UHVCVD外延設備的熱場設計

李 佳，魏 唯，何華云，寧宗娥

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

超高真空鍺硅外延可以有效地減少低真空鍺硅外延帶來的氧化物雜質缺陷，生產的鍺硅產品具備高頻低能耗的特點，可以應用于超帶寬無限通信技術（UWB），汽車障礙探測高速芯片之中。超高真空鍺硅外延的工作原理是將SiH4和GeH4按照一定的順序和比例通入載有硅襯底的反應室中，在合適的反應溫度下完成化學氣相沉積過程。反應過程對真空度和加熱室的熱均勻性有很高的要求，因此設計一個合適的加熱室很重要。

1 加熱方式選擇

常用的加熱方式有感應加熱和輻射加熱。由于感應加熱會貫穿相關材料，引起分子層面的擾動，使得難以形成規則生長層的外延結構，因此不能保證鍺硅外延層的定向穩定生長，會引起外延層生長不正確。而輻射加熱是通過熱輻射和熱傳導的方式對整個熱空間進行加熱，可以保證整個空間有一個穩定的，溫差可控的熱場，所以在加熱方式上選擇輻射加熱方式。爐壁式加熱屬于輻射加熱方式的一種，其分為外壁式和內壁式兩類。內壁式加熱方式由于加熱絲在真空室內，容易受到反應氣體硅烷和鍺烷的影響，并且不容易維護和檢修。而外壁式加熱方式易于維護，且不會和反應氣源接觸，保證了加熱的穩定性和反應室環境不受加熱絲的污染。因此選擇外壁式加熱作為超高真空鍺硅外延設備的加熱方式。

2 加熱器的設計

超高真空鍺硅外延的反應溫度為600～700℃，最高要求的加熱溫度為1 000℃，所以選擇熱源的加熱能力上限要求能達到1 100℃，并且能夠在600～700℃之間穩定的工作。熱壁式加熱方式的加熱材料是暴露在空氣中的，所以要求加熱材料能夠長時間在要求的溫度下工作且不和大氣發生反應。綜合性能和價格等因素我們采用鎳鉻合金作為加熱材料。見圖1、圖2所示。

圖1 加熱器外貌

圖2 加熱絲安裝示意圖

2.1 加熱電壓的確認

根據工藝計算，本爐體所需要的額定功率為6 kW，根據經驗，當爐子功率小于25 kW時，一般采用單向串聯的接線方式進行加熱[1]。為獲得理想的高溫區，充分滿足工藝條件，一般連續式電阻爐會分成三段進行加熱[2]，這樣既可以滿足工藝的熱場要求，也可以方便對加熱功率進行調節和控制，本設計取每一段的加熱電阻R分大小相同，加熱器的接線和原理圖如圖3、圖4所示。

加熱絲在爐體的內壁以螺旋線的方式纏繞而成，整個爐體筒壁長度l為600 mm，加熱絲半徑r為3 mm，直徑d為6 mm，加熱絲間距d3為9 mm，故加熱絲在爐體筒壁內繞線的圈數為：

圖3 加熱絲引線圖

圖4 加熱絲等效電路圖

圓筒壁內圓半徑 r1為 150 mm，直徑d1為300 mm，故每繞一圈所需電阻絲的長度為：

代入相關數值得L1=942.6 mm

故總的電阻絲長度L總=nL1=37.7 m

電阻絲的電阻率σ為1.83 μΩ·m，電阻絲總電阻為：

因此有各段分電阻：

理想情況下，三段加熱的額定功率值一致，各部分分壓大小相同，即有：U1=U2＝U3，它們總的功率等于額定功率P總，因此有：

代入相關的參數有：U1=U2＝U3＝40.32 V

由于兩端散熱比中間部分要大，一般加熱區會適當提高兩端的加熱絲發熱量，這里選擇兩端電壓U1=U3=47 V，中間加熱電壓U2=40 V。

由于一般設計加熱量和實際加熱量有1.2～1.8倍的允許設計誤差，因此我們選擇額定功率為10 kVA，帶有 47 V，40 V，47 V 和 52 V，45 V，52 V兩種接頭具有可調電流功能的變壓器作為加熱電源。

2.2 加熱絲的表面負荷校核

加熱絲總的表面積S表=2×π r2＋2×πrL總=0.71 m2

加熱絲的總功率P總=6 kW

加熱絲的實際表面負荷：

700℃時，鎳鉻合金允許的表面功率為1.4～1.8 W/cm2[3]，加熱絲的選擇符合要求。

3 隔熱層設計

對于超高真空鍺硅液相外延技術來說，由于采用的是熱壁式加熱方式，其管壁外必須有良好的絕緣，隔熱特性。常用的隔熱和保溫材料有碳氈，碳布，硅酸鋁纖維，金屬屏，耐火硅等。對于本設備的隔熱系統而言，要求隔熱材料要盡可能的輕，易于安裝，并且耐高溫、導熱率小、蓄熱量小、隔熱效果好、放氣量少。耐火磚和金屬屏雖然性能滿足要求，但是結構不易改變，安裝不方便。石墨和碳氈的導熱系數雖然比硅酸鋁好，但是價格較硅酸鋁纖維貴了很多，并且硅酸鋁纖維具備良好的絕緣特性，故本設備綜合考慮選用硅酸鋁纖維作為設備的絕緣隔熱層。

隔熱材料確定后，需要通過計算隔熱層的厚度來確定在結構上是否可行，隔熱層的厚度計算為：

爐體的外表面是暴露在空氣中的，一般外部空氣的溫度可以認為就是室溫，即爐體外溫度tf2=24℃，爐子的工作溫度為600～700℃，取爐體內部溫度tf1與爐外的溫度差為650℃，即tf1-tf2=650℃。

高溫氣體通過圓筒壁把熱量傳給低溫氣體，其溫度分布圖如圖5所示。

圖5的等效熱計算式如圖6所示。

于是可以得出通過圓筒壁的熱量為：

式中：tf1，tf2分別為高溫氣體和低溫氣體的溫度；

a1為高溫氣體對平壁內表面的綜合放熱系數；

圖5 加熱室截面溫度分布圖

圖6 爐壁等效熱計算式

a2為由平壁到低溫氣體的綜合放熱系數；

d1為圓筒壁內圓直徑，r1為圓筒壁內圓半徑；

d2為圓筒壁外圓直徑，r2為圓筒壁外圓半徑；

l為圓筒壁的長度；λ為隔熱層材料的導熱率。

此處a1=41.87 W/(m2·℃)；a2=11.40 W/(m2·℃)[4]；l=600 mm；d2=300 mm；λ=0.121 kJ/(m·K·h)；

同時通過圓壁筒散發的熱量還可以由下式得出：

即有：

式中δ為隔熱材料的厚度，因此有

并且

將（6）和（7）式代入（5）式與（3）式聯立可以組成一個二元一次方程組，求解得：

故：δ=r2-r1=220-150=70 mm

因此隔熱層的硅酸鋁纖維毯的厚度取70 mm。

4 爐體溫度測試結果

爐體的中間部分為反應區，設計為恒溫區，取恒溫區右側一點為原點，建立反向單坐標系。選擇爐體的恒溫區在500℃，從原點反向延伸500 mm。相關測試數據如表1所示。

由表1計算可知，恒溫區的爐體最大溫度偏差為0.95℃，平均偏差0.6℃，最大溫度偏差率小于0.2%，且爐體各個時間溫度測試結果穩定，故爐體設計滿足熱場設計穩定性要求。

表1 爐體恒溫區測試數據

5 結論

經過實際測試應用，該設計可靠可控，安全可行，已經應用于我所的UHVCVD加熱室上。

[1] 江堯忠.工業電爐[M].北京：清華大學出版社，1993.

[2] 江堯忠.工業電爐[M].北京：清華大學出版社，1993.

[3] 閻承沛.真空熱處理工藝與設備設計[M].北京：機械工業出版社，1988.

[4] 江堯忠.工業電爐[M].北京：清華大學出版社，1993.