CN116013842A - 一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其属于半导体设备技术领域，所述应用于集成电路设备的晶圆升降装置包括有竖直地设置于集成电路设备的操作台下方的外套筒，外套筒内可上下滑动地容纳有顶针安装轴，顶针安装轴具有磁性，顶针安装轴上端连接有顶针，操作台上开设有供顶针穿过的通孔；外套筒的下端具有底面，在外套筒内，顶针安装轴和外套筒的底面之间设置有弹簧；外套筒下部的外侧面套设有筒状铁芯，筒状铁芯的外侧面设置有线圈，线圈连接有电源以及控制其中电流大小的电流控制元件。本发明的方案结构简单，占用空间很小，与现有技术相比成本大幅降低，且控制装置及控制方法均较为简单。

Description

一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置

技术领域

本发明属于集成电路设备技术领域，具体涉及一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置。

背景技术

在集成电路设备中，晶圆（wafer）的升降装置是设备的重要组成部分，需要在大气和真空腔室间实现升降运动的传递。现有技术中，例如专利申请号为US15418656及US09797459的美国专利，一般为使用气缸或者电机加丝杠作为动力源，使用波纹管（bellows）作为真空和大气间动力传递和密封结构，三个顶针（pin）都各自连接在一个波纹管上，波纹管再连接在一个三角结构上，通过气缸或电机加丝杠驱动这个三角结构，实现顶针的升降功能。这种结构占用空间大、成本高，几乎将腔室底部空间完全占用，装配维护不便，腔室下面的一些其他功能结构例如真空管路、阀门、测温传感器、水路等也无法再进行安装；同时，波纹管的价格较高，并且属于易损易耗件，需要定期更换，因而设备运行维护成本也较高。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提供一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其替代现有的采用波纹管及气缸或电机加丝杠方式的升降装置，解决了现有装置成本高、占用空间大、结构及控制复杂等诸多弊端。

依据本发明的技术方案，本发明提供了一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置，晶圆升降装置包括有竖直地设置于集成电路设备的操作台下方的外套筒，外套筒内可上下滑动地容纳有顶针安装轴，顶针安装轴具有磁性，顶针安装轴上端连接有顶针，操作台上开设有供顶针穿过的通孔；外套筒的下端具有底面，在外套筒内，顶针安装轴和外套筒的底面之间设置有弹簧；外套筒下部的外侧面套设有筒状铁芯，筒状铁芯的外侧面设置有线圈，线圈连接有电源以及控制其中电流大小的电流控制元件。

优选地，外套筒为法兰筒，其上端为具有法兰孔的法兰部，操作台底面具有安装螺孔，安装螺钉穿过法兰孔与操作台的安装螺孔相连接。

进一步地，法兰部的上表面开设有密封圈槽，密封圈槽内嵌入设置有密封圈，密封圈的上、下表面分别与操作台及法兰部密封地相抵触。

优选地，顶针安装轴为中间段直径大、上下两段直径小的阶梯分段圆柱形；顶针安装轴上、下两段的外侧面均开设有卡簧槽并嵌入设置有卡簧，卡簧与顶针安装轴的中间段之间安装有衬套，衬套呈环形，套设于顶针安装轴外。

进一步地，衬套的内径与顶针安装轴的上、下段的外径相匹配，衬套的外径与外套筒的内径相匹配；顶针安装轴的中间段的外径小于外套筒的内径。

优选地，外套筒的底面开设有通孔并设置有接头；衬套的外侧面设置有至少一个上下贯通的缺口。

优选地，还包括用于检测顶针安装轴位置的磁性开关，磁性开关设置于外套筒的外侧面。

优选地，磁性开关通过环形安装结构与外套筒的外侧面相连接。

进一步地，顶针安装轴上端中心位置设有安装孔，顶针的下端设置于安装孔内。

进一步地，操作台上的供顶针穿过的通孔至少为位置不共线的三个，晶圆升降装置的位置及数量与该通孔相对应。

与现有技术相比，本发明应用于集成电路设备的晶圆升降装置的有益技术效果如下：

1、本发明应用于集成电路设备的晶圆升降装置的方案结构简单，每个晶圆升降装置只需一根管状结构即可实现控制顶针的上下升降，无需使用三角架结构将多个升降装置连接起来利用气缸或伺服电机加丝杠驱动。

2、本发明应用于集成电路设备的晶圆升降装置的方案占用空间很小，可以在腔室底部为其他功能部件的安装让出大量空间，安装维护方便。

3、本发明应用于集成电路设备的晶圆升降装置的方案取消了气缸或伺服电机加丝杠，所以同时也不再需要额外气源，或者昂贵的伺服电机控制，以及取消了波纹管这种高成本、易损坏的形式，故成本大为降低。

4、本发明应用于集成电路设备的晶圆升降装置的方案通过精确控制通入线圈的电流大小，即可实现晶圆在较宽的位置及速度范围内升降，以及实现晶圆精确定位在升降行程范围内的任意位置，且控制装置及控制方法均较为简单。

5、本发明应用于集成电路设备的晶圆升降装置的方案优选可在底部设置接头和吹扫管路，从而对于洁净度要求很高的工艺，可以实现定期对环境进行氮气吹扫（N2purge），将工艺环境中的颗粒物清理干净，有助于避免晶圆升降装置卡住或者对晶圆产生污染，保证设备的高质量运行；或者通入其他工艺所需的气体。现有技术利用波纹管进行升降的方案无法实现此种吹扫通气过程。

附图说明

图1是采用本发明的晶圆升降装置的集成电路设备的立体结构示意图。

图2是图1所示结构的剖视示意图。

图3是本发明一实施例的一个晶圆升降装置的立体结构示意图。

图4是图3所示结构的剖视示意图。

图5是图4所示结构中顶针安装轴及周边部件的立体结构示意图。

附图中的附图标记说明：

1、真空腔室；

2、操作台；

3、晶圆升降装置；

301、顶针；

302、安装螺钉；

303、密封圈；

304、外套筒；

3041、法兰部；

305、卡簧；

306、衬套；

3061、缺口；

307、顶针安装轴；

308、弹簧；

309、筒状铁芯；

310、线圈；

311、接头；

4、磁性开关；

401、环形安装结构。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本发明涉及一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置，本发明属于半导体设备技术领域，晶圆升降装置包括有竖直地设置于集成电路设备的操作台下方的外套筒，外套筒内可上下滑动地容纳有顶针安装轴，顶针安装轴具有磁性，顶针安装轴上端连接有顶针，操作台上开设有供顶针穿过的通孔；外套筒的下端具有底面，在外套筒内，顶针安装轴和外套筒的底面之间设置有弹簧；外套筒下部的外侧面套设有筒状铁芯，筒状铁芯的外侧面设置有线圈，线圈连接有电源以及控制其中电流大小的电流控制元件。本发明的方案结构简单，占用空间很小，与现有技术相比成本大幅降低，且控制装置及控制方法均较为简单。

请参阅图1、图2，本发明所涉及的集成电路设备中包括有真空腔室1、操作台（Stage）2以及晶圆升降装置3。真空腔室1为晶圆进行工艺提供必要的真空环境。操作台2密封地设置于真空腔室1内（操作台2的顶面形成真空腔室1底部的一部分），操作台2用于放置晶圆，同时其上安装晶圆升降装置3、真空管路、工艺管路、冷却或保温水路、测温传感器等为完成晶圆工艺所必须的组件，操作台2在安装晶圆升降装置3对应位置开有通孔，供顶针301从该通孔中穿过。操作台2上的该通孔至少为位置不共线的三个，晶圆升降装置3的位置及数量与该通孔相对应。晶圆升降装置3通过上方伸出操作台2的顶针301顶起晶圆并进行上下移动，此实施例中顶针301设置为周向均匀分布的3个，即晶圆升降装置3共3组，但本发明的应用并不限于3组，也可以根据需要设置为其他数量及位置。

请同时参阅图3、图4，本发明的应用于集成电路设备的晶圆升降装置中，晶圆升降装置3包括有竖直地设置于集成电路设备的操作台2下方的外套筒304，外套筒304内可上下滑动地容纳有顶针安装轴307，顶针安装轴307具有磁性，顶针安装轴307上端连接有顶针301。外套筒304的下端具有底面，在外套筒304内，顶针安装轴307和外套筒304的底面之间设置有弹簧308。外套筒304下部的外侧面套设有筒状铁芯309，筒状铁芯309的外侧面设置有线圈310，线圈310连接有电源以及控制其中电流大小的电流控制元件。这样形成直流螺线管电磁铁结构，通过电磁铁的方式吸引和释放顶针安装轴307，从而实现其在竖直方向上进行升降。

外套筒304为圆柱形薄壁结构（圆筒状结构），是晶圆升降装置3的主体，其外侧为大气，内侧为真空，顶针安装轴307及顶针301在其内侧上下滑动升降。优选实施例中，外套筒304为法兰筒，其上端为具有若干法兰孔（通孔）的法兰部3041（向外延伸的环形突缘/环形板），操作台2底面具有若干安装螺孔，若干安装螺钉302一一对应地穿过法兰孔与操作台2的安装螺孔相连接。安装螺钉302可为标准件，例如图3所示周向均与分布3个。这样形成一种可拆卸的、便于安装、清理维护及更换的装配方式，可以想到的是，外套筒304也可通过法兰、螺钉以外的方式如插接、卡接或直接焊接等方式与操作台2相连接。

进一步地，法兰部3041的上表面开设有密封圈槽，密封圈槽内嵌入设置有密封圈303，密封圈303为圆形密封圈，密封圈303的上、下表面分别与操作台2及法兰部3041密封地相抵触，从而实现外套筒304内、真空腔室1内的真空环境与外套筒304外、操作台2下的大气环境之间的密封隔离。

优选实施方式中，如图4、图5所示，顶针安装轴307为中间段直径大、上下两段直径小的阶梯分段圆柱形，中间段和上、下两段之间形成垂直的阶梯结构。顶针安装轴307为17-4PH马氏体不锈钢或其他对工艺无影响且有磁性的材质。顶针安装轴307上、下两段的外侧面均开设有卡簧槽并嵌入设置有卡簧305，卡簧305可为标准件。卡簧305与顶针安装轴307的中间段之间安装有衬套306，即通过卡簧305将衬套306抵在阶梯结构上固定。衬套306呈环形（圆筒状），共上、下两个衬套306分别套设于顶针安装轴307上、下两段外，在顶针安装轴307上下两端对称设置，用于顶针安装轴307上下升降运动的导向。衬套306可为聚酰亚胺（PI）材质或其他耐磨损材质。

衬套306的内径与顶针安装轴307的上、下段的外径相匹配，衬套306的外径与外套筒304的内径相匹配；顶针安装轴307的中间段的外径小于外套筒304的内径。从而该中间段不与外套筒304内侧面接触，而是通过衬套306的外侧面与外套筒304的内侧面相匹配地接触、实现运动导向功能，使得顶针安装轴307能够平稳地带动顶针301上下滑动升降。

弹簧308为无磁性的圆柱形压缩弹簧，上端位于顶针安装轴307下面，下端与外套筒304固定或与外套筒304底面相抵触，弹簧308的最大外径小于外套筒304的内径，不与外套筒304内侧面接触摩擦。弹簧308用于提供顶针安装轴307下降时的缓冲阻尼和上升时的推力。

管状铁芯309为中空圆筒状，其内径与外套筒304外径相匹配，套设于外套筒304外侧，为硅钢、软铁或其他非永磁体材质，通电产生磁性，断电磁性消失，可在线圈310通有电流情况下被磁化产生电磁吸力，从而吸引或释放顶针安装轴307，使其做上下升降运动。管状铁芯309可以是一体形式，也可是其他形式，例如为多层片状叠加等分体式结构。

线圈310为在管状铁芯309的外部缠绕的多层（匝）线圈，为与其功率相匹配的导电绕组。当有电流通过时产生磁性，使铁芯309被磁化，产生电磁吸力，线圈310和铁芯309电磁吸力叠加，所产生的电磁吸力与通过线圈310的电流大小成正比，通过调节线圈310中通过电流的大小，来实现电磁吸力大小的调节。控制其中电流大小的电流控制元件为现有技术，例如通过调节电路中串联的总电阻值来实现，相关手动或电动（自动）控制技术已相当成熟，故本文不再赘述。

顶针301为杆状结构，上下两端可为半球状或其他形状，上端从操作台2的通孔中穿出并直接接触晶圆。顶针安装轴307上端中心位置设有安装孔，顶针301的下端插入安装于该安装孔内。顶针301为石英、蓝宝石、陶瓷或其他满足工艺要求的材质。

进一步优选的实施方式中，还设置有用于进行氮气吹扫或通入其他工艺所需的气体的结构。外套筒304的底面开设有通孔并设置有接头311，衬套306的外侧面设置有至少一个上下贯通的缺口3061（如图5所示）。接头311例如焊接固定在外套筒304下端，接头311为具有真空密封功能的气路接头，例如VCR（Vacuum Coupling RadiusSeal，真空连接径向密封）接头，用于连接吹扫管路，吹扫管路连接外部气源，定期通过吹扫管路通入氮气对外套筒304内进行吹扫清理，将其中的颗粒物通过衬套306外侧面的缺口3061（及顶针安装轴307中间段与外套筒304之间的间隙）排出。

对于洁净度要求不高的工艺或类似应用，也可不进行上述吹扫清理或通气过程，则无需设置接头311、缺口3061，外套筒304的底面可设为盲孔（封闭的底面）。

再优选地，请参阅图3，还包括用于检测顶针安装轴307位置的磁性开关4，磁性开关4设置于外套筒304的外侧面，例如通过环形安装结构401（如固定带/环）与外套筒304的外侧面相连接固定。磁性开关4沿外套筒304长度方向（竖直方向）设置有若干个，当顶针安装轴307经过某一磁性开关4的感应点位时，该磁性开关4感应产生检测信号并反馈给控制系统，使控制系统获得晶圆所处位置，可作为互锁、动作逻辑信号等。

本发明上述实施例的晶圆升降装置3的工作原理如下。

当需要顶针301带着晶圆下降时，通过外接的电源使线圈310内产生电流，进而产生电磁性，使管状铁芯309磁化，通过电流控制元件调节电流大小，使通入线圈310的电流由小到大逐渐增加，从而使线圈310和管状铁芯309的电磁吸力逐步增加，电磁吸力吸引顶针安装轴307克服弹簧308的弹力向下运动，随着弹簧308的压缩，其弹力逐渐增加，电磁吸力和弹簧弹力方向相反且均逐渐增加。

当需要顶针301带着晶圆上升时，逐渐减小通入线圈310内的电流，电磁吸力逐渐减小，弹簧弹力大于电磁吸力，从而推动顶针安装轴307向上运动，随着向上运动的进行，电磁吸力和弹簧弹力均逐渐减小。

当需要晶圆在总行程范围内某位置定位时，将电流稳定在某一数值，使电磁吸力、弹簧弹力以及上下移动的部分的总重力三力平衡。

工作过程的受力分析如下。

F_X=kx；

其中，F_X：弹簧308的弹力，k：弹性系数，x：弹簧308的形变量。

G=mg；

其中，G：顶针安装轴307、卡簧305、衬套306、顶针301（以及晶圆）的总重力，m：上述部分的总质量，g：重力加速度。

；

其中，F：电磁吸力，N：线圈匝数，I：电流强度，μ₀：真空磁导率，μ₀=4π×10^-7Wb/A∙m，S：磁路截面积（即筒状铁芯309的横截面积）δ:气隙长度（即顶针安装轴307的行程）。

根据力的平衡条件：（向下）F_X+G=（向上）F ；

其中部件总重力G为固定值，弹簧弹力F_X随着弹簧的压缩而逐渐增加，同时电磁吸力F随着电流的增加而逐渐增加，从而使两个方向的力始终处于动态平衡状态，顶针301即可平稳升降；当两个方向的力完全相等时，顶针301可在任意位置定位。

综上所述，本发明的应用于集成电路设备的晶圆升降装置与现有技术相比至少具有如下优点。

优点一：本发明的方案结构简单，成本低，占用空间很小。每个晶圆升降装置只需一根管状结构即可实现顶针的上下升降，无需使用三角架结构将多个升降装置连接起来利用气缸或伺服电机加丝杠驱动，所以结构简单、占用空间很小，为其他功能部件的安装让出大量空间，安装维护方便。取消了气缸或伺服电机加丝杠，所以同时也不再需要额外气源，或者昂贵的伺服电机控制，以及取消了波纹管这种高成本、易损坏的形式，故成本大为降低。

优点二：本发明的方案通过精确控制通入线圈的电流大小，即可实现晶圆在较宽的位置及速度范围内升降，以及实现晶圆精确定位在升降行程范围内的任意位置。控制装置及控制方法均较为简单。

优点三：本发明的方案优选可设置接头和吹扫管路，从而对与洁净度要求很高的工艺，可以实现定期对环境进行氮气吹扫，将工艺环境中的颗粒物清理干净，有助于避免晶圆升降装置卡住或者对晶圆产生污染，保证设备的高质量运行。现有技术利用波纹管进行升降的方案无法实现此种吹扫。

可以理解的是，本发明包括但不限于半导体晶圆的升降，也适用于其他应用，例如任何真空与大气间实现直线运动传递的场景。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述晶圆升降装置（3）包括有竖直地设置于所述集成电路设备的操作台（2）下方的外套筒（304），所述外套筒（304）内可上下滑动地容纳有顶针安装轴（307），所述顶针安装轴（307）具有磁性，所述顶针安装轴（307）上端连接有顶针（301），所述操作台（2）上开设有供所述顶针（301）穿过的通孔；所述外套筒（304）的下端具有底面，在所述外套筒（304）内，所述顶针安装轴（307）和所述外套筒（304）的底面之间设置有弹簧（308）；所述外套筒（304）下部的外侧面套设有筒状铁芯（309），所述筒状铁芯（309）的外侧面设置有线圈（310），所述线圈（310）连接有电源以及控制其中电流大小的电流控制元件。

2.如权利要求1所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述外套筒（304）为法兰筒，其上端为具有法兰孔的法兰部（3041），所述操作台（2）底面具有安装螺孔，安装螺钉（302）穿过所述法兰孔与所述操作台（2）的安装螺孔相连接。

3.如权利要求2所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述法兰部（3041）的上表面开设有密封圈槽，所述密封圈槽内嵌入设置有密封圈（303），所述密封圈（303）的上、下表面分别与所述操作台（2）及所述法兰部（3041）密封地相抵触。

4.如权利要求1所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述顶针安装轴（307）为中间段直径大、上下两段直径小的阶梯分段圆柱形；所述顶针安装轴（307）上、下两段的外侧面均开设有卡簧槽并嵌入设置有卡簧（305），所述卡簧（305）与所述顶针安装轴（307）的中间段之间安装有衬套（306），所述衬套（306）呈环形，套设于所述顶针安装轴（307）外。

5.如权利要求4所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述衬套（306）的内径与所述顶针安装轴（307）的上、下段的外径相匹配，所述衬套（306）的外径与所述外套筒（304）的内径相匹配；所述顶针安装轴（307）的中间段的外径小于所述外套筒（304）的内径。

6.如权利要求5所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述外套筒（304）的底面开设有通孔并设置有接头（311）；所述衬套（306）的外侧面设置有至少一个上下贯通的缺口（3061）。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，还包括用于检测所述顶针安装轴（307）位置的磁性开关（4），所述磁性开关（4）设置于所述外套筒（304）的外侧面。

8.如权利要求7所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述磁性开关（4）通过环形安装结构（401）与所述外套筒（304）的外侧面相连接。

9.如权利要求1-6中任意一项所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述顶针安装轴（307）上端中心位置设有安装孔，所述顶针（301）的下端设置于所述安装孔内。

10.如权利要求1-6中任意一项所述的应用于集成电路设备的晶圆升降装置，其特征在于，所述操作台（2）上的供所述顶针（301）穿过的通孔至少为位置不共线的三个通孔，所述晶圆升降装置（3）的位置及数量与该通孔相对应。

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