CN110079781B - 冷却腔室、aln缓冲层生长工艺设备和冷却处理的方法 - Google Patents

冷却腔室、aln缓冲层生长工艺设备和冷却处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种冷却腔室、ALN缓冲层生长工艺设备和采用冷却腔室进行冷却处理的方法，其中的冷却腔室包括：腔室本体、设置在腔室本体内的水冷盘、托盘和调节机构；托盘用于承载晶片，水冷盘用于对托盘进行降温；调节机构用于调节托盘与水冷盘之间的距离。本发明的冷却腔室、设备以及冷却处理方法，能够提高托盘和晶片冷却的温度均匀性，保证工艺结果的稳定性和一致性，可以将托盘在不破碎的情况下冷却至较低温度；可以再更少的时间内达到目标温度，提高设备的产能。

Description

冷却腔室、ALN缓冲层生长工艺设备和冷却处理的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种冷却腔室、ALN缓冲层生长工艺设备和采用冷却腔室进行冷却处理的方法。
背景技术
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术被广泛应用于半导体领域，其采用溅射(Sputtering)沉积技术，在衬底和靶材之间通入氩气等惰性气体，高电压将惰性气体电离产生等离子体，通过磁场增强束缚电子的能力使产生的等离子体轰击靶材，将靶材材料的原子或离子沉积在衬底上形成薄膜。PVD AlN缓冲层在LED领域已经成为标准的工艺制程。由于AlN缓冲层的加入，LED的亮度、良率等电性指标得到较大提升，并且能够有效降低LED结构的厚度，降低成本。由于AlN的结晶温度较高，常见的为600-700℃，衬底在高温镀AlN(氮化铝)之后必须经过有效的冷却才可以从溅射设备取出。
如图1所示，典型的PVD AlN机台包含四个腔室，装卸载腔、传输腔、工艺腔和冷却腔。完整的AlN制程，承载Wafer(晶片)的托盘需要依次经过装载腔装载、经传输腔传输至工艺腔、高温溅镀AlN、经传输腔传输至冷却腔、冷却、经传输腔传至装卸载腔、卸载取出这些流程。冷却工艺的时间对于机台的产能有着重要的影响，当前对机台的冷却时间需求为6-10min。冷却后托盘的温度也有严格的要求，一般为60℃以下。现有的冷却腔室存在如下缺点：由于腔室的结构、冷却水的分布和无法保证完全对称，托盘和wafer不同位置的热量无法以同等的速度进行冷却；气体通入为单方向不对称，因此靠近气孔位置的冷却速率快于远端，容易造成托盘和Wafer的应力的产生，甚至碎裂；托盘在冷却过程中的温度没有监控，当托盘和Wafer冷却不充分温度过高时，工艺结果和人身安全存在较大风险。另外，由于无法监控冷却速率，在冷却实验和生产过程中易发生碎盘等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种冷却腔室、ALN缓冲层生长工艺设备和采用冷却腔室进行冷却处理的方法。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种冷却腔室，包括：腔室本体、设置在腔室本体内的水冷盘、托盘和调节机构；所述托盘用于承载晶片，所述水冷盘用于对所述托盘进行降温；所述调节机构用于调节所述托盘与所述水冷盘之间的距离。
可选地，所述调节机构包括：升降托盘支架；所述升降托盘支架用于支撑所述托盘并调节所述托盘与所述水冷盘之间的距离。
可选地，在所述托盘与所述水冷盘之间的距离发生变化的过程中，所述托盘位于所述水冷盘的上方。
可选地，在所述水冷盘内设置有冷却水道。
可选地，包括：测温装置；所述测温装置用于检测位于所述腔室本体内的所述托盘的温度。
可选地，所述测温装置包括：红外测温装置；所述红外测温装置的测温探头通过设置在所述上壁的通孔引入到所述腔室本体内部，用于采集所述托盘的温度。
可选地，所述红外测温装置的数量为三个；三个测温探头分别采集与所述托盘中心、所述托盘半径中点和所述托盘外边缘的位置相对应的托盘温度。
可选地，包括：匀气环；所述匀气环设置在所述腔室本体内；在所述匀气环上设置有出气口，通过所述出气口向所述腔室本体内充入冷却气体。
可选地，多个所述出气口在所述匀气环上均匀分布，相邻的两个出气口间隔预设的角度；其中，每个出气口的出气方向都朝向所述腔室本体的中心并与水平面具有预设的夹角。
根据本发明的另一方面，提供一种ALN缓冲层生长工艺设备，包括：如上所述的冷却腔室。
根据本发明的又一方面，提供一种采用如上所述的冷却腔室进行冷却处理的方法，包括：预设标准温度T0；在进行冷却处理的过程中获得托盘温度，判断所述托盘温度是否小于所述T0；如果是，则继续进行冷却处理；如果否，则在预设的时长后获得新的托盘温度，判断新的托盘温度是否小于所述T0，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则终止冷却处理。
可选地，设置安全速率S0；在进行冷却处理的过程中，获得多个托盘温度和温度采集时间；基于所述多个托盘温度和温度采集时间计算降温速率S；判断所述S是否小于安全速率S0；如果是，则继续进行冷却处理；如果否，则终止冷却处理并增加所述托盘与所述水冷盘之间的距离，控制冷却气体停止进入腔室本体。
可选地，设置温度均匀安全值U0；在进行冷却处理的过程中，获得多个托盘温度；基于所述多个托盘温度计算温度均匀性U；其中，U＝(所述多个托盘温度中的最大值-所述多个托盘温度中的最小值)/2；判断所述U是否小于所述U0；如果是，则继续进行冷却处理；如果否，则终止冷却处理并增加所述托盘与所述水冷盘之间的距离，控制冷却气体停止进入腔室本体。
可选地，设置多个冷却工艺距离并设置与每个冷却工艺距离相对应的冷却时间；根据所述多个冷却工艺距离以及相对应的冷却时间控制所述托盘与所述水冷盘之间的距离，进行相应地冷却处理。
可选地，获得多个测温装置采集的多个托盘检测温度；将多个托盘检测温度的平均温度作为所述托盘温度。
本发明的冷却腔室、ALN缓冲层生长工艺设备和采用冷却腔室进行冷却处理的方法，通过调节托盘与水冷盘之间的距离，能够提高托盘和晶片冷却的温度均匀性，保证工艺结果的稳定性和一致性。
本发明实施例附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图：
图1为现有技术中的AlN工艺流程的示意图；
图2A为根据本发明的用于AlN缓冲层生长工艺的冷却腔室的一个实施例的侧剖视示意图；
图2B为根据本发明的用于AlN缓冲层生长工艺的冷却腔室的一个实施例的顶部剖视示意图；
图3为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例的流程示意图；
图4为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例中的执行温度安全互锁的控制流程示意图；
图5为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例中的执行降温速度安全互锁的控制流程示意图；
图6为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例中的执行温度均匀性互锁的控制流程示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。
下文为了叙述方便，下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致。下文中的“第一”、“第二”等，仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。
如图2A和2B所示，本发明提供一种冷却腔室，冷却腔室用于AlN缓冲层生长工艺，冷却腔室包括：腔室本体1、设置在腔室本体1内的水冷盘4、托盘2和调节机构。托盘2 用于承载晶片，水冷盘4用于对托盘2进行降温。调节机构用于调节托盘2与水冷盘4之间的距离。
调节机构可以有多种具体结构。例如，调节机构包括：升降托盘支架3,3’，升降托盘支架3,3’用于支撑托盘2并调节托盘2与水冷盘4之间的距离。在托盘2与水冷盘4之间的距离发生变化的过程中，托盘2可以位于水冷盘4的上方。可以在水冷盘4 内设置有冷却水道，冷却水道包括：进水口41和出水口42。
在一个实施例中，可以将托盘2距离水冷盘4的高度定义为高度1-4，分别为高度1为4mm、高度2为2mm、高度3为1mm、高度4为0mm(即与水冷盘接触)。托盘2的高度通过升降托盘支架3,3’的升降来调节。
可以设置测温装置，测温装置用于检测位于腔室本体1内的托盘2的温度。测温装置可以有多种，例如为红外测温装置等。红外测温装置的测温探头通过设置在上壁的通孔引入到腔室本体1内部，用于采集托盘2的温度。
例如，测温装置包括多个红外测温装置，红外测温装置安装在腔室本体1的上壁，红外测温装置的测温探头通过设置在上壁上的通孔引入腔室本体1内部，用于采集托盘2的温度。多个红外测温装置的数量可以为三个，三个测温探头63，62,61分别采集与托盘2中心、托盘2半径中点和托盘2外边缘的位置相对应的托盘温度。
为了测试冷却过程中托盘2的温度及均匀性，在腔室本体1的上壁增加了3处红外测温装置。红外测温装置安装在腔室本体1的上壁，测温探头通过腔室本体1的通孔引入腔室本体1进行测量。三个红外测温装置对应于托盘2中心、半径中点、和外边缘的位置，在冷却过程中监控托盘2内/中/外圈的温度，并将数据反馈至机台。
在一个实施例中，匀气环5设置在腔室本体1内，在匀气环5上设置有出气口52，通过出气口52向腔室本体1内充入冷却气体。多个出气口52在匀气环5上均匀分布，相邻的两个出气口52间隔预设的角度，每个出气口52的出气方向都朝向腔室本体1的中心并与水平面具有预设的夹角，夹角可以为45度、60度等。
在一个实施例中，本发明提供一种ALN缓冲层生长工艺设备，包括如上任一实施例中的冷却腔室。ALN缓冲层生长工艺设备可以为PVD AlN机台等。
图3为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例的流程示意图；如图3所示：
步骤301，预设标准温度T0。
步骤302，在进行冷却处理的过程中获得托盘温度，判断托盘温度是否小于T0。
步骤303，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则在预设的时长后获得新的托盘温度，判断新的托盘温度是否小于T0，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则终止冷却处理。
在进行冷却处理时，通过软件可利用该数据进行安全性互锁。在完成冷却处理的当前工艺步骤操作时，获得多个红外测温装置采集的多个托盘温度的平均温度T。如果T小于标准温度T0，则继续进行冷却处理；如果T大于或等于T0，则在预设的时长后获得新的平均温度T，判断新的平均温度T是否小于T0，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则终止冷却处理。
图4为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例中的执行温度安全互锁的控制流程示意图，如图4所示：
步骤401，判断是否执行冷却工艺分步结束的温度安全互锁，如果是，则执行步骤402，如果否，则进入步骤406，进行下一步工艺步骤操作。
步骤402，在当前工艺步骤操作结束时，记录托盘的3个测温点的平均温度T。
步骤403，对比平均温度T是否小于标准温度T0，如果是，则进入步骤406，当 T<T0时，进行下一步工艺步骤操作；如果否，进入步骤404。
步骤404，当T>＝T0时，继续延长该工艺步骤冷却1min，1min后对比平均温度T是否小于标准温度T0；如果是，则进入步骤406，如果否，则进入步骤405，则终止工艺。
在一个实施例中，冷却处理的过程中，获得多个红外测温装置采集的多个托盘温度和采集时间。设置安全速率S0，在进行冷却处理的过程中，获得多个托盘温度和温度采集时间，基于多个托盘温度和温度采集时间计算降温速率S。判断S是否小于安全速率S0，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则终止冷却处理并增加托盘与水冷盘之间的距离，控制冷却气体停止进入腔室本体。
图5为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例中的执行降温速度安全互锁的控制流程示意图，如图5所示：
步骤501，判断是否执行冷却工艺的降温速度的安全互锁，如果是，则进入步骤502，如果否，则进入步骤505，继续进行工艺操作。
步骤502，持续记录并计算近5s内的温度下降，得到降温速率S。
步骤503，对比该降温速率是否小于安全速率S0，如果是，进入步骤505，如果否，进入步骤504。
步骤504，如果S>S0，或S＝S0则终止冷却工艺，发出报警并升高托盘的高度，关停冷却气体通入，以确保安全。
步骤505，如果S<S0，则继续进行工艺操作。
在一个实施例中，设置温度均匀安全值U0。在进行冷却处理的过程中，获得多个托盘温度，基于多个托盘温度计算温度均匀性U，U＝(多个托盘温度中的最大值-多个托盘温度中的最小值)/2。判断U是否小于U0，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则终止冷却处理并增加托盘与水冷盘之间的距离，控制冷却气体停止进入腔室本体。
图6为采用本发明的冷却腔室进行冷却处理的方法的一个实施例中的执行温度均匀性互锁的控制流程示意图，如图6所示：
步骤601，判断是否执行冷却工艺的温度均匀性的安全互锁，如果是，则进入步骤602，如果否，则计入步骤605，继续进行工艺操作。
步骤602，持续记录3个测温点的温度，并计算温度均匀性U，U＝(最大值-最小值)/2倍平均值，得到温度均匀性U。
步骤603，对比该温度均匀性是否小于安全值U0，如果是，则进入步骤605，如果否，则进入步骤604。
步骤604，如果U>U0，或U＝U0，则终止工艺操作，发出报警并升高托盘的高度，关停冷却气体通入，以确保安全。
步骤605，如果U<U0，则继续进行工艺操作。
在一个实施例中，设置多个冷却工艺距离并设置与每个冷却工艺距离相对应的冷却时间，根据多个冷却工艺距离以及相对应的冷却时间控制托盘与水冷盘之间的距离，进行相应地冷却处理。获得多个测温装置采集的多个托盘检测温度，将多个托盘检测温度的平均温度作为托盘温度。
在PVD AIN工艺中，为了实现“不碎盘”和“最终温度＜60℃”这两个目标，将冷却过 程分为四步，如下表1所示。四步冷却采用不同高度，并调整时间分配，获得不同的冷却效 果。经过实验发现和马拉松测试，当托盘温度高于200℃直接放置于冷却水盘上时，由于温 差大，托盘降温速率快，会发生碎裂。当第一步的时间T1选1.3-1.9min，第二步T2和第三步 T3选1.1-1.4min，第四步T4选2.4-2.6min，气体压力P为10-50Torr时，能够实现安全不碎盘 的前提下将托盘降温至60℃以下。
实验1 第一步 第二步 第三步 第四步
时间 T1 T2 T3 T4
高度 4mm 2mm 1mm 0mm
气体压力 P P P P
表1-四步冷却方法结果表
在一个实施例中，如图2、3所示，从均匀性角度考虑，气体通过匀气环5的进气口51进入，在匀气环5的内测均匀的分布着72个出气口52，每个出气口52之间间隔5°，出气口52的角度均为向内，而且与水平面成45°夹角。在不同温度情况下，对比了单一进气口和有匀气环装置情况下的温度均匀性。采集不同平均温度情况下的三个测温点的温度值，计算均匀性，为(最大值-最小值)/2倍平均值，所得结果如表2所示，可以看到匀气环装置对于均匀性的提升起到明显的作用，将均匀性由6.3％优化至约2.1％。
Figure BDA0002024431980000071
表2-冷却均匀性对比表
上述实施例中的冷却腔室、ALN缓冲层生长工艺设备和采用冷却腔室进行冷却处理的方法，通过调节托盘与水冷盘之间的距离，能够提高托盘和晶片冷却的温度均匀性，保证工艺结果的稳定性和一致性；可以对托盘的温度及其均匀性可以进行实时监控，能够将托盘在不破碎的情况下冷却至较低温度；为进一步降低冷却温度提供了可能，可以再更少的时间内达到目标温度，提高设备的产能。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (14)

1.一种冷却腔室，其特征在于，包括：腔室本体、设置在腔室本体内的水冷盘、托盘和调节机构；所述托盘用于承载晶片，所述水冷盘用于对所述托盘进行降温；所述调节机构用于根据预设的多个冷却工艺距离及每个所述冷却工艺距离对应的冷却时间调节所述托盘与所述水冷盘之间的距离。
2.如权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，所述调节机构包括：升降托盘支架；所述升降托盘支架用于支撑所述托盘并调节所述托盘与所述水冷盘之间的距离。
3.如权利要求2所述的冷却腔室，其特征在于，在所述托盘与所述水冷盘之间的距离发生变化的过程中，所述托盘位于所述水冷盘的上方。
4.如权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，在所述水冷盘内设置有冷却水道。
5.如权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，包括：测温装置；所述测温装置用于检测位于所述腔室本体内的所述托盘的温度。
6.如权利要求5所述的冷却腔室，其特征在于，所述测温装置包括：红外测温装置；所述红外测温装置的测温探头通过设置在所述腔室本体的上壁的通孔引入到所述腔室本体内部，用于采集所述托盘的温度。
7.如权利要求6所述的冷却腔室，其特征在于，所述红外测温装置的数量为三个；三个测温探头分别采集与所述托盘中心、所述托盘半径中点和所述托盘外边缘的位置相对应的托盘温度。
8.如权利要求1所述的冷却腔室，其特征在于，包括：匀气环；所述匀气环设置在所述腔室本体内；在所述匀气环上设置有出气口，通过所述出气口向所述腔室本体内充入冷却气体。
9.如权利要求8所述的冷却腔室，其特征在于，多个所述出气口在所述匀气环上均匀分布，相邻的两个出气口间隔预设的角度；其中，每个出气口的出气方向都朝向所述腔室本体的中心并与水平面具有预设的夹角。
10.一种ALN缓冲层生长工艺设备，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的冷却腔室。
11.一种采用如权利要求1至9任一项所述的冷却腔室进行冷却处理的方法，其特征在于，包括：预设标准温度T0；在进行冷却处理的过程中获得托盘温度，判断所述托盘温度是否小于所述T0；如果是，则继续进行冷却处理；如果否，则在预设的时长后获得新的托盘温度，判断新的托盘温度是否小于所述T0，如果是，则继续进行冷却处理，如果否，则终止冷却处理。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：设置安全速率S0；在进行冷却处理的过程中，获得多个托盘温度和温度采集时间；基于所述多个托盘温度和温度采集时间计算降温速率S；判断所述S是否小于安全速率S0；如果是，则继续进行冷却处理；如果否，则终止冷却处理并增加所述托盘与所述水冷盘之间的距离，控制冷却气体停止进入腔室本体。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：设置温度均匀安全值U0；在进行冷却处理的过程中，获得多个托盘温度；基于所述多个托盘温度计算温度均匀性U；其中，U＝(所述多个托盘温度中的最大值-所述多个托盘温度中的最小值)/2；判断所述U是否小于所述U0；如果是，则继续进行冷却处理；如果否，则终止冷却处理并增加所述托盘与所述水冷盘之间的距离，控制冷却气体停止进入腔室本体。
14.如权利要求11所述的方法，所述获得托盘温度包括：获得多个测温装置采集的多个托盘检测温度；将多个托盘检测温度的平均温度作为所述托盘温度。
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