CN110519905B - 温控装置和等离子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温控装置和等离子设备。所述温控装置包括加热组件、冷却组件和控制模块，其中，所述控制模块用于获取所述介电窗的预设温度和实际温度，以及根据所述实际温度和所述预设温度，控制所述加热组件的加热功率和所述冷却组件的冷却功率，以使所述实际温度趋近于所述预设温度。可实现介电窗温度的有效控制。

Description

温控装置和等离子设备

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，更具体地，涉及一种温控装置和一种等离子设备。

背景技术

等离子设备，例如离子刻蚀设备，是利用电磁场激发等离子体，利用高能等离子体与半导体或金属等发生物理化学反应，实现刻蚀的目的。

一般在离子刻蚀设备的真空室上的介电窗把上电极与真空室分开，上电极中的线圈在射频电源的激励下产生电磁场，电磁场通过介电窗传递到真空腔内，在真空腔内产生等离子体。介电窗一般由石英或陶瓷材料形成。

下电极在射频电源的激励下，形成偏置电场，控制轰击晶圆的离子的运动速度与方向。难免部分高能粒子在电磁场的作用下也会轰击介电窗，从而对介电窗进行加热。由于介电窗温度不均匀以及随时间在不断变化，会在下表面形成粒子等积垢，这些粒子积垢容易对刻蚀工艺造成影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温控装置和一种等离子设备，以解决上述现有技术中存在的至少一个技术问题。

一种温控装置，用于控制等离子设备的介电窗的温度，所述温控装置包括加热组件、冷却组件和控制模块，其中，所述控制模块用于获取所述介电窗的预设温度和实际温度，以及根据所述实际温度和所述预设温度，控制所述加热组件的加热功率和所述冷却组件的冷却功率，以使所述实际温度趋近于所述预设温度。

可选地，所述加热组件包括依次层叠设置的绝缘保温层、加热功能层和传热层，所述传热层贴着所述介电窗设置，用于向所述介电窗传递热量，所述传热层包括金属层，且所述金属层与所述介电窗相接触的表面经硬氧化处理形成绝缘表面。

可选地，所述加热组件包括多个第一条形加热本体和多个第二条形加热本体，所述第一条形加热本体的长度大于所述第二条形加热本体的长度，多个所述第一条形加热本体的第一端与多个所述第二条形加热本体的第一端均匀分布在同一个圆周上，所述第一条形加热本体的第二端以及所述第二条形加热本体的第二端均朝向所述圆周的圆心，所述第一条形加热本体与所述第二条形加热本体交替分布。

可选地，所述加热组件还包括环形加热本体，所述第一条形加热本体的第一端和第二条形加热本体的第一端均设置在所述环形加热本体上。

可选地，所述加热组件包括至少两个环形加热本体，所有所述环形加热本体同心设置。

可选地，所述控制模块用于根据所述介电窗的实际温度和预期温度调整输出给所述加热组件的工作电压的占空比以使所述介电窗的温度符合所述预设温度。

可选地，所述冷却组件包括沿所述温控装置的高度方向从下至上依次间隔设置的下风道组和上风道组；

所述上风道组包括第一上风道和第二上风道，所述第一上风道的端口以及所述第二上风道的端口均封闭；

所述下风道组包括第一下风道和第二下风道，所述第一下风道的端口以及所述第二下风道的端口均封闭；

所述第一上风道的流体入口与所述第二下风道的流体出口相对，所述第一上风道的流体出口与所述第一下风道的流体入口相对，所述第一下风道的流体出口与所述第二上风道的流体入口相对，所述第二上风道的流体出口与所述第二下风道的流体入口相对；

至少一对流体入口和流体出口之间是非密封的；

所述第一上风道的侧壁上设置有第一总流体入口，所述第二上风道的侧壁上设置有第二总流体入口。

可选地，所述第一上风道和所述第二上风道的中心线均为U型，和/或，所述第一下风道和所述第二下风道的中心线均为半圆型。

可选地，所述控制模块通过控制流向所述第一总流体入口和所述第二总流体入口的气流的流量大小而控制所述冷却组件的冷却功率，所述冷却功率与向所述上风道注入的气流的流量大小成正相关关系。

可选地，所述冷却组件还包括第一空气放大器和第二空气放大器，所述第一空气放大器设置在所述第一上风道上，所述第二空气放大器设置在所述第二上风道上，所述第一空气放大器的主气流入口与所述第一上风道的第二流体入口相对应，所述第二空气放大器的主气流入口与所述第二上风道的第三流体入口相对应，所述第一空气放大器的主气流出口与所述第一上风道的第一流体出口相对应，所述第二空气放大器的主气流出口与所述第二上风道的第四流体出口相对应，所述第一总流体入口形成在所述第一空气放大器的压缩气体注入口，所述第二总流体入口形成在所述第二空气放大器的压缩气体注入口。

可选地，所述冷却组件还包括两个流量计，分别用于控制流入所述第一空气放大器和所述第二空气放大器的压缩气体注入口的气体流量，所述控制模块通过控制流量计的输出以调整所述冷却组件的冷却功率。

根据本发明的第二方面，提供一种等离子设备，包括介电窗和控制所述介电窗温度的温控装置，所述温控装置为根据本发明第一方面所提供的温控装置，所述介电窗设置在所述加热本体的下方，所述冷却组件设置在所述加热本体的上方。

可选地，所述控制模块包括第一控制单元，用于在所述等离子设备的起辉阶段控制所述冷却组件工作；所述控制模块还包括第二控制单元，用于在所述等离子设备的辅助工艺阶段控制所述加热本体工作。

应用本发明实施例所提供的温控装置，能够实现介电窗温度的稳定控制。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例所提供的温控装置的主视图；

图2是本发明实施例所提供的温控装置的剖视图；

图3是本发明实施例所提供的温控装置中加热本体的截面图；

图4是本发明实施例所提供的温控装置中冷却组件的工作原理示意图；

图5是本发明实施例所提供的温控装置的系统框图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

经本申请的发明人反复研究发现，背景技术中介电窗温控效果不好的原因在于现有介电窗温控装置中没有对介电窗的冷却组件，单纯依靠对介电窗的加热不能很好的控制介电窗的温度。尤其是在等离子设备的起辉阶段，介电窗的温度迅速升高，此时需要对介电窗进行冷却。

有鉴于此，根据本发明的第一个方面，提供一种温控装置，所述温控装置用于等离子设备的介电窗，所述温控装置包括加热组件2、冷却组件和控制模块11，其中，控制模块11用于获取介电窗6的预设温度和实际温度，以及根据所述实际温度和所述预设温度，控制加热组件2的加热功率和所述冷却组件的冷却功率，以使所述实际温度趋近于所述预设温度。

具体地，如图1和图5所示，控制模块11例如可编程逻辑控制器（PLC）、单片机、计算机等。控制模块11从测温模块1获取介电窗6的实际温度。测温模块1例如是热电偶传感器。

控制模块11进行控制所依赖的预设温度可以是控制模块11内部固化的一个温度值，也可以是通过计算机17等设备在控制模块11内的存储空间内写入的一个温度值。

当介电窗6的实际温度高于设定温度一定差值时，控制模块11控制冷却组件工作，冷却组件冷却介电窗6，或者控制模块11控制加热组件2停止控制，以使介电窗6自然冷却。介电窗6的温度高于设定温度的差值越大，冷却组件的冷却功率越大。

当介电窗6的实际温度低于设定温度一定差值时，控制模块11控制加热组件2工作，加热组件2加热介电窗6。介电窗6的温度低于设定温度的差值越大，加热组件2的加热功率越大。

在加热本体对介电窗加热的基础上，配合冷却组件对介电窗进行冷却，从而实现对控制模块对介电窗温度的双向控制，有利于介电窗6温度的稳定性和可控性。

优选地，如图3所示，加热组件2包括依次层叠设置的绝缘保温层20、加热功能层21和传热层22，传热层22贴着介电窗6设置，用于向介电窗6传递热量，传热层22包括金属层，且与介电窗6相接触的表面经硬氧化处理形成绝缘表面。

传热层22例如由金属铝等金属材料经表面氧化处理后形成。加热功能层21例如由薄片电阻丝形成。由于为加热功能层21的供电线处于射频环境中，需要在加热功能层21的供电线上设置电源滤波器。

薄片金属丝的散热效率并不高，容易因温度过高而烧坏。一方面传热层22提高了加热功能层21向介电窗6导热的效率，另一方面传热层22与介电窗6接触的表面进行硬氧化处理，避免了漏电。

在另外一种实施方式中，传热层22同样可以由绝缘材料形成。绝缘材料形成的传热层22对电磁场在加热组件2中的衰减更小。

可选地，如图1所示，所述加热组件包括多个第一条形加热本体2b和多个第二条形加热本体2c，第一条形加热本体2b的长度大于第二条形加热本体2c的长度，多个第一条形加热本体2b的第一端与多个第二条形加热本体2c的第一端均匀分布在同一个圆周上，第一条形加热本体2b的第二端朝向所述圆周的圆心，第二条形加热本体2c的第二端朝向所述圆周的圆心，第一条形加热本体2b与第二条形加热本体2c交替分布。实际应用时，该圆心正对介电窗6的圆心。

一般介电窗6的形状为圆形，介电窗6靠近圆心区域需要的加热面积较小，介电窗6远离圆心的区域需要的加热面积较大。上述设置的第一条形加热本体2b和第二条形加热本体2c的发热区域在整个圆平面内分布更加均匀，对介电窗6的加热也更加均匀。

可选地，如图1所示，所述加热组件还包括环形加热本体2a ，第一条形加热本体2b的第一端和第二条形加热本体2c的第一端均设置在环形加热本体2a上。

为便于组装和维修，在图1中，相邻的两个第一条形加热本体2b和相邻的两个第二条形加热本体2c以及对应的部分环形加热本体2a制造成一体结构。彼此相邻的三个所述一体结构通过三个连接器4拼合在一起。连接器4一方面将三个所述一体结构机械地拼合成一个整体，另一方面连接器4的两个电极还与其所连接的加热本体中加热功能层21中的诸如电阻丝的器件电连接。加热器固定件3用于将环形加热本体2a固定在调整支架7上。加热本体电源接口5用于为整个加热本体提供电源。

环形加热本体2a的设置是为了配合介电窗6的经典圆形形状，对介电窗6的外围均匀加热。

可选地，为达到对介电窗均匀加热的技术效果，在另外一种实施方式中，加热组件2包括至少两个环形加热本体，所有所述环形加热本体同心设置。

可选地，所述控制模块用于根据所述介电窗的实际温度和预期温度调整输出给加热组件2的工作电压的占空比以使所述介电窗的温度符合所述预设温度。

如图5所示，固态继电器14控制交流电源13与加热本体2之间的通断，控制模块11为固态继电器14提供控制信号，该控制信号控制加热本体2与交流电源13导通的时间占空比。不同的时间占空比对应不同的加热功率。

可选地，参见图2和图4所示，所述冷却组件包括沿所述温控装置的高度方向从下至上依次间隔设置的下风道组和上风道组；所述上风道组包括第一上风道9b1和第二上风道9b2，第一上风道9b1的端口以及第二上风道9b2的端口均封闭。

所述下风道组包括第一下风道9a1和第二下风道9a2，第一下风道9a1的端口以及第二下风道9a2的端口均封闭。

第一上风道9b1的流体入口与第二下风道9a2的流体出口相对，第一上风道9b1的流体出口与第一下风道9a1的流体入口相对，第一下风道9a1的流体出口与第二上风道9b2的流体入口相对，第二上风道9b2的流体出口与第二下风道9a2的流体入口相对。

具体地，第一上风道9b1的第一端部在所述下风道组上的正投影与第一下风道9a1的第一端部重叠，第一上风道9b1的第二端部在所述下风道组上的正投影与第二下风道9a2的第一端部重叠。

具体地，第二上风道9b2的第一端部在所述下风道组上的正投影与第一下风道9a1的第二端部重叠，第二上风道9b2的第二端部在所述下风道组上的正投影与第二下风道9a2的第二端部重叠。

具体地，第一上风道9b1的第一端部的侧壁上设置有朝向第一下风道9a1的第一端部的第一流体出口，第一下风道9a1的第一端部的侧壁上设置有与所述第一流体出口相对的第一流体入口，第一上风道9b1的第二端部的侧壁上设置有朝向第二下风道9a2的第一端部的第二流体入口，第二下风道9a2的第一端部的侧壁上设置有与所述第二流体入口相对的第二流体出口。

具体地，第二上风道9b2的第一端部的侧壁上设置有朝向第一下风道9a1的第二端部的第三流体入口，第一下风道9a1的第二端部的侧壁上设置有与所述第三流体入口相对的第三流体出口，第二上风道9b2的第二端部的侧壁上设置有朝向第二下风道9a2的第二端部的第四流体出口，第二下风道9a2的第二端部的侧壁上设置有与所述第四流体入口相对的第四流体入口。

至少一对流体入口和流体出口之间是非密封的。

第一上风道9b1的侧壁上设置有第一总流体入口9b1i，第二上风道9b2的侧壁上设置有第二总流体入口9b2i。

由于冷空气趋向于向下流动，故所述上风道组设置在所述下风道组的上方。以图4中的当前视角进行说明，图4左侧的第一上风道9b1流出的冷空气进入图4下方的第一下风道9a1（图4中下方的箭头标示的风道），图4下方的第一下风道9a1流出的气体进入图4右侧的第二上风道9b2，图4右侧的第二上风道9b2流出的气体进入图4上方的第二下风道9a2（图4中上方的箭头标示的风道），从图4上方的第二下风道9a2流出的气体再次进入图4左侧的第一上风道9b1。

需要向第一上风道9b1和第二上风道9b2注入压缩气体是为了带动整个风道系统内的空气流动起来。

需要说明的是，在这些上风道与下风道对接之处，至少一处是非密封的，或者说是留有缝隙的。这样为驱动整个风道系统内的气体流动，向整个风道系统注入的气体从这些缝隙流出。

需要说明的是，图2所示剖视图的剖面线是沿图4中第一上风道9b1的第一端部和第二上风道9b2的第一端部的连线。这样在图2中只看到了第一下风道9a1。

大流量的进风冷却组件一方面可以很好的冷却介电窗，为整个温控装置提供强有力的温度负向调节能力；另一方面也使得整个介电窗的温度更加均匀。

在图2中，内线圈8a和外线圈8b用于产生高频电磁场。调整支架7是用于调节加热本体2的高度。

优选地，如图4所示，第一上风道9b1和第二上风道9b2的中心线均为U型，和/或，第一下风道9a1和第二下风道9a2的中心线均为半圆型。

U型风道的设计更有利于减少对气体流动转向时的阻力，而半圆型的风道则是配合圆形的介电窗，使得对介电窗的温度冷却效果更加均匀。

具体地，所述控制模块通过控制流向第一总流体入口9b1i和第二总流体入口9b2i的气流的流量大小而控制所述冷却组件的冷却功率，所述冷却功率与向所述上风道注入的气流的流量大小成正相关关系。

例如可通过大流量的风扇系统构向第一总流体入口9b1i和第二总流体入口9b2i注入冷空气。为了进一步有效控制整个风道内的气流流量，如图4所示，所述冷却组件还包括第一空气放大器101和第二空气放大器102（二者构成图5中的空气放大器10），第一空气放大器101设置在第一上风道9b1上，第二空气放大器102设置在第二上风道9b2上，第一空气放大器101的主气流入口与第一上风道9b1的第二流体入口相对应，第二空气放大器102的主气流入口与第二上风道9b2的第三流体入口相对应，第一空气放大器101的主气流出口与第一上风道9b1的第一流体出口相对应，第二空气放大器102的主气流出口与第二上风道9b2的第四流体出口相对应，所述第一总流体入口形成在第一空气放大器101的压缩气体注入口，所述第二总流体入口形成在第二空气放大器102的压缩气体注入口。

使用空气放大器可为整个风道提供大流量的冷空气，对介电窗的冷却效果也更加强大。

如图5所示，为控制流入第一空气放大器101和第二空气放大器102的压缩空气注入口的气体流量，所述冷却组件还包括两个流量计，分别用于控制流入第一空气放大器101和第二空气放大器102的压缩气体注入口的气体流量，控制模块11通过控制流量计15的输出以调整所述冷却组件的冷却功率。

具体地，压缩空气源16为流量计15提供冷空气气源。

根据本发明的第二个方面，提供一种等离子设备，包括介电窗6和控制介电窗6温度的温控装置，所述温控装置为根据本发明第一方面所提供的温控装置，介电窗6设置在加热组件2的下方，所述冷却组件设置在加热组件2的上方。

在这个等离子设备中，冷却组件还会对上电极区域的线圈及其他电子电力元件进行冷却，防止它们受热而影响工作状态。保证整个系统的安全。

具体地，在所述等离子设备的起辉阶段，控制模块11包括第一控制单元（未示出），用于在所述等离子设备的起辉阶段控制所述冷却组件工作；控制模块11还包括第二控制单元（未示出），用于在所述等离子设备的辅助工艺阶段控制所述加热本体工作。

在等离子设备的起辉阶段，产生大量的热量，这时需要对介电窗进行冷却；在起辉阶段之后的辅助工艺阶段，整个系统的温度较为稳定，通过调整加热本体的加热功率的大小或者加热本体是否工作来对介电窗的温度进行小幅度调整。

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)

1.一种等离子设备，包括介电窗和控制所述介电窗温度的温控装置，其特征在于，所述温控装置用于控制等离子设备的介电窗的温度，包括加热组件、冷却组件和控制模块；

所述介电窗设置在所述加热组件的下方，所述冷却组件设置在所述加热组件的上方；

所述控制模块用于获取所述介电窗的预设温度和实际温度，以及根据所述实际温度和所述预设温度，控制所述加热组件的加热功率和所述冷却组件的冷却功率，以使所述介电窗的实际温度趋近于所述预设温度；

所述控制模块包括第一控制单元，用于在所述等离子设备的起辉阶段控制所述冷却组件工作；所述控制模块还包括第二控制单元，用于在所述等离子设备的辅助工艺阶段控制所述加热组件工作；

所述加热组件贴着所述介电窗设置，用于向所述介电窗传递热量；所述加热组件包括多个第一条形加热本体和多个第二条形加热本体，所述第一条形加热本体的长度大于所述第二条形加热本体的长度，多个所述第一条形加热本体的第一端与多个所述第二条形加热本体的第一端均匀分布在同一个圆周上，所述第一条形加热本体的第二端以及所述第二条形加热本体的第二端均朝向所述圆周的圆心，所述第一条形加热本体与所述第二条形加热本体在圆周方向交替分布，以对所述介电窗均匀加热；

所述冷却组件包括沿所述温控装置的高度方向从下至上依次间隔设置的下风道组和上风道组；

所述上风道组包括第一上风道和第二上风道，所述第一上风道的端口以及所述第二上风道的端口均封闭；

所述下风道组包括第一下风道和第二下风道，所述第一下风道的端口以及所述第二下风道的端口均封闭；

所述第一上风道的流体入口与所述第二下风道的流体出口相对，所述第一上风道的流体出口与所述第一下风道的流体入口相对，所述第一下风道的流体出口与所述第二上风道的流体入口相对，所述第二上风道的流体出口与所述第二下风道的流体入口相对；

至少一对流体入口和流体出口之间是非密封的；

所述第一上风道的侧壁上设置有第一总流体入口，所述第二上风道的侧壁上设置有第二总流体入口。

2.根据权利要求1所述的等离子设备，其特征在于，所述加热组件包括依次层叠设置的绝缘保温层、加热功能层和传热层，所述传热层贴着所述介电窗设置，用于向所述介电窗传递热量，所述传热层包括金属层，且所述金属层与所述介电窗相接触的表面经硬氧化处理形成绝缘表面。

3.根据权利要求1所述的等离子设备，其特征在于，所述加热组件还包括环形加热本体，所述第一条形加热本体的第一端和第二条形加热本体的第一端均设置在所述环形加热本体上。

4.根据权利要求1所述的等离子设备，其特征在于，所述控制模块用于根据所述介电窗的实际温度和预设温度调整输出给所述加热组件的工作电压的占空比以使所述介电窗的温度符合所述预设温度。

5.根据权利要求1所述的等离子设备，其特征在于，所述第一上风道和所述第二上风道的中心线均为U型，和/或，所述第一下风道和所述第二下风道的中心线均为半圆型。

6.根据权利要求1所述的等离子设备，其特征在于，所述控制模块通过控制流向所述第一总流体入口和所述第二总流体入口的气流的流量大小而控制所述冷却组件的冷却功率，所述冷却功率与向所述上风道组注入的气流的流量大小成正相关关系。

7.根据权利要求6所述的等离子设备，其特征在于，所述冷却组件还包括第一空气放大器和第二空气放大器，所述第一空气放大器设置在所述第一上风道上，所述第二空气放大器设置在所述第二上风道上，所述第一空气放大器的主气流入口与所述第一上风道的第二流体入口相对应，所述第二空气放大器的主气流入口与所述第二上风道的第三流体入口相对应，所述第一空气放大器的主气流出口与所述第一上风道的第一流体出口相对应，所述第二空气放大器的主气流出口与所述第二上风道的第四流体出口相对应，所述第一总流体入口形成在所述第一空气放大器的压缩气体注入口，所述第二总流体入口形成在所述第二空气放大器的压缩气体注入口。

8.根据权利要求7所述的等离子设备，其特征在于，所述冷却组件还包括两个流量计，分别用于控制流入所述第一空气放大器和所述第二空气放大器的压缩气体注入口的气体流量，所述控制模块通过控制流量计的输出以调整所述冷却组件的冷却功率。

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