硅外延炉装置的制作方法

1.本实用新型属于半导体制造技术领域，具体涉及一种硅外延炉装置。


背景技术：

2.硅外延是在高温下通过气相化学反应，在抛光的硅单晶片上生长一层或多层硅单晶薄膜，通过控制生长条件，获得不同电阻率、不同厚度及不同型号的外延层。
3.常用的硅外延设备为平板式外延炉，通过电磁感应线圈对石墨基座进行加热，达到对硅片加热的目的，在反应腔室外部由冷却水和冷却风进行保护。而这种硅外延炉用电量大，属于高能耗设备，造成生产成本增加。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种硅外延炉装置，旨在解决硅外延炉耗电量大的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种硅外延炉装置，包括：壳体，外周环设有冷却水结构，具有反应腔，所述壳体设有进气孔、出气孔以及第一穿孔；
6.石墨基座，转动设置于所述反应腔内；
7.保温隔热托盘，固设于所述反应腔内，位于所述石墨基座和所述壳体之间并与所述石墨基座间隔设置，具有第二穿孔；
8.加热器，位于所述反应腔的外侧，且位于临近所述保温隔热托盘一侧；
9.旋转结构，位于所述反应腔外，具有电机以及旋转轴，所述旋转轴的一端与所述电机的输出轴相连，另一端穿过所述第一穿孔和所述第二穿孔；
10.转接件，用于连接所述旋转轴和所述石墨基座。
11.作为一种可能的实现方式，所述石墨基座临近所述保温隔热托盘的一侧设有安装凹槽，所述转接件包括套设于所述旋转轴外周的连接套，所述连接套固设于所述安装凹槽内。
12.作为一种可能的实现方式，所述加热器为感应加热线圈。
13.作为一种可能的实现方式，所述转接件的材质为石英。
14.作为一种可能的实现方式，所述保温隔热托盘临近所述壳体的一侧设有若干间隔设置的支撑柱，所述支撑柱与所述反应腔的内壁抵接。
15.作为一种可能的实现方式，所述保温隔热托盘的外周环设有周圈立壁，所述周圈立壁形成容置腔，所述石墨基座位于所述容置腔内。
16.作为一种可能的实现方式，所述保温隔热托盘的材质为石英。
17.本实用新型提供的硅外延炉装置，与现有技术相比，通过在石墨基座与反应腔之间设置托盘，托盘在热流通路中增大了系统的热阻，使热表面之间的辐射换热受到阻碍，因此可减少由冷却水带走的热量，提高保温效果，从而降低硅外延炉的能耗。
附图说明
18.图1为本实用新型实施例提供的一种硅外延炉装置的剖视图；
19.图2为图1中托盘的示意图；
20.图3为图2的剖视图。
21.图中：100、壳体；110、进气孔；120、出气孔；200、石墨基座；300、保温隔热托盘；310、第二穿孔；320、支撑柱；500、电机；600、旋转轴；700、转接件。
具体实施方式
22.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.请参见图1至图3，现对本实用新型提供的硅外延炉装置的实施例进行说明。所述的硅外延炉装置，应用在硅外延片生长过程中。本实用新型实施例提供的硅外延炉装置包括壳体100、石墨基座200、保温隔热托盘300、加热器、旋转结构及转接件700。
27.壳体100外周环设有冷却水结构，具有反应腔，壳体100设有进气孔110、出气孔120以及第一穿孔。
28.石墨基座200转动设置于反应腔内，石墨基座200为圆形结构，用于承接硅外延片并提供生长平台。
29.保温隔热托盘300固设于反应腔内，位于石墨基座200和壳体100之间并与石墨基座200间隔设置，具有第二穿孔310。
30.加热器位于反应腔的外侧，且位于临近保温隔热托盘300一侧。为石墨基座200提供热量。
31.旋转结构位于反应腔外，包括电机500以及旋转轴600，电机500位于反应腔外，驱动石墨基座200转动。
32.旋转轴600一端与电机500的输出轴相连，另一端穿过第一穿孔和第二穿孔310。
33.转接件700用于连接旋转轴600和石墨基座200。
34.旋转轴600穿过壳体100和保温隔热托盘300后连接转接件700和石墨基座200，并将石墨基座200提升与保温隔热托盘300具有一定距离，用于带动石墨基座200旋转。
35.转接件700与石墨基座200为过盈配合，在石墨基座200转动的过程中不会与转接件700脱离。而旋转轴600与保温隔热托盘300为间隙配合，这样不会带动保温隔热托盘300旋转，使保温隔热托盘300保持在静止的状态。石墨基座200的直径小于保温隔热托盘300的直径。
36.下面，将分别在理想状态下计算硅外延炉在没有保温隔热托盘300和添加保温隔热托盘300时的热辐射能量。
37.在没有保温隔热托盘300时，热辐射能量计算公式如下：
[0038][0039]
其中：q
1,2
为石墨基座200到反应腔外壁的热辐射能量，t1为石墨基座200的温度，ε1为石墨基座200的热辐射发射率，t2为反应腔外壁的温度，ε2为反应腔外壁的热辐射发射率，cb为石墨基座200的热量。
[0040]
当加入保温隔热托盘300(相当于加入隔热板)后热量不再由石墨基座200直接辐射到反应腔的外壁，而是由石墨基座200辐射到保温隔热托盘300，然后再辐射到反应腔的外壁。那么，由石墨基座200辐射到保温隔热托盘300的能量可表示为：
[0041][0042]
其中：q
1,3
为石墨基座200到保温隔热托盘300的热辐射能量，t1为石墨基座200的温度，ε1为石墨基座200的热辐射发射率，t3为保温隔热托盘300的温度，ε3为保温隔热托盘300的热辐射发射率，cb为石墨基座200的热量。
[0043]
同理，由保温隔热托盘300辐射到反应腔的外壁的能量为：
[0044][0045]
其中：q
3,2
为保温隔热托盘300辐射到反应腔的外壁的热辐射能量，t2为反应腔外壁的温度，ε2为反应腔外壁的热辐射发射率，t3为保温隔热托盘300的温度，ε3为保温隔热托盘300的热辐射发射率，cb为石墨基座200的热量。
[0046]
假设保温隔热托盘300很薄，而且导热系数无穷大，即在稳定状态下，保温隔热托盘300两侧的温度相等。由此可得：
[0047]q1,3
＝q
3,2
[0048]
即：
[0049]
[0050]
为便于计算，我们再次假设石墨基座200、保温隔热托盘300、反应腔外壁三者的热辐射发射率相同，即ε1＝ε2＝ε3，于是，可以得出：
[0051][0052]
也就是：
[0053][0054]
由此可以得出，加入保温隔热托盘300后使得实际辐射到反应腔外壁的能量降低为原来的二分之一。但是，实际情况中石墨基座200、保温隔热托盘300与反应腔外壁的热辐射发射率并不相同，从石墨基座200辐射到反应腔外壁的能量不易计算。于是我们可得出：
[0055]q3，2
＝xq
1，2
(0＜x＜1)
[0056]
实际上热量由石墨基座200传递到保温隔热托盘300表面，由于保温隔热托盘300的导热系数偏低，保温隔热托盘300本身也会存在一定的热量损耗，使得保温隔热托盘300靠近反应腔外壁一侧的实际温度低于靠近石墨基座200一侧的温度，也就是
[0057][0058]
中的t3减小，而反应腔外壁的温度t2由于冷却水的作用基本没有变化，因此，我们可以得到反应腔外壁接受到辐射能量减小的结论。
[0059]
通过实验验证，添加保温隔热托盘300后，在相同生长温度的条件下，加热功率可降低4-7kw，达到了节约能耗的目的。
[0060]
本实用新型提供的硅外延炉装置，与现有技术相比，通过在石墨基座与反应腔之间设置托盘，托盘在热流通路中增大了系统的热阻，使热表面之间的辐射换热受到阻碍，因此可减少由冷却水带走的热量，提高保温效果，从而降低硅外延炉的能耗。
[0061]
在一些实施例中，请参见图1，石墨基座200在临近保温隔热托盘300的一侧设有安装凹槽，转接件700包括套设于旋转轴600外周的连接套，连接套固设于安装凹槽内。
[0062]
在一些实施例中，加热器为感应加热线圈，用于对石墨基座200感应加热，使硅片进行生长。
[0063]
在一些实施例中，请参见图1，转接件700的材质为石英。
[0064]
在一些实施例中，请参见图1及图3，保温隔热托盘300临近壳体100的一侧设有若干间隔设置的支撑柱320，支撑柱320与反应腔的内壁抵接。
[0065]
在一些实施例中，请参见图2，保温隔热托盘300的外周环设有周圈立壁，周圈立壁形成容置腔，石墨基座200位于容置腔内。
[0066]
在一些实施例中，请参见图2，保温隔热托盘300的材质为石英。
[0067]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。