CN111477569A - 一种半导体设备中的加热装置及半导体设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体设备中的加热装置及半导体设备，包括：加热盘，加热盘中设有加热部件；冷却盘，设置于加热盘下方，冷却盘中设有冷却部件；密封组件，设置于所述加热盘下方，所述密封组件与所述加热盘连接，并与所述加热盘配合形成容置空间，所述冷却盘设置于所述容置空间中；升降结构，与所述冷却盘连接，通过调整所述升降结构，所述冷却盘能够相对于所述加热盘上下移动。本发明有益效果在于，加热装置既可以在较高的工作温度下使用，又可以在较低的工作温度下使用。

Description

一种半导体设备中的加热装置及半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，更具体地，涉及一种半导体设备中的加热装置及半导体设备。
背景技术
随着半导体行业的不断发展，半导体制程更加多样化，但是无论是哪种制程，温度都是其中的重要一环，直接影响设备产能和成本。一般情况下，硅片放到工艺腔的加热器上进行工艺，工艺完成后将硅片移走，在这个过程中，要求加热器温度保持不变，同时要求表面温度具有一定的均匀性。温度保持一般通过加热和水冷同时控制的方法解决。
但在物理气相沉积(PVD)工艺中，温控保持不变很难做到，PVD通过溅射(Sputtering)沉积技术将靶材上的离子沉积到硅片上，溅射后的金属离子温度高，沉积时自身的热量通过硅片传递到放置硅片的加热器上，使加热器表面温度升高，温度难以维持。并且随着工艺时间的增加，加热器表面温度会越来越高。
为抑制加热器表面不断升高的温度，使加热器的温度处于均衡状态，通常在加热器下方设置一降温装置，固定在加热器的下表面，然而这种设置方式依然无法满足加热器的温度均匀性。
因此，需要一种新的加热器结构，能够满足加热器的温度均匀性，同时，可以加快冷却速度，缩短设备维护时间。
发明内容
本发明的目的是提出一种半导体设备中的加热装置，解决加热装置工作温度受局限，降温速度慢，设备维护时间长的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种半导体设备中的加热装置，设置在所述半导体设备的工艺腔室中，所述加热装置包括：加热盘，所述加热盘中设有加热部件；
冷却盘，设置于所述加热盘下方，所述冷却盘中设有冷却部件；
密封组件，设置于所述加热盘下方，所述密封组件与所述加热盘连接，并与所述加热盘配合形成容置空间，所述冷却盘设置于所述容置空间中
升降结构，与所述冷却盘连接，通过调整所述升降结构，所述冷却盘能够相对于所述加热盘上下移动。
作为可选方案，密封组件包括：连接件、波纹管转接件、波纹管轴、波纹管、固定座，其中，
所述连接件与所述加热盘底面连接；所述波纹管转接件顶端与所述连接件连接，底端与所述波纹管轴连接；所述固定座设置在所述工艺腔室的底壁上，与所述底壁密封连接，其上开设有第一通孔，所述波纹管轴的下部穿过所述第一通孔及开设在所述底壁上的被所述固定座密封的第二通孔延伸至所述工艺腔室外部；所述波纹管套设在所述波纹管轴上，位于所述波纹管转接件和所述固定座之间，且与所述波纹管转接件和所述固定座密封连接。
作为可选方案，所述冷却盘包括冷却盘本体和设置于所述冷却盘本体下方的支撑部，所述冷却部件设置于所述冷却盘本体中，所述升降结构包括：
螺钉，所述螺钉穿过所述波纹管轴底端开设的过孔与所述支撑部底端开设的螺纹孔连接；
弹性件，套设在所述螺钉上，位于所述支撑部底端与所述波纹管轴底端之间。
作为可选方案，所述加热盘的下表面和所述冷却盘的上表面平行。
作为可选方案，所述加热装置还包括：压缩气体输入管路，所述压缩气体输入管路连通于所述容置空间。
本发明还提出了另一种半导体设备中的加热装置，设置在所述半导体设备的工艺腔室中，所述加热装置包括：
加热盘，所述加热盘中设有加热部件；
第一冷却盘，设置于所述加热盘下方，贴合所述加热盘设置，所述第一冷却盘中设有第一冷却部件；
第二冷却盘，设置于所述第一冷却盘下方，与所述第一冷却盘连接，所述第二冷却盘与所述第一冷却盘之间设有间隙，所述第二冷却盘中设有第二冷却部件。
作为可选方案，所述加热装置还包括：波纹管轴、波纹管、固定座，其中，所述波纹管轴位于所述第二冷却盘下方，与所述第二冷却盘连接；所述固定座设置在所述工艺腔室的底壁上，与所述底壁密封连接，其上开设有第一通孔，所述波纹管轴下部穿过所述第一通孔及开设在所述底壁上的被所述固定座密封的第二通孔延伸至所述工艺腔室外部；所述波纹管套设在所述波纹管轴上，位于所述第二冷却盘和所述固定座之间，且与所述第二冷却盘和所述固定座密封连接。
作为可选方案，所述加热装置还包括：所述第一冷却盘的下表面和所述第二冷却盘的上表面平行。
作为可选方案，所述加热装置还包括：压缩气体输入管路，所述压缩气体输入管路连通于所述间隙。
本发明还提出了一种半导体设备，包括工艺腔室，和上述的设置在所述工艺腔室中的加热装置。
本发明的有益效果在于，第一种加热装置通过调节冷却盘与加热盘之间的距离，拓宽了加热装置的使用温度范围，当冷却盘向上移动至顶部与加热盘接触时，水冷效果较强，适用于较低的工作温度；当冷却盘向下移动距离加热盘较远时时，水冷效果较弱，适用于较高的工作温度。这种加热装置既可以使用在低工作温度下，又可以使用在高工作温度下。
进一步地，为了匹配更多的工作温度，冷却盘与加热盘之间的距离可以随意调节，并可固定在任何高度，提高灵活性。
进一步地，当加热装置维护需要降温时，容置空间中可以通入高压空气，提高该空间的气体压力，进一步提高传热速率，加速降温，提高设备利用率。
第二种加热装置设有两个冷却盘，两个冷却盘单独工作，通过切换冷却盘，实现拓宽加热装置的使用温度范围。
进一步地，加热盘和冷却盘之间为空气隔热非真空隔热，能够解决高工作温度时，水冷效果太强导致的温度降低问题。
进一步地，当加热装置维护需要降温时，同时给两个冷却盘通水,提高对加热盘的水冷效果，能够实现加热装置的快速降温。
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了一实例中一种加热装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例1的一种半导体设备中的加热装置的结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例2的一种半导体设备中的加热装置的结构示意图。
附图标记说明：
101-加热盘；102-加热丝；103-冷却盘；104-冷却管道；105-冷却水管；106-固定座；107连接筒；108-连接筒内部；109-加热器外侧；100-测温装置；110-晶圆；301-加热盘；302-加热部件；303-支撑部；313-冷却盘本体；304-冷却部件；303A-第一冷却盘；304A-第一冷却部件；303B-第二冷却盘；304B-第二冷却部件；305-波纹管轴；306-连接件；307-波纹管转接件；308-波纹管；309-固定座；1-进水管路；2-出水管路；3-出水管路；4-出水管路；5-进水管路；6-进水管路；401-螺钉；402-弹性件；403-螺纹孔；404-过孔。
具体实施方式
为了降低加热器表面不断升高的温度，提出了两种解决方案，第一种解决方案：如图1所示，加热器包括加热盘101、冷却盘103、加热丝102、冷却水道104、冷却水管105、连接筒107、固定座106。加热丝102、测温装置100埋焊在加热盘101内，冷却水道104埋焊在冷却盘103中，加热盘101、冷却盘103、连接筒107和固定座106之间在接触处焊接在一起，加热器通过固定座106与腔室相连。冷却水管105、测温装置100置于连接筒内部108，与腔室外侧相通。加热器外侧109置于腔室中。其中加热丝102用于将整个加热器加热，冷却水道104通水后使加热器冷却，工艺时，加热丝102加热用于维持工艺温度，同时通水冷降低加热器由于工艺制程造成的温升。在这个过程中，当加热器温度降低时，加热丝工作，将加热器温度升高；当加热器温度被动升高时，水冷起作用，将温度降低。二者维持温度的动态平衡。
但是实际应用过程中发现，动态平衡仅仅在加热器工作温度小于一定温度T1(比如100℃)时有效。当工作温度≥T1时，由于加热盘101和冷却盘103焊接在一起，且其本身的导热系数很高，当冷却水通入冷却水道105后，会将加热器热量快速带走，使加热器被冷却至工作温度以下，加热器温度降低，不能维持工作温度。该问题的原因是加热丝满功率输出所产生的热量，小于水冷带走的热量。本解决方案的缺点在于加热器仅适用于较低的工作温度。
第二种解决方案与第一种解决方案的结构类似，区别在于，冷却盘的上表面与加热盘的下表面之间设有一定的间隙，工艺中加热盘加热后，冷却盘不会被迅速加热，只会通过间隙进行热交换，由于气体热交换量远小于金属间的热接触，因此不会使加热盘的热量大量散失，只会散失由于工艺造成加热器表面的升高的热量。由于间隙的关系，与没有间隙的解决方案一相比，水冷对加热器的冷却能力就会变差。实际应用中发现，该加热器的设计思路仅在工作温度大于一定温度T2(比如80℃)时有效。当工作温度＜T2时，溅射造成的硅片温升传导给加热器后，水冷不能很快的将加热器温度将下来，导致加热器温度在持续工作中不断升高。该问题的原因是水冷带走的热量小于溅射传导过来的热量。
本解决方案的缺点在于加热器适用于较高的工作温度。实际使用中，加热器的工作温度在100℃到450℃之间。当设备维护时，需要将加热器的温度降温到常温状态，方便人员维护。该加热器从100℃降温至常温需要5个小时。如果工作温度更高，需要的时间更长。而设备降温后的维护往往只需要0.5个小时，时间大部分消耗在了给加热器降温上。提高加热器的降温速度，能够有效缩短设备维护时间。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体设备中的加热装置，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种半导体设备中的加热装置，图2示出了根据本发明实施例1的一种半导体设备中的加热装置的结构示意图。请参考图2，加热装置包括：
加热盘301，加热盘301中设有加热部件302；
冷却盘，设置于加热盘301下方，冷却盘中设有冷却部件304；
密封组件，设置于加热盘301下方，密封组件与加热盘301连接，并与加热盘301配合形成容置空间，冷却盘设置于容置空间中；
升降结构，与冷却盘连接，通过调整升降结构，冷却盘能够相对于加热盘301上下移动。
具体地，加热装置用于加热晶圆110，晶圆110放置在加热盘301的上表面，本实施例中加热盘301的形状可以为圆形。加热盘301中设有加热部件302，本实施例中，加热部件302为加热电阻丝。其他实施例中，加热部件302还可以为加热灯管等其他具有加热功能的元件。
加热盘301的下方设有冷却盘，冷却盘中设有冷却部件304。本实施例中冷却盘包括冷却盘本体313和设置于冷却盘本体313下方的支撑部303，冷却部件304设置于冷却盘本体313中。冷却盘用于对加热盘301进行降温。本实施例中，冷却盘(冷却盘本体313)的上表面和加热盘301的下表面平行，可以更好的实现对加热盘301温度的均衡控制。本实施例中冷却部件304可以为水制冷循环管路。水制冷循环管路可以为螺旋形的水管，设有进水口和出水口，进水口和出水口分别连通于进水管路1和出水管路2。
本实施例中，加热盘301的外边界大于冷却盘本体313的外边界，在加热盘301的下表面设有密封组件，本实施例中，密封组件可以包括：连接件306、波纹管转接件307、波纹管轴305、波纹管308、固定座309。其中连接件306与加热盘301底面连接。波纹管转接件307顶端与连接件306连接，底端与波纹管轴305连接。固定座309设置在工艺腔室的底壁(图中未示出)上，与底壁密封连接，其上开设有第一通孔，波纹管轴305的下部穿过第一通孔及开设在底壁上的被固定座309密封的第二通孔(图中未示出)延伸至工艺腔室外部。图2中虚线框中的结构位于腔室内部，虚线框外的结构位于腔室外部。波纹管308套设在波纹管轴305上，位于波纹管转接件307和固定座309之间，且与波纹管转接件307和固定座309密封连接。
波纹管转接件307的顶端与连接件306可以焊接在一起或者通过螺钉连接。当采用螺钉连接时，螺钉安装需做真空密封。
本实施例中，升降结构可以包括：螺钉401，螺钉401穿过波纹管轴305底端开设的过孔404与冷却盘的支撑部303底端开设的螺纹孔403连接；弹性件402，套设在螺钉401上，位于支撑部303底端与波纹管轴305底端之间。
冷却盘上下移动的原理为：波纹管轴305固定不动，螺钉401与波纹管轴305固定连接，通过旋转螺钉401，可以调整螺纹孔403和过孔404之间的距离，进而调整冷却盘本体313与加热盘301之间的距离。本实施例中，弹性件402可以为压缩弹簧，弹性件402位于支撑部303底端与波纹管轴305底端之间，主要起到张紧的作用，用于提高冷却盘的稳定性。
本实施例中，还可以包括压缩气体输入管路，压缩气体输入管路连通于容置空间。在向容置空间中通入高压气体(例如高压空气)时，可以提高该空间的气体压力，进而提高传热速率，能够加速降温。
本实施例的加热装置通过调节冷却盘与加热盘301之间的距离，拓宽了加热装置的使用温度范围，当冷却盘向上移动至顶部与加热盘301接触时，水冷效果较强，适用于较低的工作温度；当冷却盘向下移动距离加热盘301较远时时，水冷效果较弱，适用于较高的工作温度。这种加热装置既可以使用在低工作温度下，又可以使用在高工作温度下。
进一步地，为了匹配更多的工作温度，冷却盘与加热盘301之间的距离可以随意调节，并可固定在任何高度，提高灵活性。
进一步地，当加热装置维护需要降温时，容置空间中可以通入高压空气，提高该空间的气体压力，进一步提高传热速率，加速降温，提高设备利用率。
实施例2
本发明实施例2提供了一种半导体设备中的加热装置，图3示出了根据本发明实施例2的一种半导体设备中的加热装置的结构示意图。请参考图3，加热装置包括：
加热盘301，加热盘301中设有加热部件302；
第一冷却盘303A，设置于加热盘301下方，贴合加热盘301设置，第一冷却盘303A中设有第一冷却部件304A；
第二冷却盘303B，设置于第一冷却盘303A下方，与第一冷却盘303A连接，第二冷却盘303B与第一冷却盘303A之间设有间隙，第二冷却盘303B中设有第二冷却部件304B。
具体地，加热装置用于加热晶圆110，晶圆110放置在加热盘301的上表面，本实施例中加热盘301的形状可以为圆形，加热部件302可以为加热电阻丝。其他实施例中，加热部件302还可以为加热灯管等其他具有加热功能的元件。加热盘301的下方设有第一冷却盘303A，第一冷却盘303A的上表面和加热盘301的下表面贴合。第一冷却盘303A中设有第一冷却部件304A。第一冷却盘303A用于对加热盘301进行降温。第一冷却盘303A下方设有第二冷却盘303B，第二冷却盘303A也用于对加热盘301进行降温。第二冷却盘303B的上表面和第一冷却盘303A的下表面平行，可以实现对加热盘301温度的均衡控制。第二冷却盘303B的上表面与第一冷却盘303A的下表面之间设有间隙，此间隙可以为密封空间或与外部大气相通。当此间隙为密封空间时，还可以包括压缩气体输入管路，压缩气体输入管路连通于该间隙。在向该间隙中通入高压气体(例如高压空气)时，可以提高该间隙的气体压力，进而提高传热速率，能够加速降温。
本实施例中的两个冷却盘可以单独工作，当第一冷却盘303A单独工作时，冷却效果较强，能够解决低工作温度时持续溅射导致的温度升高问题，适用于低温工作。当第二冷却盘303B单独工作时，冷却效果较弱，而且当第一冷却盘303A和第二冷却盘303B之间为空气隔热非真空隔热时，能够解决高工作温度时，水冷效果太强导致的温度降低问题，加热装置适用于较高的工作温度。当加热装置维护需要降温时，同时给两个冷却盘通水,提高对加热盘301的水冷效果，能够实现加热装置的快速降温，提高设备利用率。
本实施中还包括：波纹管轴、波纹管、固定座(可参照图2的相关部分)，其中，波纹管轴位于第二冷却盘下方，与第二冷却盘连接；固定座设置在工艺腔室的底壁上，与底壁密封连接，其上开设有第一通孔，波纹管轴下部穿过第一通孔及开设在底壁上的被固定座密封的第二通孔延伸至工艺腔室外部；波纹管套设在波纹管轴上，位于第二冷却盘和固定座之间，且与第二冷却盘和固定座密封连接。
本实施例中第一冷却部件304A和第二冷却部件304B可以为水制冷循环管路。水制冷循环管路可以为螺旋形的水管，每个水制冷循环管路设有单独的进水口和出水口，第一冷却部件304A进水口和出水口分别连通于进水管路6和出水管路3，第二冷却部件304B进水口和出水口分别连通于进水管路5和出水管路4。
本发明另一实施例还提供了一种半导体设备，如气相沉积设备，包括工艺腔室和上述的设置在工艺腔室中的加热装置。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种半导体设备中的加热装置，设置在所述半导体设备的工艺腔室中，其特征在于，包括：
加热盘，所述加热盘中设有加热部件；
冷却盘，设置于所述加热盘下方，所述冷却盘中设有冷却部件；
密封组件，设置于所述加热盘下方，所述密封组件与所述加热盘连接，并与所述加热盘配合形成容置空间，所述冷却盘设置于所述容置空间中；
升降结构，与所述冷却盘连接，通过调整所述升降结构，所述冷却盘能够相对于所述加热盘上下移动。
2.根据权利要求1所述的半导体设备中加热装置，其特征在于，密封组件包括：连接件、波纹管转接件、波纹管轴、波纹管、固定座，其中，
所述连接件与所述加热盘底面连接；所述波纹管转接件顶端与所述连接件连接，底端与所述波纹管轴连接；所述固定座设置在所述工艺腔室的底壁上，与所述底壁密封连接，其上开设有第一通孔，所述波纹管轴的下部穿过所述第一通孔及开设在所述底壁上的被所述固定座密封的第二通孔延伸至所述工艺腔室外部；所述波纹管套设在所述波纹管轴上，位于所述波纹管转接件和所述固定座之间，且与所述波纹管转接件和所述固定座密封连接。
3.根据权利要求2所述的半导体设备中加热装置，其特征在于，所述冷却盘包括冷却盘本体和设置于所述冷却盘本体下方的支撑部，所述冷却部件设置于所述冷却盘本体中，所述升降结构包括：
螺钉，所述螺钉穿过所述波纹管轴底端开设的过孔与所述支撑部底端开设的螺纹孔连接；
弹性件，套设在所述螺钉上，位于所述支撑部底端与所述波纹管轴底端之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的半导体设备中的加热装置，其特征在于，所述加热盘的下表面和所述冷却盘的上表面平行。
5.根据权利要求1所述的半导体设备中的加热装置，还包括：压缩气体输入管路，所述压缩气体输入管路连通于所述容置空间。
6.一种半导体设备中的加热装置，设置在所述半导体设备的工艺腔室中，其特征在于，包括：
加热盘，所述加热盘中设有加热部件；
第一冷却盘，设置于所述加热盘下方，贴合所述加热盘设置，所述第一冷却盘中设有第一冷却部件；
第二冷却盘，设置于所述第一冷却盘下方，与所述第一冷却盘连接，所述第二冷却盘与所述第一冷却盘之间设有间隙，所述第二冷却盘中设有第二冷却部件。
7.根据权利要求6所述的半导体设备中的加热装置，其特征在于，还包括：波纹管轴、波纹管、固定座，其中，
所述波纹管轴位于所述第二冷却盘下方，与所述第二冷却盘连接；所述固定座设置在所述工艺腔室的底壁上，与所述底壁密封连接，其上开设有第一通孔，所述波纹管轴下部穿过所述第一通孔及开设在所述底壁上的被所述固定座密封的第二通孔延伸至所述工艺腔室外部；所述波纹管套设在所述波纹管轴上，位于所述第二冷却盘和所述固定座之间，且与所述第二冷却盘和所述固定座密封连接。
8.根据权利要求6或7所述的半导体设备中的加热装置，其特征在于，所述第一冷却盘的下表面和所述第二冷却盘的上表面平行。
9.根据权利要求8所述的半导体设备中的加热装置，其特征在于，还包括：压缩气体输入管路，所述压缩气体输入管路连通于所述间隙。
10.一种半导体设备，包括工艺腔室，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的设置在所述工艺腔室中的加热装置。
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