CN108962794A - 一种升针方法及应用其的顶针升降装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种升针方法及应用其的顶针升降装置，升针方法用于通过顶针将支撑装置上的晶圆顶起，其包括：将驱动顶针上升的力调节到设定值，以减小顶针对晶圆的冲击；启动升针操作；判断所述顶针是否升至预定高度，如果是，执行将所述顶针由所述预定高度升至传输高度的步骤；如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作的步骤，直至所述顶针升至预定高度。

Description

一种升针方法及应用其的顶针升降装置

技术领域

本公开涉及半导体制造技术领域，尤其是一种升针方法及应用其的顶针升降装置。

背景技术

现有的晶圆加工流程如图1所示，晶圆进入反应腔室后，静电卡盘通过高压直流电压对其进行吸附(chuck)，然后对晶圆进行加工，加工完成后静电卡盘施加反向的高压直流电压对晶圆进行解吸附(dechuck)，然后顶针将晶圆与静电卡盘分离，最后通过机械手传出腔室。图2所示为顶针的驱动装置的气路原理图。动力源一般为压缩空气(CDA)，通过一个调压阀(Regulator)将其压力调到适合驱动气缸的压力，通过电磁阀对气缸的升降进行控制来实现顶针的升和降。由于晶圆的加工是在等离子体环境中进行，晶圆为半导体，在进行加工过程中，晶圆上的电荷会发生转移，导致dechuck后晶圆局部留有残余电荷，静电卡盘没有电荷的导走路径，导致dechuck不可能刚好将晶圆上的电荷完成释放掉，残余电荷与静电卡盘局部发生吸附。升针时只是控制电磁阀的打开，将顶针升起，对顶针升起过程的控制为一开环结构。打开电磁阀之后CDA直接作用于气缸，导致升针后晶圆相对于传输位置已经发生了偏移，再由机械手传出时发生报警，导致机台down机。并且现有设备一般都不对CDA的压力进行控制，CDA的压力一般为80psi左右，导致顶针对晶圆的冲击力较大，当晶圆发生偏移时，大的冲击力会在晶圆背部造成明显的划痕，进一步加剧了晶圆的损坏，且造成了反应腔室颗粒的增加。

由此可见，现有技术存在如下问题：升针过程为开环控制，且升针力较大，对晶圆冲击较大，当加工完成后的晶圆残余电荷较多时，在升针过程中易产生晶圆的漂移，并且会对晶圆造成划痕，导致机台不能正常运行。

发明内容

本公开旨在解决现有技术中升针对晶圆的冲击力较大存在的技术问题，提出了一种升针方法及应用其的顶针升降装置。

根据本公开的一个方面，提供了一种升针方法，用于通过顶针将支撑装置上的晶圆顶起，包括：将驱动顶针上升的力调节到设定值，以减小顶针对晶圆的冲击；启动升针操作；判断所述顶针是否升至预定高度，如果是，执行将所述顶针由所述预定高度升至传输高度的步骤；如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作的步骤，直至所述顶针升至预定高度。

在本公开的一些实施例中，在启动降针操作与返回执行启动升针操作的步骤之间还包括：判断升针操作的次数是否达到阈值；如果是，则对所述晶圆进行解吸附操作，然后返回执行启动升针操作的步骤；如果否，则直接返回执行启动升针操作的步骤。

在本公开的一些实施例中，通过气缸驱动所述顶针上升或下降，驱动顶针上升的力等于所述气缸的进气压力；所述设定值小于80psi。

在本公开的一些实施例中，所述设定值为最小升针压力的1.1-1.2倍。

根据本公开的另一个方面，提供了一种顶针升降装置，用于上述升针方法，所述顶针升降装置包括：力调节装置，用于调节驱动顶针上升的力位置检测装置，用于检测所述顶针是否升至预定高度；和控制装置，与所述位置检测装置连接，用于根据所述位置检测装置的信号判断所述顶针是否升至预定高度，如果是，将所述顶针由所述预定高度升至传输高度；如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作，直至所述顶针升至预定高度。

在本公开的一些实施例中，还包括驱动装置，用于驱动所述顶针升降；所述力调节装置与所述驱动装置连接。

在本公开的一些实施例中，所述驱动装置包括：气缸；升针气路，向所述气缸供气以驱动所述顶针升起；和降针气路，向所述气缸供气以驱动所述顶针下降；所述力调节装置包括调压阀，所述调压阀连接在所述升针气路上，用于调节所述气缸的进气压力。

在本公开的一些实施例中，所述位置检测装置包括第一检测部件和第二检测部件；二者的其中一个固定于顶针支撑架，另一个固定于静电卡盘，当顶针升至预定高度时，二者的其中一个接收到另一个发射或反射的信号。

在本公开的一些实施例中，所述第一检测部件为激光发射器，所述第二检测部件为激光接收器；或者，所述第一检测部件为激光收发器，所述第二检测部件为激光反射器。

根据本公开的再一个方面，提供了一种半导体加工设备，包括上述顶针升降装置。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为现有技术的晶圆加工流程图；

图2为现有技术驱动装置的气路原理图；

图3为本公开实施例顶针升降装置的结构示意图，其中顶针尚未升起；

图4为本公开实施例顶针升降装置的气路结构图；

图5为本公开实施例顶针升降装置的局部细节图；

图6为本公开实施例顶针升降装置的结构示意图，其中顶针升至预定高度；

图7为本公开实施例顶针升降装置的结构示意图，其中顶针升至传输高度；

图8为本公开实施例顶针升降装置的另一结构示意图；

图9为本公开实施例升针方法的流程图；

图10为本公开实施例采用单行程气缸的升针方法的整体流程图；

图11为本公开实施例采用双行程气缸的升针方法的整体流程图。

符号说明

1-晶圆；1-A-晶圆上表面；2-静电卡盘；2-A-静电卡盘上表面；3-顶针；4-顶针支撑架；5-气缸；6-位置检测装置；6-1-激光发射器；6-2-激光接收器；7-聚焦环；7-1-内环部；7-2-外环部；7-A-聚焦环内环部上表面；7-B-聚焦环外环部上表面；8-基环；9-活塞杆；10-总调压阀；11-总压力表；12-升针气路调压阀；13-升针气路压力表；14-升针气路电磁阀；15-降针气路电磁阀；16-驱动装置；161-升针气路；162-降针气路；17-控制装置。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

本公开一实施例提供了一种顶针升降装置，参见图3与图4所示，顶针升降装置包括：驱动装置16、力调节装置、位置检测装置6和控制装置17。

驱动装置16，用于驱动顶针3的升降。顶针3的数量一般为3或4个，其安装于顶针支撑架4。静电卡盘2用于支撑晶圆1，其开设有轴向贯通的针孔，各个顶针3通过对应的针孔贯穿静电卡盘2。

驱动装置16包括：气缸5、升针气路161与降针气路162。气缸的活塞杆9支撑顶针支撑架4，在气缸5的驱动下，通过气缸活塞杆9的升降带动顶针3沿轴向升降。升针气路161向气缸5供气以驱动顶针升起；降针气路162向气缸5供气以驱动顶针下降。

本实施例的气缸5可以为单程双缸气缸。升针气路161包括升针气路电磁阀14、升针气路压力表13。降针气路162包括降针气路电磁阀15。气源依次连接总调压阀10和总压力表11，升针气路电磁阀14和降针气路电磁阀15的进气口P连接总压力表11，回气口R相连通，出气口A、B分别连接气缸5的两个缸体。总调压阀10可以对来自气源的压缩空气的压力进行调节。升针气路电磁阀14控制压缩空气进入缸体，另一缸体的空气经降针气路电磁阀回气口R排出，驱动气缸的活塞上升。降针气路电磁阀15控制压缩空气进入缸体，另一缸体的空气经升针气路电磁阀回气口R排出，驱动气缸的活塞下降，从而实现升针和降针。

力调节装置，与驱动装置16连接，用于调节驱动顶针上升的力。力调节装置包括：升针气路调压阀12，其安装在升针气路的升针气路电磁阀14与升针气路压力表13之间，用于调节气缸的进气压力。

位置检测装置6，用于检测顶针是否升至预定高度。位置检测装置6包括：激光发射器6-1与激光接收器6-2。激光发射器6-1安装于顶针支撑架4，具体来说其安装于顶针支撑架4背向顶针3的一侧，以免顶针支撑架4升起时与静电卡盘2发生干涉。激光接收器6-2可安装于静电卡盘2上，例如可通过一安装架固定于静电卡盘2底面或侧面。所述位置检测装置6用来检测顶针3升起的高度，也就是晶圆1升起的高度。

控制装置17，与位置检测装置6连接，用于根据位置检测装置6的信号判断顶针是否升至预定高度，如果是，将顶针由预定高度升至传输高度；如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作，直至顶针升至预定高度。

参见图5所示，静电卡盘2顶部四周环绕有环形件。环形件包括：层叠的基环8和聚焦环7，聚焦环7分为沿径向分布的内环部7-1和外环部7-2，内环部7-1的高度低于外环部7-2的高度。当晶圆1被吸附至静电卡盘上表面2-A时，其边缘部分不与聚焦环7接触。晶圆1的下表面略高于聚焦环内环部上表面7-A，其上表面1-A低于聚焦环外环部上表面7-B，晶圆上表面1-A与聚焦环外环部上表面7-B之间的轴向距离为H。

本实施例的顶针升降装置，工艺开始前，驱动装置16将顶针3升起至传输高度，支撑机械手传来的晶圆1。然后顶针3降下，将晶圆1放置于静电卡盘2表面，晶圆1被静电卡盘2提供的静电力吸附。工艺结束后，力调节装置将驱动顶针上升的力调节到设定值，以减小顶针对晶圆的冲击。控制装置17启动升针操作，升针气路161向气缸5供气以驱动顶针3升起。在顶针3升起过程中，控制装置17判断顶针是否升至预定高度。参见图6所示，在顶针3升起过程中，当顶针3升起预定高度H1时，激光发射器6-1上升至与预定高度H1对应的预定位置，在该预定位置，激光发射器6-1发出的激光被激光接收器6-2接收，响应于该预定位置，激光接收器6-2发出一检测信号。在本实施例中，预定高度H1要小于晶圆上表面1-A与聚焦环外环部上表面7-B之间的轴向距离H，优选地，H1为H的20％-80％，这样可以避免升针时晶圆1产生较大的偏移而导致滑出聚焦环7。当顶针3升起至预定高度H1后，即激光接收器6-2发出检测信号后，在控制装置17的控制下，气缸5驱动顶针3继续升起，参见图7，将晶圆1升起至传输高度，交由机械手传出反应腔室。如果顶针3尚未升起至预定高度H1，控制装置17先启动降针操作，再启动上述升针操作，直至顶针升至预定高度。

上述示例中，激光发射器6-1安装于顶针支撑架4，激光接收器6-2安装于静电卡盘2；在图中的所述预定位置处，激光发射器6-1与激光接收器6-2位于同一径线上，但本实施例并不限于此。激光发射器6-1与激光接收器6-2的位置可以互换，同样可以实现相应的功能；二者的连线可以与径线呈一定角度，只要在该预定位置激光接收器6-2可以接收到激光发射器6-1发射的激光即可。激光发射器6-1的安装位置也不限于支撑架，其也可以安装于顶针升降组件的其他部件上，例如安装于顶针3或活塞杆9上，只要不影响顶针3和活塞杆9的运动即可。激光接收器6-2也可以安装于其他位置，例如反应腔室内壁。

上述位置检测装置6为对射型激光器，本实施例的位置检测装置6也可以是反射型激光器，即包括激光收发器和反射器，在预定位置处，激光收发器发射的激光由反射器反射后被激光收发器接收，激光收发器发出检测信号。进一步地，位置检测装置6还可以是其他传感组件，例如红外检测组件、射频检测组件。相应地，红外检测组件可以包括红外发射器、红外接收器，或者红外收发器、反射器；射频检测组件可以包括射频发射器、射频接收器，或者射频收发器、反射器。

在本实施例中，力调节装置调节的设定值应小于80psi。优选地，设定值为最小升针压力的1.1-1.2倍。最小升针压力为一个实验数据，即反应腔室在真空条件下，多次测定的能够将顶针顶起所需的气缸进气压力的平均值，设为P1。调节升针气路电磁阀14，使得升针气路161进入缸体的气体压力为1.1-1.2倍的P1，从而保证升针的可靠性，避免了升针时对晶圆较大的冲击力，减少反应腔室的颗粒来源。进一步地，还可以在升针气路161和降针气路162中设置调速阀，以对升起速度和降针速度进行控制。

本实施例的气缸5还可以是双程三缸气缸，如图8所示，在顶针3升起过程中，气缸5的第一段行程可将顶针3升起至预定高度H1，激光发射器6-1上升至预定位置，响应于该预定位置，激光接收器6-2发出一检测信号。之后气缸5第二行程驱动顶针3继续升起，将晶圆1升起至传输高度，交由机械手传出反应腔室。与上述单程双缸气缸类似，每一缸体均通过相应的气路连接电磁阀，其中，在升针气路161也设置有调压阀和压力表，通过调节升针气路电磁阀14，使得升针气路进入缸体的气体压力为1.1-1.2倍的P1，从而保证升针的可靠性，避免了升针时对晶圆较大的冲击力，减少反应腔室的颗粒来源。

本公开另一实施例提供了一种半导体加工设备，包括上述实施例的顶针升降装置。

本公开另一实施例提供了一种升针方法，利用上述实施例的顶针升降装置将晶圆顶起，参见图9，包括：

步骤S101：将驱动顶针上升的力调节到设定值，以减小顶针对晶圆的冲击。

工艺结束后，静电卡盘2向晶圆1施加反向电压，将晶圆1解吸附，然后启动本步骤。设定值可以为最小升针压力的1.1-1.2倍。

步骤S201：启动升针操作。

在本步骤中，在气缸5的驱动下，尝试将顶针3升至预定高度，所述预定高度低于支撑装置周缘的高度。

当晶圆1和静电卡盘2上的残余电荷较少时，静电卡盘2对晶圆1的吸附力较小，此时通过步骤S201可以一次性将顶针3升至预定高度。但当残余电荷较多时，由于静电卡盘2对晶圆1的吸附力较大，而气缸5提供的升针力较小，此时步骤S201可能并不能一次性将顶针3升至预定高度。因此，在本方法需要对步骤S201是否将顶针3升至预定高度进行判断。

步骤S301：判断顶针是否升至预定高度，如果是，执行将顶针由预定高度升至传输高度的步骤；如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作的步骤，直至顶针升至预定高度。

如果顶针未升至预定高度，则认为晶圆1未被顶针3顶起，需要重新开始升针操作，尝试将顶针升起。每启动一次升针操作，顶针3与晶圆1接触，即使无法将晶圆1顶起，也会对晶圆1背面施加一个力，降低残余电荷对晶圆1的吸引力。同时顶针3还可以承担少量电荷。在升针操作和降针操作的过程中，残余电荷也会逐步进行重新分布，也有利于降低残余电荷对晶圆1的吸引力。但升针操作和降针操作的过程较慢，过多地重复升降针操作会导致时间的浪费。所以在启动降针操作与返回步骤S201之间还包括：

子步骤S301a：判断升针操作次数是否达到阈值，如果未达到阈值，则直接返回步骤S201执行；如果已经达到阈值，则执行子步骤S301b。

子步骤S301a：静电卡盘2向晶圆1施加反向电压，再次将晶圆1解吸附，然后返回步骤S201执行。

通过对升针操作次数的判断，避免过多的升降针操作导致时间的浪费，即允许在阈值范围内多次尝试升针操作，该阈值优选3-7次。当经过阈值次数的尝试后依然未能将顶针升起，则说明残余电荷过多，需要重新进行解吸附操作，进一步释放残余电荷，然后再进行升针操作，这样就更容易将顶针升起，并且不会做造成过大的偏移。

在本步骤中，判断顶针是否升至预定高度是通过位置检测装置6实现的。当顶针升至预定高度时，位置检测装置6发出检测信号给控制装置17，当位置检测装置6未发出检测信号时，表示顶针还未升至预定高度。所述预定高度要低于支撑装置周缘的高度，该高度一般是指环绕静电卡盘的聚焦环7的上表面高度。从而在步骤S301的整个过程中，晶圆1始终位于支撑装置的范围内，即晶圆1四周始终被聚焦环7所包围，保证晶圆1不会产生大的偏移，从而降低了由于残余电荷导致晶圆1粘片而发生大幅偏移的风险。

同时，在升针操作中，对施加的气体压力进行了控制，为1.1-1.2倍的最小升针压力，不会对晶圆1产生较大冲击力，可以避免对晶圆1造成划痕，减轻了对晶圆1的损坏，不会造成反应腔室颗粒的增加。

上述升针方法的整个升针过程可以由单行程气缸完成，整体流程图如图10所示。升针过程也可以由双行程气缸完成，其中先由气缸的第一段行程启动升针操作，并将晶圆1升至预定高度，由气缸的第二段行程将晶圆1由预定高度升至传输高度，整体流程图如图11所示。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

Claims (10)

1.一种升针方法，用于通过顶针将支撑装置上的晶圆顶起，包括：

将驱动顶针上升的力调节到设定值，以减小顶针对晶圆的冲击；

启动升针操作；

判断所述顶针是否升至预定高度，

如果是，执行将所述顶针由所述预定高度升至传输高度的步骤；

如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作的步骤，直至所述顶针升至预定高度。

2.如权利要求1所述的升针方法，在启动降针操作与返回执行启动升针操作的步骤之间还包括：

判断升针操作的次数是否达到阈值；

如果是，则对所述晶圆进行解吸附操作，然后返回执行启动升针操作的步骤；

如果否，则直接返回执行启动升针操作的步骤。

3.如权利要求1所述的升针方法，通过气缸驱动所述顶针上升或下降，驱动顶针上升的力等于所述气缸的进气压力；所述设定值小于80psi。

4.如权利要求3所述的升针方法，所述设定值为最小升针压力的1.1-1.2倍。

5.一种顶针升降装置，用于权利要求1所述升针方法，所述顶针升降装置包括：

力调节装置，用于调节驱动顶针上升的力；

位置检测装置，用于检测所述顶针是否升至预定高度；和

控制装置，与所述位置检测装置连接，用于根据所述位置检测装置的信号判断所述顶针是否升至预定高度，如果是，将所述顶针由所述预定高度升至传输高度；如果否，启动降针操作，然后返回执行启动升针操作，直至所述顶针升至预定高度。

6.如权利要求5所述的顶针升降装置，还包括驱动装置，用于驱动所述顶针升降；所述力调节装置与所述驱动装置连接。

7.如权利要求6所述的顶针升降装置，所述驱动装置包括：

气缸；

升针气路，向所述气缸供气以驱动所述顶针升起；和

降针气路，向所述气缸供气以驱动所述顶针下降；

所述力调节装置包括调压阀，所述调压阀连接在所述升针气路上，用于调节所述气缸的进气压力。

8.如权利要求5所述的顶针升降装置，所述位置检测装置包括第一检测部件和第二检测部件；二者的其中一个固定于顶针支撑架，另一个固定于静电卡盘，当顶针升至预定高度时，二者的其中一个接收到另一个发射或反射的信号。

9.如权利要求8所述的顶针升降装置，所述第一检测部件为激光发射器，所述第二检测部件为激光接收器；或者，所述第一检测部件为激光收发器，所述第二检测部件为激光反射器。

10.一种半导体加工设备，包括权利要求5至9任一项所述的顶针升降装置。