CN109994358A - 一种等离子处理系统和等离子处理系统的运行方法 - Google Patents

一种等离子处理系统和等离子处理系统的运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种等离子处理系统，包括：一传输腔，传输腔包括多个侧壁，每个侧壁上都连接有多个处理腔，每个处理腔内包括一个基座，基座上包括一个中心点；连接到同一个侧壁的至少两个处理腔构成一个处理腔组，其中第一处理腔组中两个基座的中心点之间具有第一距离，第二处理腔组中的两个基座的中心点之间具有第二距离，其中第一距离大于第二距离；所述传输腔中包括一个机械传输装置，基座上包括两个可独立运动的机械臂；且所述两个机械臂均包括多个旋转轴和多个旋转臂，其中每个机械臂最上方的旋转臂的远端还包括一个终端抓取器，用于抓取基片。本发明机械传输装置可以在同时从具有第一距离和第二距离的处理腔组中取放基片。

Description

一种等离子处理系统和等离子处理系统的运行方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种等离子处理系统，特别涉及等离子处理系统中机械传输装置的设计和运行方法。
背景技术
半导体芯片被日益广泛的应用到各种电子设备中，其中半导体芯片加工过程需要用到大量等离子处理器，这些处理器会对待处理的基片进行等离子刻蚀、化学气相沉积等工艺。在等离子处理过程中需要用到各种处理腔，比如上述工艺中提到的刻蚀、化学气相沉积都需要特别执行这些工艺的对应的处理腔，其它如光刻胶的去除(strip)和涂覆也需要专门的处理腔，基片从大气环境送入送出真空环境也需要真空锁(load lock)，基片在不同处理腔和真空锁之间传输还需要至少一个传输腔，传输腔内还设置有至少一个机械臂用于在真空环境内精确的转运、放置处理前和处理完成后的基片。上述各个功能的处理腔都需要围绕传输腔设置，为了尽量节约整个等离子反应器的占地面积，也就是同一个传输腔上挂载更多的处理腔，现有技术提出了如专利 US6486444所示的腔体排布结构。在该现有技术中两个处理腔集成为一体成为一个处理腔组，连接到传输腔的同一个侧壁上，传输腔另外两个侧面也被其它处理腔组使用。最后一个侧面被真空锁占用，真空锁可以同时进出两个基片。
上述排布结构相比更早的现有技术可以排下更多的处理腔，但是处理功能单一，只能进行一种处理比如等离子刻蚀。随着工艺要求的发展，需要在一个等离子处理系统内完成多功能的任务，这样可以进一步的节约基片在不同处理系统之间转运的时间，还防止了在大气环境中转运带来污染的危险，整体上提高的处理效率。但是在同一个等离子处理系统中排布不同功能的处理腔，需要解决新产生的问题，不同功能的处理腔内部空间和外部尺寸会有区别，这会导致挂载在传输腔不同侧壁的两个并排的等离子处理腔中心点间距会不同，传输腔中原有的机械臂是为取放具有固定中心点间距的两个处理腔设计的，所以无法利用原有机械臂完成新的等离子处理系统的任务需求。
所以业内需要开发一种新的机械臂，以实现利用一个机械臂完成在具有不同中心点间距的处理腔组之间取放多片基片。最佳的，该调机械臂需要结构简单、成本低廉，能够应用于各种等离子处理系统。
发明内容
本发明提供了一种等离子处理系统，包括：一传输腔，传输腔包括多个侧壁，每个侧壁上都连接有多个处理腔，传输腔侧壁和每个处理腔之间还包括一个气密阀门；每个处理腔内包括一个基座，用于放置基片，所述基座上包括一个中心点，与放置在基座上的基片的中心点位置对应；其中连接到同一个侧壁的至少两个处理腔构成一个处理腔组，其中第一处理腔组中两个基座的中心点之间具有第一距离，第二处理腔组中的两个基座的中心点之间具有第二距离，其中第一距离大于第二距离；所述传输腔中包括一个机械传输装置，所述机械传输装置包括一个可沿着一个中心旋转轴旋转的基座，所述中心旋转轴位于机械传输装置的中心点，基座上包括两个可独立运动的机械臂，所述两个机械臂对称安装在所述旋转基座中心旋转轴两侧；且所述两个机械臂均包括多个旋转轴和多个旋转臂，其中每个机械臂最上方的旋转臂的远端还包括一个终端抓取器，用于抓取基片。还可以包括第三处理腔组，第三处理腔组中两个基座的中心点之间具有第三距离。
其中，所述第一处理腔组中的两个处理腔用于执行第一处理工艺，第二处理腔组中的处理腔用于执行第二处理工艺。
其中所述每个机械臂最上方的旋转臂包括近端部分和远端部分，一弯折部位于所述远端部分和近端部分之间，所述两个机械臂中位于最上方的旋转臂的远端部分互相平行且上下重叠，所述远端部分覆盖所述机械传输装置的中心点。
较佳的，每个机械臂包括至少三个旋转臂和三个机械臂旋转轴，所述机械臂旋转轴能够驱动所述旋转臂旋转，且每个机械臂中至少一个旋转轴能够上下移动。
其中，所述第一处理腔组的两个处理腔之间还包括至少一个真空锁腔，且所述两个处理腔和真空锁腔均连接到同一个传输腔侧壁。进一步地，第一处理腔组的两个处理腔之间包括两个真空锁腔，第一真空锁叠放在第二真空锁上方。在上述具有两个叠放真空锁的等离子处理系统运行过程中，所述第一和第二机械臂分别将两片基片移动到传输腔中的上下相叠的同一位置作为启动位置，第一和第二基片到达所述启动后，驱动所述第一和第二机械臂将第一和第二基片分别送入两个真空锁腔。
所述第一和第二处理腔组中的每个处理腔都包括一个通道，使得基片沿着所述通道到达各个处理腔，所述基片中心点沿着所述通道运行形成的轨迹与所述传输腔侧壁形成的夹角小于90度。
所述第一处理腔组的两个处理腔中包括第一组通道，基片沿所述第一组通道运行，基片中心点在运行过程中形成的轨迹与传输腔侧壁具有第一夹角θ1；所述第二处理腔组的两个处理腔中包括第二组通道，基片沿所述第二组通道运行，基片中心点在运行过程中形成的轨迹与传输腔侧壁具有第一夹角θ2；其中θ1小于θ2。
本发明还提供等离子处理系统的运行方法，其特征在于，所述第一和第二机械臂分别将第一和第二基片移动到传输腔中的第一位置和第二位置，所述第一位置和第二位置均位于到所述机械传输装置的中心旋转轴距离为R1 的圆上，同时所述第一位置和第二位置之间具有D1的距离，第一和第二基片到达所述第一位置和第二位置后，驱动所述第一和第二机械臂将第一和第二基片送入第一处理腔组的两个处理腔。进一步的，所述第一和第二机械臂分别将第三和第四基片移动到传输腔中的第三位置和第四位置，所述第三位置和第四位置均位于到所述机械传输装置的中心旋转轴距离为R2的圆上，同时所述第三位置和第四位置之间具有D2的距离，第三和第四基片到达所述第三位置和第四位置后，驱动所述第一和第二机械臂将第三和第四基片送入第二处理腔组的两个处理腔，所述R1大于R2，D1大于D2。本发明对应不同尺寸的处理腔可以驱动机械臂具有不同的启动位置和移动轨迹，使得本发明机械臂能够适应不同中心点间距的处理腔组。
附图说明
图1a为本发明机械臂的俯视图；
图1b为本发明机械臂的侧视图；
图2a是本发明等离子处理系统及基片传输入第一处理腔的运行轨迹示意图；
图2b是本发明等离子处理系统及机械臂伸展到第一处理腔的示意图；
图3a是本发明等离子处理系统及基片传输入第二处理腔的运行轨迹示意图；
图3b是本发明等离子处理系统及机械臂伸展到第二处理腔的示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-3，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1a所示，本发明的机械传输装置包括旋转基座10，旋转基座10围绕下方的旋转轴A10可控的旋转。旋转基座10上包括两个沿着中心线对称分布的旋转轴A22和A21位于旋转轴A10两边。旋转臂22的第一端通过旋转轴A22连接到旋转基座10，旋转臂21的第一端通过旋转轴A21连接到旋转基座10。旋转臂22的第二端上包括一个旋转轴A32，旋转臂32的第一端通过旋转轴A32连接到旋转臂22第二端，对应的旋转臂21的第二端上包括一选择轴A31，一个旋转臂31的第一端通过旋转轴A31连接到旋转臂21的第二端。旋转臂32的第二端包括一个旋转轴A42，旋转臂42的第一端通过旋转轴A42连接到旋转臂32的第二端，旋转臂31的第二端包括一个旋转轴 A41，一个旋转臂41的第一端通过旋转轴A41连接到旋转臂31的第二端。旋转臂41上具有一个弯折部，使得旋转臂41的第二端也就是远离旋转轴10 的远端部分与靠近旋转轴的近端部分不在一条纵长的直线上，其中旋转臂42 远端部分正好覆盖下方旋转轴A10，而且远端部分的末端还包括一个终端抓取器(end effector)51用于抓取需要传输的基片。同样的，旋转臂42也具有一个弯折部，使得旋转臂42的第二端也就是远端部分与第一端也就是近端部分不在一条纵长的直线上，其中旋转臂42的远端部分正好覆盖下方旋转轴 A10，而且远端部分的末端还包括一个终端抓取器(end effector)52用于抓取需要传输的基片。终端抓取器51、52上放置的的基片90具有一个中心点 C并且该中心点与终端抓取器上的一个特定点对应。
如图1b所示为本发明机械传输装置的侧视图，具体视角为图1a所示俯视图中X方向的侧视图。图1b中包括第一机械臂101和第二机械臂102，其中第一机械臂101由旋转轴A21、A31、A41和旋转臂21、31、41组成，第二机械臂102由旋转轴A22、A32、A42和旋转臂22、32、42组成，第一和第二机械臂均设置在旋转基座10上，并且能够独立旋转。其中上述旋转轴 A21、A31、A41、A22、A32、A42、A10内可以设置电机，使得这些旋转轴均能够独立旋转，进一步的，这些旋转轴中的至少一个内部还可以设置驱动装置使得旋转轴可以进行竖直方向的升降，通过升降使得终端抓取器51、 52可以上下移动。
图2a是本发明等离子处理系统基片传输入第一处理腔的运行轨迹示意图。从图中可知本发明的等离子处理系统包括位于中央的传输腔15，传输腔 15周围的四个侧壁15a-15d上三组等离子处理腔包括第一组P11、P12，第二组P21、P22和第三组P31、P32，每一组处理腔内两个处理单元如P11、P12 具有相同的结构，且两个处理单元的侧壁互相紧贴或者集成为一体后连接在同一个传输腔15的侧壁上。在传输腔侧壁15d上还包括两个去胶处理腔S1、 S2和位于两个去胶处理腔之间的真空锁L1、L2，其中L1和L2是上下相叠放置的，所以从俯视图2a中无法直接看到L2。上述各个处理腔和和传输腔之间还设置有气密阀门，用户可以根据需求控制这些气密阀门的开启或关闭，使得各个处理腔在进行等离子处理时与传输腔互相隔离。由于侧壁15d上横向设置了3个腔体，所以两个去胶腔S1、S2中的中心点之间的间距明显会大于两个处理腔P11、P12中的中心点之间的间距。其中所述处理腔中的中心点是指每个处理腔中用于放置待处理基片的基座中心点，也就是等离子处理过程中基片中心点C在处理腔中所处的位置。在需要通过机械传输装置的两个机械臂向去胶腔S1、S2内放入基片90时，首先驱动机械传输装置的旋转轴A10，使得两个机械臂101和102均面向两个去胶腔，然后驱动上述多个旋转轴A21、A31、A41、A22、A32、A42和各个旋转臂使得终端抓取器51、52向外延伸一小段距离，使得终端抓取器51、52上的基片中心点分别到达位置Q3、Q4，其中Q3、Q4到传输腔15中心位置的距离为R2。同时 Q3和Q4之间的水平距离为D2，上述R2和D2的数值选择是与所要进入的处理腔的间距和尺寸形状对应的，可以根据需要优化选择。上述终端抓取器51、52到达上述Q3、Q4的启动位置后，打开气密阀门，驱动机械臂101和 102使得终端抓取器51、52带着各自的基片向去胶腔S1、S2中的中心点移动，使得基片的中心点与去胶腔S1、S2中基座的中心点对齐后，抬起去两个胶腔基座中的多个支撑脚支撑基片，收回机械臂101、102，缓慢降下多个支撑脚，使得基片平稳落在去胶腔S1、S2中的基座上表面，完成基片的装载。完成对基片的处理后需要对基片卸载，可以设置与上述过程相反的流程。
图2b所示为机械臂101和102将基片传输到去胶腔S1、S2时，机械臂 101、102中各个旋转臂和旋转轴的伸展和运动状态。
图3a所示为是本发明等离子处理系统及基片传输入第二处理腔的运行轨迹示意图，在需要将两个基片同时传输入第二处理腔也就是等离子处理腔 P11、P12或者P31、P32时，首先控制旋转基座10使得两个机械臂101、102 与需要放入的处理腔相对应，然后驱动机械臂使得机械臂上的基片的中心点位于图中所示的Q1、Q2两个位置，其中Q1、Q2到传输腔中心的距离为R1，且R1小于R2。两个位置Q1、Q2之间的水平距离D1也小于上述水平距离 D2。上述参数R1和D1的选择是与所要进入的处理腔P11、P12的形状尺寸大小相关的。在到达启动位置Q1、Q2后，驱动机械臂101使得基片中心延着Q1到处理腔P11的中心点之间的连线运动，最终使基片到达处理腔P11 的中心，同时驱动机械臂102使得基片中心延着Q2到处理腔P12的中心点之间的连线运动，最终使基片到达处理腔P12的中心。
图3b所示为本发明等离子处理系统及机械臂伸展到第二处理腔的示意图，机械臂101和102将基片传输到等离子处理腔P11、P12时，机械臂101、 102中各个旋转臂和旋转轴的伸展和运动状态。
本发明的机械传输装置还需要使得两个机械臂进入真空锁L1、L2取放基片，此时可以控制机械传输装置的基座10旋转，使得机械臂101、102上的两个终端抓取器51、52面向真空锁L1、L2的位置，并且机械臂101、102 处于如图1a所示的两个终端抓取器51、52叠放状态，并且旋转臂41、42 第二端的主体部分位于传输腔中心点和真空锁中心点的连线上，随后两个机械臂各自驱动多个旋转轴和旋转臂，使得两个终端抓取器51、52分别径直的向真空锁L1、L2中心移动。所以本发明提供的机械传输装置还能够同时取放上下相叠的两个真空锁中的基片。
本发明中由于机械臂上的终端抓取器是从启动位置(Q1/Q2/Q3/Q4)直接向处理腔(P11、P12)或者去胶腔(S1、S2)中心位置移动，启动位置与对应腔体的中心位置之间的连线并不垂直于传输腔15的侧壁(15a/15d)平面，而是具有一定的角度θ(小于90度)，所以基片运行轨迹也是倾斜的，相应的处理腔上的用于基片穿过的开口通道的方向也必须是倾斜的。其中由于去胶腔S1、S2中心点之间距离更大，所以其角度θ1会略小于从位置Q3、 Q4到处理腔P11、P12的角度θ2。真空锁L1、L2由于与真空锁中心位置与机械臂运输基片时的启动位置之间的连线是垂直于传输腔侧壁15d的，所以真空锁上开设的传输通道是垂直于传输腔侧壁15d的，也就是θ＝90度。其中基片在两个机械臂的驱动下，基片中心点的实际移动轨迹与上述启动位置和对应基座中心点连线基本相同，根据机械臂的驱动控制需要移动轨迹也可以局部调整，但是到处理腔的基片始终是延着倾斜于传输腔侧壁的通道传输的。
除了如图2-3所示的等离子处理腔(P11-P32)和去胶处理腔(S1、S2) 这两种处理腔外，本发明等离子处理系统还可以包括更多不同类型的处理腔体，比如图3所示的等离子处理系统中包括一种新结构尺寸的处理腔P31’、 P32’可以执行不同于P11、P21中进行的处理功艺，所以除了处理腔P11、P12 之间、P21、P22的中心点之间具有第一固定距离外，P31’、P32’的中心点之间具有第二固定距离，再加上两个去胶腔S1、S2的中心点之间具有固定的第三距离。本发明特殊结构的机械传输装置可以适应这多达3种不同距离的处理腔组，实现对一组两个处理腔中基片的同时取放。当然，部分工艺由于执行时间长的原因，或者基片处理效果的原因选择一组处理腔中的一个处理腔运行，同时另一个闲置，这些情况都可能会需要一组处理腔(P11、P12) 中需要先取放其中一个处理腔(P11)中的基片，此时本发明也可以参照上述运行方法，驱动其中一个对应的机械臂从完成处理的处理腔中取出基片，另一个机械臂处于待机状态。所以本发明机械传输装置既能工作在同步模式中，同时从一组处理腔中取放两片基片，也可以工作在独立模式中，只用其中一个机械臂单独取放基片。
本发明机械臂101、102中的旋转臂41、42中设置的弯折部可以使得，在机械臂101、102的两个基础旋转轴A21、A21不位于基座10圆心的情况下，两个旋转轴A41、A42互相远离，防止旋转臂31、32的第二端互相碰撞，不需要对旋转臂31、32作过多高度调整。同时由于弯折部的存在可以使得旋转臂41、42可以保持上下平行叠放的状态同时进入真空锁L1、L2，简化了机械臂中各个旋转轴的控制难度。另一方面本发明弯折部使得终端抓取器51、 52与更容易以一条与传输腔侧壁倾斜的轨迹进入各个处理腔。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种等离子处理系统，包括：
一传输腔，传输腔包括多个侧壁，每个侧壁上都连接有多个处理腔，传输腔侧壁和每个处理腔之间还包括一个气密阀门；
每个处理腔内包括一个基座，用于放置基片，所述基座上包括一个中心点，与放置在基座上的基片的中心点位置对应；
其中连接到同一个侧壁的至少两个处理腔构成一个处理腔组，其中第一处理腔组中两个基座的中心点之间具有第一距离，第二处理腔组中的两个基座的中心点之间具有第二距离，其中第一距离大于第二距离；
所述传输腔中包括一个机械传输装置，所述机械传输装置包括一个可沿着一个中心旋转轴旋转的基座，所述中心旋转轴位于机械传输装置的中心点，基座上包括两个可独立运动的机械臂，所述两个机械臂对称安装在所述旋转基座中心旋转轴两侧；且所述两个机械臂均包括多个旋转轴和多个旋转臂，其中每个机械臂最上方的旋转臂的远端还包括一个终端抓取器，用于抓取基片。
2.如权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述每个机械臂最上方的旋转臂包括近端部分和远端部分，一弯折部位于所述远端部分和近端部分之间，所述两个机械臂中位于最上方的旋转臂的远端部分互相平行且上下重叠，所述远端部分覆盖所述机械传输装置的中心点。
3.如权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述每个机械臂包括至少三个旋转臂和三个机械臂旋转轴，所述机械臂旋转轴能够驱动所述旋转臂旋转，且每个机械臂中至少一个旋转轴能够上下移动。
4.如权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述第一处理腔组的两个处理腔之间还包括至少一个真空锁腔，且所述两个处理腔和真空锁腔均连接到同一个传输腔侧壁。
5.如权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述第一和第二处理腔组中的每个处理腔都包括一个通道，使得基片沿着所述通道到达各个处理腔，所述基片中心点沿着所述通道运行形成的轨迹与所述传输腔侧壁形成的夹角小于90度。
6.如权利要求4所述的等离子处理系统，其特征在于，所述第一处理腔组的两个处理腔之间包括两个真空锁腔，第一真空锁叠放在第二真空锁上方。
7.如权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，还包括第三处理腔组，第三处理腔组中两个基座的中心点之间具有第三距离。
8.如权利要求5所述的等离子处理系统，其特征在于，所述第一处理腔组的两个处理腔中包括第一组通道，基片沿所述第一组通道运行，基片中心点在运行过程中形成的轨迹与传输腔侧壁具有第一夹角θ1；
所述第二处理腔组的两个处理腔中包括第二组通道，基片沿所述第二组通道运行，基片中心点在运行过程中形成的轨迹与传输腔侧壁具有第一夹角θ2；
其中θ1小于θ2。
9.如权利要求1所述的等离子处理系统的运行方法，其特征在于，所述第一和第二机械臂分别将第一和第二基片移动到传输腔中的第一位置和第二位置，所述第一位置和第二位置均位于到所述机械传输装置的中心旋转轴距离为R1的圆上，同时所述第一位置和第二位置之间具有D1的距离，第一和第二基片到达所述第一位置和第二位置后，驱动所述第一和第二机械臂将第一和第二基片送入第一处理腔组的两个处理腔。
10.如权利要求9所述的等离子处理系统的运行方法，其特征在于，所述第一和第二机械臂分别将第三和第四基片移动到传输腔中的第三位置和第四位置，所述第三位置和第四位置均位于到所述机械传输装置的中心旋转轴距离为R2的圆上，同时所述第三位置和第四位置之间具有D2的距离，第三和第四基片到达所述第三位置和第四位置后，驱动所述第一和第二机械臂将第三和第四基片送入第二处理腔组的两个处理腔，所述R1大于R2，D1大于D2。
11.如权利要求10所述的等离子处理系统的运行方法，其特征在于，所述第一处理腔组中的两个处理腔用于执行第一处理工艺，第二处理腔组中的处理腔用于执行第二处理工艺。
12.如权利要求6所述的等离子处理系统的运行方法，其特征在于，所述第一和第二机械臂分别将两片基片移动到传输腔中的上下相叠的同一位置作为启动位置，第一和第二基片到达所述启动后，驱动所述第一和第二机械臂将第一和第二基片分别送入两个真空锁腔。
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