半导体工艺腔室和半导体工艺设备的制作方法

1.本实用新型涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺腔室和一种包括该半导体工艺腔室的半导体工艺设备。


背景技术：

2.物理气相沉积(pvd)作为一种薄膜沉积技术，主要用于各种功能薄膜的沉积，被广泛应用于集成电路、太阳能电池、oled、平板显示等泛半导体领域。
3.随着半导体行业的不断发展，半导体器件的制程更加多样化，而无论在哪种制程中，温度控制都是极为重要的一环，直接关系着设备产能和产品良率。在有机发光半导体(organic light-emitting diode，oled)行业相关的物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)设备中，在玻璃基板(glass)进行蒸镀前通常需在真空过渡腔室中利用加热器(heater)将其加热到工艺温度并进行保温，然后通过下游机械手将升温后的玻璃基板放进蒸镀腔室中进行蒸镀。玻璃基板的升温工艺要求玻璃基板在规定的节拍时间(小于60秒，例如，可以是55秒)内被加热到工艺温度，玻璃基板温度的上下波动需控制在工艺误差之内。
4.然而，现有的真空过渡腔室中进行基板升温工艺时，常出现玻璃基板温度偏差过大的问题，极大地影响了设备产能和产品良率。因此，如何提供一种能够精确控制基板温度的半导体工艺腔室，成为本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在提供一种半导体工艺腔室和一种包括该半导体工艺腔室的半导体工艺设备，该半导体工艺腔室能够精确控制基板温度。
6.为实现上述目的，作为本实用新型的一个方面，提供一种半导体工艺腔室，包括腔体、加热器、支撑装置、控制装置、电源和可控硅元件；其中，
7.所述加热器和所述支撑装置设置在所述腔体中，所述支撑装置用于承载基板，所述加热器用于对承载于所述支撑装置上的所述基板进行加热；
8.所述电源用于通过所述可控硅元件向所述加热器提供随时间变化的电源信号；
9.所述控制装置用于在所述支撑装置上承载有所述基板后，控制所述可控硅元件向所述加热器提供随着时间变化的电源信号，以使所述加热器按预设曲线输出逐渐减小的加热功率。
10.可选地，所述控制装置具体用于在所述支撑装置上承载有所述基板后的连续多段加热时段中对所述可控硅元件向所述加热器输出的加热电压进行调节，使所述加热电压在每段所述加热时段中保持为该加热时段的预设电压，其中，多段所述加热时段的预设电压随时间增大递减。
11.可选地，所述控制装置具体用于在所述支撑装置上承载有所述基板后的第一加热时段中控制所述可控硅元件向所述加热器输出第一预设电压，在第二加热时段中控制所述
可控硅元件向所述加热器输出第二预设电压，在第三加热时段中控制所述可控硅元件向所述加热器输出第三预设电压，在第四加热时段中控制所述可控硅元件向所述加热器输出第四预设电压，其中，所述第一预设电压大于所述第二预设电压大于所述第三预设电压大于所述第四预设电压。
12.可选地，所述第一加热时段为10s，所述第一预设电压为最大加热电压的100％；所述第二加热时段为10s，所述第二预设电压为所述最大加热电压的80％；所述第三加热时段为20s，所述第三预设电压为所述最大加热电压的40％；所述第四加热时段为10s，所述第四预设电压为所述最大加热电压的5％。
13.可选地，所述控制装置还用于在非工艺时间控制所述可控硅元件向所述加热器输出预设电源信号，使所述加热器对所述腔体内部进行加热，并将所述腔体的内部温度保持在预热温度。
14.可选地，所述半导体工艺腔室还包括第一测温件和第二测温件，其中，
15.所述第一测温件用于对所述腔体的底壁内侧进行测温，所述控制装置具体用于在非工艺时间，根据所述第一测温件的测温结果控制所述可控硅元件向所述加热器输出预设电源信号，使所述第一测温件的测温结果保持在所述预热温度；
16.所述第二测温件用于在工艺时间实时检测所述基板的温度，并将检测结果反馈至所述控制装置，所述控制装置用于根据所述检测结果控制所述可控硅元件调整输出到所述加热器的电源信号。
17.可选地，所述腔体的侧壁上设置有第一观察窗，所述第一测温件设置在所述腔体的外侧壁上，且用于通过所述第一观察窗对所述腔体的底壁内侧进行测温，所述第一观察窗的材质为锗玻璃；
18.所述腔体的顶部设置有第二观察窗，所述第二测温件设置在所属腔体顶部的外壁上，且用于通过所述第二观察窗对所述基板进行测温，所述第二观察窗的材质为锗玻璃。
19.可选地，所述控制装置包括可编程逻辑控制器和温控器，所述温控器与所述可编程逻辑控制器电连接，且所述温控器与所述可控硅元件的控制端连接，用于调节所述可控硅元件输出的电源信号；
20.所述可编程逻辑控制器用于在所述第一测温件的测温结果超出高温报警温度时，控制所述温控器关闭所述可控硅元件。
21.可选地，所述腔体的底壁上设置有距离检测件，所述距离检测件用于向上进行测距，所述控制装置还用于根据所述距离检测件的测距结果判断所述支撑装置上是否承载有所述基板。
22.作为本实用新型的第二个方面，提供一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括前面所述的半导体工艺腔室。
23.在本实用新型提供的半导体工艺腔室和半导体工艺设备中，半导体工艺腔室的控制装置能够在腔体中传入基板后，控制可控硅元件调节其向加热器提供的电源信号，使加热器输出的加热功率按预设曲线逐渐减小，从而使基板的升温速率随时间增大逐渐减小，提高对基板最终温度进行控制的精确性，进而在保证基板升温效率的同时，提高了基板在升温工艺结束时温度的可控性，保证了半导体工艺设备的产能和基板上制作的半导体器件的产品良率。
附图说明
24.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
25.图1是本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室的结构示意图；
26.图2是本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室的部分结构示意图；
27.图3是本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室中传入基板后的部分结构示意图；
28.图4是现有技术中基板的升温曲线示意图；
29.图5是本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室中基板的升温曲线示意图；
30.图6是本实用新型实施例另一提供的半导体工艺腔室中基板的升温曲线示意图；
31.图7是本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室中观察窗对特定波段红外光的透过率随红外光波长变化而改变的示意图。
具体实施方式
32.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
33.现有的真空过渡腔室通常包括控制电路、固态继电器和加热器，由控制电路根据基板的温度测量反馈结果实时确定加热器的加热时间，并通过固态继电器控制加热器启停，以达到控制基板温度的目的。
34.然而，控制电路只能通过固态继电器控制加热器启动或停止加热，而加热器在启动后也只能以固定功率对基板进行加热，无法实现对基板的升温速率进行有效控制，并且由于加热器对单个基板进行加热的节拍时间较短，为使基板升温温度满足要求，加热器的功率通常较大，以使基板快速升温，进一步提高了对基板温度进行精确控制的难度。
35.此外，由于加热器中的发热器件(如，灯管)功率选型不匹配，容易造成温度过冲，即，使基板温度高于后续工艺(如，蒸镀)的要求温度。然而真空过渡腔室中改变基板温度的部件仅加热器一个，并不能对基板进行制冷，在基板温度过冲后，只能等待基板自然散热。真空环境下基板自然散热使温度降低1℃通常需耗时7分钟左右，远超节拍时间，严重影响生产效率。
36.为解决上述技术问题，作为本实用新型的一个方面，提供一种半导体工艺腔室，如图1至图3所示，该半导体工艺腔室包括腔体10、加热器20、支撑装置、控制装置60、电源(图未示)和可控硅元件70。其中，加热器20和支撑装置设置在腔体10中，支撑装置用于承载基板80，加热器20用于对承载于支撑装置上的基板80进行加热；电源用于通过可控硅元件70向加热器20提供随时间变化的电源信号，控制装置60用于在支撑装置上承载有基板80后，控制可控硅元件70向加热器20提供随着时间变化的电源信号，以使加热器20按预设曲线输出逐渐减小的加热功率。
37.在本实用新型提供的半导体工艺腔室中，控制装置60能够在腔体10中传入基板80后，控制可控硅元件70调节其向加热器20提供的电源信号，使加热器20输出的加热功率按预设曲线逐渐减小，从而使基板80的升温速率随时间增大逐渐减小。如图6所示，基板80在升温工艺开始时以最快速率升温，从而保证在规定的节拍时间内被加热到工艺温度t附近，
在升温工艺即将结束时，即基板80的温度接近工艺温度t时，基板80的升温速率最低，从而可提高对基板80最终温度进行控制的精确性，进而在保证基板80升温效率的同时，提高了基板80在升温工艺结束时温度的可控性，保证了半导体工艺设备的产能和基板80上制作的半导体器件的产品良率。
38.需要说明的是，控制装置60通过调节可控硅元件70的导通角的方式，改变电源通过可控硅元件70向加热器20提供的电源信号。具体地，控制装置60能够检测电源向可控硅元件70输入端输出的电源信号的过零时刻(电源信号为谐振波时每隔半周期一次过零)，在每个过零时刻后的控制角时间(小于半周期)控制可控硅元件70断开，并在该半周期剩余的导通角时间(导通角为控制角的余角，导通角时间为电源信号的半周期时长减控制角时间)控制可控硅元件70打开，从而使检测电源输出的电源信号仅在每半周期的导通角时间内输出至加热器20，改变导通角的大小即可对可控硅元件70向加热器20提供的功率大小进行调节，进而使加热器20输出的加热功率在最大功率的0％至100％之间变化。
39.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图1至图3所示，支撑装置包括多根竖直设置的支撑杆40(pin)，多根支撑杆沿水平方向阵列分布，从而共同对基板80进行支撑并均匀分担基板80的重力，在降低与基板80底部之间的接触面积的同时，保证了基板80的水平度和位置稳定性。
40.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图1至图3所示，加热器20可以包括灯罩和设置在灯罩中的多根红外加热灯管，多根红外加热灯管用于在可控硅元件70输出的电源信号驱动下发射红外光线，灯罩用于对多根红外加热灯管发出的红外光线进行散射，提高红外光线照射在基板80上的均匀性。可选地，如图1至图3所示，灯罩的顶部通过多个真空螺栓21与腔体10的顶壁固定连接。
41.本实用新型实施例对预设曲线的形状不作具体限定，例如，该预设曲线可以为单调递增且斜率逐渐减小的平滑曲线。为简化基板80温度控制曲线的计算步骤，作为本实用新型的一种优选实施方式，控制装置60用于控制可控硅元件70向加热器20输出的功率分时段变化，即，加热功率在每个时段为固定值，且各个时段内的加热功率随时间增加而递减。
42.具体地，控制装置60具体用于在支撑装置上承载有基板80后的连续多段加热时段中对可控硅元件70向加热器20输出的加热电压进行调节，使加热电压在每段加热时段中保持为该加热时段的预设电压，其中，多段加热时段的预设电压随时间增大递减。
43.如图6所示为本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室中可控硅元件70向加热器20输出的功率分时段变化时，基板80的温度随时间变化的一种情况的示意图，在本实用新型实施例中，控制装置60控制加热电压在每段加热时段中保持为该加热时段的预设电压，从而基板80的温度在每段加热时段中匀速上升，基板80的温度控制曲线在每段加热时段中均为(近似)直线，从而简化了对基板80的温度控制曲线的计算步骤，进而提高了温度控制的精确性。
44.作为本实用新型的一种可选实施方式，控制装置60具体用于在支撑装置上承载有基板80后的第一加热时段t1中控制可控硅元件70向加热器20输出第一预设电压，在第二加热时段t2中控制可控硅元件70向加热器20输出第二预设电压，在第三加热时段t3中控制可控硅元件70向加热器20输出第三预设电压，在第四加热时段t4中控制可控硅元件70向加热器20输出第四预设电压，其中，第一预设电压大于第二预设电压大于第三预设电压大于第
四预设电压。
45.考虑到在加热器20对基板80进行加热后，基板80停留在半导体工艺腔室中时，腔体10内部的余温仍会对基板80进行加热，使基板80温度小幅度上升，优选地，如图6所示，多个加热时段的总覆盖时间小于节拍时间t，从而可利用余温加热时间(即，节拍时间t减多段加热时段的差值t5)对基板80进行最后的加热。
46.如图6所示，基板80的温度在第一加热时段t1至第四加热时段t4中分别进行斜率逐渐减小的匀速上升后，在余温加热时间中小幅度升高并最终稳定在工艺温度t(即目标温度)附近，由于基板80的温度在升温工艺即将结束时的斜率最小，因而更容易对基板80的最终温度进行精确控制，将基板80在升温工艺结束时的温度控制在工艺温度t
±
允许温度误差
△
t的范围内。
47.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图6所示，第一加热时段t1为10s(秒)，第一预设电压为最大加热电压的100％(即，可控硅元件70的导通角为π，可控硅元件70向加热器20输出100％电源功率)；第二加热时段t2为10s，第二预设电压为最大加热电压的80％；第三加热时段t3为20s，第三预设电压为最大加热电压的40％；第四加热时段t4为10s，第四预设电压为最大加热电压的5％；可选地，节拍时间t为55s，余温加热时间t5为5s。
48.本实用新型的发明人在研究中发现，基板温度控制困难的另一原因在于，在现有技术中，控制电路通常在一片基板完成升温工艺后，通过固态继电器控制加热器停止加热，在下一片基板放入工艺腔室后再通过固态继电器控制加热器启动。然而，实际使用中，加热器中的灯管在启动时需15秒的启动时间，在基板80进入腔室后固态继电器控制加热器启动，但灯管的温度在前15秒几乎不变，之后才逐渐升高。如图4所示，在升温工艺的节拍时间(即加热时间和保温时间的总和)为55秒的情况下，基板80的实际加热及保温时间只剩下40秒，从而要求基板80的升温速率更快，基板80的升温曲线斜率更大，进一步提高了对基板温度进行精确控制的难度。
49.为解决上述技术问题，作为本实用新型的一种优选实施方式，控制装置60还用于在非工艺时间控制可控硅元件70向加热器20输出预设电源信号，使加热器20对腔体10内部进行加热，并将腔体10的内部温度保持在预热温度。
50.需要说明的是，非工艺时间是指即相邻两片基板80在腔体10中进行升温工艺的时间之间，支撑装置上未放置有基板80的时间，具体为在上一片基板80在腔体10中升温、保温后，机械手由腔体10中取出该基板80的时间点至机械手将下一片基板80放入腔体10中的时间点之间的时间。
51.在本实用新型实施例中，控制装置60还用于在非工艺时间控制可控硅元件70向加热器20输出预设电源信号，使腔体10的内部温度保持在预热温度(如，50℃)，并将加热器20中的加热灯管保持在低功率启动状态，从而如图5所示，在升温工艺开始时，即可使基板80由预热温度开始升温，在相同节拍时间内增大了基板80的实际升温时间，进而减小了基板80的升温曲线斜率(为单独体现非工艺时间预热的效果，本实施例中加热器20输出功率未采用前面实施例中的分段式控制，如本实施例与前面实施例中的输出功率分段式控制方案结合，则可进一步减小升温曲线的斜率)，提高了对基板温度进行控制的精确性。
52.为提高对非工艺时间中基板80的温度进行控制的精确性，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图1至图3所示，半导体工艺腔室还包括第一测温件31，第一测温件31用于
对腔体10的底壁内侧进行测温，控制装置60具体用于在非工艺时间，根据第一测温件31的测温结果控制可控硅元件70向加热器20输出的功率，使第一测温件31的测温结果保持在预热温度。
53.在本实用新型实施例中，半导体工艺腔室还包括第一测温件31，控制装置60在非工艺时间根据第一测温件31对腔体10的底壁内侧进行测温(即对腔体10内部环境进行测温)的测温结果，对加热器20的加热功率进行反馈控制，从而将腔体10的内部温度精确控制在预热温度，保证了升温工艺中起始温度的准确性，进而保证了基板80温度的精确性。
54.为提高第一测温件31的测温精确性，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图1至图3所示，腔体10的侧壁上设置有第一观察窗11，第一测温件31设置在腔体10的外侧壁上，且用于通过第一观察窗11对腔体10的底壁内侧进行测温。
55.在本实用新型实施例中，第一测温件31设置在腔体10的侧壁上，并通过腔体10侧壁上透明的第一观察窗11对腔体10的底壁内侧进行测温，从而避免了腔体10内部环境(如，热辐射)对第一测温件31的测温结果造成影响，提高了第一测温件31的测温精确性。
56.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图1至图3所示，半导体工艺腔室还包括第二测温件32，第二测温件32用于在工艺时间实时检测基板80的温度，并将检测结果反馈至控制装置60，控制装置60用于根据第二测温件32的检测结果控制可控硅元件70调整输出到加热器20的电源信号，以避免基板80温度过高。
57.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图1至图3所示，腔体10的顶部还设置有第二观察窗12，第二测温件32设置在腔体10顶部的外壁上，且用于通过第二观察窗12对基板80进行测温。
58.作为本实用新型的一种可选实施方式，第一测温件31和第二测温件32均为红外测温传感器。
59.作为本实用新型的一种优选实施方式，第一观察窗11和第二观察窗12的材质为锗玻璃。在现有技术中，工艺腔室上透明观察窗的材质通常为高硼玻璃，红外测温传感器发出的红外光线透过高硼玻璃对基板温度进行检测得到的结果与实际温度之间存在一定误差，进而造成温度检测结果不准确。
60.而在本实用新型实施例中，第一观察窗11和第二观察窗12的材质为锗玻璃，红外测温传感器发出的红外光的波长范围为8000-14000nm，如图7所示，锗玻璃材质的观察窗(第一观察窗11、第二观察窗12)对该波段红外光的透过率最高可达到94％，从而大大提升了红外传感器检测腔体10内部结构温度的准确性。
61.作为本实用新型的一种可选实施方式，如图1至图3所示，腔体10的底壁上设置有距离检测件50，距离检测件50用于向上进行测距，控制装置60还用于根据距离检测件50的测距结果判断支撑装置上是否承载有基板80。
62.为提高半导体工艺的安全性，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图1至图3所示，控制装置60包括可编程逻辑控制器61和温控器62，温控器62通过可编程逻辑控制器61与第一测温件31、第二测温件32和距离检测件50电连接，且温控器62与可控硅元件70的控制端连接，用于调节可控硅元件70输出的电源信号；
63.可编程逻辑控制器61用于在第一测温件31的测温结果超出高温报警温度时，控制温控器62关闭可控硅元件70。
64.在本实用新型实施例中，控制装置60包括可编程逻辑控制器61和温控器62，其中温控器62具有温度控制自整定功能，能够实现前面实施例中的输出功率分段式控制方案，而可编程逻辑控制器61能够在可控硅元件70等电器件发生损坏，导致加热器20持续加热腔体10内部温度升高至高温报警温度时，控制温控器62关闭可控硅元件70，从而避免了基板80在过高的温度下损坏，提高了半导体工艺的安全性。
65.为便于操作人员及时发现故障并对故障进行排查，作为本实用新型的一种优选实施方式，可编程逻辑控制器61还用于在第一测温件31的测温结果超出高温报警温度时报警(例如，控制蜂鸣器播放报警铃声、控制报警信号灯亮起或闪烁、控制操作界面弹出报警窗口等)。
66.作为本实用新型的第二个方面，提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备包括本实用新型实施例提供的半导体工艺腔室。
67.在本实用新型提供的半导体工艺设备中，半导体工艺腔室的控制装置60能够在腔体10中传入基板80后，控制可控硅元件70调节其向加热器20提供的电源信号，使加热器20输出的加热功率按预设曲线逐渐减小，从而使基板80的升温速率随时间增大逐渐减小，提高对基板80最终温度进行控制的精确性，进而在保证基板80升温效率的同时，提高了基板80在升温工艺结束时温度的可控性，保证了半导体工艺设备的产能和基板80上制作的半导体器件的产品良率。
68.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。