CN108695148B - 介质窗的温控装置及应用其的反应腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种介质窗的温控装置及应用其的反应腔室，该介质窗的温控装置包括：腔体，其与介质窗形成封闭空腔，且该腔体包括进气口和出气口；气体循环机构，用于将热交换气体通过进气口输送至封闭空腔内，同时通过出气口抽取封闭空腔内的热交换气体。本发明提供的介质窗的温控装置，其可以控制介质窗的温度，以使介质窗的温度保持稳定，从而可以保证产品的一致性和设备的稳定性。同时，由于热交换气体仅在封闭空腔中流动，即使其处于高温状态，也不会对介质窗附近的其他零部件造成高温影响。

Description

介质窗的温控装置及应用其的反应腔室
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种介质窗的温控装置及应用该温控装置的反应腔室。
背景技术
等离子体刻蚀设备的原理是利用线圈在射频电源的激励下形成电场，使工艺腔室内的气体转化为等离子体，进而对材料表面进行预设图形刻蚀工艺。在等离子体真空腔室的顶部设有介质窗，该介质窗一般采用石英或陶瓷材料等的绝缘材料制成。由线圈产生的电场能够通过介质窗传递到真空腔室。
正常工艺时，等离子体生成时会伴有高温并使介质窗处于高温状态；非工艺时，介质窗处于散热状态。如此，介质窗的上、下表面温度是随时变化的。同时，线圈设置在介质窗的上方，由于受到线圈结构的限制，由线圈产生的热量不能均匀地加热介质窗，导致介质窗的温度不均。介质窗表面会在长期的温度不均和变化的情况下形成粒子等污染物，从而影响产品的一致性和设备的稳定性。
因此，如何使介质窗的温度保持稳定是目前亟待解决的问题。
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，提出了一种介质窗的温控装置及应用其的反应腔室，其可以使介质窗的温度保持稳定，从而可以保证产品的一致性和设备的稳定性。
为实现本发明的目的而提供一种介质窗的温控装置，包括：
腔体，其与所述介质窗形成封闭空腔，所述腔体还包括进气口和出气口；
气体循环机构，用于将热交换气体通过所述进气口输送至所述封闭空腔内，同时通过所述出气口抽取所述封闭空腔内的热交换气体。
优选的，所述气体循环机构包括出气管路、进气管路、空气放大器和空气加热器，其中，
所述空气放大器的进气端通过所述出气管路与所述出气口连接；所述空气放大器的出气端与所述空气加热器的进气端连接；所述空气加热器的出气端通过所述进气管路与所述进气口连接。
优选的，所述空气放大器输出的气体流量为50～200L/min。
优选的，所述空气放大器包括气体流量检测装置、气体流量调节装置和报警装置，其中，
所述气体流量检测装置用于检测输出的当前气体流量，并将其发送至所述报警装置；
所述报警装置用于判断所述当前气体流量是否低于预设阈值，若是，则发出报警；
所述气体流量调节装置用于调节输出的气体流量大小。
优选的，所述气体循环机构包括出气管路、进气管路、风扇和空气加热器，其中，
所述风扇的进气端通过所述出气管路与所述出气口连接；所述风扇的出气端与所述空气加热器的进气端连接；所述空气加热器的出气端通过所述进气管路与所述进气口连接。
优选的，所述温控装置还包括温度控制器，所述温度控制器包括温度检测单元、功率调节单元和控制单元，其中，
所述温度检测单元设置在所述介质窗朝向所述封闭空腔的表面上，用以检测所述介质窗的实际温度，并将其发送至所述控制单元；
所述控制单元用于将所述介质窗的实际温度与预设温度进行差比较，并根据比较结果控制所述功率调节单元调节所述空气加热器的加热功率。
优选的，所述空气加热器包括自动断电保护装置。
优选的，在所述腔体内设置有隔板，用以将所述封闭空腔隔离形成至少两个子空腔，且所述至少两个子空腔相对于所述腔体的轴向中心线对称分布；
一个所述进气口和一个所述出气口为一组，且每个所述子空腔对应一组所述进气口和所述出气口及一套所述气体循环机构。
优选的，所述温控装置还包括加热带，所述加热带环绕设置在所述介质窗的外周壁上，用以加热所述介质窗。
优选的，所述温控装置还包括温度控制器，所述温度控制器包括边缘温度检测单元、中心温度检测单元、边缘温度调节单元、中心温度调节单元和控制单元，其中，
所述边缘温度检测单元和中心温度检测单元用于分别检测所述介质窗的边缘区域实际温度和中心区域实际温度，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于将所述边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度进行差比较，并根据比较结果控制所述边缘温度调节单元调节所述加热带的加热功率；以及，将所述中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度进行差比较，并根据该比较结果控制向所述中心温度调节单元调节所述气体循环机构的加热功率。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，包括设置在其顶部的介质窗，还包括本发明提供的上述介质窗的温控装置。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的介质窗的温控装置，其通过利用腔体与介质窗形成具有进气口和出气口的封闭空腔，并利用气体循环机构将热交换气体通过进气口输送至封闭空腔内，同时通过出气口抽取封闭空腔内的热交换气体，可以控制介质窗的温度，以使介质窗的温度保持稳定，从而可以保证产品的一致性和设备的稳定性。同时，由于热交换气体仅在封闭空腔中流动，即使其处于高温状态，也不会对介质窗附近的零部件造成高温影响。
本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述温控装置，可以使介质窗的温度保持稳定，从而可以保证产品的一致性和设备的稳定性，而且该温控装置不会对介质窗附近的零部件造成高温影响。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的介质窗的温控装置的侧视图；
图2为本发明第一实施例中腔体的仰视图；
图3为本发明第一实施例提供的介质窗的温控装置的俯视图；
图4为本发明第一实施例中温度控制器的原理框图；
图5为本发明第二实施例提供的介质窗的温控装置的侧视图；
图6为本发明第二实施例中温度控制器的原理框图。
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介质窗的温控装置及应用其的反应腔室进行详细描述。
本发明提供的介质窗的温控装置，其包括腔体和气体循环机构，其中，腔体与介质窗形成封闭空腔，该腔体包括进气口和出气口，以供热交换气体自该封闭空腔流入和流出。气体循环机构用于将热交换气体通过进气口输送至封闭空腔内，同时通过出气口抽取封闭空腔内的热交换气体。热交换气体在流入封闭空腔之后，能够与介质窗朝向封闭空腔的表面(通常是背离反应腔室的表面)发生热量传递，然后自出气口排出，从而可以起到控制介质窗温度的作用，以使介质窗的温度保持稳定，从而可以保证产品的一致性和设备的稳定性。同时，由于热交换气体仅在封闭空腔中流动，即使其处于高温状态，也不会对介质窗附近的零部件造成高温影响。
需要说明的是，为了保证热量传递效率及介质窗的温度均匀性，以及避免热交换气体对诸如线圈等的位于介质窗附近的零部件造成影响，上述封闭空腔仅用于容纳热交换气体，而位于介质窗附近的零部件均位于该封闭空腔的外部。
下面对上述温控装置的具体实施方式进行详细描述。具体地，请一并参阅图1～图3，温控装置包括腔体2和气体循环机构，其中，腔体2设置在介质窗1的顶部，且与介质窗1形成封闭空腔。该介质窗1的上表面朝向该封闭空腔，介质窗1的下表面朝向反应腔室(图中未示出)。在本实施例中，腔体2呈环状，从而封闭空腔为环形空腔。通常，在介质窗1的顶部会设置有两个线圈，两个线圈相互嵌套，且分别位于介质窗的中心区域和边缘区域，在这种情况下，可以将环状的腔体2设置在两个线圈之间的环形间隔区域，该区域靠近介质窗1的中间，有利于提高介质窗1的温度均匀性。
在本实施例中，在腔体2内设置有隔板24，用以将封闭空腔隔离形成两个子空腔，分别为第一子空腔21a和第二子空腔21b，二者相对于腔体2的轴向中心线对称分布。并且，腔体2还包括两组进气口和出气口，对应的，第一进气口23a和第一出气口22a设置在腔体2的顶壁，且与第一子空腔21a相连通，并且第一进气口23a和第一出气口22a分别位于半圆弧形的第一子空腔21a的首尾两端，以保证热交换气体能够流经整个子空腔。同样的，第二进气口23b和第二出气口22b设置在腔体2的顶壁，且与第二子空腔21b相连通，并且第二进气口23b和第二出气口22b分别位于半圆弧形的第二子空腔21b的首尾两端。另外，气体循环机构为两套，两套气体循环机构与两个子空腔一一对应，每套气体循环机构用于将热交换气体通过进气口输送至与该套气体循环机构相对应的子空腔内，同时通过出气口抽取该子空腔内的热交换气体。
需要说明的是，在本实施例中，隔板24将封闭空腔隔离形成两个子空腔，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，隔板还可以将封闭空腔隔离形成三个或三个以上的子空腔，且这些子空腔相对于腔体2的轴向中心线对称分布。并且，一个进气口和一个出气口为一组，且每个子空腔对应一组进气口和出气口及一套气体循环机构。
下面对上述气体循环机构的具体结构进行详细描述。具体地，以与第一子空腔21a相对应的气体循环机构为例，该气体循环机构包括出气管路6a、进气管路5a、空气放大器3a和空气加热器4a，其中，空气放大器3a的进气端(左端)通过出气管路6a与第一出气口22a连接；空气放大器3a的出气端(右端)通过U型管路与空气加热器4a的进气端(右端)连接；空气加热器4a的出气端(左端)通过进气管路5a与第一23a进气口连接。
空气放大器3a用于抽取第一子空腔21a内的热交换气体，其原理为：空气放大器3a具有环形腔和分别与该环形腔连通、且相对设置的进气口和泄气口，以及上述出气端和进气端，其中，该环形腔具有“科恩达效应”壁。压缩空气的高速气流自该进气口进入环形腔，并通过“科恩达效应”壁带动环境空气向泄气口高速泄出，从而在进气端产生负气压，从而能够抽取第一子空腔21a内的热交换气体。
通过调节空气放大器3a的压缩空气的气体流量，可以自空气放大器3a输出预设气体流量的热交换气体。优选的，空气放大器输出的气体流量为50～200L/min，以保证热交换效果。
至于与第二子空腔21b相对应的气体循环机构，图1中仅示出了其进气管路5b和空气加热器4b，未示出的出气管路6b和空气放大器3b与上述出气管路6a和空气放大器3a相同，在此不再赘述。
优选的，空气放大器还包括气体流量检测装置、气体流量调节装置和报警装置，其中，气体流量检测装置用于检测输出的当前气体流量，并将其发送至报警装置；报警装置用于判断当前气体流量是否低于预设阈值，若是，则发出报警；气体流量调节装置用于调节输出的气体流量大小。这样，可以避免空气放大器输出的气体流量过低，影响对介质窗的温度控制，并且通过报警装置发出报警，可以使操作人员及时获知空气放大器输出的气体流量过低的情况，并通过气体流量调节装置对空气放大器输出的气体流量进行相应的调整。
优选的，如图4所示，本实施例提供的温控装置还包括温度控制器，该温度控制器包括温度检测单元7、功率调节单元和控制单元11。在本实施例中，如图3所示，温度检测单元7设置在介质窗1朝向封闭空腔的表面(即上表面)上，用于检测介质窗1的实际温度，并发送至控制单元11。控制单元11用于将介质窗1的实际温度与预设温度进行差比较，并根据比较结果控制分别控制两套气体循环机构中的功率调节单元(即，第一功率调节单元12a和第二功率调节单元12b)分别调节对应的空气加热器(即，第一空气加热器4a和第二空气加热器4b)的加热功率，以使介质窗1的实际温度与预设温度保持一致。上述温度控制器可以实现对介质窗1温度的闭环控制，从而可以保证介质窗1的温度稳定性。
进一步优选的，空气加热器包括自动断电保护装置8，其可以在空气加热器中的加热丝温度超出预设温度时自动断电，从而可以将加热丝的温度控制在安全范围内。
需要说明的是，在实际应用中，还可以采用风扇代替本实施例采用的空气放大器，即，利用风扇抽取封闭空腔中的热交换气体。具体地，风扇的进气端通过出气管路与出气口连接；风扇的出气端与空气加热器的进气端连接；空气加热器的出气端通过进气管路与进气口连接。当然，还可以采用集成有抽气和加热功能的其他任意设备来代替空气放大器和空气加热器。
图5为本发明第二实施例提供的介质窗的温控装置的侧视图。请参阅图5，本实施例提供的温控装置与上述第一实施例相比，其区别仅在于：温控装置还包括加热带9，该加热带9环绕设置在介质窗1的外周壁上，用以加热介质窗1。
通过增设加热带9，可以组合使用上述气体循环机构和加热带9，以进一步提高温控装置的加热效率，同时，通过分别调节上述气体循环机构和加热带9的加热功率，还可以对介质窗1的温度实现分区控制，即，分别控制介质窗1的中心区域温度和边缘区域温度，以使二者趋于一致，从而可以提高介质窗1的温度均匀性。
具体地，如图6所示，温控装置还包括温度控制器，该温度控制器包括边缘温度检测单元7B、中心温度检测单元7A、边缘温度调节单元13B、中心温度调节单元13A和控制单元14，其中，如图3所示，边缘温度检测单元7B和中心温度检测单元7A设置在介质窗1朝向封闭空腔的表面(即上表面)上，且分别位于靠近该表面的边缘区域和中心区域的位置处，用于分别检测介质窗1的边缘区域实际温度和中心区域实际温度，并发送至控制单元14。控制单元14用于将边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度进行差比较，并根据比较结果控制边缘温度调节单元13B调节加热带9的加热功率，以使边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度一致。以及，将中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度进行差比较，并根据该比较结果控制向中心温度调节单元调节气体循环机构15的加热功率，以使中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度一致。
由此，借助上述温度控制器，不仅可以对介质窗1的温度实现分区控制，而且还可以实现对介质窗1温度的闭环控制，从而可以保证介质窗1的温度稳定性。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种反应腔室，其包括设置在其顶部的介质窗，以及本发明上述各个实施例提供的介质窗的温控装置。
本发明实施例提供的反应腔室，其通过采用本发明上述各个实施例提供的上述温控装置，可以使介质窗的温度保持稳定，从而可以保证产品的一致性和设备的稳定性，而且该温控装置不会对反应腔室的其他零部件造成高温影响。
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 (10)

1.一种介质窗的温控装置，其特征在于，包括：
腔体，其与所述介质窗形成封闭空腔，所述腔体还包括进气口和出气口；
气体循环机构，用于将热交换气体通过所述进气口输送至所述封闭空腔内，同时通过所述出气口抽取所述封闭空腔内的热交换气体；
所述气体循环机构包括出气管路、进气管路、空气放大器和空气加热器，其中，
所述空气放大器的进气端通过所述出气管路与所述出气口连接；所述空气放大器的出气端与所述空气加热器的进气端连接；所述空气加热器的出气端通过所述进气管路与所述进气口连接，以使所述封闭空腔仅用于容纳所述热交换气体。
2.根据权利要求1所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述空气放大器输出的气体流量为50～200L/min。
3.根据权利要求1所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述空气放大器包括气体流量检测装置、气体流量调节装置和报警装置，其中，
所述气体流量检测装置用于检测输出的当前气体流量，并将其发送至所述报警装置；
所述报警装置用于判断所述当前气体流量是否低于预设阈值，若是，则发出报警；
所述气体流量调节装置用于调节输出的气体流量大小。
4.根据权利要求1所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述气体循环机构包括出气管路、进气管路、风扇和空气加热器，其中，
所述风扇的进气端通过所述出气管路与所述出气口连接；所述风扇的出气端与所述空气加热器的进气端连接；所述空气加热器的出气端通过所述进气管路与所述进气口连接。
5.根据权利要求1或4所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述温控装置还包括温度控制器，所述温度控制器包括温度检测单元、功率调节单元和控制单元，其中，
所述温度检测单元设置在所述介质窗朝向所述封闭空腔的表面上，用以检测所述介质窗的实际温度，并将其发送至所述控制单元；
所述控制单元用于将所述介质窗的实际温度与预设温度进行差比较，并根据比较结果控制所述功率调节单元调节所述空气加热器的加热功率。
6.根据权利要求1或4所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述空气加热器包括自动断电保护装置。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的介质窗的温控装置，其特征在于，在所述腔体内设置有隔板，用以将所述封闭空腔隔离形成至少两个子空腔，且所述至少两个子空腔相对于所述腔体的轴向中心线对称分布；
一个所述进气口和一个所述出气口为一组，且每个所述子空腔对应一组所述进气口和所述出气口及一套所述气体循环机构。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述温控装置还包括加热带，所述加热带环绕设置在所述介质窗的外周壁上，用以加热所述介质窗。
9.根据权利要求8所述的介质窗的温控装置，其特征在于，所述温控装置还包括温度控制器，所述温度控制器包括边缘温度检测单元、中心温度检测单元、边缘温度调节单元、中心温度调节单元和控制单元，其中，
所述边缘温度检测单元和中心温度检测单元用于分别检测所述介质窗的边缘区域实际温度和中心区域实际温度，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于将所述边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度进行差比较，并根据比较结果控制所述边缘温度调节单元调节所述加热带的加热功率；以及，将所述中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度进行差比较，并根据该比较结果控制向所述中心温度调节单元调节所述气体循环机构的加热功率。
10.一种反应腔室，包括设置在其顶部的介质窗，其特征在于，还包括权利要求1-9任意一项所述的介质窗的温控装置。
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