CN102683258B - 卡盘结构和使用卡盘结构处理半导体基板的装置 - Google Patents

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Abstract

本文公开一种替代传统升降销而使用改进的导环将半导体基板装载在卡盘上的卡盘结构，以及一种使用上述卡盘结构处理半导体基板的装置。具有卡盘和支撑卡盘的主体的卡盘结构包括固定导环、移动导环以及驱动销。固定导环安装到卡盘的外圆周，且固定导环上形成有移动导环安装部。移动导环置于移动导环安装部中，并被上下驱动。驱动销上下驱动移动导环。

Description

卡盘结构和使用卡盘结构处理半导体基板的装置
技术领域
本发明总体涉及一种卡盘结构和一种使用卡盘结构处理半导体基板的装置。更特别地，本发明涉及一种替代传统升降销而使用改进的导环将半导体基板装载在卡盘上的卡盘结构，以及一种使用上述卡盘结构处理半导体基板的装置。
背景技术
在半导体制造工艺中，在半导体基板上执行沉积或刻蚀工艺，因此在半导体基板上形成期望的分层结构或图案。作为在基板上形成薄膜或期望图案的方法的一个例子是使用等离子体。使用等离子体处理基板的代表性示例包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺和等离子体刻蚀工艺。
根据产生等离子体的方法，等离子体处理装置可分成电容耦合等离子体(CCP)型装置和电感耦合等离子体(ICP)型装置。对于CCP型等离子体处理装置，为了产生等离子体，在反应室的上部提供顶电极，并在放置有基板或基板托盘的卡盘的下部提供底电极。对比而言，对于ICP型等离子体处理装置，在反应室的上部或反应室的上部的周缘提供感应线圈，在卡盘的下部提供底电极。CCP型或ICP型等离子体处理装置将RF(射频)或DC(直流)电力供应到顶电极和底电极或感应线圈和底电极，因此在反应室内产生等离子体。
等离子体处理装置还设置有上述反应室和传送室或装载室。传送室将单个基板、或已装载了多个基板的基板托盘输送到反应室。具有多个反应室的集群型等离子体处理装置设置有装载室和传送室，使得在装载室内经过真空处理的基板或基板托盘通过传送室，然后输送到反应室。对比而言，具有单个反应室的装置不设置传送室，使得基板或基板托盘直接从装载室输送到反应室。
在传送室或装载室与反应室之间装载和卸载基板或基板托盘的过程中，传送臂进入反应室。此时，贯穿卡盘并被上下驱动的多个升降销向上移动以支撑基板或基板托盘。之后，升降销向下移动以将基板或基板托盘装载在卡盘顶部上。
另外，CVD(化学气相沉积)装置包括位于卡盘下部用以加热卡盘的加热构件，由此提高沉积在基板上的膜的质量。由于该过程通常在低压条件下实施，因此卡盘与加热构件之间的热传递通常通过传导进行。特别地，在由易受热传递影响的材料所制成的基板中，例如用于LED芯片工艺中的蓝宝石基板，卡盘表面的温度分布直接影响基板的温度分布。
在使用升降销的装载方法中，必须在卡盘中提供用于升降销的通孔，因此要以避开通孔的方式提供加热构件中的加热元件，例如加热导线。由此，在卡盘中所形成的通孔周围热传递并不均匀，因此阻碍温度在整个基板上均匀分布。再者，在基板或基板托盘置于卡盘上之后，升降销向下移到卡盘的上表面；然而，升降销由陶瓷材料制成，陶瓷材料因材料特性而热传递效率低，这使得升降销周围的温差增强。
发明内容
因此，本发明针对现有技术中存在的上述问题，且本发明的目的是提供一种能够改善卡盘的温度分布的卡盘结构，以及一种使用卡盘结构来处理半导体基板的装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有卡盘和支撑卡盘的主体的卡盘结构，所述卡盘结构包括：固定导环，其安装到卡盘的外圆周，且固定导环上形成可移动导环安装部；移动导环，其置于移动导环安装部中，并被上下驱动；以及驱动销，其上下驱动移动导环。
固定导环的移动导环安装部可包括通过在预定位置切除固定导环的上端部而形成的一对对置的移动导环安装部。然而，移动导环安装部可以将固定导环分成两个部分的方式，从固定导环的上部延伸到固定导环的下部。
另外，移动导环可包括至少两个移动导环，并可由移动导环连接器彼此连接，因此在移动导环由驱动销上下驱动时使移动导环的操作完全相同。此外，移动导环连接器可形成为具有容许固定导环从移动导环连接器中通过的尺寸，因此防止移动导环连接器的向下运动受到固定导环阻碍。
优选地，移动导环可包括对准凹槽以安置基板。对准凹槽可优选地形成为与基板或基板组件的外圆周的曲率对应。此外，基板可安置于对准凹槽内，且对准凹槽可形成为从所述凹槽的外部位置向内部位置倾斜，因此容许当将基板放置在移动导环上时借助于对准凹槽的倾斜而使基板自动地对准。
根据一实施方式，卡盘结构还可包括气动单元，上述气动单元设置在主体内，并上下驱动驱动销。气动单元可利用气动压力驱动驱动销连接杆，因此沿竖向驱动由驱动销连接杆支撑的驱动销。
移动导环的顶部上可设置夹紧环。夹紧环可包括间隔部，上述间隔部耦接到移动导环的顶部。
此外，加压环可耦接到移动导环连接器的外圆周，因此使夹紧环能够可靠地对基板加压。在这种情况下，移动导环连接器可包括加压环安装凹槽，且加压环可包括与加压环安装凹槽对应的安装凸部，使得加压环可耦接到移动导环连接器。
此外，本发明还提供一种用于处理半导体基板的装置，其包括反应室和上述卡盘结构。
卡盘结构可以悬臂卡盘方式支撑在反应室内。
附图说明
从结合附图的以下详述中将更清楚理解本发明的上述以及其它目的、特征和优点，其中：
图1是示出根据本发明一优选实施方式的用于处理半导体基板的装置的构造的视图；
图2是示出根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构的分解立体图；
图3是示出根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构的立体图；
图4是示出根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构的剖视图；
图5a至5d是示出使用根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构来装载基板的方法的视图；
图6是示出根据本发明另一优选实施方式的用于处理半导体基板的装置的卡盘结构的分解立体图；
图7是示出图6的半导体基板处理装置的卡盘结构的立体图；
图8是示出图6的半导体基板处理装置的卡盘结构的剖视图；以及
图9a至9d是示出利用图6的半导体基板处理装置的卡盘结构来装载基板的方法的视图。
具体实施方式
下文，将参见附图详述本发明的优选实施方式。
图1是示出根据本发明一优选实施方式的用于处理半导体基板的装置的构造的视图。
根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置1包括反应室3和设置于反应室3内的卡盘结构10。在图1示出的半导体基板处理装置1的示例中，感应线圈5设置在反应室3的上部，以通过ICP方法产生等离子体。然而，根据本发明的半导体基板处理装置1并不局限于ICP型等离子体处理装置，而是可为CCP型等离子体处理装置。在CCP型半导体基板处理装置的情况下，不在反应室3上设置感应线圈5，而是在反应室3的上部设置顶电极，以通过CCP方法产生等离子体。也应该理解，不使用等离子体的其它类型的半导体基板处理装置也落入本发明的范围内，只要这些装置不脱离本发明的主旨。
在图1示出的半导体基板处理装置1中，卡盘结构10可以按照能够由模块化安装单元7移动的方式而以悬臂卡盘方式支撑，所述模块化安装单元7穿过在反应室3侧壁内所形成的开口。悬臂卡盘方式的有利之处在于，反应室3内的过程气体的流动可保持对称。然而，根据本发明一优选实施方式，不仅可以悬臂卡盘方式支撑卡盘结构10，而且也可在自反应室3底部延伸的支脚(stem)上支撑卡盘结构10。
基板或基板组件W(下文称作“基板”)装载在卡盘结构10的顶部上。根据本发明，在不需要升降销的情况下，将基板W装载在卡盘结构10的卡盘上。
图2是示出根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构的分解立体图；图3是示出根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构的立体图；以及图4是示出根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构的剖视图。
根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构10包括：主体12；卡盘14，其设置在主体12的顶部上；固定导环20，其固定到卡盘14的外周缘；以及移动导环32a和32b，其在固定导环20的移动导环安装部22a和22b内被上下驱动。
主体12作用为支撑卡盘14。在使用悬臂卡盘方式的情况下，主体12耦接到如图1所示的模块化安装单元7。在使用支脚来支撑卡盘14的情况下，主体12可为支撑卡盘14下表面的波纹管支撑构件。
参见图4，卡盘14由主体12支撑，加热元件46设置在卡盘14内。另外，尽管未在附图中示出，但可在卡盘14的下部内设置冷却元件以及加热元件46，以控制卡盘14的温度。根据一实施方式，冷却元件可呈盘的形式，冷却剂在上述盘内流通。为了在卡盘14耦接到主体12时将主体12与卡盘14彼此电绝缘，在主体12与卡盘14之间提供绝缘环48。
固定导环20安装到卡盘14的外圆周。以下将详细描述的固定导环20和移动导环32a和32b可由陶瓷材料制成。进一步地，固定导环20可设计成作用为一种聚焦环。一般而言，聚焦环防止使用等离子体的半导体基板处理装置的卡盘14被等离子体损坏，其使等离子体聚集在基板W上。
固定导环20的上端部在预定部分处沿竖向切除，以形成移动导环安装部22a和22b。优选地，移动导环安装部22a和22b形成在固定导环20的相对侧面上。另外，如图2所示，通过切除固定导环20的上端部上的预定部分而形成固定导环20的移动导环安装部22a和22b。然而，根据本发明一实施方式，可通过沿竖向完全切除固定导环20的端部而形成移动导环安装部22a和22b。在这种情况下，固定导环20并不呈连续的环形，而是以在移动导环32a和32b的安装位置处分开的方式形成。
移动导环32a和32b在形成于固定导环20中的移动导环安装部22a和22b内上下驱动。当基板W由传送臂传送到卡盘结构10的顶部时，移动导环32a和32b从传送臂带走基板W，并之后将基板W装载在卡盘14上。进一步地，当从卡盘14卸载基板W时，移动导环32a和32b将基板W从卡盘14向上移动，并之后将基板W输送到传送臂。
如果存在多个移动导环32a和32b，则提供移动导环连接器30以使移动导环32a和32b的操作彼此一致。各移动导环32a和32b由对应的驱动销16a和16b驱动。如果通过焊接方法或类似方法将驱动销16a和16b的端部固定到移动导环32a和32b，则移动导环32a和32b可由驱动销16a和16b支撑。然而，为了在更可靠地支撑多个移动导环32a和32b的同时使移动导环32a和32b的操作彼此一致，优选地，移动导环32a和32b固定到移动导环连接器30。根据一实施方式，移动导环连接器30中提供移动导环紧固孔36，并且移动导环32a和32b中提供通孔38，使得利用螺栓或螺钉将移动导环32a和32b紧固到移动导环连接器30。移动导环连接器30形成为容许固定导环20从移动导环连接器30内通过。
另外，在将基板W放置在移动导环32a和32b上时，为了容易地对准基板W在移动导环32a和32b上的位置，移动导环32a和32b内形成对准凹槽34。各对准凹槽34优选地形成为与基板W的外圆周的曲率一致。进一步地，基板W置于各对准凹槽34内，各对准凹槽34优选地形成为沿着从对准凹槽34的外部位置向内部位置的方向倾斜。
接下来，将描述用于驱动移动导环32a和32b的构造。
为了上下驱动移动导环32a和32b，驱动销16a和16b设置成暴露于主体12的顶部。固定导环20的移动导环安装部22a和22b中提供驱动销插孔24a和24b，以驱动驱动销16a和16b。驱动销16a和16b支撑移动导环32a和32b的底部。由驱动销16a和16b支撑的移动导环32a和32b通过驱动销16a和16b的竖向操作而上下驱动。
对于用于上下驱动驱动销16a和16b的构造而言，可使用回转马达、小齿轮-齿条式齿轮组件、线性马达或电磁阀。进一步地，依据反应室3的内部处于高温环境这一事实，优选地使用气动装置来上下移动驱动销16a和16b。图4图示气动装置，上述气动装置包括气动单元40和驱动销连接杆42，用以驱动驱动销16a和16b。驱动销连接杆42由气动单元40上下驱动，驱动销连接杆42的两个端部连接到驱动销16a和16b。气动单元40利用气压上下驱动驱动销连接杆42，由驱动销连接杆42支撑的驱动销16a和16b通过驱动销连接杆42的竖向操作而上下移动。另外，驱动销16a和16b的外部优选地由保护波纹管44a和44b保护。
图5a至5d是示出使用根据本发明优选实施方式的半导体基板处理装置的卡盘结构来装载基板的方法的视图。
参见图5a，在移动导环32a和32b已通过驱动销16a和16b的操作向上移动的状态下，传送安装在传送臂50上的基板W。传送臂50的宽度形成得比两个移动导环32a和32b之间的间距小，而基板W的宽度比两个移动导环32a和32b之间的间距大。
参见图5b，在传送臂50位于移动导环32a和32b上方的状态下，传送臂50向下移动。传送臂50的宽度比两个移动导环32a和32b之间的间距小，且基板W的宽度比两个移动导环32a和32b之间的间距大。因此，当传送臂50向下移动时，传送臂50在移动导环32a和32b之间通过，而基板W被置于移动导环32a和32b上。另外，形成于移动导环32a和32b中的对准凹槽34使基板W能够自动地对准并置于移动导环32a和32b上。
参见图5c，在基板W已置于移动导环32a和32b上之后，传送臂50回撤。
参见图5d，随着驱动销16a和16b向下移动，移动导环32a和32b也向下移动，基板W被装载在卡盘14的顶部上。
前述呈现了将基板W装载在卡盘14上的方法。从卡盘14卸载基板W的过程的顺序与装载过程的顺序相反。
下文，将描述根据本发明另一优选实施方式的用于处理半导体基板的装置的卡盘结构。
图6是示出根据本发明另一优选实施方式的用于处理半导体基板的装置的卡盘结构的分解立体图；图7是示出图6的半导体基板处理装置的卡盘结构的立体图；以及图8是示出图6的半导体基板处理装置的卡盘结构的剖视图。
由于在图6至8中示出的卡盘结构10的总体构造与图2至4中示出的卡盘结构10相同，因此以下将详述上述卡盘结构之间的差异。
根据本发明另一优选实施方式的卡盘结构10还包括夹紧环60。夹紧环60对已装载在卡盘14上的基板W的顶部的外部加压，由此使基板W与卡盘14紧密接触。
夹紧环60以夹紧环60通过间隔部62a和62b与移动导环32a和32b间隔开预定间距的方式耦接到移动导环32a和32b的顶部，间隔部62a和62b确保通过传送臂50将基板W传送到移动导环32a和32b的顶部的空隙。
在用于紧固夹紧环60的实施方式中，移动导环32a和32b中提供夹紧环紧固孔64a和64b，夹紧环60中形成通孔66a和66b，使得可使用螺栓或螺钉将夹紧环60紧固到移动导环32a和32b。
进一步地，卡盘结构10还可设置有加压环70，以有助于夹紧环60的加压操作。加压环70优选地安装到移动导环连接器30，因此向下对夹紧环60、移动导环32a和32b以及移动导环连接器30的组件加压。
根据一实施方式，参见图6和8，移动导环连接器30中形成加压环安装槽31a和31b，加压环70上形成安装凸部72a和72b。加压环70的内圆周形成为等于或略大于移动导环连接器30的外圆周。当加压环70安装到移动导环连接器30的外圆周时，安装凸部72a和72b锁定到加压环安装凹槽31a和31b。以此方式，加压环70耦接到移动导环连接器30的外圆周。同时，在移动导环32a和32b上以与加压环安装槽31a和31b的侧面的形状相对应的方式形成第一切除表面33a和33b，且在加压环70的安装凸部72a和72b的内部上形成第二切除表面74a和74b。
图9a至9d是示出利用图6的半导体基板处理装置的卡盘结构来装载基板的方法的视图。
参见图9a，在移动导环32a和32b通过驱动销16a和16b的操作向上移动的状态下，传送安装在传送臂50上的基板W。传送臂50的宽度形成得比两个移动导环32a和32b之间的间距小，且基板W的宽度比两个移动导环32a和32b之间的间距大。同时，夹紧环60的间隔部62a和62b之间的间距比基板W的宽度大。
参见图9b，传送臂50在由间隔部62a和62b沿竖向彼此间隔开的夹紧环60与移动导环32a和32b之间移动。在传送臂50位于移动导环32a和32b上方的状态下，传送臂50向下移动。当传送臂50向下移动时，传送臂50在移动导环32a和32b之间通过，且基板W置于移动导环32a和32b上。
参见图9c，在基板W已置于移动导环32a和32b上之后，传送臂50回撤。
参见图9d，随着驱动销16a和16b向下移动，移动导环32a和32b也向下移动，且基板W被装载在卡盘14的顶部上。
前述呈现了将基板W装载在卡盘14上的方法。从卡盘14卸载基板W的过程的顺序与装载过程的顺序相反。
本领域技术人员理解，前述是本发明的优选实施方式，且在不脱离本发明的本质特征的精神下可进行各种改变、修改以及替代。因此，在本发明及其附图中公开的实施方式是示例性的而非限制性的，且本发明的精神和范围并不受上述实施方式和附图限制。落在本发明权利要求范围或这些权利要求范围的等同范围内的所有改变意图涵盖在本发明权利要求范围内。
根据本发明，有利的是无需设置在传统卡盘上以装载或卸载基板的升降销，因此防止了在卡盘上发生温度不均匀分布。
进一步地，本发明的有利之处在于，一对移动导环支撑基板，因此能够更稳定地支撑基板。此外，本发明的有利之处在于，在自动对准基板位置之后，设置在各移动导环中的对准凹槽使基板能够置于卡盘上。

Claims (13)

1.一种包括卡盘和支撑卡盘的主体的卡盘结构，包括：
固定导环，所述固定导环安装到所述卡盘的外圆周，所述固定导环上形成有移动导环安装部；
移动导环，所述移动导环置于所述移动导环安装部中，并被上下驱动；以及
驱动销，所述驱动销上下驱动所述移动导环，
其中，所述固定导环的移动导环安装部包括通过在预定位置切除所述固定导环的上端部而形成的一对对置的移动导环安装部，以及
其中，所述移动导环包括一对移动导环，成对所述移动导环分别放置在成对所述移动导环安装部中。
2.如权利要求1所述的卡盘结构，其中，所述移动导环由移动导环连接器彼此连接。
3.如权利要求2所述的卡盘结构，其中，所述移动导环连接器形成为具有容许所述固定导环从所述移动导环连接器中通过的尺寸。
4.如权利要求1所述的卡盘结构，其中，所述移动导环包括对准凹槽以安置基板。
5.如权利要求4所述的卡盘结构，其中，所述基板安置于所述对准凹槽内，且所述对准凹槽形成为从所述凹槽的外部位置向内部位置倾斜。
6.如权利要求1所述的卡盘结构，还包括气动单元，所述气动单元设置在所述主体内，并上下驱动所述驱动销。
7.如权利要求2所述的卡盘结构，其中，加压环耦接到所述移动导环连接器的外圆周。
8.如权利要求7所述的卡盘结构，其中，所述移动导环连接器包括加压环安装凹槽，且所述加压环包括与所述加压环安装凹槽对应的安装凸部。
9.如权利要求1至8中任一项所述的卡盘结构，其中，夹紧环设置在所述移动导环的顶部上。
10.如权利要求9所述的卡盘结构，其中，所述夹紧环包括间隔部，所述间隔部耦接到所述移动导环的顶部。
11.一种用于处理半导体基板的装置，包括：
反应室；以及
设置在所述反应室内的卡盘结构，所述卡盘结构是如权利要求1至8中任一项所述的一种卡盘结构。
12.如权利要求11所述的装置，其中，夹紧环设置在所述移动导环的顶部上。
13.如权利要求11所述的装置，其中，所述卡盘结构以悬臂卡盘方式支撑在所述反应室内。
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