CN116705669A - 一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法，其属于半导体设备技术领域，其中加热灯盘包括有外套筒，外套筒的上方连接有套筒上封板，外套筒的下方连接有套筒下封板；外套筒内分布设置有若干个灯套筒，灯套筒内设置有灯；相邻的灯套筒之间，以及外侧的灯套筒与外套筒之间均具有间隙，这些间隙共同形成相连通的上方流路；在外套筒的内侧周向分布设置有若干挡块。本发明通过挡块实现上方流路边缘处的冷却液流速降低、中间的冷却液流速增加，整体换热系数提高，达到均匀冷却灯盘的效果，使灯盘整体温度分布达到规定标准，同时增加了灯盘的使用寿命。

Description

一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法

技术领域

本发明属于半导体设备技术领域，具体地涉及一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法。

背景技术

近年来，集成电路特征尺寸不断缩小的需求推动了半导体的发展，尤其是半导体技术向深亚微米发展，先进制程机械设计要求越来越严格，在保证工艺要求的同时，设备温度也必须符合规定标准，对加热组件的冷却设计也越来越严格。现有技术方案例如申请公开号为CN103839854A的中国发明专利，加热组件为在半导体设备腔室上方分布设置的若干个灯（一般是固定在一个圆形板上，故此种加热组件常称为灯盘），通过灯发出的光线能量对待加工的半导体基片（如晶圆）进行加热；其中，为了防止加热组件（灯）过热，在其上罩体的靠外侧设置有冷却回路。但是，现有的此种冷却回路与灯之间的距离较远，冷却效果不佳，并且由于冷却回路只设置在外侧，无法对靠近中心位置的灯进行有效的冷却。因此目前的加热灯盘存在冷却不均匀、冷却效率低等问题，导致灯盘长期处于温度过高的工作环境，故障率高，使用寿命短，已无法满足现今规定标准及高效、高质量生产的要求。

发明内容

基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法，对加热灯盘进行均匀、充分、高效的冷却，避免加热灯盘尤其是中心位置易过热的问题，使灯盘温度符合规定标准，同时增加使用寿命。

依据本发明的技术方案，本发明提供了一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘包括有外套筒，外套筒的上方连接有套筒上封板，外套筒的下方连接有套筒下封板；外套筒内分布设置有若干个灯套筒，灯套筒内设置有灯；相邻的灯套筒之间，以及外侧的灯套筒与外套筒之间均具有间隙，这些间隙共同形成相连通的上方流路；在外套筒的内侧周向分布设置有若干挡块；灯的下端为发光端并穿出套筒下封板，每个灯的下端外侧均套设有聚光反射罩；在聚光反射罩下方设置有透光密封板；灯套筒和灯之间具有间隙，套筒下封板和透光密封板及聚光反射罩之间均具有间隙，这些间隙共同构成相连通的气冷通路。

优选地，挡块与相邻的灯套筒的外侧面相接触。

优选地，在外套筒的一侧开设有上方流路入口，在外套筒的另一侧开设有上方流路出口。

进一步地，在套筒下封板的外侧具有气冷通路外壁，气冷通路外壁的上方与套筒下封板密封连接。气冷通路外壁的下方与透光密封板密封连接。气冷通路外壁上开设有进气孔和出气孔。

进一步地，透光密封板的外边缘上方还设置有下方流路环，下方流路环的内部开设有下方流路，下方流路沿下方流路环的环形设置，下方流路环上开设有下方流路入口和下方流路出口。

进一步地，气冷通路外壁与外套筒为一体成型，其下端还形成有下方流路盖板；下方流路环开设有开口朝上的下方流路槽；下方流路环在上方与下方流路盖板密封连接，下方流路环在下方与透光密封板密封连接。

进一步地，套筒上封板上方还依次设置有基板和电路板；灯穿过基板后与电路板电性连接；基板与灯及灯套筒密封连接，使灯套筒上方密封。

本发明还提供一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘的冷却方法，采用本发明的加热灯盘进行实施，其包括：在上方流路和下方流路中均持续通入冷却水，从而对灯套筒及外套筒周围进行水冷；在气冷通路中通入氦气，当氦气压力达到预定值时停止通气并将气冷通路封闭使氦气压力保持，从而对灯周围进行氦冷。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

1、本发明的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘在外套筒内侧设有挡块，通过挡块减小流阻，使上方流路边缘处的冷却液流速降低、中间的冷却液流速增加，位于中部的灯也能得到有效的冷却，整体换热系数提高，达到均匀冷却灯盘的效果，使灯盘整体温度分布达到规定标准，并且增加灯盘的使用寿命。

2、本发明的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘中，灯通过透光密封板与下方的半导体设备腔体隔开，通过聚光反射罩的作用，使90%以上的功率转化为光能辐射到晶圆上，只有部分功率转化为灯的热能。

3、本发明的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘的冷却方法，利用加热灯盘的密封腔体结构，在灯套筒周围采用水冷，灯周围采用氦冷，实现充分、高效的冷却效果。

附图说明

图1是本发明一实施例的加热灯盘的立体剖视结构示意图。

图2是本发明一实施例的外套筒、灯套筒及挡块部分的结构示意图。

图3是图2所示实施例中上方流路的结构示意图。

图4是图1所示实施例中加热灯盘下部结构的局部放大图。

图5是本发明一实施例的下方流路的结构示意图。

图6a是本发明一实施例的上方流路和下方流路的结构示意图。

图6b是图6a所示实施例的上方流路和下方流路的速度流线图。

图7a是不具有挡块结构的上方流路水平剖面流速分布图。

图7b是具有挡块结构的上方流路水平剖面流速分布图。

图8a是不具有挡块结构的上方流路垂直剖面流速分布图。

图8b是具有挡块结构的上方流路垂直剖面流速分布图。

图9是本发明一实施例的上方流路达到稳定状态时的冷却水温度分布图。

附图中的附图标记说明：

1、外套筒；

2、套筒上封板；

3、套筒下封板；

4、灯套筒；

5、灯；

6、上方流路；

7、上方流路入口；

8、上方流路出口；

9、挡块；

10、聚光反射罩；

11、透光密封板；

12、气冷通路外壁；

13、进气孔；

14、出气孔；

15、下方流路环；

16、下方流路；

17、下方流路入口；

18、下方流路出口；

19、下方流路盖板；

20、基板；

21、电路板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本发明提供一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法，实现对加热灯盘进行更均匀、充分、高效的冷却，避免加热灯盘尤其是中心位置的灯易过热的问题，整体换热系数提高，使灯盘整体温度分布达到规定标准，同时增加了灯盘的使用寿命。

具体地，本发明提供了一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘包括有外套筒，外套筒的上方连接有套筒上封板，外套筒的下方连接有套筒下封板；外套筒内分布设置有若干个灯套筒，灯套筒内设置有灯；相邻的灯套筒之间，以及外侧的灯套筒与外套筒之间均具有间隙，这些间隙共同形成相连通的上方流路；在外套筒的内侧周向分布设置有若干挡块；灯的下端为发光端并穿出套筒下封板，每个灯的下端外侧均套设有聚光反射罩；在聚光反射罩下方设置有透光密封板；灯套筒和灯之间具有间隙，套筒下封板和透光密封板及聚光反射罩之间均具有间隙，这些间隙共同构成相连通的气冷通路。

优选地，挡块与相邻的灯套筒的外侧面相接触。在外套筒的一侧开设有上方流路入口，在外套筒的另一侧开设有上方流路出口。在套筒下封板的外侧具有气冷通路外壁，气冷通路外壁的上方与套筒下封板密封连接。气冷通路外壁的下方与透光密封板密封连接。气冷通路外壁上开设有进气孔和出气孔。透光密封板的外边缘上方还设置有下方流路环，下方流路环的内部开设有下方流路，下方流路沿下方流路环的环形设置，下方流路环上开设有下方流路入口和下方流路出口。

进一步地，气冷通路外壁与外套筒为一体成型，其下端还形成有下方流路盖板；下方流路环开设有开口朝上的下方流路槽；下方流路环在上方与下方流路盖板密封连接，下方流路环在下方与透光密封板密封连接。套筒上封板上方还依次设置有基板和电路板；灯穿过基板后与电路板电性连接；基板与灯及灯套筒密封连接，使灯套筒上方密封。

本发明还提供一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘的冷却方法，采用本发明的加热灯盘进行实施，其包括：在上方流路和下方流路中均持续通入冷却水，从而对灯套筒及外套筒周围进行水冷；在气冷通路中通入氦气，当氦气压力达到预定值时停止通气并将气冷通路封闭使氦气压力保持，从而对灯周围进行氦冷。

下面结合附图，对本发明进一步做出详细说明。

请参阅图1，本发明一实施例的一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，包括有设置于外周的外套筒1（优选不锈钢材质），外套筒1的上方密封连接有套筒上封板2（优选不锈钢材质），外套筒1的下方密封连接有套筒下封板3（优选为铜板），外套筒1内分布设置有若干个灯套筒4。套筒上封板2和套筒下封板3上均开设有若干上下贯通的灯套筒安装孔并在其中密封地穿入设置灯套筒4。灯套筒4内穿入设置有灯5，套筒上封板2上方依次设置有基板20和电路板21（PCB板），灯5穿过基板20后与电路板21电性连接。基板20与灯5及灯套筒4密封连接，使灯套筒4上方密封。

相邻的灯套筒4之间，以及外侧的灯套筒4与外套筒1之间均具有间隙，这些间隙共同形成一个相连通的空腔（空腔形状如图3所示），该空腔为上方流路6。在外套筒1的一侧开设有贯通的上方流路入口7，在外套筒1的另一侧开设有贯通的上方流路出口8，二者位置相对设置，使其中冷却液的流动分布更为均匀。在外套筒1的内侧周向分布设置有若干挡块9。挡块9的形状、数量及位置可以根据情况进行调整，优选地，如图2、图3所示，挡块9为周向均匀分布，并且每一个挡块9均与相邻的一个灯套筒4的外侧面相接触，从而将上方流路6在该处基本阻断或完全密封阻隔。

本发明设置挡块9的工作原理如下。加热灯盘工作时，上方流路6中通入有冷却液如冷却水，如图7a、图8a的仿真模拟结果所示，若不具有挡块9，冷却液会更易从间隙较宽的外侧边缘通过，使得外侧流速大而中间流速小，进而导致冷却不均匀、中间部分得不到充分冷却的问题。对比可见，如图7b、图8b所示，本发明设置有挡块9，减小了边缘流速，增大了中间流速，整体水流的换热系数增大、冷却效果更加均匀。可以优化整体温度分布，有效防止灯5过热，以及可以降低套筒下封板3与灯套筒4钎焊处的温差，增加使用寿命。

灯5的下端为发光端并穿出套筒下封板3，每个灯5的下端外侧均套设有聚光反射罩10。聚光反射罩10例如采用金手指（gold sleeve body），其大体呈筒状，下半部为圆柱面，上半部为圆台面，内侧面镀有一层金，上端卡接在灯5的发光端外，从而对灯5发出的光线进行聚光和反射，减少光散射的能量损失，使90%以上的功率转化为光能透过透光密封板11辐射到晶圆上，只有其余小部分功率转化为灯5及加热灯盘的热能。在聚光反射罩10下方设置有透光密封板11，例如为石英板，加热灯箱一般设置在半导体设备腔体上方、腔体内晶圆的正上方，加热灯箱通过透光密封板11与半导体设备腔体隔开。

灯套筒4和灯5之间具有间隙，套筒下封板3和透光密封板11及聚光反射罩10之间均具有间隙，这些间隙共同构成相连通的气冷通路，从而实现利用例如氦气对灯5进行冷却。优选地，灯套筒4和灯5之间的间隙为1mm，套筒下封板3下方与透光密封板11之间的间隙为0.3mm。

请参阅图4，在套筒下封板3的外侧具有气冷通路外壁12，气冷通路外壁12的上方与套筒下封板3密封连接，气冷通路外壁12的下方与透光密封板11直接或间接地密封连接，气冷通路外壁12上开设有进气孔13和出气孔14，例如为相邻地并排开设，从而便于操作。

优选实施方式中，透光密封板11的外边缘上方还设置有下方流路环15，优选为不锈钢材质，下方流路环15的内部开设有下方流路16，如图5所示，下方流路16呈C形，沿下方流路环15的环形设置，下方流路16截面呈倒L形，对灯5的发光端及聚光反射罩10等部分进行冷却。下方流路环15上开设有下方流路入口17和下方流路出口18。

更优选地，气冷通路外壁12与外套筒1为一体成型，其下端还形成有环形的下方流路盖板19。下方流路环15开设有开口朝上的下方流路槽，下方流路环15在上方与下方流路盖板19密封连接，下方流路盖板19与下方流路槽之间形成下方流路。下方流路环15在下方与透光密封板11密封连接，例如通过卡槽卡接后再进行螺钉连接。

可以理解的是，加热灯盘的其他结构之间的连接方式可选为螺钉连接或焊接，例如电路板21与基板20之间为螺钉连接，外套筒1、灯套筒4与套筒上封板2、套筒下封板3之间为钎焊，等。以及，加热灯盘中各个流路出入口、进出气孔均连接有相应管路及泵阀系统，等。例如图6a、图6b所示实施例中，冷却液的输入管路为一条，末端通过三通管结构同时连接上方流路入口7和下方流路入口17；类似地，冷却液的回流管路也为一条，同时连接上方流路出口8和下方流路出口18；从而使上方流路6与下方流路16相连通，输入的冷却液在三通管处自动分流，便于输送控制。

基于本发明上述的加热灯盘，本发明提供一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘的冷却方法，其主要包括三方面：

第一方面，在上方流路6中均持续通入冷却水，冷却水的温度例如为室温（如25℃±5℃），从而对灯套筒4外侧进行水冷；在挡块9的作用下，加热灯盘边缘与中间的冷却水流速趋于均匀；上方流路6中达到稳定状态时的冷却水温度分布仿真模拟结果如图9所示，其中通入冷却水的初始温度为20℃，最高温度为46.5℃，能够实现有效的冷却降温。

第二方面，在下方流路16中持续通入冷却水，冷却水的温度例如为室温（如25℃±5℃），从而对加热灯盘下方与套筒下封板2、聚光反射罩10及灯5的发光端对应的部分进行水冷。

此外，还可通过增加水路流速，增加水路整体的对流换热系数，使整体冷却效果更好。例如，对于上方流路6和下方流路16相连通的结构，整体水流量优选为35L/min至40L/min，水压设定值优选为0.4MPa。

第三方面，在气冷通路中通入氦气，氦气的温度例如为室温（如25℃±5℃），当氦气压力达到预定值（例如为20Torr）时停止通气并将气冷通路封闭使氦气压力保持。

综上所述，本发明的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘及冷却方法，灯5插在灯套筒4中，灯套筒4外侧周围是水冷，灯套筒4内的灯5周围是氦冷，并通过增设挡块9来减小流阻，使上方流路6边缘流速降低、中间流速增加，整体换热系数提高，从而达到均匀冷却灯盘的效果，使整体温度分布达到规定标准，增加使用寿命，有助于减少半导体设备维修频次及相关成本，提高设备工作效率及质量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘包括有外套筒（1），外套筒（1）的上方连接有套筒上封板（2），外套筒（1）的下方连接有套筒下封板（3）；外套筒（1）内分布设置有若干个灯套筒（4），灯套筒（4）内设置有灯（5）；相邻的灯套筒（4）之间，以及外侧的灯套筒（4）与外套筒（1）之间均具有间隙，这些间隙共同形成相连通的上方流路（6）；在外套筒（1）的内侧周向分布设置有若干挡块（9）；

灯（5）的下端为发光端并穿出套筒下封板（3），每个灯（5）的下端外侧均套设有聚光反射罩（10）；在聚光反射罩（10）下方设置有透光密封板（11）；灯套筒（4）和灯（5）之间具有间隙，套筒下封板（3）和透光密封板（11）及聚光反射罩（10）之间均具有间隙，这些间隙共同构成相连通的气冷通路。

2.如权利要求1所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，挡块（9）与相邻的灯套筒（4）的外侧面相接触。

3.如权利要求1所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，在外套筒（1）的一侧开设有上方流路入口（7），在外套筒（1）的另一侧开设有上方流路出口（8）。

4.如权利要求1所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，在套筒下封板（3）的外侧具有气冷通路外壁（12），气冷通路外壁（12）的上方与套筒下封板（3）密封连接。

5.如权利要求4所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，气冷通路外壁（12）的下方与透光密封板（11）密封连接。

6.如权利要求5所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，气冷通路外壁（12）上开设有进气孔（13）和出气孔（14）。

7.如权利要求6所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，透光密封板（11）的外边缘上方还设置有下方流路环（15），下方流路环（15）的内部开设有下方流路（16），下方流路（16）沿下方流路环（15）的环形设置，下方流路环（15）上开设有下方流路入口（17）和下方流路出口（18）。

8.如权利要求7所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，气冷通路外壁（12）与外套筒（1）为一体成型，其下端还形成有下方流路盖板（19）；下方流路环（15）开设有开口朝上的下方流路槽；下方流路环（15）在上方与下方流路盖板（19）密封连接，下方流路环（15）在下方与透光密封板（11）密封连接。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其特征在于，套筒上封板（2）上方还依次设置有基板（20）和电路板（21）；灯（5）穿过基板（20）后与电路板（21）电性连接；基板（20）与灯（5）及灯套筒（4）密封连接，使灯套筒（4）上方密封。

10.一种冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘的冷却方法，其特征在于，其采用如权利要求5-8中任意一项所述的冷却效果均匀的半导体设备用加热灯盘，其包括：在上方流路（6）和下方流路（16）中均持续通入冷却水；在气冷通路中通入氦气，当氦气压力达到预定值时停止通气并将气冷通路封闭使氦气压力保持。