[发明专利]热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置

说明书

技术领域

本发明涉及电磁感应加热领域，特别是涉及一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置。

背景技术

IC制造设备中硅外延设备及其他CVD类设备的主要工艺效果，是在衬底(例如半导体晶片)上形成所需的材料层。工艺过程中，要确保在加热、处理、冷却期间，衬底上的温度均匀分布。由于衬底上的材料层沉积速率取决于衬底温度及反应物浓度，当衬底表面附近的反应物浓度差异可以忽略时，衬底表面的温度变化就成为影响沉积层厚度均匀性的主要因素，因此提高衬底表面的温度均匀性极其重要。

为了达到衬底表面温度均匀分布的效果，某些早期开发的系统提出了以均匀方式加热整个衬底的方法。然而，由于通常是衬底不同位置(例如边缘与中心)的热损失有差异，这种系统会导致衬底的不同位置之间有明显的温度差，并不能使衬底表面温度梯度减至最小。

目前有些加热方案采用了电磁感应加热，常用的结构是衬底放置在圆形加热基座(材质要具有导电性，例如石墨圆盘)上，加热基座下方安装有沿径向由内到外排列的多匝线圈，当线圈通入一定频率的交流电时，产生交变的激励磁场，在加热基座的内部产生涡流并发热，从而通过加热基座的发热来加热衬底。加热基座可以安装在由电机带动的转轴上，处于旋转状态，这样会使加热基座的同一半径上各个位置的热功率密度分布得均匀，此时，衬底的温度主要沿加热基座的径向变化。由于每匝线圈的影响区域主要集中于其上方的加热基座的环状区域，目前有些系统采用了各匝线圈的高度(线圈上表面到加热基座下表面)分别可调的方法来调节衬底沿加热基座的径向温度变化，有些系统采用了各匝线圈分别控制供电的方式来调节衬底沿加热基座的径向温度变化。

上述系统可以通过人为调节或反馈控制系统调节有效提高衬底的温度均匀性，但是各匝线圈对加热基座影响的区域是相互交叠的，当单独调节一匝线圈时，其他线圈上方的加热基座功率密度也受影响，同时调节多匝线圈时，其影响更是复杂和难以预测的，所以用上述方式调节温场在灵活性上有一些局限性。此外，热功率密度场的变化是驱动温场变化的直接因素，因此，获取每种温场对应的热功率密度场是建立温场数学模型的基础。上述系统调节各匝线圈实际上是间接地通过改变功率密度场来调温场，这种方式更关注于温场本身的调节，却不利于研究温场与热功率密度场间内在联系，原因是每组线圈高度(或电流)配置下的温场较易得到(可由温度传感器得到)，而对应的热功率密度场较难得到，热功率密度场可以通过仿真软件求得，但如果想得到多组对应关系数据，每种线圈配置都需要单独进行一次仿真，仿真的工作量是特别大的。

本发明提出的电磁感应加热装置，提供了一种新的调节衬底温场分布的方式，该装置还可以与线圈高度可调的方式相结合，增强温场调节的灵活性。同时，该装置调节温场，是直接靠改变热功率密度场来实现的，可以直接提供改变后的热功率密度场数据，有利于研究温场与热功率密度场间内在联系，大幅降低仿真工作量。如果建立出了较好的温场模型，即可直接根据热功率密度场预测温场分布，温场就可以根据需要更加灵活的调节了，这是现有同类装置的温场调节方式所难以实现的。

发明内容

本发明的目的是提出一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：由加热基座、基本线圈、叠加线圈和线路切换装置组成；加热基座安装于工艺气体参与反应的工艺腔室内部，加热基座的下表面靠近但不接触工艺腔室底部壁面；基本线圈与叠加线圈安装于工艺腔室外部，基本线圈位于加热基座正下方，叠加线圈与基本线圈串联，位于基本线圈正下方；线路切换装置包含两个支路开关，与交流电源、基本线圈和叠加线圈相连，控制基本线圈和叠加线圈在两种子状态间反复交替工作。

所述基本线圈为多匝平面线圈，各匝线圈的半径依次增大，各匝线圈的高度相同或不相同；所述叠加线圈由多层多匝平面线圈串联而成，同层各匝线圈的高度相同或不相同；所述基本线圈和所述叠加线圈串联后的每匝线圈的绕行方向都一致。

所述基本线圈最内匝的末端与所述叠加线圈最上层线圈最内匝的末端相连；从基本线圈最外匝线圈的末端引出第一馈电端，从基本线圈与叠加线圈连接处引出第二馈电端，从叠加线圈最下层最外匝线圈的末端引出第三馈电端；第一馈电端连接于交流电源一侧，第二馈电端和第三馈电端分别通过两个支路开关连接至交流电源另一端；所述两个支路开关交替导通，使电磁感应加热装置工作在两种状态，两个支路开关各自导通的持续时间能够调节，各导通一次为一个交替周期。

所述工艺腔室内压强在0Pa—500MPa之间。

工艺腔室的底部材料、基本线圈与加热基座之间的介质材料的磁导率为真空磁导率。