TW202044476A - 製程腔室及半導體處理設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種製程腔室及半導體處理設備，該製程腔室包括腔室主體、與腔室主體的內部連通的遮蔽盤庫和遮蔽盤，其中，在腔體主體中設置有基座和第一頂針機構；該製程腔室還包括傳輸機構，該傳輸機構包括傳輸手臂和控溫裝置，其中，傳輸手臂能夠在腔室主體和遮蔽盤庫之間移動，且能夠支撐遮蔽盤；控溫裝置設置在傳輸手臂上，用於在傳輸手臂移動至腔室主體的內部，且位於與由第一頂針機構承載的被加工工件相對的位置時，對被加工工件進行溫度控制。本發明提供的製程腔室，其可以提高溫控效率和溫控均勻性，而且不會對腔室內的其他零件帶來不良影響。

Description

製程腔室及半導體處理設備
本發明涉及半導體加工技術領域，特別涉及一種製程腔室及半導體處理設備。
在利用磁控濺鍍設備進行薄膜沉積製程的過程中，為了節省晶片消耗，在需要對新靶材轟擊或者預熱腔室時，通常會使用遮蔽盤遮擋在基座的上方，而在進行正常製程時，需要將遮蔽盤自基座上方移開，並移動至與腔室連通的遮蔽盤庫中，具體地，通常利用傳輸手臂作旋轉運動，來實現遮蔽盤在腔室主體與遮蔽盤庫之間的位置轉換。
在現有的銅填充製程中，為了保證銅材料能夠順利填充在通孔結構中，通常需要在腔室內部增加熱輻射源，該熱輻射源可以是紅外燈管。製程時，首先，將晶片置於基座上進行銅種晶層的沉積；然後，利用頂針機構自基座將晶片頂起至高於熱輻射源的位置，並通過熱輻射源對晶片背面進行加熱，直至晶片升溫達到銅回流溫度（通常大於350℃），在該溫度條件下，可以保證銅材料順利填充至通孔結構中。最後，使頂針機構下降，以使晶片返回至基座上進行低溫冷卻。如此迴圈，直至銅材料完全填充至通孔結構中。
但是，在先前技術中，由於上述熱輻射源通常設置在腔室週邊的位置處，距離晶片較遠，導致對晶片的加熱效率較低，升溫速率較慢，而且加熱均勻性較差，從而影響製程均勻性和產能。雖然可以通過增加熱輻射源的功率來提高加熱效率，但是，這又會存在以下問題，即：容易導致位於熱輻射源週邊的諸如腔體和內襯等的零件的溫度過高，從而不僅影響這些零件的使用壽命，而且還需要額外增加特殊的水冷設計，增加了設備成本和結構複雜性。
本發明旨在至少解決先前技術中存在的技術問題之一，提出了一種製程腔室及半導體處理設備，其可以提高溫控效率和溫控均勻性，而且不會對製程腔室內的其他零件帶來不良影響。
為實現上述目的，本發明提供了一種製程腔室，包括腔室主體、與該腔室主體的內部連通的遮蔽盤庫和遮蔽盤，其中，在該腔體主體中設置有基座和第一頂針機構；還包括傳輸機構，該傳輸機構包括傳輸手臂和控溫裝置，其中， 該傳輸手臂能夠在該腔室主體和該遮蔽盤庫之間移動，且能夠支撐該遮蔽盤； 該控溫裝置設置在該傳輸手臂上，用於在該傳輸手臂移動至該腔室主體的內部，且位於與由該第一頂針機構承載的被加工工件相對的位置時，對該被加工工件進行溫度控制。
可選的，該第一頂針機構能夠通過升降將該被加工工件移動至第一位置，該第一位置被設置為該傳輸手臂與該被加工工件彼此相對的兩個表面之間具有高度差；該控溫裝置暴露於該傳輸手臂的與該被加工工件相對的表面，且採用熱輻射的方式與該被加工工件進行熱交換。
可選的，該第一頂針機構能夠通過升降將該被加工工件移動至第二位置，該第二位置被設置為該傳輸手臂與該被加工工件彼此相對的兩個表面相接觸； 該控溫裝置採用熱傳導的方式與該被加工工件進行熱交換。
可選的，該製程腔室還包括設置在該遮蔽盤庫中的第二頂針機構，該第二頂針機構用於在該傳輸手臂位於該遮蔽盤庫中時，通過升降來實現該遮蔽盤在該第二頂針機構與該傳輸手臂之間的傳遞。
可選的，該傳輸手臂在水平面上的正投影的輪廓形狀被設置為；在該傳輸手臂移動至該腔室主體內時，不會碰撞該第一頂針機構；在該傳輸手臂移動至該遮蔽盤庫內時，不會碰撞該第二頂針機構。
可選的，該高度差的取值範圍在20mm-400mm。
可選的，該傳輸手臂包括驅動裝置、垂直設置的旋轉軸和設置在該旋轉軸上端的水平手臂；其中，該驅動裝置用於驅動該旋轉軸圍繞自身軸線旋轉，以帶動該水平手臂在該腔室主體和該遮蔽盤庫之間移動；該水平手臂能夠支撐該遮蔽盤，該控溫裝置設置在該水平手臂上。
可選的，該控溫裝置包括加熱元件和與之連接的電氣連接線，其中， 該加熱元件設置在該水平手臂上； 在該旋轉軸中設置有可供該電氣連接線引出該腔室主體的通道。
可選的，在該水平手臂中設置有用於輸送冷卻水的冷卻通道，且在該旋轉軸中設置有進水通道和出水通道，該進水通道和該出水通道各自的第一端分別與該冷卻通道的兩端連接，該進水通道和該出水通道各自的第二端均位於該旋轉軸的位於該腔室主體的外部的部分。
可選的，該製程腔室為沉積腔室。
作為另一個技術方案，本發明還提供一種半導體處理設備，包括本發明提供的上述製程腔室。
本發明的有益效果： 本發明提供的製程腔室，其在傳輸手臂上設置控溫裝置，用於在傳輸手臂位於腔室主體的內部，且位於與由第一頂針機構承載的被加工工件相對的位置時，對被加工工件進行溫度控制，這與先前技術相比，不僅可以減小控溫裝置與被加工工件之間的控溫距離，提高溫度變化速率，進而提高溫控效率，提高產能；同時，還可以提高溫控均勻性，進一步提高製程均勻性。此外，通過使控溫裝置設置在傳輸手臂上，其距離腔室週邊的零件（例如腔體和內襯等）較遠，從而可以避免導致這些零件的溫度過高，進而不會對這些零件帶來不良影響。
本發明提供的半導體處理設備，其通過採用本發明提供的上述製程腔室，可以提高溫控效率和溫控均勻性，而且不會對製程腔室內的其他零件帶來不良影響。
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的製程腔室及半導體處理設備進行詳細描述。 第一實施例
請一併參閱圖1A和圖1B，本實施例提供的製程腔室，其可應用於沉積腔室，具體包括腔室主體1、與該腔室主體1的內部連通的遮蔽盤庫2、遮蔽盤10及傳輸機構，其中，在腔體主體1中設置有基座3和第一頂針機構4；基座3用於在進行諸如薄膜沉積等的製程時承載被加工工件5；第一頂針機構4通過升降來實現與基座3之間傳遞被加工工件5，以及承載被加工工件5，並能夠調整被加工工件5所在高度。具體地，第一頂針機構4包括圍繞基座3的軸線間隔設置的至少三個頂針及與之連接的升降機構，在升降機構的驅動下，至少三個頂針能夠同步上升至頂端高於基座3的最高位置或者頂端低於基座3的最低位置。在頂針上升至最高位置的過程中，頂針可以頂起基座3上的被加工工件5，並承載被加工工件5上升；在頂針下降至最低位置的過程中，頂針上的被加工工件5能夠被傳遞至基座3上。
傳輸機構包括傳輸手臂6和控溫裝置8，其中，傳輸手臂6能夠在腔室主體1和遮蔽盤庫2之間移動。在本實施例中，請參閱圖1A，傳輸手臂6包括驅動裝置7、垂直設置的旋轉軸61和設置在該旋轉軸61上端的水平手臂62；其中，驅動裝置7與旋轉軸61連接，用於驅動旋轉軸61沿自身軸線旋轉，該驅動裝置7可以為能夠提供旋轉動力的電機、氣缸或者液壓缸等等。可選的，驅動裝置7設置在腔室外部，旋轉軸61的下端自腔室主體1的底部延伸至腔室主體1的外部，並與驅動裝置7連接。在驅動裝置7的驅動下，旋轉軸61帶動水平手臂62圍繞旋轉軸61旋轉至腔室主體1內或者遮蔽盤10內。
在本實施例中，製程腔室還包括設置在遮蔽盤庫2中的第二頂針機構9，該第二頂針機構9用於在傳輸手臂6位於遮蔽盤庫2中時，通過升降來實現遮蔽盤10在第二頂針機構9與傳輸手臂6之間的傳遞。第二頂針機構9的結構與上述第一頂針機構4的結構相類似，包括至少三個頂針和與之連接的升降機構。
如圖2B所示，傳輸手臂6能夠支撐遮蔽盤10，並通過旋轉將遮蔽盤10傳送至腔室主體1內或者遮蔽盤庫2內。當傳輸手臂6承載遮蔽盤10旋轉至遮蔽盤庫2內時，第二頂針機構9可以通過上升自傳輸手臂6頂起遮蔽盤10，並上升至如圖1A和圖1B中示出的位置C1，此時遮蔽盤10與傳輸手臂6分離，從而可以使傳輸手臂6能夠不攜帶遮蔽盤10單獨旋轉至腔室主體1內。
當然，在實際應用中，也可以不設置上述第二頂針機構9，而採用其他方式使傳輸手臂6能夠不攜帶遮蔽盤10單獨旋轉至腔室主體1內。例如，開腔取出遮蔽盤10。
在本實施例中，如圖1A所示，第一頂針機構4能夠通過升降將被加工工件5移動至第一位置A1，該第一位置A1被設置為傳輸手臂6與由第一頂針機構4承載的被加工工件5彼此相對的兩個表面之間具有高度差；控溫裝置8暴露於傳輸手臂6的與被加工工件5相對的表面，以能夠採用熱輻射的方式與被加工工件5進行熱交換，從而實現對被加工工件的溫度控制。另外，也可以進一步通過調節上述第一位置A1來調節上述高度差，從而實現進一步的溫度控制。
在本實施例中，當被加工工件5位於上述第一位置A1時，在傳輸手臂6移動至腔室主體1的內部時，傳輸手臂6位於被加工工件5的下方，此時控溫裝置8暴露於傳輸手臂6的上表面，以能夠朝向被加工工件5輻射熱量。具體的，該控溫裝置8包括加熱元件81和與之連接的電氣連接線82，其中，加熱元件81例如為紅外燈管或者加熱絲等的能夠朝向被加工工件5輻射熱量的加熱元件。如圖2A所示，加熱元件81較佳呈螺旋狀，且較均勻地分佈在水平手臂62的上表面，以提高加熱均勻性。
在本實施例中，傳輸手臂6在水平面上的正投影的輪廓621的形狀被設置為：在傳輸手臂6移動至腔室主體1內時，不會碰撞第一頂針機構4；在傳輸手臂6移動至遮蔽盤庫2內時，不會碰撞第二頂針機構9。一種輪廓621的形狀如圖2A所示，該輪廓621的形狀可以保證水平手臂62能夠自相鄰的兩個頂針之間的間隙移入三個頂針的內側，而不會碰撞到各個頂針。當水平手臂62移入遮蔽盤庫2中時，第二頂針機構9的三個頂針位於水平手臂62的輪廓外側，從而可以自水平手臂62上頂起遮蔽盤10。當然，在實際應用中，傳輸手臂6也可以採用其他任意輪廓形狀，只要不會碰撞第二頂針機構9的頂針即可。
需要說明的是，本發明並不局限於通過設計傳輸手臂6的輪廓的方式來確保其不會與頂針發生碰撞，例如也可以在傳輸手臂6中設置可供頂針通過的通道，在傳輸手臂6旋轉至遮蔽盤庫2的過程中，每個頂針能夠自通道的開口進入通道，而不會與傳輸手臂發生碰撞；在傳輸手臂6旋轉至腔室主體1內的過程中，每個頂針能夠自通道的開口移出通道。
在使用本實施例提供的製程腔室進行銅填充製程時，首先，將被加工工件（晶片）置於基座3上進行銅種晶層的沉積；然後，如圖1B所示，利用第一頂針機構4自基座3將晶片頂起至第一位置A1，並使第二頂針機構9自傳輸手臂6上頂起遮蔽盤10；然後，如圖1A所示，傳輸手臂6在驅動裝置7的驅動下旋轉至腔室主體1中，且處於位於晶片下方的加熱位置B1，此時可以利用控溫裝置8對晶片背面進行加熱，直至晶片升溫達到銅回流溫度（通常大於350℃），在該溫度條件下，可以保證銅材料順利填充至通孔結構中。在加熱完成之後，傳輸手臂6在驅動裝置7驅動下旋轉至遮蔽盤庫2中，並使第一頂針機構4下降至最低位置，以使晶片返回至基座3上進行低溫冷卻。如此迴圈，直至銅材料完全填充至通孔結構中。
在需要對製程腔室中的新靶材轟擊或者預熱腔室時，使第二頂針機構9下降，以將遮蔽盤10放置於傳輸手臂6上，然後，在驅動裝置7的驅動下，使傳輸手臂6攜帶遮蔽盤10旋轉至腔室主體1中，且位於基座3的上方，以起到遮擋基座3的作用。
可選的，傳輸手臂6與被加工工件5彼此相對的兩個表面之間的高度差H的取值範圍在20mm-400mm。在該範圍內，既可以保證加熱效率，又可以保證控溫裝置8的加熱功率不會過高，從而可以避免控溫裝置8周圍的零件受到不良影響。可選的，控溫裝置8輸出的功率大於或等於500W。
在本實施例中，可選的，在旋轉軸61中設置有可供控溫裝置8的電氣連接線82引出腔室主體1的通道，從而可以避免電氣連接線82裸露在腔室主體1中。
在本實施例中，可選的，如圖3所示，在水平手臂62中設置有用於輸送冷卻水的冷卻通道622，該冷卻通道622可以設置在控溫裝置8的下方，以實現對傳輸手臂6的冷卻。並且，在旋轉軸61中設置有進水通道623和出水通道624，進水通道623和出水通道624各自的第一端分別與冷卻通道622的兩端連接，進水通道623和出水通道624各自的第二端均位於旋轉軸61的位於腔室主體1的外部的部分，即，利用旋轉軸61將冷卻通道引出腔室主體1，從而可以避免冷卻管路裸露在腔室主體1中。
本發明實施例提供的製程腔室，其與先前技術相比，不僅可以減小控溫裝置8與被加工工件5之間的控溫距離，提高控溫速率，從而可以提高控溫效率，提高產能；同時，還可以提高控溫均勻性，從而可以提高製程均勻性。此外，通過使控溫裝置8設置在傳輸手臂6上，其距離腔室週邊的零件（例如腔體和內襯等）較遠，從而可以避免導致這些零件的溫度過高，進而不會對這些零件帶來不良影響。 第二實施例
請參閱圖4A，本實施例提供的製程腔室，其與上述第一實施例相比，同樣包括腔室主體1、遮蔽盤庫2、遮蔽盤10及傳輸機構。由於這些部件的結構和功能與上述第一實施例相同，在此不再贅述，下面僅對本實施例與上述第一實施例的區別進行詳細描述。
具體的，傳輸手臂6在腔室主體1的內部時，位於由第一頂針機構4承載的被加工工件的上方。如圖4A所示，利用第一頂針機構4自基座3將晶片頂起至第一位置A2，該第一位置A2低於傳輸手臂6在腔室主體1的內部的加熱位置B2。並且，控溫裝置8暴露於傳輸手臂6的下表面，以能夠採用熱輻射的方式與被加工工件5進行熱交換。由此，可以實現對被加工工件5的控溫。
可選的，傳輸手臂6與被加工工件5彼此相對的兩個表面之間的高度差H的取值範圍在20mm-400mm
在本實施例中，製程腔室還包括設置在遮蔽盤庫2中的第二頂針機構9，用於使傳輸手臂6能夠不攜帶遮蔽盤10單獨旋轉至腔室主體1內。但是，由於控溫裝置8暴露於傳輸手臂6的下表面，也可以不設置第二頂針機構9，如圖4B所示，可以使傳輸手臂6攜帶遮蔽盤10旋轉至腔室主體1內，並在承載遮蔽盤10的同時，利用控溫裝置8朝向被加工工件5的正面輻射熱量。
本實施例提供的製程腔室的其他結構和功能與上述第一實施例相同，由於在上述第一實施例中已有了詳細的描述，在此不再贅述。 第三實施例
請參閱圖5，本實施例提供的製程腔室，其與上述第一、第二實施例相比，同樣包括腔室主體1、遮蔽盤庫2、遮蔽盤10及傳輸機構。由於這些部件的結構和功能與上述第一、第二實施例相同，在此不再贅述，下面僅對本實施例與上述第一、第二實施例之間的區別進行詳細描述。
具體地，第一頂針機構4能夠通過升降將被加工工件5移動至第二位置A3，該第二位置A3被設置為傳輸手臂6與被加工工件5彼此相對的兩個表面相接觸，如圖5所示，水平手臂62的上表面與被加工工件5的下表面相接觸；並且，控溫裝置8’採用熱傳導的方式與被加工工件5進行熱交換，從而實現被加工工件5的溫度控制。控溫裝置8’包括例如加熱絲或者加熱電極等的加熱元件。
在實際應用中，控溫裝置8’可以直接與被加工工件5接觸，或者也可以不與被加工工件5接觸，而是通過加熱傳輸手臂6間接加熱被加工工件5。
需要說明的是，在本實施例中，傳輸手臂6在腔室主體1的內部時，位於由第一頂針機構4承載的被加工工件5的下方，但是本發明並不局限於此，在實際應用中，傳輸手臂6在腔室主體1的內部時，也可以位於被加工工件5的上方，然後利用第一頂針機構4通過上升將被加工工件5與傳輸手臂6相接觸。
作為另一個技術方案，本發明實施例還提供一種半導體處理設備，其包括本發明上述各個實施例提供的上述製程腔室。
上述半導體處理設備可以是磁控濺鍍設備或者其他PVD設備，可應用於Cu、Ta、Ti或Al等薄膜的沉積。
本發明實施例提供的半導體處理設備，其通過採用本發明上述各個實施例提供的製程腔室，可以提高加熱效率和加熱均勻性，而且不會對腔室內的其他零件帶來不良影響。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
1:腔室主體 2:遮蔽盤庫 3:基座 4:第一頂針機構 5:被加工工件 6:傳輸手臂 7:驅動裝置 8、8’:控溫裝置 9:第二頂針機構 10:遮蔽盤 61:旋轉軸 62:水平手臂 81:加熱元件 82:電氣連接線 621:輪廓 622:冷卻通道 623:進水通道 624:出水通道 A1、A2:第一位置 A3:第二位置 B1、B2:加熱位置 C1:位置 H:高度差
圖1A為本發明第一實施例提供的製程腔室在一種狀態下的剖視圖； 圖1B為本發明第一實施例提供的製程腔室在另一種狀態下的剖視圖； 圖2A為本發明第一實施例採用的傳輸手臂的一種俯視剖面圖； 圖2B為本發明第一實施例採用的傳輸手臂在承載遮蔽盤時的俯視圖； 圖3為本發明第一實施例採用的傳輸手臂的另一種俯視剖面圖； 圖4A為本發明第二實施例提供的製程腔室的一種剖視圖； 圖4B為本發明第二實施例提供的製程腔室的另一種剖視圖； 圖5為本發明第三實施例提供的製程腔室的剖視圖。
1:腔室主體
2:遮蔽盤庫
3:基座
4:第一頂針機構
5:被加工工件
6:傳輸手臂
7:驅動裝置
8:控溫裝置
9:第二頂針機構
10:遮蔽盤
61:旋轉軸
62:水平手臂
A1:第一位置
B1:加熱位置
C1:位置
H:高度差

Claims (11)

  1. 一種製程腔室，包括一腔室主體、與該腔室主體的內部連通的一遮蔽盤庫和一遮蔽盤，其中，在該腔體主體中設置有一基座和一第一頂針機構；其特徵在於，還包括一傳輸機構，該傳輸機構包括一傳輸手臂和一控溫裝置，其中， 該傳輸手臂能夠在該腔室主體和該遮蔽盤庫之間移動，且能夠支撐該遮蔽盤； 該控溫裝置設置在該傳輸手臂上，用於在該傳輸手臂移動至該腔室主體的內部，且位於與由該第一頂針機構承載的被加工工件相對的位置時，對該被加工工件進行溫度控制。
  2. 如請求項1所述的製程腔室，其中，該第一頂針機構能夠通過升降將該被加工工件移動至一第一位置，該第一位置被設置為該傳輸手臂與該被加工工件彼此相對的二表面之間具有高度差；該控溫裝置暴露於該傳輸手臂的與該被加工工件相對的表面，且採用熱輻射的方式與該被加工工件進行熱交換。
  3. 如請求項1所述的製程腔室，其中，該第一頂針機構能夠通過升降將該被加工工件移動至一第二位置，該第二位置被設置為該傳輸手臂與該被加工工件彼此相對的二表面相接觸； 該控溫裝置採用熱傳導的方式與該被加工工件進行熱交換。
  4. 如請求項1至請求項3任一項所述的製程腔室，其中，該製程腔室還包括設置在該遮蔽盤庫中的一第二頂針機構，該第二頂針機構用於在該傳輸手臂位於該遮蔽盤庫中時，通過升降來實現該遮蔽盤在該第二頂針機構與該傳輸手臂之間的傳遞。
  5. 如請求項4該的製程腔室，其中，該傳輸手臂在水平面上的正投影的輪廓形狀被設置為：在該傳輸手臂移動至該腔室主體內時，不會碰撞該第一頂針機構；在該傳輸手臂移動至該遮蔽盤庫內時，不會碰撞該第二頂針機構。
  6. 如請求項2所述的製程腔室，其中，該高度差的取值範圍在20mm-400mm。
  7. 如請求項1至請求項3任一項所述的製程腔室，其中，該傳輸手臂包括一驅動裝置、一垂直設置的旋轉軸和一設置在該旋轉軸上端的水平手臂；其中，該驅動裝置用於驅動該旋轉軸圍繞自身軸線旋轉，以帶動該水平手臂在該腔室主體和該遮蔽盤庫之間移動；該水平手臂能夠支撐該遮蔽盤，該控溫裝置設置在該水平手臂上。
  8. 如請求項7所述的製程腔室，其中，該控溫裝置包括一加熱元件和與之連接的一電氣連接線，其中， 該加熱元件設置在該水平手臂上； 在該旋轉軸中設置有可供該電氣連接線引出該腔室主體的通道。
  9. 如請求項8所述的製程腔室，其中，在該水平手臂中設置有用於輸送冷卻水的一冷卻通道，且在該旋轉軸中設置有一進水通道和一出水通道，該進水通道和該出水通道各自的第一端分別與該冷卻通道的兩端連接，該進水通道和該出水通道各自的第二端均位於該旋轉軸的位於該腔室主體的外部的部分。
  10. 如請求項1所述的製程腔室，其中，該製程腔室為一沉積腔室。
  11. 一種半導體處理設備，其特徵在於，包括請求項1至請求項10任一項所述的製程腔室。
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