真空加热炉温度均匀性提升研究
引言 随着航空航天、汽车制造和电子技术等高精尖领域的迅速发展[1]，相关领域对电子器件的制造工艺提出了越来越高的要求[2]。以晶圆键合台真空加热炉为代表的先进热处理设备可在真空或惰性气体中进行高温加热，有效避免材料氧化污染，确保产品满足性能指标要求[3]。加热过程中温差过大容易导致工件物理性能改变甚至结构损坏，因此降低真空加热炉的温度非均匀性具有重要意义[4]。当前国际上领先的EVG501晶圆键合系统可在最高450℃条件下实现温度非均匀性<2%（±1%）[5]，国内同类产品在温度均匀性指标方面与国际先进水平仍存在差距。为了提升晶圆键合台真空加热炉的温度均匀性，徐星宇等[6]提出对上或下加热盘实施旋转的改进方案，通过2个加热盘高低温区的空间补偿效应提升温度均匀性。然而，关于通过键合台结构设计及部件材料选择提升温度均匀性的研究仍不充分。 晶圆键合台真空加热炉内部复杂的热场特性[7-8]，导致此类设备的传热性能分析及温度均匀性提升面临诸多挑战[9]。传统研究主要通过实验测试获取真空加热炉的温度分布[10]，虽然可获得实际工作条件下的温度数据，但存在实验周期长、成本高等局限。近年来，数值模拟技术（尤其是计算传热学）在真空加热炉热量传递与温度分布研究中得到应用，为解决复杂的传热问题和提升温度均匀性提供了新途径。本文建立了晶圆键合台真空加热炉的三维热量传递仿真模型，通过模拟结果与实测数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上，研究了保温环结构和高导热材料对真空加热炉温度分布的影响规律。 仿真模型的建立与验证 1.1 物理模型与网格划分 晶圆键合台真空加热炉物理模型如图1所示，该模型主要由炉体外壳、加热系统和真空腔室组成，其中加热系统包含上、下2个加热盘。工作过程中，上、下加热盘保持紧密贴合，其圆形接触面被称为加热面。 炉体外壳与加热盘均采用不锈钢材质，加热盘内嵌的电热元件为铬镍合金丝，呈螺旋状从加热盘中心向四周延伸分布。在垂直于加热面的方向上，堆叠有多层高导热系数的金属和石墨薄层，以实现加热丝热量向炉内各个部位快速传递。 图1 晶圆键合台真空加热炉物理模型 加热丝和加热盘的结构复杂且加热元件易产生较大的温度梯度，因此需对该区域网格进行加密处理。为保障数值模拟方法的可靠性和经济性，对真空加热炉进行了网格无关性验证。不同网格数对应的加热面最高温度如图2所示。当网格数量为5.23x106后，继续细化网格时温度波动<0.5%，满足网格无关性要求，故本研究采用此网格数量，晶圆键合台真空加热炉网格划分如图3所示。本研究采用高性能计算服务器进行三维稳态计算，单工况所需时间约为1h。 图2 不同网格数对应的加热面最高温度 图3 晶圆键合台真空加热炉网格划分 1.2 控制方程与边界条件 在晶圆键合台真空加热炉加热过程中，加热盘与炉体外壳间的热量传递方式为热辐射，加热炉各相邻部件间的热量传递方式为热传导，炉壁外表面与大气间的热量传递方式为热对流与热辐射。在稳态计算中，描述加热炉热量传递的控制方程为: (1) 式中，λ为导热系数，T为温度，SQ为热量源项。 针对炉体和炉体外壳间的辐射换热，模拟采用离散坐标辐射模型，该模型求解基于的辐射输运方程为: (2) 式中，Ir，sj)为位置r处沿方向sj;的辐射强度，a为介质的吸收系数，σs为介质的散射系数，n为折射率，σsB为斯特藩-玻耳兹曼常数，N为离散方向总数，Ф(sj→sj）为散射相函数，描述从方向sj到sj的散射概率，wj为方向sj的权重因子，由角度离散化决定。 仿真中给上、下加热丝施加电压，使加热面最高温度达到450℃。与空气接触的炉壳外壁面采用对流辐射混合边界条件，对流换热系数为5W/（m²·K），辐射发射率为0.28，环境温度为20℃，炉体内真空度为1.0x10-4Pa,稀薄气体导热系数为7.1x10-3W/(m·K)。 1.3 实验验证 通过真空加热炉升温实验对仿真模型的准确性进行验证，实验中为了评价真空加热炉的温度均匀性，在加热面上设定了8个关键测温点，具体分布情况如图4所示，加热面直径为8英寸。1号测温点位于加热面的圆心；2~5号测温点沿中心50mm半径圆周等间隔90°分布；6~8号测温点分别位于正右、正左、正下方向85mm半径处。这8个测温点布局可有效覆盖加热面的不同半径范围，完整反映加热面的温度均匀性和温度场分布特性。 图4 8个关键测温点分布情况 为量化评估真空加热炉温度均匀性，定义面温度非均匀性: (3) 式中，Th为加热面最高温度，TL为加热面最低温度，Tave为加热面平均温度。 定义径向温度非均匀性 (4) 式中，Tc为加热面中心温度，Tj为加热面4个正交方向（正上、正下、正左、正右）100mm半径处边缘点温度。 真空加热炉升温实验中，目标温度设定为450℃，上、下加热丝通过增量式比例-积分-微分（PID）调节进行变功率加热，当真空加热炉内温度分布达到稳定后，采集热电偶测得的温度数据。加热面各测温点实测温度和模拟温度如表1所示，模拟数据与热电偶实测值吻合良好，温差绝对值最大为1.5℃，平均温差绝对值为0.7℃。根据式（3）计算，实验结果显示测温点的温度非均匀性为1.9%，模拟结果为1.8%，相对偏差0.1个百分点。综上，本研究所建立的仿真模型可以准确反映真空加热炉内的温度分布规律。 表1 加热面各测温点实测温度和模拟温度 结果与讨论 2.1 加热炉温度均匀性分析 由于实验测试仅能获取有限点的温度值，难以全面表征加热炉的温度均匀性，因此后续将采用建立的仿真模型进行整体温度均匀性分析。根据真空加热炉的设计要求，在达到预定工作温度后炉膛会有一定的保温时间，加热丝通过持续加热维持温度场稳定。以450℃预定工作温度为例，当真空加热炉内部温度场达到稳态时，得到原始模型的加热面温度云图（见图5）。在中心区域附近，热量主要沿垂直于盘面的方向散失，而在边缘区域，热量还可沿圆周方向散失，因此加热面的温度呈中间高、四周低的分布特点。因加热盘和加热丝的非中心对称结构，高温区偏移至加热面中心区右下角，低温区则集中于边缘区左上角，形成非均匀温度分布。加热面最高温度为449.9℃，最低温度为435.5℃，温差为14.4℃，平均温度为444.4℃。根据式（3）计算，加热面的温度非均匀性为3.2%，大于测温点数据计算值1.8%，表明仅采用实验测试难以获得整个加热面的温度均匀性。加热面中心温度为449.5℃，其正上、正下、正左、正右方向100mm半径处边缘点的温度依次为437.1、438.8、437.1、438.1℃，根据式（4）计算加热面的径向温度非均匀性为0.7℃。 图5 原始模型的加热面温度云图 2.2 加热炉温度均匀性提升 2.2.1 保温环结构对温度均匀性的提升 根据2.1节分析，真空加热炉原始模型加热面边缘温度明显低于中心区域温度，这会导致加热面的温度均匀性较差。该现象主要归因于炉体边缘与炉壳间辐射换热引起的边缘漏热效应。 降低边缘漏热的有效措施是在外部布置保温环[11]，保温环可以减少加热面边缘区域的热量损失，提升加热面边缘的温度水平，进而改善加热面的温度均匀性。保温环通常采用导热系数<0.12W/(m·K)的材料[12]，以实现高效隔热。此外，由于真空加热炉内温度较高，保温材料需具备高温稳定性，即高温下不发生分解或熔融。岩棉是一种由天然岩石经过高温熔融后、采用特殊的纤维化工艺制备的无机纤维材料，具有良好的耐高温、隔热及防火特性。岩棉的导热系数为0.04W/(m·K)，在常见的保温材料中导热系数较低且熔点较高，故本文选用岩棉材料构建加热面的外部保温环[13]。为了最大限度地减小加热面边缘区域的漏热，在加热面周向的边缘区域均匀覆盖保温材料，保温环结构如图6所示，以加热面为界分为上、下同心圆环。上加热盘的半径较小，因此保温环的上半区采用更大的厚度。为避免炉体整体体积和重量过大，保温环仅覆盖与加热面接触的2层炉体结构。具体参数为：上半区径向厚度为12mm，轴向厚度为2.2mm，下半区径向厚度为10mm，轴向厚度为8mm。 图6 保温环结构示意图 布置保温环后加热面的温度云图如图7所示，加热面最高温度为450.3℃，最低温度为439.1℃，温差为11.2℃，平均温度为445.8℃。根据式（3）计算，加热面温度非均匀性为2.5%，较原始模型的3.2%降低了0.7个百分点，该微小改善对于晶圆键合等精密制造过程具有积极作用。加热面中心温度为449.9℃，正上、正下、正左、正右方向100mm半径处边缘点的温度依次为440.2、442.0、440.3、441.2℃，根据式(4）计算，加热面的径向温度非均匀性为0.7℃。与原始模型相比，布置保温环后加热面温度均匀性有所改善，但径向温度均匀性未有明显改变。通过对比布置保温环前后的加热面温度云图可知，导致这种情况的原因是布置保温环只能提高加热面边缘的整体温度水平，无法消除加热丝和加热盘结构不对称产生的局部高温区和低温区，各方向的径向温度梯度仍然相差较大。 图7 布置保温环后加热面的温度云图 2.2.2 高导热材料对温度均匀性的提升 加热过程中，温度均匀性与加热盘的导热性能密切相关[14]。导热系数较低的材料易导致热量在加热盘局部区域积聚，引发局部过热并降低加热面温度均匀性[15]。高导热系数材料可促进热量从高温区域传递到低温区域，降低加热盘内部的温度梯度，从而提高加热面的温度均匀性。因此，在保持其他参数不变的条件下，将加热盘材料由不锈钢更换为导热系数更高的碳化硅陶瓷，其导热系数为262W/(m·K)[16]。 加热盘采用碳化硅陶瓷时加热面的温度云图如图8所示。此时加热面最高温度为450.0℃，最低温度为442.3℃，温差为7.7℃，平均温度为447.4℃，根据式（3）计算，加热面温度非均匀性为1.7%，较原始模型的3.2%降低了1.5个百分点，加热面的径向中心温度为449.9℃，正上、正下、正左、正右方向100mm半径处边缘点的温度分别为443.3、443.7、443.4、443.6℃，根据式（4）计算，加热面的径向温度非均匀性为0.2℃，较原始模型的0.7℃降低了0.5℃。与图5相比，图8中高温区的偏心现象基本消失，左上角的低温区面积也随着加热盘材料导热系数的增大而缩小。综上，无论是从数值指标还是从加热面的温度云图分析，采用导热系数更高的材料能够显著改善加热面的温度均匀性。 图8 加热盘采用碳化硅陶瓷时加热面的温度云图 结论 在稳态条件下对真空加热炉内部的温度场进行数值模拟，模拟结果和实测结果在对应测温点处的最大温差为1.5℃，温度均匀性相对偏差为0.1个百分点，验证了仿真模型的准确性和有效性。加热丝的非中心对称布置及加热面边缘漏热现象共同导致加热面温度均匀性较差，原始状态下加热面的温度分布呈现中心高、边缘低的特征，并且在右下角和左上角分别出现了高温区和低温区。加热面温度非均匀性为3.2%，径向温度非均匀性为0.7℃。 保温环通过改善加热面边缘的漏热，可提升边缘区域温度水平，缩小中心区域和边缘区域的温差，进而提高加热面的温度均匀性。在加热面边缘布置保温环后，其温度非均匀性为2.5%，径向温度非均匀性为0.7℃。高导热系数材料可提高热量在加热盘内的传递速率，降低加热盘内部由于加热丝非中心对称布置产生的温度梯度，从而改善加热面温度均匀性。当加热盘的材料由不锈钢替换为碳化硅陶瓷时，加热面温度非均匀性优化至1.7%，径向温度非均匀性优化至0.2℃。
