晶圆冷却装置的制作方法

本实用新型涉及半导体设备领域，特别是涉及一种晶圆冷却装置。

背景技术：

随着科技的快速发展，高科技电子产品使用于日常生活中已是相当普遍，例如手机、主板、数字相机等电子产品，该类电子产品内部皆装设并布满许多IC半导体，而IC半导体的材料来源就是晶圆，为了能够应各式高科技电子产品的大量需求，故晶圆加工产业皆以如何更加快速且精确制造出晶圆为目标，不断地进行研发与改良突破。

晶圆的加工程序繁复且精密，大致上包括有：微影、蚀刻、扩散、离子布植、薄膜等过程，其中很多都属于高温工艺过程，晶圆在经过高温工艺后，一般都需要快速冷却至室温或工艺要求的晶圆材料温度后，才能进行后续的工艺。以高温快速热退火工艺为例，高温快速热退火工艺可以达到释放应力、激活元素等的目的，而在高温快速热退火工艺后，需要将具有高温的晶圆传输至冷却腔体，然后采用冷却水冷却晶圆，这种传输冷却方式存在很多弊端，需要额外增加传输设备组件，提高生产成本；且在传输过程中以及使用冷却水冷却过程中，容易产生污染，降低良率；从工艺腔体传输至冷却腔体进行冷却，影响设备的正常运行时间，降低机台的产能。晶圆加工的很多高温工艺多采用上述冷却方式进行晶圆冷却。

因此，有必要提出一种晶圆冷却装置，以解决现有的晶圆冷却方式成本较高、容易产生污染以及产能低的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种晶圆冷却装置，用于解决现有技术中的晶圆冷却装置成本较高、容易产生污染以及产能低等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种晶圆冷却装置，所述晶圆冷却装置包括：

晶圆承载盘；

与所述晶圆承载盘密封连接的冷却腔；

设置于所述冷却腔内的毛细管路，所述毛细管路具有进气口及出气口且在立体空间呈盘绕结构；

与所述进气口连接的高压气体管路；

与所述出气口连接的排气气体管路；

与所述高压气体管路连接的高压气体源。

可选地，所述毛细管路设置为至少两层。

可选地，所述冷却腔内均匀设置有至少两个所述毛细管路。

可选地，所述毛细管路的外部设置有散热部件。

进一步地，所述毛细管路在立体空间呈螺旋盘绕结构。

进一步地，所述散热部件呈片状设置于所述毛细管路长度方向的相对两侧。

可选地，所述毛细管路在立体空间呈涡旋盘绕结构。

进一步地，所述散热部件呈环状设置于所述毛细管路的横截面外围。

进一步地，所述毛细管路的横截面外围设置有至少两个所述散热部件。

可选地，所述高压气体源包括氮气。

如上所述，本实用新型的晶圆冷却装置，具有以下有益效果：采用本方案的晶圆冷却装置，由于晶圆冷却过程中不需要接触其他冷媒，比如冷却液，晶圆转移臂等外界物质，可降低晶圆的污染风险；另外，该晶圆冷却装置可直接集成在工艺腔体中，当需要冷却晶圆时，不必将晶圆转移至专门的晶圆冷却装置，降低提供专门晶圆冷却装置的设备成本，同时可提高产能。

附图说明

图1显示为本实用新型的晶圆冷却装置一实施例的结构示意图。

图2显示为本实用新型的晶圆冷却装置的另一实施例的俯视图。

图3显示为图2所示的晶圆冷却装置的主视图。

图4-图5显示为焦耳-汤姆逊节流膨胀原理图，其中图4显示为节流膨胀的初态图，图5显示为节流膨胀的末态图。

元件标号说明

10 晶圆

1 晶圆承载盘

2 冷却腔

3 毛细管路

31 进气口

32 出气口

4 高压气体管路

5 排气气体管路

6 高压气体源

7 散热部件

71 散热片固定索道

81 管道

82 多孔塞

83 活塞

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1至图3所示，本实用新型提供一种晶圆冷却装置，所述晶圆冷却装置包括：

晶圆承载盘1；

与所述晶圆承载盘1密封连接的冷却腔2；

设置于所述冷却腔2内的毛细管路3，所述毛细管路3具有进气口31及出气口32且在立体空间呈盘绕结构；

与所述进气口31连接的高压气体管路4；

与所述出气口32连接的排气体管路5；

与所述高压气体管路4连接的高压气体源6。

这里需要说明得是，所述晶圆承载盘1与所述冷却腔2的作用是用于承载晶圆10并形成冷却晶圆10的密封空间，所以所述晶圆承载盘1可与所述冷却腔2一体成型，也可是分离状态，只要在冷却晶圆10时，两者之间可形成密封空间即可。

本实用新型的晶圆冷却装置主要运用了焦耳-汤姆逊节流膨胀原理(J-T效应)的致冷效应。所谓焦耳-汤姆逊节流膨胀原理是指，气体通过多孔塞或阀门从高压到低压作不可逆绝热膨胀时温度发生变化的现象，在常温下，许多气体在膨胀后温度降低，称为冷效应或正效应；温度升高称为热效应或负效应。J-T阀就是焦耳-汤姆逊节流膨胀阀，利用焦耳-汤姆逊节流膨胀原理设计的节流阀门，简单的说通过节流减压使加压气体膨胀而产生低温。

以下简单描述下焦耳-汤姆逊节流膨胀原理的制冷机理。如图4至图5所示，在绝热良好的管道81中间，放置一个用多孔物质制成的多孔塞82，通过活塞83在所述多孔塞82左边的管道81，将进口压强为P1，温度为T1，体积为V1的气体在恒压下持续不断地通过所述多孔塞82压入所述多孔塞82右边的管道81，所述气体压强变为P2，温度变为T2，体积变为V2，该过程的节流膨胀过程的热力学特征，可用热力学第一定律分析：

由于节流膨胀过程(从初态至末态)为绝热过程；

故Q＝0

该过程的总功W是左侧活塞推送V1体积的气体通过多孔塞时所作的功与进入右侧V2体积的气体推动活塞所做的功的代数和；

故W＝P1V1+P2V2

将Q及W的关系带入热力学第一定律的数学式，可得：

U2-U1＝0-(-P1V1+P2V2)

即U2+P2V2＝U1+P1V1

即H2＝H1

上式说明节流膨胀过程始末态焓值相等，为等焓过程。因此，理想气体经节流膨胀是不会发生温度变化的，而真实的气体态焓是温度与压力的函数，故节流膨胀使压力改变ΔP＝P2-P1时，将引起温度改变ΔT＝T2-T1。过程中温度随压力的变化率可表示为(ΔT/ΔP)H，下标H表示等焓过程，针对物系的某一状态来说，这种变化率可表示为μ＝(dT/dP)H，式中μ称焦耳-汤姆逊系数，或称节流膨胀系数。由于膨胀过程dP总是负值，所以μ值为正时dT应与dP同号，即dT为负值，这就表示节流引起了致冷效应。

本实用新型中通过将所述冷却腔2内的毛细管路3设置为在立体空间呈盘绕结构，当高压气体源6通过高压管路4进入所述在立体空间呈盘绕结构的毛细管路3会产生气流阻抗变化，气流阻抗的变化即相当于所述多孔塞82的作用，使前进中的气流温度降低，而不断变化的气流阻抗，相当于管路中存在无数个多孔塞82，使前进中的气流温度不断降低。高温晶圆10通过所述晶圆承载盘1将热量传递至所述毛细管路3中，并通过所述毛细管路3逐步将晶圆10的温度降低，以达到目标温度要求，而通过所述毛细管路3后的低压气体则通过所述排气体管路5排出。采用本方案的晶圆冷却装置，由于晶圆冷却过程中不需要接触其他冷媒，比如冷却液，晶圆转移臂等外界物质，降低晶圆的污染风险；另外，该晶圆冷却装置可直接集成在工艺腔体中，当需要冷却晶圆时，不必将晶圆转移至专门的晶圆冷却装置，降低提供专门晶圆冷却装置的设备成本，同时可提高产能。

为了图示方便，图1至图3中的所述毛细管路3均显示为一层管路，但实际应用中，所述毛细管路3也可以设置为两层或两层以上，这可进一步缩短晶圆冷却时间，提高产能。而具体所述毛细管路3设置的层数可根据不同的工艺需求决定，在此不做限制。

所述毛细管路3在所述冷却腔2内的设置方式也不做限制，例如图1所示，所述毛细管路3竖直设置在所述冷却腔2内；如图2所示，所述毛细管路3水平设置在所述冷却腔2内。

作为示例，所述冷却腔2内均匀设置有至少两个所述毛细管路3，可进一步缩短晶圆冷却时间的同时也可提高晶圆冷却的均匀度。如图2所示，所述冷却腔2内均匀设置有5个所述毛细管路3，而具体所述毛细管路3设置的个数可根据不同的工艺需求决定，在此不做限制。

作为示例，如图1至图3所示，所述毛细管路3的外部设置有散热部件7，用于调节所述毛细管路3的温度，提高所述毛细管路3的寿命。这里不限制所述散热部件7的具体形式，可以是全部或部分包裹所述毛细管理3，另外，可以与所述毛细管路3接触也可以间隔一定距离，其形式可以根据使用的所述毛细管路3的盘绕形式做具体选择。

这里需要说明的是，所述毛细管路3设置为在立体空间呈盘绕结构，所述盘绕结构的横截面可以呈任何形状，只要可以实现使通入所述毛细管路3中的气流阻抗逐渐减小的效果即可。例如，所述盘绕结构的横截面可以为矩形、方形、梯形或圆形等等。

优选地，如图1所示，所述毛细管路3在立体空间呈涡旋盘绕结构，即所述盘绕结构的横截面为圆形，所述散热部件7通过散热片固定索道71呈环状固定于所述毛细管路3的横截面外围。为了进一步提高所述毛细管路3的寿命，所述毛细管路3的横截面外围设置有至少两个所述散热部件7。

作为另一优选，如图2及图3所示，所述毛细管路3在立体空间呈螺旋盘绕结构，即所述盘绕结构的横截面为圆形，所述散热部件7呈片状设置于所述毛细管路3长度方向的相对两侧。当呈螺旋盘绕结构的所述毛细管路3水平设置于所述冷却腔2内时，所述散热部件7竖直设置于所述毛细管路3长度方向的相对两侧。

作为示例，所述晶圆承载盘1及所述冷却腔2的材料选用耐高温材质，如石英或不锈钢材质镀膜(特殊耐高温材质)等。所述毛细管路3的材料选用耐高温的导热性材质，如石英，碳化硅陶瓷，复合陶瓷,高导热碳纤维或者碳素纤维等材料。

作为示例，所述高压气体源6包括氮气。另外，所述高压气体源6的参数变量，如气体阻抗、压力、体积和温度等参数变化大小根据实际应用的工艺需求决定，例如：压力变化6000psi变化到10psi。

综上所述，本实用新型提供的晶圆冷却装置，通过将所述冷却腔内的毛细管路设置为在立体空间呈盘绕结构，使通过毛细管路的气流阻抗发生变化，相当于J-T阀的作用，使前进中的气流温度降低，而不断变化的气流阻抗，相当于管路中存在无数个J-T阀，使前进中的气流温度不断降低。高温晶圆通过所述晶圆承载盘将热量传递至所述毛细管路中，并通过所述毛细管路逐步将晶圆的温度降低，以达到目标温度要求。采用本方案的晶圆冷却装置，由于晶圆冷却过程中不需要接触其他冷媒，比如冷却液，晶圆转移臂等外界物质，可降低晶圆的污染风险；另外，该晶圆冷却装置可直接集成在工艺腔体中，当需要冷却晶圆时，不必将晶圆转移至专门的晶圆冷却装置，降低提供专门晶圆冷却装置的设备成本，同时可提高产能。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。