CN117006784A - 一种多层结构冷却盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层结构冷却盘，解决了目前对静电吸盘进行冷却的方式效率较低，难以对静电吸盘进行更好地均匀散热问题，多层结构主要包括：顶板层、底板层、中间外环层、中间内板层，顶板层设有若干特殊气体冷却孔，底板层设有若干调温冷却孔，中间外环层设置外环液体冷却通道，中间内板层设置内板液体冷却通道和特殊气体冷却通道，顶板层与中间内板层连接，中间内板层与底板层连接，底板层与中间外环层连接。结合冷却通道结构和不同功能的冷却孔，采用液体冷却、特殊气体冷却多重冷却的方式对静电吸盘进行均匀散热，具有冷却速率快、散热均匀性好等优点。

Description

一种多层结构冷却盘

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀冷却技术领域，尤其涉及一种多层结构冷却盘。

背景技术

刻蚀是利用化学或者物理的方法将晶圆表面附着的不必要的材质去除从而形成所需的结构和形状的过程。在半导体器件的制造过程中，为了在晶圆上进行沉积、刻蚀等工艺，一般通过静电吸盘(Electrostatic chuck，简称ESC)来产生静电吸力，以实现在工艺过程中支撑、固定待处理的晶圆。静电吸盘主要包括陶瓷盘以及起冷却和固定作用的基座，多层结构冷却盘是众多基座类型中的一种。

目前在国产的半导体刻蚀过程中，为了避免半导体材料如晶圆，在工艺过程中出现因温度上升而变形开裂等情况，需要在工艺过程中进行温度控制，提供冷却功能。在高真空、等离子、卤素等环境下，往往需要使用静电吸盘对晶片进行有效夹持，并且对静电吸盘的温度均匀性需求也逐渐提高。现有的静电吸盘需要通过冷却以保持恒定的温度，以使得静电吸盘上的晶圆也保持恒定的温度，以提高工艺的稳定性。目前对静电吸盘的冷却方式，通常采用在静电吸盘基座中设置双层结构水冷的方式进行冷却，但是水冷的方式降温速率较慢，且静电吸盘的温度的均匀性较差。

在中国专利文献上公开的“一种半导体设备用冷却盘装置”，其公开号为CN106354195B，包括包括第一冷却盘体、第二冷却盘体、半导体制冷片及弹簧压紧机构，第一冷却盘体和第二冷却盘体通过多个弹簧压紧机构连接，并边缘处密封连接，在第一冷却盘体与第二冷却盘体之间的密封腔体内设有半导体制冷片。靠近每个所述弹簧压紧机构均设有一个相对位置固定装置。该发明得使半导体制冷片受力均匀，不易损坏，增加了冷却盘结构的使用寿命，保证冷却盘的工艺性能指标及使用性能，但是没有采用多层结构多层冷却的方式效保证静电吸盘的温度均匀性，冷却效果仍有待提高。

发明内容

本发明旨在解决目前对静电吸盘进行冷却的方式效率较低，难以对静电吸盘进行更好地均匀散热问题。

以上技术问题是通过以下技术方案解决的：一种多层结构冷却盘，包括上下端和中间层，其特征在于，所述上下端包括顶板层和底板层，顶板层设置若干个特殊气体冷却孔，底板层设置若干个调温冷却孔，中间层包括中间外环层和中间内板层，中间外环层设置外环液体冷却通道，中间内板层设置内板气液冷却通道，顶板层与中间内板层连接，中间内板层与底板层连接，底板层与中间外环层连接。多层结构冷却盘主要包括顶板层、底板层、中间外环层、中间内板层，各层均设有不同冷却功能的冷却通道或冷却孔，冷却通道中加置冷却液体或冷却气体，冷却孔流动导通冷却气体，并且采用调温冷却孔中的空气调温孔平稳内外部温度差进行稳定降温冷却，通过液体冷却、特殊气体冷却双重冷却的方式对静电吸盘进行散热降温，既能提高静电吸盘的降温速率，使得静电吸盘通过冷却保持恒定的温度正常工作，又保证静电吸盘散热均匀性的提高，达到良好的冷却效果，即实现静电吸盘的高效冷却。

作为优选，调温冷却孔包括空气调温孔和气液冷却孔，空气调温孔以圆周方向均匀设置在底板层上，气液冷却孔包括液体冷却孔和特殊气体底板冷却孔，成对的液体冷却孔分别设置在底板层边缘端和底板层近心端，成对的液体冷却孔分别与中间外环层、中间内板层连接，特殊气体底板冷却孔均与中间内板层连接。圆周分布的空气调温孔主要作用是均匀内部和外部的温差，保持散热均匀稳定。液体冷却孔主要设有4个，两两一对，一对设置在底板层边缘端，与中间外环层连接，另一对设置在底板层近心端，与中间内板层连接，液体冷却孔主要作为冷却液的进出流通口。特殊气体底板冷却孔可根据实际情况设置个数，特殊气体底板冷却孔均连接至中间内板层，用于通过氦气或类似功能特殊气体，用于稳定冷却。

作为优选，内板气液冷却通道包括内板液体冷却通道和特殊气体冷却通道，内板液体冷却通道的起始位置和终止位置分别设置在中间内板层的中心和近心位置，内板液体冷却通道的两端进出口分别与设置在底板层近心端成对的液体冷却孔连接，内板液体冷却通道以反螺旋线分布在中间内板层下侧，内板液体冷却通道间距均匀，内板液体冷却通道的截面呈矩形，内板液体冷却通道内下侧设置有内板槽底倒圆角，特殊气体冷却通道设置在中间内板层的上侧。内板液体冷却通道的起始位置和终止位置分别设置在中间内板层的中心和近心位置，中间通道部分为反螺旋线分布，多重环状的内板液体冷却通道拥有较大的冷却面积，能够对静电吸盘的冷却达到更为优良的散热效果。通道槽截面通常采用矩形确保较大的流通性，槽底倒圆角便于冷却液流通，槽内壁可采用喷砂处理保持一定的粗糙度要求，保证冷却液在内的流速，加速冷却过程。

作为优选，外环液体冷却通道的起始位置和终止位置均设置在中间外环层的边缘，外环液体冷却通道的两端进出口分别与设置在底板层边缘端成对的液体冷却孔连接，外环液体冷却通道以螺旋线分布在中间外环层上侧，外环液体冷却通道间距均匀，外环液体冷却通道的截面呈矩形，外环液体冷却通道内下侧设置有外环槽底倒圆角。外环液体冷却通道的起始位置和终止位置均设置在中间外环层的边缘，通道中间部分为圈数较少的环状，中间外环层的中心部分是空腔，用于导入冷却气体。外环液体冷却通道作为液体辅助冷却，进一步提高静电吸盘的冷却速率，保证充分冷却效果。同理，通道槽截面可采用矩形，槽底倒圆角便于冷却液流通，槽内壁也采用喷砂处理保持一定的粗糙度要求，保证冷却液在内的流速。

作为优选，多层结构冷却盘设置有空气冷却通道，空气冷却通道包括中间外环层与中间内板层之间的空腔，空气冷却通道与空气调温孔连接。将冷却空气隔离并引导到空气冷却通道中，借助冷却特殊气体对静电吸盘实现散热冷却，在使用液体冷却的同时加置气体冷却，稳定提高冷却效率。空气冷却通道与空气调温孔连接，实现内部结构与外界的温差调节。

作为优选，特殊气体冷却通道呈环形，特殊气体冷却通道的横截面积小于内板液体冷却通道的横截面积，特殊气体冷却通道设置若干个气体进出孔，气体进出孔与底板层、顶板层双向连接。特殊气体冷却通道为环形窄通道，保证接触散热的同时确保冷却气体良好的连通流动性，提高冷却效率，气体进出孔与底板层、顶板层双向连接保证一侧均匀导进气体，一侧均匀地流出气体。

作为优选，特殊气体冷却孔以圆周方向均匀设置在顶板层的上表面，特殊气体冷却孔均为直径相同的圆孔，圆孔直径不大于1mm，特殊气体冷却孔与内板液体冷却通道连通。特殊气体冷却孔一般为细小孔，以圆周方向均匀设置在顶板层的上表面，保证流动气体充分扩散导通，实现散热冷却。特殊气体冷却孔与内板液体冷却通道连通，通过冷却特殊气体、冷却液体实现双重冷却。

作为优选，多层结构冷却盘设置有贯通多层结构冷却盘的电极安装孔，电极安装孔为台阶状通孔，多层结构冷却盘的边缘设有若干个吸盘安装孔，吸盘安装孔均匀分布在多层结构冷却盘边缘。电极安装孔采用台阶式通孔结构，内部进行硬质阳极氧化保证其绝缘及耐压性能，保证电极电化学性能的同时，提高其安装性能。吸盘安装孔可根据冷却盘所适用的静电吸盘大小设置安装孔的具体分布位置及尺寸，增强冷却盘与不同规格静电吸盘的适配度。

作为优选，顶板层为台阶状，底板层、中间层和顶板层材质均为合金，合金包括铝合金和钛合金。顶层板设计成台阶式，便于多层结构的实际安装。底板层、中间层和顶板层均可采用为铝合金，但不仅限于铝合金，如钛合金等材质亦可，质轻而韧，延展性强，易导电导热，顶板层的上表面要求较小的平面度以及与底板层的平行度，提供静电吸盘的陶瓷片层粘贴基础。

本发明的有益效果是：通过多层结构冷却盘各层设有的具备不同功能的冷却通道及冷却孔对静电吸盘实现充分冷却，达到多重冷却的效果。采用科学设计过的具有特殊结构的冷却通道及冷却孔对液体、特殊气体进行散热冷却，既能够加快静电吸盘的冷却速度，又保证了静电吸盘各个部位冷却均匀性，使得静电吸盘上的晶圆维持恒定的温度，提高工艺的安全性与稳定性。同时，吸盘安装孔等结构的设置也为多层结构的实际装配提供便利。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明底板层的结构示意图。

图3是本发明中间外环层的结构示意图。

图4是本发明中间内板层内板液体冷却通道的结构示意图。

图5是本发明中间内板层特殊气体冷却通道的结构示意图。

图6是本发明顶板层的结构示意图。

图7是本发明空气冷却通道部分截面图。

图8是本发明电极安装孔部分截面图。

图9是本发明吸盘安装孔部分截面图。

图中：1、底板层；2、中间外环层；3、中间内板层；4、顶板层；5、空气调温孔；6、液体冷却孔；7、特殊气体底板冷却孔；8、金属基体环槽；9、定位销孔；10、外环液体冷却通道；11、内板液体冷却通道；12、特殊气体冷却通道；13、特殊气体冷却孔；14、空气冷却通道；15、电极安装孔；16、吸盘安装孔。

具体实施方式

实施例一：本实施例提供一种多层结构冷却盘，如图1所示，自底部朝上包括底板层1、中间外环层2、中间内板层3和顶板层4，底板层1、中间内板层3以及顶板层4大致呈圆盘形状，中间外环层2呈圆环形状，所有层均可采用同一种金属材料，可采用铝合金但不限于铝合金，层与层之间采用真空钎焊但不限于真空钎焊一种焊接方式将各层焊接为一体。顶板层4设有若干个特殊气体冷却孔13，底板层1设置若干个调温冷却孔，中间外环层2设置外环液体冷却通道10，中间内板层3设置内板气液冷却通道，顶板层4与中间内板层3连接，中间内板层3与底板层1连接，底板层1与中间外环层2连接。

调温冷却孔包括空气调温孔5、液体冷却孔6和特殊气体底板冷却孔7，如图2所示，空气调温孔5的孔状可设置为扁平细条状，沿圆周方向均匀分布在底板层1的中间区域。液体冷却孔6一般共4个，两两一对作为冷却液进出口，其中一对液体冷却孔6设置在底板层1边缘端，另一对液体冷却孔6设置在底板层1近心端，分别与中间外环层2、中间内板层3连接。特殊气体底板冷却孔7有若干个，均连接至中间内板层3，导通氦气或类似功能特殊气体。此外，底板层1上还设有金属基体环槽8，金属基体环槽8部位为裸铝金属基体面，实际应用时安装有导电垫片；底板层1还设有定位销孔9，一般共两处，一个为具有高定位精度的圆形定位销孔9，另一个为腰型定位销孔9，采用补偿方式与定位销配合。定位销孔9分布在底板层1边缘处。底板层1中特殊气体底板冷却孔7内及底板层1外表面都采用黑色硬质阳极氧化或其他表处理方法进行处理。

如图3所示，中间外环层2设有外环液体冷却通道10，通道围成圆形，外环液体冷却通道10的起始位置和终止位置均设置在中间外环层2的边缘，通道两端被通道中间部分隔开，通道两端分别连接至设置在底板层1边缘端成对的液体冷却孔6。外环液体冷却通道10之间间距均匀，并按螺旋线分布在中间外环层2上侧，外环液体冷却通道10截面采用矩形，外环液体冷却通道10内下侧设置有外环槽底倒圆角，外环液体冷却通道10内壁采用喷砂处理保持一定的粗糙度要求。

结合图4与图5可知，中间内板层3设有内板气液冷却通道，内板气液冷却通道包括内板液体冷却通道11和特殊气体冷却通道12，其中，内板液体冷却通道11的起始位置和终止位置分别设置在中间内板层3的中心和近心位置，内板液体冷却通道11的两端进出口分别与设置在底板层1近心端成对的液体冷却孔6连接，内板液体冷却通道11以反螺旋线分布在中间内板层3下侧，内板液体冷却通道11间距均匀，内板液体冷却通道11的截面呈矩形，内板液体冷却通道11内下侧设置有内板槽底倒圆角，内板液体冷却通道11内壁也采用喷砂处理保持一定的粗糙度要求，确保冷却液在内的流速。特殊气体冷却通道12设置在中间内板层3的上侧，特殊气体冷却通道12呈环形，特殊气体冷却通道12的横截面积小于内板液体冷却通道11的横截面积，特殊气体冷却通道12设置若干个气体进出孔，气体进出孔与底板层1、顶板层4双向连接。

顶板层4设置若干个特殊气体冷却孔13，如图6所示，特殊气体冷却孔13以圆周方向均匀设置在顶板层4的上表面，特殊气体冷却孔13一般采用直径相同的圆孔，圆孔直径不大于1mm，特殊气体冷却孔13与内板液体冷却通道11保持连通，特殊气体冷却孔13内进行硬质阳极氧化保持其绝缘耐腐蚀等性能。顶板层4的上表面可采用铝合金或钛合金等，顶板层4外形设成台阶状，顶板层4要求较小的平面度和与底板层1的平行度。

实施例二：为了使得通道中的冷却液体或冷却气体达到更佳的冷却效果，本发明采取如下技术手段：从俯视图上看，外环液体冷却通道10一般布置为间隔均匀的螺旋式圆环，盘布在中间外环层2的边缘，外环液体冷却通道10的冷却液进出口一般设置在同一侧或相对侧，方便冷却液的循环补充。为了冷却液充分接触，可以在不发生接触碰撞的前提下令外环液体冷却通道10圆环螺旋部分进行一定程度的曲折偏置。如图4所示，内板液体冷却通道11以中间内板层3中心为圆心采取近似圆环螺旋分布的形式，盘布设置在中间内板层3上，中心处管道部分的孔径一般较粗，周边部分的管道孔径一般较细，同理，内板液体冷却通道11的环绕部分在不发生接触碰撞的前提下也可设置若干不规则的横向或纵向偏折。在中间内板层3上进出特殊冷却气体的冷却孔采取较为零散的方式设置在内板液体冷却通道11的管道环绕间隔，冷却孔的孔径大小可根据实际热流路径分布设置成不同尺寸。

于气体冷却孔而言，顶板层4上设置的与内板液体冷却通道11保持连通的特殊气体冷却孔13实际数量应尽可能的多，除了采取圆周分布在顶板层4边缘的形式，还可以采取“米”字型分布或圆环分布，

实施例三：为了达到更佳的冷却效果以及便于多层结构冷却盘的实际装配使用，本发明还采取以下技术方案：如图7所示，多层结构冷却盘设有空气冷却通道14，空气冷却通道14连接底板层1上的空气调温孔5，空气冷却通道14的内部是由中间外环层2和中间内板层3之间的空腔组成的，将冷却空气隔离并引导到空气冷却通道14中，实现气体冷却的加置。此外，如图8所示，多层结构冷却盘可设有一个打通上多层结构冷却盘各层的电极安装孔15，电极安装孔15可采用台阶式通孔结构，内部进行硬质阳极氧化保证其绝缘及耐压性能，电极安装孔15安装方式采用螺纹拧紧方式，孔口螺纹采用指定螺纹尺寸及螺距。如图9所示，多层结构冷却盘的边缘可设置若干个吸盘安装孔16，吸盘安装孔16均匀分布在多层结构冷却盘周边，实际使用时可根据冷却盘所适用的静电吸盘大小设置吸盘安装孔16的具体分布位置及尺寸。

Claims (9)

1.一种多层结构冷却盘，包括上下端和中间层，其特征在于，所述上下端包括顶板层（4）和底板层（1），顶板层（4）设置若干个特殊气体冷却孔（13），底板层（1）设置若干个调温冷却孔，中间层包括中间外环层（2）和中间内板层（3），中间外环层（2）设置外环液体冷却通道（10），中间内板层（3）设置内板气液冷却通道，顶板层（4）与中间内板层（3）连接，中间内板层（3）与底板层（1）连接，底板层（1）与中间外环层（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述调温冷却孔包括空气调温孔（5）和气液冷却孔，空气调温孔（5）以圆周方向均匀设置在底板层（1）上，气液冷却孔包括液体冷却孔（6）和特殊气体底板冷却孔（7），成对的液体冷却孔（6）分别设置在底板层（1）边缘端和底板层（1）近心端，成对的液体冷却孔（6）分别与中间外环层（2）、中间内板层（3）连接，特殊气体底板冷却孔（7）均与中间内板层（3）连接。

3.根据权利要求2所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述内板气液冷却通道包括内板液体冷却通道（11）和特殊气体冷却通道（12），内板液体冷却通道（11）的起始位置和终止位置分别设置在中间内板层（3）的中心和近心位置，内板液体冷却通道（11）的两端进出口分别与设置在底板层（1）近心端成对的液体冷却孔（6）连接，内板液体冷却通道（11）以反螺旋线分布在中间内板层（3）下侧，内板液体冷却通道（11）间距均匀，内板液体冷却通道（11）的截面呈矩形，内板液体冷却通道（11）内下侧设置有内板槽底倒圆角，所述特殊气体冷却通道（12）设置在中间内板层（3）的上侧。

4.根据权利要求2所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述外环液体冷却通道（10）的起始位置和终止位置均设置在中间外环层（2）的边缘，外环液体冷却通道（10）的两端进出口分别与设置在底板层（1）边缘端成对的液体冷却孔（6）连接，外环液体冷却通道（10）以螺旋线分布在中间外环层（2）上侧，外环液体冷却通道（10）间距均匀，外环液体冷却通道（10）的截面呈矩形，外环液体冷却通道（10）内下侧设置有外环槽底倒圆角。

5.根据权利要求1所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述多层结构冷却盘设置有空气冷却通道（14），空气冷却通道（14）包括中间外环层（2）与中间内板层（3）之间的空腔，空气冷却通道（14）与空气调温孔（5）连接。

6.根据权利要求3所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述特殊气体冷却通道（12）呈环形，特殊气体冷却通道（12）的横截面积小于内板液体冷却通道（11）的横截面积，特殊气体冷却通道（12）设置若干个气体进出孔，气体进出孔与底板层（1）、顶板层（4）双向连接。

7.根据权利要求3所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述特殊气体冷却孔（13）以圆周方向均匀设置在顶板层（4）的上表面，特殊气体冷却孔（13）均为直径相同的圆孔，圆孔直径不大于1mm，特殊气体冷却孔（13）与内板液体冷却通道（11）连通。

8.根据权利要求1或2所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述多层结构冷却盘设置有贯通多层结构冷却盘的电极安装孔（15），电极安装孔（15）为台阶状通孔，所述多层结构冷却盘的边缘设有若干个吸盘安装孔（16），吸盘安装孔（16）均匀分布在多层结构冷却盘边缘。

9.根据权利要求1或7所述的一种多层结构冷却盘，其特征在于，所述顶板层（4）为台阶状，底板层（1）、中间层和顶板层（4）材质均为合金，所述合金包括铝合金和钛合金。