CN105714245A - 反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室，其包括可作升降运动的升降基座，用于通过上升或下降将被加工工件传输至工艺位置或者装卸位置；该反应腔室还包括：升温加热器，用于在升降基座位于装卸位置时，使被加工工件的温度快速升温至所需温度；保温加热器，用于在升温加热器完成加热之后，将被加工工件的温度维持在所需温度。本发明提供的反应腔室，其不仅可以提高加热效率，而且可以精确地控制被加工工件的温度。

Description

反应腔室

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种反应腔室。

背景技术

物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，以下简称PVD)技术是微电子领域常用的加工技术，如，用于采用磁控溅射的方法在衬底上沉积AlN(氮化铝)薄膜，该方法具有反应温度低、成膜易控制、膜结构致密等优点。在实施工艺时，需要对衬底进行加热，同时精确控制衬底温度，这是因为：衬底温度会影响AlN薄膜的成核和生长，若衬底温度低于目标温度时，则会出现沉积物原子迁移率低、新生核不易聚集的问题，从而造成沉积的AlN薄膜的晶粒细小；若衬底温度高于目标温度，虽然沉积物原子扩散充分、薄膜晶体生长完整，但是沉积的AlN薄膜的晶粒可能粗大。

图1为现有的一种PVD设备的剖视图。如图1所示，PVD设备包括反应腔室10，在反应腔室10的顶部设置有靶材11，且在靶材11的下方设置有升降基座12，用以承载托盘13，托盘13用于运载至少一个衬底；而且，在驱动电机14的驱动下，升降基座12可上升至工艺位置B，在该工艺位置B处可以对托盘13上的衬底进行工艺；或者，升降基座12可下降至装卸位置A，在该装卸位置A可以自升降基座12取出或放入托盘13。此外，在反应腔室10内还设置有衬环15和压环16，当升降基座12上升至上述工艺位置B时，压环16利用自身重力压住托盘13，以将其固定在升降基座12上；当升降基座12离开工艺位置B时，压环16由衬环15支撑。另外，在升降基座12内集成了电阻加热装置17，用以采用热传导的方式加热托盘13上的衬底，并通过热电偶18实时测量并反馈当前托盘13的温度，以实现对衬底温度的控制。

在进行AlN薄膜的沉积工艺时，首先将托盘13传输至反应腔室10内，并将其放置在升降基座12上，此时升降基座12位于装卸位置；然后利用电阻加热装置17并以最高输出功率(通常为10KW)对托盘13进行加热，经由升降基座12和托盘13的热传导，衬底温度开始上升；当由热电偶18反馈的托盘13的温度为所需温度时，降低电阻加热装置17的输出功率，以采用较低的输出功率(通常为0.5KW)加热托盘13，以使其维持在所需温度；然后驱动升降基座12上升至工艺位，进行AlN薄膜的沉积工艺。

上述PVD设备在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，因受到升降基座12和托盘13的材料的影响，上述电阻加热装置17的加热效率较低。

其二，由于在托盘13的升温过程中，电阻加热装置17采用的是最高输出功率，而在托盘13的保温过程中，电阻加热装置17采用的是较低的输出功率，因而保温过程的输出功率相对于升温过程和保温过程的总输出功率过低，这使得电阻加热装置17在该输出功率的范围内的温控精度较低，从而无法精确地控制衬底温度。

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，提出了一种反应腔室，其不仅可以提高加热效率，而且可以精确地控制被加工工件的温度。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括可作升降运动的升降基座，用于通过上升或下降将被加工工件传输至工艺位置或者装卸位置；其特征在于，所述反应腔室还包括：升温加热器，用于在所述升降基座位于所述装卸位置时，使所述被加工工件的温度快速升温至所需温度；保温加热器，用于在所述升温加热器完成加热之后，将所述被加工工件的温度维持在所述所需温度。

优选的，所述反应腔室还包括：可容纳所述升温加热器的容纳腔，其具有与所述反应腔室相连通的开口；传输机构，用于通过所述开口在所述容纳腔与所述反应腔室之间传输所述升温加热器。

优选的，所述升温加热器采用热辐射的方式加热所述被加工工件；所述传输机构包括旋转轴和旋转驱动源，其中，所述旋转轴竖直设置所述反应腔室内，且位于与所述开口相对应的位置处，并且所述旋转轴分别与所述升温加热器和所述旋转驱动源连接；所述旋转驱动源用于在所述升降基座位于所述装卸位置时，驱动所述旋转轴旋转，以使其带动所述升温加热器旋转至所述反应腔室内位于所述升降基座上方的位置，或者所述容纳腔内。

优选的，所述升温加热器包括红外加热灯、供电接线和真空电极，其中，所述红外加热灯用于朝向所述升降基座辐射热量；所述真空电极设置在所述反应腔室的底部，所述真空电极的一端通过所述供电接线与所述红外加热灯电性连接；所述真空电极的另一端延伸至所述反应腔室的外部。

优选的，所述红外加热灯包括至少一个水平设置的红外加热灯管，或者沿水平方向排列的多个红外加热灯泡。

优选的，所述升温加热器还包括光反射件，所述光反射件设置在所述红外加热灯的上方，用以将辐射至所述光反射件表面上的光线朝向所述升降基座反射。

优选的，所述红外加热灯的总额定功率为10～15KW。

优选的，所述升温加热器采用热传导的方式加热所述被加工工件；所述传输机构包括升降机构和旋转机构，其中，所述升降机构用于在所述升降基座位于所述装卸位置时，驱动所述升温加热器下降至与所述被加工工件上表面相接触的位置，或者上升至位于所述升降基座上方的位置；所述旋转机构用于驱动所述升温加热器旋转至位于所述升降基座上方的位置，或者所述容纳腔内。

优选的，所述反应腔室还包括石墨托盘，用于承载至少一个被加工工件；所述石墨托盘在位于所述反应腔室内时由所述升降基座承载；所述升温加热器采用感应加热的方式加热所述石墨托盘，从而间接加热所述被加工工件。

优选的，所述保温加热器的额定功率不大于所述保温加热器维持所述被加工工件的温度所需的输出功率的2倍。

优选的，所述保温加热器的额定功率为1KW。

优选的，所述保温加热器包括电阻加热器，所述电阻加热器设置在所述升降基座内，用以采用热传导的方式加热被加工工件。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其具有升温加热器和保温加热器，在升降基座位于装卸位置时，首先利用升温加热器使被加工工件的温度快速升温至所需温度，然后再利用保温加热器将该被加工工件的温度维持在该所需温度，即，单独采用两种加热器分别用于升温和保温，这与现有技术相比，不仅可以通过采用更高额定功率的升温加热器来提高加热效率，而且在保证将被加工工件的温度维持在所需温度的前提下，还可以通过采用低额定功率的保温加热器，来避免其在保温过程中使用的输出功率相对于其额定功率过低，从而可以确保保温加热器在保温过程中使用的输出功率在其能够精确控制温度的范围内，进而可以实现精确地控制被加工工件的温度。

附图说明

图1为现有的一种PVD设备的剖视图；

图2A为本发明第一实施例提供的反应腔室在一种状态下的剖视图；

图2B为本发明第一实施例提供的反应腔室在另一种状态下的剖视图；

图3A为本发明第二实施例提供的反应腔室在一种状态下的剖视图；

图3B为本发明第二实施例提供的反应腔室另一种状态下的剖视图；

图3C为本发明第二实施例提供的反应腔室又一种状态下的剖视图；

图4A为本发明第三实施例提供的反应腔室在一种状态下的剖视图；

图4B为本发明第三实施例提供的反应腔室另一种状态下的剖视图；以及

图4C为本发明第三实施例提供的反应腔室又一种状态下的剖视图。

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反应腔室进行详细描述。

图2A为本发明第一实施例提供的反应腔室在一种状态下的剖视图。图2B为本发明第一实施例提供的反应腔室在另一种状态下的剖视图。请一并参阅图2A和图2B，反应腔室20包括升降基座21，其与升降电机25连接，在升降电机25的驱动下，升降基座21可通过上升或下降将被加工工件传输至如图2B所示的工艺位置B或者如图2A所示的装卸位置A；当升降基座21位于工艺位置B时，可以对置于升降基座21上的被加工工件进行工艺；当升降基座21位于装卸位置A时，可以自升降基座21进行取放片操作。此外，被加工工件可以直接放置于升降基座21上，或者也可以放置于托盘上，再由托盘运载至反应腔室20内的升降基座21上，如图2A中示出的托盘22，放置于托盘22上的被加工工件可以为一个或多个。

反应腔室20还包括升温加热器和保温加热器。其中，保温加热器为电阻加热器24，该电阻加热器24设置在升降基座21内，用以在升温加热器完成加热之后，采用热传导的方式加热被加工工件，将该被加工工件的温度维持在所需温度。具体来说，在升降基座21内设置有电阻丝或者加热管，用以提供加热所需的热量；该热量依次经由升降基座21和托盘22的热传递，最终到达各个被加工工件。

在本实施例中，升温加热器为红外加热灯23，用以采用热辐射的方式加热被加工工件，该红外加热灯23包括沿水平方向排列的多个红外加热灯泡232。由于该加热方式需要将红外加热灯23设置在被加工工件的上方，以使其能够均匀地朝向被加工工件的上表面辐射热量，而在完成加热之后，该红外加热灯23会阻挡升降基座21自装卸位置A上升至工艺位置B，为此，反应腔室20还包括容纳腔26和传输机构。其中，容纳腔26用于在红外加热灯23不工作时盛放该红外加热灯23，其具有与反应腔室20相连通的开口；传输机构用于通过该开口在容纳腔26与反应腔室20之间传输红外加热灯23。进一步地，该传输机构包括旋转轴27和旋转驱动源28，其中，旋转轴27竖直设置反应腔室20内，且位于与上述开口相对应的位置处，并且旋转轴27分别与红外加热灯23和旋转驱动源28连接；旋转驱动源28用于在升降基座21位于装卸位置A时，驱动旋转轴27旋转，以使其带动红外加热灯23旋转至反应腔室20内，且位于升降基座21的上方，或者旋转至容纳腔26内。旋转驱动源28包括旋转电机或者气缸。

在进行工艺的过程中，首先将托盘22传输至反应腔室20内，并放置于位于装卸位置A的升降基座21上；然后利用旋转驱动源28通过旋转轴27驱动红外加热灯23自容纳腔26旋入反应腔室20内，并到达升降基座21上方；开启红外加热灯23，并以其最大输出功率加热被加工工件，以使其快速升温；在被加工工件达到所需温度后关闭红外加热灯23，并利用旋转驱动源28通过旋转轴27驱动红外加热灯23自反应腔室20旋回容纳腔26；开启电阻加热器24，并以较低的输出功率加热被加工工件，以使其温度维持在所需温度。升降电机25驱动升降基座21上升至工艺位置B，进行相应的工艺。

优选的，也可以同时开启红外加热灯23和电阻加热器24加热被加工工件，以进一步提高升温速率。

在本实施例中，升温加热器还包括供电接线233和真空电极234，其中，真空电极234设置在反应腔室20的底部，该真空电极234的一端通过供电接线233与各个红外加热灯泡232电性连接；真空电极234的另一端延伸至反应腔室20的外部，用以使电源与红外加热灯23电导通。优选的，在旋转轴27内设置有接线通道(图中未示出)，供电接线233通过该接线通道分别与红外加热灯23和真空电极234电连接。借助接线通道，可以使供电接线233自旋转轴27的内部延伸至反应腔室20的底部，从而不仅可以保护供电接线233，而且还可以避免因腔室温度过高损坏供电接线233，进而可以延长供电接线233。

在本实施例中，反应腔室20还包括温度传感器29，温度传感器29设置在升降基座21内，用以实时检测被加工工件的温度，并将其发送出去。借助温度传感器29，可以获知被加工工件是否已达到所需温度，以在其达到该所需温度时关闭升温加热器。

优选的，升温加热器还包括光反射件231，该光反射件231设置在红外加热灯23的上方，用以将辐射至光反射件231表面上的光线朝向升降基座21反射，从而可以提高红外加热灯23的加热效率。光反射件231可以为具有反射率较高的表面/屏幕的反射板，该表面/屏幕朝向红外加热灯23设置。

优选的，在进行例如AlN薄膜的沉积工艺时，可以选用总额定功率为10～15KW的红外加热灯23，采用该红外加热灯23以其最大输出功率加热被加工工件，可以使被加工工件快速达到所需温度，该所需温度通常在500～800℃的范围内。

优选的，电阻加热器24的额定功率不大于电阻加热器24维持被加工工件的温度所需的输出功率的2倍，换言之，电阻加热器24维持被加工工件的温度所需的输出功率大于或等于电阻加热器24的额定功率，这可以在保证将被加工工件的温度维持在所需温度的前提下，避免电阻加热器24在保温过程中使用的输出功率相对于其额定功率过低，从而可以确保电阻加热器24在保温过程中使用的输出功率在其能够精确控制温度的范围内，进而可以实现精确地控制被加工工件的温度。例如，在进行例如AlN薄膜的沉积工艺时，电阻加热器24将被加工工件维持在所需温度采用的输出功率通常为0.5KW作用，在这种情况下，优选总额定功率为1KW的电阻加热器24。

需要说明的是，在本实施例中，红外加热灯23包括多个红外加热灯泡232，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，红外加热灯也可以包括至少一个水平设置的红外加热灯管，或者还可以采用其他任意结构达到红外加热灯，只要其能够均匀地朝向被加工工件辐射热量即可。

还需要说明的是，在本实施例中，传输机构传输升温加热器的方式是利用旋转轴27和旋转驱动源28驱动升温加热器旋转，以使其旋入容纳腔26或者反应腔室20，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他任意方式在容纳腔和反应腔室之间传输被加工工件，例如，可以在容纳腔内设置可水平伸缩的机械手，该机械手可以携带升温加热器伸入反应腔室内升降基座上方，或者缩回容纳腔。

图3A为本发明第二实施例提供的反应腔室在一种状态下的剖视图。图3B为本发明第二实施例提供的反应腔室另一种状态下的剖视图。图3C为本发明第二实施例提供的反应腔室又一种状态下的剖视图。请一并参阅图3A-3C，本实施例提供的反应腔室与上述第一实施例相比，其区别仅在于：升温加热器的结构和加热方式不同，并根据升温加热器的不同加热方式，对传输机构的结构和功能作适应性设计。

具体地，在本实施例中，升温加热器30包括导热性能较好的加热载体以及设置在该加热载体内的电阻丝(或加热管)301。由于该加热方式需要使升温加热器30的加热载体与被加工工件的上表面相接触，以将由电阻丝301产生的热量传递至被加工工件，而在完成加热之后，该升温加热器30同样会阻挡升降基座21自装卸位置A上升至工艺位置B，为此，与上述第一实施例相类似的，反应腔室20还包括容纳腔26和传输机构。其中，容纳腔26用于在升温加热器30不工作时盛放该升温加热器30，其具有与反应腔室20相连通的开口；传输机构用于通过该开口在容纳腔26与反应腔室20之间传输升温加热器30。进一步地，该传输机构包括升降机构33和旋转机构，其中，升降机构33用于在升降基座21位于装卸位置A时，驱动升温加热器30下降至与被加工工件上表面相接触的位置，或者上升至位于升降基座21上方的位置；旋转机构用于驱动升温加热器30旋转至位于升降基座21上方的位置，或者容纳腔26内。容易理解，升降机构33同时与旋转机构和升温加热器30连接，用以使二者同步作升降运动。

上述旋转机构包括旋转轴31和旋转驱动源32，其中，旋转轴31竖直设置反应腔室20内，且位于与上述开口相对应的位置处，并且旋转轴31分别与升温加热器30和旋转驱动源32连接；旋转驱动源32用于在升降基座21位于装卸位置A时，驱动旋转轴31旋转，以使其带动升温加热器30旋转至反应腔室20内，且位于升降基座21的上方，或者旋转至容纳腔26内。

在进行工艺的过程中，首先将托盘传输至反应腔室20内，并放置于位于装卸位置A的升降基座21上；然后利用旋转驱动源32通过旋转轴31驱动升温加热器30自容纳腔26旋入反应腔室20内，并到达升降基座21上方，如图3B所示；再利用升降机构33驱动升温加热器30下降至与被加工工件上表面相接触的位置，如图3A所示。开启升温加热器30，并以其最大输出功率加热被加工工件，以使其快速升温；在被加工工件达到所需温度后关闭升温加热器30，并利用升降机构33驱动升温加热器30上升至位于升降基座21的上方的位置；然后利用利用旋转驱动源32通过旋转轴31驱动升温加热器30自反应腔室20旋回容纳腔26，如图3C所示。开启电阻加热器24，并以较低的输出功率加热被加工工件，以使其温度维持在所需温度。升降电机25驱动升降基座21上升至工艺位置B，进行相应的工艺。

图4A为本发明第三实施例提供的反应腔室在一种状态下的剖视图。图4B为本发明第三实施例提供的反应腔室另一种状态下的剖视图。图4C为本发明第三实施例提供的反应腔室又一种状态下的剖视图。请一并参阅图4A-4C，本实施例与上述第一、第二实施例相比，其区别仅在于：升温加热器的结构和加热方式不同，并根据升温加热器的不同加热方式，对反应腔室和传输机构的结构和功能作适应性设计。

具体地，在本实施例中，用于承载至少一个被加工工件的托盘为石墨托盘40，该石墨托盘40在位于反应腔室21内时由升降基座21承载。而且，升温加热器41采用感应加热的方式加热石墨托盘40，从而间接加热被加工工件。

在本实施例中，升温加热器41包括设置在反应腔室20内的环形载体和缠绕设置在该环形载体内的感应线圈411。此外，环形载体的顶端低于承载位置A，以保证其不会干扰石墨托盘40的传输路径。

在进行工艺的过程中，首先将石墨托盘40传输至反应腔室20内，并放置于位于装卸位置A的升降基座21上，如图4B所示；然后利用升降电机25驱动升降基座21下降至环形载体所括空间内的预设位置C，如图4A所示；向感应线圈411内通入交流电，在石墨托盘40内将感应出交变的涡电流，涡电流将石墨托盘40加热，从而间接地加热被加工工件，以使其快速升温；在被加工工件达到所需温度后关闭升温加热器41，并利用升降电机25驱动升降基座21上升至装卸位置A。开启电阻加热器24，并以较低的输出功率加热被加工工件，以使其温度维持在所需温度。升降电机25驱动升降基座21上升至工艺位置B，进行相应的工艺，如图4C所示。

需要说明的是，在实际应用中，本发明提供的反应腔室优选应用在需要将被加工工件加热至较高温度，同时又需要对其进行保温的工艺。例如，采用磁控溅射的方法在衬底上沉积AlN(氮化铝)薄膜。

综上所述，本发明实施例提供的反应腔室，其通过单独采用两种加热器分别用于升温和保温，这与现有技术相比，不仅可以通过采用更高额定功率的升温加热器来提高加热效率，而且在保证将被加工工件的温度维持在所需温度的前提下，还可以通过采用低额定功率的保温加热器，来避免其在保温过程中使用的输出功率相对于其额定功率过低，从而可以确保保温加热器在保温过程中使用的输出功率在其能够精确控制温度的范围内，进而可以实现精确地控制被加工工件的温度。

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 (12)

1.一种反应腔室，包括可作升降运动的升降基座，用于通过上升或下降将被加工工件传输至工艺位置或者装卸位置；其特征在于，所述反应腔室还包括：

升温加热器，用于在所述升降基座位于所述装卸位置时，使所述被加工工件的温度快速升温至所需温度；

保温加热器，用于在所述升温加热器完成加热之后，将所述被加工工件的温度维持在所述所需温度。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括：

可容纳所述升温加热器的容纳腔，其具有与所述反应腔室相连通的开口；

传输机构，用于通过所述开口在所述容纳腔与所述反应腔室之间传输所述升温加热器。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述升温加热器采用热辐射的方式加热所述被加工工件；

所述传输机构包括旋转轴和旋转驱动源，其中，

所述旋转轴竖直设置所述反应腔室内，且位于与所述开口相对应的位置处，并且所述旋转轴分别与所述升温加热器和所述旋转驱动源连接；

所述旋转驱动源用于在所述升降基座位于所述装卸位置时，驱动所述旋转轴旋转，以使其带动所述升温加热器旋转至所述反应腔室内位于所述升降基座上方的位置，或者所述容纳腔内。

4.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述升温加热器包括红外加热灯、供电接线和真空电极，其中，

所述红外加热灯用于朝向所述升降基座辐射热量；

所述真空电极设置在所述反应腔室的底部，所述真空电极的一端通过所述供电接线与所述红外加热灯电性连接；所述真空电极的另一端延伸至所述反应腔室的外部。

5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述红外加热灯包括至少一个水平设置的红外加热灯管，或者沿水平方向排列的多个红外加热灯泡。

6.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述升温加热器还包括光反射件，所述光反射件设置在所述红外加热灯的上方，用以将辐射至所述光反射件表面上的光线朝向所述升降基座反射。

7.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述红外加热灯的总额定功率为10～15KW。

8.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述升温加热器采用热传导的方式加热所述被加工工件；

所述传输机构包括升降机构和旋转机构，其中，

所述升降机构用于在所述升降基座位于所述装卸位置时，驱动所述升温加热器下降至与所述被加工工件上表面相接触的位置，或者上升至位于所述升降基座上方的位置；

所述旋转机构用于驱动所述升温加热器旋转至位于所述升降基座上方的位置，或者所述容纳腔内。

9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括石墨托盘，用于承载至少一个被加工工件；所述石墨托盘在位于所述反应腔室内时由所述升降基座承载；

所述升温加热器采用感应加热的方式加热所述石墨托盘，从而间接加热所述被加工工件。

10.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述保温加热器的额定功率不大于所述保温加热器维持所述被加工工件的温度所需的输出功率的2倍。

11.根据权利要求10所述的反应腔室，其特征在于，所述保温加热器的额定功率为1KW。

12.根据权利要求1-11任意一项所述的反应腔室，其特征在于，所述保温加热器包括电阻加热器，所述电阻加热器设置在所述升降基座内，用以采用热传导的方式加热被加工工件。