一种半导体生产用温度控制装置及控温工艺的制作方法

本发明涉及半导体生产用，具体涉及一种半导体生产用温度控制装置及控温工艺。

背景技术：

1、半导体晶圆等离子干法刻蚀是芯片制造的核心加工工序，该工艺利用等离子体对晶圆表面进行选择性刻蚀，刻蚀过程中等离子体持续向晶圆释放热量，晶圆温度会直接影响刻蚀速率、线宽均匀度，温度波动容易造成晶圆刻蚀缺陷，因此刻蚀加工时需要对晶圆实施精密温控。

2、而现有晶圆温控装置通常采用固定面积的换热载台，载台内部设有整体浇铸成型、尺寸不可变的单层换热流道，载台与晶圆底部贴合面积固定，换热区域固定不变，由于换热流道加工成型后难以改变，换热面积不能随晶圆实时产热负荷自适应调节，难以适配刻蚀过程中晶圆产热不断变化的加工工况，存在控温精度不足、晶圆温度均匀性较差的技术问题。

技术实现思路

1、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

2、一方面，本发明提供一种半导体生产用温度控制装置，包括外壳，所述外壳内部固定设置有支架，支架上端固定连接底座，底座内周向开设置有若干盲孔，各盲孔内均固定安装有导向销，底座上方设置有用于承载晶圆的载台，导向销上端与载台下表面的滑孔滑动配合，底座内设置有环形的固定围挡与伸缩围挡，固定围挡内侧围合形成第一换热腔，固定围挡上端贴合于载台下表面，伸缩围挡位于固定围挡外侧，伸缩围挡与固定围挡之间围合形成第二换热腔，伸缩围挡上端与载台下表面固定连接，第一换热腔内开设有进液口和第一出液口，第一出液口上安装第一流量控制器，第二换热腔内开设有第二出液口，第二出液口上安装第二流量控制器，第二出液口的出液端连通至第一出液口的管路处。

3、进一步地，所述载台上设置有环形空管，环形空管下侧开设有连通口，连通口与第二换热腔内部连通，环形空管外侧设置有柔性囊，柔性囊内腔通过环形空管与第二换热腔导通。

4、进一步地，所述导向销上套设有弹性件，弹性件下端卡接于导向销的台阶面，弹性件上端卡接于载台下表面，用于为载台提供竖向复位弹力。

5、进一步地，所述底座中心位置开设有安装腔，安装腔下端装配有可拆卸底板，底板通过螺栓固定锁紧，底板上固定安装有温度传感器，温度传感器对应布置在载台下侧位置，用于检测载台实时温度

6、进一步地，所述安装腔上端设置有伸缩密封套，伸缩密封套上端与载台下表面密封固定，伸缩密封套下端固定连接有环形座，环形座固定嵌装于底座内部，通过伸缩密封套实现安装腔的动态密封防护。

7、进一步地，所述环形座外侧转动装配有扰动件，扰动件设置有若干扰动叶片，扰动叶片正对进液口布置，可在液体流入时被动转动。

8、进一步地，所述外壳的外侧安装有冷热一体机，冷热一体机的出液端通过管道与循环泵的进液端连接，循环泵的出液端通过管道与进液口连接，第一出液口通过管道与冷热一体机的进液端连接。

9、进一步地，所述外壳的柜门上安装有主控制器，主控制器分别与第一流量控制器、第二流量控制器电性连接，温度传感器与主控制器信号连接，主控制器依据温度传感器采集的温度信号自适应调节第一出液口和第二出液口的流通开度，自动切换换热工况。

10、进一步地，另一方面，本发明还提供一种控温工艺，根据上述任一项所述的一种半导体生产用温度控制装置，包括以下步骤：

11、s1、设备待机就位，将待加工晶圆放置于载台上，冷热一体机调试至工艺设定温度，循环泵开启并持续向第一换热腔输送恒温换热液体，主控制器依据温度传感器的实时测温信号判断晶圆当前产热负荷；

12、s2、低热负荷单级控温：当检测晶圆温度处于正常工艺区间、产热较小时，主控制器控制第一流量控制器保持全开状态，关闭第二流量控制器，使进液流量与第一出液口排液流量保持匹配，第一换热腔内部压力稳定，载台在弹性件作用下保持低位，仅第一换热腔内部液体循环流动，对晶圆底部进行基础恒温换热；

13、s3、高热负荷双级控温切换：当温度传感器检测晶圆温度偏高、产热增大时，主控制器控制第一流量控制器缩小流通开度，使进入第一换热腔的液体流量短暂大于第一出液口排出的液体流量，第一换热腔内部蓄积液体并抬升腔内压力，液体的压力克服弹性件的弹性支撑力，向上顶推载台沿导向销上移，载台与固定围挡脱离贴合，使第一换热腔与第二换热腔相互连通，换热液体顺势流入第二换热腔内部，并经环形空管充入柔性囊，使柔性囊膨胀并贴合晶圆边缘，扩大整体换热范围，载台抬升到位后进入稳态调节阶段；

14、s4、稳态循环控温：待第二换热腔与柔性囊完全充液后，主控制器同步调节第一流量控制器与第二流量控制器开度，使第一出液口与第二出液口汇流排液量与进液口 的进液流量匹配，实现第一换热腔、第二换热腔液体持续循环更新，扰动件随液流转动扰动液体，保证晶圆刻蚀加工全过程温度均匀稳定；

15、s5、工况自动复位：当晶圆加工结束或产热回落、温度回归正常区间时，主控制器增大第一流量控制器开度，保持第二流量控制器处于开启状态，第一换热腔腔内压力降低，载台在弹性件作用下回落复位，第二换热腔与柔性囊内部液体经由第二出液口排出，待第二换热腔以及柔性囊内液体排空后，主控制器关闭第二流量控制器，装置恢复至单级基础换热状态。

16、有益效果

17、1.本发明通过设置可自适应切换的单级和双级换热结构，依托固定围挡、伸缩围挡、第一流量控制器和第二流量控制器调节进出液流量差值改变腔内液压，实现载台自动升降、柔性囊自适应贴合与脱离晶圆，可根据晶圆实时产热负荷切换换热范围，低热工况采用底部单腔换热，能耗更低、运行稳定，高热工况启动底部与边缘双面换热，扩大换热面积，有效解决了传统温控装置换热范围固定、难以适配晶圆高低温变加工工况的缺陷，提升晶圆加工全程的温度均匀性与控温精度。

18、2.本发明将温度传感器布置在底座中部靠近载台的位置，检测端贴近晶圆，能够实时采集晶圆的真实温度，测温结果更加精准，进一步提升换热调控精度与温控效果，搭配波纹伸缩密封结构、限位滑动导向结构以及闭环循环液冷结构，全程保证换热腔体密封不渗漏、载台升降不偏移，同时配合进水扰动结构使换热液温度分布更加均匀，实现无冲击、平稳可控的工况切换，设备运行稳定性更强，进一步降低晶圆因温度不均产生的加工缺陷，提升半导体晶圆生产良率。

1.一种半导体生产用温度控制装置，包括外壳（1），其特征在于，所述外壳（1）内部固定设置有支架（2），支架（2）上端固定连接底座（3），底座（3）内周向开设置有若干盲孔，各盲孔内均固定安装有导向销（4），底座（3）上方设置有用于承载晶圆的载台（6），导向销（4）上端与载台（6）下表面的滑孔滑动配合，底座（3）内设置有环形的固定围挡（7）与伸缩围挡（9），固定围挡（7）内侧围合形成第一换热腔（8），固定围挡（7）上端贴合于载台（6）下表面，伸缩围挡（9）位于固定围挡（7）外侧，伸缩围挡（9）与固定围挡（7）之间围合形成第二换热腔（10），伸缩围挡（9）上端与载台（6）下表面固定连接，第一换热腔（8）内开设有进液口（13）和第一出液口（14），第一出液口（14）上安装第一流量控制器（18），第二换热腔（10）内开设有第二出液口（15），第二出液口（15）上安装第二流量控制器（19），第二出液口（15）的出液端连通至第一出液口（14）的管路处。

2.根据权利要求1所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述载台（6）上设置有环形空管（11），环形空管（11）下侧开设有连通口，连通口与第二换热腔（10）内部连通，环形空管（11）外侧设置有柔性囊（12），柔性囊（12）内腔通过环形空管（11）与第二换热腔（10）导通。

3.根据权利要求1所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述导向销（4）上套设有弹性件（5），弹性件（5）下端卡接于导向销（4）的台阶面，弹性件（5）上端卡接于载台（6）下表面，用于为载台（6）提供竖向复位弹力。

4.根据权利要求1所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述底座（3）中心位置开设有安装腔（20），安装腔（20）下端装配有可拆卸底板，底板通过螺栓固定锁紧，底板上固定安装有温度传感器（21），温度传感器（21）对应布置在载台（6）下侧位置，用于检测载台（6）实时温度。

5.根据权利要求4所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述安装腔（20）上端设置有伸缩密封套（22），伸缩密封套（22）上端与载台（6）下表面密封固定，伸缩密封套（22）下端固定连接有环形座，环形座固定嵌装于底座（3）内部，通过伸缩密封套（22）实现安装腔（20）的动态密封防护。

6.根据权利要求5所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述环形座外侧转动装配有扰动件（23），扰动件（23）设置有若干扰动叶片，扰动叶片正对进液口（13）布置，可在液体流入时被动转动。

7.根据权利要求1所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述外壳（1）的外侧安装有冷热一体机（17），冷热一体机（17）的出液端通过管道与循环泵（16）的进液端连接，循环泵（16）的出液端通过管道与进液口（13）连接，第一出液口（14）通过管道与冷热一体机（17）的进液端连接。

8.根据权利要求4所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，所述外壳（1）的柜门上安装有主控制器，主控制器分别与第一流量控制器（18）、第二流量控制器（19）电性连接，温度传感器（21）与主控制器信号连接，主控制器依据温度传感器（21）采集的温度信号自适应调节第一出液口（14）和第二出液口（15）的流通开度，自动切换换热工况。

9.一种控温工艺，应用于上述权利要求1-8任意一项所述的一种半导体生产用温度控制装置，其特征在于，包括以下步骤：