外延环形红外卤素加热组件及稳态温度场获取方法与流程

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1.本发明属于半导体外延设备晶圆加热装置技术领域，具体涉及一种外延环形红外卤素加热组件及稳态温度场获取方法。

背景技术：

2.红外加热主要是通过电能与红外辐射能的转化，将能量以红外辐射的方式传递出去，该能量在透明环境中穿透性强，且无需传递介质，可直接照射到被加热物体上，被加热物体吸收该红外能量后自身会产生热量，从而达到升温的效果。与接触式加热相比，其加热过程更为洁净高效。同时该红外加热方式可根据加热灯的形状，分为点式灯泡加热、直线灯管加热、圆形灯管加热、螺线型灯管加热、以及其他异形灯管加热等。
3.然而，在半导体外延领域中，现有的红外加热形式主要分为灯泡型加热和直管型加热。针对这两种形式的加热灯，它们在安装上各自存在优缺点，其中灯泡加热的安装最为灵活，但其数量多，存在安装拆卸工作量大，工作繁琐等问题；直管型加热灯的安装工作量小，且安装较为容易，但其不能更好的适配晶圆加热场景，存在能源浪费增大等问题。
4.因此，如何提供一个能适配晶圆加热空间，又能更好地均衡热场，同时不仅可以按需组合且装配灵活，还可以充分利用能源，提高能源转化效率的加热灯组件，是现在亟需解决的问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种外延环形红外卤素加热组件及稳态温度场获取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种外延环形红外卤素加热组件，包括有反射板和n个环形加热灯，所述n≥1且n为整数，同时n个所述环形加热灯均固定安装在反射板上。
7.更进一步地讲，所述环形加热灯通过灯夹头安装板与反射板进行固定连接，所述灯夹头安装板设置在反射板的下端，同时所述反射板和灯夹头安装板之间设置有冷却板。
8.更进一步地讲，所述反射板和冷却板的中部均开设有通风散热孔，同时在反射板和冷却板上均环形开设有多个方孔。
9.更进一步地讲，所述反射板上的方孔与冷却板上的方孔的形状大小相同，同时所述反射板上的方孔与冷却板上的方孔之间一一对应。
10.更进一步地讲，所述反射板、灯夹头安装板和冷却板上均开设有螺纹孔，所述反射板、灯夹头安装板和冷却板三者之间通过螺栓穿过螺纹孔进行固定连接。
11.更进一步地讲，每个所述环形加热灯均包括有m个圆弧形卤素加热灯，所述m≥2且m为整数，每个所述圆弧形卤素加热灯的端部均设置有陶瓷灯座，所述陶瓷灯座穿过方孔后，与所述灯夹头安装板之间通过螺栓进行固定连接。
12.更进一步地讲，彼此相邻的两个所述圆弧形卤素加热灯的端部之间通过灯夹头进
行固定连接。
13.更进一步地讲，所述灯夹头的外尺寸与方孔的内尺寸相同。
14.一种外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场获取方法，所述稳态温度场获取方法具体如下：
15.获取外延环形红外卤素加热组件的发热功率，并根据所述发热功率确定传导功率的散度；
16.通过发热功率和传导功率散度之间的关系，确定出稳态温度场三维泊松方程的一般形式，具体为：
[0017][0018]
其中：λ为截止导热系数，为温度梯度，ρ0为给定温度下的电阻系数，α为电阻温度系数，t为时间系数，j为电流密度，g为的外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场。
[0019]
更进一步地讲，根据所述发热功率确定传导功率的散度，具体如下：
[0020]
将温度变化率转化为温度梯度的形式，具体为：
[0021][0022]
其中：pc为外延环形红外卤素加热组件的热传导功率，λ为截止导热系数，为温度梯度；
[0023]
确定外延环形红外卤素加热组件的发热功率，具体为：
[0024]
pr＝ρ0(1+at)j2[0025]
其中：pr为外延环形红外卤素加热组件的发热功率，ρ0为给定温度下的电阻系数，α为电阻温度系数，t为时间系数，j为电流密度；
[0026]
在稳态温度场中任意点的单位体积发热功率均等于传导功率的散度，具体为：
[0027][0028]
其中：pr为外延环形红外卤素加热组件的发热功率，λ为截止导热系数，为温度梯度。
[0029]
本发明的技术效果和优点：
[0030]
(1)本发明的外延环形红外卤素加热组件设置有n个环形加热灯和m个圆弧形卤素加热灯，且其数量可以根据实际情况进行确定，且其圆弧形卤素加热灯可通过灯夹头直接进行夹持连接，环形加热灯可通过灯夹头与灯夹头安装板之间的连接固定在反射板上，从而具有较高的灵活性，可以快捷的进行安装组合，进而提高了装置整体安装拆卸的工作效率；
[0031]
(2)本发明的外延环形红外卤素加热组件通过设置n个环形加热灯，且环形加热灯的数量由加工工件的尺寸决定，能够更符合加工工件的加热需要，对加工工件进行更全面的加热处理，从而不仅具有能够更为高效的适配外延加热场景，同时还可以更为高效的利用能源。
附图说明
[0032]
图1为本发明环形卤素加热灯组件的俯视图；
[0033]
图2为本发明环形卤素加热灯组件的仰视图；
[0034]
图3为本发明冷却板的结构示意图；
[0035]
图4为本发明反射板的结构示意图；
[0036]
图中标号对应的部件名称：
[0037]
图中：1、反射板；2、通风散热孔；3、圆弧形卤素加热灯；4、灯夹头；5、灯夹头安装板；6、陶瓷灯座；7、冷却板；8、方孔；9、螺纹孔。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
[0040]
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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0041]
实施例1
[0042]
参考图1，本实施例提供了一种外延环形红外卤素加热组件，该外延环形红外卤素加热组件包括有反射板1和n个环形加热灯，值得注意的是，此处环形加热灯的个数n并不固定，其根据加热工件的大小进行确定，也就是说，n≥1且n为整数。同时该n个环形加热灯均固定安装在反射板1上。由于环形加热灯的数量n由加工工件的尺寸决定，从而能够更符合加工工件的加热需要，对加工工件进行更全面的加热处理，进而能够更为高效的适配外延加热场景。
[0043]
参考图2，由图可知，反射板1的背部安装有灯夹头安装板5和冷却板7，其中冷却板7固定在反射板1和灯夹头安装板5之间。参考图3和图4，由图可知，反射板1和冷却板7的中部均开设有通风散热孔2，同时在反射板1和冷却板7上还环形开设有多个方孔8。值得注意的是，反射板1上环形分布的方孔8与冷却板7上环形分布的方孔8之间一一对应，即反射板1上的方孔8在垂直方向上必对应有冷却板7上的方孔8。同时反射板1上的方孔8和冷却板7上的方孔8无论形状、大小均相同。
[0044]
具体地讲，通风散热孔2开设在外延环形红外卤素加热组件的中部，其用于在外延环形红外卤素加热组件进行加热的过程中，可以加快加热部件即环形加热灯工作时的散热，防止温度过高，造成环形加热灯的损伤，从而减少环形加热灯的使用寿命。方孔8则用于协助将环形加热灯固定安装在反射板1上。
[0045]
在本实施例中，反射板1、灯夹头安装板5和冷却板7上均开设有螺纹孔9。具体地讲，本实施例提出的外延环形红外卤素加热组件在进行组装的过程中，其先根据加工工件的尺寸大小，确定出环形加热灯的总个数n，进而将n个环形加热灯的端部依次穿过反射板1
上的方孔8、冷却板7上的方孔8后，将环形加热灯的端部通过灯夹头安装板5进行固定。同时反射板1、灯夹头安装板5和冷却板7三者之间通过螺栓穿过螺纹孔9进行固定连接。
[0046]
具体地讲，本实施例提出的外延环形红外卤素加热组件能够对加工工件进行更全面的加热处理，且能够提供较为稳态的温度场。从而本实施例提出的外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场求取过程如下：
[0047]
步骤s1：根据傅里叶定律，将温度变化率转化为温度梯度的形式，具体为：
[0048][0049]
其中：pc为外延环形红外卤素加热组件的热传导功率，λ为截止导热系数，为温度梯度。
[0050]
步骤s2：通过下式计算发热功率，具体为：
[0051]
pr＝ρ0(1+αt)j2[0052]
其中：pr为外延环形红外卤素加热组件的发热功率，ρ0为给定温度下的电阻系数，α为电阻温度系数，t为时间系数，j为电流密度。
[0053]
步骤s3：由于本实施例的外延环形红外卤素加热组件提供稳态温度场，故在热场中任意点的单位体积发热功率均等于传导功率的散度，计算公式为：
[0054][0055]
其中：pr为外延环形红外卤素加热组件的发热功率，λ为截止导热系数，为温度梯度。
[0056]
步骤s4：根据步骤s2和步骤s3的计算公式，可以得到稳态温度场三维泊松方程的一般形式，具体为：
[0057][0058]
其中：λ为截止导热系数，为温度梯度，ρ0为给定温度下的电阻系数，α为电阻温度系数，t为时间系数，j为电流密度，g为的外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场。
[0059]
实施例2
[0060]
实施例2设计的是一种外延环形红外卤素加热组件，其基本结构同实施例1，其不同之处在于，参考图1，由图1可知，每个环形加热灯均包括有m个圆弧形卤素加热灯3，其m大于等于2且m为整数。值得注意的是，圆弧形卤素加热灯3的个数m，其会随着环形加热灯的个数n进行变化，故其与环形加热灯的个数n相同，并不固定，且可以根据实际需要进行变化。
[0061]
参考图2，由图2可知，每个圆弧形卤素加热灯3的端部均设置有陶瓷底座6。具体地讲，彼此相邻的两个圆弧形卤素加热灯3之间，其通过灯夹头4将相邻的陶瓷底座6进行夹持固定连接，进而将彼此相邻的两个圆弧形卤素加热灯3进行固定连接。
[0062]
在本实施例中，灯夹头4的外尺寸与方孔8的内尺寸相同，即在本实施例提出的外延环形红外卤素加热组件在进行组装的过程中，其先根据加工工件的尺寸大小，确定出环形加热灯的总个数n，再通过环形加热灯的总个数n，确定出圆弧形卤素加热灯3的个数m，并将彼此相邻的两个圆弧形卤素加热灯3端部的陶瓷底座6通过灯夹头4进行夹持连接，之后再将夹持连接有陶瓷底座6的灯夹头4依次穿过反射板1上的方孔8、冷却板7上的方孔8后，将灯夹头4与灯夹头安装板5进行固定，最后将反射板1、灯夹头安装板5和冷却板7三者之间通过螺栓穿过螺纹孔9进行固定连接。
[0063]
具体地讲，环形加热灯的数量n和圆弧形卤素加热灯3的数量m其均根据实际情况进行确定，且其圆弧形卤素加热灯3可通过灯夹头4直接进行夹持连接，环形加热灯可通过灯夹头4与灯夹头安装板5之间的连接固定在反射板1上，从而具有较高的灵活性，可以快捷的进行安装组合，进而提高了装置整体安装拆卸的工作效率。
[0064]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，包括有反射板(1)和n个环形加热灯，所述n≥1且n为整数，同时n个所述环形加热灯均固定安装在反射板(1)上。2.根据权利要求1所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，所述环形加热灯通过灯夹头安装板(5)与反射板(1)进行固定连接，所述灯夹头安装板(5)设置在反射板(1)的下端，同时所述反射板(1)和灯夹头安装板(5)之间设置有冷却板(7)。3.根据权利要求2所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，所述反射板(1)和冷却板(7)的中部均开设有通风散热孔(2)，同时在反射板(1)和冷却板(7)上均环形开设有多个方孔(8)。4.根据权利要求3所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，所述反射板(1)上的方孔(8)与冷却板(7)上的方孔(8)的形状大小相同，同时所述反射板(1)上的方孔(8)与冷却板(7)上的方孔(8)之间一一对应。5.根据权利要求2或3或4所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，所述反射板(1)、灯夹头安装板(5)和冷却板(7)上均开设有螺纹孔(9)，所述反射板(1)、灯夹头安装板(5)和冷却板(7)三者之间通过螺栓穿过螺纹孔(9)进行固定连接。6.根据权利要求2或3或4所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，每个所述环形加热灯均包括有m个圆弧形卤素加热灯(3)，所述m≥2且m为整数，每个所述圆弧形卤素加热灯(3)的端部均设置有陶瓷灯座(6)，所述陶瓷灯座(6)穿过方孔(8)后，与所述灯夹头安装板(5)之间通过螺栓进行固定连接。7.根据权利要求6所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，彼此相邻的两个所述圆弧形卤素加热灯(3)的端部之间通过灯夹头(4)进行固定连接。8.根据权利要求5所述的外延环形红外卤素加热组件，其特征在于，所述灯夹头(4)的外尺寸与方孔(8)的内尺寸相同。9.一种根据权利要求1-8任一项所述的外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场获取方法，其特征在于，所述稳态温度场获取方法具体如下：获取外延环形红外卤素加热组件的发热功率，并根据所述发热功率确定传导功率的散度；通过发热功率和传导功率散度之间的关系，确定出稳态温度场三维泊松方程的一般形式，具体为：其中：λ为截止导热系数，为温度梯度，ρ0为给定温度下的电阻系数，α为电阻温度系数，t为时间系数，j为电流密度，g为的外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场。10.根据权利要求9所述的外延环形红外卤素加热组件的稳态温度场获取方法，其特征在于，根据所述发热功率确定传导功率的散度，具体如下：将温度变化率转化为温度梯度的形式，具体为：其中：p
c
为外延环形红外卤素加热组件的热传导功率，λ为截止导热系数，为温度梯度；确定外延环形红外卤素加热组件的发热功率，具体为：
p
r
＝ρ0(1+αt)j2其中：p
r
为外延环形红外卤素加热组件的发热功率，ρ0为给定温度下的电阻系数，a为电阻温度系数，t为时间系数，j为电流密度；在稳态温度场中任意点的单位体积发热功率均等于传导功率的散度，具体为：其中：p
r
为外延环形红外卤素加热组件的发热功率，λ为截止导热系数，为温度梯度。

技术总结

本发明公开了一种外延环形红外卤素加热组件，包括有反射板和N个环形加热灯，所述N≥1且N为整数，同时N个所述环形加热灯均固定安装在反射板上。本发明具有较高的灵活性，可以快捷的进行安装组合，从而提高了装置整体安装拆卸的工作效率，同时还能够更为高效的适配外延加热场景，也能够高效的利用能源。也能够高效的利用能源。