CN107195567B - 冷却腔室及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷却腔室及半导体加工设备，其在冷却腔室的腔室壁内设置有第一冷却通道，通过向该第一冷却通道内通入冷却媒介，来冷却腔室壁；并且，在冷却腔室内设置有用于承载托盘的托架，托盘用于承载被加工工件，并且，在冷却腔室的腔室壁的至少部分内表面形成有黑色氧化层。本发明提供的冷却腔室，其可以提高对托盘的冷却效率，从而可以提高设备的产能。

Description

冷却腔室及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种冷却腔室及半导体加工设备。
背景技术
物理气相沉积(PVD)技术是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。在PVD工艺中，多数薄膜的沉积需要基座对晶片进行冷却或者加热，其效率对于沉积薄膜的质量有着至关重要的作用。
在高温工艺结束之后，用于承载晶片的托盘在从工艺腔室传出之后，并暴露在大气环境中之前，需要在真空中将自身温度降低至较低的温度，以保证沉积薄膜的质量并方便操作人员的操作。为了能够在使托盘降低至合理温度的同时，又不影响设备的产能，这就要求对托盘的冷却时间、冷却方式有合理的规划。
图1为现有的冷却腔室的结构示意图。如图1所示，冷却腔室由腔体102和上盖101限定而成。其中，分别在腔体102和上盖101内设置有冷却通道(图中未示出)，并且在腔体102的底部设置有第一接入块103，用以向腔体102内的冷却通道内通入冷却水，并回收自冷却通道排出的冷却水。而且，在上盖101的顶部设置有第二接入块106，用以向上盖101内的冷却通道内通入冷却水，并回收自冷却通道排出的冷却水。此外，在腔体102内还设置有用于承载托盘的托盘托架105，以及用于驱动该托盘托架105上升或下降的升降机构104。当PVD工艺结束后，机械手将托盘从工艺腔室传出，并传入上述冷却腔室中，放置于托盘托架105上；然后通过升降机构104驱动托盘上升或者下降至合适的冷却位置。由于在腔体102和上盖101内均有水路流通，冷却腔室的内部温度低于托盘的温度，这使得托盘的热量会散发，并被冷却腔室吸收，再通过在冷却通道中流通的水将其热量带走，从而托盘会逐步降温。
但是，由于受到腔体102和上盖101自身材料(通常为钢)的吸热性能的限制，冷却腔室的吸热效率较低，导致托盘的降温速度缓慢，从而无法满足设备的产能需求。
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，提出了一种冷却腔室及半导体加工设备，其可以提高对托盘的冷却效率，从而可以提高设备的产能。
为实现本发明的目的而提供一种冷却腔室，在所述冷却腔室的腔室壁内设置有第一冷却通道，通过向所述第一冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述腔室壁；并且，在所述冷却腔室内设置有用于承载托盘的托架，所述托盘用于承载被加工工件，在所述冷却腔室的腔室壁的至少部分内表面形成有黑色氧化层。
优选的，制作所述冷却腔室的腔室壁的材料包括铝；所述黑色氧化层采用对所述腔室壁的至少部分内表面进行黑色阳极氧化处理的方式形成。
优选的，在所述冷却腔室内，且位于所述托架的下方还设置有冷却盘，所述冷却盘的上表面高于所述腔室壁的底壁的上表面；在所述冷却盘内设置有第二冷却通道，通过向所述第二冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述冷却盘。
优选的，在所述腔室壁的底壁上设置有沿其厚度贯穿的通孔；在所述腔室壁的底壁的下表面设置有安装法兰，所述安装法兰封闭所述通孔；并且，在所述安装法兰上，且位于所述通孔内设置有安装块，所述冷却盘固定在所述安装块的顶部。
优选的，在所述安装法兰的底部设置有第一接入块，在所述第一接入块内设置有入流接口和出流接口，二者与所述第二冷却通道连接，分别用于输入和输出所述第二冷却通道内的冷却媒介。
优选的，在所述冷却腔室内，且位于所述托架的下方还设置有冷却盘，所述冷却盘的上表面高于所述腔室壁的底壁的上表面；所述冷却盘与所述腔室壁的底壁相接触。
优选的，在所述冷却盘的上表面形成有黑色氧化层。
优选的，制作所述冷却盘的材料包括铝；所述黑色氧化层采用对所述冷却盘的上表面进行黑色阳极氧化处理的方式形成。
优选的，在所述冷却腔室的腔室壁上分别设置有进气通道和排气通道，其中，所述进气通道用于向所述冷却腔室的内部输送冷却气体；所述排气通道用于排出所述冷却腔室内的冷却气体。
优选的，所述第一冷却通道设置在所述腔室壁的侧壁和底壁内；在所述腔室壁的顶壁内设置有第三冷却通道，通过向所述第三冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述顶壁。
优选的，在所述腔室壁的底壁上设置有第二接入块，在所述第二接入块内设置有入流接口和出流接口，二者与所述第一冷却通道连接，分别用于输入和输出所述第一冷却通道内的冷却媒介；在所述腔室壁的顶壁上设置有第三接入块，在所述第三接入块内设置有入流接口和出流接口，二者与所述第三冷却通道连接，分别用于输入和输出所述第三冷却通道内的冷却媒介。
优选的，在所述托架的底部设置有升降机构，用于驱动所述托架上升或下降。
优选的，所述托架包括至少两层支撑部，所述至少两层支撑部沿竖直方向间隔设置，每层支撑部用于支撑一个所述托盘。
优选的，所述冷却媒介包括冷却液或者冷却气体。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括工艺腔室、传输腔室和冷却腔室，其中，在所述传输腔室内设置有机械手，用以将完成工艺的托盘自所述工艺腔室内传出，并传入所述冷却腔室内，所述冷却腔室包括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，其在其腔室壁的至少部分内表面形成有黑色氧化层，由于该黑色氧化层的黑度较高，其具有良好的吸热性能，因此，借助黑色氧化层，可以提高对托盘的冷却效率，从而可以提高设备的产能。
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，可以对托盘的冷却效率，从而可以提高设备的产能。
附图说明
图1为现有的冷却腔室的剖视图；以及
图2为本发明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2为本发明实施例提供的冷却腔室的剖视图。请参阅图2，冷却腔室的腔室壁包括顶壁21、侧壁20和底壁30，侧壁20和底壁30形成顶部具有开口的一体式腔体，顶壁21设置在该一体式腔体的顶部，封闭腔体的顶部开口。其中，在侧壁20和底壁30内设置有第一冷却通道(图中未示出)；在顶壁21内设置有第三冷却通道(图中未示出)。而且，在冷却腔室内设置有用于承载托盘23的托架22，托盘23用于承载被加工工件。在本实施例中，托架22包括两层支撑部221，两层支撑部221沿竖直方向间隔设置，每层支撑部221用于支撑一个托盘23。当第一个托盘23完成第1轮工艺之后，将其传送至冷却腔室内，并放置在位于上层的支撑部221上进行冷却。当第二个托盘23完成第2轮工艺之后，将其传送至冷却腔室内，并放置在位于下层的支撑部221上进行冷却。这样，由位于上层的支撑部221支撑的第一个托盘23可以同由位于下层的支撑部221支撑的第二个托盘23一起继续进行冷却。然后，在第三个托盘23完成第3轮工艺之前，将由位于上层的支撑部221支撑的第一个托盘23自冷却腔室内传出。在第三个托盘23完成第3轮工艺之后，将第三个托盘23传送至冷却腔室内，并放置在位于上层的支撑部221上进行冷却，以此类循环。
在这种情况下，在托架22的底部设置有升降机构28，用于驱动该托架22上升或下降。在升降机构28的驱动下，可以使两层支撑部221的高度逐个与冷却腔室用于供托盘23通过的阀口202的高度一致，以便机械手能够自阀口202将托盘23传入冷却腔室内，并放置在高度与阀口202一致的支撑部221上；或者，自高度与阀口202一致的支撑部221上取出托盘23。此外，升降机构28还用于调整托盘23的高度，以使其位于合适的冷却位置。
当对托盘23进行冷却时，通过分别向第一冷却通道和第三冷却通道内通入冷却媒介，来冷却侧壁20、底壁30和顶壁21。当两层支撑部221上均放置有托盘23时，位于上层的支撑部221上的托盘23所散发的热量被顶壁21吸收，位于下层的支撑部221上的托盘23所散发的热量被侧壁20和底壁30吸收，再分别通过第一冷却通道和第三冷却通道中的冷却媒介将热量带走，最终使托盘23的温度下降至所需的温度。上述冷却媒介包括冷却液或者冷却气体。
此外，在冷却腔室的腔室壁的整个内表面形成有黑色氧化层，具体地，该黑色氧化层包括覆盖在侧壁20和底壁30的整个内表面上的第一部分201和覆盖在顶壁21的整个内表面上的第二部分211。由于上述黑色氧化层的黑度(将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，又称辐射率)较高，其具有良好的吸热性能，从而在对托盘23进行冷却时，可以提高对托盘23的冷却效率，从而可以提高设备的产能。当然，在实际应用中，也可以根据具体情况在腔室壁的一部分内表面形成上述黑色氧化层，而无需对腔室壁的整个内表面覆盖。
优选的，制作冷却腔室的腔室壁(侧壁20、底壁30和顶壁21)的材料包括铝。并且，上述黑色氧化层采用对腔室壁的至少部分内表面进行黑色阳极氧化处理的方式形成。由于铝的黑度较高(例如高于钢的黑度)，而进行过强烈氧化的铝的黑度尤其的高，因此，通过将侧壁20、底壁30和顶壁21均采用铝制作，并对二者的整个内表面进行黑色阳极氧化处理，形成上述黑色氧化层，可以进一步提高对托盘23的冷却效率，从而可以提高设备的产能。上述黑色阳极氧化处理的方式例如可以对腔室壁的至少部分内表面进行硫酸硬质阳极氧化，形成氧化层。该氧化层的厚度的取值范围在0.01～0.1mm，优选的，氧化层的厚度为0.05mm。
需要说明的是，在实际应用中，制作冷却腔室的腔室壁的材料还可以根据具体需要采用钢或不锈钢等的其他金属或合金。并且，采用黑色阳极氧化处理或者其他任意方式在冷却腔室的腔室壁的至少部分内表面形成黑色氧化层。
在本实施例中，分别向第一冷却通道和第三冷却通道内通入冷却媒介的方式具体可以为：在底壁30上设置有第二接入块29，在第二接入块29内设置有入流接口291和出流接口292，二者与第一冷却通道连接，分别用于输入和输出该第一冷却通道内的冷却媒介，从而实现冷却媒介在第一冷却通道内的循环流动。与之相类似的，在顶壁21的顶部设置有第三接入块30，在第三接入块30内设置有入流接口301和出流接口302，二者与第三冷却通道连接，分别用于输入和输出第三冷却通道内的冷却媒介，从而实现冷却媒介在第三冷却通道内的循环流动。
在本实施例中，优选的，在冷却腔室内，且位于托架22的下方还设置有冷却盘24，并且在冷却盘24内设置有第二冷却通道(图中未示出)，通过向第二冷却通道内通入冷却媒介，来冷却冷却盘24，从而可以吸收托盘23的热量，并通过第二冷却通道中的冷却媒介将热量带走。冷却盘24与底壁30可以相接触，也可以不相接触。
此外，为了保证冷却腔室的真空度，升降机构28一般具有波纹管281，由于在波纹管281处于极限压缩长度，即，托架22处于最低位置时，托架22与冷却腔室的腔室壁的底壁之间仍然存在较大的竖直间距，该间距远大于腔室壁的厚度，从而造成托盘23的热辐射距离较远，进而降低了托盘23的降温速度。为此，通过使冷却盘24的上表面高于底壁30的上表面，这可以减小托盘23的热辐射距离，从而可以进一步提高对托盘23的冷却效率。
优选的，在冷却盘24的上表面形成有黑色氧化层241，以提高冷却盘24的吸热性能。与冷却腔室的腔室壁相类似的，制作冷却盘的材料包括铝，并且黑色氧化层241采用对冷却盘24的上表面进行黑色阳极氧化处理的方式形成。该方式例如可以对冷却盘24的上表面进行硫酸硬质阳极氧化，形成氧化层。该氧化层的厚度的取值范围在0.01-0.1mm，优选的，氧化层的厚度为0.05mm。
在本实施例中，上述冷却盘24的安装方式具体为：在底壁30上设置有沿其厚度贯穿的通孔203。在底壁30的下表面设置有安装法兰25，该安装法兰25封闭通孔203，并且在安装法兰25上，且位于通孔203内设置有安装块26，冷却盘24固定在安装块26的顶部。此外，在安装法兰25的底部设置有第一接入块27，在第一接入块27内设置有入流接口271和出流接口272，二者与第二冷却通道连接，分别用于输入和输出第二冷却通道内的冷却媒介，从而实现冷却媒介在第二冷却通道内的循环流动。
在本实施例中，优选的，在冷却腔室的腔室壁上分别设置有进气通道和排气通道，二者均未在图2中示出，其中，进气通道用于向冷却腔室的内部输送冷却气体；排气通道用于排出冷却腔室内的冷却气体。这样，可以使冷却腔室具有通气和抽气的功能，从而可以实现将冷却腔室内的压力控制在所需的范围内(一般控制在10torr左右)。在冷却托盘23的过程中，通过将冷却气体不断地被输送至冷却腔室的内部，同时不断地抽出，冷却腔室内的冷却气体形成热对流式的热量传导，以循环不断地带走托盘23的热量，从而在冷却腔室的腔室壁采用热辐射的方式吸收托盘23的热量的同时，增加了一种热对流传导方式，进而可以进一步提高冷却效率。
需要说明的是，在本实施例中，冷却腔室的腔室壁包括侧壁20、底壁30和顶壁21，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，冷却腔室的腔室壁还可以采用其他任意结构，例如一体式结构或者其他分体式结构。冷却通道的结构和分布方式可以根据不同的腔室壁结构作适应性的调整。
还需要说明的是，在本实施例中，托架22包括两层支撑部221，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，托架也可以包括三层或者四层以上的支撑部。或者，托架也可以仅具有单层支撑部。
进一步需要说明的是，在实际应用中，还可以省去冷却盘内的第二冷却通道，并使冷却盘与腔室壁的底壁相接触，从而冷却盘在吸收托盘23的热量之后，通过与腔室壁的底壁之间的热量传递，将热量传递给腔室壁的底壁，并通过该底壁的冷却通道中的冷却媒介将热量带走。
综上所述，本发明实施例提供的冷却腔室，其在其腔室壁的至少部分内表面形成有黑色氧化层，由于该黑色氧化层的黑度较高，其具有良好的吸热性能，因此，借助黑色氧化层，可以提高对托盘的冷却效率，从而可以提高设备的产能。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括工艺腔室、传输腔室和冷却腔室，其中，在传输腔室内设置有机械手，用以将完成工艺的托盘自工艺腔室内传出，并传入冷却腔室内。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，可以对托盘的冷却效率，从而可以提高设备的产能。
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)

1.一种冷却腔室，在所述冷却腔室的腔室壁内设置有第一冷却通道，通过向所述第一冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述腔室壁；并且，在所述冷却腔室内设置有用于承载托盘的托架，所述托盘用于承载被加工工件，其特征在于，在所述冷却腔室的腔室壁的至少部分内表面形成有黑色氧化层；
在所述托架的底部设置有升降机构，用于驱动所述托架上升或下降；
所述托架包括至少两层支撑部，所述至少两层支撑部沿竖直方向间隔设置，每层支撑部用于支撑一个所述托盘；
在所述冷却腔室内，且位于所述托架的下方还设置有冷却盘，所述冷却盘的上表面高于所述腔室壁的底壁的上表面，以减小所述托盘的热辐射距离；在所述冷却盘的上表面形成有黑色氧化层。
2.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，制作所述冷却腔室的腔室壁的材料包括铝；
所述黑色氧化层采用对所述腔室壁的至少部分内表面进行黑色阳极氧化处理的方式形成。
3.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，在所述冷却盘内设置有第二冷却通道，通过向所述第二冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述冷却盘。
4.根据权利要求3所述的冷却腔室，其特征在于，在所述腔室壁的底壁上设置有沿其厚度贯穿的通孔；
在所述腔室壁的底壁的下表面设置有安装法兰，所述安装法兰封闭所述通孔；并且，在所述安装法兰上，且位于所述通孔内设置有安装块，所述冷却盘固定在所述安装块的顶部。
5.根据权利要求4所述的冷却腔室，其特征在于，在所述安装法兰的底部设置有第一接入块，在所述第一接入块内设置有入流接口和出流接口，二者与所述第二冷却通道连接，分别用于输入和输出所述第二冷却通道内的冷却媒介。
6.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述冷却盘与所述腔室壁的底壁相接触。
7.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，制作所述冷却盘的材料包括铝；
所述黑色氧化层采用对所述冷却盘的上表面进行黑色阳极氧化处理的方式形成。
8.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，在所述冷却腔室的腔室壁上分别设置有进气通道和排气通道，其中，
所述进气通道用于向所述冷却腔室的内部输送冷却气体；
所述排气通道用于排出所述冷却腔室内的冷却气体。
9.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述第一冷却通道设置在所述腔室壁的侧壁和底壁内；
在所述腔室壁的顶壁内设置有第三冷却通道，通过向所述第三冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述顶壁。
10.根据权利要求9所述的冷却腔室，其特征在于，在所述腔室壁的底壁上设置有第二接入块，在所述第二接入块内设置有入流接口和出流接口，二者与所述第一冷却通道连接，分别用于输入和输出所述第一冷却通道内的冷却媒介；
在所述腔室壁的顶壁上设置有第三接入块，在所述第三接入块内设置有入流接口和出流接口，二者与所述第三冷却通道连接，分别用于输入和输出所述第三冷却通道内的冷却媒介。
11.根据权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述冷却媒介包括冷却液或者冷却气体。
12.一种半导体加工设备，其包括工艺腔室、传输腔室和冷却腔室，其中，在所述传输腔室内设置有机械手，用以将完成工艺的托盘自所述工艺腔室内传出，并传入所述冷却腔室内，其特征在于，所述冷却腔室包括权利要求1-11任意一项所述的冷却腔室。
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