CN114517329B - 一种晶圆冷却装置及电镀设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆冷却装置及电镀设备，其中，晶圆冷却装置包括冷却腔体、固态冷却机组及气体吹扫系统；固态冷却机组与冷却腔体的腔壁接触，冷却腔体的内部设置有多个晶圆放置架，冷却腔体和晶圆放置架均采用导热基板制成；气体吹扫系统包括若干个进气孔，若干个进气孔设置于冷却腔体的腔壁并面向晶圆放置架设置。本发明采用传导冷却和对流冷却相结合的方式，晶圆的冷却效率更高，相关工艺制程更快，且相较于单一的传导冷却方式，晶圆在降温过程中的表面温度更加均匀，从而还对保证晶圆的工艺良率有积极意义，并且，本发明支持多张晶圆的冷却加工，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。

Description

一种晶圆冷却装置及电镀设备

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，具体地，涉及一种晶圆冷却装置，以及包含该晶圆冷却装置的电镀设备。

背景技术

近年来，随着科学技术的飞速发展与日新月异，各种高科技电子产品为我们的生活提供方便、娱乐，例如手机、主板、数字相机等电子产品。此类电子产品内部皆装设并布满许多芯片，而芯片的材料来源便是晶圆。

现下，社会对高科技电子产品的需求不断增加，芯片制造商为了提高产能，对相关的原材料及零部件，如硅晶圆，也有了强劲的需求。在此情况下，晶圆加工产业皆以如何更加快速且精确制造出晶圆为目标，不断地进行研发与改良突破。

晶圆的加工程序繁复且精密，大致上包括有如下几个步骤：沉积、光刻胶涂覆、曝光、光刻、烘烤与显影、刻蚀、扩散、离子植入、薄膜等过程，其中很多属于高温工艺过程。晶圆在经过高温工艺后，需要先经过冷却，等到温度下降至室温或目标温度后，才能进行后续的工艺。

现有技术中，常用的冷却方式为传导冷却(Conduction Cooling)，如使用冷盘对晶圆进行冷却，冷盘的底部设置有循环冷却水系统，通过冷却水的流动带走晶圆表面的热量。但该种冷却方式效率较低，并且，一个冷盘上仅能放置一片晶圆，这导致整体工艺制程慢，而为提高工艺效率，设备须兼容多个独立的冷却腔体及相关配套装置才能提供较高的流片量，这无疑将提高设备的占地面积，大大增加工艺成本。

因此，有必要提出一种新型结构的晶圆冷却装置，以解决现有的晶圆冷却方式效率低、产能低、成本高等诸多问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型结构的晶圆冷却装置，并相应提出包含该晶圆冷却装置的电镀设备，该晶圆冷却装置结合传导冷却及对流冷却两种方式，一次可冷却多片晶圆，不仅大大提高晶圆冷却效率，还大幅度加快工艺制程。

为实现本发明的上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种晶圆冷却装置，包括冷却腔体、固态冷却机组以及气体吹扫系统；所述固态冷却机组与冷却腔体的腔壁接触，冷却腔体的内部设置有多个晶圆放置架，冷却腔体和晶圆放置架均采用导热基板制成；所述气体吹扫系统包括排气孔和若干个进气孔，若干个进气孔设置于冷却腔体的腔壁并面向晶圆放置架设置，排气孔设置于冷却腔体的侧壁或底部。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，采用固态冷却机组(solid statechiller)作为冷却源，固态冷却机组和冷却腔体的腔壁接触，而冷却腔体和设置在冷却腔体内部的晶圆放置架均采用导热基板制成，这使得，固态冷却机组工作后，放置在晶圆放置架上的晶圆能够快速传导冷却；同时，本技术方案提供的晶圆冷却装置还设置有气体吹扫系统，气体吹扫系统通过进气孔吹出的气体受固态冷却机组的冷却效果影响，成为冷却气体，冷却气体流过晶圆表面时，通过对流换热，带走晶圆表面的部分热量，从而进一步提高了冷却效果，且提高了晶圆在降温过程中表面温度的均匀性，提升了工艺质量。此外，本技术方案提供的晶圆冷却装置可支持多张(指2张及2张以上)晶圆的冷却加工，极大的加快了工艺制程，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。

优选地，每个晶圆放置架均包括两块相对设置的支撑板，两块支撑板分别固定于冷却腔体的两个侧壁。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，将晶圆放置架一分为二，并将组成每一晶圆放置架的两块支撑板分别固定于冷却腔体的两个侧壁，由此便于晶圆的取放，并且，相较于一片式的晶圆放置架，此结构设计也有利于气体吹扫系统吹出的气体在冷却腔体内的流动，达到更为有效的冷却效果。

优选地，所述晶圆放置架与晶圆背面的接触面积超过晶圆背面面积的50％。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，使晶圆放置架与晶圆的背面具有足够的接触面积，由此实现较优的传导冷却效果。

优选地，所述多个晶圆放置架均匀间隔设置。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，将晶圆放置架均匀间隔设置，有利于提高同一批晶圆冷却的均匀性。

优选地，所述导热基板采用不锈钢金属或铝制成。

本技术方案中，通过采用以上的设计，利用不锈钢金属或铝制作冷却腔体和晶圆放置架，不锈钢金属和铝具有导热性能佳、价格便宜等优点，可有效提高冷却效果并降低工艺成本。

优选地，所述固态冷却机组设置于冷却腔体的底部。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，将固态冷却机组设置于冷却腔体的底部，在晶圆横向放置于冷却腔体内部的情况下，此设计能够使晶圆在横向方向上受到的冷却效果更加均匀，从而提高工艺质量。

优选地，所述进气孔的数量为多个，多个进气孔一一正对晶圆的上表面设置。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，多个进气孔一一正对晶圆的上表面设置，由此使得进气孔吹出的气体能够正对晶圆吹扫，进一步提高晶圆冷却效果。

优选地，所述气体吹扫系统吹扫的气体为氮气、或氩气、或氮气和氩气的混合气。

本技术方案中，通过采用以上的设计，采用氮气和/或氩气对晶圆进行吹扫，氮气和氩气均为无毒无害的惰性气体，不会对周围环境产生任何影响，并且，氮气和氩气的临界温度较低，在冷却过程中能够始终维持在气体状态，保证对流冷却的冷却效果。此外，通过气体吹扫系统不断向冷却腔体内部吹扫氮气或氩气，能够将冷却腔体内部的空气排出，避免在冷却过程中空气在晶圆表面形成水雾。

优选地，所述冷却腔体的侧壁设置有传片窗，冷却腔体顶部靠近传片窗的一侧设置有氮气帘。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，利用氮气帘的设计，可以有效的阻止外界的空气进入冷却腔体内部，从而避免外部空气污染冷却腔体的内部环境。

优选地，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于冷却腔体内部。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，利用温度传感器实时监测冷却腔体的内部环境，使用者能据此对固态冷却机组的冷却温度和/或气体吹扫系统的吹扫量进行及时的控制，以将冷却腔体内的温度控制在预设水平。

一种电镀设备，包括以上任一项所述的晶圆冷却装置。

本技术方案中，通过采用以上的结构设计，采用传导冷却(Conduction Cooling)和对流冷却(Convection Cooling)相结合的方式，晶圆的冷却效率更高，相关工艺制程更快，且相较于单一的传导冷却方式，晶圆在降温过程中的表面温度更加均匀，从而还对保证晶圆的工艺良率有积极意义。此外，通过以上所述晶圆冷却装置的结构设计，本技术方案提供的电镀设备在无须增加冷却腔体和配套设施的情况下，即可支持多张晶圆的冷却加工，从而极大的加快了工艺制程，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的晶圆冷却装置，采用固态冷却机组作为冷却源，固态冷却机组和冷却腔体的内壁接触，而冷却腔体和设置在冷却腔体内部的晶圆放置架均采用导热基板制成，这使得，固态冷却机组工作后，放置在晶圆放置架上的晶圆能够被快速传导冷却。

2、本发明提供的晶圆冷却装置，除具备传导冷却方式外，还具备对流冷却方式，即晶圆冷却装置还设置有气体吹扫系统，气体吹扫系统通过进气孔吹出的气体受固态冷却机组的冷却效果影响，成为冷却气体，冷却气体流过晶圆表面时，通过对流换热，带走晶圆表面的部分热量，从而进一步提高了冷却效果，且提高了晶圆在降温过程中表面温度的均匀性。

3、本发明提供的晶圆冷却装置，冷却腔体内部设置有多个晶圆放置架，支持多张晶圆的冷却加工，从而极大的加快了工艺制程，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明第一实施例所述晶圆冷却装置的立体结构示意图；

图2为本发明第一实施例所述晶圆冷却装置的局部立体结构示意图。

图中示出：

1-冷却腔体；

2-晶圆放置架；

21-左支撑板；

22-右支撑板；

3-气体吹扫系统；

4-传片窗；

5-氮气帘；

6-温度传感器；

7-固态冷却机组

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，本申请中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、底…)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。进一步地，在申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

第1实施例

本实施例提供一种晶圆冷却装置，如附图1至附图2所示，该晶圆冷却装置包括冷却腔体1、固态冷却机组7以及气体吹扫系统3；固态冷却机组7与冷却腔体1的腔壁接触，冷却腔体1的内部设置有多个晶圆放置架2，冷却腔体1和晶圆放置架2均采用导热基板制成；气体吹扫系统3包括排气孔和若干个进气孔，若干个进气孔设置于冷却腔体1的腔壁并面向晶圆放置架2设置，排气孔设置于冷却腔体1的底部。

具体地，冷却腔体1整体呈正方体或长方体结构，其具有六个腔壁，按附图1所示方向，分别称为上腔壁、下腔壁、左腔壁、右腔壁、前腔壁和后腔壁。冷却腔体1的下腔壁与固态冷却机组7接触，冷却腔体1的左腔壁和右腔壁之间，从上至下固定设置有多个晶圆放置架2，每个晶圆放置架2均包括两块支撑板，即左支撑板21和右支撑板22，左支撑板21与冷却腔体1的左腔壁固定连接，右支撑板22与冷却腔体1的右腔壁固定连接，组成每一晶圆放置架2的左支撑板21和右支撑板22相对设置，由此形成一片晶圆的放置空间。

冷却腔体1的各个腔壁及组成晶圆放置架2的各个支撑板均由导热系数高的材质制成，如采用不锈钢金属或铝制成，由此使得，当固态冷却机组7开始工作后，固态冷却机组7能够通过传导冷却的方式，迅速使与其接触的下腔壁、与下腔壁接触的左腔壁和右腔壁、分别与左腔壁和右腔壁接触的左支撑板21和右支撑板22快速冷却，由此使放置在由左支撑板21和右支撑板22组成的晶圆放置架2上的晶圆得以以较快的速率冷却。

本实施例提供的晶圆冷却装置，在冷却腔体1内设置有多个晶圆放置架2，支持多张晶圆的冷却加工，从而极大的加快了工艺制程，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。此外，多个晶圆放置架2上下间隔均匀，由此能够提高同一批晶圆冷却效果的均匀性。须注意的是，为避免晶圆在工艺处理过程中表面被划坏，应严格控制与晶圆可能发生接触的部件的表面粗糙度，包括晶圆放置架2和冷却腔体1腔壁等，应保证一定的光滑度。

进一步地，本实施例提供的晶圆冷却装置还包括气体吹扫系统3，气体吹扫系统3包括进气口、出气口以及相应的进气管路和出气管路，如附图2所示，气体吹扫系统3包括多个进气口，多个进气口从上至下间隔均匀的设置于冷却腔体1的后腔壁，并且，多个进气口一一正对晶圆的上表面设置。出气口设置于冷却腔体1的下腔壁，并面向外部环境设置，进气口与进气管路连接，出气口与出气管路连接。

当气体吹扫系统3开始工作，氮气通过进气管路，经进气口进入冷却腔体1内部，在固态冷却机组7的冷却效果下，整个冷却内腔的温度处于一个相对较低水平，气体受此影响成为冷却气体，冷却气体流过晶圆表面时，通过对流换热，带走晶圆表面的部分热量，由此进一步提高了冷却效果。并且，固态冷却机组7的传导冷却方式结合此对流冷却方式，相较于单纯的传导冷却，提高了晶圆在降温过程中表面温度的均匀性，由此提升了工艺质量。

进一步地，如图1所示，冷却腔体1的前腔壁为一可升降的传片窗4，使用者可通过此传片窗4的升降使冷却腔体1打开或关闭，由此取放晶圆，在晶圆取放过程中，外部空气可能进入冷却腔体1内部，导致冷却腔体1被污染，并最终导致晶圆被污染。因此本实施例提供的晶圆冷却装置还在冷却腔体1上腔壁靠近传片窗4的一侧设置氮气帘5。在升降传片窗4以取放晶圆的过程中，氮气帘5工作，从而在冷却腔体1的上腔壁和下腔壁之间形成气体流场，从而使得冷却腔体1和外部环境之间形成一屏障，避免外部气体进入冷却腔体1内部，从而保证冷却腔体1内部的清洁度。就冷却腔体1的清洁度而言，气体吹扫系统3在吹扫气体的过程中，气流不仅能够带走晶圆表面的热量，还能带走晶圆表面和冷却腔体1内部可能存在的灰尘等，因此气体吹扫系统3对保证冷却腔体1内部环境的清洁度也具有一定意义。

此外，如附图1所示，冷却腔体1的后腔壁还设置有温度传感器6，温度传感器6能够实时监测冷却腔体1内部的温度情况，根据该温度情况，使用者可对固态冷却机组7的冷却温度和/或气体吹扫系统3的吹扫量进行及时的控制，以将冷却腔体1内的温度控制在预设水平，达到最优的冷却效果。

本实施例提供的晶圆冷却装置，采用固态冷却机组7作为冷却源，采用导热系数高的材质制作冷却腔体1和晶圆放置架2，这使得，固态冷却机组7工作后，放置在晶圆放置架2上的晶圆能够被快速传导冷却；同时，本实施例提供的晶圆冷却装置还设置有气体吹扫系统3，气体吹扫系统3通过进气孔吹出的气体受固态冷却机组7的冷却效果影响，成为冷却气体，冷却气体流过晶圆表面时，通过对流换热，带走晶圆表面的部分热量，从而进一步提高了冷却效果，且提高了晶圆在降温过程中表面温度的均匀性，提升了工艺质量。此外，本技术方案提供的晶圆冷却装置可支持多张(指2张及2张以上)晶圆的冷却加工，极大的加快了工艺制程，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。

值得说明的是，本实施例提供的晶圆冷却装置，除可用于晶圆的冷却以外，还可拓展使用到其它集成电路的对应冷却工艺，比如炉管等。

第2实施例

本实施例提供一种电镀设备，包括实施例1所述的晶圆冷却装置，该电镀设备在进行晶圆的冷却工艺时，采用传导冷却和对流冷却相结合的方式，晶圆的冷却效率更高，相关工艺制程更快，且相较于单一的传导冷却方式，晶圆在降温过程中的表面温度更加均匀，从而还对保证晶圆的工艺良率有积极意义。此外，通过以上所述晶圆冷却装置的结构设计，本技术方案提供的电镀设备在无须增加冷却腔体和配套设施的情况下，即可支持多张晶圆的冷却加工，从而极大的加快了工艺制程，打破了晶圆冷却时间慢而对晶圆产能的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。

Claims (8)

1.一种晶圆冷却装置，其特征在于，包括冷却腔体、固态冷却机组以及气体吹扫系统；所述固态冷却机组设置于冷却腔体的底部并与冷却腔体的下腔壁接触，冷却腔体的内部设置有多个晶圆放置架，每个晶圆放置架均包括两块相对设置的支撑板，两块支撑板分别固定于冷却腔体的两个侧壁；所述冷却腔体和晶圆放置架均采用导热基板制成；所述气体吹扫系统包括排气孔和多个进气孔，多个进气孔设置于冷却腔体的腔壁并面向晶圆放置架设置，排气孔设置于冷却腔体的侧壁或底部；所述晶圆放置架与晶圆背面的接触面积超过晶圆背面面积的50％；

固态冷却机组工作后，固态冷却机组通过传导冷却的方式，使与其接触的冷却腔体的下腔壁、与下腔壁接触的两个侧壁、分别与两个侧壁接触的支撑板快速冷却；所述气体吹扫系统通过进气孔吹出的气体受固态冷却机组的冷却效果影响成为冷却气体。

2.根据权利要求1所述的晶圆冷却装置，其特征在于，所述多个晶圆放置架均匀间隔设置。

3.根据权利要求1所述的晶圆冷却装置，其特征在于，所述导热基板采用不锈钢金属或铝制成。

4.根据权利要求1所述的晶圆冷却装置，其特征在于，所述进气孔的数量为多个，多个进气孔一一正对晶圆的上表面设置。

5.根据权利要求1所述的晶圆冷却装置，其特征在于，所述气体吹扫系统吹扫的气体为氮气、或氩气、或氮气和氩气的混合气。

6.根据权利要求1所述的晶圆冷却装置，其特征在于，所述冷却腔体的侧壁设置有传片窗，冷却腔体顶部靠近传片窗的一侧设置有氮气帘。

7.根据权利要求1所述的晶圆冷却装置，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于冷却腔体内部。

8.一种电镀设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的晶圆冷却装置。