控温部件、控温装置及反应腔温控方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种控温部件、控温装置及反应腔温控方法。


背景技术：

2.生产集成电路等半导体器件、有源无源电子元器件，甚至是一些工业产品，需要多种积成减成以及辅助工艺，诸如沉积、蚀刻、扩散、离子注入、氧化、退火等等，因此会涉及到多种半导体工艺装置。为防止反应的生成物堆积在反应腔内壁，保证晶圆或加工物件的温度稳定性，工艺装置的反应腔侧壁需要维持在与外部环境有较大差异的一个温度，往往是高温，反应腔需要加热或散热。
3.工艺装置的反应腔需要具备较好的热参数，例如温度、能耗、环境安全等相关的参数。宽的温度上限或下限、快速的温度稳定性能能让反应腔有更宽的产品加工适用范围。高的温度稳定精度，能提高反应腔的恒温性能继而提高其工艺精度。温度跟踪和调节能力，让反应腔快速跟踪设定温度和环境温度，减小物料传输或维保开箱等非工艺时间，提高设备产能效率。工艺装置的反应腔加工对象不同发热功率不同，热量释放功率变化范围大。反应腔散热功率可调，既能让温度快速跟踪调节，又能有效降低能耗，还能导引热能流到需要的部件上，有效提高各部件的温度可靠性，保护机器和人员安全舒适工作。低的热损耗功率能有效提高反应腔的能耗标准，降低反应腔外壁与环境的温度差，让装配在反应腔上的电气电子部件在简化散热设计的条件下就能提高可靠性。反应腔及其周围电子部件的散热装置，是反应腔的主要振动源之一，简化散热设计可以减小振动提高反应腔的图形化精度。
4.因此，有必要对现有的工艺装置的反应腔进行改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种控温部件、控温装置及反应腔温控方法，能够可调地改善反应腔的热参数，满足对温度的精度、快速稳定要求，提高工艺精度，减小物料传输开关箱等非工艺时间，降低能耗，简化散热装置降低噪声提高部件的可靠性。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种控温部件，包括：
7.热盖板，其上设有多个相互分立的第一阻流栅；
8.冷盖板，其上设有多个相互分立的第二阻流栅；
9.流体通道，设置在所述热盖板与所述冷盖板之间，由所述第一阻流栅和所述第二阻流栅依次交错排布且相互间隔形成，所述流体通道内用于流通流体以可控的调节由热盖板传递至冷盖板的热量。
10.进一步的，所述流体通道的截面形状为波浪状、锯齿状或梳齿状。
11.进一步的，所述流体通道的长度大于所述热盖板或所述冷盖板的长度。
12.进一步的，所述控温部件还包括：流体进入口和流体出口，所述流体进入口和所述流体出口位于所述控温部件的同一侧或不同侧。
13.进一步的，所述流体包括：水、油或者气体中的一种或者多种。
14.进一步的，所述热盖板和所述冷盖板的材料为导热材料。
15.进一步的，还包括：冷板，位于所述冷盖板的外壁，用于对所述冷盖板进行冷却。
16.本发明还提供一种控温装置，包括：
17.反应腔，包括空腔和围成所述空腔的反应腔壁；
18.如上文所述的控温部件，位于所述反应腔壁的部分外表面，且所述热盖板与反应腔壁的外表面贴合。
19.进一步的，所述反应腔壁包括：反应腔侧壁、反应腔顶壁和反应腔底壁中的至少一个。
20.进一步的，所述热盖板与所述反应腔侧壁之间通过机械机构进行连接。
21.进一步的，所述控温装置还包括：电子部件，设于所述冷盖板的外壁上。
22.进一步的，所述控温装置还包括：冷板，位于所述冷盖板的外壁，用于对冷盖板进行冷却；电子部件，设于所述冷板的外壁上。
23.进一步的，所述控温部件为一层或多层堆叠。
24.进一步的，所述控温部件为多层堆叠时，不同控温部件中的流体通道内的流体不同或相同。
25.一种反应腔温控方法，包括：
26.提供如上文所述的控温装置；
27.向所述流体通道内通入流体，所述流体在所述流体通道内流动，通过控制流体的热传导能力可调地控制由所述热盖板传递至所述冷盖板的热量。
28.进一步的，所述流体通道内为真空或者所述流体为低压气体，所述低压气体的压力范围为：1毫托～9个大气压；当所述流体通道内为真空环境或者通入的为低压气体时，所述控温部件对所述反应腔内进行保温。
29.进一步的，通过控制流体的种类、压力或流速可调地控制所述热盖板传递至所述冷盖板的热量。
30.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
31.1)控温部件中的流体通道由热盖板上的多个相互分立的第一阻流栅和冷盖板上多个相互分立的第二阻流栅依次交错排布且相互间隔形成，迫使在所述流体通道内流通的流体产生湍流，增强热盖板传递至冷盖板之间的热交换能力；
32.2)在反应腔的外侧壁设置控温部件，在控温部件内部的流体通道中流通流体，通过切换流体介质、调节流体流速、压力等参数，可以改变反应腔内外热交换功率的可控性，降低能耗，提高工艺精度和产能效率；
33.3)在控温部件与电子部件之间设置冷板，对控温部件进行冷却，可以把反应腔外部的温度控制在理想范围内，简化反应腔所载电子部件的散热系统，降低噪声和振动，提高电子部件的精度和可靠性；
34.4)控温部件结构灵活厚度小，方便集成到各种平面或曲面结构的反应腔外侧壁上；
35.5)本发明提供的控温部件可广泛用在多种工艺装置上，尤其适用于有低能耗、低噪声、高精度、高产能效率、高可靠性需求的工艺装置。
附图说明
36.图1为本发明一实施例提供的一种控温部件的结构示意图；
37.图2为本发明第一实施例提供的一种控温装置的结构示意图；
38.图3为本发明第二实施例提供的一种控温装置的结构示意图；
39.图4为带有控温部件的主动冷却系统的一种典型结构示意图；
40.图5为本发明一实施例提供的一种反应腔温控方法的流程示意图。
41.附图标记：
42.反应腔10
43.控温部件20
44.流体进入口21
45.流体出口22
46.热盖板23
47.第一阻流栅231
48.冷盖板24
49.第二阻流栅241
50.流体通道25
51.电子部件30
52.冷板40。
具体实施方式
53.下面将结合附图对本发明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。
54.图1示出了本发明一实施例提供的一种控温部件，所述控温部件20包括两个盖板，分别为热盖板23和冷盖板24，所述热盖板23与所述冷盖板24之间相互配合形成一流体通道25。其中热盖板23为所述控温部件中温度高的一侧，因此其与待控温的部件(待控温的部件例如是图2和图3所示的反应腔10)连接，冷盖板24为所述控温部件20中温度低的一侧，其远离所述待控温的部件，热盖板23接收所述待控温的部件传导出来的热量，流体在所述流体通道25内流动，将热量从热盖板23搬运传输到冷盖板24上，即在所述控温部件20的两个盖板间发生热交换。所述热盖板23上设有多个相互分立的第一阻流栅231，所述冷盖板24上设有多个相互分立的第二阻流栅241，所述第一阻流栅231和所述第二阻流栅241依次交错排布且相互间隔形成所述流体通道25。通过设置第一阻流栅231和第二阻流栅241，流体在所述流体通道25内被强制走“弓”字路线，从而形成湍流，提高将热量从所述热盖板向所述冷盖板传输的速率，进而增强所述热盖板23和所述冷盖板24之间的热交换能力。所述流体通道25的长度大于热盖板23或冷盖板24的长度。所述流体通道25的长度指的是：流体在流体通道25内行走的路径长度，所述热盖板23和冷盖板24的长度是指沿流体方向上的尺寸。可选的，所述流体通道25的截面形状为波浪状、锯齿状或梳齿状，当然也可以为其它能形成湍流的形状，本实施例对此不做限定。所述控温部件20可以是良导热金属板或其它导热性能好的材料。
55.请结合图2，所述控温部件20还包括流体进入口21和流体出口22，所述流体进入口21和所述流体出口22可以位于所述控温部件20的同一侧，例如图2中反应腔10左右两侧的控温部件20的所述流体进入口21和所述流体出口22均位于所述控温部件20的下方，图2中反应腔10上方的控温部件20的所述流体进入口21和所述流体出口22均位于所述控温部件20的左侧。在其它实施例中，所述流体进入口21和所述流体出口22也可以位于所述控温部件20的不同侧，例如反应腔10左侧或右侧的控温部件20的所述流体进入口21和所述流体出口22分别位于所述控温部件20的上方和下方，又例如反应腔10上方的控温部件20的所述流体进入口21和所述流体出口22分别位于所述控温部件20的左侧和右侧，本发明对此不做限定。需要说明的是，此处所述的“上方”“下方”“左侧”“右侧”是以图2所示的位置关系为例进行说明的，并不构成对本发明的限制。
56.本实施例中，所述流体可以为水、油或者气体中的一种或者多种组合等，这些流体作为载热介质在所述流体通道25中流通时，将热盖板23的热量传导到冷盖板24上，由此，可通过切换热导率不同的流体介质以及控制流体的压力、流速参数，从而调节所述控温部件20的热交换能力。
57.图2示出了本发明第一实施例提供的一种控温装置，包括反应腔10和控温部件20，所述反应腔10包括空腔和围成所述空腔的反应腔壁，所述控温部件20设置在所述反应腔壁的部分外表面上，且所述热盖板23与反应腔壁的外表面贴合。本实施例中，所述反应腔10作为热部件，所述控温部件20作为热量交换部件对所述反应腔10进行温度调控，由此，本发明通过在所述反应腔10的腔壁外表面的至少部分区域上设置控温部件20，并控制流体在所述控温部件20内的流体通道25中流通，可以更加灵活的控制所述反应腔10的温度，提高反应腔10内外热交换功率的可控性，改善反应腔10的热参数，满足对温度的精度、快速稳定要求，提高工艺精度，减小物料传输开关箱等非工艺时间，降低能耗，简化散热装置，降低噪声提高部件的可靠性。
58.在本实施例中，所述控温部件20设置在所述反应腔侧壁和反应腔顶壁的外表面。
59.除此之外，所述控温部件20还可以仅设置在所述反应腔侧壁、反应腔顶壁和反应腔底壁中的一个的外表面，或者设置在反应腔侧壁和反应腔底壁的外表面，或者设置在反应腔顶壁和反应腔底壁的外表面，或者三者的外表面均设置。
60.所述控温部件20的热盖板23与反应腔壁之间通过机械机构进行连接，例如：通过螺钉螺栓进行固定连接。
61.根据实际应用需要，所述控温部件20可以是一层也可以是多层堆叠。可以理解的是，对于温度调节精度、稳定性要求高的区域，所述控温部件20可以为多层堆叠，通过对每层控温部件20分别控制从而满足该区域的温度精度、稳定性要求。具体的，可以通过每层控温部件20中流体通道25中流体的种类、压力或流速实现温度的精确控制。控制流体种类包括：流体为纯净物，单一流体时，通过切换纯的流体材料实现不同的热传导能力，或者，所述流体为混合物，通过调节所述混合物中不同成分的比例实现不同的热传导能力。
62.此外，所述控温装置还包括电子部件30，例如：所述电子部件30为plc控制器或射频控制器，设于所述冷盖板24的外壁上。通过将所述控温部件20设置在所述电子部件30和所述反应腔10的腔壁之间，可以降低所述反应腔10的温度对所述电子部件30的影响，提高电子部件30的可靠性。
63.在本实施例中，将控温部件20安装到反应腔10的腔壁上形成复合结构反应腔，通过调节控温部件20的流体通道25内流体介质并控制其压力、流速等参数控制热交换功率进而控制反应腔10温度，同时所述控温部件20的热交换功率具有可控性，因此可灵活调节反应腔温度。
64.图3示出了本发明第二实施例提供的一种控温装置，与第一实施例的区别在于，还包括：冷板40，位于所述冷盖板24外侧壁，所述控温部件20位于所述反应腔10的腔壁与冷板40之间；电子部件30，设于所述冷板40的外壁上。
65.本实施例中，在热部件(即反应腔10)和冷板40之间设置控温部件20，其结构简图如图4所示。由此，将电子部件30设在冷板40外壁上，由于冷板40位于电子部件30和控温部件20之间，故可通过冷板40对控温部件20的热量进行冷却，以降低控温部件20的热量对电子部件30的影响，进一步提高电子部件30的可靠性。
66.本实施例中，控制所述冷板40中有冷却液流通，可实现对所述电子部件30的主动冷却控制，控制所述冷板40中无冷却液或者冷却液不流动，可实现对所述电子部件30的被动冷却控制。
67.本实施例中，进一步设置了冷板40，安装在前述复合结构反应腔的控温部件20和电子部件30之间，通过对其进行被动或主动冷却控制，把控温部件20和电子部件30的温度控制在理想范围内。
68.基于同一发明构思，本发明还提供一种反应腔温控方法，如图5所示，包括：
69.步骤s100，提供上述的控温装置；其中，所述控温装置如图2和图3所示，至少包括：反应腔，其包括空腔和围成所述空腔的反应腔壁；控温部件，位于所述反应腔壁的部分外表面，且所述热盖板与反应腔壁的外表面贴合。所述控温部件如图1所示，至少包括：热盖板，其上设有多个相互分立的第一阻流栅；冷盖板，其上设有多个相互分立的第二阻流栅；流体通道，设置在所述热盖板与所述冷盖板之间，由所述第一阻流栅和所述第二阻流栅依次交错排布且相互间隔形成，所述流体通道内用于流通流体以可控的调节由热盖板传递至冷盖板的热量。
70.步骤s200，向所述流体通道内通入流体，所述流体在所述流体通道内流动，通过控制流体的热传导能力可调地控制由所述热盖板传递至所述冷盖板的热量。
71.当所述流体在所述流体通道内流动时，所述流体将热盖板的热量搬运传输至冷盖板，从而调节所述反应腔的温度。通过切换流体介质的种类、调节流体在所述流体通道内的流速、压力，可以实现使所述控温部件工作在绝热模式、低传热模式、热传输模式。具体的，可通过控制器切换流体介质、调节流体在所述流体通道内的流速、压力，更新控温部件的热交换效率，实时切换工作模式。
72.在绝热模式下，控温部件的流体通道内可以通入真空或低压气体，所述低压气体的压力范围例如为1毫托～9个大气压，热量交换仅能通过热盖板和冷盖板之间流体通道内的热辐射以及二者侧壁结构的热传导完成，属于漏热，反应腔的热量难以与冷板、所载电子部件以及外界交换，因此反应腔可以维持较低的热损耗。当反应腔需要快速升温或保温时，控温部件可以工作在这个模式下，此时，反应腔内部热量对外损耗小，仅需要很小的发热功率就能满足升温或保温要求，并且冷板或所载电子部件从控温部件中吸收的热量也小，因此不需要借助冷板的主动冷却就能把电子部件的温度控制在理想范围内。在此模式下，反
应腔在开舱门传送物料后或在工艺步骤切换时也能够快速升温，从而减小非工艺时间，提高产能效率，提高温控精度和温控性能，还能降低能耗、降低噪声。
73.在低传热模式下，控温部件的流体通道内可以通入或静止或缓慢流动的高压力气体或液体，热量主要通过气体或液体的传导、对流等从热盖板向冷盖板交换，热辐射以及侧壁结构的漏热占比变小，反应腔与冷板、所载电子部件以及外界之间的热量交换增加。反应腔在进行工艺加工时，往往会释放热量，同时又对温度精度和稳定性有一定要求，当反应腔中进行的工艺仅释放少量热量时，控温部件可以工作在这个模式，该模式下控温部件的热交换功率足以平衡反应腔内的热量释放。冷板通过自然散热或借助小功率主动冷却就能把控温部件的温度控制在理想范围内。所载电子部件，可以通过调节连接的控温部件的工作模式进行隔热或通过连接的冷板自然散热或小功率主动冷却，辅以内部温控把温度控制在理想范围内。
74.在热传输模式下，控温部件的流体通道内流通流体，热量主要通过流动的尤其是湍流的流体从热盖板快速搬运到冷盖板，反应腔与冷板及外界之间的热量交换功率增大。控制流体的速度可以调节控温部件的热交换功率，速度越大，热交换功率约高。这时，冷板需要借助中高功率的主动冷却控制，把控温部件的温度控制在理想范围内。这时，所载电子部件，如果直接连接控温部件则通过控制其工作模式进行隔热，如果与控温部件之间隔以冷板则通过控制冷板进行中高功率主动冷却进行隔热，辅以内部温控把温度控制在理想范围内。反应腔进行工艺加工时，如果发热功率高、释放大量热能，控温部件可以工作在这个模式下，提高控温部件的热交换功率来平衡反应腔内的热量释放。反应腔开舱门传送物料、工艺步骤切换或开盖维保等需要快速降温以减小非工艺时间的情况，控温部件也可以工作在这个模式下。
75.可以理解的是，为了实现对反应腔以及所载电子部件的温度精确调节，可以在所述反应腔不同区域的外侧壁设置不同的控温部件，对每个控温部件进行独立控制，根据实际情况控制相应区域的控温部件的工作模式。例如，将挂载电子部件区域的控温部件与未挂载电子部件区域的控温部件进行独立控制，挂载电子部件区域的控温部件需要保持在绝热模式下，而未挂载电子部件区域的控温部件可以根据实际需要在绝热模式、低传热模式、热传输模式之间切换。
76.由此，本发明提供的反应腔温控方法，用于反应腔的内部和外部温度控制。通过调节控制工作模式，优化热交换功率，降低反应腔热能损耗，降低能耗等级；通过调节控制工作模式，提高反应腔温度精度、稳定性和响应速度，提高工艺和制程能力，减小非工艺时间提高产能效率；通过调节控制工作模式，降低反应腔外部环境温度，简化所载电子部件散热系统进而降低其振动和噪声提高其可靠性。
77.本发明采用控温部件进行温度控制，控温部件厚度小、占用空间小、堆叠阶数可选，方便集成到各种平面或曲面结构反应腔外侧壁上；流体通道中的流体介质在热盖板、冷盖板间搬运热量，局部吸热局部冷却，可以不需要额外冷却设备对其制冷，方便设计成闭环循环结构，简化管路泵阀等流体系统。因此本发明提供的控温部件可广泛用在多种工艺装置上，尤其适用于有低能耗、低噪声、高精度、高产能效率、高可靠性需求的工艺装置。
78.综上所述，本发明提供的控温部件、控温装置及反应腔温控方法具有如下优点：
79.1)控温部件中的流体通道由热盖板上的多个相互分立的第一阻流栅和冷盖板上
多个相互分立的第二阻流栅依次交错排布且相互间隔形成，设置第一阻流栅和第二阻流栅，迫使在所述流体通道内流通的流体产生湍流，增强热盖板传递至冷盖板之间的热交换能力；
80.2)在反应腔的外侧壁设置控温部件，在控温部件内部的流体通道中流通流体，通过切换流体介质、调节流体流速、压力等参数，可以改变反应腔内外热交换功率的可控性，降低能耗，提高工艺精度和产能效率；
81.3)在控温部件与电子部件之间设置冷板，对控温部件进行冷却，可以把反应腔外部的温度控制在理想范围内，简化反应腔所载电子部件的散热系统，降低噪声和振动，提高电子部件的精度和可靠性；
82.4)控温部件结构灵活厚度小，方便集成到各种平面或曲面结构的反应腔外侧壁上；
83.5)本发明提供的控温部件可广泛用在多种工艺装置上，尤其适用于有低能耗、低噪声、高精度、高产能效率、高可靠性需求的工艺装置。
84.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
85.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。