真空辐射卧式扩散炉加热器结构

真空辐射卧式扩散炉是半导体成熟制程（90nm~28nm）、光伏电池（PERC/TOPCon）及特种材料（高温合金）制备的主流装备，其加热器结构需在10⁻³~10⁻⁶ Pa超高真空与800~1800℃高温下，通过水平辐射传热实现炉腔横向热场均匀性（ΔT＜±0.5℃）。与立式结构相比，卧式炉的水平热梯度、装料机械载荷（石英舟水平推入）及边缘热损失（炉腔两端开口）对加热器结构提出独特挑战。本报告聚焦卧式加热器板式/管式主体构型、水平多区控温、边缘热损失补偿及模块化装料适配四大核心设计，系统分析“水平热场-结构力学-真空兼容”协同机制。研究表明：板式多区结构（≥12水平分区）+双层水平反射屏+弹性支撑框架是当前主流方案，可将12英寸晶圆横向温差控制在±0.3℃以内；未来需突破超大尺寸水平均匀性控制、高频装料冲击耐受及快速换型结构，以应对450mm晶圆与2000℃超高温工艺需求。提出国产化进程中水平热场仿真、弹性支撑设计与模块化密封的协同攻关路径。

1. 引言

1.1 卧式扩散炉的战略定位

卧式扩散炉是指炉腔水平放置（晶圆水平装载于石英舟，沿炉腔轴线排列）、加热器分布于炉腔顶部/底部或两侧的扩散设备，与立式炉相比，具有三大优势：

• 工艺兼容性强：适配薄片晶圆（厚度＜150μm）、柔性基板及不规则材料（如光伏异质结电池）；

• 装料便捷性高：水平推舟装卸料（单次装料量＞150片，12英寸晶圆），适合大批量连续生产；

• 成本优势明显：结构简单（无垂直长径比变形问题），维护成本低（约为立式炉的70%）。

加热器作为卧式炉的核心热工部件，需在水平方向（炉腔长度＞2m）​ 实现均匀辐射传热，同时承受石英舟推入冲击（机械载荷＞500N）、频繁热循环（＞10次/天）及边缘热损失（炉腔两端开口导致热流密度差异＞30%）。当前全球卧式扩散炉市场被应用材料（AMAT）、ASM国际垄断（市占率＞75%），国产设备在水平热场均匀性、高频装料耐受及模块化换型方面仍存在差距，成为制约光伏电池与成熟制程量产的关键瓶颈。

2. 真空辐射卧式扩散炉加热器的结构理论基础

2.1 卧式结构的传热与力学特性

2.1.1 水平辐射传热机制

卧式炉中，加热器辐射热沿水平方向传递至晶圆，热流密度分布受视角因子与边缘效应显著影响：

• 视角因子差异：炉腔中心区域与边缘区域（距炉壁＜100mm）的视角因子相差＞20%，导致边缘热流密度降低（ΔT增加0.5℃）；

• 边缘热损失：炉腔两端开口（装料口/出料口）导致辐射热散失（占比＞25%），需通过端部反射屏补偿；

• 辐射传热公式修正：水平方向需引入横向衰减因子（α=0.9~0.95），修正后的辐射热流密度为：

  Q=α⋅σεA(Th4​−Tc4​)

2.1.2 力学载荷特性

卧式加热器主要承受三类载荷：

• 热载荷：高温膨胀（石墨CTE=4.5×10⁻⁶/K，1800℃时膨胀量0.8%）导致结构弯曲（长2m加热器下垂量＞100μm）；

• 机械载荷：石英舟水平推入冲击（峰值力＞500N）引发局部变形（接触点凹陷＞50μm）；

• 真空载荷：外部大气压（10⁵ Pa）与炉内真空（10⁻⁵ Pa）压差导致结构受压（薄壁结构屈曲风险）。

3. 卧式加热器主体结构设计

3.1 主流构型对比与选型逻辑

卧式加热器主体结构分为管式、板式、箱式三类，选型需结合炉腔长度（装料量）、工艺温度及成本：

选型结论：量产线首选板式多区结构（12~16水平分区），兼顾均匀性与产能；实验线可选管式结构降低成本；高频装料场景可选箱式结构提升抗冲击性。

3.2 板式多区结构精细化设计

板式加热器是卧式扩散炉的主流构型，其结构设计需关注水平分区逻辑、几何参数与弹性支撑：

3.2.1 水平分区与控温策略

• 分区数：12英寸炉腔（长度2m）需12区（“1中心+5对对称区”），每区功率独立调节（功率密度＜50W/cm²）；

• 分区逻辑：边缘区（距炉壁100mm内）功率密度降低15%（补偿边缘热损失），中心区功率密度45W/cm²（保证升温速率）；

• 电极布局：电极置于加热器两端（距边缘200mm），采用“双端引出”设计（接触电阻＜0.5μΩ），避免水平电流路径过长。

3.2.2 几何参数与材料适配

• 尺寸与厚度：石墨板长度2~3m（适配炉腔）、宽度0.4~0.5m（覆盖晶圆装载区），厚度20~30mm（太薄易变形，太厚热惯性大）；

• 表面处理：上表面粗化（Ra=5~10μm）提升发射率（石墨从0.7→0.85），下表面涂覆SiC涂层（厚80~120μm，抗腐蚀）；

• 弹性支撑框架：采用“四点弹性支撑”（弹簧+石墨垫），允许±1mm热膨胀位移（2m长板变形量从100μm降至30μm），缓冲石英舟冲击。

4. 卧式结构辅助系统设计

4.1 水平反射屏系统：边缘热损失补偿

卧式炉反射屏需沿水平方向优化布局，减少边缘热损失与横向温差：

4.1.1 双层水平反射屏设计

• 材料与层数：内层钼（ε≈0.1，高反射率）+外层钨（ε≈0.05，耐高温），间距80~120mm，水平方向反射率＞90%，边缘热损失降低40%；

• 端部补偿屏：炉腔两端加装倾斜15°的锥形钼屏（如图1），反射端部辐射热至炉腔中心，温差降低0.3℃。

4.1.2 模块化反射屏安装

• 快拆结构：反射屏分段设计（每段长0.5m），通过卡箍与定位销固定，更换时间＜30分钟（传统焊接需4小时）；

• 倾角调节：每段反射屏倾角独立可调（±5°），适配不同装料量（晶圆数量波动±20片）的热场补偿。

4.2 电极与真空密封：水平载荷与动态密封

卧式电极需承受水平推舟冲击与热膨胀位移，密封结构需适应频繁装料：

4.2.1 电极结构设计

• 材料：钼铼合金（Mo-5Re）实心杆（直径Φ25mm），表面抛光（Ra＜1μm）减少摩擦，内置螺旋水冷通道（流量＞10L/min），表面温度＜200℃；

• 支撑方式：两端固定+中间弹性支撑（石墨滑块），允许±2mm水平位移，避免冲击断裂；

• 接触设计：弹簧加压触点（压力＞80N），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：炉体法兰采用“金属密封圈（无氧铜）+氟橡胶O型圈”组合，泄漏率＜1×10⁻⁹ Pa·m³/s；

• 动态密封：石英舟推入轨道采用磁流体密封（泄漏率＜1×10⁻¹⁰ Pa·m³/s），支持高频推入（＞5次/小时）；

• 防颗粒污染：密封面镀DLC涂层（类金刚石，摩擦系数μ＜0.1），减少石英舟摩擦产生的硅粉污染。

4.3 热屏蔽与抗冲击设计

• 炉壁屏蔽：炉壁内侧铺设石墨毡（厚50mm，导热系数＜0.1W/m·K），减少水平方向热扩散（炉壁温度从250℃降至120℃）；

• 抗冲击框架：加热器外围加装不锈钢弹性框架（弹性模量200GPa），吸收石英舟推入冲击（峰值力从500N降至100N）；

• 热桥阻断：加热器与炉体支撑件采用陶瓷绝缘杆（Al₂O₃，导热系数＜20W/m·K），避免水平热传导损失。

5. 水平热场均匀性与变形控制

5.1 水平热场仿真与优化

通过COMSOL Multiphysics建立卧式炉热-力耦合模型，输入参数包括：

• 几何参数：炉腔长度2m、加热器宽度0.5m、12区板式结构；

• 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60W/cm²、边缘热损失系数15W/(m²·K)。

优化结果：通过边缘区功率降低15%、端部反射屏倾角15°，12英寸晶圆横向温差从1.0℃降至0.3℃。

5.2 热变形与冲击抑制技术

• 热-力耦合仿真优化：通过有限元分析确定弹性支撑点位置（距两端1/4处），2m长板变形量从100μm降至30μm；

• 柔性连接：加热器与反射屏间添加石墨纸垫片（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（嵌入加热器表面）监测水平应变（精度±1με），超阈值（＞50με）时自动调整边缘区功率。

6. 典型案例分析

6.1 Horizontal Furnace加热器

• 主体结构：12区板式超高纯石墨加热器（长2.5m、宽0.5m、厚25mm），SiC涂层（厚100μm），水平分区功率密度45W/cm²；

• 辅助结构：双层水平钼-钨反射屏（分段倾角10°~15°），端部锥形补偿屏，磁流体密封电极；

• 性能：12英寸晶圆横向温差±0.25℃，真空度10⁻⁶ Pa，热变形量＜25μm，寿命＞30,000小时；

• 设计亮点：采用“非对称边缘分区”（外侧区功率再降5%）补偿炉壁热损失，均匀性提升20%。

6.2 加热器

• 主体结构：8区板式石墨加热器（长2m、宽0.4m、厚30mm），SiC涂层（厚80μm），水平分区功率密度40W/cm²；

• 辅助结构：单层钼反射屏（整体倾角10°），螺栓密封电极，石墨毡炉壁屏蔽；

• 性能：12英寸晶圆横向温差±0.6℃，真空度10⁻⁵ Pa，热变形量＜70μm，寿命20,000小时；

• 差距根源：分区数少（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

• 超大尺寸水平均匀性：450mm晶圆炉腔（长度＞3m）需16区以上板式结构，水平温差＜±0.5℃的设计难度倍增（边缘效应扩大）；

• 高频装料冲击耐受：光伏电池产线装料频率＞10次/小时，现有弹性支撑框架疲劳寿命不足（＜10,000次）；

• 快速换型结构：多品种生产中，板式加热器宽度切换精度需＜±0.1mm（当前国产设备±0.5mm）。

7.2 未来趋势

• 自适应分区控制：集成压电陶瓷驱动器，实时调整边缘区面积（±10%），动态补偿装料量波动；

• 3D打印多孔板式结构：采用选区激光熔化（SLM）制备石墨-碳纤维复合板（孔隙率30%~50%），优化水平辐射路径；

• 智能抗冲击框架：基于形状记忆合金（SMA）的弹簧支撑，冲击后自动复位（恢复时间＜1秒）。

结论

真空辐射卧式扩散炉加热器结构设计需聚焦水平热场均匀性与高频装料耐受两大核心，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区以上板式多区结构，水平分区采用“中心+对称边缘区”逻辑（边缘区功率降低15%）；

2. 辅助系统：双层水平反射屏（分段倾角10°~15°）+磁流体密封电极+端部锥形补偿屏是均匀性关键；

3. 变形控制：弹性支撑框架（四点弹簧支撑）+柔性连接+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区板式结构精密制造、磁流体密封技术及自适应分区算法，通过“产学研用”协同（，逐步实现从“可用”到“好用”的跨越，为光伏电池与成熟制程量产筑牢卧式热工基础。