CN103898449B - 用于调节托盘温度的腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于调节托盘温度的腔室及半导体加工设备，包括加热单元、冷却单元和驱动单元，驱动单元用于同时或分别驱动待加热托盘和待冷却托盘移动，以使二者同时或分别位于预设的加热位置和冷却位置；加热单元用于在待加热托盘位于加热位置时对该托盘进行加热；冷却单元用于在待冷却托盘位于冷却位置时以热传导的方式对该托盘进行冷却。本发明提供的用于调节托盘温度的腔室可以缩短工艺周期，进而可以提高工艺效率；并且其可以采用热传导的方式对托盘冷却，从而可以提高冷却效率，降低生产成本。

Description

用于调节托盘温度的腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明属于物理气相沉积技术领域，具体涉及一种用于调节托盘温度的腔室及半导体加工设备。

背景技术

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)系统常用于在基片上制备薄膜。PVD系统一般包括传输腔、预热腔和工艺腔。其中，在传输腔内设有机械手，用以对承载有基片的托盘进行传送；预热腔用于对基片进行加热，以使其达到工艺所需的温度，加热温度一般在250℃-300℃之间；工艺腔用于对已加热的基片进行沉积薄膜，通过将基片加热至工艺所需的温度，可以在基片上得到导电性较好、透过率较高的薄膜层。完成薄膜沉积的基片被传送到料盒中，再人工取出。在此过程中，由于托盘温度较高，容易造成取片人员烫伤等，所以一般需要在工艺完成后进行托盘冷却。

现有技术中采用的对托盘冷却的方法是在预热腔中连续充入N₂，再不断抽走，即采用热对流的方式对托盘冷却。图1为现有技术中采用热对流方式冷却托盘的预热腔的结构示意图。如图1所示，预热腔1包括加热单元(图中未画出)、加热升降装置3、进气管道6和真空排气管道7。其中，加热单元设置于预热腔1内的顶部，用以采用热辐射的方式加热置于托盘2上的基片；加热升降装置3设置于加热单元的下方，其包括顶针8和与之连接的驱动源9，在驱动源9的驱动下，顶针8能够上升或下降；进气管道6与氮气源连接，用以在对托盘2冷却时连续向预热腔1中充入氮气；真空排气管道7用于排出预热腔1中的氮气。此外，为了避免因加热造成的预热腔1过热，在腔室壁上设计有冷却水道，冷却水经过进水口4进入，流经预热腔室壁后从出水口5流出，保证在加热过程中将预热腔1的温度控制在合理的范围内。预热腔1的工作过程包括以下两个过程：（1）托盘加热过程，机械手（图中未画出）将托盘2从传输腔（图中未画出）传入预热腔1内位于加热单元下方的位置；驱动源9驱动顶针8上升，直至顶起托盘2，以使托盘2脱离机械手；空载的机械手返回传输腔；驱动源9驱动顶针8继续上升，以使托盘2到达相应的加热位置；加热单元对托盘2进行加热；加热完成后，机械手进入预热腔1内位于加热单元下方的位置；驱动源9驱动顶针8下降，直至使托盘2落在机械手上；机械手将托盘2传入工艺腔（图中未画出）进行薄膜工艺。（2）托盘冷却过程，将完成薄膜工艺的托盘2再次传入预热腔1中；氮气源经由进气管道6向预热腔1中连续充入N₂，同时通过真空排气管道7不断抽走完成热对流后的N₂，即：采用热对流的方式对托盘2进行冷却。

尽管上述预热腔1在实际应用中广为使用，但是其仍然不可避免地存在以下问题：

其一，由于热对流的冷却方式传热效率较低，这不仅导致冷却时间长、工艺效率低，而且还会因需要大量的氮气才能够将托盘冷却至理想的温度而导致生产成本增加。

其二，由于上述预热腔只能对置于其中的一个托盘实施加热或冷却处理，因而导致工艺周期长、工艺效率低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种用于调节托盘温度的腔室及半导体加工设备，其可以在同一时间对置于其中的不同托盘分别进行加热和冷却，从而可以缩短工艺周期，进而可以提高工艺效率；并且其可以采用热传导的方式对托盘进行冷却，从而可以提高冷却效率，降低生产成本。

本发明提供一种用于调节托盘温度的腔室，包括加热单元、冷却单元和驱动单元，其中，所述驱动单元用于同时或分别驱动待加热托盘和待冷却托盘移动，以使二者同时或分别位于预设的加热位置和冷却位置；所述加热单元用于在所述待加热托盘位于所述加热位置时对 所述托盘进行加热；所述冷却单元用于在所述待冷却托盘位于所述冷却位置时以热传导的方式对所述托盘进行冷却。

其中，所述冷却单元为所述腔室的腔室壁，在所述腔室壁中设置有冷却水管道；所述驱动单元包括第一驱动机构，所述第一驱动机构设置于所述腔室壁的底壁的下方，用以驱动所述待冷却托盘下降或上升，以使所述托盘与所述腔室壁的底壁的上表面彼此接触或脱离。

其中，所述冷却单元为设置于所述腔室内的冷却壁，在所述冷却壁中设置有冷却水管道；所述驱动单元包括第一驱动机构，所述第一驱动机构设置于所述冷却壁的下方，用以驱动所述待冷却托盘下降或上升，以使所述托盘与所述冷却壁的上表面彼此接触或脱离。

其中，所述第一驱动机构包括第一顶针和与之连接的第一驱动源，在所述第一驱动源的驱动下，所述第一顶针上升或下降，以使其顶端高于或低于所述冷却单元的上表面。

其中，所述加热单元用于采用热辐射的方式朝向所述托盘辐射热量，其设置于所述腔室内，且位于所述冷却壁的下方；所述驱动单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构设置在所述腔室内且位于所述加热单元的下方，用以驱动所述待加热托盘上升或下降，并在加热时使所述待加热托盘位于所述加热位置。

其中，所述加热单元用于采用热辐射的方式朝向所述托盘辐射热量，其设置于所述腔室内，且位于所述冷却壁的上方；所述驱动单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构设置在所述腔室内且位于所述加热单元的下方，用以驱动所述待加热托盘上升或下降，并在加热时使所述待加热托盘位于所述加热位置。

其中，所述加热单元用于采用热辐射的方式朝向所述托盘辐射热量，其设置于所述腔室内的顶部；所述驱动单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构设置在所述腔室内且位于所述加热单元的下方，用以驱动所述待加热托盘上升或下降，并在加热时使所述待加热托盘位于所述加热位置。

其中，所述加热单元用于采用热传导的方式加热置于其上表面的所述托盘，所述加热单元设置于所述腔室内，且位于所述冷却壁的上 方或者下方；所述驱动单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构设置在所述腔室内且位于所述加热单元的底部，用以驱动所述待加热托盘上升或下降，以使所述待加热托盘与所述加热单元的上表面彼此接触或脱离。

其中，所述第二驱动机构包括第二顶针和与之连接的第二驱动源，在所述第二驱动源的驱动下，所述第二顶针的顶端承载所述待加热托盘上升或下降。

本发明还提供一种半导体加工设备，包括用于调节托盘温度的腔室，该腔室采用了本发明提供的用于调节托盘温度的腔室。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的用于调节托盘温度的腔室，其通过在腔室中设置用于对待加热托盘进行加热的加热单元，以及用于对待冷却托盘进行冷却的冷却单元，并借助驱动单元分别或同时驱动待加热托盘和待冷却托盘移动至预设的加热位置和冷却位置，可以实现在同一时间分别对不同托盘进行加热和冷却，从而可以缩短工艺周期，进而提高工艺效率；而且，由于本发明提供的用于调节托盘温度的腔室是借助冷却单元采用热传导方式对托盘进行冷却，这与现有技术采用热对流的冷却方式相比，不仅能够提高冷却效率，而且也无需像现有技术那样需要向腔室内通入大量氮气，从而能够降低生产成本。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的用于调节托盘温度的腔室，不仅可以缩短工艺周期，提高工艺效率，而且无需像现有技术那样需要向腔室内通入大量氮气，进而可以降低生产成本。

附图说明

图1为现有技术中采用热对流方式冷却托盘的预热腔的结构简图；

图2为本发明第二实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的结构简图；

图3为图2中所述驱动机构的结构简图；

图4为图2中所述驱动机构的俯视图；以及

图5为本发明第三实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的结构简图。

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，下面结合附图对本发明提供的用于调节托盘温度的腔室及半导体加工设备进行详细的描述。

为便于描述，将需要加热的托盘称为“待加热托盘”，并将加热时待加热托盘所处的位置称为“加热位置”；将需要冷却的托盘称为“待冷却托盘”，并将冷却时待冷却托盘所处的位置称为“冷却位置”。此外，在腔室内托盘未移动至加热位置或冷却位置时所处的位置称为“托盘原始位置”。

本发明第一实施例提供的用于调节托盘温度的腔室，包括加热单元、冷却单元和驱动单元。其中，驱动单元用于同时或分别驱动待加热托盘和待冷却托盘移动，以使二者同时或分别位于预设的加热位置和冷却位置；加热单元用于在待加热托盘位于加热位置时对该托盘进行加热；冷却单元用于在待冷却托盘位于冷却位置时以热传导的方式对该托盘进行冷却。

通过在腔室中设置用于对待加热托盘进行加热的加热单元，以及用于对待冷却托盘进行冷却的冷却单元，并借助驱动单元分别或同时驱动待加热托盘和待冷却托盘移动至预设的加热位置和冷却位置，可以实现在同一时间分别对不同托盘进行加热和冷却，从而可以缩短工艺周期，进而提高工艺效率。而且，本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室是采用热传导的方式对托盘进行冷却，这与现有技术采用热对流的冷却方式相比，不仅能够提高冷却效率，而且也无需像现有技术那样需要向腔室内通入大量氮气，因而能够降低生产成本。

图2为本发明第二实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的结构简图。如图2所示，该腔室包括加热单元、冷却单元和驱动单元。其中，冷却单元为腔室的腔室壁，并且在腔室壁中设置有冷却水管道 （图中未画出），冷却水管道包括进水口4和出水口5，在冷却过程中，冷却水经由进水口4进入冷却水管道，并在流经腔室壁后经由出水口5流出，从而完成以热传导的方式对待冷却托盘201进行冷却。在本实施例中，加热单元为加热灯泡10，其设置在腔室内的顶部，用以采用热辐射的方式对待加热托盘202进行加热；驱动单元包括第一驱动机构301和第二驱动机构302。其中，第一驱动机构301位于腔室底壁的下方，其包括第一顶针801和与之连接的第一驱动源901，在第一驱动源901的驱动下，第一顶针801上升或下降；第二驱动机构302位于加热位置（即，加热灯泡10下方的预定位置处）的下方，其包括第二顶针802和第二驱动源902，在第二驱动源902的驱动下，第二顶针802上升或下降。

下面对本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的托盘冷却过程进行详细地描述。

具体地，机械手等的托盘传输装置（图中未画出）将待冷却托盘201传输至腔室中的托盘原始位置（即，腔室底壁上方的预定位置处）；第一驱动机构301的第一驱动源901驱动第一顶针801上升，直至第一顶针801的顶端托起待冷却托盘201；空载的机械手移出腔室；载有待冷却托盘201的第一顶针801下降，直至待冷却托盘201与腔室底壁的上表面相互接触，此时待冷却托盘201与腔室底壁之间进行热交换，从而实现对待冷却托盘201的冷却；待冷却完成后，第一顶针801在第一驱动源901驱动下上升，直至托起托盘201，并继续上升至托盘原始位置；机械手移入腔室内且位于托盘201的底部；第一顶针801下降，直至托盘201位于机械手上；载有托盘201的机械手移出腔室，从而完成托盘冷却的整个过程。

下面对本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的托盘加热过程进行详细地描述。

具体地，机械手等的托盘传输装置将待加热托盘202传输至腔室中的托盘原始位置（在本实施例中，托盘原始位置位于加热位置下方的预定位置处）；第二驱动机构302的第二驱动源902驱动第二顶针802上升，直至第二顶针802的顶端托起待加热托盘202；空载的机械手移出腔室；载有待加热托盘202的第二顶针802继续上升，以使待加热托盘202到达相应的加热位置；加热灯泡10采用热辐射的方式朝向待加热托盘202辐射热量；待加热完成后，机械手移入腔室内且位于托盘原始位置；第二顶针802下降，直至托盘202位于机械手上；载有托盘202的机械手移出腔室，从而完托盘加热的整个过程。

下面对第一驱动机构301和第二驱动机构302的具体结构进行详细地描述。

具体地，图3为图2中所述驱动机构的结构简图。图4为图2中所述驱动机构的俯视图。请一并参阅图3和图4，该驱动机构可以作为第一驱动机构301和/或第二驱动机构302，且包括顶针8、摆动气缸20、摆杆21、摇杆22、底座23、导柱24和波纹管27。其中，摆动气缸20作为驱动源与摆杆21的旋转轴连接，用以驱动摆杆21的旋转轴旋转，从而带动摆杆21围绕其旋转轴摆动相应角度，而且，在摆杆21上设置有摆动角度控制器件26，用以控制摆杆21的摆动范围；摇杆22的一端与摆杆21连接，另一端与底座23连接，用以将摆杆21的旋转运动转换为直线运动；底座23通过直线轴承25与导柱24滑动连接；顶针8的底端固定在底座23上，且其长度方向的轴线与导柱24的长度方向的轴线相互平行；波纹管27套制在顶针8上，并且波纹管27的底端与底座23固定连接，波纹管27的顶端借助法兰28与腔室的腔室壁固定连接。在摆动气缸20的驱动下，摆杆21在角度控制器件26设定的摆动范围内摆动，以使摇杆22带动底座23沿导柱24的轴向在预定范围内上升或下降，从而底座23带动顶针8上升或下降。

在本实施例中，顶针8的数量为三个，且沿托盘的圆周方向均匀分布，以保证能够平稳地支撑托盘，并且，波纹管27的数量和设置位置与顶针8的数量和设置位置一一对应。而且，导柱24的数量可以为至少一个，并且直线轴承25的数量和设置位置与导柱24的数量和设置位置一一对应。在实际应用中，导柱24的数量可以根据具体情况自由设定。

需要说明的是，虽然在本实施例中，顶针8的数量为三个，但 是，本发明并不局限于此，在实际应用中，顶针8的数量还可以为四个以上。而且，波纹管27的数量也可以少于顶针8的数量，即，可以将多个顶针8设置在一个波纹管27内。

还需要说明的是，作为第一驱动机构301和第二驱动机构302的驱动机构并不局限于本实施例提出的上述驱动机构，在实际应用中，也可以采用其他结构的驱动机构，只要其能够驱动托盘作升降运动即可。

进一步需要说明的是，虽然在本实施例中，加热单元为加热灯泡，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，加热单元还可以采用加热灯管、加热丝等任意结构的红外辐射灯。

图5为本发明第三实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的结构简图。如图5所示，与第二实施例相比，本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室同样包括加热单元、冷却单元和驱动单元。由于加热单元、冷却单元和驱动单元的结构和功能在第二实施例中已有了详细地描述，在此不再赘述。下面仅对本实施例与第二实施例的不同点进行描述。

本实施例与第二实施例的不同点在于：冷却单元为设置于腔室内的冷却壁11，而且加热单元采用热传导的方式对待加热托盘202进行加热。具体地，冷却壁11位于靠近腔室顶部的位置，且在冷却壁11内设置有冷却水管道（图中未画出），用以采用热传导的方式冷却位于其上表面的待冷却托盘201。加热单元包括加热基座12，其设置在腔室内，且位于冷却壁11的下方，即，位于靠近腔室底部的位置，并且，在加热基座12内设置有电阻丝等的发热元件（图中未画出），用以采用热传导的方式对置于加热基座12的上表面的待加热托盘202进行加热。第一驱动机构301位于冷却壁11的下方，其包括第一顶针801和第一驱动源901，在第一驱动源901的驱动下，第一顶针801上升或下降，以使其顶端穿过冷却壁11，且高于或低于冷却壁11的上表面；第二驱动机构302位于加热基座12的下方，其包括第二顶针802和第二驱动源902，在第二驱动源902的驱动下，第二顶针802上升或下降，以使其顶端穿过加热基座12，且高于或 低于加热基座12的上表面。

下面对本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的托盘冷却过程进行详细地描述。

具体地，机械手等的托盘传输装置将待冷却托盘201传输至腔室中的托盘原始位置（即，位于冷却壁11的上方的预定位置处）；第一驱动机构301的第一驱动源901驱动第一顶针801上升，直至其顶端托起待冷却托盘201；空载的机械手移出腔室；载有待冷却托盘201的第一顶针801下降，直至待冷却托盘201接触冷却壁11的上表面，此时待冷却托盘201与冷却壁11进行热交换，从而实现对待冷却托盘201的冷却；待冷却完成后，第一顶针801在第一驱动源901驱动下上升，直至托盘201自冷却壁11的上表面脱离，即，使托盘201位于托盘原始位置；机械手移入腔室内且位于托盘201的底部；第一顶针801下降，直至托盘201位于机械手上；载有托盘201的机械手移出腔室，从而完成托盘冷却的整个过程。

下面对本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室的托盘加热过程进行详细地描述。

具体地，机械手等的托盘传输装置将待加热托盘202传输至腔室中的托盘原始位置（在本实施例中，加热位置即为加热基座12的上表面，相应地，托盘原始位置位于基座12的上方的预定位置处）；第二驱动机构302的第二驱动源902驱动第二顶针802上升，直至第二顶针802的顶端托起待加热托盘202；空载的机械手移出腔室；载有待加热托盘202的第二顶针802下降，直至托盘接触加热基座12的上表面，此时待加热托盘202与加热基座12进行热交换，从而完成对待加热托盘202的加热；待加热完成后，机械手移入腔室内且位于托盘原始位置；第二顶针802在第二驱动源902的驱动下上升，直至托起托盘202，以使其自加热基座12的上表面脱离，即，使托盘202位于托盘原始位置；机械手移入腔室内且位于托盘202的底部；第二顶针802下降，直至托盘位于机械手上；载有托盘202的机械手移出腔室，从而完成托盘加热的整个过程。

需要说明的是，在实际应用中，可以单独在冷却壁11中设置冷 却水管道，也可以将冷却壁11与腔室的腔室壁连接，并使冷却壁11中的冷却水管道与腔室壁中的冷却水管道相连通；还可以省去冷却壁11中的冷却水管道，而仅借助腔室壁中的冷却水管道对冷却壁11进行冷却，从而间接冷却置于冷却壁11的上表面的待冷却托盘201。

还需要说明的是，在本实施例中，加热单元位于冷却壁11的下方，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，加热单元也可以位于冷却壁11的上方，即，加热基座12位于靠近腔室顶部的位置，而冷却壁11位于靠近腔室底部的位置。而且，相应地调整第一驱动机构301和第二驱动机构302的位置，以使二者分别位于冷却壁11和加热基座12的下方。

进一步需要说明的是，针对上述第二和第三实施例，加热单元的两种加热方式，即：热辐射的加热方式和热传导的加热方式可以互换，并相应地根据实际的具体加热方式设计合适的加热位置、冷却位置以及驱动单元的结构。

综上所述，本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室，其通过在腔室中设置用于对待加热托盘进行加热的加热单元，以及用于对待冷却托盘进行冷却的冷却单元，并借助驱动单元分别或同时驱动待加热托盘和待冷却托盘移动至预设的加热位置和冷却位置，可以实现在同一时间分别对不同托盘进行加热和冷却，从而可以缩短工艺周期，进而提高工艺效率；而且，由于本发明提供的用于调节托盘温度的腔室是借助冷却单元采用热传导方式对托盘进行冷却，这与现有技术采用热对流的冷却方式相比，不仅能够提高冷却效率，而且也无需像现有技术那样需要向腔室内通入大量氮气，从而能够降低生产成本。

本发明还提供一种半导体加工设备，其包括用于调节托盘温度的腔室，该腔室采用了上述所有实施例提供的腔室。

本实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本实施例提供的用于调节托盘温度的腔室，不仅可以缩短工艺周期，提高工艺效率，而且无需像现有技术那样需要向腔室内通入大量氮气，进而可以降低生产成本。

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 (8)

1.一种用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，包括加热单元、冷却单元和驱动单元，其中

所述驱动单元用于同时或分别驱动待加热托盘和待冷却托盘移动，以使二者同时或分别位于预设的加热位置和冷却位置；

所述加热单元用于在所述待加热托盘位于所述加热位置时对所述托盘进行加热；

所述冷却单元用于在所述待冷却托盘位于所述冷却位置时以热传导的方式对所述托盘进行冷却；

所述驱动单元包括第一驱动机构和第二驱动机构，

所述冷却单元为所述腔室的腔室壁，在所述腔室壁中设置有冷却水管道，所述驱动单元包括第一驱动机构，所述第一驱动机构设置于所述腔室壁的底壁的下方，用以驱动所述待冷却托盘下降或上升，以使所述托盘与所述腔室壁的底壁的上表面彼此接触或脱离；或者，所述冷却单元为设置于所述腔室内的冷却壁，在所述冷却壁中设置有冷却水管道；所述驱动单元包括第一驱动机构，所述第一驱动机构设置于所述冷却壁的下方，用以驱动所述待冷却托盘下降或上升，以使所述托盘与所述冷却壁的上表面彼此接触或脱离；

所述第二驱动机构设置在所述腔室内且位于所述加热单元的下方，用以驱动所述待加热托盘上升或下降，并在加热时使所述待加热托盘位于所述加热位置。

2.根据权利要求1所述的用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一顶针和与之连接的第一驱动源，在所述第一驱动源的驱动下，所述第一顶针上升或下降，以使其顶端高于或低于所述冷却单元的上表面。

3.根据权利要求1所述的用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述加热单元用于采用热辐射的方式朝向所述托盘辐射热量，其设置于所述腔室内，且位于所述冷却壁的下方。

4.根据权利要求1所述的用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述加热单元用于采用热辐射的方式朝向所述托盘辐射热量，其设置于所述腔室内，且位于所述冷却壁的上方。

5.根据权利要求1所述的用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述加热单元用于采用热辐射的方式朝向所述托盘辐射热量，其设置于所述腔室内的顶部。

6.根据权利要求1所述的用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述加热单元用于采用热传导的方式加热置于其上表面的所述托盘，所述加热单元设置于所述腔室内，且位于所述冷却壁的上方或者下方；

所述第二驱动机构，用以驱动所述待加热托盘上升或下降，以使所述待加热托盘与所述加热单元的上表面彼此接触或脱离。

7.根据权利要求3-6任意一项权利要求所述的用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述第二驱动机构包括第二顶针和与之连接的第二驱动源，在所述第二驱动源的驱动下，所述第二顶针的顶端承载所述待加热托盘上升或下降。

8.一种半导体加工设备，包括用于调节托盘温度的腔室，其特征在于，所述腔室采用权利要求1-7任意一项权利要求所述的用于调节托盘温度的腔室。