CN116153840B - 一种卡盘 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体设备技术领域，本申请提供一种卡盘，包括：本体、吸附面、多个加热电阻丝和一条低温流管。多个加热电阻丝，均设置于所述本体内且分别受控；低温流管，是与所述本体一体成型的通道，且呈饼状盘桓于所述本体内，配置为利用输入其中的冷却物质与所述多个加热电阻丝相配合控制所述本体均匀降温。本申请利用碳化硅材料制作一体成型的本体和低温流管，不仅保证了本体的强度，而且通过一体成型的方式解决了低温流管的密封问题，避免了密封不严导致冷却物质外泄，损坏机体和晶圆，保证了精确降温。

Description

一种卡盘

技术领域

本申请涉及半导体设备技术领域，具体而言，涉及一种卡盘。

背景技术

卡盘(CHUCK盘)是一种在半导体设备行业非常重要的部件，在晶圆测试过程中，卡盘用于吸附和传输晶圆。为了保证吸附晶圆的可靠性、安全性，卡盘在吸附的过程中，对表面温度的控制非常重要。

目前，在晶圆测试过程中，需要使用恒定温度的卡盘参与测试。因此，针对温度需求选用对应温度的卡盘，且卡盘表面温度差别较大，温控精度低，吸附效果不太理想。

因此，本公开提供了一种卡盘，以解决上述技术问题之一。

发明内容

根据本申请的具体实施方式，提供一种卡盘，具体如下：

本申请提供一种卡盘，包括：

本体，构造为圆盘状；

吸附面，设置于所述本体的上表面；所述吸附面配置为利用真空吸附晶圆；

多个加热电阻丝，均设置于所述本体内且分别受控，每个加热电阻丝均配置为单独受控与其他加热电阻丝相配合使所述多个加热电阻丝均匀升温；

一条低温流管，是与所述本体一体成型的通道，且呈饼状盘桓于所述本体内，所述低温流管的流管入口和流管出口分别贯通于所述本体的侧壁，所述低温流管配置为利用输入其中的冷却物质与所述多个加热电阻丝相配合控制所述本体均匀降温；

其中，所述本体和所述低温流管均采用碳化硅材料构造而成。

可选的，所述低温流管的盘桓密度由内至外逐渐加密。

可选的，所述低温流管的盘桓形态满足费马螺线的形态。

可选的，所述流管入口与所述流管出口分别设置于所述本体的相对面的侧壁上，且连接所述流管入口与所述流管出口的第一连线穿过所述本体的中轴。

可选的，所述多个加热电阻丝分别设置于基于所述低温流管的盘桓密度所划分的所述本体的多个加热区块中，每个加热区块中设置一个加热电阻丝。

可选的，所述多个加热区块包括7个加热区块；所述7个加热区块包括：第一加热区块、第二加热区块、第三加热区块、第四加热区块、第五加热区块、第六加热区块和第七加热区块；

所述7个加热区块以所述本体的中轴线为中心，由里至外将所述本体分成三个层，第一层以所述本体的的中轴线为中心划分一个圆柱形的所述第一加热区块，所述第一加热区块的横截面的半径大于三分之一的所述本体的横截面的第一半径；第二层是一个包裹所述第一加热区块的第一筒体，所述第一筒体的厚度等于三分之一的第一半径；所述第二层包括等分的所述第二加热区块和所述第三加热区块；第三层是一个包裹所述第二层的第二筒体，所述第二筒体的厚度小于三分之一的第一半径，所述第二筒体包括等分的所述第四加热区块、所述第五加热区块、所述第六加热区块和所述第七加热区块；且所述第四加热区块和所述第五加热区块半包围所述第三加热区块，所述第六加热区块和所述第七加热区块半包围所述第二加热区块。

可选的，所述第一加热区块内的第一加热电阻丝的第一中心设置于所述本体的中轴线旁，且所述第一中心在预设水平面上的投影在连接所述流管入口与所述流管出口的第一连线的投影上；所述第一加热区块内的第一加热电阻丝的第一中心以及所述第二加热区块内的第二加热电阻丝的第二中心与所述第三加热区块内的第三加热电阻丝的第三中心连线所形成的第一三角形包围所述本体的中轴线，且连接第二中心和第三中心的第二连线在预设水平面上的投影，与垂直于第一连线的第一垂线的投影相交；所述第四加热区块内的第四加热电阻丝的第四中心、所述第五加热区块内的第五加热电阻丝的第五中心、所述第六加热区块内的第六加热电阻丝的第六中心与所述第七加热区块内的第七加热电阻丝的第七中心的连线形成一个正方形，且所述正方形的一个边在预设水平面上的投影与所述第二连线的投影的夹角的范围为0～20度。

可选的，所述低温流管与所述多个加热电阻丝相配合控制所述本体温度的变化范围为-50℃至180℃。

可选的，所述本体内还包括多个温度传感器；每个温度传感器均设置于对应加热电阻丝的附近，配置为采集附近本体的温度，以便作为控制所述本体均匀升温或均匀降温的参考。

可选的，所述吸附面为环道式吸附面。

本申请实施例具有如下的技术效果：

本申请提供一种卡盘，包括：本体、吸附面、多个加热电阻丝和一条低温流管。多个加热电阻丝，均设置于所述本体内且分别受控；低温流管，是与所述本体一体成型的通道，且呈饼状盘桓于所述本体内，配置为利用输入其中的冷却物质与所述多个加热电阻丝相配合控制所述本体均匀降温。本申请利用碳化硅材料制作一体成型的本体和低温流管，不仅保证了本体的强度，而且通过一体成型的方式解决了低温流管的密封问题，避免了密封不严导致冷却物质外泄，损坏机体和晶圆，保证了精确降温。低温流管与多个加热电阻丝相配合有效的保证了均匀控温和控温精度，保证了卡盘能够大范围的进行温度均匀调控，保证了常温、高温和低温三种环境下晶圆吸附和传输的安全性和可靠性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。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，对于本领域普通技术人员来讲，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。在附图中：

图1为本申请的一些实施例的卡盘的结构示意图；

图2为本申请的一些实施例的费马螺线形态的低温流管的示意图；

图3为本申请的一些实施例的本体的横截面中7个加热区块的分布示意图；

图4为本申请的一些实施例的本体的横截面中7个加热电阻丝的分布示意图；

附图标记说明

10-本体，20-吸附面，30-加热电阻丝，40-低温流管；

101-第一加热区块，102-第二加热区块，103-第三加热区块，104-第四加热区块，105-第五加热区块，106-第六加热区块，107-第七加热区块，108-中轴；

201-环道；

301-第一加热电阻丝，302-第二加热电阻丝，303-第三加热电阻丝，304-第四加热电阻丝，305-第五加热电阻丝，306-第六加热电阻丝，307-第七加热电阻丝，311-第一连线，312-第一垂线，313-第二连线；

401-流管入口，402-流管出口。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

卡盘配置为吸附和传输晶圆。目前市场上的卡盘一般为分体式的金属腔体结构。其中设置的低温流管40通常采用拼接方式装配而成。拼接工艺的密封难度较高，也影响了卡盘整体强度和刚度。一旦低温流管40密封不严将导致冷却物质外泄，会对机体和晶圆造成严重影响。为此，本申请提供了一种基于碳化硅的整体式且表面硬度高的卡盘，规避了低温流管40的密封问题，卡盘自身匹配相适应的用于多区域温控的多个加热电阻丝30，能够均匀控制卡盘的表面温度，实现精确温控。

下面结合附图详细说明本申请的可选实施例。

本申请提供了一种卡盘，包括：本体10、吸附面20、多个加热电阻丝30和一条低温流管40。

如图1所示，本体10，构造为圆盘状。所述本体10采用碳化硅材料构造而成。

碳化硅材料，可高温烧结，其材料表面硬度高，研磨后表面精度高，保证了本体10所需的硬度。采用碳化硅材料制作的本体10线膨胀系数小，升降温速率快，响应快，随温度变化而产生的形变小，减少了测试环境对卡盘形变的影响，保证了卡盘吸附晶圆的有效性。

本体10可以是一个腔体结构，也可以是一个实心结构，本申请不限于此。

吸附面20，设置于所述本体10的上表面。所述吸附面20包括多个吸附孔；所述多个吸附孔与所述本体10内上半部设置的真空吸附管管道连通，所述吸附面20配置为利用真空吸附晶圆；所述真空吸附管与卡盘外的真空机构连通。当真空机构抽取真空时，在所述真空吸附管内和多个吸附孔形成真空。当吸附面20贴近晶圆时，能够在晶圆的贴近表面形成负压，将所述晶圆吸附在吸附面20上。

低温流管40，也采用碳化硅材料构造而成，是与所述本体10一体成型的通道，且呈饼状盘桓于所述本体10内。所述低温流管40的流管入口401和流管出口402分别贯通于所述本体10的侧壁，所述低温流管40配置为利用输入其中的冷却物质与所述多个加热电阻丝30相配合控制所述本体10均匀降温。

所述盘桓，是指曲折环绕。低温流管40呈饼状盘桓于所述本体10内，可以理解为，低温流管40呈饼状曲折环绕在本体10内，以便使本体10均匀降温。

低温流管40的流管入口401与卡盘外的制冷机连通，制冷机不断输出冷却物质，使冷却物质通过低温流管40为卡盘降温。本申请的低温流管40需与多个加热电阻丝30相配合实现均匀降温。

在制作一体成型的本体10和低温流管40时，首先采用碳化硅材料制作上下两个初坯，上初坯包括本体10和低温流管40的上半部分，下初坯包括本体10和低温流管40的下半部分。加工完初坯，然后通过高温烧结方式将上下两个初坯烧结在一起。不仅保证了本体10的强度，而且通过一体成型的方式解决了低温流管40的密封问题，避免了密封不严导致冷却物质外泄，损坏机体和晶圆，保证了精确降温。

可选的，所述低温流管40的盘桓密度由内至外逐渐加密。由于内至外半径逐渐增大，所形成的圆的面积也逐渐增大，外圈对外散热的速率高于内圈的散热速率，易造成内外温度差，因此，通过由内至外逐渐加密低温流管40的盘桓密度的方式，能够保证内外温度均衡。

可选的，如图2所示，所述低温流管40的盘桓形态满足费马螺线的形态。采用费马螺线形态的低温流管40，使输入其中的冷却物质流体阻力弱，冲击少，卡盘受到的流体压力小，制冷机负担压力也随之减小，即制冷机不需要提供太高的流速即可实现卡盘的均匀降温。当然，本申请低温流管40的盘桓形态不限于此。例如，所述低温流管40的盘桓形态包括：“回”字形态、蛇形形态、迷宫形态以及电热炉中电阻丝的盘绕形态。

进一步地，所述低温流管40的流管入口401与流管出口402分别设置于所述本体10的相对面的侧壁上，且连接所述流管入口401与所述流管出口402的第一连线穿过所述本体10的中轴108。从而保证低温流管40费马螺线形态的完整性，避免造成局部降温过快。

多个加热电阻丝30，均设置于所述本体10内且分别受控，每个加热电阻丝30均配置为单独受控与其他加热电阻丝30相配合使所述多个加热电阻丝30均匀升温。

可选的，所述多个加热电阻丝30分别设置于基于所述低温流管40的盘桓密度所划分的所述本体10的多个加热区块中，每个加热区块中设置一个加热电阻丝30。

所述加热区块是针对低温流管40的盘桓密度设置的。本申请将本体10划分为多个加热区块。每个加热区块中存在一个加热特征点。当加热时，每个加热特征点受低温流道的盘桓形态的影响，通过碳化硅材料的快速传导影响加热区块中其他部分的快速升温。同时，通过相邻加热区块的相互影响使所述本体10的温度均匀。

可选的，所述多个加热电阻丝30设置于所述本体10内的底部。也就是设置在所述低温流管40的下层。

可选的，如图2和图3所示，为了配合费马螺线形态的低温流管40，本申请所述多个加热区块包括7个加热区块。

所述多个加热区块配合所述低温流管40的费马螺线形态所形成的多个加热特征点进行分布。费马螺线形态的低温流管40越靠近本体10的中轴108，螺线间的距离越大，环绕密度越稀疏；越远离本体10的中轴108，螺线间的距离越小，环绕密度越紧密。根据实际本体10表面温度情况和仿真分析，形成7个温度差异大的加热区块，进而每个加热区块的加热特征点上设置加热电阻丝30。基于此，本申请将本体10分成7个加热区块：第一加热区块101、第二加热区块102、第三加热区块103、第四加热区块104、第五加热区块105、第六加热区块106和第七加热区块107。所述7个加热区块以所述本体10的中轴108线为中心，由里至外将所述本体10分成三个层，第一层以所述本体10的的中轴108线为中心划分一个圆柱形的所述第一加热区块101，所述第一加热区块101的横截面的半径大于三分之一的所述本体10的横截面的第一半径；第二层是一个包裹所述第一加热区块101的第一筒体，所述第一筒体的厚度等于三分之一的第一半径；所述第二层包括等分的所述第二加热区块102和所述第三加热区块103；第三层是一个包裹所述第二层的第二筒体，所述第二筒体的厚度小于三分之一的第一半径，所述第二筒体包括等分的所述第四加热区块104、所述第五加热区块105、所述第六加热区块106和所述第七加热区块107；且所述第四加热区块104和所述第五加热区块105半包围所述第三加热区块103，所述第六加热区块106和所述第七加热区块107半包围所述第二加热区块102。

由于费马螺线形态的低温流管40越靠近本体10横截面的中轴108，螺线间的距离越大，环绕密度越稀疏；越远离本体10横截面的中轴108，螺线间的距离越小，环绕密度越紧密。避免内外散热不均，导致出现内外温度不均衡。与此相对应的，本申请将本体10分成内外三层，由内至外各层的厚度逐渐降低，而加热区块的数量层级增加，与此对应的加热电阻丝30也层级增加，避免内外散热不均，保证内外温度均衡提升。

每个加热区块内的加热特征点上均设置一个加热电阻丝30。如图4所示，所述第一加热区块101内的第一加热电阻丝301的第一中心设置于所述本体10的中轴108线旁，且所述第一中心在预设水平面上的投影在连接所述流管入口401与所述流管出口402的第一连线311的投影上；所述第一加热区块101内的第一加热电阻丝301的第一中心以及所述第二加热区块102内的第二加热电阻丝302的第二中心与所述第三加热区块103内的第三加热电阻丝303的第三中心连线所形成的第一三角形包围所述本体10的中轴108线，且连接第二中心和第三中心的第二连线313在预设水平面上的投影，与垂直于第一连线311的第一垂线312的投影相交；所述第四加热区块104内的第四加热电阻丝304的第四中心、所述第五加热区块105内的第五加热电阻丝305的第五中心、所述第六加热区块106内的第六加热电阻丝306的第六中心与所述第七加热区块107内的第七加热电阻丝307的第七中心的连线形成一个正方形，且所述正方形的一个边在预设水平面上的投影与所述第二连线313的投影的夹角θ的范围为0度～20度。

根据实际本体10表面温度情况和仿真分析，根据所述第一三角形和所述正方形设置的加热电阻丝30，能够最大限度的保证本体10均匀升温，减少温差所带来的电力损耗。

可选的，每个加热电阻丝30分别配置为响应均匀升温的控制指令使附近本体10升温。

可以理解为，每个加热电阻丝30都是单独可控的，控制器一旦发现本体10的一个加热区块的温度较其他加热区块差异大，能够单独控制与该加热区块中的加热电阻丝30调整功率，从而保证本体10中每个加热区块保持均匀的温度。

可选的，所述卡盘还包括多个温度传感器；每个温度传感器，均设置于对应加热电阻丝30的附近(比如加热电阻丝30的下方)，配置为采集附近本体10的温度，以便作为控制所述本体10均匀升温或均匀降温的参考。

可以理解为，一个温度传感器对应一个加热电阻丝30。当升温时，制冷机停止向本体10的低温流管40中输送冷却物质，只保证多个加热电阻丝30工作。每个温度传感器采集对应加热区块的加热区块温度。当多个加热区块间的加热区块温度差均在预设升温误差范围(比如预设升温误差范围-1℃～1℃)内时，确定多个加热区块在均匀升温；当至少两个加热区块间的加热区块温度差超出预设升温误差范围内时，确定所述至少两个加热区块之一的温度过低，多个加热区块没有均匀升温；在确定温度过低的加热区块后，控制器控制该温度过低的加热区块中设置的加热电阻丝30加大加热功率，以便使该温度过低的加热区块能够赶上其他加热区块的温度，与其他加热区块一起的均匀升温。当降温时，需要低温流管40与所述多个加热电阻丝30相配合控制所述本体10均匀降温。温度传感器采集对应加热区块的加热区块温度，当多个加热区块间的加热区块温度差均在预设降温误差范围内时，确定多个加热区块在均匀降温；当至少两个加热区块间的加热区块温度差超出预设降温误差范围内时，确定所述至少两个加热区块之一的温度过低，多个加热区块没有均匀降温；在确定温度过低的加热区块后，控制器控制该温度过低的加热区块中设置的加热电阻丝30加热，使该温度过低的加热区块能够与其他加热区块的温度保持一致，然后再停止加热电阻丝30加热,与其他加热区块一起的均匀降温。

本申请基于所述低温流管40的盘桓形态将所述本体10划分为多个加热区块。每个加热区块中设置一个加热电阻丝30。基于温度传感器采集对应加热区块的温度，通过加热电阻丝30单独调控对应加热区块的温度，有效确保温度均匀控制，使温度控制精度不大于±1℃。

可选的，所述低温流管40与所述多个加热电阻丝30相配合控制所述本体10温度的变化范围为-50℃至180℃。保证了卡盘能够大范围的进行温度均匀调控，保证了常温、高温和低温三种环境下晶圆吸附和传输的安全性和可靠性。

可选的，所述吸附面20为环道式吸附面。如图1所示，环道式吸附面的表面设置多个环道201，每个环道201上设置多个吸附孔。环道式吸附面吸附力大，能够吸附各种规格的晶圆。

本申请实施例利用碳化硅材料制作一体成型的本体10和低温流管40，不仅保证了本体10的强度，而且通过一体成型的方式解决了低温流管40的密封问题，避免了密封不严导致冷却物质外泄，损坏机体和晶圆，保证了精确降温。低温流管40与多个加热电阻丝30相配合有效的保证了均匀控温和控温精度，保证了卡盘能够大范围的进行温度均匀调控，保证了常温、高温和低温三种环境下晶圆吸附和传输的安全性和可靠性。

最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种卡盘，其特征在于，包括：

本体，构造为圆盘状；

吸附面，设置于所述本体的上表面；所述吸附面配置为利用真空吸附晶圆；

多个加热电阻丝，均设置于所述本体内且分别受控，每个加热电阻丝均配置为单独受控与其他加热电阻丝相配合使所述多个加热电阻丝均匀升温；

一条低温流管，是与所述本体一体成型的通道，且呈饼状盘桓于所述本体内，所述低温流管的流管入口和流管出口分别贯通于所述本体的侧壁，所述低温流管配置为利用输入其中的冷却物质与所述多个加热电阻丝相配合控制所述本体均匀降温；

其中，所述本体和所述低温流管均采用碳化硅材料构造而成；

所述低温流管的盘桓形态满足费马螺线的形态；

所述多个加热电阻丝分别设置于基于所述低温流管的盘桓密度所划分的所述本体的多个加热区块中，每个加热区块中设置一个加热电阻丝；

所述多个加热区块包括7个加热区块；所述7个加热区块包括：第一加热区块、第二加热区块、第三加热区块、第四加热区块、第五加热区块、第六加热区块和第七加热区块；

所述7个加热区块以所述本体的中轴线为中心，由里至外将所述本体分成三个层，第一层以所述本体的中轴线为中心划分一个圆柱形的所述第一加热区块，所述第一加热区块的横截面的半径大于三分之一的所述本体的横截面的第一半径；第二层是一个包裹所述第一加热区块的第一筒体，所述第一筒体的厚度等于三分之一的第一半径；所述第二层包括等分的所述第二加热区块和所述第三加热区块；第三层是一个包裹所述第二层的第二筒体，所述第二筒体的厚度小于三分之一的第一半径，所述第二筒体包括等分的所述第四加热区块、所述第五加热区块、所述第六加热区块和所述第七加热区块；且所述第四加热区块和所述第五加热区块半包围所述第三加热区块，所述第六加热区块和所述第七加热区块半包围所述第二加热区块；

所述第一加热区块内的第一加热电阻丝的第一中心设置于所述本体的中轴线旁，且所述第一中心在预设水平面上的投影在连接所述流管入口与所述流管出口的第一连线的投影上；所述第一加热区块内的第一加热电阻丝的第一中心以及所述第二加热区块内的第二加热电阻丝的第二中心与所述第三加热区块内的第三加热电阻丝的第三中心连线所形成的第一三角形包围所述本体的中轴线，且连接第二中心和第三中心的第二连线在预设水平面上的投影，与垂直于第一连线的第一垂线的投影相交；所述第四加热区块内的第四加热电阻丝的第四中心、所述第五加热区块内的第五加热电阻丝的第五中心、所述第六加热区块内的第六加热电阻丝的第六中心与所述第七加热区块内的第七加热电阻丝的第七中心的连线形成一个正方形，且所述正方形的一个边在预设水平面上的投影与所述第二连线的投影的夹角的范围为0～20度。

2.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述低温流管的盘桓密度由内至外逐渐加密。

3.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述流管入口与所述流管出口分别设置于所述本体的相对面的侧壁上，且连接所述流管入口与所述流管出口的第一连线穿过所述本体的中轴。

4.根据权利要求1-3任一项所述的卡盘，其特征在于，所述低温流管与所述多个加热电阻丝相配合控制所述本体温度的变化范围为-50℃至180℃。

5.根据权利要求4所述的卡盘，其特征在于，所述本体内还包括多个温度传感器；每个温度传感器均设置于对应加热电阻丝的附近，配置为采集附近本体的温度，以便作为控制所述本体均匀升温或均匀降温的参考。

6.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述吸附面为环道式吸附面。