CN103426807B - 一种配置取放装置和调节工件的位置的半导体刻蚀装置 - Google Patents

Abstract

一种配置有工件取放装置的半导体刻蚀装置，包括腔室主体，还包括取放工件装置，所述的取放工件装置包括射频电极升降机构和取片视窗出口，射频电极升降机构包括螺旋传力机构和导向机构，螺旋传力机构中的螺母和螺杆与导向机构中的导柱和导套的轴线重合，且驱动电机安装在导套的一端面上。本发明的反应腔室能够方便的取放工件，避免频繁开启反应腔室的端盖所引起的密封件磨损，提高反应腔室的使用寿命，此外取放工件装置包括两级升降机构，实现对不同尺寸工件在两个电极间位置的调整。

Description

一种配置取放装置和调节工件的位置的半导体刻蚀装置

技术领域

本发明涉及一种配置有工件取放装置的半导体刻蚀装置，尤其涉及等离子体刻蚀装置中用于取放半导体工件和调节不同尺寸工件的位置的工件取放装置的半导体刻蚀装置。

背景技术

在超大规模集成电路的加工过程中，通常利用等离子体中的活性粒子（氯离子、氟离子等）对半导体（单晶硅）进行刻蚀、氧化、PECVD（等离子体辅助化学气相沉积）等处理工艺。

图1为现有技术中通常采用等离子体半导体刻蚀装置的反应腔室结构图，反应气体和辅助气体通过上端盖1上的进气孔和带有透气孔的接地电极2进入到反应腔室中，射频电极3上连接射频偏压，气体在接地电极2和射频电极3之间的空间内被激发形成等离子体，并在电极电场力的作用下轰击到载物台4上承载的半导体工件，例如半导体晶片，引发一系列物理和化学作用，起到刻蚀的作用。

在使用现有技术的刻蚀装置时，每处理完一件工件后，都需要打开上端盖来取出该工件并放置待处理的新工件，因此，在实际工作中，刻蚀装置的上端盖要频繁地打开和关闭，由于上端盖上安装有接地电极和气体供应装置，打开和关闭的过程往往费时费力，而且反复地打开和关闭还会影响到接地电极和气体分配板的位置精度，从而对后续工件的处理带来不利的影响，并容易造成上端盖处的密封件的损耗，影响密封的效果。

另外，在基片进行刻蚀中，腔室中要维持10^-3~10^-6Pa的低气压环境。当前实验设备中，更换基片时，将腔室中气压升到1个标准大气压，更换完毕后，再将腔室中的气压降低到10^-3~10^-6Pa，该过程会使真空设备如分子泵和机械泵等工作负荷大，设备损耗大，同时该过程费时费力，浪费能源。

同时当前实验设备中，更换基片大多是要拆卸腔室的上密封盖或下密封盖，更是存在费时费力浪费能源的问题。

现有的实验设备中工件在放电腔室中的位置是固定的，当改变工件与电极间距时需要重新设计腔室，这对探求最佳的工件位置是不利的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种配置有工件取放装置和调节不同尺寸工件的位置的半导体刻蚀装置，从而免除现有技术中开启上端盖进行取放工件的弊端。

为了实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案：

一种配置取放装置和调节工件的位置的半导体刻蚀装置，包括用于进行等离子体刻蚀的反应腔室，所述反应腔室内部设有用于向所述半导体工件供应反应气体的气体供应装置、用于取放所述半导体工件的工件取放装置，以及相互间隔相对设置的接地电极和射频电极，其特征在于：所述工件取放装置包括射频电极升降机构和取放片视窗出口装置；

所述射频电极升降机构包括直线运动传动机构和导向机构，所述直线运动传动机构包括驱动电机、连接驱动电机的转动件和连接该转动件的直线运动件，所述射频电极设置在该直线运动件上，所述导向机构包括导向运动件和导向固定件，其中，所述导向运动件固定在所述射频电极上，且连接所述直线运动件，所述导向运动件滑动地安装于所述导向固定件上并可沿所述导向固定件轴向滑动，该导向固定件上连接所述驱动电机，所述导向固定件安置于所述刻蚀装置的机架上；所述射频电极与所述反应腔室的下端盖之间设置有密封用波纹管，所述波纹管能跟随所述射频电极的升高和下降而产生伸长和缩短；

所述取放片视窗出口装置设置在所述反应腔室的侧壁上，其包括开设在所述侧壁上的窗口、置于该窗口上的窗口盖和置于该窗口和窗口盖之间的密封装置，所述取放片视窗出口装置相对于所述反应腔室下端盖的设置高度位于所述射频电极的升降行程范围内。

前述的射频电极升降装置中的所述直线运动机构优选是螺旋运动机构，包括相互螺接的螺母和螺杆，所述转动件为螺杆，与所述驱动电机的输出轴传动连接，所述直线运动件为螺母，固定在所述导柱上。

所述导向运动件可以是一导柱，导向固定件相应地为一导套，所述导柱可以为上端开口的中空柱状体，其上端开口处设有法兰、下端固定安装所述螺母，所述驱动电机安装在所述导套下端，驱动电机的输出轴与所述螺杆传动连接，所述导柱滑动安装于所述导套内部并可沿所述导套轴向滑动，所述导柱顶端通过所述法兰安装有所述射频电极，所述导套下端固定安装于所述刻蚀装置的机架上。

所述导套和所述导柱之间可设置花键、或滑键、或滑块凹槽以防止二者之间的相对转动。

所述螺杆与所述导套、所述导柱最好是同轴设置。

所述直线运动机构也可以是凸轮机构，包括凸轮和从动件，所述从动件通过连接所述导向运动件安装在所述射频电极上，所述凸轮连接所述驱动电机，并与所述从动件传动连接。

所述直线运动机构还可以是曲柄滑块机构，包括曲柄和滑块，滑块通过连接所述导向运动件安装在射频电极上，所述曲柄也可以是偏心轴连接驱动电机，与滑块传动连接。

所述直线运动机构还可以是液压缸装置，例如其中的活塞杆连接射频电极，缸体固定在机架上。

前述的方案中，所述射频电极的载物面上设置一载物台，其与射频电极电连接。

更近一步地，在前述的半导体刻蚀装置中，在所述射频电极上还可以再增设一个二级升降机构，所述射频电极包括射频电极主体和承载台，所述承载台与所述射频电极主体电连接，在该射频电极主体的承载面或承载台上开设一容置孔，在该容置孔上设有一二级承载台与所述容置孔口大小和形状匹配，该二级承载台和所述射频电极主体或与之电连接的所述承载台电连接；该二级升降机构也是一直线运动机构，该直线运动机构包括一驱动电机、一连接驱动电机的转动件和连接该转动件的直线运动件，该驱动电机固定在该射频电极上，或者，固定在所述容置孔中，所述二级承载台设置在该直线运动件上，在所述二级承载台和容置孔的孔壁之间设置一个二级波纹管，该二级波纹管能跟随所述二级承载台的升高和下降而产生伸长和缩短。

所述二级承载台为设于射频电极内的较小的承载台，所述二级承载台的升降行程的下端为使得所述二级承载台的台面低于所述射频电极的承载面的高度。

在二级升降机构中的直线运动机构也可以是现有技术中的各种直线运动机构。

一个优选方案是一螺旋机构，其中的螺母设置在所述二级承载台上，所述驱动电机设置在所述射频电极上，其输出轴上连接与所述螺母螺接的螺杆。

由于该级升降的升降台尺寸小，重量轻，在升降过程中能够保持平稳和运动的准确性，可以省略导向机构。

在低温等离子体放电过程，电极之间的距离是影响电子、离子等各种粒子密度分布的重要因素，各种粒子的密度分布又极大的影响到刻蚀的效果，例如刻蚀的最大深度，横向刻蚀速率，纵向刻蚀效率等。目前，关于对电极间距离对等离子体刻蚀过程的影响的研究没有确切的结论，因此在实验中探寻等离子刻蚀效果与电极间距之间的关系具有很重要的意义，针对于这一问题，本发明设计了一种射频电极升降机构以及带有二级升降机构也就是二级承载台的双级升降机构。

射频电极升降机构作用有两点：

1.由于基片的进出口设置在腔室的侧壁，并且低于等离子体放电时对基片要求的高度，因此，在该级升降机构的升降行程内，能够使电极上得基片与进出口平齐，满足取放基片的要求。

2.调节两个电极间的距离。

二级升降机构也可称为微调机构，其作用有：

当等离子体对基片刻蚀进行时，若调节射频电极升降机构则会严重的影响到腔室中气体流场的分布，这对等离子体的维持是不利的，二级升降机构能够弥补这一不足，且其移动速度可以放慢，故而其调节精度高，二级升降平台的半径与一级升降平台的半径比可以为0.5左右。

通过对二级升降平台的利用我们可以在等离子体刻蚀过程中分析当基片处于不同位置时（与两个电极之间距离）对等离子的各种参数（各种粒子密度分布，温度分布等）得影响，以及对刻蚀效果的影响。

所述窗口的尺寸特征在于，窗口的长度与腔室的直径相等。

由于基片尺寸最大可接近腔室直径，为了能够取放基片，所述窗口的长度最好等于所述反应腔室直径。该窗口的高度以能够满足取出或放入基片为宜，但应尽可能低小，窗口的高度优选大约30-50mm。该窗口装置位置位于腔室的侧壁。该窗口的位置优选位于所述升降机构的工作行程内的偏下位置。之所以这样设计，是因为基片的周围会安装有屏蔽环，该屏蔽环视实验情况而定是否安装，屏蔽环位置与基片工作时位置平行，亦即位于升降机构行程的上部，取放基片也就必须在行程的偏下位置才能进行取放。

所述取放片视窗出口装置在所述反应腔室侧壁上只有一个，取放基片通过一个视窗实现，该取放片视窗出口装置在反应腔室侧壁上也可以设置两个，两个视窗一个用于放入基片，另一个用于取出基片，该两个取放片视窗出口装置是相对地设置在所述反应腔室的相对侧壁上或者是相互成设定角度地设置在反应腔室的侧壁上。

前述取放片视窗出口装置，窗口的作用及意义在于可以通过插板阀与一微型腔室（存放未刻蚀或已刻蚀的基片）相同，更换刻蚀基片的时候，只需将微型腔室的气压降低到与主体腔室相同即可，该微型腔室体积小，很容易获得很低的气压。

同时设计两个窗口，一个作为基片的进口，另一个作为基片的出口，这样的结构设计的意义在于进一步提高取放基片的效率，起到节省时间和能源的作用。

所述取片视窗的截面形状优选为矩形。

本发明提供的工件取放装置，通过射频电极升降机构在高度方向的调整，以及在反应腔室侧壁上开设取放片视窗出口装置，可以在不开启上端盖的情况下方便地取放工件，大大减少了取放工件的劳动量和时间成本，并且对于接地电极和气体供应装置的位置精度不产生任何影响，有利于保证刻蚀精度。进一步地，在射频电极上增设二级升降机构，可以实现不同规格尺寸硅片的刻蚀，较小的硅片可以设置在较小的二级承载台上操作。较小的二级承载台的设计可以有效的利用刻蚀气体源，将有效刻蚀集中在较小的硅片表面。通过调节升降机构可以很方便的确定在不同放电参数下最佳工件与电极间距。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为现有的刻蚀装置的反应腔室结构示意图。

图2为本发明的刻蚀装置的反应腔室结构示意图。

图3为本发明的刻蚀装置的反应腔室的有一种结构的结构示意图。

图4为本发明的刻蚀装置的反应腔室另一种结构的俯视结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的半导体刻蚀装置，包括用于进行等离子体刻蚀的反应腔室，所述反应腔室包括上端盖1、下端盖5、侧壁6，所述反应腔室内部设有接地电极2和射频电极3，所述接地电极2通过螺钉安装于反应腔室的上端盖1上，承载半导体工件的载物台设置在射频电极3上，所述反应腔室内部还设有用于向所述半导体工件供应反应气体的气体供应装置7、用于取放所述半导体工件的工件取放装置。反应气体和辅助气体通过气体供应装置7进入到反应腔室中，气体在接地电极2和射频电极3之间的空间内被激发形成等离子体，并在电极电场力的作用下轰击到所述的半导体工件，例如半导体晶片，起到刻蚀的作用。

关于本发明的工件取放装置，如图2所示，所述工件取放装置包括射频电极升降机构和取放片视窗出口装置；所述射频电极升降机构包括螺旋传力机构和导向机构，所述螺旋传力机构包括螺杆13、螺母11和驱动电机12（例如伺服电机或步进电机），所述导向机构包括导柱14和导套15，其中，导柱14为上端开口的中空柱状，其上端开口处设有法兰17、下端固定安装螺母11，驱动电机12安装在导套15下端，驱动电机轴与螺杆13传动连接，导柱14滑动安装于导套15内部并可沿导套15轴向滑动，导柱14顶端通过法兰17安装有所述射频电极3，导套15下端固定安装于刻蚀装置的机架上，射频电极3与反应腔室的下端盖5之间设置有密封用波纹管16，波纹管16能跟随射频电极3的升高和下降而产生伸长和缩短；取片取放片视窗出口装置设置在反应腔室的侧壁6上，其包括窗口18、窗口盖19和密封装置，取放片视窗出口装置相对于反应腔室下端盖5的设置高度位于射频电极3的升降行程范围内。

所述窗口的长度与腔室的直径相等，另外，该窗口的位置位于所述升降机构的工作行程内偏下位置。

例如，窗口的长度为300mm。，其高度以能够满足取出或放入基片为宜，但应尽可能低小，在本实施例中，窗口的高度优选大约30-50mm，其位置位于腔室的侧壁。

所述视窗在所述反应腔室侧壁上可以是只有一个，取放基片通过一个视窗实现，该视窗也可以设置两个，两个视窗一个用于放入基片，另一个用于取出基片，该两个视窗可以是相对地设置在所述反应腔室的相对侧壁上；也可以是相互成设定角度，例如成90度角地设置在反应腔室的侧壁上的窗口18和窗口25，在其上都设有窗口盖19，如图4所示。

工作中，当需要进行工件取放时，只需要启动驱动电机12，使之带动螺杆13转动，进而带动导柱14及其上的射频电极和工件上下移动，当工件移动到其高度在取放片视窗出口装置的窗口的高度时，停止驱动电机12的转动，打开窗口盖19，即可取出工件并放置新的工件，工件放好后可快速关闭窗口盖19。由于窗口盖19上可以不再安装任何其它结构，因此其开启和关闭可以快速地完成，并且，对于窗口盖关闭后的位置精度没有任何要求。这与现有技术中通过开启上端盖进行工件取放的情况相比，大大减少了取放工件的劳动量和时间成本，并且对于接地电极和气体供应装置的位置精度不产生任何影响，有利于保证刻蚀精度，优势十分明显。

所述窗口的高度优选为大约30-50mm。

为了防止导套15和导柱14之间的发生相对转动，可以在导套15和导柱14之间的配合面上设置花键、或滑键，或者在二者之一上沿母线设置凹槽、而在另一方设置可嵌于该凹槽内的滑块。

为了保证升降机构运行平稳，螺杆13优选地与导套15、导柱14同轴设置。

所述取放片视窗出口装置的窗口的截面形状优选为矩形，也可以为圆形或椭圆形等其它形状。

至于射频电极升降机构在上升时的停止位置，可以通过在相应位置上设置位置传感器、或者通过对驱动电机的角位移进行控制等现有的技术手段来实现，不再赘述。

所述螺旋传动机构也可以用其它直线运动机构替代，例如曲柄滑块机构、槽轮机构、凸轮机构等，也可以是液压缸装置，驱动件用液压系统替代驱动电机。

如图3所示的另一个实施例中，与前一个实施例的区别在于在射频电极上设置的载物台上再增设一个二级升降机构，所述射频电极包括射频电极3和承载台，所述承载台与所述射频电极3电连接，在该射频电极3的承载面上开设一容置孔，在该容置孔上设有一二级承载台24，也可称为小载物台，其与所述容置孔口大小和形状匹配，该二级承载台24和所述射频电极3电连接，具体的电连接结构可以是：射频电极3与一级升降机构的载物台连接，此时载物台便作为放电时的电极，载物台上放置硅片，在等离子体作用下对硅片进行刻蚀，二级升降机构与一级升降机构的载物台连接，二级升降机构的载物台通过铜线与一级升降机构的载物台相连。该二级升降机构也是一直线运动机构，该直线运动机构包括一驱动电机20、一连接驱动电机20的转动件即螺杆22和连接该转动件的直线运动件即螺母23，该驱动电机20固定在射频电极3上，所述二级承载台24设置在该螺母上，在所述二级承载台24和容置孔的孔壁之间设置一个二级波纹管21，该二级波纹管21能跟随所述二级承载台24的升高和下降而产生伸长和缩短。连接一级升降机构的载物台和二级载物台的铜线布置在二级升降机构的波纹管里。

二级升降机构中的载物台为套设在固定于射频电极上的载物台内的圆板形状载物台，该二级升降机构中的小载物台的半径与一级升降机构中的载物台的半径比可以为0.5左右。

中心位置的二级升降机构的载物台，适宜小尺寸硅片的刻蚀。

对应具有较小的二级承载台的实施例中，放电电极也可以分成两部分，可以分别通电。

工作过程如下所述：在不需要二级升降机构动作时，一级和二级升降机构的载物台通过上述铜线的连接共同作为射频电极，而放电电极的两部分均通电与之对应。当刻蚀的基片较小时，启动一级升降机构和/或二级升降机构，使得二级载物台对准所述窗口，将基片放置在二级载物台上，放电电极的两部分中，只有对应二级载物台的放电电极接电，相应地启动一级升降机构和/或二级升降机构，使得二级载物台与放电电极的相应部分的间距符合要求，进行刻蚀操作。待需要取出基片时，再启动一级升降机构和/或二级升降机构，使得基片从所述窗口取出。

小承载台的设计可以有效的利用刻蚀气体源，将有效刻蚀集中在硅片表面，更加节能和高效。

当刻蚀较大尺寸的硅片时，承载台24下降到接地电极3内的容置孔中，且承载台24的上表面低于接地电极3的上表面。

Claims (11)

1.一种配置有工件取放装置和调节不同尺寸工件的位置的半导体刻蚀装置，包括用于进行等离子体刻蚀的反应腔室，所述反应腔室内部设有用于向半导体工件供应反应气体的气体供应装置、用于取放所述半导体工件的工件取放装置，以及相互间隔相对设置的接地电极和射频电极，其特征在于：所述工件取放装置包括射频电极升降机构和取放片视窗出口装置；

所述射频电极升降机构包括直线运动传动机构和导向机构，所述直线运动传动机构包括驱动电机、连接驱动电机的转动件和连接该转动件的直线运动件，所述射频电极设置在该直线运动件上，所述导向机构包括导柱和导套，其中，所述导柱连接所述直线运动件，所述导柱滑动安装于所述导套内部并可沿所述导套轴向滑动，使得所述导柱相对于导套做直线运动，该导套上连接所述驱动电机，所述导套安置于所述刻蚀装置的机架上所述射频电极与所述反应腔室的下端盖之间设置有密封用波纹管，所述波纹管能跟随所述射频电极的升高和下降而产生伸长和缩短；

所述取放片视窗出口装置设置在所述反应腔室的侧壁上，其包括开设在所述侧壁上的窗口、置于该窗口上的窗口盖和置于该窗口和窗口盖之间的密封装置，所述取放片视窗出口装置相对于所述反应腔室下端盖的设置高度位于所述射频电极的升降行程范围内。

2.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述直线运动传动机构为螺旋传动机构，包括相互螺接的螺母和螺杆，所述螺母为所述直线运动件，固定在所述导柱上，所述螺杆为所述转动件，与所述驱动电机的输出轴传动连接。

3.根据权利要求2所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述导柱为上端开口的中空柱状体，其上端开口处设有法兰、下端固定安装所述螺母，所述驱动电机安装在所述导套下端，所述驱动电机的输出轴与所述螺杆传动连接，所述导柱滑动安装于所述导套内部并可沿所述导套轴向滑动，所述导柱顶端通过所述法兰安装有所述射频电极，所述导套下端固定安装于所述刻蚀装置的机架上。

4.根据权利要求3所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述导套和所述导柱之间设置花键、或滑键、或滑块凹槽以防止二者之间的相对转动。

5.根据权利要求3所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述螺杆与所述导套、所述导柱同轴设置。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：在所述射频电极上再增设一个二级升降机构，所述射频电极包括射频电极主体和承载台，所述承载台与所述射频电极主体电连接，在该射频电极主体的承载面或承载台上开设一容置孔，在该容置孔上设有一二级承载台与所述容置孔口大小和形状匹配，该二级承载台和所述射频电极主体或与之电连接的所述承载台电连接；该二级升降机构也是一直线运动传动机构，该二级升降机构的直线运动传动机构包括一二级升降机构的驱动电机、一连接该二级升降机构的驱动电机的二级升降转动件和连接该二级升降转动件的二级升降直线运动件，该二级升降机构的驱动电机固定在所述容置孔中，所述二级承载台设置在该二级升降直线运动件上，在所述二级承载台和容置孔的孔壁之间设置一个二级波纹管，该二级波纹管能跟随所述二级承载台的升高和下降而产生伸长和缩短。

7.根据权利要求6所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述二级承载台为设于射频电极内的较小的承载台，所述二级承载台的升降行程的下端为使得所述二级承载台的台面低于所述射频电极的承载面的高度。

8.根据权利要求6所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述二级升降机构的所述直线运动传动机构为一螺旋机构，其中的螺母设置在所述二级承载台上，所述驱动电机设置在所述射频电极上，其输出轴上连接与设置在所述二级承载台上的所述螺母螺接的螺杆；和/或，所述二级承载台的半径与所述射频电极上的用于承载的一级升降平台的半径比为0.5。

9.根据权利要求1至5之一所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：取片视窗出口的截面形状为矩形。

10.根据权利要求6所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：取片视窗出口的截面形状为矩形。

11.根据权利要求9所述的半导体刻蚀装置，其特征在于：所述窗口的长度与腔室的直径相等；和/或，该窗口的位置位于所述升降机构的工作行程内偏下位置；或者，所述取放片视窗出口装置在所述反应腔室侧壁上只有一个；或者，该取放片视窗出口装置在反应腔室侧壁上设置两个，该两个取放片视窗出口装置是相对地设置在所述反应腔室的相对侧壁上或者是相互成设定角度地设置在反应腔室的侧壁上；或者，所述窗口的高度为30-50mm。