CN102905405B - 一种加热装置及应用该加热装置的等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加热装置，用于对载板进行加热，该加热装置与载板相对设置，并且，加热装置上与载板相对的表面为曲面，该曲面与载板之间的距离沿上述曲面的中心点到边缘的方向逐渐减小。采用本发明提供的加热装置对载板进行加热时能够减小载板中心区域和边缘区域之间的温度差，从而可有效提高载板温度的均匀性，进而为提高工艺质量的稳定性提供有力保障。本发明还提供了一种等离子体加工设备，其采用上述加热装置对工艺腔室中的载板进行加热，因此，本发明提供的等离子体加工设备同样能够减小载板的温度差，从而提高载板温度的均匀性，进而为提高工艺质量的稳定性提供有力保障。

Description

一种加热装置及应用该加热装置的等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体涉及一种加热装置及应用该加热装置的等离子体加工设备。

背景技术

在微电子产品的制造过程中，等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，以下简称PECVD)设备是一种应用非常广泛的加工设备。该设备主要被用于太阳能电池等微电子产品的膜层制备工艺中。具体如下

请参阅图1，为一种目前常用的PECVD等离子体加工设备的工艺腔室的结构框图。如图1所示，在工艺腔室11中设置有用以承载硅片的载板12，在载板12的下方设置有平板式加热器13。其中，该平板式加热器13由均匀排布的铠装加热管构成，其与载板12平行设置。在加热工程中，加热器13主要通过辐射加热的方式对载板12进行加热，由于载板12的各个位置与该加热器13之间的辐射距离相等，从而使载板12不同位置所获得的热量大致相等。

但是，由于载板12的边缘区域靠近工艺腔室11的侧壁，受到该腔室侧壁的影响，载板12边缘区域的热量损失速率大于载板12中心区域的热量损失速率，因而使载板12的边缘区域的温度低于中心区域温度，并且使载板12的实际温度分布自其中心区域到边缘区域递减。众所周知，在PECVD工艺中，如果载板的温度不均匀将直接导致载板所承载的硅片的温度不均匀，进而影响PECVD工艺质量的稳定性。因此，如何提高载板温度的均匀性是目前亟待解决的一项重要技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种加热装置，其对载板进行辐射加热时能够减小载板上不同位置的温度差，从而提高载板温度的均匀性。

为解决上述问题，本发明还提供了一种等离子体加工设备，其同样能够减小载板上不同位置的温度差，从而提高载板温度的均匀性。

为此，本发明提供了一种加热装置，用于对载板进行辐射加热，加热装置与载板相对设置，其中，加热装置包括发热部件和容纳发热部件的散热体；其中，散热体用以对发热部件进行热传导，并且散热体与载板相对的表面为曲面，曲面与载板之间的距离沿曲面的中心点到边缘的方向逐渐减小；所述发热部件相对于所述曲面均匀排布；所述散热体用于使所述发热部件所散发的热量均匀地分布在所述曲面上。

其中，散热体为一体式结构，发热部件直接内嵌于散热体内部。

其中，散热体包括容纳发热部件的壳体以及填充在壳体和发热部件之间的导热材料。

其中，发热部件包括铠装加热管、电阻丝。

其中，散热体的材料包括不锈钢。

其中，导热材料包括氧化镁。

其中，导热材料为粉末状。

其中，壳体的材料包括不锈钢。

此外，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括工艺腔室、设置于工艺腔室中的载板和加热装置，其中，加热装置采用上述本发明所提供的加热装置。

其中，等离子体加工设备为等离子体增强化学气相沉积设备。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的加热装置，其通过将加热装置上与载板相对的表面设置为曲面，使加热装置自该曲面对载板进行辐射加热时能够调节载板不同位置处所受到的辐射强度。由于该曲面与载板之间的距离沿曲面的中心点到边缘的方向逐渐减小，根据辐射距离与辐射强度呈反比的关系，载板上热量损失较快的边缘区域受到的辐射强度大于载板上热量损失较慢的中心区域受到的辐射强度，从而减小了载板上边缘区域和中心区域之间的温度差，提高了载板温度的均匀性，进而为提高工艺质量的稳定性提供有力保障。

作为本发明的一个实施例，上述加热装置包括用以提供热量的加热部件以及能够容纳该加热部件的散热体。其中，借助该散热体，能够将加热部件所散发的热量先传导至与载板相对设置的上述曲面，然后自该曲面对载板进行辐射加热，从而同样可以调节载板不同位置处所受到的辐射强度，并最终提高载板温度的均匀性。

本发明提供的等离子体加工设备，其采用了本发明所提供的加热装置对工艺腔室中的载板进行加热，该加热装置通过将加热装置上与载板相对的表面设置为曲面，使加热装置对载板进行辐射加热时能够调节载板不同位置处所受到的辐射强度。由于该曲面与载板之间的距离沿曲面的中心点到边缘的方向逐渐减小，根据辐射距离与辐射强度呈反比的关系，载板上热量损失较快的边缘区域受到的辐射强度大于载板上热量损失较慢的中心区域受到的辐射强度，从而减小了载板上边缘区域和中心区域之间的温度差，提高了载板温度的均匀性，进而也提高了放置于载板上的硅片温度的均匀性，进而为提高工艺质量的稳定性提供有力保障。

附图说明

图1为一种目前常用的PECVD等离子体加工设备的工艺腔室的结构框图；

图2为本发明提供的加热装置的第一实施例的剖面图；

图3为本发明提供的加热装置对载板进行加热的剖面示意图；

图4为测量载板的温度位置关系的示意图；以及

图5为本发明提供的加热装置的第二实施例的剖面图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的加热装置及采用该加热装置的等离子体加 工设备进行详细说明。

实施例一

请一并参阅图2和图3，其中，图2为本发明提供的加热装置的第一实施例的剖面图；图3为本发明提供的加热装置对载板进行加热的剖面示意图。如图所示，本发明提供的加热装置用以加热放置于反应腔室中的载板24，该加热装置与载板24相对设置，并且加热装置上与载板24相对的表面为曲面211，该曲面211与载板24之间的距离沿曲面的中心点到边缘方向逐渐减小。因此，当借助本发明提供的加热装置对载板24进行辐射加热时，曲面211的不同位置与载板24之间的辐射距离沿曲面211的中心点到边缘的方向逐渐减小，根据辐射距离与辐射强度呈反比的关系，载板24所受到的辐射强度在沿其中心点到边缘的方向上将逐渐增大，从而使热量损失速率较快的载板24边缘区域所获得的热量多于热量损失速率较慢的载板24中心区域所获得的热量，以此来减小载板24边缘区域和中心区域之间由于热量损失速率不同而导致的温度差，提高载板温度的均匀性，进而为提高工艺质量的均匀性提供了有力保障。

由上述描述可知，曲面211的具体形状对于载板24的温度均匀性具有至关重要的作用，下面将结合附图对该曲面211形状的确定过程进行详细描述。 

请一并参阅图3和图4，其中，图4为测量载板的温度位置关系的示意图。确定曲面211的曲面形状的具体过程如下：

步骤1，在载板24上以其中心点x1为起点，在向外部延伸的一条直线方向上，选取n个点xi，i＝1，2，3...n，并在每个点所在的位置处设置热电偶，用以测量每个点的温度值Ti。

步骤2，在载板24下方距离为D1的相对应的位置处平行设置一个铠装加热器25，该铠装加热器25相对于载板24均匀排布，以使铠装加热器25上的任何位置至载板24的垂直辐射距离均相等，如图中所示，上述垂直辐射距离为D1。并且，使铠装加热器25与载板24相对的表面的中心点y1与载板24的中心点x1的位置相对应。

步骤3，使铠装加热器25对载板24进行辐射加热，然后读取设 置于载板24上的热电偶的温度值Ti，i＝1，2，3...n，从而得到载板24上不同位置的热量损失速率的关系，即，在自载板24的中心点向外部延伸的方向上，载板24的热量损失速率逐渐增大，进而得到载板24的温度在自载板的中心点向外部延伸的方向上逐渐减小的关系。

步骤4，选取铠装加热器25的中心点y1所在位置处作为所求曲面211的中心点，即，加热装置自曲面211上的中心点y1位置处对载板24进行辐射加热的辐射距离为D1，载板24的中心点x1的温度为T1。

步骤5，根据辐射距离与辐射强度呈反比的关系，可以得到辐射距离与载板24所获得的热量呈反比的关系，并根据上述载板24温度的关系，推导出辐射距离与载板24各个位置处的温度大致具有下述关系，即：Di≈Ti×D1/T1，i＝1，2，...，n，依次关系即可确定所求曲面211上与载板24上的点xi相对应的点y′_i的位置。

其中，Ti为载板24上所设置的热电偶所测量的温度值；Di为加热装置自所求曲面211上点y′_i位置处对载板24进行辐射加热的辐射距离。

例如，读取在载板24上点x2位置处设置的热电偶所测量的温度值为T2，根据关系式D2≈T2×D1/T1，计算出加热装置自所求曲面211上与点x2对应的点y′₂位置处对载板24进行辐射加热的辐射距离为D2，从而确定了所求曲面211上点y′₂的位置。

步骤6通过手绘或计算机模拟的方法，近似取一条连续平滑的线段，该线段尽可能通过或靠近上述选取的n个点，然后，将该线段作为母线旋转360度，所获得的曲面形状便作为曲面211的曲面形状。

需要说明的是，在载板24上自载板24中心点向边缘延伸的一条直线方向上，选取的点的数量n越多，所得到的母线就越准确，从而使曲面211的形状更加精确，进而使曲面211能够更加准确地调节载板24不同位置处的辐射距离，进一步提高了载板24温度的均匀性。

下面结合图2对本实施例中的加热装置的具体结构作进一步说明。本实施例中加热装置包括发热部件22和容纳该发热部件22的散热体21，其中，散热体21用以对发热部件22进行热传导，其材料 包括不锈钢，并且，散热体21与载板24相对的表面为上述曲面211；发热部件22的材料包括铠装加热管、电阻丝等能够将电能转化为热能的部件，并且发热部件22相对于曲面211均匀排布。如图2所示，在本实施例中，散热体21为一体式结构，并且发热部件22直接内嵌于该散热体21的内部，使散热体21能够对发热部件22所散发的热量进行热传导，进而使发热部件22所散发的热量没有直接对载板24进行辐射加热，而是需要先经过散热体21的热传导之后，到达该散热体21上与载板24相对的曲面211，并借助散热体21上的曲面211对载板24进行辐射加热。本实施例中，散热体的主要作用在于能够使发热部件所散发的热量较为均匀地分布在上述曲面上，从而尽可能地提高对载板进行辐射加热的均匀性；此外，该散热体还可以起到对加热部件进行封装及保护的作用。

需要说明的是，在本实施例中，发热部件采用了平板式的结构，但在实际应用中，也可以采用相对于曲面均匀排布的弧形发热部件，并且该弧形发热部件与曲面的弧形结构相似，使发热部件不同位置处与曲面之间的距离近似相等，从而使传导至曲面上的温度分布较为均匀。当然，采用其他结构的发热部件相对于载板均匀排布在散热体内，同样应被视为本发明的保护范围。

还需要说明的是，本实施例中，散热体采用不锈钢材料制成。由于不锈钢材料不仅具有很好的导热和耐高温性能，而且可以防止加热装置被腐蚀，因而具有较长的使用寿命。当然，在实际应用中，上述散热体也可以采用其他的具有良好的导热和防腐蚀性能的材料制成，并且采用其他的具有上述特性的材料所制成的散热体同样应被视为本发明的保护范围。另外，本发明中的散热体的外形在实际应用中并不局限于本实施例中的方形，也可以采用诸如圆形等的其他形状，而上述采用其他形状的散热体同样属于本发明的保护范围。

实施例二

请参阅图5，为本发明提供的加热装置的第二实施例的剖面图。本实施例中，散热体21包括容纳发热部件22的封闭的壳体及填充在该壳体与发热部件22之间的导热材料23，其中，该壳体的材料为不 锈钢，并且壳体与载板24相对的表面为上述曲面211，前文已对曲面211做了详细的说明，在此不再赘述；导热材料23为粉末状的氧化镁，其能够增加与发热部件22的外表面的接触面积，并将壳体中的真空空间完全充满，使发热部件22所散发的热量通过导热材料23被传导至壳体的表面211上的热量损失减少，从而提高了散热体的导热率。

需要说明的是，本发明提供的加热装置中的导热材料的形态并不局限于本实施例中的粉末状，在本发明的另外一些实施例中，上述导热材料也可被设置为与上述壳体形状向适配的一体成型的结构，并且，采用该一体成型结构的导热材料的加热装置同样应被视为本发明的保护范围。

还需要说明的是，在本实施例中，采用氧化镁作为导热材料是利用了该材料所具有的良好的导热性能。但是，在实际应用中，导热材料的具体可选种类并不局限于此，例如也可以采用导热性能较好的金属等的材料作为导热材料使用，而且，只要所选的导热材料能够满足本发明中的加热装置对于热量传导的要求就应被视为本发明的保护范围。

综上所述，本发明提供的加热装置，其借助与载板相对的曲面，并根据放置于反应腔室中的载板的温度分布特征来确定曲面的曲面形状，可以调节加热装置自曲面对载板进行辐射加热的辐射距离，使曲面的曲面形状设置为曲面上不同位置的点与载板之间的距离沿曲面的中心点到边缘方向逐渐减小，进而使位于载板热量损失速率较快的边缘区域所获得的热量比位于载板热量损失速率较慢的中心区域所获得的热量多，从而减小了载板边缘区域和中心区域之间的温度差，提高了载板温度的均匀性。

作为另一种技术方案，本发明还提供了一种等离子体加工设备，其采用了上述加热装置对工艺腔室中的载板进行加热，前文对该加热装置的结构已进行了详细的说明，在此不再赘述。

本发明提供的等离子体加工设备借助上述加热装置对载板进行加热时，同样能够使载板上热量损失较快的边缘区域受到的辐射强度 大于载板上热量损失较慢的中心区域受到的辐射强度，从而减小载板边缘区域和中心区域之间的温度差，以提高载板及硅片的温度均匀性，进而为提高工艺质量的稳定性提供有力保障。 

在实际应用中，本发明提供的等离子体加工设备例如可以是一种等离子体增强化学气相沉积设备。当然，本发明并不局限于此，凡是具有等离子体反应腔室并且借助上述本发明提供的加热装置对反应腔室中的载板进行辐射加热的等离子体加工设备均应被视为本发明的保护范围。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种加热装置，用于对载板进行辐射加热，所述加热装置与所述载板相对设置，其特征在于，所述加热装置包括发热部件和容纳所述发热部件的散热体；其中，所述散热体用以对所述发热部件进行热传导，并且所述散热体与所述载板相对的表面为曲面，所述曲面与所述载板之间的距离沿所述曲面的中心点到边缘的方向逐渐减小；所述发热部件相对于所述曲面均匀排布；所述散热体用于使所述发热部件所散发的热量均匀地分布在所述曲面上。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述散热体为一体式结构，所述发热部件直接内嵌于所述散热体内部。

3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述散热体包括容纳所述发热部件的壳体以及填充在所述壳体和所述发热部件之间的导热材料。

4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述发热部件包括铠装加热管、电阻丝。

5.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述散热体的材料包括不锈钢。

6.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述导热材料包括氧化镁。

7.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于，所述导热材料为粉末状。

8.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述壳体的材料包括不锈钢。

9.一种等离子体加工设备，包括工艺腔室、设置于所述工艺腔室中的载板和加热装置，其特征在于，所述加热装置采用权利要求1-8中任意一项所述的加热装置。

10.根据权利要求9所述的等离子体加工设备，其特征在于，所述等离子体加工设备为等离子体增强化学气相沉积设备。