CN116259571A - 晶圆保持装置及其旋转轴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的旋转轴，包括中心转轴，同轴套设在中心转轴的外侧的第一配气环以及同轴固定在中心转轴外侧的动密封环，动密封环与第一配气环交替设置，动密封环与第一配气环相对的端面上设置有若干个内沟槽，内沟槽用于收纳来自第一配气环泄露的气体，中心转轴旋转时使该气体在内沟槽内形成高压密封区，以阻止第一配气环的气体泄漏。本发明通过在旋转轴的第一配气环相邻位置设置动密封环，动密封环随中心转轴旋转时，利用离心加速和其上内沟槽收窄外形，使得泄露的气体在内沟槽内的气压上升，形成高压密封区，阻止第一配气环提供的气体持续地泄露，确保旋转轴的供气量满足工艺需求，提高工艺的稳定性。本发明还提供了采用上述旋转轴的晶圆保持装置。

Description

晶圆保持装置及其旋转轴
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种晶圆保持装置及其旋转轴。
背景技术
晶圆背面清洗是晶圆湿法工艺的一个重要工序。通过清洗晶圆背面可避免交叉污染，提升良率。在背面清洗工艺中，伯努利卡盘已经获得广泛应用。
如图15所示，伯努利卡盘包括卡盘30和旋转轴40。旋转轴40的外侧同轴套设有伯努利配气环41及抬升配气环42。伯努利配气环41的供气管道411通过旋转轴40的第一轴内气道43与卡盘30上的伯努利出气管道31相连通，用于晶圆w清洗时向晶圆w下表面供应气体，以使晶圆w悬浮在卡盘30上方，并能够防止清洗液流向晶圆w下表面，造成晶圆w正面被刻蚀。抬升配气环42的供气管道421通过旋转轴40的第二轴内气道44与卡盘30上的抬升出气管道32相连通，用于取放晶圆w时向晶圆w下表面供应气体，用以调整晶圆w与卡盘30的上表面之间的距离。
在清洗晶圆w时，旋转轴40带动卡盘30旋转，而伯努利配气环41和抬升配气环42静止不动，通常在旋转轴40与配气环(41,42)之间采用迷宫密封，避免气体从旋转轴40与配气环(41,42)之间的间隙泄露。需要注意的是，迷宫密封只是减少泄漏量而非杜绝泄漏。气体仍可沿旋转轴40表面从配气环(41,42)上端或下端泄露，此外，当伯努利配气环41或抬升配气环42其中之一供气，而另一个关闭时，气体因泄露可在两个配气环(41,42)接触面(即图15所示的b处)串通。
配气环(41,42)的气体泄漏会使供应至晶圆w下表面的气量不足，这将从以下两方向影响伯努利卡盘的稳定性：1)当取放晶圆w时，抬升配气环42的气体泄露导致从抬升出气管道32流出的气体流量不足，进而使得晶圆w吹浮的高度无法达到取放片的高度要求；2)清洗晶圆w时，伯努利配气环41的气体泄露致使从伯努利出气管道31流出的气体流量不足，导致清洗液容易流向晶圆w的下表面，进而导致晶圆w的边缘和正面被刻蚀，不能满足工艺要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶圆保持装置及其旋转轴，用于解决旋转轴密封效果不足，影响工艺稳定性的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种旋转轴，用于与保持晶圆的卡盘连接，包括：
中心转轴，所述中心转轴内部设置有进气管道；
至少一个第一配气环，所述至少一个第一配气环同轴套设在中心转轴的外侧，且所述至少一个第一配气环与中心转轴之间具有间隙，所述至少一个第一配气环内部设置有供气管道，所述至少一个第一配气环的供气管道与中心转轴的进气管道相连通，用于向旋转状态的中心转轴供应气体；
至少一个动密封环，所述至少一个动密封环同轴固定在中心转轴的外侧，且所述至少一个动密封环与所述至少一个第一配气环交替设置，动密封环与第一配气环相对的端面上设置有若干个内沟槽，内沟槽用于收纳来自第一配气环和中心转轴之间的间隙泄露的气体，中心转轴旋转时使该泄露的气体在内沟槽内形成第一高压密封区，以阻止第一配气环的气体泄漏，其中，第一高压密封区内的气压高于第一配气环与中心转轴之间的间隙内的气压。
在本发明中，还提供一种晶圆保持装置，包括：
卡盘，所述卡盘用于保持晶圆，所述卡盘内部设有出气管道；
任一项上述旋转轴，所述卡盘固定在旋转轴的顶部；
其中，所述卡盘内部的出气管道与所述旋转轴内部的进气管道相连通。
本发明提供的旋转轴配置相邻设置的第一配气环和动密封环，通过动密封环与第一配气环相对的端面上设置内沟槽，在动密封环随中心转轴旋转时，利用离心加速和其上内沟槽收窄外形，使得第一配气环泄露的气体在内沟槽内的气压上升，形成高压密封区，进而阻止第一配气环提供的气体持续地从第一配气环和中心转轴之间的间隙泄露，以确保第一配气环的供气量满足工艺要求，提高工艺的稳定性。
本发明提出的晶圆保持装置采用配置有动密封环的旋转轴，能够使得卡盘内的出气管道的出气量满足工艺需求，从而有效提高工艺的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的旋转轴的剖面图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明实施例一提供的动密封环的立体图；
图4为动密封环的俯视图；
图5为动密封环的剖面图；
图6为本发明实施例二提供的旋转轴的剖面图；
图7为图6的局部放大图；
图8为本发明实施例二提供的动密封环的立体图；
图9为本发明实施例二提供的动密封环的另一立体图；
图10为本发明实施例三提供的旋转轴的剖面图；
图11为图10的局部放大图；
图12为本发明实施例三提供的动密封环的立体图；
图13为图12的俯视图；
图14为本发明实施例四提供的晶圆保持装置的剖面图；以及
图15为现有技术中伯努利卡盘的示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
实施例一
参见图1，示出了本实施例中的旋转轴的剖面图。旋转轴包括中心转轴110、至少一个第一配气环120和至少一个动密封环130。
中心转轴110的内部设置有进气管道111，进气管道111的进气口位于中心转轴110的外侧壁，进气管道111的出气口位于中心转轴110的顶部。
第一配气环120同轴套设在中心转轴110的外侧，用于向旋转状态的中心转轴110供应气体。第一配气环120的内部设置有供气管道121，供气管道121的进气口位于第一配气环120的外侧壁，供气管道121的出气口位于第一配气环120的内侧壁，具体地，供气管道121的出气口为环形出气槽。供气管道121的出气口与进气管道111的进气口连通，第一配气环120通过供气管道121和进气管道111为中心转轴110提供气体，如氮气。
进气管道111的数量可以为多个，供气管道121的数量与进气管道111的数量一一对应，每个供气管道121为一个进气管道111提供气体。需要注意的是，一个第一配气环120内可以设置多个供气管道121，分别为中心转轴110内的多个进气管道111提供气体；一个第一配气环120也可以设置一条供气管道121，由多个第一配气环120分别为中心转轴110内的多个进气管道111提供气体。进气管道111、第一配气环120和供气管道121的数量可以根据实际情况进行调整。
在图1示出的旋转轴中，两个第一配气环120分别为中心转轴110内的两个进气管道111提供气体。中心转轴110内的两条进气管道111分别为第一进气管道111a和第二进气管道111b。两个第一配气环120沿中心转轴110的轴向上下配置，分别记为上侧第一配气环120a和下侧第一配气环120b。两个第一配气环(120a，120b)内各设置一个供气管道121，分别与第一进气管道111a和第二进气管道111b相连通。
动密封环130同轴固定在中心转轴110的外侧，当中心转轴110旋转时，动密封环130可以与中心转轴110同步转动。动密封环130与第一配气环120交替设置在中心转轴110的外侧。第一配气环120沿其轴线方向的至少一侧设置有动密封环130。例如，图1中，上侧第一配气环120a的下方设置动密封环130，下侧第一配气环120b的上侧设置动密封环130。当然，在其他实施例中，第一配气环120的上下两侧可以各设置一个动密封环130。此外，相邻两个第一配气环之间可以共用一个动密封环，如图1所示，动密封环130设置在上侧第一配气环120a和下侧第一配气环120b之间。动密封环130相对第一配气环120的设置位置及数量可根据工艺具体要求进行调整。
第一配气环120为静止件，中心转轴110为运动件，为保证中心转轴110能够在驱动机构(图未示出)带动下自由转动，第一配气环120与中心转轴110之间具有间隙。较佳地，在第一配气环120的供气管道121的出气口上下两侧配置有迷宫密封槽122，当第一配气环120供应气体时，迷宫密封槽122可以防止部分气体沿第一配气环120和中心转轴110之间的间隙泄露。
在本实施例中，动密封环130与中心转轴110为分体设置，如图1和图2所示，动密封环130通过紧固件10(如螺钉)同轴固定在中心转轴110的外侧，动密封环130与中心转轴110之间设置有密封圈20，密封圈20能够阻止由第一配气环120泄露的气体沿中心转轴110的轴向继续扩散。
动密封环130与第一配气环120相对的端面上设置有若干个内沟槽131。参见图2，在本实施例中，动密封环130设置在上侧第一配气环120a和下侧第一配气环120b之间，动密封环130的上端面和下端面分别设置有若干个内沟槽131。
内沟槽131用于收纳来自第一配气环120和中心转轴110之间的间隙泄露的气体，中心转轴110旋转时使该气体在内沟槽131内形成第一高压密封区，以阻止第一配气环120的气体泄漏，其中，第一高压密封区内的气压高于第一配气环120与中心转轴110之间的间隙内的气压。对于设置在上侧第一配气环120a和下侧第一配气环120b之间的动密封环130，在阻止两个第一配气环120a和120b气体泄漏的同时，还能阻止两个第一配气环120a和120b提供的气体在两者之间串气。
图3至图5示出了本实施例中动密封环的结构。若干个内沟槽131位于动密封环130的内边缘，并沿动密封环130的旋转方向以第一切向角α呈环形阵列排布，第一切向角α为内沟槽131与动密封环130径向的夹角，第一切向角α为0°～30°，例如，第一切向角α为15°。
参见图4，内沟槽131具有第一端1311和第二端1312，第一端1311的宽度大于第二端1312的宽度，也即内沟槽131从第一端1311到第二端1312逐渐收窄。第一端1311靠近中心转轴110，基本上正对第一配气环120的气体泄漏处，用于接收来自第一配气环120泄露的气体；第二端1312远离中心转轴110，形成挡墙，用于拦截气体，使得进入内沟槽131的气体在第二端1312将动压转变为静压，以在内沟槽131内形成高压密封区。内沟槽131的截面形状可以为图3和图4所示的三角形，在其他实施例中，内沟槽131的截面形状还可以为螺旋形、L形等任意收窄形状，在此不作限定。
下面将详细介绍气体在内沟槽131形成高压密封区的过程。在动密封环130随中心转轴110转动的同时，内沟槽131的第一端1311接收来自第一配气环120泄漏的气体，动密封环130通过离心力和内沟槽131的收窄外形将接收的气体加速，被加速的气体碰撞到内沟槽131的第二端1312，将气体的动压转化为静压，进而在内沟槽131附近形成第一高压密封区，第一高压密封区的压力将会高于第一配气环120和中心转轴110之间的间隙内的气压，迫使从第一配气环120泄漏的气体朝气压较小的方向(例如中心转轴110的进气管道111)流动，避免第一配气环120供应的气体在第一配气环120和中心转轴110之间的间隙处持续泄漏，这样可以减少第一配气环120的气体泄漏。
内沟槽131的底面可以设置为平面，但是为进一步提高动密封环130的密封效果，内沟槽131的底面倾斜设置的斜面，如图5所示，内沟槽131的底面与垂直方向的夹角β可以为75°～85°。内沟槽131的底面倾斜设置，能够起到加速气体并引起更大的滞止压强的作用，进而提高了密封效果。
当动密封环130随中心转轴110旋转时，在动密封环130和第一配气环120之间的缝隙边缘会因动密封环130旋转而吸入部分外部的环境气体，若涌入内沟槽131的环境气体的压力超过第一高压密封区的气压，则外部的环境气体会穿越第一高压密封区进入第一配气环120，对第一配气环120提供的洁净气体造成污染。为避免这一情况的发生，如图1和图2所示，可以在动密封环130的径向外围设置遮挡环150，用以阻挡外部的环境气体进入第一配气环120。
实施例二
参见图6和图7，揭示了根据本发明的又一实施例的旋转轴，包括中心转轴210、至少一个第一配气环220、动密封环230和至少一个第二配气环240，在动密封环230的径向外围设置有遮挡环250。至少一个第一配气环220、至少一个动密封环230和至少一个第二配气环240同轴套设在中心转轴210的外侧，动密封环230与第一配气环220或第二配气环240交替设置。实施例二与实施例一的不同之处在于，动密封环230的结构以及中心转轴210外侧还同轴配置有第二配气环240，其余结构与实施例一相同。
第二配气环240的结构与第一配气环220的结构相同，两者的不同之处在于，第一配气环220用于向旋转状态的中心转轴210供应气体，第二配气环240用于向静止状态的中心转轴210供应气体。例如，旋转轴可应用于伯努利卡盘，第一配气环220配置为在中心转轴210处于旋转状态下，向中心转轴210供应伯努利气体，以使晶圆悬浮在卡盘的上方，第二配气环240配置为在中心转轴210处于静止状态下，向中心转轴210供应提升气体，以使晶圆提升至取放片高度。
参见图7至图9，动密封环230与第一配气环220相对的端面上设置有若干个内沟槽231，若干个内沟槽231位于动密封环230的内边缘；动密封环230与第二配气环240相对的端面上设置台阶结构232，台阶结构232为位于动密封环230的内边缘的环形通槽。若干个内沟槽231的结构和作用与实施例一相同，用以在中心转轴210旋转时使第一配气环220泄露的气体在内沟槽231内形成第一高压密封区。台阶结构232利用其90°拐角造成边界层分离和产生涡流来减弱第二配气环240的气体泄漏。
在本实施例中，动密封环230与第二配气环240相对的端面上设置台阶结构232，而不是内沟槽231，这是因为内沟槽231主要是利用离心加速在槽内形成高压密封区达到密封效果，然而第二配气环240是在中心转轴210处于静止状态时向中心转轴210供气，那么即使动密封环230与第二配气环240相对的端面上设置内沟槽231，也无法利用离心加速产生高压密封区来实现密封效果。
实施例三
参见图10和图11，揭示了根据本发明的又一实施例的旋转轴，包括中心转轴310、至少一个第一配气环320、动密封环330和至少一个第二配气环340。至少一个第一配气环320、至少一个动密封环330和至少一个第二配气环340同轴套设在中心转轴310的外侧，动密封环330与第一配气环320或第二配气环340交替设置。实施例三与实施例二的不同之处在于动密封环330的结构，其他结构与实施例二相同。
图12和图13揭示了本实施例中动密封环的结构。如图11至图13所示，动密封环330与第一配气环320相对的端面上设置有若干个内沟槽331和若干个外沟槽333，动密封环330与第二配气环340相对的端面上设置有台阶结构332和若干个外沟槽333。若干个内沟槽331配置为阻止第一配气环320的气体泄漏，台阶结构332配置为阻止第二配气环340的气体泄漏，若干个外沟槽333配置为阻止外部的环境气体进入第一配气320环或第二配气环340，用以解决环境气体对配气环供应的洁净气体造成污染的问题。若干个内沟槽331的分布以及结构与实施例一相同，台阶结构332的分布和结构与实施例二相同，故在此不再赘述。下文将详细介绍外沟槽333的结构及作用。
外沟槽333用于收纳外部的环境气体，中心转轴310旋转时使该气体在外沟槽333内形成第二高压密封区，以阻止外部的环境气体进入第一配气环320或第二配气环340，避免环境气体污染第一配气环320或第二配气环340供应的洁净气体，其中，第二高压密封区的气压高于外部的环境气压，且低于内沟槽331内形成的第一高压密封区的气压。
参见图12和图13，若干外沟槽333位于动密封环330的外边缘，并沿动密封环330的旋转方向以第二切向角γ呈环形阵列排布，第二切向角γ为外沟槽333与动密封环330径向的夹角，第二切向角γ为0°～30°，例如γ为15°。
再次参见图12和图13，外沟槽333的结构和作用与实施例一中内沟槽131相似。外沟槽333也为收窄结构，具有第一端3331和第二端3332，第一端3331的宽度大于第二端3332的宽度，第一端3331远离中心转轴310，第二端3332靠近中心转轴310。外沟槽333的底面可以为平面，可以理解的是，为进一步提高密封效果，外沟槽333的底面也可以倾斜设置的斜面。
当中心转轴310上配置的动密封环类型为同时具有内沟槽331和外沟槽333的动密封环330时，参见图10所示，动密封环330的外侧可选择性的取消遮挡环150的设置。
实施例四
参见图14，揭示了根据本发明的一个实施例用于保持晶圆的晶圆保持装置。晶圆保持装置包括卡盘400和旋转轴500，旋转轴500根据具体工艺设计采用实施一、实施二或实施例三中任意旋转轴。旋转轴500的中心转轴510连接并带动卡盘400转动。卡盘400用于保持晶圆w，卡盘400内部设置有出气管道410。
旋转轴500的进气管道511的出气口连通卡盘400的出气管道410，较佳地，旋转轴500的进气管道511与出气管道410一一对应，即一个进气管道511为一个出气管道410提供气体。在具体工艺中，卡盘400内部可以设置一个或一个以上的出气管道410，例如图14示出的晶圆保持装置，卡盘400内设置有两个出气管道410。
在一实施例中，卡盘400的上表面具有若干个伯努利出气孔，相应地，卡盘400内部可以设置一个出气管道410，出气管道410用于为卡盘400上的伯努利出气孔提供气体，用于使晶圆w以悬浮状态保持在卡盘400上。
在另一实施例中，卡盘400的上表面具有若干个伯努利出气孔和若干个抬升出气孔，相应地，卡盘400内部可以设置两个出气管道410，其中一个出气管道410用于为卡盘400上的伯努利出气孔提供气体，用于使晶圆w以悬浮状态保持在卡盘400上；另一个出气管道410用于为卡盘400上的抬升出气孔提供气体，用于将保持在卡盘400上的晶圆w吹浮至取放片高度。
在又一实施例中，卡盘400的上表面具有若干个伯努利出气孔和若干个抬升出气孔，且在卡盘400的边缘设置有至少一组由气缸驱动的夹紧销，相应地，卡盘400内部可以设置三个出气管道410，其中一个出气管道410用于为卡盘400上的伯努利出气孔提供气体，用于使晶圆w以悬浮状态保持在卡盘400上；一个出气管道410用于为卡盘400上的抬升出气孔提供气体，用于将保持在卡盘400上的晶圆w吹浮至取放片高度；一个出气管道410用于为卡盘400上至少一组夹紧销的气缸提供气体，用于驱动气缸夹紧或释放晶圆w。
综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims (15)

1.一种旋转轴，与用于保持晶圆的卡盘连接，其特征在于，包括：
中心转轴，所述中心转轴内部设置有进气管道；
至少一个第一配气环，所述至少一个第一配气环同轴套设在中心转轴的外侧，且所述至少一个第一配气环与中心转轴之间具有间隙，所述至少一个第一配气环内部设置有供气管道，所述至少一个第一配气环的供气管道与中心转轴的进气管道相连通，用于向旋转状态的中心转轴供应气体；
至少一个动密封环，所述至少一个动密封环同轴固定在中心转轴的外侧，且所述至少一个动密封环与所述至少一个第一配气环交替设置，动密封环与第一配气环相对的端面上设置有若干个内沟槽，内沟槽用于收纳来自第一配气环和中心转轴之间的间隙泄露的气体，中心转轴旋转时使该泄露的气体在内沟槽内形成第一高压密封区，以阻止第一配气环的气体泄漏，其中，第一高压密封区内的气压高于第一配气环与中心转轴之间的间隙内的气压。
2.根据权利要求1所述的旋转轴，其特征在于，所述至少一个动密封环与中心转轴之间设置有密封圈。
3.根据权利要求1所述的旋转轴，其特征在于，所述若干个内沟槽位于动密封环的内边缘，并沿动密封环的旋转方向以第一切向角呈环形阵列排布，第一切向角为内沟槽与动密封环径向的夹角。
4.根据权利要求3所述的旋转轴，其特征在于，所述第一切向角为0°～30°。
5.根据权利要求3所述的旋转轴，其特征在于，所述内沟槽靠近中心转轴一端的宽度大于远离中心转轴一端的宽度。
6.根据权利要求3所述的旋转轴，其特征在于，所述内沟槽的底面为水平面或斜面。
7.根据权利要求1所述的旋转轴，其特征在于，还包括至少一个第二配气环，所述至少一个第二配气环同轴套设在中心转轴的外侧，所述至少一个第二配气环与中心转轴之间具有间隙，所述至少一个动密封环与所述至少一个第二配气环或至少一个第一配气环交替设置，所述至少一个第二配气环内部设置有供气管道，所述至少一个第二配气环的供气管道与中心转轴的进气管道相连通，用于向静止状态的中心转轴供应气体；
动密封环与第二配气环相对的端面上的内边缘设置有台阶结构。
8.根据权利要求7所述的旋转轴，其特征在于，所述动密封环与第一配气环或第二配气环相对的端面上设置有若干个外沟槽，外沟槽用于收纳外部的环境气体，中心转轴旋转时使该环境气体在外沟槽内形成第二高压密封区，其中，第二高压密封区的气压高于外部的环境气压，且低于第一高压密封区。
9.根据权利要求8所述的旋转轴，其特征在于，所述若干外沟槽位于动密封环的外边缘，并沿动密封环的旋转方向以第二切向角呈环形阵列排布，第二切向角为外沟槽与动密封环径向的夹角。
10.根据权利要求9所述的旋转轴，其特征在于，所述第二切向角为0°～30°。
11.根据权利要求8所述的旋转轴，其特征在于，所述外沟槽远离中心转轴的一端的宽度大于靠近中心转轴一端的宽度。
12.根据权利要求8所述的旋转轴，其特征在于，所述外沟槽的底面为水平面或斜面。
13.根据权利要求7所述的旋转轴，其特征在于，还包括遮挡环，所述遮挡环设置在动密封环的径向外围，用以阻止外部的环境气体进入第一配气环或第二配气环。
14.根据权利要求1所述的旋转轴，其特征在于，还包括遮挡环，所述遮挡环设置在动密封环的径向外围，用以阻止外部的环境气体进入第一配气环。
15.一种晶圆保持装置，其特征在于，包括：
卡盘，所述卡盘用于保持晶圆，所述卡盘内部设有出气管道；
如权利要求1至14任一项所述的旋转轴，所述卡盘固定在旋转轴的顶部；
其中，所述卡盘内部的出气管道与所述旋转轴内部的进气管道相连通。
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