CN117248196A - 一种高均匀性晶圆加热器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高均匀性晶圆加热器，包括至少1个安装基板、至少1个嵌设在所述安装基板上的加热元件、导热基板和至少2个电极，所述安装基板的一端设有安装沟槽，所述加热元件设在所述安装沟槽中，所述导热基板设置在所述安装基板具有安装沟槽的一端，所述电极穿设在所述导热基板上，所述电极与所述加热元件电连。本发明还公开了一种加工方法。本发明加热效果好，加热效率高，能够提升晶圆的升温效率及良品率。

Description

一种高均匀性晶圆加热器及其加工方法

技术领域

本发明涉及化学气相淀积装置所使用的陶瓷晶圆加热器,特别涉及一种高均匀性晶圆加热器。

背景技术

半导体晶圆对于5G网络、人工智能、自动驾驶和物联网是必不可少的，随着半导体芯片技术的飞速发展,对芯片线路的小型化的需求不断增长，以提高处理单元的集成程度。半导体代工行业竞争激烈,半导体生产设备面临多样式制程的挑战,原有设备需要进行更先进的制程,晶圆厂需要更低成本的竞争优势,要使用现有设备满足多样化的客户制程需求,才能适应多样化竞争,在行业中保持领先.本发明以化学气相淀积为研究对象,研究随着制程要求提高,如何通过设计优化,寻找一种新方法去克服制程瓶颈。

化学气相淀积装置上的晶圆加热器是半导体芯片加工的关键设备，其承载吸附晶圆及提供加热的作用,随着工艺温度要求的不断提高，为了实现高均匀度的薄膜沉积，必须在晶片表面实现非常均匀的温度分布，对晶圆加热器表面温度分布的要求更为苛刻。常规的晶圆加热器内的加热元件都是同心圆分布且在同一平面，可分为单区、双区、三区加热，由于设备和周围环境的不对称性导致无法通用，需要按不同的设备和工艺环境定制适合的晶圆加热器，定制化的成本极高。

由于晶圆加热器无法通用化,随意使用会造成工艺不稳定,晶圆报废难以预防，需要按不同的工艺进行复杂的加热器更换操作,成本居高不下,且常规工艺制造的氮化铝陶瓷加热器为了防止使用时开裂，对升温和冷却速度需要严格控制，达到稳定工艺温度的所需时间也大幅上升。因此非常迫切需要找出新的陶瓷晶圆加热器的加工方法，实现良好的温度控制，提升其升温和冷却速度，保证其通用性,提升晶圆工艺效率及降低成本。因此，亟需一种新得技术方案解决以上问题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种高均匀性晶圆加热器，加热效果好，加热效率高，能够提升晶圆的升温效率及良品率。

本发明的第二个目的是提供一种加工方法，步骤简单，易于加工，提升了加热器的工艺效率。

为了实现上述技术目的，达到上述的技术要求，本发明所采用的技术方案是：一种高均匀性晶圆加热器，包括至少1个安装基板、至少1个嵌设在所述安装基板上的加热元件、导热基板和至少2个电极，所述安装基板的一端设有安装沟槽，所述加热元件设在所述安装沟槽中，所述导热基板设置在所述安装基板具有安装沟槽的一端，所述电极穿设在所述导热基板上，所述电极与所述加热元件电连。

作为优选的技术方案，所述加热器还包括设置在所述导热基板背离所述安装基板一端的中空的支撑轴、穿设在支撑轴内的测温热电偶，所述电极位于所述支撑轴内。

作为优选的技术方案，所述安装基板至少包括依序设置的第一基板、第二基板和第三基板，所述第一基板中心设有安装孔，所述第一基板上设有第一安装沟槽，所述第二基板上设有第二安装沟槽，所述第三基板上设有第三安槽，所述加热元件至少包括第一加热元件、第二加热元件、第三加热元件，所述第一加热元件设置在所述第一安装沟槽中，所述第二加热元件设置在所述第二安装沟槽中，所述第三加热元件设置在所述第三安装沟槽中，所述第一加热元件、第二加热元件和第三加热元件分别与电极电连。

作为优选的技术方案，所述第一安装沟槽、第二安装沟槽和第三安装沟槽均为环形，所述第二安装沟槽的内圆直径不小于所述第一安装沟槽的外圆直径，所述第三安装沟槽的内圆直径不小于所述第二安装沟槽的外圆直径。

作为优选的技术方案，所述第一加热元件包括均匀设置的第一加热部和第二加热部，所述第二加热元件均匀设置的包括第三加热部、第四加热部和第五加热部，所述第三加热元件包括均匀设置的第六加热部、第七加热部、第八加热部和第九加热部，所述第一加热部、第二加热部、第三加热部、第四加热部、第五加热部、第六加热部、第七加热部、第八加热部和第九加热部均包括多个环形加热段。

作为优选的技术方案，所述第一基板、第二基板和第三基板上设有沿其轴向贯穿的顶针孔。

作为优选的技术方案，所述支撑轴背离所述导热基板一端设有轴盖。

作为优选的技术方案，所述安装基板组件的材质为氮化铝，所述导热基板的材质为氮化铝氮化硼。

作为优选的技术方案，所述加热元件的材质为钼或铼。

本发明还提供一种高均匀性晶圆加热器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

加工得到安装基板，然后在所述安装基板表面加工安装沟槽、第一测温热电偶安装孔和多个第一电极安装孔；

加工得到薄片，然后对所述薄片进行切割分别制成加热元件，对所述加热元件进行温度循环检测筛选，将所述加热元件嵌装至所述安装沟槽中，将电极插入所述第一电极安装孔，然后在所述加热元件的输出端和输入端上分别焊接所述电极；

加工得到导热基板，然后在所述导热基板表面加工第二电极安装孔和第二测温热电偶安装孔，将电极插入第二电极安装孔中，然后将所述导热基板和所述安装基板固定在一起；

加工得到支撑轴，将所述电极插入所述支撑轴的中心，然后将所述支撑轴安装到所述导热基板上；

加工或购买得到测温热电偶，将测温热电偶从所述支撑轴的中心穿过，并插入所述第二测温热电偶安装孔和第一测温热电偶安装孔中,得到加热器。

本发明的有益效果是：

1)通过嵌装在安装基板上的加热元件进行加热，然后通过导热基板进行导热，从而对晶圆进行加热，电极外接设备可进行控温，同时导热基板还能保护加热元件不被损坏；

2)优选的，支撑轴在安装时到化学气相沉积设备上时形成支撑，且保护电极和测温热电偶装置；

3)优选的，第一加热元件、第二加热元件和第三加热元件均开启可形成连续的加热区域，当分别开启时可分开控制加热区域；

4)优选的，第一加热元件、第二加热元件和第三加热元件分成8个加热区域，这样温度可控形变高，加热的效果也更好；

5)优选的，顶针孔供顶针穿过，这样加热器更易安装在晶圆的支撑座上；

6)优选的，轴盖防止支撑轴端部受损，用紧固件安装后紧固效果更好；

7)优选的，氮化铝材料导热性能好，氮化铝氮化硼提升抗裂性能；

8)优选的，采用钼或铼作为加热元件的材料，加热效率高；

9)加工方法步骤简单，工艺效率高。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的三维图；

图2是第一基板的结构图；

图3是第二基板的结构图；

图4是第三基板的结构图；

图5是第一加热元件的的结构图；

图6是第二加热元件的的结构图；

图7是第三加热元件的的结构图；

图8是本发明一个实施例提供的剖视图；

在图1-8中，1、安装基板；101、第一基板；1011、第一安装沟槽；102、第二基板；1021、第二安装沟槽；103、第三基板；1031、第三安装沟槽；2、第一加热元件；201、第一加热部；2011、第一输入端a；2012、第一输出端a；2013、第一环形段201a；2014、第一环形段b；2015、第一环形段c；2016、第一环形段d；2017、第一连接段a；2018、第一连接段b；2019、第一连接段c；202、第二加热部；2021、第一输入端b；2022、第一输出端b；3、第二加热元件；301、第三加热部；3011、第二输入端a；3012、第二输出端a；3013、第二环形段a；3014、第二环形段b；3015、第二环形段c；3016、第二环形段d；3017、第二环形段e；3018、第二环形段f；3019、第二环形段g；3020、第二连接段a；3021、第二连接段b；3022、第二连接段c；3023、第二连接段d；3024、第二连接段e；3025、第二连接段f；302、第四加热部；3021、第二输入端b；3022、第二输出端b；303、第五加热部；3031、第二输入端c；3032、第二输出端c；4、第三加热元件；401、第六加热部；4011、第三输入端a；4012、第三输出端a；4013、第三环形段a；4014、第三环形段b；4015、第三环形段c；4016、第三连接段a；4017、第三连接段b；402、第七加热部；4021、第三输入端b；4022、第三输出端b；403、第八加热部；4031、第三输入端c；4032、第三输出端c；404、第九加热部；4041、第三输入端d；4042、第三输出端d；5、导热基板；6、电极；7、测温热电偶；8、支撑轴；9、轴盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“头”、“尾”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-8，本发明提供一种高均匀性晶圆加热器，包括至少1个安装基板1、至少1个嵌设在安装基板1上的加热元件、导热基板5和至少2个电极6，安装基板1的一端设有安装沟槽，加热元件设在安装沟槽中，导热基板5设置在安装基板1具有安装沟槽的一端，电极6穿设在导热基板5上，电极6与加热元件电连，通过嵌装在安装基板1上的加热元件进行加热，然后通过导热基板5进行导热，从而对晶圆进行加热，电极6外接设备可进行控温，同时导热基板5还能保护加热元件不被损坏。

如图1-8所示，在其中一些实施方式中，加热器还包括设置在导热基板5背离安装基板1一端的中空的支撑轴8、穿设在支撑轴8内的测温热电偶7，电极6位于支撑轴8内，支撑轴8在安装时到化学气相沉积设备上时形成支撑，且保护电极6和测温热电偶7装置。

如图1-8所示，在其中一些实施方式中，安装基板1至少包括依序设置的第一基板101、第二基板102和第三基板103，第一基板101中心设有安装孔，第一基板101上设有第一安装沟槽1011，第二基板102上设有第二安装沟槽1021，第三基板103上设有第三安槽，加热元件至少包括第一加热元件2、第二加热元件3、第三加热元件4，第一加热元件2设置在第一安装沟槽1011中，第二加热元件3设置在第二安装沟槽1021中，第三加热元件4设置在第三安装沟槽1031中，第一加热元件2、第二加热元件3和第三加热元件4分别与电极6电连，第一加热元件2、第二加热元件3和第三加热元件4均开启可形成连续的加热区域，当分别开启时可分开控制加热区域。

进一步的，第一安装沟槽1011、第二安装沟槽1021和第三安装沟槽1031均为环形，第二安装沟槽1021的内圆直径不小于第一安装沟槽1011的外圆直径，第三安装沟槽1031的内圆直径不小于第二安装沟槽1021的外圆直径。

进一步的，第一加热元件2包括均匀设置的第一加热部201和第二加热部202，第二加热元件3均匀设置的包括第三加热部301、第四加热部302和第五加热部303，第三加热元件4包括均匀设置的第六加热部401、第七加热部402、第八加热部403和第九加热部404，第一加热部201、第二加热部202、第三加热部301、第四加热部302、第五加热部303、第六加热部401、第七加热部402、第八加热部403和第九加热部404均包括多个环形加热段。

具体的，第一加热部201包括从圆心向外依序均匀间隔设置的第一环形段a2013、第一环形段b2014、第一环形段c2015和第一环形段d2016，第一环形段a2013、第一环形段b2014、第一环形段c2015和第一环形段d2016的内径由圆心向外逐渐增大，且相连两个环形段之间的距离相等，第一环形段a2013的一端与第一环形段d2016通过第一连接段a2017连接，第一环形段d2016与第一环形段c2015通过第一连接段b2018连接，第一环形段c2015与第一环形段b2014通过第一连接段c2019连接，第一环形段b2014的一端连接有第一输出端a2012，第一环形段a2013的另一端连接有第一输入端a2011，第二加热部202和第一加热部201的结构相同，不再详细阐述，第二加热部202包括第一输出端b2022和第一输入端b2021，第一输出端a2012和第一输出端b2022共用1个电极6，第一输入端a2011和第一输入端b2021分别电连1个电极6。

具体的，第三加热部301包括从圆心向外依序均匀间隔设置的第二环形段a3013、第二环形段b3014、第二环形段c3015、第二环形段d3016、第二环形段e3017、第二环形段f3018、第二环形段g3019，第二环形段g3019的一端连接有第二输入端a3011连接，第二环形段g3019的另一端与第二环形段f3018通过第二连接段a3020连接，第二环形段f3018与第二环形段e3017通过第二连接段b3021连接，第二环形段e3017与第二环形段d3016通过第二连接段c3022连接，第二环形段d3016与第二环形段c3015通过第二连接段d3023连接，第二环形段c3015与第二环形段b3014通过第二连接段e3024连接，第二环形段b3014与第二环形段a3013通过第二连接段f3025连接，第二环形段a3013的另一端与第二输出端a3012连接，第四加热部302和第五加热部303的结构与第三加热部301相同，不再赘述，第四加热部302包括第二输出端b3022和第二输入端b3021，第五加热部303包括第二输出端c3032和第二输入端c3031，第二输入端a3011、第二输入端b3021和第二输入端c3031分别电连1个电极6，第二输出端a3012、第二输出端b3022、第二输出端c3032共用1个电极6，当然，为了更好地与电极6连接，输出端和输入端的形状会做适当的变形来满足连接的要求，不再详细阐述。

具体的，第六加热部401包括从圆心向外依序均匀间隔设置的第三环形段a4013、第三环形段b4014、第三环形段c4015，第三环形段c4015的一端连接有第三输入端a4011，第三环形段c4015的另一端与第三环形段b4014通过第三连接段a4016连接，第三环形段b4014与第三环形段a4013的一端通过第三连接段b4017连接，第三环形段a4013的另一端连接有第三输出端a4012，第七加热部402、第八加热部403和第九加热部404的结构相同，不再详细赘述，第七加热部402包括第三输入端b4021、第三输出端b4022，第八加热部403包括第三输入端c4031、第三输出端c4032，第九加热部404包括第三输入端d4041、第三输出端d4042，第三输入端a4011、第三输入端b4021、第三输入端c4031和第三输入端d4041分别与电连1个电极6，第三输出端a4012、第三输出端b4022、第三输出端c4032和第三输出端d4042共用1个电极6，可见，电极6共需要12个。

其中环形段和直线段根据不同的安装基板1尺寸以及加热需求进行设置，多个加热元件同时开启形成均匀连续的加热区域，当不同时开启时，也能分别控制加热区域，这样能显著提升升温效果，进一步的，加热元件的厚度为0.1-0.2mm，宽度为1-2mm。

如图1-8所示，在其中一些实施方式中，第一基板101、第二基板102和第三基板103上设有沿其轴向贯穿的顶针孔，顶针孔供顶针穿过，这样加热器更易安装在晶圆的支撑座上。

如图1-8所示，在其中一些实施方式中，支撑轴8背离导热基板5一端设有轴盖9，轴盖9防止支撑轴8端部受损，用紧固件安装后紧固效果更好。

如图1-8所示，在其中一些实施方式中，安装基板1组件的材质为氮化铝，导热基板5的材质为氮化铝氮化硼。

如图1-8所示，在其中一些实施方式中，加热元件5的材质为钼或铼，采用钼或铼作为加热元件的材料，加热效率高。

本发明还提供一种高均匀性晶圆加热器的加工方法，包括以下步骤：

步骤1、加工得到安装基板1，然后在安装基板1表面加工安装沟槽、第一测温热电偶7安装孔和多个第一电极6安装孔，具体的，将氮化铝材料经过冷等静压初步致密成型得到安装基板1，并使用数控机床在安装基板1表面加工出安装沟槽、第一测温热电偶7安装孔和多个第一电极6安装孔；

将钼或铼材料加工得到薄片，然后对薄片进行切割分别制成加热元件，对加热元件进行温度循环检测筛选，将加热元件嵌装至安装沟槽中，将电极6插入第一电极6安装孔，然后在加热元件的输出端和输入端上分别焊接电极6；

加工得到导热基板5，然后在导热基板5表面加工第二电极6安装孔和第二测温热电偶7安装孔，将电极6插入第二电极6安装孔中，然后将导热基板5和安装基板1固定在一起，具体的，将氮化铝粉末和氮化硼粉末按比例均匀混合、筛分，然后使用冷等静压初步致密成型得到导热基板5，并使用数控机床在安装基板1表面加工出第二电极6安装孔和第二测温热电偶7安装孔；

加工得到支撑轴8，将电极6插入支撑轴8的中心，然后将支撑轴8安装到导热基板5上，具体的，将氮化铝材料冷等静压成型，脱蜡后烧结得到支撑轴8，并在支撑轴8的密封面喷涂氧化锆，然后利用数控机床加工出形状；

加工或购买得到测温热电偶7，将测温热电偶7从支撑轴8的中心穿过，并插入第二测温热电偶7安装孔和第一测温热电偶7安装孔中,得到加热器。

本发明的加工方法步骤简单，成型效果好，工艺效率高，得到的加热器加热效率好。

将加热器通电，加热至500℃后，将加热器表面划分成8-10个扇形加热区域，利用精密测温仪对扇形区域进行测温，表面温度均匀性±1.5℃。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的描述，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于：包括至少1个安装基板、至少1个嵌设在所述安装基板上的加热元件、导热基板和至少2个电极，所述安装基板的一端设有安装沟槽，所述加热元件设在所述安装沟槽中，所述导热基板设置在所述安装基板具有安装沟槽的一端，所述电极穿设在所述导热基板上，所述电极与所述加热元件电连。

2.根据权利要求1所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述加热器还包括设置在所述导热基板背离所述安装基板一端的中空的支撑轴、穿设在支撑轴内的测温热电偶，所述电极位于所述支撑轴内。

3.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述安装基板至少包括依序设置的第一基板、第二基板和第三基板，所述第一基板中心设有安装孔，所述第一基板上设有第一安装沟槽，所述第二基板上设有第二安装沟槽，所述第三基板上设有第三安槽，所述加热元件至少包括第一加热元件、第二加热元件、第三加热元件，所述第一加热元件设置在所述第一安装沟槽中，所述第二加热元件设置在所述第二安装沟槽中，所述第三加热元件设置在所述第三安装沟槽中，所述第一加热元件、第二加热元件和第三加热元件分别与电极电连。

4.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述第一安装沟槽、第二安装沟槽和第三安装沟槽均为环形，所述第二安装沟槽的内圆直径不小于所述第一安装沟槽的外圆直径，所述第三安装沟槽的内圆直径不小于所述第二安装沟槽的外圆直径。

5.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述第一加热元件包括均匀设置的第一加热部和第二加热部，所述第二加热元件均匀设置的包括第三加热部、第四加热部和第五加热部，所述第三加热元件包括均匀设置的第六加热部、第七加热部、第八加热部和第九加热部，所述第一加热部、第二加热部、第三加热部、第四加热部、第五加热部、第六加热部、第七加热部、第八加热部和第九加热部均包括多个环形加热段。

6.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述第一基板、第二基板和第三基板上设有沿其轴向贯穿的顶针孔。

7.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述支撑轴背离所述导热基板一端设有轴盖。

8.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述安装基板组件的材质为氮化铝，所述导热基板的材质为氮化铝氮化硼。

9.根据权利要求2所述的一种高均匀性晶圆加热器，其特征在于，所述加热元件的材质为钼或铼。

10.根据权利要求2-8中任一项所述的一种高均匀性晶圆加热器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

加工得到安装基板，然后在所述安装基板表面加工安装沟槽、第一测温热电偶安装孔和多个第一电极安装孔；

加工得到薄片，然后对所述薄片进行切割分别制成加热元件，对所述加热元件进行温度循环检测筛选，将所述加热元件嵌装至所述安装沟槽中，将电极插入所述第一电极安装孔，然后在所述加热元件的输出端和输入端上分别焊接所述电极；

加工得到导热基板，然后在所述导热基板表面加工第二电极安装孔和第二测温热电偶安装孔，将电极插入第二电极安装孔中，然后将所述导热基板和所述安装基板固定在一起；

加工得到支撑轴，将所述电极插入所述支撑轴的中心，然后将所述支撑轴安装到所述导热基板上；

加工或购买得到测温热电偶，将测温热电偶从所述支撑轴的中心穿过，并插入所述第二测温热电偶安装孔和第一测温热电偶安装孔中,得到加热器。