CN103597577B - 用于处理晶片状物件的表面的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于晶片状物件的液体处理的装置，其包括封闭处理室和位于所述封闭处理室内的环形卡盘。所述环形卡盘适于在没有物理接触的情况下通过磁轴承进行驱动。磁定子围绕所述封闭处理室。所述封闭处理室具有在晶片状物件的液体处理过程中位于所述环形卡盘和所述磁定子之间的圆柱形壁。多种结构被提供来防止处理液体向上流入限定在所述环形卡盘和所述圆柱形壁之间的间隙中。

Description

用于处理晶片状物件的表面的装置

技术领域

本发明总体上涉及用于处理晶片状物件（比如半导体晶片）的表面的装置，其中一或多种处理流体可从封闭的处理室中回收。

背景技术

半导体晶片经受各种表面处理工艺，比如蚀刻、清洁、抛光和材料沉积。为了适应这样的工艺，可相对于一或多个处理流体喷嘴通过与可旋转载具相关联的卡盘支撑单个晶片，如例如美国专利No.4,903,717和No.5,513,668中所记载的。

替代地，适用于支撑晶片的环形卡盘形式的卡盘可被设置在封闭的处理室内并在没有物理接触的情况下通过主动磁轴承驱动，如例如国际公开文本No.WO2007/101764和美国专利No.6,485,531中所记载的。因离心作用而从旋转晶片边缘向外驱动的处理流体被传送给用于清理的公共排流管。

共同拥有的美国专利申请系列No.12/787,196（2010年5月25日提交）和No.12/842,836（2010年7月23日提交）以及No.WO2010/113089公开了针对环形卡盘的改进构造，其中晶片通过向下突出的抓销悬浮于环形卡盘的下面。

发明内容

本发明人已发现，在上述类型的卡盘中，自晶片表面排出的处理液体不像所希望的那样完全按路线移动。尤其是，尽管环形卡盘被设定形状以相对于晶片和环形卡盘向下且向外地引导处理流体，但本发明人已发现，一部分处理液体趋于向上移动到环形卡盘和周围圆柱形壁之间的相对狭窄的间隙中。

因此，本发明提供了一种用于晶片状物件的液体处理的装置，其包括封闭处理室、位于所述封闭处理室内的环形卡盘，所述环形卡盘适于在没有物理接触的情况下通过磁轴承进行驱动，磁定子围绕所述封闭处理室，所述封闭处理室包括在晶片状物件的液体处理过程中位于所述环形卡盘和所述磁定子之间的圆柱形壁，且所述环形卡盘具有用于防止处理液体向上流入限定在所述环形卡盘和所述圆柱形壁之间的间隙中的结构（form）。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括自所述环形卡盘的面向下且向内的表面延伸的向下依靠的扰流器。

在本发明的优选实施方式中，所述扰流器在比所述环形卡盘的面向下的表面更垂直的方向上自所述环形卡盘延伸，所述扰流器自所述环形卡盘的面向下的表面延伸。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下的流体引导表面，且所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面的径向外侧区域中的至少一个面向下的环形凹面。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括形成于所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面的径向外侧区域中的两个面向下的环形凹面，其中所述两个面向下的环形凹面彼此相邻且通过所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面中的突变部彼此分隔。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下且向内的流体引导表面，且所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面中的环形狭缝，所述狭缝被设定尺寸以中断穿过所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面的液体流。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下的流体引导表面，且所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面的径向外侧区域中的一系列开口。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下的流体引导表面，且所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的径向面向外的表面中的环形凹陷流体阱，所述阱在径向上相对于所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面向外设置且在轴向上设置在所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面上面。

在本发明的优选实施方式中，所述装置是在用于单个晶片湿法处理的处理模块中的旋转卡盘。

在本发明的优选实施方式中，所述环形卡盘包括自所述环形卡盘向下突出且适于保持晶片状物件悬浮于所述环形卡盘下面的一系列接触元件。

在本发明的优选实施方式中，所述接触元件是能在径向内侧位置和径向外侧位置之间联合移动的一系列销，在所述径向内侧位置，所述销接触晶片状物件，在所述径向外侧位置，所述销释放所述晶片状物件。

在本发明的优选实施方式中，所述销以环形序列排列，且每一个销从各自的枢轴基底沿着与所述枢轴基底的枢转轴平行且偏离所述枢轴基底的枢转轴的轴突出。

在本发明的优选实施方式中，所述装置进一步包括操作性地与所述定子相关联的垂直移动致动器。

在本发明的优选实施方式中，所述垂直移动致动器通过磁耦合操作性地与所述定子相关联。

在本发明的优选实施方式中，所述磁轴承是主动磁轴承。

附图说明

参考附图，在阅读下面对本发明的优选实施方式的详细描述之后，本发明的其它目的、特征和优点会变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明的实施方式的处理室的侧面剖视图，示出为晶片装载/卸载状态；

图2a是图1中的细节Ⅱ的剖面透视图，描绘了根据现有技术的环形卡盘构造；

图2b是图1中的细节Ⅱ的剖面透视图，描绘了根据本发明的实施方式的环形卡盘构造；

图2c是图1中的细节Ⅱ的剖面透视图，描绘了根据本发明的实施方式的环形卡盘构造；

图2d是图1中的细节Ⅱ的剖面透视图，描绘了根据本发明的实施方式的环形卡盘构造；

图2e是图1中的细节Ⅱ的剖面透视图，描绘了根据本发明的实施方式的环形卡盘构造；

图2f是图1中的细节Ⅱ的剖面透视图，描绘了根据本发明的实施方式的环形卡盘构造；

图3是图示根据本发明的另一实施方式的装置的部分剖面透视图；

图4是图4的细节Ⅳ的部分剖面透视图；以及

图5是对应于图4的视图，其中定子已相对于处理室的圆柱形壁抬升从而卡盘也已相对于处理室的圆柱形壁抬升，且其中卡盘处于不同的角取向以暴露销组件。

具体实施方式

参考图1，封闭的处理室由具有开口底部区域的上室限定，所述上室位于具有开口顶部区域的较大的下室的顶上。上室的周界由圆柱形室壁（105）限定。圆柱形室壁（105）包括垂直方向的圆柱形壁，其具有上端且在其下端具有向外延伸的径向凸缘。

内盖板（131）位于圆柱形室壁（105）的上端以便提供上室的封闭顶面，其在圆柱形室壁（105）的内部延伸。内圆柱形板（131）还从圆柱形室壁（105）的上端径向向外延伸。因此，封闭处理室的上室包括形成于内盖板（131）下方且在圆柱形室壁（105）内的内部区域。

封闭处理室的大于上室的下室通过底板（136）从下面形成。框架（138）包括围绕底板（136）的外围接合的垂直壁以形成下室的垂直延伸侧壁。晶片装载和卸载通道门（134）被设置在框架（138）的一个壁中且维护通道门被设置在框架（138）的另一个壁中。

在底板（136）的对面，框架（138）被接合到向内延伸的环形盖板（132），以便形成下室的环形顶面。因此，封闭处理室的下室包括形成于底板（136）上方、框架（138）内且在环形盖板（132）下方的内部区域。

环形盖板（132）在其内周缘抵靠圆柱形室壁（105）的下端的水平延伸的凸缘进行设置，以便接合上室和下室从而形成封闭的处理室。

环形卡盘（102）位于上室内。环形卡盘（102）适于可旋转地支撑晶片（W）。优选地，环形卡盘（102）包括具有多个偏心可移动抓握件的可旋转驱动环，多个偏心可移动抓握件用于选择性地接触和释放晶片的外周（peripheral edge）。

在图1所示的实施方式中，环形卡盘（102）包括邻近圆柱形室壁（105）的内表面设置的环转子（103）。定子（104）邻近圆柱形室壁（105）的外表面在环转子的对面设置。转子（103）和定子（104）作为马达，通过该马达，环形卡盘（进而所支撑的晶片）可通过主动磁轴承被旋转。举例来说，定子（104）可包括多个电磁线圈或绕组，其可被主动控制以通过转子（103）中所提供的永磁体可旋转地驱动环形卡盘（102）。环形卡盘（102）的轴向和径向轴承也可通过定子的主动控制或者通过永磁体来实现。因此，环形卡盘（102）可被悬空且可被可旋转地驱动而无机械接触。

替代地，环形卡盘可由被动轴承支持，其中环形卡盘的磁体由在室外的外环形卡盘上周向设置的相应的高温超导磁体（HTS-磁体）支持。在该替代实施方式中，环形卡盘的每一个磁体被固定于其外转子的相应HTS-磁体。因此，内转子作出与外转子相同的运动而无需物理连接。

内盖板（131）因介质入口（110）而穿孔。类似地，底板（136）因介质入口（109）而穿孔。在晶片的处理过程中，处理流体可被引导穿过介质入口（109）和/或（110）至旋转着的晶片以便执行各种工艺，比如对正在经受处理的晶片的蚀刻、清洁、漂洗和任何其它所需的表面处理。

在封闭处理室的下室内提供有一或多个垂直可移动的防溅罩（111，115）。在图1中示出了两个圆形防溅罩（111和115），但可理解的是可以提供任意希望数量的防溅罩，或者可完全省略防溅罩。

排流管（117）延伸穿过基板（136）并向由防溅罩（115）限定的内流体收集器开口，同时排流管（108）延伸穿过基板（136）并向由防溅罩（111）限定的外流体收集器开口。优选地，基板（136）相对于水平面朝排流管（108）和（117）中的每一个倾斜，使得由内流体收集器和外流体收集器收集的流体沿着基板（136）流向排流管（117）和（118）。

此外，通向封闭处理室的排气口（106）被提供来方便空气和/或其它气体和烟气的流动。

每一个防溅罩在垂直方向上是独立可移动的。据此，每一个防溅罩可相对于环形卡盘（102）和相对于任何其它防溅罩被选择性地升高和/或降低，使得从环形卡盘的尾缘（122）流出的多余的处理流体被导向选定的流体收集器。

一或多个致动器被设置在封闭处理室的外面以便帮助每一个防溅罩的选择性且独立的移动。例如，致动器（113）操作性地与外防溅罩（111）相关联而另一致动器（116）操作性地与内防溅罩（115）相关联。优选地，为每一个防溅罩提供三个致动器，但所使用的致动器的数量部分地依赖于相关联的防溅罩的几何形状。

致动器（113，116）具有与防溅罩（111，115）所带有的永磁体对应的永磁体。因此，每一个防溅罩的选择性垂直移动可由致动器通过由成组的对立永磁体所形成的磁耦合而提供。

现在参考图2(a)，环形卡盘还包括位于环形卡盘结构内的环形齿轮（30），将联系图3的实施方式进行更详细的描述。

环形卡盘（102）进一步包括尾缘（122），尾缘（122）定向于自环形卡盘（102）的旋转轴径向向外引导的向下角度，如图2(a)中所示。从而，由旋转晶片产生的离心作用使得已通过介质入口（109）或（110）被分配的多余的处理流体抵靠环形卡盘（102）的成角度的表面被驱动并在自尾缘（122）沿向下且向外的方向上被引导。

然而，本发明人已发现如图2(a)中所描绘的构造不会使所有的处理液体在其在晶片W的表面上停留之后相对于环形卡盘（102）向下且向外被引导。相反，用过的的处理液体的液滴或液流L也向上且向外地移动，在此情况下它们进入转子（103）和圆柱形室壁（105）之间的间隙G。

在旋转卡盘（102）和环绕室壁（105）之间的间隙G中的处理液体的累积对马达性能产生不利影响且也会改变片上（on-wafer）性能（处理结果）。

因此，如图2(b)中所示，根据本发明的实施方式的装置包括以向下依靠于尾随表面（122）的圆柱形挡板的形式的扰流器125。在这种情况中，扰流器（125）垂直定向，但它也可按斜角定向。然而，扰流器（125）应当比尾随表面（122）定向为更接近垂直方向。

如图2(b)中所示，扰流器（125）防止了液滴L的向上移动，反而将它们导向收集室，或者，在具有多个收集室的装置中将它们导向恰当的收集室。

图2(b)中的参考数字（126）表示接收用于环形齿轮30的连接的螺栓的孔。多个这样的孔（126）被形成在环形卡盘（102）上。环形齿轮（30）包括相应的一系列插槽，这些螺栓会穿过这些插槽，这些插槽在打开或关闭抓销的时候在限定的角度范围内允许环形齿轮（30）和环形卡盘（102）之间的相对转动。

现在参考图2(c)，在该实施方式中，通过在尾缘（122）的下部且径向最外的区域中形成的成对的凹面来防止处理液体的向上流入（upward ingress）。具体地，凹面（127）和凹面（128）彼此相邻地形成，且通过尾缘表面（122）中的突变部分隔。这些表面（127）和（128）一起占用尾缘（122）的外周上的径向距离“d”。因此，图2(c)的环形卡盘结构以与图2(b)的实施方式类似的方式沿着预期路径更可靠地引导用过的处理液体。

在图2(d)的实施方式中，通过在尾缘（122）的下部且径向最外的区域中形成一系列开口（129）来防止处理液体的向上流入。开口（129）穿过环形卡盘（102）的下部，从而引导用过的处理液体径向向外且远离环形卡盘（102）和室壁（105）之间的间隙G。

如同本发明所公开的其它实施方式的结构，开口（129）也用于中断离开晶片表面径向向外排出的用过的处理液体的流，促进液滴的形成且中断任何层流。因此，所公开的实施方式不仅使用过的处理液体转向，而且减小了它们的速率和流动能。本装置所形成的用过的处理液体的液滴较少倾向于围绕最外层卡盘边缘移动并能够被更容易地甩落。

现在参考图2(e)，根据本发明进一步实施方式的装置包括形成于尾随表面（122）中的环形狭缝（135）。在这种情况中的狭缝（135）连续地沿着表面（122）的整个周界延伸；然而，狭缝（135）也能够替代地形成为一系列不连续的弓形狭缝。狭缝（135）在尾随表面（122）的表面上开口的宽度及其深度被选择来中断沿着尾随表面（122）径向向外的液体流。

如图2(e)中所示，狭缝（135）防止了液滴L的向上移动，相反地，将它们导向收集室，或者，在具有多个收集室的装置中将它们导向恰当的收集室。

现在参考图2(f)，在该实施方式中，通过形成于环形卡盘的径向面向外的表面中的凹陷阱（130）来防止处理液体的向上流入，凹陷阱（130）在径向上相对于尾缘表面（122）向外设置且在轴向上设置在尾缘表面（122）上面。凹陷阱（130）优选地是环形，延伸贯穿环形卡盘（102）的整个周长。

本领域技术人员可以理解的是，结合图2(b)-2(f)所公开的结构不一定是彼此替代的，而是可以以任何合适的组合一起使用。

图3描绘了可应用本发明的环形卡盘的替代实施方式。图3的卡盘（100）包括室、用于抓紧并旋转晶片状物件W的环形卡盘（20）、以及定子（80）。所述室包括圆柱形壁（60）、底板（65）和顶板（未图示）。上分配管（63）被引导穿过顶板而下分配管（67）被引导穿过底板（65）。

定子（80）被安装到定子基板（5）且与圆柱形壁（60）同中心。定子基板（5）可例如利用气动升降装置沿着圆柱形壁（60）的轴轴向地移动。定子基板（5）和安装到定子基板（5）的定子（80）具有中心开口，该中心开口的直径大于圆柱形壁（60）的外径。顶板（25）也可轴向地移动以打开所述室。在其关闭位置，顶板抵靠圆柱形壁（60）密封。

如图4中所示，定子（80）包括针对轴向取向和径向取向且用于驱动转子（85）的若干线圈（84），转子（85）是环形卡盘的组成部分。环形卡盘（20）的直径小于圆柱形壁的内径使得其能够在圆柱形壁（60）内自由地悬浮并旋转。环形卡盘（20）包括内卡盘基体（21），环形槽周向地围绕内卡盘基体（21）的外侧，该环形槽接收齿环（30）。齿环（30）优选地由PEEK、铝或者不锈钢制成。齿环（30）包括面向内的齿，所述面向内的齿驱动销轴（27）的齿（参见图5）。

该实施方式具有6个向下取向的销轴（27），每一个销轴（27）具有小齿轮，所述小齿轮被齿环（30）驱动。销轴（27）被安装成使得其能够围绕轴A转动，轴A平行于环形卡盘的旋转轴。

销（28）在相对于销轴（27）的旋转轴A偏心的位置被安装到每一个销轴（27）或者与每一个销轴（27）一体形成。

因此，当销轴（27）被齿环（30）转动时，销（28）在径向上相对于卡盘移位。由于销和齿环（30）二者均由卡盘基体（21）承载，所以仅在齿环（30）相对于卡盘基体旋转时，齿环（30）才使销轴（27）旋转。

销（28）被设置以在晶片W的外周缘上接触晶片W。由于销（28）也支撑晶片W的重量，所以销（28）在形状上可以是圆柱形的或者可在其径向面向内的接触晶片边缘的侧面上具有凹口部分，以防止晶片W在晶片被抓紧时相对于销（28）的轴向位移。

为了将齿环（30）安装到卡盘基体（21）的环形槽中，齿环（30）由两个分离的段组成，将两个分离的段在其插入环形槽中时固定在一起。

两个永磁体（33）（参见图4）被安装到齿环（30）。多个（至少24个）转子磁体（85）（其是永磁体）围绕卡盘基体（21）均匀地排布。这些转子磁体（85）是驱动和定位单元的组成部分，即，环形卡盘的组成部分（主动轴承的元件），其被安装到卡盘基体（21）。

多个转子磁体（85）和承载永磁体（33）的齿环（30）被封装在由卡盘基体（21）、外下卡盘盖（22）和转子磁体盖（29）所提供的中空的环形空间中。这样的转子磁体盖（29）可以是不锈钢夹套。

盖（22）和（29）是环形的且与卡盘基体（21）同中心。

当组装卡盘（20）时，销轴（27）从上面插入它们各自的位置使得销轴抵靠卡盘基体21紧紧密封，如图5中所示。每个销轴（27）用螺丝（24）固定在适当的位置。另外，每个销轴可通过该销轴和螺丝之间的螺旋弹簧压入其位置。

定子和主动定位单元（80）附着到定子基板5，定子和主动定位单元（80）相对于圆柱形壁（60）同中心地设置。定位单元（80）与转子磁体（85）对应，从而悬空、定位和旋转卡盘（20）。

在主动定位单元（80）下面是安装到定子基板（5）的两个气缸（50）。在气缸（50）的杆的远端上设置有锁定磁体（55）（永磁体）。锁定磁体对应于齿环（30）的永磁体（33）。气缸（50）被设置成使得锁定磁体（55）能够相对于圆柱形壁（60）的轴径向移动。

当销被打开例如以释放晶片时，执行下面的程序：抬升定子基板（5），随之悬空卡盘（20），使得圆柱形壁（60）不再位于锁定磁体（55）和卡盘（20）之间的间隙中（参见图5）。

此后，气缸（50）使锁定磁体（55）移动以紧邻卡盘（20）且转动卡盘使得永磁体（33）连同齿环（30）被锁定磁体锁定。此时转动卡盘，同时齿环保持不动，且因此销（28）打开。替代地，卡盘基体可保持不动而气缸被移动使得锁定磁体切向地转动（沿着卡盘的周长），从而转动齿环。

如图4和5中所示，该实施方式的卡盘基体（21）具有扰流器（25），扰流器（25）的结构和功能如上面联系图2(b)的实施方式的扰流器（125）所描述的。

类似地，联系图3-5所描述的卡盘可作为选择地或附加地装备有上面联系图2(c)、2(d)和2(e)所描述的构造的任何一者或多者。

虽然已联系本发明的各种说明性实施方式对本发明进行了描述，但应理解的是，这些实施方式不应被用作为限制由所附权利要求书的真实范围和精神所赋予的保护范围的理由。

Claims (14)

1.一种用于晶片状物件的液体处理的装置，其包括封闭处理室、位于所述封闭处理室内的环形卡盘，所述环形卡盘适于在没有物理接触的情况下通过磁轴承进行驱动，磁定子围绕所述封闭处理室，所述封闭处理室包括在晶片状物件的液体处理过程中位于所述环形卡盘和所述磁定子之间的圆柱形壁，且所述环形卡盘具有用于防止处理液体向上流入限定在所述环形卡盘和所述圆柱形壁之间的间隙中的结构，其中所述环形卡盘包括扰流器，所述扰流器向下依靠所述环形卡盘的面向下且向内的表面，且所述扰流器自所述环形卡盘的面向下且向内的表面延伸。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述扰流器比所述环形卡盘的面向下且向内的表面定向为更接近垂直方向。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下且向内的流体引导表面，且其中所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面的径向外侧区域中的至少一个面向下的环形凹面。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述环形卡盘包括形成于所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面的径向外侧区域中的两个面向下的环形凹面，其中所述两个面向下的环形凹面彼此相邻且通过所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面中的突变部彼此分隔。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下且向内的流体引导表面，且其中所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面中的环形狭缝，所述狭缝被设定尺寸以中断穿过所述环形卡盘的所述面向下且向内的流体引导表面的液体流。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下的流体引导表面，且其中所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面的径向外侧区域中的一系列开口。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述环形卡盘包括与所述环形卡盘的旋转轴成斜角地延伸的面向下的流体引导表面，且其中所述环形卡盘进一步包括形成于所述环形卡盘的径向面向外的表面中的环形凹陷流体阱，所述阱在径向上相对于所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面向外设置且在轴向上设置在所述环形卡盘的所述面向下的流体引导表面上面。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述装置是在用于单个晶片湿法处理的处理模块中的旋转卡盘。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述环形卡盘包括自所述环形卡盘向下突出且适于保持晶片状物件悬浮于所述环形卡盘下面的一系列接触元件。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述接触元件是能在径向内侧位置和径向外侧位置之间联合移动的一系列销，在所述径向内侧位置，所述销接触晶片状物件，在所述径向外侧位置，所述销释放所述晶片状物件。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述销以环形序列排列，且每一个销从各自的枢轴基底沿着与所述枢轴基底的枢转轴平行且偏离所述枢轴基底的枢转轴的轴突出。

12.如权利要求10所述的装置，其进一步包括在封闭处理室的下室内的至少一个垂直可移动的防溅罩，并且至少一个垂直移动致动器操作性地与所述至少一个垂直可移动的防溅罩相关联。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述至少一个垂直移动致动器通过磁耦合操作性地与所述至少一个垂直可移动的防溅罩相关联。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述磁轴承是主动磁轴承。