真空辐射立式扩散炉加热器结构

真空辐射立式扩散炉是半导体先进制程（3nm以下）、大尺寸光伏硅片（210mm）及高温材料（SiC外延）制备的关键装备，其加热器结构需在10⁻³~10⁻⁶ Pa超高真空与1200~2200℃高温下，通过垂直方向辐射传热实现全炉腔热场均匀性（ΔT＜±0.3℃）。与卧式结构相比，立式炉的垂直热场梯度、重力诱导变形及装料/卸料机械载荷对加热器结构提出独特挑战。本报告聚焦立式加热器环形/筒式主体构型、垂直多区控温、重力变形抑制及模块化密封四大核心设计，系统分析“垂直热场-结构力学-真空兼容”协同机制。研究表明：环形多段式加热器（≥12垂直分区）+双层筒式反射屏+预应力支撑结构是当前主流方案，可将18英寸晶圆垂直温差控制在±0.3℃以内；未来需突破超大长径比抗变形设计、智能垂直分区补偿及快速换型结构，以应对450mm晶圆与2500℃超高温工艺需求。提出国产化进程中垂直热场仿真、预应力制造与模块化密封的协同攻关路径。

1. 引言

1.1 立式扩散炉的战略定位

立式扩散炉是指炉腔垂直放置（晶圆竖直装载，通过石英舟垂直排列）、加热器环绕炉腔或分布于上下端的扩散设备，与卧式炉（晶圆水平装载）相比，具有三大优势：

• 装料密度高：垂直排列可容纳更多晶圆（12英寸炉腔装料量＞200片，卧式炉＜150片）；

• 热场均匀性好：垂直方向重力对称，避免卧式炉因支撑结构导致的局部“冷点”；

• 工艺兼容性强：适配薄片晶圆（厚度＜150μm）与异形材料（如化合物半导体晶圆）。

加热器作为立式炉的核心热工部件，需在垂直方向（高度＞1.5m）​ 实现均匀辐射传热，同时承受自重变形（长径比＞3:1时尤为显著）、真空密封（垂直电极载荷）及频繁装料冲击（石英舟升降机械载荷）。当前全球高端立式扩散炉市场被东京电子（TEL）、应用材料（AMAT）垄断（市占率＞80%），国产设备在垂直热场均匀性、长径比抗变形及模块化换型方面仍存在差距，成为制约大尺寸晶圆量产的关键瓶颈。

2. 真空辐射立式扩散炉加热器的结构理论基础

2.1 立式结构的传热与力学特性

2.1.1 垂直辐射传热机制

立式炉中，加热器辐射热沿垂直方向传递至晶圆，热流密度随高度变化（炉腔顶部与底部热损失差异＞20%），需通过分区控温补偿。辐射传热遵循斯特藩-玻尔兹曼定律，但垂直方向需考虑视角因子（View Factor）​ 差异：

F1→2​=πA1​1​∫A1​​∫A2​​r2cosθ1​cosθ2​​dA2​dA1​

其中，θ1​、θ2​为辐射面法线与连线夹角，r为距离。立式结构中，加热器与晶圆的垂直距离增大（如炉腔高度1.5m时，r增加50%），视角因子减小，需提升加热器表面发射率（ε＞0.85）以维持热流密度。

2.1.2 重力诱导变形机理

立式加热器长径比（高度/直径）通常＞3:1（如18英寸炉腔加热器高度1.8m、直径0.6m），高温下自重导致弯曲变形（石墨弹性模量10GPa，2000℃时热膨胀量0.9%，1.8m长加热器下垂量＞150μm），需通过预应力支撑或分段式结构抑制。

3. 立式加热器主体结构设计

3.1 主流构型对比与选型逻辑

立式加热器主体结构分为环形、筒式、多段式三类，选型需结合炉腔高度（装料量）、工艺温度及成本：

选型结论：量产线首选筒式多段结构（12~18段，每段独立控温），兼顾垂直分区灵活性与功率密度；实验线可选环形结构降低成本；多品种生产可选模块化多段式。

3.2 筒式多段结构精细化设计

筒式加热器是立式扩散炉的主流构型，其结构设计需关注分段逻辑、几何参数与预应力支撑：

3.2.1 垂直分段与分区控温

• 分段数：18英寸炉腔（高度1.8m）需12段（每段高150mm），每段设3个水平分区（共36区），垂直温差＜0.3℃；

• 分区逻辑：上/下段（距炉口/炉底300mm内）功率密度降低10%（补偿热损失），中段（核心区）功率密度60W/cm²（保证升温速率）；

• 电极布局：每段电极独立引出（顶部/底部双电极），减少垂直方向电流路径长度（接触电阻＜0.5μΩ）。

3.2.2 几何参数与材料适配

• 直径与壁厚：石墨筒内径Φ400~500mm（适配12~18英寸晶圆），壁厚20~30mm（太薄易变形，太厚热惯性大）；

• 表面处理：内表面粗化（Ra=5~10μm）提升发射率（石墨从0.7→0.85），外表面涂覆SiC涂层（厚100~150μm，抗腐蚀）；

• 预应力支撑：采用“顶部悬吊+底部弹性支撑”结构（如图1），通过预紧力（＞5kN）抵消高温下垂量（1.8m长筒变形量从150μm降至30μm）。

4. 立式结构辅助系统设计

4.1 垂直反射屏系统：热损失与均匀性控制

立式炉反射屏需沿垂直方向优化布局，减少上下热损失差异：

4.1.1 筒式反射屏设计

• 双层筒式结构：内层钼（ε≈0.1，高反射率）+外层钨（ε≈0.05，耐高温），间距50~100mm，垂直方向反射率＞90%，热损失降低40%；

• 分段式反射屏：与加热器分段对应（每段高150mm），通过独立调节倾角（上段15°、中段20°、下段10°）补偿垂直视角因子差异，垂直温差降低0.2℃。

4.1.2 顶部/底部热屏蔽

• 顶部屏蔽：锥形钼屏（倾角30°），反射顶部辐射热至炉腔中部，减少炉口热损失（温度从300℃降至150℃）；

• 底部屏蔽：水冷铜盘（厚10mm，流量＞20L/min），吸收底部辐射热并通过冷却水导出，避免炉底温度过高（＞200℃）。

4.2 电极与真空密封：垂直载荷与密封可靠性

立式电极需承受自重+热膨胀的垂直载荷（如1.8m长电极自重＞50kg），密封结构需适应动态装料冲击：

4.2.1 电极结构设计

• 材料：钼铼合金（Mo-5Re）空心杆（外径Φ30mm，壁厚5mm），内置螺旋水冷通道（流量＞15L/min），表面温度＜200℃；

• 支撑方式：顶部固定+底部滑动轴承（石墨衬套），允许±2mm热膨胀位移，避免刚性连接断裂；

• 接触设计：弹簧加压触点（压力＞100N），接触电阻＜0.5μΩ（真空下抗氧化寿命＞20,000小时）。

4.2.2 真空密封结构

• 静态密封：垂直法兰采用“金属波纹管（Inconel 718）+氟橡胶O型圈”组合，泄漏率＜1×10⁻⁹ Pa·m³/s；

• 动态密封：石英舟升降杆采用磁流体密封（泄漏率＜1×10⁻¹⁰ Pa·m³/s），支持频繁升降（＞1000次/天）；

• 模块化密封：电极与反射屏采用快拆卡箍（螺栓预紧力＞10kN），更换时间＜30分钟（传统焊接需4小时）。

5. 垂直热场均匀性与变形控制

5.1 垂直热场仿真与优化

通过COMSOL Multiphysics建立立式炉热-流-固耦合模型，输入参数包括：

• 几何参数：炉腔高度1.8m、加热器直径0.5m、12段筒式结构；

• 材料属性：石墨CTE=4.5×10⁻⁶/K、SiC涂层发射率0.75；

• 边界条件：真空辐射热流密度80W/cm²、顶部/底部热损失系数10W/(m²·K)。

优化结果：通过分段功率调节（上段-10%、中段+5%、下段-5%）与反射屏倾角优化，18英寸晶圆垂直温差从1.2℃降至0.3℃。

5.2 热变形抑制技术

• 预应力制造：筒式加热器加工时施加轴向预拉力（＞10kN），抵消高温膨胀量（1.8m长筒预拉后变形量从150μm降至20μm）；

• 柔性连接：段间采用石墨纸垫片（厚0.5mm，压缩率10%），缓冲热应力（应力集中降低50%）；

• 实时监测：光纤光栅传感器（嵌入加热器壁厚）监测垂直方向应变（精度±1με），超阈值（＞50με）时自动调整分区功率。

6. 典型案例分析

6.1 加热器

• 主体结构：12段筒式石墨加热器（每段高150mm，直径Φ450mm），SiC涂层（厚120μm），36区垂直分区（每段3区）；

• 辅助结构：双层筒式钼-钨反射屏（分段倾角10°~20°），顶部/底部热屏蔽，磁流体密封电极；

• 性能：18英寸晶圆垂直温差±0.25℃，真空度10⁻⁶ Pa，热变形量＜20μm，寿命＞30,000小时；

• 设计亮点：采用“非对称反射屏”（上段倾角增大5°）补偿顶部热损失，垂直均匀性提升30%。

6.2 加热器

• 主体结构：8段筒式石墨加热器（每段高200mm，直径Φ400mm），SiC涂层（厚100μm），24区垂直分区；

• 辅助结构：单层钼反射屏（整体倾角15°），螺栓密封电极，石墨毡热屏蔽；

• 性能：12英寸晶圆垂直温差±0.6℃，真空度10⁻⁵ Pa，热变形量＜80μm，寿命20,000小时；

• 差距根源：分段数少（8vs12）、反射屏非分段设计、密封方式为螺栓静态密封（非磁流体）。

7. 挑战与未来趋势

7.1 核心挑战

• 超大长径比抗变形：450mm晶圆炉腔（高度＞2m）需18段筒式结构，长径比＞4:1时预应力支撑难度剧增；

• 垂直智能分区：现有分段固定，无法动态补偿装料量波动（±20片），需开发“可变高度分区”结构；

• 快速换型结构：多品种生产中，模块化加热器单元互换精度需＜±0.1mm（当前国产设备±0.5mm）。

7.2 未来趋势

• 自适应预应力结构：基于形状记忆合金（SMA）的弹簧支撑，高温下自动调节预紧力（补偿变形量＞50%）；

• 3D打印多孔筒体：采用选区激光熔化（SLM）制备石墨-碳纤维复合筒体（孔隙率30%~50%），优化垂直辐射路径；

• 数字孪生垂直控温：AI算法实时分析装料量与热场分布，动态调整分段功率（响应时间＜1秒）。

结论

真空辐射立式扩散炉加热器结构设计需聚焦垂直热场均匀性与长径比抗变形两大核心，通过“主体构型-辅助系统-变形控制”协同实现高性能：

1. 主体结构：量产线首选12段以上筒式多段结构，垂直分区采用“上-中-下”差异化功率密度（中段+5%、上下段-10%）；

2. 辅助系统：双层筒式反射屏（分段倾角10°~20°）+磁流体密封电极+顶部/底部热屏蔽是垂直均匀性关键；

3. 变形控制：预应力制造（预拉力＞10kN）+柔性段间连接+实时应变监测，将热变形量控制在＜30μm；

4. 国产化路径：优先突破12段筒式结构精密制造、磁流体密封技术及数字孪生垂直控温算法，通过“产学研用”协同（如联合北航攻关3D打印多孔筒体），逐步实现从“跟跑”到“并跑”的跨越，为大尺寸晶圆量产筑牢立式热工基础。