CN104878370A - 一种分体式可控温加热盘结构 - Google Patents

Abstract

分体式可控温加热盘结构，主要解决现有的加热盘及静电卡盘所存在的无法快速、准确、均匀控制晶圆温度的问题。本发明的加热盘基座内部除常规加热盘所具有的加热结构以外，更设计有冷却结构、热传导介质输送、流通结构及可更换盘面结构、防晶圆漂浮结构。上述的加热结构除可使用加热丝或管路以铸造或焊接的方式实现外，也可以在其中采用机械加工的方式加工出环形沟槽，并在其内通入导热流体实现。上述的加热及冷却结构按涡旋或迷宫形式排布，并尽量使加热布局与冷却布局靠近，以更好的实现温度控制，本发明主要应用于半导体薄膜沉积设备。

Description

一种分体式可控温加热盘结构

技术领域

本发明涉及一种应用于半导体薄膜沉积设备的分体式可控温加热盘结构。其内部包含加热、冷却、导热、防晶圆漂浮结构，并可更换不同形式盘面，以实现对晶圆温度的快速、准确、均匀控制。属于半导体薄膜沉积应用及制造技术领域。

背景技术

半导体设备在进行沉积反应时往往需要使晶圆及腔室加热或维持在沉积反应所需要的温度，所以加热盘必需具备加热结构以满足给晶圆预热的目的。

在一些半导体薄膜沉积设备中还会有射频或等离子体参与沉积反应，因等离子体能量的释放，会使晶圆表面的温度急剧升高，这时则需要增加冷却功能去平衡掉等离子体所释放出来的额外热量。否则会使晶圆或背胶损坏，造成产品良率的下降。而仅仅依靠加热盘本身的热交换并无法满足以上要求，因此需要有冷却结构来帮助加热盘快速进行降温。

半导体薄膜沉积反应多是在真空条件下进行，真空环境因缺乏导热介质，热传导性能较差，往往无法快速将晶圆预热到所需温度，或是在沉积反应前无法均匀的将晶圆预热。在有射频参与的半导体镀膜设备中，当射频所激发的能量到达晶圆表面时，同样因为热传导介质的缺乏，往往又会使晶圆表面的温度快速升高，使得晶圆表面温度超出沉积所需温度，而使晶圆发生损坏。因此有必要在加热盘与晶圆间通入一层导热介质，以便加热盘与晶圆间快速的进行热交换，同时更好的改善晶圆温度的均匀性。随着晶圆尺寸的逐渐增大，晶圆本身的温度均匀性直接决定着晶圆品质的好坏。晶圆温度快速、准确的控制对生产效率的提高及产品良率的提高都是至关重要的。

现有的半导体薄膜沉积设备在有导热介质进入至加热盘与晶圆之间时，如进气量过小，温度均匀性改善较小或热传导效率不高，无法完全满足工艺需求。通气量过大，会因流量增大而使产生的动压力差增大，使得晶圆发生漂浮显现。这样现象的出现会导致晶圆歪斜，无法保证准确的极间距进行沉积反应。或是使晶圆发生偏移，这样的偏移可能造成晶圆的部分区域无法进行沉积反应，更严重的会导致碎片的发生，严重损坏产品及设备，并使维护难度增大，设备使用率降低。因此，通过防漂浮结构控制晶圆位置是必要的。

现有半导体薄膜沉积设备虽然有些加热盘或静电卡盘也通过通入导热介质进行热传导，但因通气流量的限制，使得传导效率及温度均匀性的控制并不理想。或是因通气量过大而造成晶圆发生漂浮、偏移或碎片等现象。为了消除晶圆漂浮的现象，目前大多采用静电卡盘或机械装卡的方式实现，然而静电卡盘技术难度大，成本高，使用寿命短的缺点使其的应用并不广泛。机械装卡方式虽相对简单，但其为接触式控制，会对晶圆表面造成一定的损伤，或是因装卡结构的的限制必须牺牲掉一部分产品面积无法进行薄膜沉积，这样使设备的产能和利用率大大降低，也浪费了宝贵的特气资源。

综上所述，对于现有的半导体镀膜设备所使用的加热盘或静电卡盘大都只具有加热功能，在这样的条件下无法实现快速降温的需求，且其自身的温度调节及控温功能是有限的，无法达到对温度的精确控制。而有导热介质参与的加热盘或静电卡盘又因通气量的限制而无法满足对晶圆温度的快速、准确控制。然而只有将晶圆的温度快速、准确、均匀的维持在沉积反应所需的温度范围内，才能实现对产品良率及效率的提升。

发明内容

本发明以解决上述问题为目的，主要解决现有的加热盘及静电卡盘所存在的无法快速、准确、均匀控制晶圆温度的问题。

本发明是通过一种分体式可控温加热盘结构，加热盘内部除常规加热盘所具有的加热结构以外，更设计有冷却结构、热传导介质输送、流通结构及可更换盘面结构、防晶圆漂浮结构。

上述的加热结构除可使用加热丝或管路以铸造或焊接的方式实现外，也可以在其中采用机械加工的方式加工出环形沟槽，并在其内通入导热流体实现。上述的加热及冷却结构按涡旋或迷宫形式排布，并尽量使加热布局与冷却布局靠近，以更好的实现温度控制。除了上述的加热及冷却结构，本发明还设计了热传导介质流通结构，在加热盘中部设有进气通道将导热介质通入加热盘与晶圆之间，并在其间形成一定的气隙，因传热介质的热传导效果较好，可使加热盘的温度快速、均匀的传导到晶圆，或是将晶圆的温度迅速的传导至加热盘上导出。上述的导热介质即可从加热盘的中间进入也可从加热盘的边缘进入，已达到不同的工艺效果。所使用的导热介质也可进行回收冷却，以提高导热介质的利用率，节省资源及成本。通过合理的通气结构设计，使得导热介质能够快速、均匀的在空隙中流动，及时实现加热盘及晶圆的热交换。因导热介质的进气量影响热传导效率，进气量过小对晶圆的导热效果不明显，效率较低；进气量过大会使晶圆出现漂浮现象，进而发生晶圆偏移、碎片等事故，降低生产效率、增大维护工作量及占用设备使用时间。本发明在进气结构的边缘设置防晶圆漂浮结构，在导热介质进入加热盘与晶圆之间时，使一部分导热介质从边缘进入外圈的喷气环，并使其产生一定的下压力，用以平衡因晶圆下方进气而产生的压力差，以防止晶圆漂浮现象的发生。这比静电卡盘使用效率更高，而产品技术难度降低，成本下降。较之卡紧的固定方式，可以在不损伤晶圆表面及不牺牲晶圆表面沉积面积的条件下，实现对晶圆漂浮的抑制。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种分体式可控温加热盘结构，其结构是：采用在加热盘基座中安装有加热管路或加热丝，以及冷却管路。上述的加热管路及冷却管路以实现加热或冷却为目的，以便对晶圆进行快速的升、降温控制。上述加热管路及冷却管路可通过铸造、机械加工后焊接或螺栓连接等方式实现。并在加热基座内安装热传导介质进气管路。上述热传导介质进气管路可采用焊接或机械加工后使用螺栓连接的方式实现，连接部分使用胶圈或金属密封圈等密封方式以满足密封要求。加热盘基座上方安装可更换盘面，加热盘基座与可更换盘面通过螺栓连接、通过夹紧连接的方式或直接放置与加热盘基座上方。上述可更换盘面中间设有导热介质进气孔，使导热介质可以通过上述进气孔进入加热盘与晶圆之间的间隙，也可在中间进气后在内部进行分气并从盘面边缘进入加热盘与晶圆之间的间隙。导热介质在可更换盘面表面的热传导介质流通通道内流通、扩散，以使加热盘及晶圆之间快速、均匀的充满导热介质以使得加热盘的温度快速、均匀的传导到晶圆，或是将晶圆的温度迅速的传导至加热盘上导出。上述的可更换盘面可根据不同的工艺要求进行更换，可采用多种不同的盘面结构，如中间进气或边缘进气；抑或是采用导热介质回收冷却或不回收冷却；以及按不同形状、规律分布的盘面流通、扩散路径等来满足更加苛刻的工艺条件。在加热盘基座内部有沿径向分布的喷气通道，使部分导热介质可从喷气通道中流向边缘的喷气环。上述喷气环安装在可更换盘面上方，喷气环上的喷气孔与可更换盘面的喷气通道相对应。为保证位置的准确性可使用销钉进行定位，也可将上述喷气环与可更换盘面通过焊接或机械加工后螺钉连接等方式制造成一个零件。部分导热介质会通过上述喷气通道及喷气孔到达晶圆表面，从上至下的压力与下方可更换盘面上热传导介质流通通道内从下至上的压力相平衡，起到防止晶圆漂浮的目的，同时部分气体到达晶圆表面也会在一定程度上增加热传导的效率。

本发明的有益效果及特点：

本发明通过加热管路的布置实现快速将晶圆加热的目的，通过冷却管路的设置，可在有射频等离子体等额外热功率参与时快速将其冷却到所需工艺温度。其所设计的导热介质进气结构及可更换盘面结构，可以使加热盘及晶圆之间快速、均匀的充满导热介质以使得加热盘的温度快速、均匀的传导到晶圆，或是将晶圆的温度迅速的传导至加热盘上导出。以满足对晶圆温度的快速、准确、均匀控制。防晶圆漂浮结构的设计可以非接触方式，平衡晶圆上下表面的压力差，起到防止晶圆漂浮的目的，同时部分气体到达晶圆表面也会在一定程度上增加热传导的效率。进而避免晶圆偏移、碎片等事故。这比静电卡盘使用效率更高，而产品技术难度降低，成本下降。较之卡紧的固定方式，可以在不损伤晶圆表面及不牺牲晶圆表面沉积面积的条件下实现对晶圆漂浮的抑制。可更换盘面可根据不同的工艺要求进行更换，可采用多种不同的盘面结构，如中间进气或边缘进气；抑或是采用导热介质回收冷却或不回收冷却；以及按不同形状、规律分布的盘面流通、扩散路径等来满足更加苛刻的工艺条件。整个结构设计即可适用于小型实验设备又可应用于大型生产设备。具有快速、准确、均匀的温度控制能力及灵活、简单的适应性。对产品良率、生产率的提高有较大的益处。本发明还可根据不同的工艺要求或实验要求更换不同结构形式的加热盘表面，以实现对晶圆温度更快速、准确、均匀的控制。上述的加热结构、冷却结构、导热介质输送结构、防漂浮结构及可更换盘面结构的设计都需要进行计算机仿真及实验相结合的方式，使结构更加合理，从而使流场及温度场的分布更均匀。以实现对晶圆温度的快速、准确、均匀控制，提高生产效率及产品合格率。

附图说明

图1是分体式加热盘结构透视爆炸图

图2是分体式加热盘喷气环结构剖视图

图3是分体式加热盘可更换盘面俯视图

图4是分体式加热盘加热盘基座剖视图

1、喷气环；2、可更换盘面；3、加热盘基座；4、热传导介质进气管路；5、喷气孔；6、喷气通道；7、热传导介质流通通道；8、热传导介质进气孔；9、螺钉孔；10、加热管道；11、冷却管道。

下面结合附图和实施例对本发明进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

如图1-4所示，一种分体式可控温加热盘结构，包括加热盘基座3，在加热盘基座3内安装有沿涡旋状排布的加热管道10及冷却管道11，通过加热功率与冷却功率的交换、补偿达到将加热盘及晶圆快速升降温的功能。上述加热盘基座3中部安装导热介质进气管路4，上述导热介质进气管路4用以实现将导热介质输送进入可更换盘面2与晶圆之间及通向喷气环1。上述加热盘基座3上方安装可更换盘面2，使用螺钉通过螺钉孔9进行连接。上述可更换盘面2上方设计有热传导介质进气孔8、热传导介质流通通道7，导热介质通过上述的热传导介质进气孔8进入可更换加热盘面2与晶圆之间，并通过热传导介质流通通道7快速、均匀的分布，以使晶圆及加热盘间快速的进行热交换。上述可更换加热盘面2内部加工有沿径向成放射形分布的喷气通道6，部分导热介质会通过喷气通道6到达喷气环1，并从喷气环1中的喷气孔5中喷射如晶圆表面，以非接触方式，平衡晶圆上下表面的压力差，起到防止晶圆漂浮的目的，减少同时时部分气体到达晶圆表面也会在一定程度上增加热传导的效率。上述喷气环1安装在可更换加热盘面2上方。

上述可更换加热盘面2可根据不同工艺或实验需求进行更换，以达到更加灵活、简便的使用效果。整个结构设计即可适用于小型实验设备又可应用于大型生产设备。具有快速、准确、均匀的温度控制能力及灵活、简单的适应性。对产品良率、生产率的提高有较大的益处。

Claims (8)

1.一种分体式可控温加热盘结构，其特征在于：该加热盘内部具有加热结构，还设计有冷却结构、热传导介质输送、流通结构，可更换盘面结构及防晶圆漂浮结构。

2.如权利要求1所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于它的具体结构，包括加热盘基座，在加热盘基座内安装有沿涡旋状排布的加热管道及冷却管道，上述加热盘基座的中部安装导热介质进气管路，上述加热盘基座上方安装可更换盘面，使用螺钉通过螺钉孔进行连接，上述可更换盘面上方设计有喷气环、热传导介质进气孔、热传导介质流通通道，导热介质通过上述的热传导介质进气孔进入可更换加热盘面与晶圆之间。

3.如权利要求1所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于：上述加热结构采用加热丝或管路以铸造或焊接的结构方式，或在其中采用机械加工的方式加工出环形沟槽，并在其内通入导热流体。

4.如权利要求1所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于：上述加热及冷却结构按涡旋或迷宫形式排布，并尽量使加热布局与冷却布局靠近。

5.如权利要求2所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于：所述可更换加热盘面的内部加工有沿径向成放射形分布的喷气通道。

6.如权利要求2所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于：上述可更换加热盘面根据不同工艺或实验需求进行更换。

7.如权利要求1所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于：防晶圆漂浮结构的设计采用非接触方式，平衡晶圆上下表面的压力差。

8.如权利要求2所述的分体式可控温加热盘结构，其特征在于：热传导介质进气管路采用焊接或机械加工后使用螺栓连接的结构方式，连接部分使用胶圈或金属密封圈的密封方式。