一种热处理设备工艺门冷却系统及冷却方法与流程

本发明涉及半导体工艺设备领域，具体涉及一种用于热处理设备工艺门冷却系统及冷却方法。

背景技术：

半导体热处理设备是用于晶圆进行氧化、退火、CVD等热处理工艺的半导体设备。半导体热处理设备通过工艺门支撑满载晶圆的石英舟进入和退出反应腔室，在工艺反应腔室内对晶圆进行各种热处理工艺。

通常来说，工艺门上安装有密封圈，用于在工艺阶段使反应腔室内部密封。由于热处理设备通常工作在600℃～1300℃的中高温温度区间，而安装在工艺门上的密封圈的工作温度必须要小于其安全工作温度(通常为320℃)，因而必须对其进行有效的冷却才能保障其正常的密封功能。此外，在工艺门中心还安装磁流体密封装置，用于驱动晶舟按设定速度旋转，以保障工艺过程中晶圆表面成膜的均匀性，磁流体由于其中存在磁流液，也需要对转轴部分进行冷却，防止其温度超过安全工作温度(通常为120℃)导致磁流体受损污染反应腔室，进而导致晶圆产品报废。

现有技术中，冷却密封圈和磁流体密封装置的常规设计方法是在工艺门增加内外双环的冷却循环系统以保障足够的冷却效果，使密封圈和磁流体能够按设计的工作方式安全工作。但是，随着设备应用工艺的扩展，由90/65nm处理工艺向40/28nm工艺升级，如热氧化工艺从原有高温(800℃以上)工作的工艺正在向低温(如700℃或750℃)工艺转化，传统的固定流量式冷却系统设计在低温工艺时会导致额外副产物的生成和反应源的残留，生成的副产物会对工艺门表面及磁流体转轴产生腐蚀等损伤，导致工艺质量不能满足客户要求，严重时会导致整批产品报废。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提出了一种简单可靠的冷却系统实现工艺门内外双环冷却工作模式的切换以使得内外圈冷却管路同时工作或单独工作，从而提高设备的工艺适用性和稳定性，扩展设备竞争力。

为达成上述目的，本发明提供一种热处理设备的工艺门冷却系统，所述热处理设备包括对晶圆进行热处理工艺的反应管、可上下移动的工艺门以及与所述工艺门连接的旋转机构，其中所述工艺门设有用于密封所述工艺门和所述反应管、以及密封所述工艺门和所述旋转机构的密封件。所述工艺门冷却系统包括：设于所述工艺门上的热交换件，其包括冷却液进口、冷却液出口、同心且串联设置的外环冷却管路和内环冷却管路、以及设置于所述外环冷却管路与内环冷却管路之间的开关元件；控制单元，在所述热处理工艺中根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制所述开关元件的导通或关断，以使所述外环冷却管路和/或内环冷却管路中流通冷却液。

进一步的，所述外环冷却管路的输入端与所述冷却液进口相连；所述内环冷却管路的输出端与所述冷却液出口相连；所述开关元件为三通阀，其第一接口连接所述外冷却管路的输出端，第二接口连接所述内环冷却环路的输入端，第三接口连接所述冷却液出口，用于可选择地将所述外环冷却管路的输出端与所述内环冷却管路的输入端或所述冷却液出口连通。

进一步的，所述工艺门冷却系统还包括流量控制器，设置于所述冷却液进口或冷却液出口处，用于在所述热处理工艺中根据所述工艺门的实际温度调整所述热交换件中流通的冷却液的流量。

根据本发明的另一方面，还提供了一种热处理设备的工艺门冷却系统，所述热处理设备包括对晶圆进行热处理工艺的反应管、可上下移动的工艺门以及与所述工艺门连接的旋转机构，其中所述工艺门设有用于密封所述工艺门和所述反应管、以及密封所述工艺门和所述旋转机构的密封件。所述工艺门冷却系统包括：设于所述工艺门上的热交换件，其包括冷却液进口、冷却液出口、同心且并联设置的外环冷却管路和内环冷却管路、设置于所述外环冷却管路和所述冷却液进口之间的第一开关元件、以及设置于所述内环冷却管路和所述冷却液进口之间的第二开关元件；控制单元，在所述热处理工艺中根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制所述第一开关元件和第二开关元件的导通或关断，以使所述外环冷却管路和/或内环冷却管路中流通冷却液。

进一步地，所述第一开关元件为设置于所述外环冷却管路的输入端和所述冷却液进口之间的第一开关控制阀，所述第二开关元件为设置于所述内环冷却管路的输入端和所述冷却液进口之间的第二开关控制阀；所述外环冷却管路的输出端及所述内环冷却管路的输出端均与所述冷却液出口相连；所述控制单元根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度在所述热处理工艺中使所述第一开关控制阀和/或第二开关控制阀导通，以使所述外环冷却液通道和/或内环冷却液通道中流通所述冷却液。

进一步地，所述工艺门冷却系统还包括第一流量控制器和第二流量控制器，其中所述第一流量控制器设置于所述外环冷却管路的输入端/输出端与所述冷却液进口/冷却液出口之间，用于在热处理过程中根据工艺门的实际温度调整所述外环冷却管路中流通的冷却液的流量；所述第二流量控制器设置于所述内环冷却管路的输入端/输出端与所述冷却液进口/冷却液出口之间，用于在热处理过程中根据工艺门的实际温度调整所述内环冷却管路中流通的冷却液的流量。

进一步地，所述工艺门冷却系统还包括设置于所述工艺门表面的温度传感器，用于测量所述工艺门的实际温度。

进一步地，所述温度传感器包括径向距离所述外环冷却管路1-2cm的第一组温度传感器，和径向距离所述内环冷却管路1-2cm的第二组温度传感器。

进一步地，所述工艺门冷却系统还包括设置于所述冷却液出口处的温度压力监测单元，用于监测所述热交换件中流通的冷却液的温度和压力。

根据本发明的另一方面，还提供了一种热处理设备的工艺门冷却方法，所述热处理设备包括对晶圆进行热处理工艺的反应管、可上下移动的工艺门以及与所述工艺门连接的旋转机构，其中所述工艺门设有用于密封所述工艺门和所述反应管、以及密封所述工艺门和所述旋转机构的密封件所述工艺门冷却方法包括以下步骤：

S1：在所述工艺门上设置热交换件，所述热交换件包括冷却液进口、冷却液出口、同心且串联设置的外环冷却管路和内环冷却管路、以及设置于所述外环冷却管路与内环冷却管路之间的开关元件；以及

S2：在所述热处理工艺中，根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制所述开关元件的导通或关断使所述外环冷却管路和/或内环冷却管路中流通冷却液。

进一步地，步骤S2还包括：在所述热处理工艺中根据所述工艺门的实际温度调整所述热交换件中流通的冷却液的流量，其中通过在步骤S1中在所述冷却液进口或冷却液出口处设置流量控制器以调整所述冷却液的流量。

进一步地，所述外环冷却管路的输入端与所述冷却液进口相连；所述内环冷却管路的输出端与所述冷却液出口相连；所述开关元件为三通阀，第一接口连接所述外冷却管路的输出端，第二接口连接所述内环冷却环路的输入端，第三接口连接所述冷却液出口；步骤S2中根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度使所述三通阀将所述外环冷却管路的输出端与所述内环冷却管路的输入端或所述冷却液出口连通。

根据本发明的另一方面，还提供了一种热处理设备的工艺门冷却方法，所述热处理设备包括对晶圆进行热处理工艺的反应管、可上下移动的工艺门以及与所述工艺门连接的旋转机构，其中所述工艺门设有用于密封所述工艺门和所述反应管、以及密封所述工艺门和所述旋转机构的密封件。所述工艺门冷却方法包括以下步骤：

S1：在所述工艺门上设置热交换件，所述热交换件包括冷却液进口、冷却液出口、同心且并联设置的外环冷却管路和内环冷却管路、设置于所述外环冷却管路与所述冷却液进口之间的第一开关元件、以及设置于所述内环冷却管路与所述冷却液进口之间的第二开关元件；以及

S2：在所述热处理工艺中，根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制所述第一开关元件和第二开关元件的导通或关断，以使所述外环冷却管路和/或内环冷却管路中流通冷却液。

进一步地，所述第一开关元件为设置于所述外环冷却管路的输入端和所述冷却液进口之间的第一开关控制阀，所述第二开关元件为设置于所述内环冷却管路的输入端和所述冷却液进口之间的第二开关控制阀；所述外环冷却管路的输出端及所述内环冷却管路的输出端均与所述冷却液出口相连；步骤S2中根据所述热处理工艺不同工艺步骤的设定温度使所述第一开关控制阀和/或第二开关控制阀导通，以使所述外环冷却液通道和/或内环冷却液通道中流通所述冷却液。

进一步地，步骤S2还包括：在所述热处理工艺中根据所述工艺门的实际温度分别调整所述外环冷却管路和内环冷却管路中流通的冷却液的流量，其中通过在步骤S1中在所述外环冷却管路的输入端/输出端与所述冷却液进口/冷却液出口之间设置第一流量控制器、在所述内环冷却管路的输入端/输出端与所述冷却液进口/冷却液出口之间设置第二流量控制器以分别调整所述冷却液的流量。

进一步地，步骤S2中通过设置于所述工艺门表面的温度传感器测量所述反应管对所述晶圆进行热处理时所述工艺门的实际温度。

进一步地，步骤S2还包括监测所述热交换件中流通的冷却液的温度和压力。

本发明的优点在于，通过内外双环冷却管路工作模式的切换，可使内外圈冷却管路同时工作或仅外圈或内圈冷却管路单独工作，在保障密封圈和磁流体密封装置正常安全工作的同时，根据工艺温度要求调整冷却模式，提高设备能够承载的工艺温度范围，提升设备的使用效率和竞争力。此外，本发明还利用流量控制器实现内外双环冷却管路中冷却液流量的准确控制，可以精确实现工艺门冷却系统中冷却液的准确流量控制，使冷却液流量不受厂务变化影响，达到设备正常运行温度范围内工艺门表面温度分布的稳定、准确控制，提供工艺质量稳定性的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的热处理设备工艺门与反应管的安装示意图；

图2为本发明一实施例的工艺门冷却系统外环冷却管路和内环冷却管路同时流通冷却液的示意图；

图3为本发明一实施例的工艺门冷却系统仅外环冷却管路流通冷却液的示意图；

图4为本发明一实施例的工艺门冷却系统热交换元件的三通阀连通方式的示意图；

图5为本发明一实施例的工艺门冷却系统热交换元件的安装立体示意图；

图6为本发明一实施例的工艺门冷却系统热交换元件的安装剖视图；

图7为本发明另一实施例的热处理设备工艺门与反应管的安装示意图；

图8为本发明另一实施例的工艺门冷却系统外环冷却管路和内环冷却管路同时流通冷却液的示意图；

图9为本发明另一实施例的工艺门冷却系统仅外环冷却管路流通冷却液的示意图；

图10为本发明另一实施例的工艺门冷却系统仅内环冷却管路流通冷却液的示意图；

图11为本发明另一实施例的工艺门冷却系统热交换元件的安装立体示意图；

图12为本发明另一实施例的工艺门冷却系统热交换元件的安装剖视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的工艺门冷却系统应用于热处理设备的工艺门。其中，热处理设备包括对晶圆进行热处理工艺的反应管、可上下移动的工艺门以及与工艺门连接的旋转机构。反应管为纵长圆管状，其底部具有开口，反应管的内部空间形成热处理腔室。反应管底部开口用于加载和卸载晶圆。工艺门设置于反应管的下方，其可上下移动从而关闭或开放反应管的底部开口。其中，工艺门是通过升降机构进行升降移动。工艺门的上部，设置保温桶和晶舟，晶舟以规定间隔在垂直方向上保持多个晶圆。此外，工艺门还与旋转机构连接，旋转机构使得工艺门上的晶舟绕其旋转轴心旋转。当要进行热处理工艺前，晶舟随着工艺门的上升移动进入反应管内部；当整个热处理完成后，晶舟随着工艺门的下降移动而从反应管内卸载。工艺门上表面设置有O形环(图6和图12中的标号11)，其作为用于密封工艺门和反应管底部开口之间的环状密封件。此外，在工艺门下面设置有磁流体密封装置，其作为用于密封工艺门和贯穿工艺门的旋转轴磁流体(图6和图12中的标号12)之间的密封件。为了防止O形环和/或磁流体密封装置过热，本发明提供了一种工艺门冷却系统。

请参见图1-6，其显示了本发明第一实施例的工艺门冷却系统，其用于冷却包括反应管1的热处理设备的工艺门2。工艺门冷却系统包括设于工艺门上的热交换件和控制单元。其中，热交换件包括冷却液进口5、冷却液出口6、同心且串联设置的外环冷却管路3和内环冷却管路4、以及设置于外环冷却管路与内环冷却管路之间的开关元件7。在热处理工艺中，控制单元根据反应管对晶圆进行热处理工艺的不同工艺步骤的设定温度控制开关元件的导通或关断，以使外环冷却管路和内环冷却管路同时流通冷却液，或仅其中一个单独流通冷却液，以适应不同工艺步骤所设定的热处理温度的变化。

如图所示，本实施例中，开关元件7为三通阀，外环冷却管路3的输入端与冷却液进口5相连，内环冷却管路4的输出端与冷却液出口6相连，三通阀的第一接口连接外冷却管路3的输出端、第二接口连接内环冷却环路4的输入端、第三接口连接冷却液出口6。由此，通过三通阀可选择地将外环冷却管路3的输出端与内环冷却管路4的输入端连通或者将外环冷却管路3的输出端与冷却液出口6连通，如图5所示。图2所示为外环冷却管路和内环冷却管路同时流通冷却液的示意图，冷却液自冷却液进口5进入外环冷却管路3，再通过三通阀进入内环冷却管路4，最终从冷却液出口6输出。图3所示为仅外环冷却管路流通冷却液的示意图，冷却液自冷却液进口5进入外环冷却管路3后，由于三通阀隔断了内外环冷却管路之间的连通而使外环冷却管路3的输出端与冷却液出口6连通，因此冷却液再流过外环冷却管路3后直接通过冷却液出口6输出。需要注意的是，三通阀的切换动作由控制单元来控制。具体地，控制单元包括读取模块、存储模块和控制模块。一般在热处理工艺开始前，就已经在工艺文件中设定了各个热处理工艺步骤的温度。例如整个热处理工艺包括多个工艺步骤，其中第一工艺步骤为高温热处理，设定温度为800℃-900℃、第二工艺步骤为低温热处理，设定温度为650℃-750℃。控制单元的读取模块读取这些预先设定好的各热处理工艺步骤的温度设定值，存储模块存储每个工艺步骤的设定温度与三通阀切换状态的对应关系，例如三通阀切换的温度为750℃，当设定温度低于等于750℃时，三通阀的切换状态为第一接口和第三接口连通；当设定温度高于750℃时，三通阀的切换状态为第一接口和第二接口连通。控制模块根据存储模块读取的各热处理工艺步骤的温度设定值以及存储模块存储的对应关系，在实际热处理工艺中决定三通阀的切换动作。例如，在工艺菜单中当前工艺步骤的设定温度为低于等于750℃时，控制模块将三通阀的第一接口和第三接口连通，使得仅外环冷却管路中流通冷却液，也即是仅外环冷却环路起到冷却作用；在工艺菜单中当前工艺步骤的设定温度高于750℃时，控制模块将三通阀的第一接口和第二接口连通，使得内外环冷却管路中均流通冷却液，两者同时起到冷却作用。由以上可知，本发明可根据热处理工艺中各个工艺步骤的设定温度自动调节内外环冷却方式，提高了热处理设备能够承载的工艺温度范围，提升设备的使用效率和竞争力。

较佳地，工艺门冷却系统还包括流量控制器，其设置于冷却液进口或冷却液出口处，用于在热处理过程中根据工艺门的实际温度调整热交换件中流通的冷却液的流量。如图2和图3所示，本实施例中流量控制器8设置于冷却液进口5处，但在其它实施例中其也可以设置在冷却液出口处。本实施例中，通过在工艺门表面上设置多个温度传感器9来测量热处理工艺过程中工艺门的实际温度。如图所示，温度传感器9分为内外两组，第一组靠近外环冷却管路3，以径向距离外环冷却管路1-2cm为宜；第二组靠近内环冷却管路4，以径向距离内环冷却管路1-2cm为宜。较佳地，温度传感器9的位置是可调的。由此，通过温度传感器的反馈，流量控制器可以实时调整进入工艺门的冷却液整体流量，实现工艺门的温度调节。进一步优选地，工艺门冷却系统还包括设置于冷却液出口处的温度压力监测单元10，用于监测热交换件中流通的冷却液的温度和压力，不仅可以监测冷却液的工作效果还可以防止冷却系统的压力过高导致设备出现危险。

对应于上述工艺门冷却系统，本发明还提供了一种工艺门冷却方法，包括以下步骤：

S1：在工艺门上设置热交换件，其中热交换件包括冷却液进口、冷却液出口、同心且串联设置的外环冷却管路和内环冷却管路、以及设置于外环冷却管路与内环冷却管路之间的开关元件；

S2：在热处理工艺中，根据热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制开关元件的导通或关断使所述外环冷却管路和/或内环冷却管路中流通冷却液。

优选地，步骤S2还包括在热处理工艺中根据工艺门的实际温度调整热交换件中流通的冷却液的流量，以及监测热交换件中流通的冷却液的温度和压力。其中，通过在步骤S1中在冷却液进口或冷却液出口处设置流量控制器以调整冷却液的流量。

接下来将结合图7-12对本发明的第二实施例加以说明。

本实施例中，工艺门冷却系统包括设于工艺门上的热交换件和控制单元。其中，热交换件包括冷却液进口5、冷却液出口6、同心且并联设置的外环冷却管路3和内环冷却管路4、设置于外环冷却管路3和冷却液进口5之间的第一开关元件7a、以及设置于内环冷却管路4和冷却液进口5之间的第二开关元件7b。控制单元，在热处理工艺中根据热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制第一开关元件7a和第二开关元件7b的导通或关断，以使外环冷却管路3和/或内环冷却管路4中流通冷却液。

如图所示，本实施例的开关元件有两个，分别是设置于冷却液进口5和外环冷却管路3的输入端之间的第一开关控制阀，以及设置于冷却液进口5和内环冷却管路4的输入端之间的第二开关控制阀。此外，外环冷却管路3的输出端及内环冷却管路4的输出端均与冷却液出口6相连。通过这两个开关控制阀可以分别控制内外环冷却管路与冷却液进口3的连通或隔断，以切换不同的冷却管路工作方式。其中，两个开关控制阀的开闭动作也是由控制单元来控制。具体地，控制单元包括读取模块、存储模块和控制模块。一般在热处理工艺开始前，就已经在工艺文件中设定了各个热处理工艺步骤的温度。例如整个热处理工艺包括多个工艺步骤，其中第一工艺步骤为高温热处理，设定温度为850℃-950℃、第二工艺步骤为中温热处理，设定温度为750℃-850℃、第三工艺步骤为低温处理，设定温度为650℃-750℃。控制单元的读取模块读取这些预先设定好的各热处理工艺步骤的温度设定值，存储模块存储每个工艺步骤的设定温度与两个开关控制阀的开闭状态的对应关系，如当设定温度为650℃-750℃(含750℃)时第二开关控制阀导通、第一开关控制阀关断；当设定温度为750℃-850℃(含850℃)时第一开关控制阀导通、第二开关控制阀关断；当设定温度为850℃-950℃(含950℃)时两个开关控制阀均导通。控制模块根据存储模块读取的各热处理工艺步骤的温度设定值以及存储模块存储的对应关系，在实际热处理工艺中决定两个开关控制阀的导通和关断状态。例如，在工艺菜单中当前工艺步骤的设定温度为750℃时，仅内环冷却管路流通冷却液，如图10所示；850℃时第一开关控制阀导通、第二开关控制阀关断，仅外环冷却管路流通冷却液，如图9所示；950℃时两个开关控制阀均导通，内外环冷却管路均流通冷却液，如图8所示。由此，当实际热处理工艺中，控制单元根据工艺菜单中当前工艺步骤的设定温度相应控制两个开关控制阀的开闭状态，来实现内外环冷却方式的自动调节。

如图所示，较佳地，工艺门冷却系统还包括两个流量控制器8a和8b。其中，第一流量控制器8a设置于外环冷却管路3的输出端与冷却液出口6之间，用于在热处理过程中根据工艺门的实际温度调整外环冷却管路中流通的冷却液的流量；第二流量控制器8b设置于内环冷却管路4的输出端与冷却液出口6之间，用于在热处理过程中根据工艺门的实际温度调整内环冷却管路中流通的冷却液的流量。当然，在其它实施例中流量控制器8a也可以设置于外环冷却管路3的输入端与冷却液进口5之间，流量控制器8b也可以设置于内环冷却管路4的输入端与冷却液进口5之间。通过在每个冷却管路中单独增加流量控制器，在指定的供给压力范围内可以准确控制进入每个冷却管路的冷却液流量，使得冷却液供给不受外部厂务及设备冷却系统整体变化的影响，保障工艺质量的稳定性和设备的安全性。本实施例中，通过在工艺门表面上设置多个温度传感器9来测量热处理工艺过程中工艺门的实际温度。如图所示，温度传感器9分为内外两组，第一组靠近外环冷却管路3，以径向距离外环冷却管路1-2cm为宜；第二组靠近内环冷却管路4，以径向距离内环冷却管路1-2cm为宜。较佳地，温度传感器9的位置是可调的。进一步优选地，工艺门冷却系统还包括设置于冷却液出口处的温度压力监测单元10，用于监测热交换件中流通的冷却液的温度和压力，不仅可以监测冷却液的工作效果还可以防止冷却系统的压力过高导致设备出现危险。

对应于本实施例的工艺门冷却系统，本发明还提供了一种工艺门冷却方法，包括以下步骤：

S1：在工艺门上设置热交换件；

热交换件包括冷却液进口、冷却液出口、同心且并联设置的外环冷却管路和内环冷却管路、设置于外环冷却管路与冷却液进口之间的第一开关元件、以及设置于内环冷却管路与冷却液进口之间的第二开关元件；

S2：在热处理工艺中，根据热处理工艺不同工艺步骤的设定温度控制第一开关元件和第二开关元件的导通或关断，以使外环冷却管路和/或内环冷却管路中流通冷却液。

优选地，步骤S2还包括在热处理工艺中根据工艺门的实际温度分别调整外环冷却管路和内环冷却管路中流通的冷却液的流量，以及监测热交换件中流通的冷却液的温度和压力。其中，通过在步骤S1中在外环冷却管路的输入端/输出端与冷却液进口/冷却液出口之间设置第一流量控制器、在内环冷却管路的输入端/输出端与所述冷却液进口/冷却液出口之间设置第二流量控制器以分别调整两个冷却管路中冷却液的流量。

综上所述，相较于现有技术，本发明通过内外双环冷却管路工作模式的切换，可使内外圈冷却管路同时工作或仅外圈或内圈冷却管路单独工作，在保障密封圈和磁流体密封装置正常安全工作的同时，根据工艺温度要求自动调整冷却模式，提高设备能够承载的工艺温度范围，提升设备的使用效率和竞争力。此外，本发明还利用流量控制器实现内外双环冷却管路中冷却液流量的准确控制，可以精确实现工艺门冷却系统中冷却液的准确流量控制，使冷却液流量不受厂务变化影响，达到设备正常运行温度范围内工艺门表面温度分布的稳定、准确控制，提供工艺质量稳定性的目的。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。