CN111863579B - 反应腔室及半导体设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室及半导体设备，包括介质筒和环绕在介质筒周围的线圈，在线圈内设置有冷却通道，冷却通道用于通入冷却介质，通过冷却介质来对介质筒进行冷却。本发明提供的反应腔室及半导体设备能够对介质筒进行冷却，从而避免衬底糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

Description

反应腔室及半导体设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，具体地，涉及一种反应腔室及半导体设备。

背景技术

目前，等离子体发生装置广泛地应用于集成电路(IC)、功率器件和微机电系统(MEMS)的制造工艺中。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和衬底(Wafer)相互作用使材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能获得变化。

现有技术中，等离子体发生装置包括等离子体产生腔和线圈，在施加功率的射频线圈作用下，等离子体产生腔内部产生等离子体。随着高刻蚀速率的需求，等离子体功率密度也随之增高，立体线圈的使用成为必然。

但是，立体线圈等离子体产生腔在高等离子体功率密度下，其温度能够达到460℃之高，产生的热辐射可能导致衬底糊胶。另外，立体线圈等离子体产生腔的高温，会超过等离子体发生装置内的密封圈(O-ring)的使用温度，使之失效，影响等离子体发生装置的正常工作，因此，现在亟需一种能够对立体线圈等离子体产生腔进行冷却的装置。

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，提出了一种反应腔室及半导体设备，其能够对介质筒进行冷却，从而避免衬底糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括介质筒和环绕在所述介质筒周围的线圈，在所述线圈内设置有冷却通道，所述冷却通道用于通入冷却介质，通过所述冷却介质来对所述介质筒进行冷却。

优选的，所述冷却通道沿所述线圈的轴向中心线贯通所述线圈，且所述冷却通道的入口和出口分别位于所述线圈的两端。

优选的，所述线圈为立体式螺旋线圈；所述立体式螺旋线圈的螺旋中心线与所述介质筒的竖直轴线重合。

优选的，所述线圈为至少两个，至少两个所述线圈的螺旋中心线重合，不同所述线圈的螺旋直径不同。

优选的，所述线圈为两个，各个所述线圈处的温度与该所述线圈与所述介质筒之间的径向距离满足公式：

其中，r为各个所述线圈分别与所述介质筒之间的径向距离，t为时刻，c为所述冷却介质的体积比热，k为所述冷却介质的扩散系数，u为各个所述线圈在所述时刻t位于距离所述介质筒为所述径向距离r处的温度。

优选的，在两个所述线圈中，其中一个所述线圈的螺旋直径的取值范围在110mm-150mm；其中另一个所述线圈的螺旋直径的取值范围在260mm-320mm。

优选的，所述线圈的径向截面的外径为6mm，所述线圈的径向截面的内径为4mm。

优选的，所述反应腔室还包括线圈盒，所述线圈盒包括将所述介质筒和所述线圈均容纳在其中的盒体，且在所述盒体中设置有分别与所述冷却通道的入口和出口连接的入口通道和出口通道。

优选的，所述盒体包括上盖板、上环体、中环体和下环体，所述上盖板、上环体、中环体和下环体均环绕在所述线圈的外围，且由上而下依次叠置；其中，所述上环体和所述下环体分别位于所述反应腔室的顶部和底部，且所述入口通道和出口通道分别设置在所述上环体和所述下环体中。

优选的，所述反应腔室还包括温控系统和输送管路，其中，所述输送管路用于向所述冷却通道中输送所述冷却介质；

所述温控系统包括调节阀、控制单元和测温元件，其中，所述调节阀设置在所述输送管路上；

所述测温元件用于实时检测所述介质筒的当前温度，并将所述温度反馈至所述控制单元；

所述控制单元用于根据所述当前温度和设定温度控制所述调节阀调节所述冷却通道中的冷却介质的流量。

本发明还提供一种半导体设备，包括上述的所述反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，包括介质筒和环绕在介质筒周围的线圈，并在线圈内设置有冷却通道，冷却通道用于通入冷却介质，通过向冷却通道中输送冷却介质，使线圈与介质筒发生热交换，降低介质筒的温度，从而对介质筒进行冷却，进而避免衬底糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

本发明提供的半导体设备，借助本发明提供的反应腔室，能够对反应腔室中的介质筒进行冷却，从而避免衬底糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的反应腔室的结构示意图；

图2为本发明提供的反应腔室中线圈的结构示意图；

图3为本发明提供的反应腔室中控温系统的结构示意图；

附图标记说明：

10-介质筒；11-线圈；111-入口；112-出口；12-冷却通道；13-衬底；21-入口通道；22-出口通道；23-上盖板；24-上环体；25-中环体；26-下环体；31-调节阀；32-控制单元；33-测温元件；34-泵；35-输送管路。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室及半导体设备进行详细描述。

如图1-图3所示，本实施例提供一种反应腔室，包括介质筒10和环绕在介质筒10周围的线圈11，在线圈11内设置有冷却通道12，冷却通道12用于通入冷却介质，通过冷却介质来对介质筒10进行冷却。

本实施例提供的反应腔室，通过向冷却通道12中输送冷却介质，使线圈11与介质筒10发生热交换，从而降低介质筒10的温度，以对介质筒10进行冷却，进而避免衬底13糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

具体的，如图1所示，以反应腔室为等离子体发生腔室为例进行说明，在等离子体发生腔室中，线圈11环绕在介质筒10周围，通过向线圈11加载射频功率以在介质筒10中产生等离子体，在半导体加工工艺中，借助等离子体轰击位于等离子体发生腔室下方的衬底13，使衬底13表面发生各种物理和化学反应，从而满足不同的半导体加工工艺。但是，在介质筒10中产生等离子体时，也会伴随着热量的产生，这就会使介质筒10的温度上升，并且，随着等介质筒10使用时间的增加，等离子体产生数量的增多，介质筒10的温度也会逐渐升高，而介质筒10的温度又会以热辐射的形式对位于下方的衬底13造成影响，这就导致位于其下方的衬底13发生糊胶的情况，并且，过高的介质筒10的温度也会影响等离子体发生腔室中其它零部件的工作，影响等离子体发生腔室的工作可靠性。

而在本实施例中，通过在线圈11中设置冷却通道12，并通过向冷却通道12中通入冷却介质，使低温的冷却介质经过线圈11的外壁传递向介质筒10，从而降低介质筒10的温度，进而避免衬底13糊胶的情况发生，并提高等离子体发生腔室的工作可靠性，并且无需在反应腔室中增加其它设备，以维持原先反应腔室的工作环境。

在实际应用中，冷却介质可以采用冷却液，但是，冷却介质的类型并不以此为限。

在本实施例中，冷却通道12沿线圈11的轴向中心线贯通线圈11，且冷却通道12的入口111和出口112分别位于线圈11的两端。这样的设置方式，可以使冷却介质在线圈11中均匀分布，使线圈11上每一处对介质筒10的冷却效果都相同，从而提高线圈11冷却介质筒10的均匀性，另外，冷却介质自位于线圈11一端的入口111进入冷却通道12中，在流经整个冷却通道12后，从位于线圈11另一端的出口112流出，这样可以使冷却介质流经整个线圈11的内部，提高线圈11与介质筒10产生热交换的面积，提高线圈11对介质筒10的冷却效果，提高介质筒10的工作可靠性。

如图1和图2所示，在本实施例中，线圈11为立体式螺旋线圈11，即，线圈11不仅环绕在介质筒10的同一个径向平面上，还沿介质筒10的轴线方向延伸，使线圈11在介质筒10的轴线方向上的多个平面上环绕介质筒10，以增加线圈11与介质筒10对应的面积，从而增加线圈11与介质筒10的换热面积，进一步提高线圈11对介质筒10的冷却效果，进一步提高介质筒10的工作可靠性。

在本实施例中，立体式螺旋线圈11的螺旋中心线与介质筒10的竖直轴线重合，即，立体式螺旋线圈11与介质筒10同轴设置，使介质筒10的腔室壁上各处与线圈11之间的距离相同，以使线圈11对介质筒10各处的冷却效果相同，从而提高线圈11对介质筒10冷却的均匀性，提高介质筒10的温度的均匀性，进而进一步提高线圈11对介质筒10的冷却效果，提高介质筒10的工作可靠性。

在实际应用中，线圈11为至少两个，至少两个线圈11的螺旋中心线重合，不同线圈11的螺旋直径不同，这里所说的线圈11的螺旋直径是指线圈11环绕介质筒10所围成的圆柱形的直径，通过设置多个环绕介质筒10的线圈11，可以通过向多个线圈11中的冷却通道12同时通入冷却介质，使多个线圈11同时对介质筒10进行冷却，与仅有一个线圈11对介质筒10冷却相比，可以进一步提高线圈11对介质筒10的冷却效果，提高介质筒10的工作可靠性。

在实际应用中，在使用多个线圈11冷却介质筒10时，需要使用螺旋直径均不同的多个线圈11，这样可以使多个线圈11按直径自小至大依次环绕在介质筒10周围，即多个线圈11相互套设，另外，与使一个线圈11与介质筒10同轴设置类似的，多个线圈11也可以均是同轴设置，并均与介质筒10同轴设置，这样同样可以提高线圈11对介质筒10冷却的均匀性，提高介质筒10的温度的均匀性，从而提高线圈11对介质筒10的冷却效果，提高介质筒10的工作可靠性。

在本实施例中，线圈11为两个，各个线圈11处的温度与该线圈11与介质筒10之间的径向距离满足公式：

其中，r为各个线圈11分别与介质筒10之间的径向距离，t为时刻，c为冷却介质的体积比热，k为冷却介质的扩散系数，u为各个线圈11在时刻t位于距离介质筒10为径向距离r处的温度。

上述公式表示，在时刻t，各个线圈11在距离介质筒10的径向距离为r处的温度为u，在该公式中，c为冷却介质的体积比热(即，单位体积的冷却介质温度升高一度所需热量)，k为冷却介质的扩散系数，可以通过热传导方程(傅里叶定律)q＝-k▽u确定，其中，q是单位时间通过单位面积的热量。

在实际应用中，介质筒10周围某一点的温度的大小与该点距离介质筒10的径向长度的大小呈反比例，即，介质筒10周围某一点的温度随该点与介质筒10之间的距离增大而降低，在采用多个线圈11冷却介质筒10时，按照上述线圈11处的温度与该线圈11与介质筒10之间的径向距离所满足的公式，对多个线圈11进行合理的空间布局，使介质筒10的温度达到工作需要，并能够有效降低介质筒10的温度，这里需要注意的是介质筒10的温度即不宜过高，也不宜过低，过高的温度会导致衬底13的糊胶，过低的温度会不利于等离子的产生。

在本实施例中，线圈11为两个，在两个线圈11中，其中一个线圈11的螺旋直径的取值范围在110mm-150mm；其中另一个线圈11的螺旋直径的取值范围在260mm-320mm，螺旋直径的取值范围在260mm-320mm的线圈11环绕在螺旋直径取值范围在110mm-150mm的线圈11之外，同样的，在采用两个线圈11冷却介质筒10时，按照经验公式中温度与距离的关系对两个线圈11进行合理的空间布局，也可以有效降低介质筒10的温度，并保证介质筒10中温度的均匀性，在采用两个线圈11冷却介质筒10时，螺旋直径较小的线圈11的最佳螺旋直径可以采用130mm，螺旋直径较大的线圈11的最佳螺旋直径可以采用290mm，。

在本实施例中，两个线圈11的螺距均为40mm，螺距是指沿螺旋线圈11的螺旋线方向测量相邻两螺纹之间的距离。

在本实施例中，在两个线圈11中，其中一个线圈11的匝数为1.5匝；其中另一个线圈11的匝数为1匝。

具体的，在两个线圈11中，可以将螺旋直径较小的线圈11的匝数设置为1.5匝，螺旋直径较大的线圈11的匝数设置为1匝，这样可以使靠近介质筒10的螺旋线圈11的匝数较多，远离介质筒10的螺旋线圈11的匝数较少，有利于对距离介质筒10较近处的高温进行冷却，另外，两个线圈11的螺距均为40mm，一个线圈11的匝数为1.5匝，另一个线圈11的匝数为1匝，可以使两个线圈11在介质筒10的轴线方向上均匀的错开放置，从而提高介质筒10的温度的均匀性。

在本实施例中，线圈11的径向截面的外径为6mm，线圈11的径向截面的内径为4mm，也就是说冷却通道12的直径为4mm，线圈11的壁厚为1mm，但是，冷却通道12的直径并不限于此，可以根据介质筒10实际所需的冷却效果进行调整，线圈11对介质筒10的冷却效果随冷却通道12的直径的增大而增加，随冷却通道12的直径的减小而降低。

在本实施例中，反应腔室还包括线圈盒，线圈盒包括将介质筒10和线圈11均容纳在其中的盒体，且在盒体中设置有分别与冷却通道12的入口111和出口112连接的入口通道21和出口通道22，冷却介质自盒体中的入口通道21经过冷却通道12的入口111进入冷却通道12中，流经冷却通道12后经过冷却通道12的出口112从盒体中的出口通道22排出，从而完成对介质筒10的冷却，另外，在等离子体发生腔室中，线圈盒还可以起到屏蔽线圈11的作用。

在本实施例中，盒体包括上盖板23、上环体24、中环体25和下环体26，上盖板23、上环体24、中环体25和下环体26均环绕在线圈11的外围，且由上而下依次叠置；其中，上环体24和下环体26分别位于介质筒10的顶部和底部，且入口通道21和出口通道22分别设置在上环体24和下环体26中，通过将入口通道21设置在位于介质筒10顶部的上环体24中，将出口通道22设置在位于介质筒10底部的下环体26中，这样的设计可以降低重力作用对冷却介质的影响，并且，利用重力提高冷却介质在冷却通道12中的流动性，以提高线圈11对介质筒10冷却的可靠性。

在实际应用中，线圈11可以与上盖板23连接，从而固定在线圈盒中，并环绕在介质筒10周围。

如图1和图3所示，在本实施例中，反应腔室还包括温控系统和输送管路35，其中，输送管路35用于向冷却通道12中输送冷却介质；温控系统包括调节阀31、控制单元32和测温元件33，其中，调节阀31设置在输送管路35上；测温元件33用于实时检测介质筒10内的当前温度，并将温度反馈至控制单元32；控制单元32用于根据当前温度和设定温度控制调节阀31调节冷却通道12中的冷却介质的流量。

在实际应用中，通过控温系统调节输送管路35中的冷却介质的流量，以控制冷却通道12中的冷却戒指的流量，从而实现线圈11对介质筒10温度的精确控制，具体的，在控温系统的工作过程中，测温元件33实时检测介质筒10内的当前温度，并将当前温度反馈至控制单元32，控制单元32接受到当前温度后，根据当前温度和预先存储在控制单元32中的设定温度相比较，计算出冷却通道12中所需冷却介质的流量，并通过控制调节阀31调节输送管路35中的冷却介质的流量，从而调节冷却通道12中的冷却介质的流量，通过此闭环控温系统，能够有效调节介质筒10的温度，并使介质筒10能够保持恒定的温度，从而提高介质筒10的工作可靠性。

在实际应用中，调节阀31可以采用节流阀，测温元件33可以采用热电偶，并将热电偶安装在介质筒10外进行测量，另外，还可以在输送管路35中设置泵34，通过泵34将输送管路35中的冷却介质抽进冷却通道12中，可以在冷却通道12中需要冷却介质时，能够及时的将冷却介质送入冷却通道12中。

本实施例还提供一种半导体设备，包括本实施例提供的反应腔室。

本实施例提供的半导体设备，借助本发明提供的反应腔室，能够对反应腔室中的介质筒进行冷却，从而避免衬底糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

综上所述，本实施例提供的反应腔室及半导体设备，能够对介质筒10进行冷却，从而避免衬底13糊胶的情况发生，提高反应腔室的工作可靠性。

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 (11)

1.一种反应腔室，包括介质筒和环绕在所述介质筒周围的线圈，其特征在于，在所述线圈内设置有冷却通道，所述冷却通道用于通入冷却介质，通过所述冷却介质来对所述介质筒进行冷却；

所述线圈处的温度与该所述线圈与所述介质筒之间的径向距离满足公式：

其中，r为各个所述线圈分别与所述介质筒之间的径向距离，t为时刻，c为所述冷却介质的体积比热，k为所述冷却介质的扩散系数，u为各个所述线圈在所述时刻t位于距离所述介质筒为所述径向距离r处的温度。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述冷却通道沿所述线圈的轴向中心线贯通所述线圈，且所述冷却通道的入口和出口分别位于所述线圈的两端。

3.根据权利要求1或2所述的反应腔室，其特征在于，所述线圈为立体式螺旋线圈；所述立体式螺旋线圈的螺旋中心线与所述介质筒的竖直轴线重合。

4.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述线圈为至少两个，至少两个所述线圈的螺旋中心线重合，不同所述线圈的螺旋直径不同。

5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述线圈为两个。

6.根据权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，在两个所述线圈中，其中一个所述线圈的螺旋直径的取值范围在110mm-150mm；其中另一个所述线圈的螺旋直径的取值范围在260mm-320mm。

7.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述线圈的径向截面的外径为6mm，所述线圈的径向截面的内径为4mm。

8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括线圈盒，所述线圈盒包括将所述介质筒和所述线圈均容纳在其中的盒体，且在所述盒体中设置有分别与所述冷却通道的入口和出口连接的入口通道和出口通道。

9.根据权利要求8所述的反应腔室，其特征在于，所述盒体包括上盖板、上环体、中环体和下环体，所述上盖板、上环体、中环体和下环体均环绕在所述线圈的外围，且由上而下依次叠置；其中，所述上环体和所述下环体分别位于所述反应腔室的顶部和底部，且所述入口通道和出口通道分别设置在所述上环体和所述下环体中。

10.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括温控系统和输送管路，其中，所述输送管路用于向所述冷却通道中输送所述冷却介质；

所述温控系统包括调节阀、控制单元和测温元件，其中，所述调节阀设置在所述输送管路上；

所述测温元件用于实时检测所述介质筒的当前温度，并将所述温度反馈至所述控制单元；

所述控制单元用于根据所述当前温度和设定温度控制所述调节阀调节所述冷却通道中的冷却介质的流量。

11.一种半导体设备，其特征在于，包括权利要求1-10任意一项所述的反应腔室。