CN106711063B - 冷却腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷却腔室及半导体加工设备，其包括承载装置、透视窗、反射镜和红外测温器，其中，透视窗设置在冷却腔室的腔室壁上，被加工工件辐射出的红外光线经由透视窗照射至反射镜上；反射镜设置在冷却腔室的外侧，用以将照射至反射镜上的红外光线反射至红外测温器；红外测温器用于接收由反射镜反射而来的红外光线，并根据红外光线的强度进行计算，而获得被加工工件的温度。本发明提供的冷却腔室，其可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

Description

冷却腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种冷却腔室及半导体加工设备。

背景技术

PVD作为一种薄膜沉积技术主要用于各种功能薄膜的沉积，该技术被广泛应用于集成电路、LED、平板显示等泛半导体领域。在进行PVD工艺的过程中，首先需要通过将晶片传输至预热腔室中进行加热，以使晶片的温度达到工艺温度，或者直接在反应腔室内将晶片加热至工艺温度，然后在反应腔室内完成薄膜溅射工艺。当工艺结束后，晶片仍处于高温状态，若此时将其传输至装卸腔，并直接由操作人员取出，会存在以下两种风险：一是高温晶片可能会烫伤操作人员；二是高温晶片会被大气中的氧气快速氧化，影响薄膜质量。为此，当工艺结束后，通常需要将高温晶片传输至冷却腔室进行冷却，待晶片的温度降低至接近室温时，再将晶片自冷却腔室传输至装卸腔室内的片盒中，并由操作人员将该片盒取出，以进行后续工艺。

在冷却腔室中，为了实现快速降温，通常采用水冷或者氮气吹扫的方式来加速晶片降温。然而，冷却速度也不能过快，否则会因晶片表面温差过大而造成晶片破裂或者薄膜质量恶化；冷却速度也不能过慢，否则会影响设备产能。因此，若能够准确预知晶片的降温过程，则可以通过调节冷却水(例如冷却水的流量和温度)或者氮气吹扫时的腔室压强而使得晶片能够以合理的速度降温。

现有的一种测量晶片温度的方法是在将晶片传输至冷却腔室冷却预设的冷却时间之后，将晶片传出，并利用测温枪或者热电偶等测量晶片的温度，以确定冷却时间是否合适，若出现冷却时间过长或过短的问题，则可以通过调节冷却水的流量和温度或者氮气吹扫时的腔室压强，来缩短或延长冷却时间。调节完成后，还需要反复进行多次实验确定冷却时间，直至该冷却时间能满足工艺对晶片温度和设备产能的要求。

上述测量晶片温度的方法在实际应用中不可避免地存在以下问题：

由于在冷却晶片的过程中，只能在冷却完成之后自腔室内取出晶片之后才能进行晶片温度的检测，而无法实时获得晶片温度和冷却速度，这使得冷却时间只能操作人员的经验而确定，从而往往存在冷却时间设置得过长或过短的情况。而且，由于需要反复进行多次实验确定冷却时间，实验过程复杂，效率较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种冷却腔室及半导体加工设备，其可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种冷却腔室，包括设置在所述冷却腔室内的承载装置，用于承载被加工工件，还包括透视窗、反射镜和红外测温器，其中，所述透视窗设置在所述冷却腔室的腔室壁上，所述被加工工件辐射出的红外光线经由所述透视窗照射至所述反射镜上；所述反射镜设置在所述冷却腔室的外侧，用以将照射至所述反射镜上的所述红外光线反射至所述红外测温器；所述红外测温器用于接收由所述反射镜反射而来的所述红外光线，并根据所述红外光线的强度进行计算，而获得所述被加工工件的温度。

优选的，所述承载装置包括片盒和片盒驱动装置，其中，所述片盒用于承载多个被加工工件，且多个被加工工件沿竖直方向间隔设置；所述片盒驱动装置用于驱动所述片盒沿竖直方向上升或下降，以使所述片盒中的各个被加工工件逐一位于测温基准位置；所述测温基准位置为所述被加工工件所在位置满足由其辐射出的红外光线经由所述透视窗照射至所述反射镜上，并被所述反射镜反射至所述红外测温器。

优选的，所述测温基准位置与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距采用以下公式获得：

L3＝L2+(L1+d)×tanθ

其中，L3为所述测温基准位置与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距；L1为所述被加工工件的边缘与所述冷却腔室的侧壁之间的水平间距；L2为所述透视窗在竖直方向上的中心点与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距；d为所述红外测温器测量所述红外光线的直径；θ为所述红外光线与所述被加工工件的检测表面之间的夹角。

优选的，所述红外光线与所述被加工工件的检测表面之间的夹角θ大于或者等于45°。

优选的，所述片盒驱动装置驱动所述片盒移动的位移量采用以下公式获得：

S＝L3-L4

其中，S为所述片盒驱动装置驱动所述片盒移动的位移量；L3为所述测温基准位置与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距；L4为所述被加工工件的检测表面与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距。

优选的，所述被加工工件的检测表面包括所述被加工工件的上表面或者下表面。

优选的，通过调整所述反射镜和所述红外测温器的安装角度，实现对所述被加工工件的上表面或者下表面的温度进行检测。

优选的，所述冷却腔室还包括测温驱动装置，用于驱动所述反射镜和所述红外测温器沿竖直方向上升或下降。

优选的，所述冷却腔室还包括控制单元，所述红外测温器将所述被加工工件的温度发送至所述控制单元；所述控制单元用于判断所述被加工工件的温度是否等于或低于预设的目标温度，若是，则确定允许将所述被加工工件传出所述冷却腔室；若否，则确定需要继续冷却所述被加工工件。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室和冷却腔室，被加工工件在所述反应腔室内完成工艺之后，被传入所述冷却腔室内进行冷却，所述冷却腔室采用本发明提供的上述冷却腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的冷却腔室，其设置有透视窗、反射镜和红外测温器，由被加工工件辐射出的红外光线可以经由透视窗照射至反射镜上，并由该反射镜反射至红外测温器，该红外测温器根据该红外光线的强度进行计算，而获得被加工工件的温度。这样，可以在冷却被加工工件时，实时获知被加工工件的温度，从而可以根据该温度及时地调整工艺时间，以保证被加工工件能够以合适的温度传出冷却腔室，进而可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述冷却腔室，可以在冷却被加工工件时，实时获知被加工工件的温度，从而可以根据该温度及时地调整工艺时间，以保证被加工工件能够以合适的温度传出冷却腔室，进而可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的冷却腔室的剖视图；

图2为本发明实施例采用的片盒驱动装置的结构示意图；

图3为本发明实施例采用的红外测温器的测温原理图；以及

图4为本发明实施例的一个变型实施例提供的冷却腔室的剖视图。

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冷却腔室及半导体加工设备进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的冷却腔室的剖视图。图2为本发明实施例采用的片盒驱动装置的结构示意图。请一并参阅图1和图2，冷却腔室1包括承载装置、透视窗13、反射镜5和红外测温器6。其中，承载装置设置在冷却腔室1内，用于承载被加工工件。在本实施例中，该承载装置包括片盒3和片盒驱动装置4，其中，片盒3用于承载多个被加工工件2，且多个被加工工件2沿竖直方向间隔设置。具体来说，片盒3由沿竖直方向间隔设置的五个槽位31，以及支撑各个槽位的竖直支架32组成，五个槽位31上一一对应地放置有五个被加工工件2，由上而下分别为第一被加工工件21至第五被加工工件25，该被加工工件2可以为晶片或者用于承载至少一个晶片的托盘。当然，在实际应用中，上述槽位31的数量并局限于五个，还可以为两个、三个、四个或者六个以上。

片盒驱动装置4用于驱动片盒3沿竖直方向上升或下降，以使片盒3中的各个被加工工件2逐一位于取放片位置，以供操作人员或者机械手取出该取放片位置处的被加工工件2。在本实施例中，片盒驱动装置4包括旋转电机41、丝杠42、滑块43、升降轴44和竖直导轨45。其中，旋转电机41用于驱动竖直设置的丝杠42旋转；滑块43同时与丝杠42和竖直导轨45相配合；升降轴44的下端与滑块43连接，升降轴44的上端自冷却腔室1的底部伸入冷却腔室1内，并与片盒3连接。在旋转电机41驱动丝杠42旋转时，滑块43沿竖直导轨45作直线运动，从而带动与之连接的升降轴44和片盒3上升或下降。在实际应用中，片盒驱动装置4的结构并不局限于此，只要能够驱动片盒3沿竖直方向上升或下降即可。

透视窗13设置在冷却腔室1的腔室壁(即侧壁11)上，用以供被加工工件辐射出的红外光线透出冷却腔室1。反射镜5设置在冷却腔室1的外侧，且其反射镜面51朝上设置，由被加工工件2的下表面辐射出的红外光线可以经由透视窗13照射至反射镜5上，反射镜5将照射至其上的红外光线反射至红外测温器6。红外测温器6用于接收由反射镜5反射而来的红外光线，并根据该红外光线的强度进行计算，而获得被加工工件2的温度。具体来说，红外测温器6由探头61和处理电路62组成，探头61用于接收由反射镜5反射而来的红外光线，并将其转换成电信号发送至处理电路62；处理电路62用于通过解析该电信号而获得红外光线的强度，并进行计算获得被加工工件2的温度。

在冷却被加工工件时，利用上述透视窗13、反射镜5和红外测温器6，可以实时获知被加工工件2的温度，从而可以根据该温度及时地调整工艺时间，以保证被加工工件能够以合适的温度传出冷却腔室，从而可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

优选的，冷却腔室1还包括控制单元，该控制单元可以为诸如PLC或者计算机等的微处理器。红外测温器6将被加工工件的温度发送至该控制单元；控制单元用于判断被加工工件的温度是否等于或低于预设的目标温度。若是，则确定允许将被加工工件传出冷却腔室；若否，则确定需要继续冷却被加工工件。上述目标温度即为被加工工件被允许传出冷却腔室时的温度，可以根据工艺要求和操作安全要求而设定。在实际应用中，控制单元也可以将判断结果显示在人机操作界面中，由操作人员读取温度后，判定是否将该被加工工件取出。或者，还可以根据判断结果控制机械手自动将被加工工件取出。

在实际应用中，可以采用以下两种方式将被加工工件传出冷却腔室：

第一种方式，将片盒3中的多个被加工工件批量传出。在这种情况下，仅在冷却过程中，对片盒3中最后一个完成工艺的被加工工件的当前温度进行实时监控，并判断该被加工工件的当前温度是否等于或低于预设的目标温度，若是，则可将片盒3中的所有被加工工件批量传出。

第二种方式，将片盒3中的被加工工件单独传出。在这种情况下，在冷却过程中，对片盒3中的所有被加工工件的当前温度进行实时监控，并判断各个被加工工件的当前温度是否等于或低于预设的目标温度，当某个被加工工件的当前温度等于或低于预设的目标温度时，则将该被加工工件单独传出。

在本实施例中，首先需要使用片盒驱动装置4将待测温的被加工工件2移动至测温基准位置A，例如，若需要测量第四被加工工件24的温度，则将第四被加工工件24移动至测温基准位置A，如图1所示。在该测温基准位置A处，由第四被加工工件24辐射出的红外光线可以经由透视窗13照射至反射镜5上，并被反射镜5反射至红外测温器6的探头61。换言之，测温基准位置A的设置应满足以下条件，即：由第四被加工工件24辐射出的红外光线可以经由透视窗13照射至反射镜5上，并被反射镜5反射至红外测温器6的探头61。与之相同的，在需要测量其他被加工工件时，使用片盒驱动装置4驱动片盒3上升或下降，以使片盒3中的各个被加工工件2逐一位于测温基准位置A。

下面对测温基准位置A的设置方式进行详细描述。具体地，以第四被加工工件24位于测温基准位置A为例，如图1所示，L1为被加工工件24的边缘与冷却腔室1的侧壁11之间的水平间距，优选的，考虑到在片盒驱动装置4驱动片盒3升降时产生的位置偏差，可以在该水平间距L1的基础上增加一定的裕量(例如1mm)，即，将水平间距L1与裕量的总和带入上述公式进行计算。

d为红外测温器6测量由第四被加工工件24辐射出的红外光线的直径。进一步说，图3为本发明实施例采用的红外测温器的测温原理图。如图3所示，红外测温器6的基本原理是通过采集被测物体(被加工工件2)辐射出的红外光线，并根据该红外光线的强度计算得到被测物体的温度。在本实施例中，第四被加工工件24的下表面用作检测表面，由该下表面上的光斑区域D辐射出的红外光线B会经由反射镜5被红外测温器6的探头61接收到，该光斑区域D的直径即为红外测温器6测量由第四被加工工件24辐射出的红外光线的直径d。该直径d的大小由被测物体与探头之间的距离，以及探头光学镜头的测温距离与光斑直径的比值决定。为保证测温准确性，要求被测物体的检测表面的面积大于光斑区域D，且该光斑区域D完全落在被测物体的检测表面上。

夹角θ为由第四被加工工件24辐射出的红外光线与第四被加工工件24的检测表面(即下表面)之间的夹角。优选的，夹角θ大于或者等于45°，以确保测温的准确性。由此可以得到以下公式：

L5＝L6×tanθ (1)

L6＝L1+d (2)

L2为透视窗13在竖直方向上的中心点与冷却腔室1的底壁12之间的竖直间距。

根据上述公式(1)和(2)以及竖直间距L2，可以得到以下公式：

L3＝L2+(L1+d)×tanθ (3)

其中，L3为测温基准位置A与冷却腔室1的底壁12之间的竖直间距。片盒驱动装置4可以根据该竖直间距L3以及第四被加工工件24与冷却腔室1的底壁12之间的竖直间距，将第四被加工工件24移动至测温基准位置A。

下面对片盒3中各个槽位上的被加工工件2的测温位置的定位方式进行详细描述。具体地，通过获得片盒驱动装置4驱动片盒3移动的位移量，来使片盒3中各个槽位上的被加工工件2移动至测温基准位置A。该位移量可以采用以下公式获得：

S＝L3-L4

其中，S为片盒驱动装置4驱动片盒3移动的位移量；L3为测温基准位置A与冷却腔室1的底壁12之间的竖直间距；L4为第四被加工工件24的检测表面(下表面)与冷却腔室1的底壁12之间的竖直间距。以上以第四被加工工件24为例。片盒驱动装置4将其他被加工工件移动至测温基准位置A的位移量的定位方式与上述第四被加工工件24的定位方式相同，而只需相应的测量各个被加工工件2的检测表面与冷却腔室1的底壁12之间的竖直间距L4即可。

为了保证测温的准确性，还需要对红外测温器6的发射率进行校准。以第四被加工工件24为例，红外测温器6的发射率校准过程如下：

第一步，将第四被加工工件24移动至测温基准位置A。

第二步，同时利用热电偶和红外测温器6测量第四被加工工件24的下表面温度。

第三步，判断红外测温器6的测量结果与热电偶的测量结果的偏差是否在±5℃范围内，如是，则完成发射率的校准；若否，则执行第四步，调整红外测温器6的发射率。

第四步，根据由热电偶测量获得的第四被加工工件24的下表面温度，调整红外测温器6的发射率，以使得红外测温器6的测量结果与热电偶的测量结果的偏差在±5℃范围内。在校准红外测温器6的发射率的过程中，若相比热电偶的测温结果Tmep，红外测温器6的测温结果＞Temp+5，则增大红外测温器6的发射率；若相比热电偶的测温结果Tmep，红外测温器6的测温结果＜Temp－5，5为偏差值，则减小红外测温器6的发射率。上述测量结果的偏差值不局限于5，还可以根据对测温准确性的要求设定其他数值。

优选的，冷却腔室1还包括测温驱动装置(图中未示出)，用于驱动反射镜5和红外测温器6沿竖直方向上升或下降。在这种情况下，无需借助片盒驱动装置4将待测温的被加工工件2移动至测温基准位置A，而只需通过驱动反射镜5和红外测温器6沿竖直方向上升或下降，来使反射镜5和红外测温器6移动至可接收到由待测温的被加工工件2辐射出的红外光线的位置处。

图4为本发明实施例的一个变型实施例提供的冷却腔室的剖视图。请参阅图4，本变型实施例与上述实施例的区别仅在于：被加工工件的上表面用作检测表面，即，由被加工工件的上表面辐射出的红外光线7经由反射镜5反射至红外测温器6。在这种情况下，可以通过调整反射镜5和红外测温器6的安装角度，即，使反射镜5的反射镜面51朝下设置，且使红外测温器6的探头61能够接收到由反射镜5反射出来的红外光线7。

需要说明的是，在本实施例中，承载装置包括片盒3和片盒驱动装置4，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，承载装置还可以为用于承载单个晶片或者单层托盘的基座。

综上所述，本发明实施例提供的冷却腔室，其可以在冷却被加工工件时，实时获知被加工工件的温度，从而可以根据该温度及时地调整工艺时间，以保证被加工工件能够以合适的温度传出冷却腔室，进而可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室和冷却腔室，其中，反应腔室用于对被加工工件进行工艺(沉积或刻蚀等等)。当工艺结束后，被加工工件仍处于高温状态，在这种情况下，通过将高温的被加工工件传入冷却腔室进行冷却，直至其温度至接近室温时，再将晶片自冷却腔室传输至装卸腔室内的片盒中，并由操作人员将该片盒取出，以进行后续工艺。该冷却腔室采用了本发明实施例提供的上述冷却腔室。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述冷却腔室，可以在冷却被加工工件时，实时获知被加工工件的温度，从而可以根据该温度及时地调整工艺时间，进而可以避免因冷却速度过快或过慢而造成的晶片破裂或者薄膜质量恶化或者设备产能低下的问题。

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)

1.一种冷却腔室，包括设置在所述冷却腔室内的承载装置，用于承载被加工工件，其特征在于，还包括透视窗、反射镜和红外测温器，其中，

所述透视窗设置在所述冷却腔室的腔室壁上，所述被加工工件辐射出的红外光线经由所述透视窗照射至所述反射镜上；

所述反射镜设置在所述冷却腔室的外侧，用以将照射至所述反射镜上的所述红外光线反射至所述红外测温器；

所述红外测温器用于接收由所述反射镜反射而来的所述红外光线，并根据所述红外光线的强度进行计算，而获得所述被加工工件的温度；

所述承载装置包括片盒和片盒驱动装置，其中，

所述片盒用于承载多个被加工工件，且多个被加工工件沿竖直方向间隔设置；

所述片盒驱动装置用于驱动所述片盒沿竖直方向上升或下降，以使所述片盒中的各个被加工工件逐一位于测温基准位置；所述测温基准位置为所述被加工工件所在位置满足由其辐射出的红外光线经由所述透视窗照射至所述反射镜上，并被所述反射镜反射至所述红外测温器；

所述测温基准位置与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距采用以下公式获得：

L3＝L2+(L1+d)×tanθ

其中，L3为所述测温基准位置与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距；L1为所述被加工工件的边缘与所述冷却腔室的侧壁之间的水平间距；L2为所述透视窗在竖直方向上的中心点与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距；d为所述红外测温器测量所述红外光线的直径；θ为所述红外光线与所述被加工工件的检测表面之间的夹角。

2.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述红外光线与所述被加工工件的检测表面之间的夹角θ大于或者等于45°。

3.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述片盒驱动装置驱动所述片盒移动的位移量采用以下公式获得：

S＝L3-L4

其中，S为所述片盒驱动装置驱动所述片盒移动的位移量；L3为所述测温基准位置与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距；L4为所述被加工工件的检测表面与所述冷却腔室的底壁之间的竖直间距。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的冷却腔室，其特征在于，所述被加工工件的检测表面包括所述被加工工件的上表面或者下表面。

5.根据权利要求4所述的冷却腔室，其特征在于，通过调整所述反射镜和所述红外测温器的安装角度，实现对所述被加工工件的上表面或者下表面的温度进行检测。

6.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述冷却腔室还包括测温驱动装置，用于驱动所述反射镜和所述红外测温器沿竖直方向上升或下降。

7.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述冷却腔室还包括控制单元，

所述红外测温器将所述被加工工件的温度发送至所述控制单元；所述控制单元用于判断所述被加工工件的温度是否等于或低于预设的目标温度，若是，则确定允许将所述被加工工件传出所述冷却腔室；若否，则确定需要继续冷却所述被加工工件。

8.一种半导体加工设备，包括反应腔室和冷却腔室，被加工工件在所述反应腔室内完成工艺之后，被传入所述冷却腔室内进行冷却，其特征在于，所述冷却腔室采用权利要求1-7任意一项所述的冷却腔室。