CN112349648B - 升降针机构及半导体工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种升降针机构及半导体工艺设备，该升降针机构适用于顶升位于静电卡盘上的待加工件。所述升降针机构包括连接本体、顶针、驱动组件和传动组件，所述连接本体的一端用于连接所述静电卡盘，所述连接本体的另一端与所述驱动组件的固定端连接；所述顶针可移动地穿设于所述静电卡盘内，所述传动组件设置于所述连接本体和所述静电卡盘内，且所述传动组件的一端与所述顶针相连，所述传动组件的另一端通过弹性件与所述驱动组件的输出端相连，所述驱动组件可驱动所述传动组件，以带动所述顶针移动。上述方案能够解决目前的升降针机构存在较大风险对晶圆造成损坏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种升降针机构及半导体工艺设备。
背景技术
在半导体晶圆的加工领域中，等离子体设备是利用等离子体实现对晶圆的刻蚀处理，在处理时，晶圆被吸附固定在卡盘上，在处理之后，通过设置于卡盘基座上的升降针机构，将晶圆顶升起来，进而与卡盘脱离，以便于通过机械手对晶圆进行转移。
目前，现有的升降针机构内部均为刚性连接，其在气缸初始运动时存在瞬动的风险，如此会导致其带动顶针以过大的速度、及过大的冲击力与晶圆接触而损坏晶圆。
发明内容
本发明公开一种升降针机构及半导体工艺设备，以解决目前的升降针机构存在较大风险对晶圆造成损坏的问题。
为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种升降针机构，适用于顶升位于静电卡盘上的待加工件。所述升降针机构包括连接本体、顶针、驱动组件和传动组件，所述连接本体的一端用于连接所述静电卡盘，所述连接本体的另一端与所述驱动组件的固定端连接；
所述顶针可移动地穿设于所述静电卡盘内，所述传动组件设置于所述连接本体和所述静电卡盘内，且所述传动组件的一端与所述顶针相连，所述传动组件的另一端通过弹性件与所述驱动组件的输出端相连，所述驱动组件可驱动所述传动组件，以带动所述顶针移动。
第二方面，本发明提供一种半导体工艺设备，包括反应腔室、所述静电卡盘以及如前述的升降针机构，所述静电卡盘设置于所述反应腔室内，所述升降针机构与所述反应腔室连接，所述升降针机构通过驱动所述顶针顶升所述静电卡盘上的所述待加工件。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
在本发明公开的升降针机构及半导体工艺设备中，传动组件的一端与顶针相连，而传动组件的另一端通过弹性件与驱动组件的输出端相连，如此设置下，在驱动组件驱动传动组件通过顶针顶升待加工件时，由于二者之间的弹性件能够被压缩而储存能量，因此能够避免驱动组件在初始运动时由于瞬动而造成待加工件的损坏。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例公开的升降针机构在升针状态时的剖视结构示意图；
图2为图1的局部放大示意图；
图3为本发明实施例公开的升降针机构在降针状态时的剖视结构示意图；
图4为图3的局部放大示意图；
附图标记说明：
100-卡盘本体、110-移动通道、
200-卡盘基座、210-固定法兰、220-波纹管、
300-顶针、
400-驱动组件、410-连接件、411-导向空间、412-配合空间、
500-传动组件、510-传动轴、511-限位部、520-顶针支架、
600-弹性件、
700-连接本体、710-限位件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。
请参考图1～图4，本发明实施例公开一种升降针机构，其适用于升降位于静电卡盘上的待加工件。通常，待加工件为硅晶圆，但本实施例不限制待加工件的具体类型，例如待加工件还可以为其他形状的晶片，亦或者为其他材料(如锗)的半导体原材料件。
在本实施例中，升降针机构包括连接本体700、顶针300、驱动组件400和传动组件500。
其中，连接本体700是升降针机构的基础构件，其可其他的构件提供支撑安装基础。通常，连接本体700为筒状结构件，即连接本体700可选为安装筒。
顶针300为升降针机构的功能构件，在升降针机构对静电卡盘上的待加工件进行顶升时，具体即是通过顶针300与待加工件接触而实现；为了便于顶针300升降而对静电卡盘上的待加工件进行顶升，顶针300通常可移动地穿设于静电卡盘内，也即，顶针300的端部可伸出至静电卡盘之外或者回缩至静电卡盘内，在顶针300的端部伸出至静电卡盘之外时即可将待加工件顶升起来。
驱动组件400是升降针机构的动力构件，其为顶针300的升降动作提供动力源；传动组件500是升降针机构的连接构件，其一端与顶针300相连，驱动组件400可驱动传动组件500，传动组件500将驱动组件400的动力传递至顶针300而驱使顶针300移动以实现升降动作。
具体地，连接本体700的一端用于连接静电卡盘，连接本体700的另一端与驱动组件400的固定端连接，传动组件500设置于连接本体700和静电卡盘内，在驱动组件400工作时，其可驱动传动组件500在连接本体700和静电卡盘内产生移动，并带动静电卡盘内的顶针300移动，当在待加工件被处理后需要更换时，则可驱使顶针300上升使其端部伸出至静电卡盘之外而顶升起待加工件，此时机械手就可以顺利将待加工件取走；然后需要驱使顶针300下降使其端部回缩至静电卡盘内，此时便可顺利将未处理的待加工件放置在静电卡盘上。
在传统的升降针机构中，驱动组件400与传动组件500的连接关系为刚性连接方式，如此驱动组件400在初始运动时会产生瞬动，进而造成待加工件和顶针300的损坏。基于此，本实施例的传动组件500的另一端是通过弹性件600与驱动组件400的输出端相连，如此设置下，当驱动组件400工作且处于初始运动时，其输出端朝向弹性件600施加驱动作用，弹性件600在驱动作用下会被压缩并进行储能，而在弹性件600储能的过程中，其暂时不会对传动组件500产生驱动作用，传动组件500也不会对顶针300产生驱动作用，因此在驱动组件400初始运动时，传动组件500就不会存在瞬动的情况，进而可避免顶针300以过大的速度、及过大的冲击力作用于待加工件，以避免待加工件被损坏。
在驱动组件400的持续施压下，弹性件600被压缩至一定程度后，弹性件600会对传动组件500产生驱动作用，此时传动组件500就会驱使顶针300上升，并伸出至静电卡盘之外而顶升起待加工件；此时，该升降针机构处于升针状态，如图1所示。
在需要将顶针300回缩至静电卡盘内时，驱动组件400的输出端开始背离弹性件600运动，顶针300和传动组件500在其重力作用下会存在复位的趋势，但通常由于内部构件之间通常存在摩擦阻力，因此可能需要驱动组件400运动至使得弹性件600处于拉伸状态，驱动组件400通过弹性件600对传动组件500施加驱动作用而拉动顶针300复位至预设位置；此时，该升降针机构处于降针状态，如图3所示。
通常，驱动组件400可选为直线驱动式气缸，此时，输出端为直线驱动式气缸的伸缩轴，固定端为直线驱动式气缸的缸体。当然，本实施例不限制驱动组件400的具体类型，其也可以为齿轮齿条组件、曲柄连杆组件、直线驱动电机等。
由上述说明可知，在本发明实施例公开的升降针机构及半导体工艺设备中，传动组件500的一端与顶针300相连，而传动组件500的另一端通过弹性件600与驱动组件400的输出端相连，如此设置下，在驱动组件400驱动传动组件500通过顶针300顶升待加工件时，由于二者之间的弹性件600能够被压缩而储存能量，因此能够避免驱动组件400在初始运动时由于瞬动而造成待加工件的损坏。
本实施例的传动组件500可以包括传动轴510和顶针支架520，输出端通过弹性件600与传动轴510相连，传动轴510在背离驱动组件400的一端与顶针支架520相连，顶针300设置于顶针支架520上。通常，顶针支架520设置于静电卡盘内，因此需要在驱动组件400和顶针300之间支架设置传动轴510来起到连接作用，而传动轴510部分位于连接本体700内、部分位于静电卡盘内，如此就可将驱动组件400的驱动作用传递至顶针支架520上的顶针300。
同时，为了对待加工件施加稳定的顶升作用，顶针300需要设置为三个，当然，本实施例未限制顶针300的具体数量，其也可以为四个、五个等其他的数量。在顶针300为多个的情况下，全部顶针300均设置于顶针支架520上，在驱动组件400间接驱动顶针支架520时即可对全部顶针300进行驱动，如此驱动效率会更高。当然，为了使得多个顶针300能够稳定顶升待加工件，多个顶针300通常均匀布设在静电卡盘内。
为了避免升降针机构在降针状态时顶针300过度回缩，本实施例的连接本体700内可以设置有限位件710，传动轴510在其周向侧壁设置有限位部511，限位件710邻近传动轴510的周向侧壁设置，传动轴510在传动过程中时，传动轴510会与限位件710之间产生相对运动。
同时，限位件710位于限位部511的下方，用于在传动轴510回缩时，限位部511与限位件710限位配合，以使顶针300停留在静电卡盘内的预设位置。应理解的是，如此设置下，在传动轴510回缩时，其与限位件710产生相对运动，其上的限位部511也会相对于限位件710运动，且由于限位件710位于限位部511的下方，限位部511具体会与限位件710产生相向运动并最终相抵而限位配合；由于传动轴510与顶针支架520相连，在限位部511被限位后，传动轴510和顶针支架520均停止运动，此时，位于顶针支架520上的顶针300就停留在静电卡盘内的预设位置。
在本实施例中，未限制限位件710和限位部511的具体构型，可选地，限位件710和限位部511均为环状结构件，当然，二者也可以为相对设置的限位挡块结构。
通常，静电卡盘包括卡盘本体100和卡盘基座200，静电卡盘设置于卡盘基座200上，顶针支架520设置于卡盘基座200内，传动轴510穿设于卡盘基座200而与顶针支架520相连，卡盘本体100开设有移动通道110，顶针300可移动地穿设于移动通道110内，顶针300停留在静电卡盘内的预设位置，也即顶针300停留在移动通道110的预设位置。
卡盘本体100用于放置待加工件的表面为承载面，在可选的方案中，顶针300在预设位置时其端部可设置为距离卡盘本体100的承载面1mm，如此设置，既保证了顶针300与承载面之间存在合适的间距而不会与待加工件接触，且也避免了顶针300的端部与承载面间距过大而导致射频电势差太大、会击穿待加工件。当然，本实施例未限制顶针300的端部与承载面的具体间距，例如其也可以为0.9mm、0.8mm等。
为了保证待加工件在不转移时，顶针300可以保持停留在移动通道110的预设位置，在限位部511和限位件710抵接时，弹性件600需要处于拉伸状态，进而保证顶针300稳定在降位。具体的，在升针时，弹性件600由拉伸状态逐渐恢复至自由状态，弹性件600的上述状态变化可吸收驱动组件的瞬动能量，进一步避免驱动组件的瞬动导致顶针300对待加工件的瞬时冲击。为了便于在静电卡盘内设置传动轴510，卡盘基座200朝向连接本体700的一侧通常设置有固定法兰210，传动轴510可穿设于固定法兰210中；同时，为了便于传动轴510实现轴向位移和复位，传动轴510与顶针支架520相连的端部可设置有波纹管220，而波纹管220背离顶针支架520的一端与固定法兰210相连，波纹管220起到密封真空作用而为传动轴510提供优良的轴向运动环境。进一步地，通过限位件710和限位部511抵接，还可阻止波纹管过渡形变，延长波纹管使用寿命。
由于弹性件600受力压缩时容易出现歪斜，如此会导致传动轴510出现偏斜、不便于实现顶针300在预设方向上的伸缩，基于此，升降针机构还可以包括连接件410，输出端通过连接件410与弹性件600连接；在连接件410背离驱动组件400的一端和传动轴510朝向驱动组件400的一端中，其中一者设置有导向空间411，另一者可移动地设置于导向空间411内，也即是说，导向空间411可以设置于连接件410背离驱动组件400的一端，也可以设置于传动轴510朝向驱动组件400的一端，本实施例对其不做限制。
如此设置下，在连接件410背离驱动组件400的一端和传动轴510朝向驱动组件400的一端中，其中一者可在导向空间411内相对于另一者产生相对位移，具体地，即是在驱动组件400的输出端通过连接件410压缩或拉伸弹性件600时，二者可产生相对位移；同时，无论传动轴510朝向驱动组件400的一端是设置有导向空间411，亦或者是设置于导向空间411内，由于连接件410是固定设置于驱动组件400的输出端上，传动轴510均会被受到连接件410的导向作用，如此便能够确保传动轴510在其轴向伸缩而带动顶针300在预设方向上伸缩，以避免顶针300偏斜而受损。
通常，导向空间411为导向孔，导向孔能够在整个周向上为被导向件提供导向作用，当然，本实施例的导向空间411还可以为诸如导向槽、导轨等的其他导向结构。
在一种具体的实施方式中，连接件410的第一端设置有导向空间411，传动轴510朝向驱动组件400的一端可移动地设置于导向空间411内；同时，弹性件600套设于传动轴510，如此，驱动组件400的输出端作用于弹性件600时，弹性件600能够在周向上传递给传动轴510驱动作用，进而有利于传动轴510受力均衡而确保在预设方向上伸缩；弹性件600的一端与传动轴510的伸出导向空间411的部分相连，以便于实现弹性件600与传动轴510的连接，且传动轴510与连接件410产生相对位移时，弹性件600也更容易被压缩或拉伸；弹性件600的另一端与连接件410远离输出端的一侧相连，如此能够以较小尺寸的弹性件600就实现与连接件410的连接关系，既便于组配、也有利于降低成本。
在本实施例中，弹性件600的类型有多种，例如其可以为橡胶结构件、泡棉、弹性高分子材料件等；在本实施例可选的方案中，弹性件600可以为螺旋线形弹簧，其能够套设于传动轴510，以在周向上传递给传动轴510驱动作用。
同时，螺旋线形弹簧的两端均可以设有环状衔接部，环状衔接部和螺旋线形弹簧均套设于传动轴510上，且螺旋线形弹簧通过其中一个环状衔接部与传动轴510连接，螺旋线形弹簧通过另一个环状衔接部与连接件410连接。具体而言，环状衔接部具有支撑面，支撑面可以提供与传动轴510和连接件410更大的接触面积，如此看使得螺旋线形弹簧与连接件410和传动轴510的连接关系更为稳定。
在升降针机构应用于不同的待加工件或工艺腔室时，顶针300需要顶升待加工件的高度往往不同，为了使得升降针机构能够驱动顶针300顶升不同的高度，本实施例的输出端和连接件410以相对位置可调的方式相连接。如此设置下，如果需要增大顶针300的顶升高度，则可以通过调大驱动组件400的输出端与连接件410之间的相对位置而实现；如果需要减小顶针300的顶升高度，则可以通过调小驱动组件400的输出端与连接件410之间的相对位置而实现。
在本实施例中，驱动组件400的输出端与连接件410之间相对位置可调的配合关系有多种，例如连接件410朝向驱动组件400的输出端的一端开设有导向孔，且导向孔内沿其轴向开设有多个定位槽，驱动组件400的输出端在其外周面沿轴向设置有定位块，在组配时可通过将定位块卡合于不同的定位槽内，来调整驱动组件400的输出端与连接件410之间的相对位置。
在另一种具体的实施方式中，本实施例的输出端可以设置有外螺纹部，连接件410朝向驱动组件400的一端开设有配合空间412，连接件410在配合空间412内设置有内螺纹部，输出端可插接配合于配合空间412而实现螺纹配合。如此设置下，在需要调整驱动组件400的输出端与连接件410之间的相对位置时，由于连接件410与驱动组件400的输出端为螺纹配合，因此可通过旋扭连接件410即可实现二者相对位置的调整。通常，配合空间412为螺纹孔。
基于前述的升降针机构，本发明实施例还公开一种半导体工艺设备，其包括反应腔室、静电卡盘以及前述的升降针机构，静电卡盘设置于反应腔室内，升降针机构与反应腔室连接，升降针机构通过驱动顶针300升降静电卡盘上的待加工件。本实施例未限制反应腔室的具体类型，其可以为蚀刻腔室、沉积腔室、扩散腔室等。
本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种升降针机构，适用于顶升位于静电卡盘上的待加工件，其特征在于，所述升降针机构包括连接本体(700)、顶针(300)、驱动组件(400)和传动组件(500)，所述连接本体(700)的一端用于连接所述静电卡盘，所述连接本体(700)的另一端与所述驱动组件(400)的固定端连接；
所述顶针(300)可移动地穿设于所述静电卡盘内，所述传动组件(500)设置于所述连接本体(700)和所述静电卡盘内，且所述传动组件(500)的一端与所述顶针(300)相连，所述传动组件(500)的另一端通过弹性件(600)与所述驱动组件(400)的输出端相连，所述驱动组件(400)可驱动所述传动组件(500)，以带动所述顶针(300)移动。
2.根据权利要求1所述的升降针机构，其特征在于，所述传动组件(500)包括传动轴(510)和顶针支架(520)，所述输出端通过所述弹性件(600)与所述传动轴(510)相连，所述传动轴(510)在背离所述驱动组件(400)的一端与所述顶针支架(520)相连，所述顶针(300)设置于所述顶针支架(520)上。
3.根据权利要求2所述的升降针机构，其特征在于，所述连接本体(700)内设置有限位件(710)，所述传动轴(510)在其周向侧壁设置有限位部(511)，所述限位件(710)邻近所述传动轴(510)的周向侧壁设置，且所述限位件(710)位于所述限位部(511)的下方，用于在所述传动轴(510)回缩时，所述限位部(511)与所述限位件(710)限位配合，以使所述顶针(300)停留在所述静电卡盘内的预设位置。
4.根据权利要求2所述的升降针机构，其特征在于，所述升降针机构还包括连接件(410)，所述输出端通过所述连接件(410)与所述弹性件(600)连接；在所述连接件(410)背离所述驱动组件(400)的一端和所述传动轴(510)朝向所述驱动组件(400)的一端中，其中一者设置有导向空间(411)，另一者可移动地设置于所述导向空间(411)内。
5.根据权利要求4所述的升降针机构，其特征在于，所述连接件(410)的第一端设置有导向空间(411)，所述传动轴(510)朝向所述驱动组件(400)的一端可移动地设置于所述导向空间(411)内；所述弹性件(600)套设于所述传动轴(510)，所述弹性件(600)的一端与所述传动轴(510)的伸出所述导向空间(411)的部分相连，且所述弹性件(600)的另一端与所述连接件(410)远离所述输出端的一侧相连。
6.根据权利要求5所述的升降针机构，其特征在于，所述弹性件(600)为螺旋线形弹簧，所述螺旋线形弹簧的两端均设有环状衔接部，所述环状衔接部和所述螺旋线形弹簧均套设于所述传动轴上，且所述螺旋线形弹簧通过其中一个所述环状衔接部与所述传动轴(510)连接，所述螺旋线形弹簧通过另一个所述环状衔接部与所述连接件(410)连接。
7.根据权利要求4所述的升降针机构，其特征在于，所述输出端和所述连接件(410)以相对位置可调的方式相连接。
8.根据权利要求7所述的升降针机构，其特征在于，所述输出端设置有外螺纹部，所述连接件(410)朝向所述驱动组件(400)的一端开设有配合空间(412)，所述连接件(410)在所述配合空间(412)内设置有内螺纹部，所述输出端可插接配合于所述配合空间(412)而实现螺纹配合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的升降针机构，其特征在于，所述驱动组件(400)为直线驱动式气缸，所述输出端为所述直线驱动式气缸的伸缩轴，所述固定端为所述直线驱动式气缸的缸体。
10.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括反应腔室、所述静电卡盘以及如权利要求1至9中任一项所述的升降针机构，所述静电卡盘设置于所述反应腔室内，所述升降针机构与所述反应腔室连接，所述升降针机构通过驱动所述顶针(300)顶升所述静电卡盘上的所述待加工件。
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