一种用于第三代半导体工艺设备的炉体结构的制作方法

本发明涉及半导体设备，特别是涉及一种用于第三代半导体工艺设备的炉体结构。

背景技术：

1、随着新能源汽车、5g通信和人工智能等领域兴起，市场对第三代半导体功率器件需求数量在急剧增加，给半导体制造企业带来了机遇。第三代半导体如sic，由于其本征的、极高的si-c键能，因而在栅氧与激活等工艺中，相较硅基需要更大的能量、更高的温度，例如氧化需要1300-1500℃，激活需要1600-1800℃，因此需要专用的适用于第三代半导体器件制造的立式炉管设备的超高温炉体。

2、现有的集成电路炉管设备的炉体结构普遍采用电阻丝、石墨棒等常规加热结构，温度耐受上限较低，很难长期稳定维持1600℃以上的工艺温度，同时，这类加热结构的温度均匀性也难以满足大尺寸晶圆批量加工的要求。此外，现有炉体机构则需在设备上配置专用的安装夹具，对加热部件进行支撑固定，装配工序较为复杂，且会导致设备整体尺寸受限。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种恒温区温度均匀性好、长度长，以及能够满足高端第三代半导体器件的工艺精度要求的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，包括炉体、保温层和加热机构，所述炉体的顶部设有炉盖，所述保温层设于炉体的内侧，所述保温层围合形成炉膛，所述加热机构包括从上至下依次设置的多级加热器装配体，所述加热器装配体包括位于炉膛内的石墨加热器，所述石墨加热器呈圆筒状。

4、作为上述技术方案的进一步改进：

5、所述加热器装配体还包括电极组件和加热器连接板，所述电极组件贯穿安装在炉盖上，所述电极组件通过所述加热器连接板与石墨加热器相连。

6、所述电极组件包括从上至下依次连接的铜电极、钼电极和石墨电极，所述石墨电极的下端与加热器连接板相连。

7、所述电极组件还包括第一绝缘套、第二绝缘套和电极座支撑套筒，所述电极座支撑套筒的下端与炉盖密封连接，所述第一绝缘套套设于石墨电极外，所述第二绝缘套套设于电极座支撑套筒与钼电极之间，所述第一绝缘套的上端设有朝向钼电极延伸的防护部，所述防护部包覆于所述第二绝缘套下端的外侧。

8、所述电极组件还包括第一连接板、第二连接板、第一绝缘环、第二绝缘环和第一密封圈，所述第一绝缘环套设于铜电极外，所述第一连接板套设于第一绝缘环外，所述第二连接板套设于电极座支撑套筒外，所述第二绝缘环套设于第二绝缘套外、并分别与铜电极和第二连接板抵接，所述第一密封圈套设于第二绝缘环外、并分别与铜电极和第二连接板抵接，所述第一连接板与第二连接板相连。

9、所述电极座支撑套筒外套设有电极座水冷套。

10、还包括测温机构，所述测温机构包括多个第一测温组件，所述第一测温组件与加热器装配体一一对应设置，所述第一测温组件包括红外测温仪、红外安装套筒、石英窗、红外测温管、第一石墨管、石英窗和第二密封圈，所述第一石墨管设于保温层中，所述第一石墨管的一端与炉膛连通、另一端与红外测温管连通，所述红外测温管的一端与红外安装套筒相连、并与炉体的侧壁密封连接，所述石英窗通过第二密封圈安装于红外测温管中，所述红外测温仪设于红外安装套筒内。

11、所述测温机构还包括至少一组第二测温组件，所述第二测温组件包括第二石墨管、热偶安装套和热偶，所述第二石墨管设于保温层中，所述第二石墨管的一端与炉膛的顶部或底部连通、另一端与热偶安装套连通，所述热偶安装套与炉盖或炉体的侧壁密封连接，所述热偶穿过热偶安装套伸入至第二石墨管中，并与热偶安装套密封配合。

12、还包括冷却水管，所述炉体外设有炉体水冷套，所述红外测温管外套设有测温水冷套，所述冷却水管将炉体水冷套与各测温水冷套首尾串联连通，形成闭环循环冷却回路。

13、所述石墨加热器包括多节首尾依次连接的加热段，所述加热段呈u型。

14、与现有技术相比，本发明的优点在于：

15、1.本发明的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，通过采用圆筒状的石墨加热器进行加热，圆筒状的石墨加热器相较于电阻丝等加热结构，可耐受更高的工艺温度，能够长期稳定维持超高温加工环境，相较于石墨棒等分散式的加热结构，圆筒状的加热区域与工艺区域的轮廓匹配度更高，能够让炉膛内的温度场分布更均匀，能够让加热过程的热场分布更加均匀，有效缩小区域温差，避免温区偏移，提升器件电学参数的一致性和良品率，更好地满足高端第三代半导体器件的工艺精度要求；加热器装配体设有多级，多级加热器装配体中的石墨加热器独立进行调控，即能够对各加热器装配体产生的局部热场进行调控，进一步实现炉内整体热场的精细化调节，通过多级加热器装配体配合，能够进一步提高恒温区温度均匀性，延长恒温区长度。

16、2.本发明的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，各加热段依次连接后围成完整的圆筒状结构，加热段呈u型，能够在受热后通过自身结构缓冲热胀冷缩产生的形变应力，避免石墨加热器整体因应力集中出现开裂损坏，延长石墨加热器的使用寿命，并且，u型的加热段能够增大加热面积，使得在相同的炉膛尺寸下能够获得更高的加热功率，满足第三代半导体高温激活工艺对超高温工况的要求，结构简单、可靠。

17、3.本发明的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，电极组件竖直安装在炉盖上，能够将石墨加热器整体悬挂在炉盖下方，无需在炉体内部设置额外的支撑固定结构，避免支撑结构占用炉膛空间，同时也方便实现整体吊装装配，简化装配工序，降低装配难度。

18、4.本发明的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，铜电极为电流引入电极，具有超高导电、导热性能，既能有效降低焦耳热损，也能防止电极引入端过热；石墨具有适宜电阻率，且稳定性强，石墨电极、石墨加热器、加热器连接板等均为高纯石墨，能满足加热器的核心加热需求；钼电极为过渡电极，钼耐高温、稳定性强、热膨胀性能位于铜与高纯石墨之间，用于电极中端防止电极因温度变化剧烈而产生较大热应力，提升电极整体使用寿命。

19、5.本发明的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，通过第一测温组件与第二测温组件配合，能够实现炉膛内部关键位置温度的多维度实时监测，既可以为各级石墨加热器提供精准的温度反馈，实现热场的精细化调控，也可以对极端位置进行异常温度预警，及时发现超温风险，避免设备损坏，兼顾了控温精度和设备运行安全性。

1.一种用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：包括炉体（1）、保温层（2）和加热机构，所述炉体（1）的顶部设有炉盖（11），所述保温层（2）设于炉体（1）的内侧，所述保温层（2）围合形成炉膛，所述加热机构包括从上至下依次设置的多级加热器装配体（3），所述加热器装配体（3）包括位于炉膛内的石墨加热器（31），所述石墨加热器（31）呈圆筒状。

2.根据权利要求1所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述加热器装配体（3）还包括电极组件（32）和加热器连接板（33），所述电极组件（32）贯穿安装在炉盖（11）上，所述电极组件（32）通过所述加热器连接板（33）与石墨加热器（31）相连。

3.根据权利要求2所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述电极组件（32）包括从上至下依次连接的铜电极（321）、钼电极（322）和石墨电极（323），所述石墨电极（323）的下端与加热器连接板（33）相连。

4.根据权利要求3所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述电极组件（32）还包括第一绝缘套（324）、第二绝缘套（325）和电极座支撑套筒（326），所述电极座支撑套筒（326）的下端与炉盖（11）密封连接，所述第一绝缘套（324）套设于石墨电极（323）外，所述第二绝缘套（325）套设于电极座支撑套筒（326）与钼电极（322）之间，所述第一绝缘套（324）的上端设有朝向钼电极（322）延伸的防护部（3241），所述防护部（3241）包覆于所述第二绝缘套（325）下端的外侧。

5.根据权利要求4所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述电极组件（32）还包括第一连接板（327）、第二连接板（328）、第一绝缘环（329）、第二绝缘环（3210）和第一密封圈（3211），所述第一绝缘环（329）套设于铜电极（321）外，所述第一连接板（327）套设于第一绝缘环（329）外，所述第二连接板（328）套设于电极座支撑套筒（326）外，所述第二绝缘环（3210）套设于第二绝缘套（325）外、并分别与铜电极（321）和第二连接板（328）抵接，所述第一密封圈（3211）套设于第二绝缘环（3210）外、并分别与铜电极（321）和第二连接板（328）抵接，所述第一连接板（327）与第二连接板（328）相连。

6.根据权利要求4所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述电极座支撑套筒（326）外套设有电极座水冷套（3212）。

7.根据权利要求1所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：还包括测温机构（4），所述测温机构（4）包括多个第一测温组件，所述第一测温组件与加热器装配体（3）一一对应设置，所述第一测温组件包括红外测温仪（41）、红外安装套筒（42）、石英窗（43）、红外测温管（44）、第一石墨管（45）、石英窗（43）和第二密封圈（47），所述第一石墨管（45）设于保温层（2）中，所述第一石墨管（45）的一端与炉膛连通、另一端与红外测温管（44）连通，所述红外测温管（44）的一端与红外安装套筒（42）相连、并与炉体（1）的侧壁密封连接，所述石英窗（43）通过第二密封圈（47）安装于红外测温管（44）中，所述红外测温仪（41）设于红外安装套筒（42）内。

8.根据权利要求7所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述测温机构（4）还包括至少一组第二测温组件，所述第二测温组件包括第二石墨管（48）、热偶安装套（49）和热偶（410），所述第二石墨管（48）设于保温层（2）中，所述第二石墨管（48）的一端与炉膛的顶部或底部连通、另一端与热偶安装套（49）连通，所述热偶安装套（49）与炉盖（11）或炉体（1）的侧壁密封连接，所述热偶（410）穿过热偶安装套（49）伸入至第二石墨管（48）中，并与热偶安装套（49）密封配合。

9.根据权利要求7所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：还包括冷却水管（5），所述炉体（1）外设有炉体水冷套，所述红外测温管（44）外套设有测温水冷套（46），所述冷却水管（5）将炉体水冷套与各测温水冷套（46）首尾串联连通，形成闭环循环冷却回路。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于第三代半导体工艺设备的炉体结构，其特征在于：所述石墨加热器（31）包括多节首尾依次连接的加热段（311），所述加热段（311）呈u型。