晶圆承载装置及半导体工艺设备的制作方法

1.本技术属于半导体工艺设备设计技术领域，具体涉及一种晶圆承载装置及半导体工艺设备。


背景技术：

2.半导体工艺设备(例如刻蚀机)能够加工晶圆。半导体工艺设备包括晶圆承载装置，晶圆承载装置能够承载晶圆，以进行工艺加工(例如刻蚀加工)。在具体的工艺加工过程中，晶圆的温度的均匀性至关重要，晶圆的温度受到晶圆承载装置的影响，晶圆承载装置的温度均匀性是晶圆的温度均匀性的先决条件。
3.如何保证晶圆承载装置的温度均匀性是设计的重点。相关技术涉及晶圆承载装置通过冷却介质通道来调节温度的均匀性。该冷却介质通道的入口和出口均位于晶圆承载装置的边缘，冷却介质从冷却介质通道的入口进入，并流经晶圆承载装置的中心，接着由晶圆承载装置的中心流向位于边缘的出口。此过程中，冷却介质的流经路径非常长，进而导致在流动的过程中冷却介质的温度变化较大，最终较难通过冷却介质使晶圆承载装置达到较好的均温结果。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的是公开一种晶圆承载装置及半导体工艺设备，以解决相关技术中涉及的晶圆承载装置较难实现均温的问题。
5.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
6.第一方面，本技术实施例公开一种晶圆承载装置，包括冷却基座，所述冷却基座设有第一冷却介质入口、多个环状介质通道、多个径向介质通道和第一冷却介质出口；其中：
7.所述第一冷却介质入口位于所述冷却基座的中心，所述多个环状介质通道以所述中心为圆心同心分布，所述第一冷却介质入口与与其相邻的所述环状介质通道之间以及相邻的两个所述环状介质通道之间均通过多个均匀分布的所述径向介质通道连通，所述径向介质通道沿所述环状介质通道的径向延伸；
8.所述第一冷却介质出口与位于所述冷却基座的最外侧的所述环状介质通道连通。
9.第二方面，本技术实施例公开一种半导体工艺设备，包括反应腔室和设置于所述反应腔室内的晶圆承载装置，所述晶圆承载装置为上文所述的晶圆承载装置。
10.本技术采用的技术方案能够达到以下有益效果：
11.本技术实施例公开的晶圆支撑装置在工作时，冷却介质流动的过程是自冷却基座的中心向冷却基座的边缘进行辐射式的流动，与此同时还进行圆周方向的扩散流动，整体而言，冷却介质在从第一冷却介质入口起至第一冷却介质出口的流动过程中以多头并进的方式进行，由此可见，本技术实施例公开的晶圆承载装置能够将一整股冷却介质进行较长路径的流动方式，分隔成多小股冷却介质进行短路径的流动方式，这无疑能够较好地提升冷却介质流动过程中自身温度的一致性，从而提高对冷却基座的均温效果。
附图说明
12.图1是本技术实施例公开的晶圆承载装置的剖视图；
13.图2和图3分别是本技术实施例公开的基座本体的部分结构示意图；
14.图4是本技术实施例公开的基座本体的部分结构的剖视图；
15.图5是本技术实施例公开的回流板的结构示意图；
16.图6是本技术实施例公开的回流板的部分结构示意图；
17.图7是图6的剖视图；
18.图8是本技术实施例公开的晶圆承载装置仿真时的温度分布示意图。
19.附图标记说明：
20.100-冷却基座、110-基座本体、111-底座、120-回流板、121-凸台、122-环状槽、130-隔热层、
21.200-陶瓷层、300-静电吸附电极、400-加热层、410-加热电极、500-换热机、600-输入管道、700-输出管道、
22.101-第一冷却介质入口、102-环状介质通道、103-径向介质通道、104-第一冷却介质出口、105-回流通道、106-第二冷却介质出口、107-第二冷却介质入口、108-第一衔接孔、109-第二衔接孔。
具体实施方式
23.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
25.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例公开的晶圆承载装置及半导体工艺设备进行详细地说明。
26.请参考图1至图8，本技术实施例公开一种晶圆承载装置，所公开的晶圆承载装置是半导体工艺设备的一部分，在工作时，晶圆被承载在晶圆承载装置上进行工艺。本技术实施例公开的晶圆承载装置包括冷却基座100，冷却基座100用于通过冷却的方式实现对整个晶圆承载装置温度的调节，达到均温的目的。
27.冷却基座100是晶圆承载装置的基部，在工作时，冷却介质(例如冷却水、冷却油)会进入到冷却基座100内，并在与冷却基座100进行换热后从冷却基座100排出，达到冷却调温的目的。
28.本技术实施例涉及的冷却基座100开设有第一冷却介质入口101、多个环状介质通道102、多个径向介质通道103和第一冷却介质出口104。
29.第一冷却介质入口101用于通入冷却介质，第一冷却介质入口101位于冷却基座100的中心。冷却基座100通常为圆盘状结构，冷却基座100的中心即为圆盘状结构的圆心。
30.所述的多个环状介质通道102以冷却基座100的中心为圆心同心分布。换言之，冷却基座100开设的所有环状介质通道102均以冷却基座100的中心为圆心，且同心分布，从而构成自冷却基座100的中心向冷却基座100的边缘依次设置多个环状介质通道102的结构。当然，相邻的两个环状介质通道102间隔分布，且远离冷却基座100的中心的一者围绕靠近冷却基座100的中心的另一者。
31.径向介质通道103沿冷却基座100的径向方向延伸，即径向介质通道103沿环状介质通道102的径向延伸。径向介质通道103发挥连通第一冷却介质入口101与与其紧邻的环状介质通道102或连通相邻的两个环状介质通道102的作用。具体的，第一冷却介质入口101与与其相邻的环状介质通道102之间以及相邻的两个环状介质通道102之间均通过多个径向介质通道103连通。当然，连通第一冷却介质入口101与与其相邻的环状介质通道102的多个径向介质通道103均匀分布，连通相邻的两个环状介质通道102的多个径向介质通道103也均匀分布。
32.第一冷却介质出口104与位于冷却基座100的最外侧的环状介质通道102连通，第一冷却介质出口104用于将引导冷却介质从位于冷却基座100的最外侧的环状介质通道102内排出。
33.在具体的工作过程中，冷却介质从第一冷却介质入口101输入到冷却基座100内，接着通过连通第一冷却介质入口101和最内侧的一个环状介质通道102的多个径向介质通道103，被输送至最内侧的环状介质通道102中，再接着通过连通相邻的两个环状介质通道102的另外的多个径向介质通道103被依次输送直至到最外侧的环状介质通道102。当然，在此过程中，冷却介质不但在冷却基座100的径向进行流动，也会在进入到每一道环状介质通道102后沿相应的环状介质通道102的圆周方向流动。
34.有上述工作过程可知，冷却介质流动的过程是自冷却基座100的中心向冷却基座100的边缘进行辐射式的流动，与此同时还进行圆周方向的扩散流动，整体而言，冷却介质在从第一冷却介质入口101起至第一冷却介质出口104的流动过程中以多头并进的方式进行，由此可见，本技术实施例公开的晶圆承载装置能够将一整股冷却介质进行较长路径的流动方式，分隔成多小股冷却介质进行短路径的流动方式，这无疑能够较好地提升冷却介质流动过程中自身温度的一致性，从而提高对冷却基座100的均温效果。
35.连通第一冷却介质入口101与与其相邻的环状介质通道102的多个径向介质通道103构成第一介质通道组，连通相邻的两个环状介质通道102的多个径向介质通道103构成第二介质通道组。在本技术实施例中，径向介质通道103只要能保证连通第一冷却介质入口101与与其相邻的环状介质通道102或者连通相邻的两个环状介质通道102即可。基于此，一种可行的实施例中，第一介质通道组所包含的径向介质通道103与与其相邻的第二介质通道组所包含的径向介质通道103相对分布。当然，相邻的两个第二介质通道组所包含的径向介质通道103也可以相对分布。此种相对分布的方式，较有利于冷却介质自冷却基座100的中心向冷却基座100的边缘流动。
36.当然，如上文所述，冷却介质在自冷却基座100的中心向冷却基座100的边缘流动的过程中，还需要沿环状介质通道102在冷却基座100的圆周方向流动，进而布满环状介质
通道102。基于此，另一种可行的实施例中，第一介质通道组所包含的径向介质通道103与与其相邻的第二介质通道组所包含的径向介质通道103错位分布。还进一步可以是：相邻的两个第二介质通道组所包含的径向介质通道103错位分布。此种错位分布的方式能够缓解冷却介质过快沿冷却基座100的径向流动，使得冷却介质能够更好地在环状介质通道102的圆周方向流动，达到兼顾冷却介质径向流动和周向流动。
37.当然，为了更好地兼顾冷却介质径向流动和周向流动，第一介质通道组所包含的径向介质通道103与与其相邻的第二介质通道组所包含的径向介质通道103部分错位分布，另一部分可以相对分布。同理，相邻的两个第二介质通道组所包含的径向介质通道103中部分错位分布，另一部分可以相对分布。
38.在本技术实施例中，第一介质通道组所包含的径向介质通道103的数量与第二介质通道组所包含的径向介质通道103的数量可以相等，也可以不等，它们之间也无需一定有大小关系。但是，由于越靠近冷却基座100的边缘，环状介质通道102的直径越大，为了较好地实现冷却介质向更大直径的环状介质通道102内输送，一种可选的方案中，连通相邻的两个环状介质通道102的多个径向介质通道103构成第二径向介质通道组，在自冷却基座100的中心至冷却基座100的边缘的第一方向上，各第二径向介质通道组所包含的径向介质通道103的数量递增。在此种情况下，较多数量的径向介质通道103无疑能够提供冷却介质的运输能力。
39.当然，在自冷却基座100的中心至冷却基座100的边缘的第一方向上，各第二径向介质通道组所包含的径向介质通道103的数量可以不全递增，例如，如图2和图3所示，在自冷却基座100的中心至冷却基座100的边缘的第一方向上，各第二径向介质通道组所包含的径向介质通道103的数量依次是4、9、12、12。
40.如上文所述，晶圆承载装置是半导体工艺设备的一部分。在安装完成之后，晶圆承载装置被安装在半导体工艺设备的工艺腔室之内，考虑到工艺空间有限以及避免输送冷却介质的输入管道600及输出管道700占用较大的工艺空间，输送冷却介质的输入管道600和输出管道700尽可能要紧凑，基于此，一种可选的方案中，冷却基座100可以包括基座本体110和回流板120。回流板120开设有回流通道105和第二冷却介质出口106。基座本体110叠置于回流板120上。第一冷却介质入口101、所述的多个环状介质通道102、所述的多个径向介质通道103和第一冷却介质出口104均开设于基座本体110上。
41.第一冷却介质出口104与回流通道105的第一端部连通，回流通道105的第二端部与第二冷却介质出口106连通，第二冷却介质出口106邻近冷却基座100的中心设置。此种结构能够将位于冷却基座100的边缘的第一冷却介质出口104排出的冷却介质通过回流通道105重新引回至靠近冷却基座100的中心的位置，进而能够距离位于冷却基座100的中心的第一冷却介质入口101较近，有利于使得与第一冷却介质入口101的输入管道600和与第二冷却介质出口106的输出管道700紧邻，从而能够缓解两者距离较远而占据较大的工艺空间的问题。
42.在进一步的，半导体工艺设备可以配置有换热机500，输入管道600和输出管道700分别与换热机500连通，换热机500、输入管道600、输出管道700和冷却基座100构成冷却介质循环流动的调温循环结构，最终实现对冷却基座100的均热调节。
43.为了方便回流，第一冷却介质出口104可以为多个，多个第一冷却介质出口104间
隔分布，且沿冷却基座100的圆周方向分布于冷却基座100的边缘。相应地，为了方便冷却介质回流至第二冷却介质出口106，回流通道105也可以为多个，且围绕冷却基座100的中心辐射分布。多个回流通道105与多个第一冷却介质出口104一一对应连通，多个回流通道105的第二端部均与第二冷却介质出口106连通。当然，为了简化结构，第二冷却介质出口106优选为一个。
44.如上文所述，第一冷却介质入口101开设于基座本体110，第一冷却介质入口101设于冷却基座100的中心。只要冷却介质能够输入到第一冷却介质入口101，并从第一冷却介质入口101进入到冷却基座100内的结构即可。当然，在冷却基座100包括回流板120的情况下，回流板120可以包括凸台121，凸台121可以开设有第二冷却介质入口107，第二冷却介质入口107位于冷却基座100的中心，凸台121与基座本体110密封相连，且第二冷却介质入口107与第一冷却介质入口101同轴、且连通。此种结构能够在基座本体110与回流板120叠置的情况下，较直接地在回流板120上再开设第二冷却介质入口107，并通过第二冷却介质入口107向第一冷却介质入口101中间接地输送冷却介质，此种结构能够较直接、并以较短的路径向第一冷却介质入口101中输送冷却介质。
45.在进一步的技术方案中，回流板120可以开设有环状槽122，环状槽122围绕凸台121设置，各回流通道105的第二端部均与环状槽122连通，第二冷却介质出口106开设于环状槽的底壁，从而使得第二冷却介质出口106通过环状槽122与各回流通道105连通。此种通过开设环状槽122来连接所有的回流通道105和第二冷却介质出口106的方式，能够简化连通结构，进而有利于简化晶圆承载装置的结构。
46.由于基座本体110与回流板120叠置，而且与回流通道105连通的第二冷却介质出口106较邻近冷却基座100的中心，为了缓解回流在回流通道105中的冷却介质影响基座本体110的调温。在较为优选的方案中，本技术实施例公开的冷却基座100还可以包括隔热层130，隔热层130设于基座本体110与回流板120之间。隔热层130开设有第一衔接孔108和第二衔接孔109，第一衔接孔108连通第一冷却介质入口101与第二冷却介质入口107，第二衔接孔109连通第一冷却介质出口104和回流通道105。也就是说，隔热层130通过第一衔接孔108和第二衔接孔109的衔接作用而不影响冷却介质流动的情况下，能够隔离回流板120和基座本体110，从而缓解回流板120干扰基座本体110，从而弱化冷却介质的调温效果。
47.具体的，隔热层130可以采用耐高温、导热系数较低的材料(例如陶瓷、高分子材料)制成，进而适应半导体工艺设备内的高温环境的情况下，发挥隔热效果，当然，本技术实施例不限制隔热层130的具体材质。
48.如上文所述，在可选的方案中，第一冷却介质入口101、环状介质通道102、径向介质通道103和第一冷却介质出口104开设于基座本体110上。而且，环状介质通道102和径向介质通道103均为内部通道，在此种情况下，基座本体110可以通过铸造的方式实现制造，在此种情况下，基座本体110可以为整体式的结构。当然，基座本体110还可以采用其他方式实施制造，例如，基座本体110为分体式结构，基座本体110可以包括底座111和顶板，在底座111上依据环状介质通道102和径向介质通道103的布局形状一致的凹槽，顶板与底座111固定相连，从而覆盖在凹槽的槽口，并与凹槽的相应部位各自围成环状介质通道102和径向介质通道103。具体的，顶板可以与底座111的凹槽的槽口所在的表面之间通过粘接密封，且固定连接。此种基座本体110具有方便制造的优势。
49.在本技术实施例中，隔热层130可以通过连接件(如螺纹连接件、铆钉等)实现与基座本体110和回流板120的固定，当然，还可以通过其它方式，例如基座本体110与回流板120固定(例如焊接固定)，隔热层130可以夹设在回流板120和基座本体110之间。一种较为优选的方案中，隔热层130的相背的两侧可以分别与基座本体110和回流板120粘接。采用粘接的方式具有操作简单、连接牢固，而且还不会产生较大的应力等优势。
50.在本技术实施例中，环状介质通道102的横截面的形状可以是矩形、圆形、椭圆形等，本技术实施例不作限制。需要说明的是，环状介质通道102的横截面指的是垂直于环状介质通道102的贯通方向的截面。
51.基于本技术实施例公开的晶圆承载装置，本技术实施例进一步公开一种半导体工艺设备包括反应腔室和设于反应腔室内的晶圆承载装置，晶圆承载装置为上文实施例所述的晶圆承载装置。
52.请再次参考图1，本技术实施例公开的晶圆承载装置还包括陶瓷层200和设于陶瓷层200内的静电吸附电极300，陶瓷层200叠置在冷却基座100上，静电吸附电极300能过实现晶圆在陶瓷层200背离冷却基座100的支撑面上的吸附。当然，陶瓷层200与冷却基座100之间可以设有加热层400，加热层400包括加热电极410，加热层400叠置在陶瓷层200与冷却基座100上。
53.请再次参考图8，在环状介质通道102的横截面形状为矩形，第一冷却介质入口101的横截面的尺寸为4mm
×
3mm，环状介质通道102的横截面的尺寸为3mm
×
3mm，环状介质通道102和第一冷却介质入口101距离冷却基座100的支撑面(用于支撑加热层400的表面)之间的距离为d，且4mm≤d≤5mm，晶圆承载装置的半径为155mm，冷却介质的流量为f1，15l/min≤f1≤18l/min，的情况下，从图8的仿真结果能够得出，晶圆承载装置各部分之间的温度差≤0.5℃，进而满足要求。需要说明的是，横截面为相应的结构在垂直于支撑面的方向截取后形成的截面。图8中，箭头a示意的是晶圆支撑装置的中心至边缘的方向，相应地，61.09℃为仿真过程晶圆支撑装置的中心的温度，61.49℃为仿真过程晶圆支撑装置的边缘的温度。
54.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
55.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。