CN104658957B - 顶针机构及等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种顶针机构及等离子体加工设备，该顶针机构包括至少三个顶针和用于支撑顶针的托架，在每个顶针与托架之间设置有弹性部件，弹性部件在压力作用下其高度可在弹性范围内发生变化，并使顶针相对于所述托架的高度发生变化。本发明提供的顶针机构不仅可以提高水平调节精度，这使得可以在一定程度上降低顶针机构的其他部件的加工要求及其装配精度要求；而且可以缩短水平调节时间，从而可以提高工作效率。

Description

顶针机构及等离子体加工设备
技术领域
本发明属于半导体设备制造领域，具体涉及一种顶针机构及等离子体加工设备。
背景技术
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，以下简称PVD）设备广泛用于在被加工工件的表面上制备薄膜。采用PVD设备在被加工工件表面制备薄膜之前，通常需要将被加工工件输送至去气腔室内完成去气工艺过程，即，将被加工工件加热至350℃左右，以去除被加工工件表面上的水蒸气及其他易挥发杂质。
图1为去气腔室的结构简图。图2为被加工工件放置在加热板上表面的结构示意图。图3为顶针机构的俯视图。请一并参阅图1图2和图3，去气腔室10包括上盖101和腔室本体102；在去气腔室10的底部设置有加热器12，用于加热承载在其上表面的被加工工件S至工艺所需的温度，加热器12的直径小于被加工工件S的直径，且二者相差2bmm（0<b<3），为了使被加工工件均匀加热，被加工工件S与加热器12的中心轴在同一直线上，如图2所示；在去气腔室10的左侧壁上设置有进出通道13，用于设置在去气腔室10外部的平台机械手14经该进出通道13进出去气腔室10，且在进出通道13相对应位置处设置有门阀15，用于控制进气通道13的打开或关闭。此外，在去气腔室10内设置有顶针机构16，顶针机构16包括三个顶针161、升降机构162和用于支撑顶针的托架163，升降机构162借助连杆与托架163相连，且连杆与托架163通过螺钉固定连接，驱动托架163上升或者下降以带动三个顶针161上升或者下降至预设位置处，以将平台机械手14输送至去气腔室10的被加工工件S放置在加热板12的上表面上。
下面详细介绍去气腔室10的工作过程：步骤S1，打开门阀15，承载被加工工件S的平台机械手14经由进出通道13到达去气腔室10内，升降机构162驱动托架163上升以带动三个顶针161上升至预设位置；步骤S2，承载被加工工件S的平台机械手14下降至预设位置，之后空载的平台机械手14经由进气通道13传出去气腔室10，并关闭门阀15，且承载被加工工件S的顶针161在升降机构162的带动下下降直至被加工工件S位于加热器12的上表面上；步骤S3，在去气腔室10内对被加工工件S完成去气工艺，且在完成去气工艺之后承载被加工工件S的顶针161在升降机构162的带动下上升至预设位置，并打开门阀15，空载的平台机械手14经由进出通道13进入去气腔室10，且其上表面位于被加工工件S的下表面下方，平台机械手14上升并承载被加工工件S经由进出通道13传出去气腔室10，之后关闭门阀15，并空载的顶针161在升降机构162的带动下下降。
在实际应用中，当三个顶针161的顶端所在平面的水平度较低时，即，该平面与加热器12的平面不平行时，被加工工件S位于加热板12的上表面时会发生较大偏移，使得被加工工件S与加热板12的中心轴不在同一直线上，从而造成被加工工件S的加热不均匀，因此，在工艺过程中，通常通过调节连杆与托架163之间的调节螺钉来保证三个顶针161的顶端所在平面具有较高的水平度。
然而，往往在调节的过程中会存在以下问题：由于仅在托架163的一侧设置有升降机构162，使得固定三个顶针161的托架163相对升降机构162为悬臂梁，且仅通过调节该调节螺钉来调节三个顶针161形成的平面的水平度，使得调节的精度低；而且，为了提高调节精度，则就需要顶针机构16的零部件的精度高；此外，由于顶针机构16的结构较复杂，使得调节过程复杂、费时。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种顶针机构和等离子体加工设备，不仅可以提高水平调节精度，这使得可以在一定程度上降低对顶针机构的其他部件的加工要求及其装配精度要求；而且可以缩短水平调节时间，从而可以提高工作效率。
本发明提供一种顶针机构，包括至少三个顶针和用于支撑顶针的托架，在每个所述顶针与托架之间设置有弹性部件，所述弹性部件在压力作用下其高度可在弹性范围内发生变化，并使所述顶针相对于所述托架的高度发生变化。
具体地，所述顶针机构还包括第一连接件和第二连接件，其中所述第一连接件位于每个所述顶针与托架之间，且所述第一连接件的下端与所述托架连接，所述第一连接件的上端与所述顶针的下端具有预设的竖直间距；并且，在所述第一连接件的外周壁上设置有沿竖直方向间隔设置的上凸缘和下凸缘，所述弹性部件设置在所述上凸缘和下凸缘之间；所述第二连接件的上端与所述顶针的下端连接，所述第二连接件的下端与所述弹性部件连接。
具体地，所述第二连接件内设置有直通孔，在所述直通孔的内周壁上形成有环形凸起，所述环形凸起通过其环孔套置在所述第一连接件的外周壁上，且位于所述上凸缘和所述下凸缘之间，并且所述环形凸起的孔径不大于所述上凸缘的外径。
具体地，所述直通孔的内径不小于所述弹性部件的外径，且所述弹性部件的外径不小于所述环形凸起的内径，以使所述弹性部件位于所述环形凸起和所述下凸缘之间。
具体地，所述弹性部件包括弹簧，所述弹簧套制在所述第一连接件的外周壁上，且位于所述上凸缘和下凸缘之间。
具体地，所述弹性部件包括环形结构的弹簧触头，所述弹簧触头通过其环孔套制在所述第一连接件的外周壁上，且位于所述上凸缘和下凸缘之间。
具体地，在所述第一连接件的下端设置有螺柱和螺母，并对应地在所述托架上设置有螺纹孔，所述螺柱穿过所述螺纹孔，且与所述螺纹孔相配合，并借助所述螺母与所述托架固定在一起；并且通过旋转所述螺柱改变其与所述螺纹孔在竖直方向上的相对位置，来调节所述顶针相对于所述托架的高度。
具体地，所述第二连接件的上端与所述顶针的下端螺纹连接。
具体地，所述顶针机构还包括连杆和升降驱动源，其中所述连杆的上端与所述托架连接；所述升降驱动源用于驱动所述连杆上升或下降，以带动所述托架上升或下降。
本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室、承载装置和顶针机构，其中，所述承载装置设置在所述反应腔室内，用于承载被加工工件，所述顶针机构设置在所述承载装置的底部，用于在所述承载装置内上升或下降以带动位于所述承载装置上表面的被加工工件上升或者下降，所述顶针机构采用本发明提供的上述顶针机构。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的顶针机构，其在每个顶针与托架之间设置有弹性部件，弹性部件在压力作用下其高度可在弹性范围内发生变化，并使顶针相对于托架的高度发生变化。由此可知，当被加工工件对至少三个顶针的压力不同时，每个顶针对应的弹性部件在与之对应的压力下其高度在弹性范围内可自动发生相应的变化，这使得可以实现自动调节每个顶针相对于托架的高度来补偿至少三个顶针之间的压力差，因而可以很大程度上提高至少三个顶针的顶端所在平面的水平度，从而不仅可以提高水平调节精度，这使得可以在一定程度上降低对顶针机构的其他部件的加工要求及其装配精度要求；而且可以缩短水平调节时间，从而可以提高工作效率。
本发明提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的顶针机构，不仅可以提高水平调节精度，从而可以提高工艺质量；而且可以缩短水平调节时间，从而可以提高工艺效益，进而可以提高经济效益。
附图说明
图1为去气腔室的结构简图；
图2为被加工工件放置在加热板上表面的结构示意图；
图3为顶针机构的俯视图；
图4为本发明第一实施例提供的顶针机构中顶针的立体图；
图5为沿图4中A-A’线的剖视图；
图6为弹簧触头的立体图；以及
图7为被加工工件的受力分析图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的顶针机构及等离子体加工设备进行详细描述。
图4为本发明第一实施例提供的顶针机构中顶针的立体图。图5为沿图4中A-A’线的剖视图。请一并参阅图4和图5，该顶针机构包括至少三个顶针20和用于支撑顶针20的托架，在每个顶针20与托架之间设置有弹性部件21，弹性部件21在压力作用下其高度可在弹性范围内发生变化，并使顶针20相对于托架的高度发生变化。
下面结合图5详细描述顶针20、弹性部件21和托架之间的具体结构：在本实施例中，顶针机构还包括第一连接件22和第二连接件23。其中，第一连接件22位于每个顶针20与托架之间，且第一连接件22的下端与托架连接，第一连接件22的上端与顶针20的下端具有预设的竖直间距H；并且，在第一连接件22的外周壁上设置有沿竖直方向间隔设置的上凸缘22a和下凸缘22b，弹性部件21设置在上凸缘22a和下凸缘22b之间，弹性部件21包括弹簧，弹簧套制在第一连接件22的外周壁上，且位于上凸缘22a和下凸缘22b之间，在实际应用中，弹性部件还可以为环形结构的弹簧触头，如图6所示，弹簧触头通过其环孔套制在第一连接件22的外周壁上，且位于上凸缘22a和下凸缘22b之间；第二连接件23的上端与顶针20的下端连接，第二连接件23的下端与弹性部件21连接，其中，第二连接件23的上端与顶针20的下端螺纹连接，如图5所示，第二连接件23的上端与顶针20的下端通过螺钉24固定连接。
具体地，第二连接件23内设置有直通孔231，在直通孔231的内周壁上形成有环形凸起232，环形凸起232通过其环孔套置在第一连接件22的外周壁上，且位于上凸缘22a和下凸缘22b之间，并且环形凸起232的孔径不大于上凸缘22a的外径，因此在顶针20的压力减小使得弹性部件21的高度增加并带动第二连接件23的上升时，环形凸起232最大可以上升至与上凸缘22a的下表面接触，因而可以限制第二连接件23的上升高度，从而不仅可以提高顶针机构的稳定性；而且可以根据实际情况对应设置，从而可以提高顶针机构的灵活性。并且，直通孔231的内径不小于弹性部件21的外径，且弹性部件21的外径不小于环形凸起232的内径，以使弹性部件21位于环形凸起232和下凸缘22b之间。而且，在本实施例中，为了便于弹性部件21的安装，第一连接件22采用分体结构的方式，第一连接件22包括具有上凸缘22a的第一分部221和具有下凸缘22b的第二分部222，且第一分部221和第二分部222采用螺纹等方式固定连接。
并且，在本实施例中，顶针机构还包括连杆和升降驱动源。其中，连杆的上端与托架连接，升降驱动源用于驱动连杆上升或下降，以带动托架上升或下降，托架上升或下降带动至少三个顶针20上升或者下降，以实现位于至少三个顶针20顶端上的被加工工件上升或者下降。
此外，在第一连接件22的下端设置有螺柱和螺母，并对应地在托架上设置有螺纹孔，螺柱穿过螺纹孔，且与螺纹孔相配合，并借助螺母与托架固定在一起；并且通过旋转螺柱改变其与螺纹孔在竖直方向上的相对位置，来调节顶针20相对于托架的高度。而且，连接杆的上端与托架之间设置有调节螺钉，且通过调节该调节螺钉来调节托架的水平度。
容易理解，在调节至少三个顶针20的顶端所在平面的水平度时可预先进行粗调，例如，通过旋转每个顶针20对应的第一连接件22下端的螺柱以调节该顶针20相对于托架的高度，和/或，通过调节连接杆与托架之间的调节螺钉来调节托架的水平度，以减小至少三个顶针20之间的高度差，通过粗调可以使得至少三个顶针之间的高度差在±2mm左右（或者至少三个顶针的顶端所在平面与水平面之间的角度为±0.5°）；粗调之后再借助弹性部件21自动调节以减少顶针之间的高度差。并且，由于粗调使得至少三个顶针之间的高度差在±2mm左右，因此第一连接件22的上端与顶针20的下端之间的预设的竖直间距H范围在1～3mm。
下面结合图7详细分析本实施例提供的顶针机构的工作原理：具体地，以被加工工件S为分析对象，在被加工工件S上的点A、点B、点C和点D分别为三个顶针20与被加工工件S的受力点和被加工工件S的重心，且点A、点B、点C和点D的坐标分别为（X1，Y1，Z1）、（X2，Y2，Z2）、（X3，Y3，Z3）和（0，0，0）；F1、F2、F3和G分别表示三个顶针20对被加工工件S的支撑力和被加工工件S的重力，根据受力平衡的原理进行受力分析：
Z轴方向上受力平衡可得出：∑Fz=0，F1+F2+F3-G=0（公式1）；
X轴方向上受力平衡可得出：∑Mx（F）=0，即，F1*Y1－F2*Y2－F3*Y3=0（公式2）；
Y轴方向上受力平衡可得出：∑My（F）=0，F1*X1－F2*X2－F3*X3=0（公式3）；
根据以上公式1、公式2和公式3可以得出：F1=α*G；F2=β*G；F3=γ*G，其中，α，β和γ是关于X1，X2，X3，Y1，Y2和Y3的函数，且由于点A、点B和点C在被加工工件S上的位置不变，因此，X1，X2，X3，Y1，Y2和Y3为确定值，也就是说，参数α，β和γ为确定值，F1、F2和F3为确定值；但又由于点A、点B和点C在被加工工件S上的位置不同，使得参数α，β和γ不相等，也就是说，F1≠F2≠F3；并且，容易理解，点A、点B和点C的Z轴坐标值越大，则该点对被加工工件S的支撑力越大，例如，若Z1>Z2>Z3，则F1>F2>F3。
因此，由上可知，当被加工工件S对至少三个顶针20的压力（即，三个顶针对20对被加工工件S的支撑力）不同时，每个顶针20对应的弹性部件21在与之对应的压力下其高度在弹性范围内可自动发生相应的变化，这使得可以实现自动调节每个顶针20相对于托架的高度来补偿三个顶针20之间的压力差，因而可以很大程度上提高至少三个顶针20的顶端所在平面的水平度，从而不仅可以提高水平调节精度，这使得可以在一定程度上降低顶针机构的其他部件的加工及其机构的装配精度要求；而且可以缩短水平调节时间，从而可以提高工作效率。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室、承载装置和顶针机构。其中，承载装置设置在反应腔室内，用于承载被加工工件S，顶针机构设置在承载装置的底部，用于在承载装置内上升或下降以带动位于承载装置上表面的被加工工件上升或者下降，且顶针机构采用上述第一实施例提供的顶针机构。
本实施例提供的等离子体加工设备包括PVD设备，反应腔室包括去气腔室，位于去气腔室内的承载装置不仅用于承载被加工工件，而且也用于将被加工工件加热至工艺所需的温度（例如350摄氏度），以在去气腔室内完成去除被加工工件上的水蒸气以及其他易挥发杂质。而且，由于去气腔室内的温度较高，因此顶针机构中的弹性部件应该采用耐高温的材料制成，或者采用在高温环境下具有一定弹性形变的材料制成。
本实施例提供的等离子体加工设备，其采用上述第一实施例提供的顶针机构，不仅可以提高水平调节精度，从而可以提高工艺质量；而且可以缩短水平调节时间，从而可以提高工艺效益，进而可以提高经济效益。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种顶针机构，包括至少三个顶针和用于支撑顶针的托架，其特征在于，在每个所述顶针与托架之间设置有弹性部件，所述弹性部件在压力作用下其高度可在弹性范围内发生变化，并使所述顶针相对于所述托架的高度发生变化；
所述顶针机构还包括第一连接件和第二连接件，其中
所述第一连接件位于每个所述顶针与托架之间，且所述第一连接件的下端与所述托架连接，所述第一连接件的上端与所述顶针的下端具有预设的竖直间距；并且，在所述第一连接件的外周壁上设置有沿竖直方向间隔设置的上凸缘和下凸缘，所述弹性部件设置在所述上凸缘和下凸缘之间；
所述第二连接件的上端与所述顶针的下端连接，所述第二连接件的下端与所述弹性部件连接。
2.根据权利要求1所述的顶针机构，其特征在于，所述第二连接件内设置有直通孔，在所述直通孔的内周壁上形成有环形凸起，所述环形凸起通过其环孔套置在所述第一连接件的外周壁上，且位于所述上凸缘和所述下凸缘之间，并且
所述环形凸起的孔径不大于所述上凸缘的外径。
3.根据权利要求2所述的顶针机构，其特征在于，所述直通孔的内径不小于所述弹性部件的外径，且所述弹性部件的外径不小于所述环形凸起的内径，以使所述弹性部件位于所述环形凸起和所述下凸缘之间。
4.根据权利要求2所述的顶针机构，其特征在于，所述弹性部件包括弹簧，所述弹簧套制在所述第一连接件的外周壁上，且位于所述上凸缘和下凸缘之间。
5.根据权利要求1所述的顶针机构，其特征在于，所述弹性部件包括环形结构的弹簧触头，所述弹簧触头通过其环孔套制在所述第一连接件的外周壁上，且位于所述上凸缘和下凸缘之间。
6.根据权利要求1所述的顶针机构，其特征在于，在所述第一连接件的下端设置有螺柱和螺母，并对应地在所述托架上设置有螺纹孔，所述螺柱穿过所述螺纹孔，且与所述螺纹孔相配合，并借助所述螺母与所述托架固定在一起；并且
通过旋转所述螺柱改变其与所述螺纹孔在竖直方向上的相对位置，来调节所述顶针相对于所述托架的高度。
7.根据权利要求1所述的顶针机构，其特征在于，所述第二连接件的上端与所述顶针的下端螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的顶针机构，其特征在于，所述顶针机构还包括连杆和升降驱动源，其中
所述连杆的上端与所述托架连接；
所述升降驱动源用于驱动所述连杆上升或下降，以带动所述托架上升或下降。
9.一种等离子体加工设备，包括反应腔室、承载装置和顶针机构，其中，所述承载装置设置在所述反应腔室内，用于承载被加工工件，所述顶针机构设置在所述承载装置的底部，用于在所述承载装置内上升或下降以带动位于所述承载装置上表面的被加工工件上升或者下降，其特征在于，所述顶针机构采用权利要求1-8任意一项所述的顶针机构。
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