CN116454015A - 一种边缘夹持型晶圆卡盘装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种边缘夹持型晶圆卡盘装置，涉及半导体技术领域，包括：晶圆承载平台和卡盘底座，所述晶圆承载平台上对称设置至少一组用于夹紧待清洗晶圆的夹持治具，所述卡盘底座上设置握臂重力块和握臂，握臂重力块与握臂的第一端连接，握臂的第二端与夹持治具连接，用于在握臂重力块的自身重力作用下，通过握臂带动所述夹持治具将待清洗晶圆夹紧；驱动装置包括气缸和伸缩杆，伸缩杆的第一端与握臂重力块固定连接，气缸可推动伸缩杆的第二端；监测装置包括感应器和设置在伸缩杆的第二端上的标记物，控制系统与感应器连接，用于实时获取感应器的感应数据，输出晶圆感应状态结果。本发明能够在夹持过程中对晶圆的夹紧状态进行实时远程识别与监控。

Description

一种边缘夹持型晶圆卡盘装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种边缘夹持型晶圆卡盘装置。
背景技术
半导体制造工艺通常包括光刻、离子注入、蚀刻等诸多工序。在进行相关工序之后，需要对晶圆表面进行清洗，一般是在清洗腔内通过固定装置将晶圆固定在支撑台上，支撑台旋转，通过喷嘴向待清洗的晶圆表面喷射清洗剂，以去除晶圆表面的杂质。现有的晶圆固定装置大部分都采用边缘限位式的固定方式，这种方式容易产生飞片，且现有的晶圆固定装置在固定过程中，无法远程识别与监控晶圆的夹紧状态，包括在固定过程中晶圆是否有破损，在旋转过程中是否发生飞片等情况。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种边缘夹持型晶圆卡盘装置，以达到在夹持过程中对晶圆的夹紧状态进行实时远程识别与监控的目的。
本申请实施例提供以下技术方案：一种边缘夹持型晶圆卡盘装置，包括：
晶圆承载平台和卡盘底座，所述晶圆承载平台与所述卡盘底座固定连接，且位于所述卡盘底座的上方，所述晶圆承载平台上对称设置至少一组用于夹紧待清洗晶圆的夹持治具，所述卡盘底座上设置握臂重力块和握臂，所述握臂重力块与所述握臂的第一端通过连杆机构连接，所述握臂的第二端与所述夹持治具通过转轴转动连接，用于在所述握臂重力块的自身重力作用下，通过所述握臂带动所述夹持治具将所述待清洗晶圆夹紧；
卡盘支架，所述卡盘支架固定在所述卡盘底座的下方，用于支撑所述卡盘底座；
驱动装置，所述驱动装置设置在所述卡盘支架的下方，所述驱动装置包括气缸和伸缩杆，所述伸缩杆的第一端穿过所述卡盘支架和所述卡盘底座，与所述握臂重力块固定连接，所述气缸设置在所述伸缩杆的第二端的下方，用于在所述气缸的输出轴向上运动时，推动所述伸缩杆的第二端，以推动所述握臂重力块向上运动，通过所述握臂带动所述夹持治具将所述待清洗晶圆松开；
监测装置，所述监测装置包括设置在所述伸缩杆的第二端上的标记物，还包括用于感应所述标记物的位置的感应器；
控制系统，所述控制系统与所述感应器的数据输出端连接，用于实时获取所述感应器的感应数据，所述控制系统中预设感应状态阈值，用于将获取到的所述感应数据与所述感应状态阈值进行对比，输出晶圆感应状态结果。
根据本申请一种实施例，所述夹持治具包括依次相互连接的夹持头、固定段和连接段，所述卡盘底座上固定设置握把支撑块；
所述夹持头位于所述晶圆承载平台的表面，用于对所述待清洗晶圆进行夹紧，所述固定段穿过所述晶圆承载平台，与所述握把支撑块通过转轴转动连接，所述连接段与所述握臂的第二端通过转轴转动连接。
根据本申请一种实施例，所述晶圆承载平台上还包括周向间隔设置的多个支撑柱，每个所述支撑柱的外侧均对应设置定位柱，所述定位柱的高度高于所述支撑柱，用于将所述待清洗晶圆放置在所述支撑柱上，通过所述定位柱进行定位。
根据本申请一种实施例，所述支撑柱为圆锥状结构，且锥顶为直径为1.5mm的圆形平面；所述定位柱为柱状结构，该柱状结构的外径为5±0.02mm。
根据本申请一种实施例，所述晶圆承载平台上分别周向设置两组不同径向尺寸的所述支撑柱，每组所述支撑柱的外侧均对应设置定位柱，且对应两组不同径向尺寸的所述支撑柱分别设置有相应径向尺寸的所述夹持治具和所述握臂。
根据本申请一种实施例，所述驱动装置还包括旋转电机，所述旋转电机固定连接在所述卡盘支架的下方，且所述旋转电机与所述控制系统连接，用于在所述控制系统的控制下，驱动所述卡盘支架、所述卡盘底座以及所述晶圆承载平台同时转动；
其中，所述伸缩杆贯穿所述旋转电机，使所述旋转电机位于所述气缸的上方。
根据本申请一种实施例，所述旋转电机与所述卡盘支架相互之间的任意一个固定间隙中均设置耐腐蚀的密封环。
根据本申请一种实施例，还包括固定柱，所述固定柱的两端分别与所述晶圆承载平台和所述卡盘底座固定连接，用于将所述晶圆承载平台固定在所述卡盘底座的上方。
根据本申请一种实施例，所述晶圆感应状态结果包括晶圆夹紧正常、晶圆破损和晶圆飞片。
根据本申请一种实施例，所述标记物为磁铁，所述感应器为磁性位置传感器。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例的边缘夹持型晶圆卡盘装置，能够在清洗仓内部通过间接感应方式对晶圆的夹紧状态进行实时远程识别与监控，及时且准确的掌握在夹持过程中晶圆是否有破损，在旋转过程中是否发生飞片等情况。在此基础上，本发明实施例不仅可以适用不同尺寸的晶圆夹紧，而且可以以不同的速度对晶圆进行旋转，同时由于结构简单紧凑，可以达到降低生产成本的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的晶圆卡盘装置立体结构示意图；
图2为本发明实施例的支撑柱与定位柱结构示意图；
图3为本发明实施例的侧面结构示意图；
图4为本发明实施例的第一侧面局部结构示意图；
图5为本发明实施例的第二侧面局部结构示意图；
图6为本发明实施例的第三侧面局部结构示意图；
图7为本发明实施例的第四侧面局部结构示意图；
图8为本发明实施例的夹持治具结构示意图；
图9为本发明实施例的夹持治具的连接结构示意图；
其中，1-晶圆承载平台，101-支撑柱，102-定位柱，2-卡盘底座，3-夹持治具，301-夹持头，302-固定段，303-连接段，4-握臂重力块，5-握臂，6-卡盘支架，7-伸缩杆，8-气缸，9-感应器，10-握把支撑块，11-旋转电机，12-密封环，13-固定柱。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-图9所示，本发明实施例提供了一种边缘夹持型晶圆卡盘装置，包括：
晶圆承载平台1和卡盘底座2，所述晶圆承载平台1与所述卡盘底座2固定连接，且位于所述卡盘底座2的上方，所述晶圆承载平台1上对称设置至少一组用于夹紧待清洗晶圆的夹持治具3，所述卡盘底座2上设置握臂重力块4和握臂5，所述握臂重力块4与所述握臂5的第一端通过连杆机构连接，所述握臂5的第二端与所述夹持治具3通过转轴转动连接，用于在所述握臂重力块4的自身重力作用下，通过所述握臂5带动所述夹持治具3将所述待清洗晶圆夹紧；
卡盘支架6，所述卡盘支架6固定在所述卡盘底座2的下方，用于支撑所述卡盘底座2；
驱动装置，所述驱动装置设置在所述卡盘支架6的下方，所述驱动装置包括气缸8和伸缩杆7，所述伸缩杆7的第一端穿过所述卡盘支架6和所述卡盘底座2，与所述握臂重力块4固定连接，所述气缸8设置在所述伸缩杆7的第二端的下方，用于在所述气缸8的输出轴向上运动时，推动所述伸缩杆7的第二端，以推动所述握臂重力块4向上运动，通过所述握臂5带动所述夹持治具3将所述待清洗晶圆松开；
监测装置，所述监测装置包括设置在所述伸缩杆7的第二端上的标记物，还包括用于感应所述标记物的位置的感应器9；
控制系统，所述控制系统与所述感应器9的数据输出端连接，用于实时获取所述感应器9的感应数据，所述控制系统中预设感应状态阈值，用于将获取到的所述感应数据与所述感应状态阈值进行对比，输出晶圆感应状态结果。
本实施例的边缘夹持型晶圆卡盘装置用于半导体领域晶圆清洗工艺中。所述晶圆卡盘装置主要包含晶圆承载平台1，夹持治具3，握臂5，握臂重力块4，旋转电机11，气缸8，感应器9，伸缩杆7，固定及连接传动装置组成。初始状态因握臂重力块4的重力作用，拉伸夹持治具3向下运动对晶圆呈夹持状态。取晶圆时，气缸8将伸缩杆7向上顶起，从而将握臂重力块4向上顶起，通过握臂5带动夹持治具3向外运动而松开晶圆，机械手抓取晶圆。该装置底部设置感应器9确认伸缩杆7的位置高度坐标，若夹持过程中晶圆破裂或者飞片，伸缩杆7坐标发生变化可达到检测破片的目的。本发明不仅可以适用不同尺寸的晶圆夹紧，而且结构简单紧凑可以节省成本。另外，由于以前的湿法去胶等工艺制程中因药水不透明，通过感应器无法远程识别与监控晶圆夹紧状况，本发明通过腔体内部间接感应方式解决晶圆状态可监测的问题，实现在夹持过程中对晶圆的夹紧状态进行实时远程识别与监控的目的。
在一种具体实施例中，具体如图8和图9所示，所述夹持治具3包括依次相互连接的夹持头301、固定段302和连接段303，所述卡盘底座2上固定设置握把支撑块10；所述夹持头301位于所述晶圆承载平台1的表面，用于对所述待清洗晶圆进行夹紧，所述固定段302穿过所述晶圆承载平台1，与所述握把支撑块10通过转轴转动连接，所述连接段303与所述握臂5的第二端通过转轴转动连接。
在一种具体实施例中，所述晶圆承载平台1上还包括周向间隔设置的多个支撑柱101，每个所述支撑柱101的外侧均对应设置定位柱102，所述定位柱102的高度高于所述支撑柱101，用于将所述待清洗晶圆放置在所述支撑柱101上，通过所述定位柱102进行定位。
具体实施时，如图2所示，晶圆承载平台1上设置4个PTFE材质的支撑柱101与4个PVDF材质的定位柱102，根据晶圆尺寸大小布局于晶圆承载平台1上，机械手将待清洗晶圆放置于支撑柱101上后，定位柱102限制晶圆X&Y方向位置，对晶圆进行预定位。PVDF材质定位柱102既可以定位住晶圆且本身耐腐蚀耐磨损，不会划伤晶圆且使用寿命长。
优选的，上述PTFE材质的支撑柱101为圆锥状结构，且锥顶为直径为1.5mm的圆形平面；上述PVDF材质的定位柱102为柱状结构，该柱状结构的外径为5±0.02mm。
在一种优选实施例中，所述晶圆承载平台1上分别周向设置两组不同径向尺寸的所述支撑柱101，每组所述支撑柱101的外侧均对应设置定位柱102，且对应两组不同径向尺寸的所述支撑柱101分别设置有相应径向尺寸的所述夹持治具3和所述握臂5，实现同一夹持装置兼容不同晶圆尺寸。本实施例可通过两组周向设置的支撑柱101及定位柱102，以及对应设置的两组夹持治具3实现单套晶圆卡盘装置兼容6寸和8寸两种晶圆尺寸的晶圆夹持。
在一种具体实施例中，所述驱动装置还包括旋转电机11，所述旋转电机11固定连接在所述卡盘支架6的下方，且所述旋转电机11与所述控制系统连接，用于在所述控制系统的控制下，驱动所述卡盘支架6、所述卡盘底座2以及所述晶圆承载平台1同时转动；其中，所述伸缩杆7贯穿所述旋转电机11，使所述旋转电机11位于所述气缸8的上方。
具体实施时，卡盘底座2下方设置卡盘支架6，采用中空旋转电机及伸缩杆7，伸缩杆7贯穿中空旋转电机、卡盘支架6、卡盘底座2至握臂重力块4，且均在以上装置同心轴。当夹持治具3夹持住晶圆时，旋转电机11可带动卡盘底座2以设置的速度转动。最下方设置气缸8及感应器9，气缸8与伸缩杆7不直接连接，取晶圆时，气缸8将伸缩杆7向上顶起，将握臂重力块4向上顶起，驱动握臂5打开，通过握臂5带动夹持治具3向外运动而松开晶圆，机械手抓取晶圆。另外，上述握臂5与握臂重力块4连接采用连杆驱动方式，连杆的中间轴连接处安装有衬套，保证连杆机构使用顺畅以及寿命。上述中空旋转电机及伸缩杆的连接方式，使结构紧凑，空间利用率高。
在一种具体实施例中，如图5所示，还包括固定柱13，所述固定柱13的两端分别与所述晶圆承载平台1和所述卡盘底座2固定连接，用于将所述晶圆承载平台1固定在所述卡盘底座2的上方。具体实施时，卡盘底座2上有设置插销或螺纹，通过固定柱13及螺纹固定所述晶圆承载平台1和所述卡盘底座2。
在一种具体实施例中，所述标记物为磁铁，所述感应器为磁性位置传感器。具体实施时，如图6所示，伸缩杆7底部安装3个磁铁，在旋转电机的下方固定设置钣金壳体，在该钣金壳体的内侧壁上按照一定高度安装有磁性的感应器9，磁性的感应器9感应伸缩杆7内磁铁位置，设置夹持治具3晶圆夹紧正常/晶圆破损/晶圆飞片等3个感应状态，伸缩杆7向上或向下运动时，感应器9实时提供信号给控制系统，以便及时检测晶圆定位状态。具体地，上述感应状态阈值可根据具体的3个不同的感应状态分别设置不同的阈值范围。
由于在近年的半导体元件制造产业中，晶圆清洗腔体内是具有混有酸液或碱液的环境，其对晶圆卡盘机构具有腐蚀性，特别是在机械连接的细小缝隙内。针对此问题，在一种具体实施例中，如图7所示，所述旋转电机11与所述卡盘支架6相互之间的任意一个固定间隙中均设置耐腐蚀的密封环12。结构上设计耐酸碱材质的密封圈，密封住机械结构内的缝隙，避免酸液或碱液渗入，保护零件以提高寿命。本实施例中采用FKM（氟橡胶）材质O-ring（O形圈）以及密封环来对空隙进行封闭，FKM材质密封环，耐腐蚀，寿命长，使旋转电机11可以以设置的任意旋转速度带动卡盘底座2旋转，且在向晶圆表面喷射药液清洗时可以防止药液进入电机结构内部而损坏电机。
本发明实施例的晶圆卡盘装置可以兼容夹紧6寸和8寸两种尺寸晶圆，晶圆夹紧前粗定位然后对晶圆进行弹性夹紧；晶圆夹紧后随旋转电机旋转，能够设置任意旋转速度，且在晶圆旋转过程中通过感应器感应伸缩杆位置来实时检测晶圆状态；由于晶圆处于酸碱液体中进行清洗，旋转轴内部安装有O-ring以及密封环，防止酸碱液体进入旋转轴内部，提高相关零件使用寿命。本发明不仅适用于夹紧不同尺寸的晶圆，且可以以不同速度旋转晶圆，同时由于结构简单紧凑，可以达到降低生产成本目的。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，包括：
晶圆承载平台和卡盘底座，所述晶圆承载平台与所述卡盘底座固定连接，且位于所述卡盘底座的上方，所述晶圆承载平台上对称设置至少一组用于夹紧待清洗晶圆的夹持治具，所述卡盘底座上设置握臂重力块和握臂，所述握臂重力块与所述握臂的第一端通过连杆机构连接，所述握臂的第二端与所述夹持治具通过转轴转动连接，用于在所述握臂重力块的自身重力作用下，通过所述握臂带动所述夹持治具将所述待清洗晶圆夹紧；
卡盘支架，所述卡盘支架固定在所述卡盘底座的下方，用于支撑所述卡盘底座；
驱动装置，所述驱动装置设置在所述卡盘支架的下方，所述驱动装置包括气缸和伸缩杆，所述伸缩杆的第一端穿过所述卡盘支架和所述卡盘底座，与所述握臂重力块固定连接，所述气缸设置在所述伸缩杆的第二端的下方，用于在所述气缸的输出轴向上运动时，推动所述伸缩杆的第二端，以推动所述握臂重力块向上运动，通过所述握臂带动所述夹持治具将所述待清洗晶圆松开；
监测装置，所述监测装置包括设置在所述伸缩杆的第二端上的标记物，还包括用于感应所述标记物的位置的感应器；
控制系统，所述控制系统与所述感应器的数据输出端连接，用于实时获取所述感应器的感应数据，所述控制系统中预设感应状态阈值，用于将获取到的所述感应数据与所述感应状态阈值进行对比，输出晶圆感应状态结果。
2.根据权利要求1所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述夹持治具包括依次相互连接的夹持头、固定段和连接段，所述卡盘底座上固定设置握把支撑块；
所述夹持头位于所述晶圆承载平台的表面，用于对所述待清洗晶圆进行夹紧，所述固定段穿过所述晶圆承载平台，与所述握把支撑块通过转轴转动连接，所述连接段与所述握臂的第二端通过转轴转动连接。
3.根据权利要求1所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述晶圆承载平台上还包括周向间隔设置的多个支撑柱，每个所述支撑柱的外侧均对应设置定位柱，所述定位柱的高度高于所述支撑柱，用于将所述待清洗晶圆放置在所述支撑柱上，通过所述定位柱进行定位。
4.根据权利要求3所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述支撑柱为圆锥状结构，且锥顶为直径为1.5mm的圆形平面；所述定位柱为柱状结构，该柱状结构的外径为5±0.02mm。
5.根据权利要求3所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述晶圆承载平台上分别周向设置两组不同径向尺寸的所述支撑柱，每组所述支撑柱的外侧均对应设置定位柱，且对应两组不同径向尺寸的所述支撑柱分别设置有相应径向尺寸的所述夹持治具和所述握臂。
6.根据权利要求1所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述驱动装置还包括旋转电机，所述旋转电机固定连接在所述卡盘支架的下方，且所述旋转电机与所述控制系统连接，用于在所述控制系统的控制下，驱动所述卡盘支架、所述卡盘底座以及所述晶圆承载平台同时转动；
其中，所述伸缩杆贯穿所述旋转电机，使所述旋转电机位于所述气缸的上方。
7.根据权利要求6所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述旋转电机与所述卡盘支架相互之间的任意一个固定间隙中均设置耐腐蚀的密封环。
8.根据权利要求1所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，还包括固定柱，所述固定柱的两端分别与所述晶圆承载平台和所述卡盘底座固定连接，用于将所述晶圆承载平台固定在所述卡盘底座的上方。
9.根据权利要求1所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述晶圆感应状态结果包括晶圆夹紧正常、晶圆破损和晶圆飞片。
10.根据权利要求1所述的边缘夹持型晶圆卡盘装置，其特征在于，所述标记物为磁铁，所述感应器为磁性位置传感器。
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