CN110047790B

CN110047790B - 双轴机构和半导体处理设备

Info

Publication number: CN110047790B
Application number: CN201810035944.0A
Authority: CN
Inventors: 王福来
Original assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: CN110047790A

Abstract

本发明公开了一种双轴机构和半导体处理设备。双轴机构用于驱动传片机构运动，双轴机构包括内轴、外轴、升降组件和旋转组件；内轴套设在外轴内，内轴的一端用于与传片机构连接，另一端与升降组件可移动连接，以驱动传片机构升降；外轴的一端用于与传片机构连接，另一端与旋转组件可转动连接，以驱动传片机构转动。本发明的双轴机构可以将传统的单轴机构的复合运动进行分解，因此，可以降低运动机构的机械实现难度。

Description

双轴机构和半导体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种双轴机构和一种包括该双轴机构的半导体处理设备。

背景技术

增强型等离子体气相沉积设备(PECVD，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)，是普遍用于发光二极管(LED，Light Emitting Diode)和微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)等相关领域的一种薄膜沉积设备，主要应用是在硅晶圆或蓝宝石晶元表面沉积一层SiO2/SiNx薄膜，目前该种设备已经大量应用在相关半导体领域。

为提高等离子体气相沉积设备的产能，主要做法为增加单次工艺的晶片放置量或采用流动式取放片模式，分步沉积。单次大量放置晶片模式适用于片间均匀性要求不高的情况，且需要人工进行手动取放片，因此自动化程度不高。流动式取放片模式适合于片间均匀性较高的工况，且一次可按要求装载定量晶片，适用于大批量自动化生产工况。

如图1所示，为等离子体气相沉积设备中，目前较普遍使用的流动式取放片结构示意图。机械手310将片盒320内的晶片330传输至反应腔室210内。

如图2和图3所示，等离体子气相沉积设备包括反应腔室210。位于反应腔室210底部的抽气腔室220和位于反应腔室210内的传片机构230以及驱动传片机构230运动的单轴机构270。反应腔室210内内设有单轴机构270以及传片机构230。传片机构230功能为将机械手310传入晶片330接住，放置在加热器上，并在单次起辉后，将晶片330传输至下一个喷淋头。

如图2所示，上述具体流程为：机械手310向反应腔室210内传入晶片330→单轴机构270驱动传片机构230升起接住晶片330→机械手310退出反应腔室210→单轴机构270驱动传片机构230下降→工艺起辉→单轴机构270驱动传片机构230升起→机械手310(未携带任何晶片)进入反应腔室210→单轴机构270驱动传片机构230下降→机械手310接住晶片330并退出反应腔室210将晶片330放入片盒320→机械手310从片盒320取出晶片330→机械手310向反应腔室210内传入晶片330，依次循环该过程。

如图3和图4所示。上述传片机构230包括与单轴机构270连接的陶瓷环231、与陶瓷环231连接的叉指盘232和沿叉指盘232周向设置的多个叉指结构233。其中，上述单轴机构270包括法兰271、主轴272、花键轴272a、直线气缸131、驱动电机141、槽轮主动轮142b1和槽轮从动轮142b2。其中的直线气缸131通过法兰271连接主轴272底端的花键轴272a(法兰连接未画出，使用法兰连接目的为花键轴272a与主轴272旋转时，直线气缸131可以不旋转)，槽轮从动轮142b2套在主轴272的花键轴272a上，槽轮从动轮142b2可以沿花键轴272a滑动，以实现主轴272的升降，而槽轮从动轮142b2的位置不动，槽轮主动轮142b1可以通过同步带与驱动电机141连接，通过驱动电机141的旋转实现转动，从而带动槽轮从动轮142b2定角度旋转。其中的花键轴272a与主轴272同轴，为了简化工艺，花键轴272a和主轴272可以一体形成，主轴272通过法兰271安装在反应腔室210底部，法兰271内安装直线轴承271a和T型密封圈271b，直线轴承271a起到主轴272的导向作用，T型密封圈271b实现主轴272在反应腔室210内部真空与外部大气的隔离，主轴272通过顶部陶瓷环231连接叉指盘232。

但是，上述结构的传片机构230和单轴机构270，其中的叉指盘232在低位时，正好落在加热器260面上，加热器260可直接对叉指盘232进行加热(一般加热温度在300℃以上)，叉指盘232将热量通过主轴272直接传到至整个单轴机构270上。主轴272上的T型密封圈271b为整体单轴机构270与反应腔室210之间的唯一的密封件，与主轴272直接相连，成为主轴272传热的一个热受体。因此，会加快该T型密封圈271b使密封圈失效，导致单轴机构270与反应腔室210之间的密封性能急剧变差。

此外，使用T型密封圈271b(不仅限于T型密封圈)对有径向和轴向运动的主轴272进行真空与大气的密封，由于主轴272径向、周向运动的叠加，导致该T型密封圈271b寿命降低。另外，主轴272与花键轴272a整体细长，底部结构只将主轴272一端固定，主轴272顶部无有效固定，使主轴272长期运转会有径向摆动。同时，上述的单轴机构270既存在升降运动，又存在旋转运动，导致该单轴机构270的设计更加复杂。

现有技术二中，与上述现有技术一中唯一不同的是：将主轴272的T型密封圈改为磁流体密封件，解决了T型密封圈失效快的问题。

但是，主轴的径向摆动仍存在。另外，在主轴温度较高的情况下，仍能够使磁流体密封件失效，可靠性仍较低。

因此，如何设计一种结构简单且能够有效提高密封件的使用寿命的运动机构成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种双轴机构和一种包括该双轴机构的半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种双轴机构，用于驱动工艺腔室内的传片机构运动，所述双轴机构包括内轴、外轴、升降组件和旋转组件；其中，所述内轴套设在所述外轴内；

所述内轴的一端用于与所述传片机构连接，另一端与所述升降组件可移动连接，以驱动所述传片机构升降；

所述外轴的一端用于与所述传片机构连接，另一端与所述旋转组件可转动连接，以驱动所述传片机构转动。

优选地，所述双轴机构还包括吸收件，所述外轴通过所述吸收件与所述传片机构连接，所述吸收件能够吸收所述内轴的升缩量，以使得所述外轴沿轴向无相对移动。

优选地，所述升降组件包括直线气缸和升降转接件，所述内轴通过所述升降转接件与所述直线气缸可移动连接。

优选地，所述旋转组件包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机和所述传动组件可转动连接，所述传动组件与所述外轴可转动连接。

优选地，所述传动组件包括减速机构和定角度旋转机构，所述定角度旋转机构包括槽轮主动轮和与所述槽轮主动轮相配合的槽轮从动轮，所述槽轮从动轮与所述外轴可转动连接；

所述减速机构包括皮带减速机，所述皮带减速机包括皮带主动轮和皮带从动轮，所述皮带主动轮与所述驱动电机的输出轴可转动连接，所述皮带从动轮与所述槽轮主动轮可转动连接；或，

所述减速机构包括齿轮减速机，所述齿轮减速机包括齿轮主动轮和齿轮从动轮，所述齿轮主动轮与所述驱动电机的输出轴可转动连接，所述齿轮从动轮与所述槽轮主动轮可转动连接。

优选地，所述升降转接件包括转接法兰。

优选地，所述吸收件包括焊接波纹管。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备，包括工艺腔室和位于所述工艺腔室内的传片机构，还包括前文记载的双轴机构，所述双轴机构与所述传片机构连接，以驱动所述传片机构运动。

优选地，还包括位于所述工艺腔室底部的抽气腔室；

所述外轴和所述内轴的一端均依次穿过所述抽气腔室、所述工艺腔室至与所述传片机构连接，所述外轴和所述内轴的另一端均位于所述抽气腔室外部，且所述外轴通过磁流体密封件与所述抽气腔室密闭连接。

优选地，还包括套设在所述外轴上的一对轴承，用于防止所述外轴沿径向摆动；

其中一个所述轴承位于所述外轴与所述抽气腔室连接的位置，另一个所述轴承位于所述外轴与所述旋转组件相连的一端。

优选地，所述磁流体密封件内设有冷却水路，所述冷却水路用于为所述磁流体密封件降温。

本发明的双轴机构，可以将传统的单轴机构的复合运动进行分解，也就是说，内轴承担升降运动，外轴承担旋转运动，因此，可以降低运动机构的机械实现难度。

本发明的工艺腔室，具有前文记载的双轴机构，该双轴机构可以将传统单轴机构的复合运动进行分解，也就是说，内轴承担升降运动，外轴承担旋转运动，因此，可以降低运动机构的机械实现难度。此外，由于外轴仅仅作旋转运动，无轴向的相对移动，因此，其还可以有效保护位于外轴和抽气腔室之间的磁流体密封件，提高该磁流体密封件的使用寿命，从而可以提高外轴和抽气腔室之间的密封性能。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术一中流动式取放片结构示意图；

图2为现有技术一中单轴机构驱动传片机构的结构示意图；

图3为现有技术一中单轴机构的结构示意图；

图4为现有技术一中槽轮主、从动轮的结构示意图；

图5为本发明中双轴机构的结构示意图；

图6为图5中A处的局部示意图；

图7为图5中B处的局部示意图。

附图标记说明

100：双轴机构；

110：内轴；

120：外轴；

130：升降组件；

131：直线气缸；

132：升降转接件；

140：旋转组件；

141：驱动电机；

142：传动组件；

142a：减速机构；

142b：定角度旋转机构；

142b1：槽轮主动轮；

142b2：槽轮从动轮；

150：吸收件；

200：半导体处理设备；

210：工艺腔室；

220：抽气腔室；

230：传片机构；

231：陶瓷环；

232：叉指盘；

233：叉指结构；

234：辅助连接件；

234a：连接法兰；

234b：轴顶法兰；

240：磁流体密封件；

241：冷却水路；

250：轴承；

260：加热器；

270：单轴机构；

271：法兰；

271a：直线轴承；

271b：T型密封圈；

272：主轴；

272a：花键轴；

310：机械手；

320：片盒；

330：晶片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图5、图6和图7所示，本发明的第一方面，涉及一种双轴机构100。该双轴机构100用于驱动工艺腔室210内的传片机构230运动，例如，该双轴机构100可以驱动传片机构230作升降运动或者旋转运动。

其中，上述双轴机构100包括内轴110、外轴120、升降组件130和旋转组件140。该内轴110套设在外轴120内，该内轴110的一端用于与传片机构230连接，内轴110的另一端与升降组件130可移动连接，以驱动传片机构230升降。也就是说，在升降组件130的驱动下，内轴110可以在外轴120的内部升降，从而可以带动传片机构230升降运动。

上述外轴120的一端用于与传片机构230连接，外轴120的另一端与旋转组件140可转动连接，以驱动传片机构230转动。也就是说，在旋转组件140的驱动下，外轴120可以作旋转运动，从而可以带动上述的传片机构230作旋转运动。

具体地，上述升降组件130驱动内轴110上升，从而带动传片机构230上升，上升到位后，旋转组件140驱动外轴120旋转，从而可以带动传片机构230旋转一定角度，旋转完成以后，升降组件130驱动内轴110下降，从而带动传片机构230下降。之后，重复循环该过程。

从上述的双轴机构循环过程可以看出，与传统的单轴机构相比，本实施例的双轴机构100，可以将单轴机构的复合运动进行分解，也就是说，内轴110承担升降运动，外轴120承担旋转运动，因此，可以降低运动机构的机械实现难度。

需要说明的是，对于上述升降组件130的具体结构并没有作出限定，例如，该升降组件130可以是直线气缸，再例如，该升降组件130还可以是直线模组，当然，该升降组件130还可以是其他能够实现内轴110升降的结构。

进一步需要说明的是，对于上述旋转组件140的具体结构并没有作出限定，例如，该旋转组件可以包括驱动电机和相应地传动组件，以将驱动电机的旋转运动传递至外轴120上，从而可以实现驱动外轴120旋转，当然，该旋转组件140还可以是其他能够驱动外轴120实现旋转的结构。

优选地，如图5所示，上述双轴机构100还包括吸收件150。其中，上述外轴120通过该吸收件150与传片机构230连接，且该吸收件150能够吸收内轴110的升缩量，以使得外轴120沿轴向无相对移动。

也就是说，当内轴110在升降组件130的驱动下升降时，内轴110带动传片机构230升降，而外轴120采用上述结构的吸收件150与传片机构230连接，因此，该吸收件150可以吸收内轴110的升缩量。换句话说，吸收件150能够发生形变，该形变量与内轴110的上升距离或下降距离相匹配，从而可以使得外轴120沿轴向无相对移动。

这样，由于外轴120仅仅作旋转运动，无轴向的相对移动，因此，当将该双轴机构100的外轴120通过磁流体密封件240与其他结构(例如，下述的半导体处理设备200中的抽气腔室220)密闭连接时，可以有效保护该磁流体密封件240的密封性能，提高磁流体密封件240的使用寿命。

应当理解的是，虽然对于上述吸收件150的具体结构并没有作出限定，但是，该吸收件150应当具有弹性，也就是说，利用具有弹性功能的吸收件150将内轴110的升缩量吸收掉，从而使得外轴120沿轴向无相对移动。

本实施例结构的双轴机构100，设置有上述结构的吸收件150，其可以有效吸收内轴110的升缩量，因此，可以使得外轴120沿轴向无相对移动，可以使得内轴110和外轴120能够各自独立运动而不受影响，从而可以进一步降低运动机构的机械实现难度。

优选地，上述吸收件150可以采用焊接波纹管，焊接波纹管是一种由许多以冲压方式成型的薄形中空膜片，利用精密焊接所制成的高度可弯曲及伸缩的金属管。当然，除了焊接波纹管以外，还可以采用其他具有弹性功能的结构。

本实施例结构的双轴机构100，采用焊接波纹管作为上述的吸收件150，该焊接波纹管不仅仅能够有效吸收内轴110的升缩量，当传片机构230有热量产生时，该焊接波纹管还能够有效阻隔热量向下传输，从而可以进一步地保护位于外轴120和下述抽气腔室220之间的磁流体密封件240，提高该磁流体密封件240的使用寿命，提高磁流体密封件240的密封性能，降低工艺成本。

优选地，如图5所示，上述升降组件130包括直线气缸131和升降转接件132。其中，上述内轴110通过升降转接件132与直线气缸131可移动连接。这样，直线气缸131可以通过升降转接件132带动内轴110实现升降运动。

需要说明的是，对于上述升降转接件131的具体结构并没有作出限定，例如，该升降转接件131可以为转接法兰。当然，该升降转接件131也可以为其他结构的转接件，只要可以使得直线气缸131通过转接件可以带动内轴110实现升降运动即可。

优选地，如图5所示，上述旋转组件140包括驱动电机141和传动组件142。其中，该驱动电机141和传动组件142可转动连接，该传动组件142与外轴120可转动连接。

具体地，如图5和图7所示，上述传动组件142包括减速机构142a和定角度旋转机构142b，该定角度旋转机构142b包括槽轮主动轮142b1和与槽轮主动轮142b1相配合的槽轮从动轮142b2，槽轮从动轮142b2与外轴120可转动连接。

上述减速机构142a包括皮带减速机，皮带减速机包括皮带主动轮(图中并未标号)和皮带从动轮(图中并未标号)，皮带主动轮与驱动电机141的输出轴可转动连接，皮带从动轮与槽轮主动轮142b1可转动连接。

当然，上述减速机构142a还可以是齿轮减速机，该齿轮减速机包括齿轮主动轮和齿轮从动轮，齿轮主动轮与驱动电机141的输出轴可转动连接，齿轮从动轮与槽轮主动轮142b1可转动连接。当然，除了上述所列举的常见的减速机构以外，还可以是其他的一些减速机构，在此不一一列举。

本实施例结构的双轴机构100，其中的旋转组件140用于驱动外轴120进行旋转，由于外轴120沿轴向无相对移动，因此，可以有效保护与外轴120连接的相关传动结构，例如，槽轮从动轮142b2，使得外轴120与槽轮从动轮142b2之间无相对滑动，仅有相对转动，因此，能够提高槽轮从动轮142b2的使用寿命，进而降低双轴机构100的制作成本。

本发明的第二方面，如图5、图6和图7所示，提供了一种半导体处理设备200，该半导体处理设备200包括工艺腔室210、双轴机构100以及位于工艺腔室210内的传片机构230。其中，双轴机构100包括前文记载的的双轴机构100，其与传片机构230连接，以驱动传片机构230运动。

具体地，如图5所示，上述传片机构230一般包括陶瓷环231、叉指盘232、叉指结构233和辅助连接件234，该辅助连接件234一般包括连接法兰234a和轴顶法兰234b。上述双轴机构100的内轴110与轴顶法兰234b连接，轴顶法兰234b与连接法兰234a连接，连接法兰234a与陶瓷环231连接。外轴120通过吸收件150(一般为焊接波纹管)与轴顶法兰234b连接。

本实施例结构的半导体处理设备200，具有前文记载的双轴机构100，从前文记载的双轴机构循环过程可以看出，与传统的单轴机构相比，该双轴机构100，可以将单轴机构的复合运动进行分解，也就是说，内轴110承担升降运动，外轴120承担旋转运动。因此，可以降低运动机构的机械实现难度。

优选地，如图5所示，上述半导体处理设备200还包括位于工艺腔室210底部的抽气腔室220。上述外轴120和内轴110的一端均依次穿过抽气腔室220、工艺腔室210至与传片机构230连接，外轴120和内轴110的另一端均位于抽气腔室220的外部。其中，外轴120可以通过磁流体密封件240与抽气腔室220密闭连接。

具体地，如图7所示，为了进一步提高磁流体密封件240的密封性能，上述磁流体密封件240内设有冷却水路241，该冷却水路241可以用于持续向磁流体密封件240通冷却水，以对磁流体密封件240进行降温，保证其正常工作。

本实施例结构的工艺腔室200，选用磁流体密封件240作为抽气腔室220和外轴120之间的一个密封件，磁流体密封件240的密封性能更加良好，且相对传统的密封件(T型密封圈等)而言，磁流体密封件240更不容易失效。此外，由于外轴120仅仅作旋转运动，无轴向的相对移动，因此，能够有效保护该磁流体密封件240，提高抽气腔室220和外轴120之间的密封性能。除此之外，当双轴机构100中的吸收件150为焊接波纹管时，该焊接波纹管能够有效隔绝热量传递，可以进一步保护磁流体密封件240，避免该磁流体密封件240因为温度过高导致的密封失效问题。

优选地，如图5和图7所示，上述半导体处理设备200还包括套设在外轴120上的一对轴承250，以用于防止外轴120沿径向摆动。

具体地，其中一个轴承250位于外轴120的与抽气腔室220连接的位置，另一个轴承250位于外轴120与旋转组件140相连的一端。

本实施例结构的工艺腔室200，其在外轴120上套设有一对轴承250，该成对的轴承250位于外轴120的不同位置处，用于支撑该外轴120，并且能够有效避免外轴120发生径向摆动，有效保证双轴机构100的运动精度，提高工艺良率。

优选地，上述轴承250可以包括角接触球轴承，角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷，能在较高的转速下工作，且接触角越大，轴向承载能力越高。因此，能够进一步地有效避免外轴120发生径向摆动，有效保证双轴机构100的运动精度，提高工艺良率。

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，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，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

1.一种双轴机构，用于驱动工艺腔室内的传片机构运动，其特征在于，所述双轴机构包括内轴、外轴、升降组件和旋转组件，其中，所述内轴套设在所述外轴内；

所述外轴的一端用于与所述传片机构连接，另一端与所述旋转组件可转动连接，以驱动所述传片机构转动；

所述双轴机构还包括吸收件，所述外轴通过所述吸收件与所述传片机构连接，所述吸收件能够吸收所述内轴的升缩量，以使得所述外轴沿轴向无相对移动。

2.根据权利要求1所述的双轴机构，其特征在于，所述升降组件包括直线气缸和升降转接件，所述内轴通过所述升降转接件与所述直线气缸可移动连接。

3.根据权利要求1所述的双轴机构，其特征在于，所述旋转组件包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机和所述传动组件可转动连接，所述传动组件与所述外轴可转动连接。

4.根据权利要求3所述的双轴机构，其特征在于，所述传动组件包括减速机构和定角度旋转机构，所述定角度旋转机构包括槽轮主动轮和与所述槽轮主动轮相配合的槽轮从动轮，所述槽轮从动轮与所述外轴可转动连接；

5.根据权利要求2所述的双轴机构，其特征在于，所述升降转接件包括转接法兰。

6.根据权利要求1所述的双轴机构，其特征在于，所述吸收件包括焊接波纹管。

7.一种半导体处理设备，包括工艺腔室和位于所述工艺腔室内的传片机构，其特征在于，还包括权利要求1至6中任意一项所述的双轴机构，所述双轴机构与所述传片机构连接，以驱动所述传片机构运动。

8.根据权利要求7所述的半导体处理设备，其特征在于，还包括位于所述工艺腔室底部的抽气腔室；

9.根据权利要求8所述的半导体处理设备，其特征在于，还包括套设在所述外轴上的一对轴承，用于防止所述外轴沿径向摆动；

其中一个所述轴承位于所述外轴与所述抽气腔连接的位置，另一个所述轴承位于所述外轴的与所述旋转组件相连的一端。

10.根据权利要求9所述的半导体处理设备，其特征在于，所述磁流体密封件内设有冷却水路，所述冷却水路用于为所述磁流体密封件降温。