TW201816125A - 熱製程裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於熱處理一產品或複數個產品之熱製程裝置，其包括具有相對的遠端及複數個可控制的加熱區域之一熱處理室。至少一個緩衝區域安置於所述遠端中之每一者處。該熱處理室的所述緩衝區域及所述加熱區域形成一加熱元件總成。該加熱總成具有一內表面及一外表面，且一次級殼層安置於該加熱元件總成之該外表面周圍且自其隔開，以沿該加熱元件總成形成用於一溫度調整媒介之一流的一進氣流通道。構件將該進氣流通道中之該溫度調整媒介之該流引導至該加熱總成的不同區域以調整所述加熱區域中之溫度，其中將該溫度調整媒介之該流的大部分傳遞至該加熱溫度總成之一中心區域且隨後朝向所述遠端中之至少一者向外傳遞。

Description

熱製程裝置

本發明係關於用於在經改良之溫度控制下熱處理一產品或複數個產品之熱製程裝置。

可出於不同原因將許多產品在鍋爐中進行熱處理。舉例而言，在半導體晶圓製造中，將半導體晶圓進行熱固化，且在鋼製造中，將鋼進行退火製程以將鋼硬化。在半導體製造中，往往必須極精確地控制溫度，因為溫度之微小變化可影響產量，可需要控制溫度持續特定時間量，且往往需要使溫度快速穩定以使得可開始製造製程之下一步驟。因而，可精確控制熱處理係必要的。

主動流體冷卻係降低批次處理鍋爐中之循環時間的熟知方法。在此情況下，產品將貯存於於熱製程室內，且促使溫度調整媒介通過與鍋爐接觸之過道以調整熱製程裝置之溫度。現有系統包括單向流動方法，藉此溫度調整媒介注入於一個遠端處且在熱製程室之另一遠端處排氣，使用此系統，由於能量轉移，注入溫度調整媒介的該遠端將比排氣端更快冷卻，此在花費實質性時間在製程循環結束時等化的負載上導致較大傾斜溫度梯度。

已藉由引入雙向流動作出一些改良，藉此在兩個遠端處交替地引入溫度調整媒介。在此情況下，兩個遠端之間的冷卻更均一及平衡，然而，中心質量塊冷卻更緩慢，因為一些熱容量隨著其朝向中心移動而丟失。

對於熱製程室中之矽基板批次處理，需要新一代熱製程室來支撐較大批次大小及較大大小基板兩者，兩者皆導致較高質量的材料經處理，因而，因為在高溫(例如，600℃至1200℃)下處理產品，更多能量儲存於質量塊中。因而，使用現有冷卻系統，循環時間增加，這因此導致處理能力降低。

因此，存在提高熱處理系統之冷卻能力之需要以及藉由提高冷卻期間之熱均一性獲得的優點。

本發明之一個態樣將解決或至少減少上述問題及缺點。因而本發明提供用於熱處理一產品或複數個產品之熱製程裝置，總成包括具有相對遠端及複數個可控制加熱區域之熱處理室；至少一個緩衝區域，其安置於遠端中之每一者處；熱處理室的緩衝區域及加熱區域形成加熱元件總成，該加熱總成具有內表面及外表面；次級殼層，其安置於加熱元件總成之外表面周圍，該次級殼層經隔開以沿加熱元件總成形成用於溫度調整媒介流的流動通道；及用於將該進氣流通道中之溫度調整媒介流引導至加熱總成之不同區域以調整加熱區域中之溫度的構件，其中將溫度調整媒介流之大部分傳遞至加熱溫度總成的中心區域且隨後朝向遠端中之至少一者向外傳遞。

根據一具體實例，溫度調整媒介以至少兩個不同方向流動以控制到達加熱元件總成之所要加熱區域之流自中心區域至兩個遠端。

根據一具體實例，前庭總成安置於每一遠端處，其特徵在於每一前庭總成形成加熱元件總成之部分。

根據一具體實例，用於引導溫度調整媒介流的構件包括安置於流動通道中之至少一個障壁以將該流劃分成至少兩個不同方向以控制到達加熱元件總成之所要加熱區域的流。

根據一具體實例，加熱元件總成之外表面與次級殼層之間的流動通道形成進氣流通道且在加熱元件總成之內表面與製程室之外表面之間進一步包含環形空間，該環形空間形成用於溫度調整媒介流的排氣流通道。

根據一具體實例，加熱元件總成包括位於加熱元件總成之內表面處的至少一個絕緣材料層，該至少一個絕緣材料層形成加熱元件總成之最內表面。

根據一具體實例，用於引導溫度調整媒介流的構件包括安置於至少一個絕緣材料層中的複數個注入埠。

根據一具體實例，至少一個絕緣材料層具有緻密內耐火層及更多孔之外耐火層，該更多孔之外耐火層經配置以促進通過其流動至注入器的溫度調整媒介流。

根據一具體實例，注入器安置於該複數個注入埠中之每一者中，該注入器實質上為圓柱形或非圓柱形。

根據一具體實例，熱處理室包括中心部分，該複數個注入埠 以較高集中度安置於加熱元件總成之中心部分中之加熱區域中且以較低集中度安置於位於加熱元件總成之中心部分遠端之加熱區域中。

根據一具體實例，每一前庭總成包括至少一個與排氣流通道流體連通的排氣孔洞。

根據一具體實例，每一前庭總成包括溫度調整媒介注入連接，至少一個排氣孔洞同軸地配置於溫度調整媒介注入連接內。

根據一具體實例，處理室係具有流體冷卻系統之水平熱處理室。

根據一具體實例，空氣採集器次總成經配置以在進氣流通道中產生排氣流，空氣採集器次總成包括經配置以將進氣流通道連接至排氣環之至少一個排氣埠，至少一個排氣埠經由擋閘閥門連接至熱交換器流動耦接器，擋閘閥門經配置以在打開位置與閉合冷卻位置之間移動，其中在閉合位置中，向進氣流通道加壓。

根據一具體實例，流動耦接器包括經配置以調整傳遞至熱交換器的冷卻氣流之可移動流動節氣閘。

當與隨附圖式結合閱讀時，將更佳地理解前文【發明內容】以及下文具體實例之【實施方式】。應理解所描繪之具體實例不限於所展示之精確配置及工具。

圖1係根據本發明之熱製程裝置之透視圖。

圖2係在部分移除外殼層之情況下圖1之熱製程裝置之透視圖。

圖3係圖1之熱製程裝置之不完全橫截面視圖。

圖4係加熱元件總成之透視圖。

圖5A及圖5B係具有注入埠及注入器的絕緣層之不完全橫截面視圖。

圖6係熱處理裝置之注入器之橫截面視圖。

圖7係熱處理室及注入器的橫截面視圖。

圖8A及圖8B繪示通過注入器之流動情境。

圖9係進氣流通道及擋板之橫截面視圖。

圖10A係繪示檔板為軸向鰭片之透視圖，且圖10B係沿圖10A之線I-I截取的橫截面。

圖11A係繪示檔板為徑向鰭片之透視圖，且圖11B係沿圖10A之線I-I截取的橫截面。

圖12係前庭總成之不完全橫截面。

圖13係前庭總成之環形溝道之不完全透視圖。

圖14繪示沿熱處理室及如在圖15至圖17中所展示的曲線中所使用之區域。

圖15係當採用單向冷卻時熱製程室的溫度量變曲線之曲線。

圖16係當採用雙向冷卻時熱製程室的溫度量變曲線之曲線。

圖17係當使用本發明裝置(亦即，注入點在加熱區域之中心處)時熱處理室的溫度量變曲線之曲線。

參看圖1至圖3，用於熱處理一產品或複數個產品之熱製程裝置10包括具有複數個可控制加熱區域14(圖3)的熱處理室12(圖3)。 待處理之產品可包括(例如)用於固化或摻雜或鋼退火中之半導體晶圓。

如圖3中所展示，至少一個緩衝區域16安置於遠端11、13中之每一者處。熱處理室12的緩衝區域16及加熱區域14形成加熱元件總成20。加熱總成20具有內表面22及外表面24。次級殼層30安置於加熱元件總成20之外表面24周圍且自其隔開以沿加熱元件總成20形成用於溫度調整媒介34流的進氣流通道32。次級殼層30可由鋁或不鏽鋼製成。然而，應瞭解，其他材料可用於殼層30以及加熱元件總成。溫度調整媒介34可為空氣或適用於正執行之製程的其他氣體。熱處理室12及加熱元件總成20實質上可為圓柱形。

如本文中將進一步描述，流動通道32包括用於將流動通道中之溫度調整媒介流引導至加熱總成之不同區域以調整加熱區域14中之溫度的構件。此能夠在冷卻期間改良熱均一性，因為將溫度調整媒介以與冷卻需求成比例之校正量傳遞至校正區域，因而在完成熱處理之後減少恢復時間且從而增加裝置之產出率。

如圖1中所展示，熱製程裝置包括複數個前庭總成40，該等前庭總成安置於每一遠端處，其中前庭總成40形成加熱元件總成的一部分。如本文中將進一步描述，每一前庭總成40與流動通道32流體連通。

如上文所論述，可控制通道32中之溫度調整媒介的進氣流之方向。如圖2及圖3中所展示，將至少一個障壁46安置於流動通道32中以將流劃分成至少兩個不同方向以控制到達加熱元件總成之所要加熱區域14的流。障壁可由金屬或熱絕緣或其組合製成且通常將流動通道劃分成等份。

如前述所論述，加熱元件總成20之外表面24與次級殼層30之間的流動通道32形成進氣流通道。再次參看圖3，環形空間42存在於加熱元件總成20之內表面22與製程室12的外表面26之間。環形空間42形成用於溫度調整媒介34流的排氣流通道44，因為該溫度調整媒介自進氣流通道32通過。

如圖3中所展示，至少一個絕緣材料層36安置於環形空間42中之加熱元件總成的內表面22處。至少一個絕緣材料層36形成加熱元件總成之最內表面。除障壁46之外，用於引導溫度調整媒介34流的構件包括安置於至少一個絕緣材料層36中之複數個注入埠48。

如上文所描述，因為溫度調整媒介34自前庭總成40通過進氣流通道32流動，當遇到障壁46時，將該溫度調整媒介分隔成或劃分成兩個或多於兩個進氣流氣室。將進氣流路徑劃分成兩個或多於兩個流動氣室增大溫度調整媒介流動能力且因此得到更高冷卻速率。可單獨地加壓兩個或多於兩個流動氣室且因此可針對室之不同區域單獨地調整流動。溫度調整媒介流可藉由調整應用於各端前庭處之真空與室之不同區域之冷卻需求恰當地成比例。

溫度調整媒介34將隨後穿過注入埠48至排氣流通道44中。如下文中進一步描述，在熱製程裝置的中心處引入最冷溫度調整媒介(在該中心處最需要該最冷溫度調整媒介)，在正經熱處理之產品質量塊上產生更加均一冷卻速率。因此，為了改良效率，可將溫度調整媒介之大部分傳遞至總成之中心部分18，藉此增加其中的冷卻流體能力。因此，溫度調整媒介將流動至中心區中之加熱區域，且隨後朝外流動到至少一個端或 以兩個不同方向流動至總成之兩端。

再次參看圖2至圖4，熱處理室12包括中心部分18，且複數個注入埠48可以較高集中度安置於加熱元件總成之中心部分18的加熱區域中且以較低集中度安置於位於加熱元件總成之中心部分18遠端之加熱區域28處以便有利地使貫穿加熱區域14之冷卻流動成比例。

參看圖5A及圖5B，絕緣材料層36可為具有更多孔的外耐火層38之緻密內耐火層，該外耐火層能夠促進溫度調整媒介34的流動且最小化由注入器產生之任何熱損耗及低溫點。舉例而言，緻密內耐火層36可由具有約12mm與約100mm之間(例如，約32mm)的典型厚度之模製耐火纖維製成，且更多孔的外耐火層38可由具有6mm與75mm之間(例如，約12mm)的典型厚度之耐火陶瓷纖維層製成。

注入埠48可僅延伸通過緻密內耐火層36(圖5A)且不延伸通過多孔的外耐火層38或穿過內耐火層36及外耐火層38兩者(圖5B)。可如由虛線箭頭所展示促使冷卻媒介34通過該等層。

次級殼層30與外耐火層38結合使用，且其中具有對應於埠之位置的孔洞。注入器50可位於該複數個注入埠48中之每一者中。如圖6中所展示，每一注入器50包括注入器頭52及主體54。

參看圖7，與熱處理室12相切之假想線(L1)與注入埠之軸線(L2)之間的角度(α)通常係約30°至90°之間。可改變角度(α)以便將注入器之開口引導遠離在室中正處理之材料，這可進一步改良溫度均一性。

注入器可由具有低導電性及良好熱衝擊抗性之陶瓷材料製 成。注入器50可實質上為具有約3mm至約10mm之間的直徑之圓柱形，例如，具有約6mm之外徑及約5mm之內徑。注入埠50亦可為非圓柱形。注入器組態使來自注入器開口的熱損耗最小化，在該開口處其穿過熱發出表面。

選擇注入器之直徑以便提供用於冷卻流體媒介34流動通過多孔的絕緣材料36而不通過絕緣材料36產生極大壓降之足夠區域，參見圖8A。因此，注入器50可具有頂部空間，如圖6中可看出，該空間具有相對較大直徑及較淺深度。另外，此特性在溫度調整媒介流之衝擊點產生一些背壓，其將有助於在多孔的絕緣材料內表面與注入器之間保持所要間距。參看圖8B，若允許多孔的絕緣材料自通過其厚度產生的壓差變形及塌陷，則可減少表面區域，由此溫度調整媒介34'能夠流動且因此減少通過注入器之流F'。

參看圖3及圖9，且如前述所論述，熱處理室12包括加熱元件20之外表面24與次級殼層30之間的進氣流通道32中之障壁46。應瞭解，儘管僅展示一個障壁，但可提供複數個障壁46。障壁46可如圖9中所展示為擋扳56。

檔板可用於阻斷靜態對流流動且使溫度調整媒介34流的較佳方向偏轉，且可進一步用於提供機械支撐以便保持加熱元件總成與次級殼層30之間的恰當幾何圖形。參看圖10A及圖10B，障壁可為部分或完全沿加熱元件總成20之外表面24的長度延伸之軸向鰭片64。複數個注入埠48可分佈於加熱總成中之鰭片之間以使得將媒介流34引導於埠48之上且從而引導於注入器50之上。

檔板亦可如圖11A及圖11B中所展示為繞加熱總成20延伸之徑向鰭片68。注入埠48及注入器50可位於徑向鰭片68中以如前述所論述引導媒介流34。

參看圖12，在熱處理室之兩端的前庭總成40包括至少一個溫度調整媒介入口58及位於殼體68中之至少一個排氣出口埠60。將環形排氣溝道70連接至排氣管道72。排氣溝道70為接近主動加熱區域之內成埠表面，在該區域中一系列排氣埠74徑向分佈於表面上。如圖13中所展示，該表面優先以相對於製程室之中心軸的角度β定向，其中角度(β)為約45°，以使得若與表面以相對於製程室之中心軸的90度角度定向相比，則表面經組態為具有較大表面積用以含有較大直徑排氣埠之截圓錐。排氣埠74當經組態為圓柱形埠時可具有約9mm之直徑至約25mm之直徑。排氣埠亦可以非圓柱形形狀組態為適於實現通過前庭成埠表面之理想流動特徵。

再次參看圖12，管道72與排氣出口埠60連通且定位於殼體68內。冷卻媒介填充殼體之前庭且包圍同軸組態中之管道72。換言之，進氣流路徑及出口流路徑優先連接至同軸組態中之熱處理室，其中熱排氣管道72包含於溫度調整媒介入口58內。此配置使自熱排氣管至包圍熱處理室之環境的任何熱傳遞最小化，對系統之安全性、熱穩定性及維護產生正面效應。

熱製程裝置可為任一類多區冷卻製程，且特定言之可用於具有流體冷卻系統之水平熱處理室。相較於具有複雜配管系統之其他系統，整體組態複雜度減小，具有穩健設計，在該設計中需要機械調整。可藉由 比較室上的溫度量變曲線來證明溫度均一性之改良。圖14展示與緩衝區域16相關之區域B1及B2、與中心部分18之加熱區域28遠端相關之C1及C3及與加熱區域14的中心部分18相關之C2。

在單向冷卻流動的情況下，可在圖15中看到熱製程裝置之長度上的溫度量變曲線，展示溫度量變曲線之實例，其中溫度調整媒介在B1處注入且在B2處萃取。

如可看出，注入溫度調整媒介的端最快冷卻，而在排氣端傳遞之能量下冷卻慢得多，因而留下在採用實質性時間來在製程循環結束時等化之負載上的較大傾斜梯度。

圖16展示雙向冷卻流動之案例。在此情況下，溫度調整媒介注入點及萃取點在B1與B2之間交替，且可看到，儘管溫度量變曲線自端至端更均一且更平衡，但中心部分由於冷卻更慢，此係因為在該等端處注入溫度調整媒介且因此隨著其朝向中心移動而損失熱容量以及將熱傳遞至中心部分，因而將仍花費時間於製程循環結束時等化。

圖17展示來自如本發明中所描述之熱製程裝置的溫度量變曲線。本發明基本上意謂注入點在加熱區域之中心。因此，溫度量變曲線在製程循環結束時更加均一。此因而在製程結束時縮短恢復時間，因而產生較高產出率。

為了使次級殼層30免受加熱元件總成20之熱膨脹的損害，可較佳對熱製程裝置10進行進一步修改。首先，用於加熱元件總成之外表面24的材料可由具有較小熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion；Cte)之不鏽鋼(例如，具有11.0μm/m-°K至11.5μm/m-°K範圍內的Cte之不鏽 鋼)製成。

參看圖18至圖22，對設計進行進一步改良以減少可由於熱膨脹出現之任何損害藉由引入強制對流流動來實現。如圖18中所展示，與進氣流通道32(圖19)連通的空氣採集器次總成80包括定位於熱製程裝置10之次級殼層30周圍的排氣環82。如本文中將進一步描述且如圖19中所展示，空氣經由排氣環82中之強制對流排氣埠78自裝置10排出，藉此允許一些氣流通過進氣流通道32。空氣將自熱交換器84前方之埠78排放。此將降低加熱元件總成20之次級殼層30及外表面的溫度。

強制對流空氣可(例如)以大致25至60立方呎每分鐘(cubic feet per minute；cfm)之流動進入入口58。空氣在流動通道32中流動且通過排氣環82之排氣埠78離開進入熱交換器。此空氣流足夠小而不能產生足以流動至注入埠48中的壓力。

參看圖20，空氣採集器次總成80將流動通道32耦接至系統排氣熱交換器84且提供調整排氣抽吸之構件。將埠78經由擋閘閥門90連接至熱交換器流動耦接器92。耦接器92與熱交換器連通且提供自排氣環82調整流動的構件。

如圖21及圖22中所展示，耦接器92包括可移動地安裝於其上以來回滑動而打開及閉合空氣平衡孔洞96以使遍及殼層之外部正拉吸的空氣量與正自排氣環藉由打開/閉合平衡孔洞拉吸之空氣之量平衡的調整節氣閘94。因此，節氣閘94沿耦接器軸向來回移動。

擋閘閥門90存在於加熱元件總成20上(若必要時)有助於快速冷卻加熱區域14之能力。在正常操作下，擋閘閥門90在打開位置中， 藉由閉合擋閘閥門90，加壓流動通道32，同時在圖12之入口58及出口60處調整或增加流動，此將導致必要時加熱區域14之較快冷卻。因此，經由可來回軸向滑動以控制旁路通過總成與殼層之間的流動通道32之空氣量的具有節氣閘94之四個流動藕接器92調整通過加熱元件總成20外部的區域及該區域周圍的氣流之平衡。

儘管因此本發明具體實例已關於特定態樣描述，但許多其他變化及修改及其他用途將對熟習此項技術者變得顯而易見。因此，優選的係，本發明具體實例不由本文中特定發明限制，但僅由所附申請專利範圍限制。

Claims (15)

1. 一種用於熱處理一產品或複數個產品之熱製程裝置(10)，該總成包含：一熱處理室，其具有相對的遠端及複數個可控制的加熱區域；至少一個緩衝區域，其安置於所述遠端中之每一者處，該熱處理室之所述緩衝區域及所述加熱區域形成一加熱元件總成，該加熱元件總成具有一內表面及一外表面；一次級殼層，其安置於該加熱元件總成的該外表面周圍，經隔開以沿該加熱元件總成形成用於一溫度調整媒介之一流之一流動通道；及用於將該進氣流通道中之該溫度調整媒介的該流引導至該加熱總成之不同區域以調整所述加熱區域中之溫度的構件，其中將該溫度調整媒介之該流之大部分傳遞至該加熱溫度總成之一中心區域且隨後朝向所述遠端中之至少一者向外傳遞。
2. 如申請專利範圍第1項之熱製程裝置(10)，其中該溫度調整媒介以至少兩個不同方向流動，以控制到達該加熱元件總成之所要加熱區域的該流自中心區至兩個遠端。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之熱製程裝置(10)，其進一步包含安置於每一遠端處的一前庭總成，其中每一前庭總成形成該加熱元件總成之部分。
4. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中用於引導該溫度調整媒介之該流的該構件包括至少一個障壁，其安置於該流動通道中以將該流劃分成至少兩個不同方向，以控制到達該加熱元件總成之所要加熱區域的該流。
5. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中該加熱元件總成之該外表面與該次級殼層之間的該流動通道形成一進氣流通道，且在該加熱元件總成之該內表面與該製程室之該外表面之間進一步包含一環形空間，該環形空間形成用於該溫度調整媒介之該流之一排氣流通道。
6. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中該加熱元件總成包括位於該加熱元件總成之該內表面處的至少一個絕緣材料層，所述至少一個絕緣材料層形成該加熱元件總成之一最內表面。
7. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中用於引導該溫度調整媒介之該流的該構件包括安置於所述至少一個絕緣材料層中之複數個注入埠。
8. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中該至少一個絕緣材料層具有一緻密內耐火層及一更多孔之外耐火層，該更多孔之外耐火層經配置以促進通過其流動至該注入器的該溫度調整媒介之該流。
9. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之熱製程裝置(10)，其進一步包含安置於所述複數個注入埠中之每一者中的一注入器，該注入器實質上為圓柱形或非圓柱形。
10. 如申請專利範圍第1項至第13項中任一項之熱製程裝置(10)，其中該熱處理室包括一中心部分，所述複數個注入埠以一較高集中度安置於該加熱元件總成之該中心部分中的所述加熱區域中，且以一較低集中度安置於位於該加熱元件總成之該中心部分之遠端的加熱區域中。
11. 如申請專利範圍第18項之熱製程裝置(10)，其中每一前庭總成包括與該排氣流通道流體連通的至少一個排氣孔洞。
12. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中每一前庭總成包括一溫度調整媒介注入連接，所述至少一個排氣孔洞同軸地配置於該溫度調整媒介注入連接內。
13. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其中該處理室係具有一流體冷卻系統的一水平熱處理室。
14. 如前述申請專利範圍中任一項之熱製程裝置(10)，其進一步包含經配置以在該進氣流通道中產生一排氣流的一空氣採集器次總成，該空氣採集器次總成包括一排氣環，該排氣環經配置以將該進氣流通道連接至該排氣環之至少一個排氣埠，至少一個排氣埠經由一擋閘閥門連接至一熱交換器流動耦接器，該擋閘閥門經配置以在一打開位置與一閉合冷卻位置之間移動，其中在該閉合位置中，向該進氣流通道加壓。
15. 如前述申請專利範圍中任一項之熱處理裝置(10)，其中該流動耦接器包括一可移動流動節氣閘，其經配置以調整傳遞至該熱交換器之冷卻氣流。