半导体设备及其温度控制方法与流程

1.本发明涉及一种半导体设备及其温度控制方法。


背景技术：

2.在加工半导体的过程中，对晶圆(wafer)的温度控制非常重要。对晶圆做工艺处理时，一般将晶圆定位于处理腔室的静电夹盘(electrostatic chuck)上。如图1所示，现有的冷却装置1通过向静电夹盘400输送冷却剂来带走制程中产生的热量。冷却剂在循环过程中会气化，因此需要定期补充冷却剂。现有的方式是直接向冷却剂容纳腔11补充冷却剂，但这种方式会影响对晶圆的温度控制的稳定性。


技术实现要素：

3.鉴于上述状况，实有必要提供一种冷却系统及冷却剂的供应方法，以解决上述问题。
4.一种包括冷却系统的半导体设备，所述冷却系统包括:
5.冷却装置，所述冷却装置包括容纳腔、出口端和进料端；所述容纳腔用于存储冷却剂，所述出口端输送存储于所述容纳腔中的冷却剂，所述进料端用于接收补充至所述容纳腔中的冷却剂；
6.所述冷却系统还包括用于供应冷却剂的供应模组，所述供应模组包括进料阀以及控制系统；
7.所述控制系统包括控制模组与第一感测模组，所述第一感测模组用于感测所述供应模组中的冷却剂的第一参数，所述控制模组用于根据所述第一参数判断所述供应模组中的冷却剂是否能与所述容纳腔中的冷却剂混合，并根据判断结果控制所述进料阀的开启与关闭；
8.所述进料阀与所述进料端连接，当所述进料阀开启时，所述供应模组中的冷却剂经由所述进料端向所述容纳腔注入。
9.一种半导体设备温度控制方法，应用于上述半导体设备上，所述半导体设备温度控制方法包括：
10.感测步骤：在所述进料阀关闭的状态下，感测所述供应模组中的冷却剂的参数；
11.进料步骤：在判断参数达到一预定值的情况下，控制进料阀开启，使得供应模组中的冷却剂能够提供至容纳腔中，与容纳腔中的冷却剂相混合；并在判断参数未达到预定值的情况下，维持进料阀的关闭；及
12.冷却步骤：控制循环泵开启，使得所述容纳腔内的冷却剂通向待冷却装置并带走待所述冷却装置处产生的热量后回到所述容纳腔。
13.相较于现有技术，本发明的半导体设备的冷却系统通过在供应模组内设置第一感测模组，感测供应模组中的冷却剂的第一参数，并由控制模组判断第一参数是否达到预定值控制进料阀的开启与关闭，从而避免了将冷却特性不同及温度差过大的冷却剂补充至容
纳腔中，保证了对半导体设备的温度控制的稳定性。
附图说明
14.图1为传统半导体设备省略部分元件的示意图。
15.图2为本发明第一实施例提供的冷却系统的示意图。
16.图3为本发明第二实施例提供的冷却系统的示意图。
17.图4为本发明优选实施例提供的冷却系统的示意图。
18.图5为本发明提供的半导体设备温度控制方法的流程图。
19.主要元件符号说明
20.半导体设备
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500
21.冷却系统
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100
22.冷却装置
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10
24.第二比重感测器
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101
25.第二阻值感测器
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102
26.第二温度感测器
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103
27.第二温度调节器
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104
28.第二低水平感测器
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105
29.容纳腔
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11
30.出口端
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12
31.进料端
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13
32.入口端
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14
33.循环泵
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15
34.供应模组
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21
36.控制系统
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22
37.控制模组
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221
38.第一感测模组
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222
39.第一比重感测器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
201
40.第一阻值感测器
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202
41.第一温度感测器
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203
42.第一温度调节器
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204
43.第一低水平感测器
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205
44.排料阀
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23
45.供应容纳腔
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24
46.晶圆
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300
47.静电夹盘
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400
48.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
50.需要说明的是，当一个元件或组件被认为是“连接”另一个元件或组件，它可以是直接连接到另一个元件或组件或者可能同时存在居中设置的元件或组件。当一个元件或组件被认为是“设置在”另一个元件或组件，它可以是直接设置在另一个元件或组件上或者可能同时存在居中设置的元件或组件。
51.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
52.请参见图2，本发明的第一实施例提供一种半导体设备500，用于对晶圆300作各种半导体工艺处理。可以理解，图2仅作为半导体设备500的示意图，且为了突出本发明的重点，省略了半导体设备的部分功能元件。半导体设备500包括冷却系统100及静电夹盘400。静电夹盘400用于承载晶圆300。冷却系统100用于向静电夹盘400输送冷却剂以带走制程中产生的热量。
53.冷却系统100包括冷却装置1。冷却装置1包括容纳腔11、出口端12、进料端13、入口端14及循环泵15。容纳腔11内预存有冷却剂。出口端12用于输出存储于容纳腔11中的冷却剂至静电夹盘400。进料端13用于接收补充至容纳腔11中的冷却剂。入口端14用于回收使用后的冷却剂，也就是对带走静电夹盘400处产生的热量的冷却剂进行回收。循环泵15分别与出口端12及入口端14连接，用于提供冷却剂通向静电夹盘400的动力。
54.在本实施例中，冷却装置1向定位晶圆300的静电夹盘400输送冷却剂，但不限于此，在其他实施例中，冷却装置1可以向半导体设备500内的任何需要温度控制的元件或装置输送冷却剂。
55.由于直接向容纳腔11补充冷却剂会影响对晶圆的温度控制的稳定性。并且，经过分析影响温度控制的稳定性的因素之一为将不同的冷却剂混合，这将会改变静电夹盘400的温度应答曲线。
56.本发明的冷却系统100还包括供应模组2。供应模组2能够感测并判断供应模组2中的冷却剂的第一参数，且根据判断结果控制是否向冷却装置1补充冷却剂。
57.供应模组2包括进料阀21、控制系统22及排料阀23。进料阀21与进料端13连接，当进料阀21开启时，供应模组2中的冷却剂经由进料端13向容纳腔11注入。排料阀23用于排出供应模组2中的冷却剂。供应容纳腔24用于存储冷却剂。
58.控制系统22包括控制模组221与第一感测模组222。第一感测模组222用于感测供应模组2中的冷却剂的第一参数，该第一参数为能够表征两种冷却剂混合后是否改变冷却特性的参数。在本实施例中，第一参数包括冷却剂的比重与阻值。控制模组221用于根据第一参数判断供应模组2中的冷却剂是否适合与容纳腔11中的冷却剂混合，并根据判断结果控制进料阀21的开启与关闭。
59.第一感测模组222包括第一比重感测器201与第一阻值感测器202。第一比重感测器201用于感测供应模组2中的冷却剂的比重。第一阻值感测器202用于感测供应模组2中的冷却剂的阻值。控制模组221判断第一比重感测器201、第一阻值感测器202分别感测到的供应模组2中的冷却剂的比重和阻值是否达到预定值。如果不是，则控制排料阀23排出供应模组2中的冷却剂；如果是，则控制进料阀21开启。可以理解，所述预定值具有一定的可容许误差。
60.冷却装置1还包括第二感测模组10，第二感测模组10用于感测容纳腔11中的冷却剂的第二参数。对应地，该第二参数为能够表征两种冷却剂混合后是否改变冷却特性的参数。控制模组221接收第二参数，并根据第二参数对进料阀21进行控制。
61.具体地，第二参数包括温度值、比重和阻值中的至少一者。相应地，第二感测模组10包括第二比重感测器101、第二阻值感测器102及第二温度感测器103中的至少一者。第二温度感测器103用于感测容纳腔11中的冷却剂的温度。第二比重感测器101用于感测容纳腔11中的冷却剂的比重。第二阻值感测器102用于感测容纳腔11中的冷却剂的阻值。冷却装置1还包括第二温度调节器104，第二温度调节器104用于调节注入容纳腔11中的冷却剂的温度以使注入容纳腔11中的冷却剂的温度达到与容纳腔11中的冷却剂混合所需的温度。
62.进一步地，控制模组221判断第一比重感测器201、第一阻值感测器202分别感测到的供应模组2中的冷却剂的比重和阻值是否等于或接近第二比重感测器101和第二阻值感测器102分别感测到的容纳腔11中的冷却剂比重和阻值。这里的接近是指，第一比重感测器201、第一阻值感测器202分别感测到的供应模组2中的冷却剂的比重和阻值落在第二比重感测器101和第二阻值感测器102分别感测到的容纳腔11中的冷却剂比重和阻值的前后一定数值范围内，此处的数值范围满足冷却剂相互混合的性质需求；如果不是，则控制排料阀23排出供应模组2中的冷却剂；如果是，则控制进料阀21开启。
63.在一些实施例中，第二感测模组10还包括第二低水平感测器105，第二低水平感测器105用于感测容纳腔11中的冷却剂的量。控制模组221在判断第一参数控制进料阀21的开启与关闭之前还判断感测到容纳腔11中存储的冷却剂的量是否低于预设值。如果感测到容纳腔11中存储的冷却剂的量低于预设值，则控制进料阀21开启；如果未低于预设值，则维持进料阀21的关闭状态。
64.供应模组2还包括提醒元件(图未示)，当判断结果表示供应模组2中的冷却剂与容纳腔11中的冷却剂不宜混合时，提醒元件发出提醒。在一些实施例中，第一感测模组222还包括第一低水平感测器205，第一低水平感测器205用于感测供应模组2中的冷却剂的量。控制模组221还判断感测到供应模组2中的冷却剂的量是否低于预设值。如果感测到供应模组2中的冷却剂的量低于预设值，则控制提醒元件发出提醒，以提示需要向供应模组补充冷却剂。
65.由于在为容纳腔11补充冷却剂时，会存在不同的比重与阻值冷却剂混合导致静电夹盘400的温度应答曲线改变的问题，本发明的第一实施例的冷却系统100通过在供应模组2内设置第一感测模组222，感测供应模组2中的冷却剂的比重与阻值，并由控制模组221判断比重与阻值是否达到预定值再控制进料阀21的开启与关闭，从而避免了将冷却特性不同的冷却剂补充至冷却装置1的容纳腔11中，保证了对静电夹盘400上的晶圆300的温度控制的稳定性。
66.请参见图3，本发明的第二实施例提供一种半导体设备500。经过分析影响温度控制的稳定性的因素包括容纳腔11内的冷却剂与待补充进容纳腔11的冷却剂的温度差，具体地，温度差越大对温度控制的稳定性的影响越大。因此，第二实施例与第一实施例的不同之处在于，第一参数包括冷却剂的温度值。第一感测模组222包括第一温度感测器203。第一温度感测器203用于感测供应模组2中的冷却剂的温度值。第一感测模组222还包括第一温度调节器204，用于调节供应模组2中的冷却剂的温度。控制模组221根据第一温度感测器203感测到的供应模组2中的冷却剂的温度值，控制第一温度调节器204调节供应模组2中的冷却剂的温度。控制模组221判断第一温度感测器203感测供应模组2中的冷却剂的温度值是否达到预定值，如果是，则控制进料阀21开启；如果不是，则控制第一温度调节器204调节供应模组2中的冷却剂的温度达到预定值后，再控制进料阀21开启。
67.本发明的第二实施例的冷却系统100通过在供应模组2内设置第一感测模组222，感测供应模组2中的冷却剂的温度，并调节供应模组2中的冷却剂的温度至预定值，且由控制模组221判断冷却剂的温度达到预定值时控制进料阀21开启，从而避免了将温度差过大的冷却剂补充至冷却装置1的容纳腔11中，保证了对静电夹盘400上的晶圆300的温度控制的稳定性。
68.进一步地，控制模组221判断第一温度感测器203感测到的供应模组2中的冷却剂的温度是否等于或接近第二温度感测器103感测到的容纳腔11中的冷却剂的温度值。这里的接近是指，第一温度感测器203感测到的供应模组2中的冷却剂的温度值落在第二温度感测器103感测到的容纳腔11中的温度值的前后一定数值范围内，此处的数值范围满足冷却剂相互混合的性质需求。
69.请参见图4，本发明的优选实施例提供一种半导体设备500。优选实施例与第一实施例的不同之处在于，第一参数还包括冷却剂的温度值。第一感测模组222还包括第一温度感测器203。第一温度感测器203用于感测供应模组2中的冷却剂的温度值。第一感测模组222还包括第一温度调节器204，用于调节供应模组2中的冷却剂的温度。控制模组221根据第一温度感测器203感测到的供应模组2中的冷却剂的温度值，控制第一温度调节器204调节供应模组2中的冷却剂的温度。
70.控制模组221判断第一比重感测器201、第一阻值感测器202分别感测到的供应模组2中的冷却剂的比重和阻值是否达到预定值。具体地，如果不是，则控制排料阀23排出供应模组2中的冷却剂；如果是，则控制模组221进一步判断第一温度感测器203感测供应模组2中的冷却剂的温度值是否达到预定值。如果是，则控制进料阀21开启；如果不是，则控制第一温度调节器204调节供应模组2中的冷却剂的温度达到预定值后，再控制进料阀21开启。
71.进一步地，控制模组221判断第一比重感测器201、第一阻值感测器202及第一温度感测器203分别感测到的供应模组2中的冷却剂的比重、阻值及温度值是否分别等于或接近第二比重感测器101、第二阻值感测器102及第二温度感测器103分别感测到的容纳腔11中的冷却剂比重、阻值及温度值。这里的接近是指，第一比重感测器201、第一阻值感测器202及第一温度感测器203分别感测到的供应模组2中的冷却剂的比重、阻值及温度值落在第二比重感测器101、第二阻值感测器102及第二温度感测器103分别感测到的容纳腔11中的冷却剂比重、阻值及温度值的前后一定数值范围内，此处的数值范围满足冷却剂相互混合的性质需求；如果不是，则控制排料阀23排出供应模组2中的冷却剂；如果是，则控制进料阀21
开启。具体地，第一温度调节器204及第二温度调节器104可以为帕尔贴制冷器件，还可以为通过热交换、冷媒方式等方式进行温度调节的装置。
72.在一些实施例中，冷却装置1和供应模组2可以集成于同一设备壳体中，且为了控制成本，第一温度调节器204及第二温度调节器104优选为通过热交换、冷媒方式等方式进行温度调节的装置。在一些实施例中，供应模组2还可以设置于冷却装置1外部，且供应模组2还包括多个进料阀21，供应模组2可经由不同的进料阀21向多个冷却装置1供应供应模组2中的冷却剂。当供应模组2设置于冷却装置1外部时，为减小整体所占的空间，第一温度调节器204优选为帕尔贴制冷器件。
73.本发明的优选实施例的冷却系统100通过在供应模组2内设置第一感测模组222，感测供应模组2中的冷却剂的比重、阻值及温度值，且由控制模组221判断冷却剂的比重、阻值及温度值均达到预定值时控制进料阀21开启，从而避免了不同的冷却剂混合以及温度差过大的冷却剂混合对静电夹盘400上的晶圆300的温度控制的稳定性的影响。
74.请参见图5，本发明提供一种半导体设备温度控制方法，应用于半导体设备500，所述温度控制方法包括以下步骤：
75.步骤s201：在进料阀21关闭的状态下，感测供应模组2中的冷却剂的比重和阻值，当感测到供应模组2中的冷却剂的比重与阻值未达到预定值时，执行步骤s3，当感测到供应模组2中的冷却剂的比重与阻值达到预定值时，执行步骤s202；
76.步骤s202：在进料阀21关闭的状态下，感测供应模组2中的冷却剂的温度值，当所述温度值未达到所述预定值时执行步骤s4，当所述温度值达到所述预定值时执行步骤s203；
77.步骤s203：在进料阀21关闭的状态下，感测供应模组2中的冷却剂的量，当感测到供应模组2中的冷却剂的量低于预设值时，执行步骤s5，当感测到供应模组2中的冷却剂的量未低于预设值时，执行步骤s204。
78.步骤s204：感测容纳腔11中的冷却剂的量，当侦测到容纳腔11中存储的冷却剂的量低于预设值时，执行步骤s6，当侦测到容纳腔11中存储的冷却剂的量未低于预设值时维持进料阀的关闭。
79.步骤s3：在进料阀21关闭的状态下，将供应模组2中的冷却剂向外泄放。
80.步骤s4：调节供应模组2中的冷却剂的温度。
81.步骤s5：向供应模组2补充冷却剂。
82.步骤s6：控制进料阀21开启，使得供应模组2中的冷却剂能够提供至容纳腔11中，与容纳腔11中的冷却剂相混合。
83.步骤s7：控制循环泵15开启，使得容纳腔11内的冷却剂通向静电夹盘400并带走静电夹盘400处产生的热量后回到容纳腔11。
84.在一些实施例中，步骤s201、步骤s202及步骤s203的顺序可以互换。比如，步骤s203可以在步骤s201之前执行，此时步骤s202之后接续步骤s204。步骤s201及步骤s202可以跳过其中一个。在步骤s202跳过的情况下，步骤s4可以跳过。在步骤s201跳过的情况下，步骤s3可以跳过。步骤s203可以跳过，在步骤s203跳过的情况下，步骤s5可以跳过。在一些实施例中，循环泵15保持一直开启的状态时步骤s7可以跳过。
85.在本实施例中，向定位晶圆300的静电夹盘400输送冷却剂，但不限于此，在其他实
施例中，可以向半导体设备500内的任何需要温度控制的元件或装置输送冷却剂。
86.本发明的半导体设备温度控制方法通过在向冷却装置1的容纳腔11补充冷却剂之前，感测并判断供应模组2中的冷却剂的参数是否达到一预定值来控制进料阀21的开启与关闭，从而避免将冷却特性不同的冷却剂补充至冷却装置1的容纳腔11中，以及避免将温度差与容纳腔11中的冷却剂过大的冷却剂补充至容纳腔11中，保证了半导体设备的温度控制的稳定性。
87.最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。