不锈钢制成。然而，应该理解的是，其它材料能够被用于壳30以及加热元件组件。温度调节介质34能够是能够适用于正在执行的工艺的空气或其它气体。热处理腔室12和加热元件组件20能够是大致圆筒形的。

如本文将进一步描述的，流动通路32包括用于将在流动通路中的温度调节介质的流动引导到加热组件的不同区以调节加热区14中的温度的装置。这使得在冷却期间的热均匀性能够得到改善，这是因为温度调节介质以与冷却要求成比例的正确的量被输送到正确的区域，因此减少了在热处理完成之后的恢复时间，并且从而增加了装置的产量。

如在图1中所示，热处理装置包括多个前厅组件40，在每个远端处布置一个前厅组件，其中，前厅组件40形成加热元件组件的一部分。如本文将进一步描述的，每个前厅组件40与流动通路32流体连通。

如上所述，能够控制在通路32中的温度调节介质的输入流动的方向。如在图2和图3中所示，至少一个挡板46被布置在流动通路32中，以将流动分成至少两个不同的方向，以控制向加热元件组件的期望的加热区14的流动。挡板能够由金属或热绝缘材料或其组合制成，并且通常将流动通路分成相等的部分。

如上所述，位于加热元件组件20的外表面24与辅助壳30之间的流动通路32形成进入流动通路。再次参考图3，在加热元件组件20的内表面22与处理腔室12的外表面26之间存在环形空间42。环形空间42形成用于当温度调节介质34从进入流动通路32通过时的温度调节介质34的流动的排放流动通路44。

如在图3中所示，至少一层绝热材料36被布置在环形空间42中的加热元件组件的内表面22处。所述至少一层绝热材料36形成加热元件组件的最内表面。除了挡板46之外，用于引导温度调节介质34的流动的装置包括多个注射端口48，所述多个注射端口48被布置在所述至少一层绝热材料36中。

如上所述，当温度调节介质34从前厅组件40流动通过进入流动通路32时，温度调节介质34在它碰到挡板46时被分离或分成两个或更多个进入流动增压腔室。将进入流动路径分成两个或更多个流动增压腔室增加了温度调节介质的流动的能力，并因此产生更高的冷却速率。两个或更多个流动增压腔室能够被分别单独加压，并且因此能够针对腔室的不同区域分别调节流动。通过调节在每个端部的前厅上施加的真空，温度调节介质的流动能够适当地与腔室的不同区域的冷却要求成比例。

然后，温度调节介质34将经过注射端口48进入排放流动通路44。如下面被进一步描述的，在热处理装置的最需要温度调节介质的中心处引入最冷的温度调节介质，在正在进行热处理的整个产品质量上产生更均匀得多的冷却速率。因此，为了提高效率，能够将大部分的温度调节介质输送到组件的中央部分18，从而增加中央部分18中的冷却流体能力。因此，温度调节介质将流动到在中央区中的加热区，并且然后向外流动到至少一个端部或者在两个不同的方向上流动到组件的两个端部。

再次参考图2至图4，热处理腔室12包括中央部分18，并且所述多个注射端口48能够以较高的浓度被布置在加热元件组件的中央部分18中的加热区中，并且所述多个注射端口48能够以较低的浓度被布置在被定位得远离加热元件组件的中央部分18的加热区28中，以便有利地使冷却流在整个加热区14上成比例。

参考图5a和图5b，绝热材料层36能够是致密的内部耐火层，其具有较多孔的外部耐火层38，该外部耐火层能够促进温度调节介质34的流动并使由注射器产生的任何热量损失和冷点最小化。例如，致密的内部耐火层36能够由模制的耐火纤维制成，其典型的厚度在约12mm至约100mm之间，例如约32mm，并且较多孔的外部耐火层38能够由耐火陶瓷纤维毯制成，其典型厚度为6mm至75mm，例如约12mm。

注射端口48可以仅延伸穿过致密的内部耐火层36(图5a)且不穿过较多孔的外部耐火层38，或者穿透内部耐火层36和外部耐火层38两者(图5b)。如虚线箭头所示，冷却介质34能够被迫穿过这些层。

辅助壳30与外部耐火层38结合使用，并且在辅助壳30中具有与这些端口的位置相对应的孔。注射器50能够位于所述多个注射端口48中的每一个注射端口48中。如在图6中所示，每个注射器50都包括注射器头52和主体54。

参考图7，在和热处理腔室12相切的假想线(l1)与注射端口的轴线(l2)之间的角度(α)通常在约30°至90°之间。角度(α)能够被改变，以便引导注射器的开口远离在腔室中正在进行处理的材料，这能够进一步改进温度均匀性。

注射器能够由具有低传导性和良好耐热冲击性的陶瓷材料制成。注射器50可以是大致圆筒形的，其具有在约3mm至约10mm之间的直径，例如，具有约6mm的外径和约5mm的内径。注射端口50也可以是非圆筒形的。注射器构造使来自穿过发热表面的注射器开口的热损失最小化。

注射器的直径被进行选择，以便向冷却流体介质34提供足够的面积，以在不会通过绝热体36产生非常大的压降的情况下流动通过多孔绝热体36，见图8a。因此，注射器50能够具有直径相对较大且深度较浅的顶部空间，如能够在图6中所见的那样。此外，该特征在温度调节介质流动的冲击点处产生一定背压，这将有助于保持多孔绝热内表面与注射器之间的期望间距。参考图8b，如果允许多孔绝热体由于其整个厚度上产生的压差而变形和塌陷，则可能减小温度调节介质34'能够流动通过的表面积，并因此减小通过注射器的流动f'。

参考图3和图9并且如上所述，热处理腔室12包括挡板46，该挡板46在加热元件20的外表面24与辅助壳30之间的输入流动通路32中。应当理解的是，尽管仅示出了一个挡板，但也能够设置多个挡板46。挡板46能够是如在图9中所示的挡板56。

挡板能够被用于中断静态对流并使温度调节介质34的流动的优先方向偏转，并且进一步提供机械支撑，以便保持加热元件组件与辅助壳30之间的正确几何形状。参考图10a和图10b，挡板能够是沿着加热元件组件20的外表面24的长度部分地或完全地延伸的轴向翅片64。多个注射端口48能够被分布在位于加热组件中的翅片之间，使得介质34的流动被引导到端口48上并因此被引导到注射器50上。

挡板也能够是绕加热组件20延伸的径向翅片68，如在图11a和图11b中所示。注射端口48和注射器50能够位于径向翅片68中，以引导介质34的流动，如上所述。

参考图12，位于热处理腔室的两端处的前厅组件40包括位于壳体68中的至少一个温度调节介质进口58和至少一个排放出口60。环形排放通道70被连接到排放管72。排放通道70是接近起作用加热区的内部带端口表面，在该起作用加热区中，一系列排放端口74被径向分布在该表面上。如在图13中所示，该表面优选是被定向成相对于处理腔室的中心轴线成角度β，其中角度(β)是约45°，使得该表面被构造为具有更大表面积的截锥形，与表面被定向成相对于处理腔室的中心轴线成90度角的情况相比，利用该截锥形以容纳较大直径的排放端口。当被构造为圆筒形端口时，排放端口74的直径能够为约9mm至约25mm。排放端口也可以适当地被构造成非圆筒形状，以实现通过前端带端口表面的最佳流动特性。

再次参考图12，管72与排放出口60连通并位于壳体68内。冷却介质填充壳体的前厅并以同轴构造的方式围绕管72。换句话说，进口流动路径和出口流动路径优选是以同轴构造的方式被连接到热处理腔室，其中，热排放管72被容纳在温度调节介质进口58内。该布置使从热排放管到热处理腔室周围环境的任何热传递最小化，从而对安装该布置的系统的安全性、热稳定性和维护性产生了积极影响。

热处理装置能够是任何种类的多区冷却工艺，并且具体地说，能够被用于具有流体冷却系统的水平热处理腔室。与具有复杂管道系统的其它系统相比，整体构造的复杂性得到降低，从而具有不需要机械调节的坚固耐用设计。通过比较整个腔室上的温度分布能够证明温度均匀性的改进。图14示出了与缓冲区16相关的区b1和b2、与远离中央部分18的加热区28相关的区c1和c3、以及与加热区14的中央部分18相关的区c2。

在单向冷却流动的情况下，能够在图15中看到热处理装置的整个长度上的温度分布，图15示出了温度分布的一个示例，其中，温度调节介质在b1处被注入并在b2处被取出。

能够看出，注入温度调节介质的端部冷却得最快，而在排放端处被传递的能量的冷却慢得多，因此在整个负载上留下较大的倾斜梯度，这需要大量时间以在工艺循环结束时实现均衡。

图16示出了双向冷却流动的情况。在此情况下，温度调节介质的注入点和取出点在b1和b2之间交替，并且能够看出，虽然温度分布从一端到另一端更均匀并且平衡，但由于温度调节介质被注入在端部处，所以中央部分冷却得较慢，并因此当温度调节介质朝向中心行进并且将热量传递到中央部分时会失去热容量，因此在工艺循环结束时仍然需要时间来进行均衡。

图17示出了如在本公开中所述的来自热处理装置的温度分布。本公开基本上意味的是，注射点位于加热区的中心处。因此，在工艺循环结束时的温度分布更均匀得多。因此，这缩短了在工艺结束时的恢复时间，因此产生了较高的产量。

为了避免由于加热元件组件20的热膨胀而损坏辅助壳30，优选的是可以对热处理装置10进行进一步的修改。首先，被用于加热元件组件的外表面24的材料能够由具有低热膨胀系数(cte)的不锈钢(例如，具有cte在11.0μm/m-o至11.5μm/m-°k范围内的不锈钢)制成。

参考图18至图22，通过引入强制对流来实现对设计的进一步改进，以减少由于热膨胀而可能发生的任何损坏。如在图18中所示，与输入流动通路32(图19)连通的空气收集器子组件80包括排放环82，该排放环82被定位于热处理装置10的辅助壳30附近。如本文将进一步描述并且如在图19中所示，空气经由在排放环82中的强制对流排放端口78从装置10被排出，从而允许一些空气流通过输入流动通路32。空气将从在热交换器84前面的端口78离开。这将降低辅助壳30以及加热元件组件20的外表面的温度。

强制对流空气能够通过进口58例如以约25立方英尺/分钟至60立方英尺/分钟(cfm)的流量进入。空气在流动通路32中流动并通过排放环82的排放端口78排出到热交换器。该空气的流量足够低，以至于不会产生足够的压力以流入到注射端口48中。

参考图20，空气收集器子组件80将流动通路32联接到系统排放热交换器84，并且该空气收集器子组件80设置了调节排放抽吸的装置。端口78通过截止阀90而被连接到热交换器流动联接器92。联接器92与热交换器连通并提供用于调节来自排放环82的流动的装置。

如在图21和图22中所示，联接器92包括以可移动的方式被安装在上面以前后滑动的调节阻尼器94，以打开和闭合空气平衡孔96，从而使在壳的整个外部上被拉出的空气量与通过打开/闭合平衡孔而从排放环被拉出的空气量平衡。因此，阻尼器94沿着联接器轴向地前后移动。

如果期望的话，则在加热元件组件20上的截止阀90的存在促进了快速冷却加热区14的能力。在正常操作下，截止阀90处于打开位置，通过闭合截止阀90，流动通路32变成被加压，同时流动在图12的进口58和出口60处被调节或增加，如果期望的话，这将导致加热区14的快速冷却。因此，经由具有阻尼器94的四个流动联接器92调节流动通过加热元件组件20外部的区域和其周围区域的空气流的平衡，该阻尼器94能够轴向地前后滑动，以控制绕过在组件与壳之间的流动通路32的空气量。

尽管已经关于特定方面描述了本发明的实施例，但对于本领域技术人员而言，许多其它变型、修改以及其它用途将变得显而易见。因此，优选的是，本发明的实施例不受本文的具体公开内容限定，而是仅由所附权利要求书限定。