CN110797249A - 工艺腔室和半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工艺腔室和半导体处理设备。包括腔室本体以及套设在所述腔室本体外侧的冷却元件，所述冷却元件与所述腔室本体的外周壁之间形成有冷却气体通道，所述工艺腔室还包括温度感应元件、加热元件以及控制元件，所述温度感应元件、所述加热元件均与所述控制元件电连接；其中，所述温度感应元件，用于检测所述腔室本体内的当前实际温度并将其发送至所述控制元件；所述控制元件，用于将所述当前实际温度与预设温度进行比较，并当所述当前实际温度小于所述预设温度时，控制所述加热元件对所述腔室本体进行加热。能够有效减缓腔室本体内温度降低速率，可以提高每次工艺制程的均匀性，提高工艺良率，降低制作成本。

Description

工艺腔室和半导体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种工艺腔室和一种半导体处理设备。

背景技术

近年来，MEMS器件及系统在汽车和消费电子领域应用越来越广泛，以及TSV通孔刻蚀(Through-Silicon Etch)技术在未来封装领域的广阔前景，干法等离子体深硅刻蚀工艺应用越来越多，逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中最炙手可热工艺之一。

上述干法刻蚀设备中一般都集成有等离子体系统，包括等离子源系统和下偏压系统。等离子源负责在真空腔室内产生高密度的等离子体，下偏压系统则给等离子体的离子运动以方向，引导带电粒子轰击晶片，从而产生物理刻蚀，等离子环境中的活性自由基和气体本身的化学活性对晶片产生化学刻蚀作用。等离子源系统是刻蚀设备中至关重要的一部分。

在施加功率的射频线圈作用下，腔室本体内部产生等离子体。随着高刻蚀速率的需求，等离子体功率密度也增高，在等离子体进行启辉时，释放出大量的热量，从而使得腔室本体内的温度急剧升高，但是，在启辉结束后，腔室本体内的温度会急速下降，这样，会导致腔室本体内的温差变化较大，导致每次工艺制程的均匀性变差，降低工艺良率。

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，提出了一种微环境系统、一种微环境系统的压力控制方法以及一种半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种工艺腔室，包括腔室本体以及套设在所述腔室本体外侧的冷却元件，所述冷却元件与所述腔室本体的外周壁之间形成有冷却气体通道，所述工艺腔室还包括温度感应元件、加热元件以及控制元件，所述温度感应元件、所述加热元件均与所述控制元件电连接；其中，

所述温度感应元件，用于检测所述腔室本体内的当前实际温度并将其发送至所述控制元件；

所述控制元件，用于将所述当前实际温度与预设温度进行比较，并当所述当前实际温度小于所述预设温度时，控制所述加热元件对所述腔室本体进行加热。

可选地，所述加热元件包括金属丝加热器。

可选地，所述加热元件包括石墨加热器。

可选地，所述石墨加热器呈环状结构，所述环状结构可拆卸地套设在所述腔室本体的外侧，并与所述腔室本体的外周壁相贴合。

可选地，所述环状结构包括第一半环和第二半环，所述第一半环和所述第二半环经由卡箍固定在所述腔室本体的外周壁上。

可选地，所述加热元件的两端分别设置有电源引入线，所述电源引入线用于与电源电连接；并且，

当所述当前实际温度小于所述预设温度时，所述控制元件用于控制所述加热元件经由所述电源引入线与所述电源导通。

可选地，所述电源引入线上串联设置有滤波盒，以对射频功率进行滤波。

可选地，还包括：

线圈盒，所述线圈盒罩设在所述冷却元件外侧，所述滤波盒安装在所述线圈盒中；并且，

所述线圈盒的侧壁靠近底壁的一端设置有第一冷却气体引入口，所述冷却元件对应所述第一冷却气体引入口的位置设置有第二冷却气体引入口，冷却气体经由所述第一冷却气体引入口、所述第二冷却气体引入口进入到所述冷却气体通道内。

可选地，所述冷却元件的顶壁设置有第一排气口，所述线圈盒上设置有第二排气口，冷却气体经由所述第一排气口、所述第二排气口与厂务排风口连接。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备，所述半导体处理设备包括前文记载的所述的工艺腔室。

本发明的工艺腔室和半导体处理设备。包括温度感应元件、加热元件以及控制元件。在启辉结束后，温度感应元件可以实时感应腔室本体内的当前实际温度，并将其所感应到的当前实际温度反馈至控制元件，控制元件在接收到该当前实际温度时，将其与预设温度进行比较，并当当前实际温度小于预设温度时，表征腔室本体内的温度变化较为剧烈，控制元件控制加热元件对腔室本体进行加热，以减缓腔室本体内温度降低速率，可以使得腔室本体内的温度符合工艺需求温度，从而可以提高每次工艺制程的均匀性，提高工艺良率，降低制作成本。

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为本发明第一实施例中工艺腔室的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中腔室本体与加热元件的装配结构图。

附图标记说明

100：工艺腔室；

110：腔室本体；

120：冷却元件；

121：第二冷却气体引入口；

122：第一排气口；

130：加热元件；

131：石墨加热器；

131a：第一半环；

131b：第二半环；

140：线圈盒；

141：第一冷却气体引入口；

142：第二排气口；

150：射频线圈。

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。

如图1和图2所示，本发明的第一方面，涉及一种工艺腔室100，该工艺腔室100包括腔室本体110以及套设在腔室本体110外侧的冷却元件120。腔室本体110一般由陶瓷材料制作形成，其形状基本上呈筒状，因而腔室本体110也可以称之为陶瓷筒。冷却元件120与腔室本体110的外周壁之间形成有冷却气体通道L。冷却元件120的形状与腔室本体110的形状相适配，例如，在腔室本体110为陶瓷筒的结构时，冷却元件120也为套筒的结构。

其中，上述工艺腔室100还包括温度感应元件(图中并未示出)、加热元件130以及控制元件(图中并未示出)。温度感应元件、加热元件130均与控制元件电连接。该温度感应元件，用于检测腔室本体110内的当前实际温度并将该当前实际温度发送至控制元件。控制元件，用于将当前实际温度与预设温度进行比较，并当该当前实际温度小于预设温度时，控制加热元件130对腔室本体110进行加热。

具体地，在工艺腔室100进行工艺时，工艺气体被激发形成等离子体，等离子体在进行启辉时，会放出大量的热量，从而导致腔室本体110内部的温度快速升温(相关实验证明，腔室本体110内的温度只在启辉过程中温度升高，且启辉功率越高，温度上升速度越快)。为了避免腔室本体110出现温度出现过热的现象，利用套设在腔室本体110外侧的冷却元件120，可以向该冷却元件120与腔室本体110之间所形成的冷却气体通道L内提供冷却气体，从而可以利用冷却气体带走腔室本体110的一部分热量，进而可以实现腔室本体110的散热。

在启辉完成后(灭辉阶段)，腔室本体110内的温度以每分钟大约20℃的速度快速降低，这样，会导致腔室本体110内的温差过大，而温度急剧变化对工艺制程影响很大，会导致每次工艺制程的均匀性变差。为了避免在启辉完成后，腔室本体110内出现温度急剧变化，引入了上述的温度感应元件、加热元件130以及控制元件。

具体地，温度感应元件可以实时感应腔室本体110内的当前实际温度，并将其所感应到的当前实际温度反馈至控制元件，控制元件在接收到该当前实际温度时，将其与预设温度进行比较，并当当前实际温度小于预设温度时，表征腔室本体110内的温度变化较为剧烈，此时，控制元件控制加热元件130对腔室本体110进行加热，以减缓腔室本体110内温度降低速率，这样，可以使得腔室本体110内的温度符合工艺需求温度，从而可以提高每次工艺制程的均匀性，提高工艺良率，降低制作成本。

需要说明的是，对于温度感应元件的具体结构并没有作出限定，其只要能够满足感应到腔室本体110内的温度即可，例如，该温度感应元件可以是温度传感器或者热电偶等等。

进一步需要说明的是，对于加热元件130的具体结构也并没有作出限定，例如，该加热元件130可以是加热器或其他具有加热功能的器件。

仍需要说明的是，对于控制元件的具体结构也并没有作出限定，例如，该控制元件可以是单片机或者其他一些控制器件。

应当理解的是，前文所提及的预设温度应当是工艺制程的理想温度，并且，该预设温度在工艺制程中并不是一成不变的。也就是说，在启辉结束以后，理想情况下，腔室本体110内的温度会由一个较高的温度，以较低的降温速率逐步降低并稳定在一个较低的温度，因而预设温度应当是在启辉结束之后的工艺制程中的理想温度集合。换句话说，在启辉结束t1时刻，控制元件应当将该时刻的腔室本体110的当前实际温度与t1时刻所对应的预设温度进行比较。而在启辉结束t2时刻，控制元件应当将该时刻的腔室本体110的当前实际温度与t2时刻所对应的预设温度进行比较，依次类推。

可选地，上述加热元件130可以为金属丝加热器。这样，在向金属丝加热器提供电能的时候，金属丝加热器会产生大量的热量，从而可以加热腔室本体110。

在实际使用时，金属丝加热器含有大量的可自由移动的带电粒子，在等离子环境下会在金属表面形成涡流，同时产生大量的热量，随着使用时间的增加，金属丝会被烧毁，从而无法正常工作。

考虑到上述情况，作为加热元件130一种优选地结构，其可以采用石墨加热器131。

石墨加热器131主要由石墨制成，石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，因此会导电，但又不同于金属的大量的可自由移动的带电粒子，因此，其表面不会形成涡流。从而可以提高石墨加热器131的使用寿命。

如图2所示，石墨加热器131呈环状结构，环状结构可拆卸地套设在腔室本体110的外侧，并与腔室本体110的外周壁相贴合。

这样，在利用石墨加热器131对腔室本体110进行加热时，可以使得石墨加热器131所辐射出来的热量可以高效地传导至腔室本体110的表面，从而可以提高腔室本体110内部的温度。

需要说明的是，对于石墨加热器131如何实现与腔室本体110可拆卸连接并没有作出限定，例如，石墨加热器131可以通过螺栓、卡箍等结构实现与腔室本体110可拆卸连接。

具体地，如图2所示，环状结构包括第一半环131a和第二半环131b，该第一半环131a和第二半环131b可以经由卡箍(图中并未示出)固定在腔室本体110的外周壁上。

可选地，石墨加热器131的两端可以分别设置有电源引入线(图中并未示出)，电源引入线用于与电源(图中并未示出，该电源可以是208V交流电源)电连接。并且，当当前实际温度小于预设温度时，控制元件用于控制石墨加热器131经由电源引入线与电源导通。从而可以实现利用石墨加热器131对腔室本体110进行加热。

可选地，电源引入线上可以串联设置有滤波盒(图中并未示出)，以对射频功率进行滤波。这样，可以有效防止射频功率通过电源引入线辐射。

可选地，如图1所示，上述工艺腔室100还包括线圈盒140，该线圈盒140罩设在冷却元件120外侧，滤波盒安装在线圈盒140中。并且，线圈盒140的侧壁靠近底壁的一端设置有第一冷却气体引入口141，冷却元件120对应第一冷却气体引入口141的位置设置有第二冷却气体引入口121，冷却气体S经由第一冷却气体引入口141、第二冷却气体引入口121进入到冷却气体通道L内。

可选地，如图1所述，冷却元件120的顶壁设置有第一排气口122，线圈盒140上设置有第二排气口142，冷却气体经由第一排气口122、第二排气口142与厂务排风口P连接。

此外，工艺腔室100还具有一些其他的公知结构，例如，如图1所示，工艺腔室100还包括射频线圈150等结构，射频线圈150可以为立体线圈，其环绕在腔室本体110的周侧，并且，射频线圈150夹设在加热元件130与冷却元件120之间。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备，半导体处理设备包括前文记载的的工艺腔室。

本实施例结构的半导体处理设备，具有前文记载的工艺腔室100，其包括温度感应元件、加热元件130以及控制元件。在启辉结束后，温度感应元件可以实时感应腔室本体110内的当前实际温度，并将其所感应到的当前实际温度反馈至控制元件，控制元件在接收到该当前实际温度时，将其与预设温度进行比较，并当当前实际温度小于预设温度时，表征腔室本体110内的温度变化较为剧烈，此时，控制元件控制加热元件130对腔室本体110进行加热，以减缓腔室本体110内温度降低速率，这样，可以使得腔室本体110内的温度符合工艺需求温度，从而可以提高每次工艺制程的均匀性，提高工艺良率，降低制作成本。

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)

1.一种工艺腔室，包括腔室本体以及套设在所述腔室本体外侧的冷却元件，所述冷却元件与所述腔室本体的外周壁之间形成有冷却气体通道，其特征在于，所述工艺腔室还包括温度感应元件、加热元件以及控制元件，所述温度感应元件、所述加热元件均与所述控制元件电连接；其中，

所述温度感应元件，用于检测所述腔室本体内的当前实际温度并将其发送至所述控制元件；

所述控制元件，用于将所述当前实际温度与预设温度进行比较，并当所述当前实际温度小于所述预设温度时，控制所述加热元件对所述腔室本体进行加热。

2.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述加热元件包括金属丝加热器。

3.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述加热元件包括石墨加热器。

4.根据权利要求3所述的工艺腔室，其特征在于，所述石墨加热器呈环状结构，所述环状结构可拆卸地套设在所述腔室本体的外侧，并与所述腔室本体的外周壁相贴合。

5.根据权利要求4所述的工艺腔室，其特征在于，所述环状结构包括第一半环和第二半环，所述第一半环和所述第二半环经由卡箍固定在所述腔室本体的外周壁上。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的工艺腔室，其特征在于，所述加热元件的两端分别设置有电源引入线，所述电源引入线用于与电源电连接；并且，

当所述当前实际温度小于所述预设温度时，所述控制元件用于控制所述加热元件经由所述电源引入线与所述电源导通。

7.根据权利要求6所述的工艺腔室，其特征在于，所述电源引入线上串联设置有滤波盒，以对射频功率进行滤波。

8.根据权利要求7所述的工艺腔室，其特征在于，还包括：

线圈盒，所述线圈盒罩设在所述冷却元件外侧，所述滤波盒安装在所述线圈盒中；并且，

所述线圈盒的侧壁靠近底壁的一端设置有第一冷却气体引入口，所述冷却元件对应所述第一冷却气体引入口的位置设置有第二冷却气体引入口，冷却气体经由所述第一冷却气体引入口、所述第二冷却气体引入口进入到所述冷却气体通道内。

9.根据权利要求8所述的工艺腔室，其特征在于，所述冷却元件的顶壁设置有第一排气口，所述线圈盒上设置有第二排气口，冷却气体经由所述第一排气口、所述第二排气口与厂务排风口连接。

10.一种半导体处理设备，其特征在于，所述半导体处理设备包括权利要求1至9中任意一项所述的工艺腔室。

Images