CN109585330A - 晶圆冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本公开描述一种晶圆冷却/加热系统，包含一负载锁定腔室以及一冷热模块。负载锁定腔室是使用一层流设计，以改善在冷却/加热制程中横跨一或多个晶圆的温度的均匀性。负载锁定腔室可包含：(1)一晶圆固持器，被配置以于负载锁定腔室的一前侧接收多个晶圆；(2)沿着负载锁定腔室的一背侧、负载锁定腔室的一侧面或其组合所设置的一气体扩散器；以及(3)一或多个排气管路。另外，冷热模块可被配置以控制提供给负载锁定腔室的一气体的温度。

Description

晶圆冷却系统
技术领域
本发明实施例涉及一种晶圆冷却系统及冷却晶圆的方法，且特别涉及一种利用层流设计的晶圆冷却系统及冷却晶圆的方法
背景技术
在半导体制造过程中，许多制程(例如沉积制程、植入制程以及退火制程等)是在高温(例如高于150度C)的条件下执行或在低于室温(例如24度C)的条件下执行。在回到一制程集结机台(processing cluster tool)外的一晶圆载具之前或是在进一步的制程之前，处理后的晶圆需要被冷却(或是加热)。
发明内容
本发明实施例提供一种晶圆冷却系统，包含一负载锁定腔室以及一冷热模块。负载锁定腔室包含一晶圆固持器、一气体扩散器以及一或多个排气管路。晶圆固持器是被配置以在负载锁定腔室的一前侧接收多个晶圆。气体扩散器是沿着负载锁定腔室的一背侧、负载锁定腔室的一侧面，或其组合所设置，其中气体扩散器包含一或多个喷嘴。冷热模块是被配置以控制提供给负载锁定腔室的一气体的温度。
附图说明
阅读以下详细叙述并搭配对应的附图，可了解本公开的多个实施方式。应注意，根据业界中的标准做法，多个特征并非按比例绘制。事实上，多个特征的尺寸可任意增加或减少以利于讨论的清晰性。
图1为根据本发明一些实施例的一示范性的具有一负载锁定腔室与一冷热模块的晶圆冷却/加热系统的剖视图。
图2为根据本发明一些实施例的一示范性的具有一弧形的扩散器的一负载锁定腔室的上视图。
图3为根据本发明一些实施例的一示范性的具有以弧形配置的扩散棒的负载锁定腔室的上视图。
图4为根据本发明一些实施例的一示范性的具有一弧形且多个喷嘴的扩散器的负载锁定腔室的上视图。
图5为根据本发明一些实施例的一示范性的晶圆固持器与具有多个喷嘴的扩散器的剖视图。
图6为根据本发明一些实施例的一示范性的具有介于一对铜片与一对陶瓷板之间的一半导体材料的热电模块的剖视图。
图7为根据本发明一些实施例的在冷热模块中的多个热电模块的一示范性排列的上视图。
图8为根据本发明一些实施例的在冷热模块中的热电模块的一示范性排列的剖视图，其中热电模块是彼此堆迭且气体会流过其间。
图9为根据本发明某些实施例的一示范性用以冷却或加热一或多个晶圆的方法。
附图标记说明：
100 晶圆冷却/加热系统
110 负载锁定腔室
120 热模块单元
125 控制模块
130 排气管路
140 扩散器
150 晶圆固持器
160 入口
170 出口
200 前面
220、230 侧面
210 背面
240 晶圆
250 板条
260 温度感测器
270 流量感测器
300 扩散棒
400 喷嘴
600 热电模块
610 半导体材料
620 电性连接
630 铜片
640 陶瓷板
800 上配置
810 下配置
900 方法
910、920、930、940、950 操作
A 顶侧
AB 线
B 底侧
θ 喷洒角度
具体实施方式
以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本公开的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本公开书叙述了一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与第二特征可能未直接接触的实施例。另外，以下公开书不同范例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
再者，为了方便描述附图中一元件或特征部件与另一(多)元件或(多)特征的关系，可使用空间相关用语，例如「下面」、「下方」、「之下」、「上方」、「之上」及类似的用语等。除了附图所示出的的方位之外，空间相关用语涵盖装置在使用或操作中的不同方位。所述装置也可被另外定位(旋转90度或在其他方位上)，并对应地解读所使用的空间相关用语的描述。
在半导体制造过程中，许多制程(例如沉积制程、植入制程以及退火制程等)是在高温(例如高于150度C)的条件下执行或在低于室温(例如24度C)的条件下执行。因此，在回到一制程集结机台(processing cluster tool)外的一晶圆载具之前或是在进入用来额外制程的一制程反应器(processing reactor)之前，晶圆需要被冷却(或是被加热)。一冷却或升温制程可能花费几百甚至几千秒的时间，并且是取决于一初始晶圆温度以及冷却/加热系统的“效率”，例如冷却率或加热率。晶圆冷却或加热可以发生在一集结机台的一部分，其是称做为一负载锁定(load-lock)腔室。晶圆冷却或加热可以经由与一气体之间的热传导来实行，此气体可不断地流进负载锁定腔室以及所述(多)晶圆。一扩散器可以用来在负载锁定腔室内散布所述气体。扩散器例如可以是位于负载锁定腔室的顶部，使得气体可以一下游方式(in a downstream fashion)由顶部流向底部。一排气管路，例如放置在负载锁定腔室的底部，可将气体从负载锁定腔室移除。然而，当晶圆冷却或加热时，此种下游的设计会导致横过(across)一批次(或负载)晶圆的多个摄氏温度(例如高于4度C或更高)的一温度梯度。此导致的温度梯度会对负载锁定腔室的冷却或加热效率有巨大的影响。其他影响负载锁定腔室的冷却或加热效率的因子可为负载锁定腔室的压力、负载锁定腔室的体积、冷却/加热气体的温度、冷却/加热气体的流率等。
负载锁定腔室的效率可根据晶圆产量来测量，例如负载锁定腔室每个小时能够处理(例如冷却或加热)多少个晶圆。负载锁定腔室的晶圆产量也会影响到一制程机台(processing tool)的一整体晶圆产量(循环时间)。假如在一批次晶圆内的多个晶圆之间的温度梯度是高的时(例如6度C活7度C)，冷却或加热时间可能会增加，直到所有晶圆被冷却或被加热到一适当的温度。
本发明实施例是有关一种晶圆冷却/加热系统，包含一负载锁定腔室以及一冷热模块(thermo module)。负载锁定腔室是利用一层流设计(level stream design)，可改善在冷却/加热制程中晶圆温度的均匀性，并且相较于使用下游(downstream)设计的一负载锁定腔室，层流设计可以加速晶圆的冷却或加热。根据某些实施例，层流冷却/加热系统可减少晶圆冷却/加热时间约82％的时间，并且可以提高45％的晶圆产量。层流设计包含一扩散器，设置在一负载锁定腔室的一侧面并且可通过多个喷嘴来提供一气体以平行地流到晶圆的表面。一连串位于晶圆高度的排气管路可控制一气体移除率以及检测潜在的喷嘴故障。另外，冷却/加热系统的冷热模块可提供一宽广范围的气体温度。举例来说，经由冷热模块提供给负载锁定腔室的气体温度的范围可大约在-50度C至50度C。
图1为根据本发明一些实施例的一示范性的晶圆冷却/加热系统100的剖视图。晶圆冷却/加热系统100包含一负载锁定腔室110，一热模块单元120(也可称为前述的冷热模块)以及一控制模块125。负载锁定腔室110可包含多个排气管路130(或称排气开口)、一扩散器(也可称为气体扩散器)140，以及一晶圆固持器150。一气体可以经由一入口160从一半导体制造设备输送至热模块单元120。气体可以在热模块单元120内加热或冷却，之后再经由一出口170输送到扩散器140。
晶圆冷却/加热系统100例如可以是在一制程集结机台内的一个单元，并且可接收独立的晶圆或者是在晶圆固持器(wafer holder)150内的批次晶圆。作为举例但并非用以限制，晶圆固持器150可配置以夹持多达25片晶圆。在将这些晶圆放到一制程集结机台外的一晶圆载具之前或是放到所述制程集结机台做进一步制程之前，晶圆冷却/加热系统100可对晶圆冷却/加热。晶圆冷却/加热系统100可包含额外的元件。这些额外的元件可以画在或没有画在图1中。然而，它们仍是符合本公开的构思与且在本公开的范围内。这些元件可为额外的反应器或模块、机械手臂、控制器、阀门、基座，内部和外部电性连接到制程集结机台的其他模块，例如电脑、阀门、帮浦等。
在某些实施例中，负载锁定腔室110可为一具有立方体形状、圆柱状、多面体形状或其他任何合适的腔室。负载锁定腔室110可具有一或多个侧面。负载锁定腔室110也可包含一个具有一门阀(door valve)或一狭缝阀的前表面，用以传送晶圆进入或退出负载锁定腔室110。晶圆可经由位在晶圆冷却/加热系统100之外的一机械手臂(图1中未表示)来传送进入或退出负载锁定腔室110。所述机械手臂例如可为在一传送模块，传送模块可为前述制程集结机台的一部分(制程集结机台在图1中未表示)。
根据某些实施例，排气管路130可位在负载锁定腔室110的一或多个侧面。在某些实施例中，排气管路130可包含高达25条的独立流水线(line)，其中每一流水线可对应于设置在晶圆固持器150上的一单一晶圆。在某些实施例中，每一排气管路130是经由一各自的排气阀(图1中未表示)连接到一外部排气泵(图1中未表示)。在某些实施例中，流经每一排气管路130朝向排气泵的气体是可通过提供给排气管路130的各排气阀所控制。举例而言每一排气阀可调整其开口，由0到100％，但并非用以限制本发明的实施例。在某些实施例中，取决于负载锁定腔室110的一热负载(heat load)，晶圆冷却/加热系统100可启用一或多个排气阀，并且可控制气体流经每一排气管路130(例如每一排气的开口位置)，借此最佳化冷却或加热效能。在某些实施例中，排气管路130可检测到在扩散器140的喷嘴堵塞。举例来说，连接到每一排气管路130的一流量控制器可被校准以预测用于一特定阀位置的某一流量。当流量不符合预期时，便可发出警告通知一使用者。
在某些实施例中，扩散器140可以位在负载锁定腔室110的一背面、负载锁定腔室110的一侧面或其组合。负载锁定腔室110的一背面可被定义为相反于负载锁定腔室110的一前面的一表面。举例而言图2为根据某些实施例的负载锁定腔室110的上视图，但并非用以限制本发明的实施例。在这个示范例的视图中，负载锁定腔室110是具有一前面200、一背面210以及一对侧面220与230的一腔室。在某些实施例中，扩散器140可具有一圆弧形状，其可以是圆柱体的任何一部分(例如半圆柱形，圆柱体的四分之三等等)，只要扩散器140不阻碍晶圆经由背面210进入或退出的路径即可。基于上述描述，扩散器140可以位在背面210、侧面220与230或其组合。由于扩散器140的原弧形状，扩散器140可部分地环绕堆迭在晶圆固持器150的晶圆240。
在某些实施例中，晶圆固持器150可具有一矩形形状，如图2所示，在图2中的晶圆固持器150的矩形形状是一示范性例子而非用以限制其形状。因此，额外的形状也符合本公开的构思与范围。举例来说，晶圆固持器150可具有一正方形形状、一圆柱状或其他可配合负载锁定腔室110的形状。在某些实施例中，晶圆固持器150可具有配置以接收各个晶圆的多个插槽(也可称为晶圆插槽)。作为举例但并非用以限制，每一插槽可进一步包含多个板条250(例如图2中四个相对的板条250)，配置以在一水平位置固持单一晶圆。每一个板条250可具有一温度感测器260以及一流量感测器270设置于其上。举例而言，温度感测器260可接触一晶圆的背面(例如晶圆上没有半导体元件设置于其上的一表面)，而流量感测器270可以不接触晶圆，但并非用以限制本发明的实施例。在某些实施例中，在每一板条250上的每一个温度感测器260可提供一晶圆温度读数，以获得每一个晶圆的一四角落温度图(four-corner temperature map)。举例而言，温度感测器260可发送包含一温度读数的一射频(RF)信号至一外部控制单元(例如图1中的控制模块125)，但并非用以限制本发明的实施例。在某些实施例中，温度感测器260可以读取晶圆的温度范围约从-150度C至500度C之间。举例而言，温度感测器260可为产生随温度变化的一电压的一热电耦或一电阻温度感测器(例如一热敏电阻)，但并非用以限制本发明的实施例。
相似地，流量感测器270可提供流过在其各自位置上的扩散器140的一气体的一流量读数。在某些实施例中，每一个流量感测器270可提供一气体流量读数，以获得每一个晶圆的一四角落流量图(four-corner gas flow rate map)。流量感测器270可发送包含一气体流量读数的一射频(RF)信号至一外部控制单元，例如图1中的控制模块125。在某些实施例中，流量感测器270可以读取一气体流量的范围(例如在2ml/min与200ml/min之间以及4l/min与350l/min之间。
在某些实施例中，从温度感测器260与流量感测器270得到的温度以及流量读数可以被控制模块125或晶圆冷却/加热系统100中的其他单元所使用，以进一步最佳化晶圆冷却或加热制程。举例来说，由于温度以及流量的读数，晶圆冷却/加热系统100可增加或减少冷却/加热气体的流量，增加或减少气体的温度，启动或关闭一或多个排气管路130等等。在某些实施例中，温度与流量读数可以用来检测一系统故障，例如停用的排气管路130或扩散器140上的一阻塞的喷嘴。
根据某些实施例，扩散器140可以由单独的圆柱形、方形、矩形或多边形的且以一弧状配置排列的扩散棒(diffuser rod)(如图3所示的扩散棒300)所制成。上述的扩散杆300的形状是示范的，并非用以限制本发明的实施例。因此，额外的形状也符合本公开的构思与范围。弧状配置的扩散棒300可不受限于图3中的扩散棒300的数量。因此，可以配置额外的或较少的扩散棒300，只要扩散棒300不阻碍晶圆经由晶圆冷却/加热系统100的前面200进入或退出的路径即可。
如上所述，扩散器140可包含多个沿着其表面的喷嘴。图4是图2中扩散器布置，且其上具有示范性的一列喷嘴。多个喷嘴400是面向一迭的晶圆240且可以多个可能的排列方式遮盖扩散器140的一内表面。举例而言，所述排列可包含一列的喷嘴400横跨一X-Y平面(根据图4中所示的X-Y轴)，且可沿着Z轴方向重复，其中Z轴方向可垂直于X-Y平面，但并非用以限制本发明的实施例。再者，每一排沿着X-Y平面的喷嘴400可对准在Z方向上的两个相邻晶圆240之间的一空间，如图5所示。图5例如可为图4中沿着Z轴(例如垂直于图4中的X-Y平面)的一剖视图。如上所述，在扩散器140上的喷嘴400的其他替代性排列可以取决于例如腔室的几何形状(例如矩形、正交(orthogonal)或圆柱形等等)、负载锁定腔室110的体积、气体的流体动力学等等。
在图5中，喷嘴400的气体的一喷洒角度(也可称为气体喷洒角度)θ可由晶圆冷却/加热系统100控制，例如可取决在晶圆固持器150上的晶圆240的数量、晶圆固持器150上的晶圆240之间的空间、负载锁定腔室110的体积或其组合。根据某些实施例，每一喷嘴400的气体的喷洒角度θ的范围可由0度(窄)到约90度(宽)，例如范围是在0.01度到89.9度之间。因此，每一喷嘴400的流动可以是方向性的(例如0.01度)或者是宽的(例如89.9度)。在某些实施例中，每一喷嘴400的一输出气体压力也可以由晶圆冷却/加热系统100来控制。举例来说，根据某些实施例，每一喷嘴400的输出气体压力的范围可从0.1psi到100psi。在某些实施例中，喷嘴400可以单独被启动或以一群体启动。此外，每一喷嘴400可具有一不同的喷洒角度θ。举例来说，相较于位在具有晶圆的插槽之间的喷嘴400，若一插槽没有被晶圆占用时，其对应的喷嘴400可具有一较宽的喷洒角度θ。另外，每一喷嘴400可具有相似或相同的一喷洒角度θ。
在某些实施例中，负载锁定腔室110也可包含压力感测器(图中未表示)，可提供的压力读数约从1*10-9Torr到约1000Torr。举例而言，若负载锁定腔室110具有一立方体形状或一矩形状时，所述压力感测器可位在负载锁定腔室110的角落，但并非用以限制本发明的实施例。另外，若负载锁定腔室110例如具有一圆柱形状时，所述压力感测器可以位在负载锁定腔室110的顶面或底面边缘。在此公开的压力感测器的数量或排列方式是示范性的，但并非用以限制本发明的实施例。因此，额外的或较少的压力感测器以及其在负载锁定腔室110上的位置都是可能的。在某些实施例中，所述压力感测器可以提供回馈信息至晶圆冷却/加热系统100，并且气体的喷洒角度θ、喷嘴400的输出气体压力等等可基于此回馈信息做出调整。
在某些实施例中，用来冷却或加热在负载锁定腔室110内的晶圆的气体是一钝气(noble gas)或一惰性气体(inert gas)。此种钝气或惰性气体例如可以避免气体与晶圆240之间的化学反应。气体和晶圆240之间的化学反应会不慎地改变在晶圆240上形成的结构的物理、化学及/或电的性质。在某些实施例中，气体可以是氮气(nitrogen，N2)。举例而言，其他气体可包含氦气(He)、氩气(Ar)、氖气(Ne)、氙气(Xe)、氪气(Kr)和氡气(Rn)，但并非用以限制本发明的实施例。参照图1，气体可由一外部来源(例如位在一半导体制造设备的其他地方的来源)被输送到热模块单元120。根据某些实施例，由所述外部来源输送的气体的温度可以在室温下(例如约24度C)以及在约20psi的压力下。根据某些实施例，热模块单元120可配置以调整经由出口170而输送到扩散器140的气体的温度，温度的范围约在-50度C至50度C之间。在某些实施例中，控制模块125可控制热模块单元120的操作。控制模块125可通过一导线或无线通信连接到热模块单元120，并且可以接收晶圆冷却/加热系统100的多个来源以及多个位置的温度读数(例如入口160、出口170、温度感测器260等等)。
根据某些实施例，热模块单元120可包含一热电模块。此热电模块是基于半导体的一电子元件，其作用为一热泵。通过施加一直流(Direct current，DC)电压(例如24伏特)到热电模块，热可通过此热电模块由一侧移动到其他地方。因此，此热电模块的一侧可以被冷却而此热电模块的一相反侧可被加热。若施加的直流电压的极性(正或负)发生变化时，此热电模块的冷却侧与加热侧可颠倒。于是，气体可以在暴露于此热电模块的一冷侧(coldside)时被冷却，或是当暴露于此热电模块的一热侧(hot side)时被加热。举例来说，在某些实施例中，气体的冷却或加热可以通过输送进入的气体到所述热电模块的冷侧或热侧来实现。在其他实施例中，气体可暴露于所述热电模块的单一侧，并且可以改变施加的直流电压的极性以从冷却切换为加热。在某些实施例中，控制模块125可控制施加于热模块单元120的直流电压。
请参考图6，图6描述一个示范性的热电模块600。热电模块600可包含一半导体材料610，其是通过一电性连接620而电性连接于一直流电源(图中未表示)。半导体材料610可包含多个以串联方式电性连接的PN接面。举例而言，半导体材料610可包含P掺杂与B掺杂的碲化铋(Bi2Te3)，但并非用以限制本发明的实施例。半导体材料610的电性连接可使得热电模块600的一顶侧A为前述的冷侧，并且一底侧B为前述的热侧，反之亦然。举例来说，顶侧A可为热侧而底侧B可为半导体材料610的冷侧。半导体材料610可设置在两个铜片630之间。铜片630可以改善由半导体材料610的每一侧到周围层的热传递效率。前述的元件(半导体材料610与铜片630)与他们的电性内连线(electrical interconnect)可一起被封闭在两个陶瓷板640之间。陶瓷板640可物理上地一起夹持全部的结构。在某些实施例中，陶瓷板640可作为外部安装表面。
根据某些实施例，热电模块600可包含额外的叠层(图6中未表示)。举例来说，热电模块600可包含介于陶瓷板640与铜片630之间的一粘着介质(例如一粘胶层)以及介于半导体材料610与铜片630之间或铜片630与陶瓷板640之间的一合金材料(例如焊锡)。
在某些实施例中，一鳍片散热器可被装在位于热电模块600的底侧B(热侧)的陶瓷板640上。在某些实施例中，鳍片散热器可都被装在两个陶瓷板640上。鳍片散热器可具有大于一平面的一较大的表面面积，并且因此可加速气体与热电模块600之间的热交换过程。举例而言，鳍片散热器可以具有高热传导系数的金属制成，例如铝或铜，但并非用以限制本发明的实施例。在某些实施例中，气体被驱使经过鳍片散热器，使得气体可以被冷却或加热。
在某些实施例中，热模块单元120可包含超过一个的热电模块600。举例来说，在某些实施例中，热模块单元120可包含多种配置的多个热电模块600。举例，图7表示热模块单元120中热电模块600的一示范性配置，但并非用以限制本发明的实施例。气体可由一外部来源(例如位在一半导体制造设备的其他地方的一来源)经过入口160输送到热模块单元120。气体在经由出口170离开热模块单元120之前会通过热电模块600的一顶面或一底面。图7中热电模块600的配置是示范性的并且不应被认为是限制性的。具有较多数量或较少数量的热电模块600的额外配置是可能的。另外，在热模块单元120内的气体的路径并不限于图7中所描述的。因此，额外的配置、在热模块单元120内的气体路径以及热电模块600的数量皆符合本公开的构思与实施方式。在某些实施例中，热电模块600的配置可为彼此堆迭在上面且气体流经热电模块600之间。举例来说，热电模块600的一额外的配置为堆迭在图7的热电模块600的配置上方，使得气体可穿过两者之间。举例而言，图8是横跨线AB的热模块单元120的剖视图，其表示了一示范性的堆迭配置，但并非用以限制本发明的实施例。其中，气体的路径是在X方向上并且介于热电模块600的一上配置(upper arrangement)800以及热电模块600的一下配置(lower arrangement)810之间。在图8的实施例中，气体经由入口160进入热模块单元120并且从出口170排出。
图9为根据某些实施例的一示范性用以冷却或加热一或多个晶圆的方法900。本公开并非用以限制到此操作描述。反之，其他操作也可能符合本公开的构思与实施方式。应当理解的是，额外的操作是可以被执行的。此外，不是所有的操作需要执行本公开所提供的内容。再者，某些操作可以同时执行或以不同于图9所述的顺序执行。在某些实施上，除了现有所描述的操作以外，一或多个其他操作可以被执行或取代现有的操作。为了说明的目的，方法900是参照图1至图8的实施例来描述。然而，方法900并非限于这些实施例。
示范性的方法900由操作910开始，其中一或多个晶圆传送到在负载锁定腔室110里的晶圆固持器150上的可用的板条250上。根据某些实施例，负载锁定腔室110是容纳于晶圆冷却/加热系统100内。每一晶圆是定位在晶圆固持器150的各自的一插槽，使得它被放置在板条250上。在每一板条250上的温度感测器260是与晶圆的背面接触。
在操作920中，所述一或多个晶圆是映射的(mapped)，使得所述一或多个晶圆的插槽的位置可以被确定且储存在可被控制模块125存取的一电脑系统的一存储器里。在某些实施例中，晶圆的数量可为1至25个。在某些实施例中，晶圆可以或不可以占用连续的插槽。
在操作930中，晶圆冷却/加热系统100可以调整在扩散器140上的喷嘴400的喷洒角度θ。在某些实施例中，喷洒角度θ的调整可基于在晶圆固持器150上的一或多个晶圆的插槽位置以及相邻晶圆之间的空间，使得在扩散器140上的喷嘴400可以平行于一或多个晶圆的方向流出气体。在某些实施例中，每一喷嘴400的喷洒角度θ可独立地控制。举例而言，假如两个连续的插槽被占用，相对应的喷嘴400的喷洒角度θ可配置为狭窄的(例如0.01度)，然非限制于此。在其他实施例中，若两个连续插槽没有被占用，相对应的喷嘴400的喷洒角度θ可以配置为宽的(例如89.9度)。根据某些实施例，喷嘴400可以位在介于晶圆固持器150的插槽之间的扩散器140上。根据某些实施例，若某些插槽没有被晶圆占用，相对应的喷嘴400可以被晶圆冷却/加热系统100关闭。
在操作940中，基于在负载锁定腔室110内的一或多个晶圆的初始温度，热模块单元120可在气体经由出口170输送到负载锁定腔室110之前先调整进入气体的温度。在某些实施例中，气体是从一外部来源经由入口160输送到热模块单元120。在某些实施例中，气体可以是氮气。举例而言，其他气体可包含氦气、氩气、氖气、氙气、氪气和氡气，然非用以限定于此。根据某些实施例，由所述外部来源输送的气体的温度可以在室温下(例如约24度C)以及在约20psi的压力下。根据某些实施例，热模块单元120可被配置以调整经由出口170而输送到扩散器140的气体的温度，温度的范围约在-5度C至50度C之间。在某些实施例中，控制模块125可被配置以控制热模块单元120的操作。控制模块125可通过一导线或无线通信连接到热模块单元120，并且可以接收晶圆冷却/加热系统100的多个来源以及多个位置的温度读数(例如入口160、出口170、温度感测器260等等)。
根据某些实施例，热模块单元120包含一热电模块，其是基于半导体的一电子元件，其作用为一热泵。通过施加一直流电压(例如24伏特)到热电模块，热可通过此热电模块由一侧移动到其他地方。因此，此热电模块的一侧可以被冷却而此热电模块的一相反侧可被加热。于是，气体可以在暴露于此热电模块的一冷侧(cold side)时被冷却，或是当暴露于此热电模块的一热侧(hot side)时被加热。举例来说，在某些实施例中，气体的冷却或加热可以通过输送进入的气体到所述热电模块的冷侧或热侧来实现。在其他实施例中，气体可暴露于所述热电模块的单一侧，并且可以改变施加的直流电压的极性以从冷却切换为加热。在某些实施例中，控制模块125可控制施加于热模块单元120的直流电压。
在操作950中，一旦气体流过一或多个晶圆后，负载锁定腔室110的一或多个排气管路130可以被启用，以将气体由负载锁定腔室110中移除。排气管路130可位在负载锁定腔室110的一或多个侧面，根据某些实施例。在某些实施例中，排气管路130可包含高达25条的独立流水线(line)，其中每一流水线可对应于一单一晶圆。在某些实施例中，每一排气管路130是经由一各自的排气阀连接到一外部排气泵。在某些实施例中，经每一排气管路130朝向排气泵的气体是可通过提供给排气管路130的各排气阀所控制。举例而言，每一排气阀可调整其开口截面积，由0(例如完全关闭)到约100％(例如源泉开启)，但并非用以限制于此。根据某些实施例，晶圆冷却/加热系统100可根据一些参数来决定那个排气阀要被启用，参数例如是：(1)在负载锁定腔室110内的晶圆数量以及每一个晶圆的插槽位置；(2)每一喷嘴的喷洒角度θ；(3)流经喷嘴的气体的流率；(4)晶圆的温度；以及(5)气体的温度。在某些实施例中，排气管路130可作为一故障排除工具，以检测在扩散器140上的阻塞的喷嘴。
本发明实施例提供一种晶圆冷却/加热系统，包含一负载锁定腔室以及一冷热模块。负载锁定腔室是利用一层流设计(level stream design)，可改善在冷却/加热制程中一批次的晶圆的温度的均匀性。在这个层流设计中，扩散器是设置在一负载锁定腔室的一侧面并且可通过一列的喷嘴以平行于晶圆表面的方向流出一气体。喷嘴的气体的喷洒角度θ可在0.01度与89.9度之间做调整。位于晶圆高度的多个排气管路可控制一气体移除率以及检测任何喷嘴的故障。一些设置于晶圆固持器上的流量与温度感测器可提供关于每一晶圆的温度与气体流量信息。此外，晶圆冷却/加热系统的热模块单元120使用一列的热电模块600并以各种配置来有效地冷却或加热进入的气体。根据某些实施例，冷却/加热系统的冷热模块可提供一宽广范围的气体温度。举例来说，提供给负载锁定腔室的气体温度的范围可大约在-50度C至50度C之间。
在某些实施例中，一晶圆冷却/加热系统包含(1)一负载锁定腔室以及(2)一冷热模块，被配置以控制提供给负载锁定腔室的一气体的温度。再者，负载锁定腔室包含(1)一晶圆固持器，被配置以于负载锁定腔室的一前侧接收多个晶圆；(2)沿着负载锁定腔室的一背侧、负载锁定腔室的一侧面或其组合所设置且具有一或多个喷嘴的一气体扩散器；以及(3)一或多个排气管路。
在某些实施例中，一晶圆冷却/加热系统包含一负载锁定腔室以及一冷热模块，被配置以提供一气体至负载锁定腔室。其中，冷热模块包含一半导体材料，半导体材料具有一顶面与一底面，被配置以加热或冷却至不同温度。负载锁定腔室进一步包含：(1)一晶圆固持器，被配置以于负载锁定腔室的一前侧接收多个晶圆；(2)沿着负载锁定腔室的一背侧、负载锁定腔室的一侧面或其组合所设置的一气体扩散器，其中气体扩散器包含一或多个扩散棒，其上具有一或多个喷嘴；以及(3)沿着负载锁定腔室的一侧面、负载锁定腔室的一背面或其组合所设置的一或多个排气管路。
在某些实施例中，冷却晶圆的方法包含：传送一或多个晶圆到在负载锁定腔室里的晶圆固持器上的板条上；调整位在负载锁定腔室内的一气体扩散器上的一或多个喷嘴的一或多者的一喷洒角度，其中一或多个喷嘴以平行于一或多个晶圆的方向提供一气体；以冷热模块来调节气体的温度；以及至少基于一或多个喷嘴的喷洒角度来启用在负载锁定腔室内的一或多个排气管路。
根据一些实施例，气体扩散器被配置以平行于晶圆的一方向经由一或多个喷嘴放出气体。
根据一些实施例，气体扩散器具有一弧形形状。
根据一些实施例，冷热模块包含一半导体材料、一铜片以及一陶瓷板。半导体材料具有一顶面与一底面，其中顶面与底面是配置以加热或冷却至不同的温度。铜片设置于半导体材料的顶面与底面的上方。陶瓷板设置于每一铜片的上方。
根据一些实施例，晶圆固持器包含多个晶圆插槽，配置以接收个别的晶圆，其中每一晶圆插槽包含多个板条，且板条上具有多个流量感测器以及多个温度感测器。
根据一些实施例，流量感测器被配置以测量一气体流量，气体流量介于2ml/min与200ml/min之间以及4l/min与350l/min之间。
根据一些实施例，温度感测器配置以测量一晶圆温度，晶圆温度介于-150度C与500度C之间。
根据一些实施例，每一喷嘴配置以具有一气体喷洒角度，气体喷洒角度的范围为0.01度至89.9度。
根据一些实施例，气体的温度范围为-5度C至50度C之间。
根据一些实施例，负载锁定腔室的侧面具有一或多个压力感测器，被配置以测量介于1*10-9Torr到约1000Torr之间的一气体压力。
根据一些实施例，气体包含氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气或氮气。
根据一些实施例，一或多个扩散棒以一弧形配置，并且被配置以平行于晶圆的一表面的方向流出气体。
根据一些实施例，冷热模块配置以提供温度介于-50度C至50度C的气体到负载锁定腔室。
根据一些实施例，调节气体的温度的步骤包含使气体流经在冷热模块中的多个热电模块。
应当理解的是，详细说明(实施方式)的部分，而非本公开的摘要部分，在某些情况下可参酌用于解释权利要求。本公开的摘要部分可以阐述发明人所设想的本公开中一个或多个实施例，但不是代表全部可能的实施例，故并非意图以任何方式限制所附权利要求。
前述内文概述了许多实施例的特征，使本技术领域中技术人员可以从各个方面优选地了解本公开。本技术领域中技术人员应可理解，且可轻易地以本公开为基础来设计或修饰其他制程及结构，并以此达到相同的目的及/或达到与在此介绍的实施例等相同的优点。本技术领域中技术人员也应了解这些相等的结构并未背离本公开的发明构思与范围。在不背离本公开的发明构思与范围的前提下，可对本公开进行各种改变、置换或修改。

Claims (1)

1.一种晶圆冷却系统，包含：
一负载锁定腔室，包含：
一晶圆固持器，被配置以在该负载锁定腔室的一前侧接收多个晶圆；
一气体扩散器，沿着该负载锁定腔室的一背侧、该负载锁定腔室的一侧面，或其组合所设置，其中该气体扩散器包含一或多个喷嘴；以及
一或多个排气管路；以及
一冷热模块，被配置以控制提供给该负载锁定腔室的一气体的温度。
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