CN113604786B - 半导体设备的加热器及半导体设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种半导体设备的加热器和一种半导体设备，上述加热器包括：加热盘，用于设置在所述半导体设备的腔体中，所述加热盘具有第一空腔以及相对的载物平面和底面，所述底面具有开口，所述第一空腔通过所述开口与大气环境连通；第一冷却元件，固定于所述第一空腔内，所述第一冷却元件用于向所述第一空腔内通入冷却气体。上述加热器在半导体设备的工艺过程中，加热盘温度稳定。

Description

半导体设备的加热器及半导体设备

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体设备的加热器及半导体设备。

背景技术

膜层沉积是半导体工艺中的一种常见工艺，例如大部分功率器件为满足工艺需求，会需要沉积较厚的金属薄膜，而膜层的沉积时间与膜层厚度成正比，与产能成反比。为提高产能，需要大幅度提高薄膜沉积速率，以降低沉积时间。

目前提高薄膜沉积速率常用的方法，就是提高沉积时所施加的电源功率。但是提高功率以及延长沉积时间均会带来大量的热量累积，使得整个半导体工艺过程中，承载并控制晶圆工艺温度的加热器的温度难以稳定，导致工艺腔室内的温度超出合适温度，并且随着处理的晶圆片数的增加，加热器的温度还会不断升高。

加热器温度的持续升高，会对半导体工艺处理结果造成不良影响。现有技术中，为了控制温度的稳定性，当温度上升超过设定范围时，只能停止工艺过程，停止加热，让加热器的温度下降至起始温度后，才能继续工艺。上述降温过程会浪费大量的时间，严重影响设备产能，同时在工艺过程中，不断的停止、启动，增加了工艺控制的繁琐性。目前，对于加热器的温度调节尤其是辅助冷却功能的要求越来也高。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种半导体设备的加热器及半导体设备，以解决现有的半导体设备的温度不稳定的问题。

本申请提供的一种半导体设备的加热器，包括，加热盘，设置在所述半导体设备的腔体中，所述加热盘具有第一空腔以及相对的载物平面和底面，所述底面具有开口，所述第一空腔通过所述开口与大气环境连通；第一冷却元件，固定于所述第一空腔内，所述第一冷却元件用于向所述第一空腔内通入冷却气体。

可选的，所述第一冷却元件内具有气路，所述气路的进气口用于与外部气源连通，所述气路的出气口连通所述第一空腔。

可选的，所述第一冷却元件的高度小于所述第一腔体的高度，所述第一冷却元件的底面固定于所述第一腔体的底部。

可选的，所述第一空腔为圆柱形，所述第一冷却元件为圆环柱形，，且所述第一冷却元件的外径小于所述第一空腔的直径，所述开口位于所述第一冷却元件的内环壁所围成的空间中。

可选的，所述加热器还包括一支撑组件，所述支撑组件内部中空，所述支撑组件的一端与所述加热盘底面的开口连通，所述支撑组件的另一端贯穿所述腔体底部连通至大气环境；所述支撑组件中设置有进气管路，所述进气管路用于连通所述气路的进气口与所述外部气源。

可选的，所述加热盘还具有设置在所述第一空腔的上方且与所述第一空腔连通的第二空腔，所述加热器还包括位于所述二空腔中且与所述加热盘固定设置的第二冷却元件，所述第二冷却元件内具有液体管路，所述液体管路用于冷却所述加热盘。

可选的，所述第一冷却元件与所述第二冷却元件之间具有预设间隙。

可选的，所述支撑组件包括支撑轴、第一法兰、波纹管和第二法兰，所述支撑轴内部中空，一端可升降的固定于所述第一法兰底部，另一端穿过所述第二法兰，连通至大气环境；所述波纹管套设于所述支撑轴外部，所述波纹管的一端通过所述第一法兰与所述加热盘底部固定连接，所述波纹管的另一端连接至所述第二法兰；所述第二法兰用于固定于所述半导设备的腔体底部。

可选的，所述进气管路上设置有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制进去所述第一冷却元件内的气体流量。

可选的，所述出气口为圆孔，且所述出气口的直径范围为大于等于2mm小于等于5mm，所述出气口的数量为多个，且均匀分布于所述第一冷却元件的朝向所述载物平面的表面。

本申请还提供一种半导体设备，包括腔体和上述本发明提供的任一所述的加热器。

本申请上述半导体设备的加热器包括加热盘和第二冷却元件，所述加热盘包括第一空腔，且第一空腔通过开口于大气环境连通；第一冷却元件用于向第一空腔内通入冷却气体，冷却气体通入第一空腔内后可以对加热盘进行冷却，并携带热量通过开口排除至大气环境内。由于冷却气体的流速较快，能够提高降温效率；且气体流速易于准确控制，能够通过调整气体流速进一步提高所述加热盘温度的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例的半导体设备的结构示意图；

图2是本申请一实施例的半导体设备的加热器的结构示意图；

图3是本申请一实施例的第一冷却元件的结构示意图；

图4是本申请一实施例的第一冷却元件的俯视示意图；

图5是本申请一实施例的半导体设备的加热器的结构示意图；

图6a是本申请一实施例的半导体设备在进行工艺处理过程中的加热盘的温度随时间变化的曲线图；

图6b是本申请一实施例的半导体设备在进行工艺处理过程中的加热盘的温度随时间变化的曲线图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有技术中在长时间大功率的半导体工艺过程中，设备腔室内的温度在工艺过程中难以稳定控制，需要通过停止工艺来降温，在完成一片晶圆的工艺后，需要静置等待加热器恢复到起始温度，再进行下一片晶圆的工艺，浪费大量时间，严重影响产能。

发明人研究发现，导致温度难以稳定控制的主要原因是目前半导体设备采用的加热器基本采用真空下的自然散热以及水冷冷却盘散热。真空自然散热的散热效率非常低，而冷却水散热时，冷却盘内通入的冷却水量有限，且冷却盘的面积有限，依旧无法提供足够的散热效率。

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参考图1，为本发明一实施例的半导体设备的结构示意图。

半导体设备100，包括：腔体110和加热器。

腔体110为腔体壁围成的密闭腔体，半导体工艺在腔体110内进行。腔体110在进行工艺过程中，保持真空状态。

请同时参考图1和图2，图2为加热器的结构示意图。该实施例中，加热器包括加热盘120和第一冷却元件124。加热盘120设置于腔体110内。

加热盘120包括加热盘主体121以及位于加热盘主体121内的第一空腔122，加热盘主体121具有相对的载物平面1211和底面1212，底面1212具有开口1213，与第一空腔122连通。第一空腔122通过开口1213与大气环境连通。载物平面1211用于放置晶圆，通常，加热盘120的载物平面1211为圆形，尺寸等于或略大于晶圆尺寸。加热盘120主体的材料通常为不锈钢等耐高温、耐腐蚀材料。

加热元件123嵌设于第一空腔122与载物平面1211之间的加热盘主体121内。加热元件123包括加热丝，加热丝分布于与载物平面1211平行的平面内。通过加热丝通电产生热量对加热盘120加热。该实施例中，加热元件123包括单层且均匀分布的嵌设于加热盘主体121内的加热丝，加热丝平行于载物平面1211设置，且加热丝各位置处与载物平面1211之间的距离相同，使得加热元件123能够对载物平面1211各位置处均匀加热，尽量保持载物平面1211各位置处的温度相同。在其它实施例中，加热元件123还可以包括双层或多层铺设的加热丝，以提高加热效率。加热元件123通常被包裹于加热盘主体121内，避免裸露出现氧化等问题。

请同时参考图1至图3，其中图3为第一冷却元件的结构示意图。第一冷却元件124固定于加热盘120内的第一空腔122内，第一冷却元件124内具有气路1241，气路1241的进气口用于与外部气源连通，气路1241的出气口连通第一空腔122。具体的，该实施例中，气路1241的进气口连通至进气管1243，出气口1242分布于第一冷却元件124的朝向加热元件123的一侧表面。出气口1242与加热盘主体121之间具有连通至开口1213的空隙1244。

进一步，请结合参考图4，图4为冷却元件的124的俯视示意图。

该实施例中，加热盘120和第一空腔122均为圆柱形；第一冷却元件124为圆环柱形，与第一空腔122的尺寸和形状匹配，具有圆环形且相对的第一底面124a和第二底面124b，以及相对的外侧壁124c和内侧壁124d，开口1213位于第一冷却元件124的内侧壁124d所围成的空间中。第一冷却元件124的第一底面124a朝向加热元件123设置，出气口1242分布于所述第一底面124a上，进气口设置于内侧壁124d上，内侧壁124d包围的空间与开口1213连通。

第一冷却元件124的出气口与加热盘主体121之间具有间隙1244，使得第一冷却元件124通入第一空腔122内的冷却气体能够经由开口1213排放至大气环境。

该实施例中，第一冷却元件124的第二底面124b固定于加热盘主体121的底面1212内侧，第一冷却元件124的高度小于第一腔体122的高度，使得第一地面126b与加热盘主体121之间具有间隙1244。

进一步的，第一冷却元件124的外径小于第一空腔122的直径，使得第一冷却元件124的外侧壁124c以及第一底面124a与加热盘主体121之间也具有间隙1244。间隙1244通过开口1213连通至加热盘120外部。

第一冷却元件124内部的气路1241的出气口1242分布于第一底面124a，朝向加热元件123。冷却气体自进气管路1243进入气路1241内，自出气口1242吹出，进入第一冷却元件124与加热盘主体121之间的间隙1244内，再通过开口1213排出至加热盘120外部。冷却气体温度较低，通入冷却气体至第一冷却元件124以及空腔122内，能够通过热传递，吸收加热盘主体121的热量，并通过气体循环带出加热盘120；并且，气体快速循环过程中，还可以将原本第一空腔122内被加热的气体携带至加热盘120外。与液体循环冷却相比，气体流速较快，降温效率更高。

为了提高对所述加热盘120的散热均匀性，设置有多个出气口1242均匀分布于第一冷却元件124的第一底面124a。在一些实施例中，出气口1242为圆形，直径范围为大于等于2mm小于等于5mm。在其他实施例中，根据需求，出气口1242还可以采用其他形状和尺寸，在此不做限定。

进一步的，该实施例中，通过两根进气管路1243向第一冷却元件124内通入冷却气体，可以提高冷却气体流量，并提高第一底面124a上各出气口1242的气体流速的均匀性。在其他实施例中，也可以根据需要合理设置进气管1243的数量。冷却气体，可以为N₂或者Ar等惰性气体，可以被直接排出至大气环境，无需增加额外的气体处理装置。进气管路1243上还可以设置有质量流量控制器(图中未示出)，质量流量控制器用于控制进去第一冷却元件124内的气体流量。

第一底面124a与加热盘主体121之间的间隙1244具有合适的高度，使得冷却气体在间隙1244内保持足够的流速以带走热量。若间隙1244的高度过大，则会导致冷却气体进入间隙1244后，流速下降过多，降温效率下降；若间隙1244的高度过小，又会导致通入的制冷气体量过少，降温效果较差。在一些实施例中，间隙1244的高度为1mm～10mm。

该实施例中，除了第一底面124a上方具有间隙1244之外，第一冷却元件124的侧壁与加热盘主体121之间也具有间隙，提高冷却气体与加热盘主体121之间的接触面，进而提高降温效率。

该实施例中，加热器还包括支撑组件130，支撑组件130用于可升降的支撑加热盘120，且通过升降，调整加热盘120的高度。具体的，支撑组件130内部中空，支撑组件130的一端与加热盘120底面的开口1213连通，支撑组件130的另一端贯穿腔体110底部连通至大气环境；支撑组件130中设置有进气管路1243，进气管路1243用于连通气路的进气口与外部气源。加热盘120通过支撑组件130可升降地固定于腔体110的底部。

具体的，支撑组件130包括支撑轴134、波纹管131、第一法兰132以及第二法兰133。

支撑轴134内部中空，一端可升降的固定于第一法兰132底部，通过第一法兰132与开口1213连通，另一端穿过第二法兰133，连通至大气环境，使得加热盘120的外表面位于腔体110的真空环境中，而内部第一空腔122则连通至外部大气环境。进气管1243穿过支撑轴134内部，连接至第一冷却元件124的进气口。支撑轴134的中空内部与加热盘120内部的空第一空腔122连通，冷却气体通过进气管1243进入第一冷却元件124内，通过第一冷却元件124的第一底面124a的出气口1242进入第一空腔122内，并从开口1213，沿支撑轴134内部中空区域排出至大气环境，将加热盘120内部热量带出。

波纹管131的一端通过第一法兰132与加热盘120底部密封固定连接，另一端通过第二法兰133密封固定于腔体110底部。波纹管131具有波纹状侧壁，为采用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状结构，具有一定的弹性，提供加热盘120升降所需要的伸缩高度。

该实施例中，加热元件123的加热丝两端也通过支撑轴134内部中空管路延伸至腔体110外部，以便连接电源正负极。

请参考图5，为本发明另一实施例的半导体设备的加热器的结构示意图。

在图2所示实施例的基础上，该实施例中，加热盘120内还具有设置在所述第一空腔122的上方且与所述第一空腔122连通的第二空腔1221；加热器还包括位于第二空腔1221中且与加热盘120固定设置的第二冷却元件510；第二冷却元件510内具有液体管路501，液体管路用于冷却加热盘120。第二空腔1221与第一空腔122贯通。

液体管路501一端连通至进液管502a，另一端连通至出液管502b。第二冷却元件510通过冷却液体对加热盘120进行降温，冷却液体自进液管502a通过第二冷却元件510内的液体管路501，然后通过另一端自出液管502b流出，将热量带出。冷却液通常采用水，将热量带出后，在外部降温后再循环进入所述第二冷却元件510内，持续进行冷却降温。该实施例中，第二冷却元件510位于加热元件123与第一冷却元件124之间，具有相对的第一表面和第二表面；第一表面朝向加热元件123，且紧贴加热盘主体121设置，通过热传递方式，降低加热盘主体121的温度。第二冷却元件510的第二表面朝向第一冷却元件124，且与第一冷却元件124的第一底面124a之间具有预设间隙503。冷却气体从第一冷却元件124的出气口进入预设间隙503内，自开口1213进入支撑轴134内，排出至外部。

该实施例中，第二空腔1221为圆柱形，第二冷却元件510为圆环柱形，第一表面和第二表面分别为第二冷却元件510的两个底面；液体管路的进液口和出液口分别设置于第二冷却元件510的内侧壁上。该第二空腔1221的直径可以小于、大于或者等于第一空腔122的直径。

该实施例中，通过第二冷却元件124和第一冷却元件520，分别采用冷却液、冷却气体作为冷却媒介，共同进行降温，提高降温效率。由于第二冷却元件510采用冷却液降温，冷却液量较小，能够提供相对稳定的冷却能力。进一步，通过第一冷却元件124通入冷却气体，提高冷却效果，且由于冷却气体流速较高，易于控制，热量通过冷却气体被迅速带走，可以进一步提高降温效率以及提高温度控制的准确性。

请参考图6a，为本发明一实施例的，仅采用第二冷却元件510对加热盘120进行降温的温度随时间变化曲线。以及图6b，为同时采用第一冷却元件214和第二冷却元件510进行降温的加热盘120的温度随时间变化曲线。

图6a和图6b为在55kW条件下，沉积3um的Al薄膜时所测量的加热盘120的载物面1211处的温度，设置的加热元件123对所述加热盘120的加热目标温度为175℃。

图6a中，加热盘120的载物面1211的温度随着工艺时间累积持续上升。仅通过第二冷却元件510，通过冷却液热传递的方式，无法将所述加热盘120的温度控制在稳定范围内。

请参考图6b，在保持第二冷却元件510的冷却液的流量等参数均不变的情况下，向第一冷却元件124内通入冷却气体，通过冷却气体吹扫，将热量排除至外部。该实施例中，设置通入气体的流速为60sccm，气体为N₂，连续做工艺，加热盘120的温度可以稳定在±5℃之内。加热盘120的温度稳定，可以持续不断的做工艺，而不必静置等待加热盘120的温度恢复，几乎可以提高一倍的产能。

上述实施例中，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的结构翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。结构可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种半导体设备的加热器，其特征在于，包括：

加热盘，用于设置在所述半导体设备的腔体中，所述加热盘具有第一空腔以及相对的载物平面和底面，所述第一空腔与所述载物平面之间具有加热盘主体，所述底面具有开口，所述第一空腔通过所述开口与大气环境连通；

第一冷却元件，固定于所述第一空腔内，所述第一冷却元件为圆环柱形，所述开口位于所述第一冷却元件的内环壁所围成的空间中，所述第一冷却元件用于向所述第一空腔内通入冷却气体；所述第一冷却元件内具有气路，所述气路的进气口用于与外部气源连通，所述气路的出气口连通所述第一空腔，多个所述出气口均匀分布于所述第一冷却元件的朝向所述加热盘主体的一侧表面，多个所述出气口与所述加热盘主体之间具有连通至所述开口的空隙；

所述加热盘还具有设置在所述第一空腔的上方且与所述第一空腔连通的第二空腔；所述加热器还包括位于所述二空腔中且与所述加热盘固定设置的第二冷却元件，所述第二冷却元件内具有液体管路，所述液体管路用于冷却所述加热盘，第二冷却元件为圆环柱形；所述第一冷却元件与所述第二冷却元件之间具有预设间隙。

2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述第一冷却元件的高度小于所述第一空腔的高度，所述第一冷却元件的底面固定于所述第一空腔的底部。

3.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述第一空腔为圆柱形，且所述第一冷却元件的外径小于所述第一空腔的直径。

4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述加热器还包括一支撑组件，所述支撑组件内部中空，所述支撑组件的一端与所述加热盘底面的开口连通，所述支撑组件的另一端贯穿所述腔体底部连通至大气环境；所述支撑组件中设置有进气管路，所述进气管路用于连通所述气路的进气口与所述外部气源。

5.根据权利要求4所述的加热器，其特征在于，所述支撑组件包括支撑轴、第一法兰、波纹管和第二法兰；所述支撑轴内部中空，一端可升降的固定于所述第一法兰底部，另一端穿过所述第二法兰，连通至大气环境；所述波纹管套设于所述支撑轴外部，所述波纹管的一端通过所述第一法兰与所述加热盘底部固定连接，所述波纹管的另一端连接至所述第二法兰；所述第二法兰用于固定于所述半导体设备的腔体底部。

6.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述进气管路上设置有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制进去所述第一冷却元件内的气体流量。

7.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述出气口为圆孔，且所述出气口的直径范围为大于等于2mm小于等于5mm，所述出气口的数量为多个，且均匀分布于所述第一冷却元件的朝向所述载物平面的表面。

8.一种半导体设备，其特征在于，包括腔体和权利要求1-7中任一项所述的加热器。