CN218548399U - 一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，包括托盘、压盘、紧固螺钉和密封圈；托盘上表面均布有分叉状凹槽，且凹槽内设置有多个用于传输冷却介质的通气孔；压盘的中心区域设置有通孔；压盘朝向托盘的底面的中心区域设置有用于放置晶圆的沉头台阶；所述紧固螺钉将压盘固定在托盘上的同时，施加向下的力在托盘上，挤压密封圈，压紧晶圆。本实用新型可以适用于多种尺寸晶圆的刻蚀，在进行不同尺寸的晶圆刻蚀时，托盘可以重复利用，只需要更换对应的压盘即可，极大程度地提高了机台的使用效率，减少多种物料同时存在而造成的浪费，同时压盘在刻蚀过程中也能被冷却，提高了晶圆的刻蚀均匀性。

Description

一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置

技术领域

本实用新型涉及金属刻蚀技术领域，具体而言涉及一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置。

背景技术

在半导体集成电路制造工艺中，刻蚀是其中最为重要的一道工序，其中等离子体刻蚀是常用的刻蚀方式之一，通常刻蚀发生在真空反应腔室内，通常真空反应腔室内包括机械电极，用于承载晶圆、射频负载及冷却晶圆等作用。如图1所示，目前在对半导体器件等的制作过程中，通常将机械电极40放置在真空的处理腔室30中部的基座上，晶圆12位于机械电极40的上表面，在基座顶部的电极中施加射频，使在处理腔室30内形成引入的反应气体的等离子体对晶圆12进行加工处理。晶圆12的工艺过程为在大气状态下手动将晶圆12放置在传输腔70内的传输机械手60上，关闭传输腔盖，对传输腔70抽真空，待传输腔70与工艺腔30腔压平衡之后，开启两腔之间的门阀，机械手60载片进入工艺腔室30，达到机械电极40的正上方，之后机械电极40底部的顶针机构50升起顶针，将晶圆12从机械手60上顶起来，机械手60退出工艺腔室30回到传输腔70，门阀关闭，顶针机构50驱动顶针下降，晶圆12随之下降至电极表面；随后压环机构驱动压环9下降，并将晶圆12压紧在电极表面，待压紧后，工艺腔室30开始进行工艺，通入工艺气体和接通射频电源等。待工艺过程结束之后，压环9升起，顶针升起，晶圆12被顶起，门阀打开，机械手60进入工艺腔室30到达晶圆12正下方，顶针下降，晶圆12落到机械手60表面，机械手12载片退出工艺腔室30回到传输腔70，关闭门阀，给传输腔70充气，待腔压达到大气状态时，开启传输腔70盖取出晶圆12。在工艺过程中，由于射频电源的作用，工艺气体被电离后变成等离子体，并加速达到晶圆表面进行刻蚀过程，这个过程中会有大量的热量集聚在晶圆的表面，为了防止晶圆表面被高温烤焦，需要对晶圆进行降温处理。在半导体行业，一般会使用冷水机来对机械电极进行降温，同时在电极和晶圆背面之间通氦气，也叫作背氦，用来传递电极的低温至晶圆上，来实现晶圆的冷却。但是由于工艺过程中工艺腔室内为真空状态，腔压很小，而背氦的存在，会导致晶圆被吹跑，因此需要在工艺时使用压环将晶圆压紧在电极表面，同时晶圆被压紧后会使得晶圆背面的氦气被封住，形成背压，背压的存在可以用来判断晶圆是否被损坏。

由于在业内存在着多种尺寸的晶圆，包括2、3、4、6和8英寸等，而一台设备的电极只能对应一种尺寸的晶圆，一般适用于大尺寸晶圆，因此在需要对小尺寸晶圆进行刻蚀的时候，就要在大电极上使用托盘，将小尺寸晶圆放置在上面，实现大晶圆向小尺寸晶圆的转换。但是目前业内使用的托盘只适用于一种固定大小的托盘，如图2所示，托盘4的中心具有凹槽，该凹槽比晶圆3略大一点，保证晶圆能放入该槽内，压盘2中心为镂空的，可以将晶圆3压紧在托盘4的凹槽内，之后用螺钉1紧固，此时冷却气体即氦气会被大幅度封禁在晶圆3的背面，实现晶圆的冷却效果。但是该托盘及压盘只能适用于4英寸的晶圆，如果想要进行2英寸晶圆的刻蚀，必须要更换一整套托盘装置，包括托盘和压盘，这就造成了托盘没有通用性。同时电极表面的冷却气体即背氦只能达到晶圆的背面，无法冷却压盘，造成在工艺过程中压盘上累积的热量传递到底面的晶圆上，影响晶圆的均匀性。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，可以适用于多种尺寸晶圆的刻蚀，在进行不同尺寸的晶圆刻蚀时，托盘可以重复利用，只需要更换对应的压盘即可，极大程度地提高了机台的使用效率，减少多种物料同时存在而造成的浪费，同时压盘在刻蚀过程中也能被冷却，提高了晶圆的刻蚀均匀性。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型实施例提出了一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，所述托盘装置包括托盘、压盘、紧固螺钉和密封圈；

所述托盘呈平板状，其上表面均布有分叉状凹槽，且凹槽内设置有多个用于传输冷却介质的通气孔；托盘边缘区域设置有用于放置密封圈的密封槽；

所述压盘呈圆盘状，其外径小于托盘直径但大于密封圈直径；压盘的中心区域设置有通孔，通孔的直径小于配套晶圆的直径；压盘朝向托盘的底面的中心区域设置有用于放置晶圆的沉头台阶，沉头台阶的直径大于配套晶圆的直径，沉头台阶的深度小于配套晶圆的厚度；

所述托盘上设置有多圈沉头螺纹通孔，压盘的下底面的相应位置上设置有沉头螺纹盲孔；所述紧固螺钉自托盘下表面起向上依次穿过晶圆外侧最临近的一圈沉头螺纹通孔和相应压盘上的沉头螺纹盲孔，将压盘固定在托盘上的同时，施加向下的力在托盘上，挤压密封圈，压紧晶圆。

进一步地，所述冷却介质为氦气。

进一步地，所述通孔朝向上的外边缘呈斜面状。

进一步地，所述斜面与水平面的夹角的取值范围为25°～60°。

进一步地，所述托盘装置包括填充螺钉；所述填充螺钉的直径与沉头螺纹孔相当，长度与托盘厚度相匹配，螺纹尺寸大于紧固螺钉的螺纹尺寸。

进一步地，所述托盘上设置有两圈沉头螺纹通孔。

进一步地，所述压盘的外径与托盘外径相差12mm～20mm。

进一步地，所述通孔的直径比配套晶圆的直径小2mm～4mm，沉头台阶的直径比配套晶圆的直径大1mm～2mm。

进一步地，所述沉头台阶的深度比配套晶圆的厚度小0.2mm～0.4mm。

进一步地，所述托盘和压盘采用的材质包括铝、SiC、陶瓷或者石英。

本实用新型的有益效果是：

第一，本实用新型提出的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，可以适用于多种尺寸晶圆的刻蚀，在进行不同尺寸的晶圆刻蚀时，托盘可以重复利用，只需要更换对应的压盘即可，极大程度地提高了机台的使用效率，减少多种物料同时存在而造成的浪费。

第二，本实用新型提出的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，压盘在刻蚀过程中也能被冷却，提高了晶圆的刻蚀均匀性。

附图说明

图1是等离子刻蚀系统机台的工作原理示意图。

图2是现有托盘结构示意图。

图3是本实用新型实施例的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置的结构示意图(刻蚀小尺寸晶圆时)。

图4是其中一种托盘的结构示意图。

图5是其中一种压盘的结构示意图。

图6是刻蚀小尺寸晶圆时的托盘装置局部剖视放大图。

图7是托盘装置刻蚀大尺寸晶圆时的机构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

图3是本实用新型实施例的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置的结构示意图。参见图3，托盘10呈平板状，在上表面具有分叉状凹槽102，均布在上表面，凹槽的深度大约0.1～0.4mm，同时在凹槽102内具有诸多环形均布的通孔104，电极内通入的氦气可以通过通孔104进入到托盘10的上表面的凹槽102内，并在内部蔓延，晶圆放置在托盘10的上表面，可以实现氦气在晶圆12和托盘10之间填充。本实施例对凹槽102的形状没有做具体的规定，只要能够在晶圆12和托盘10之间造成间隙，使氦气可以充满晶圆底部从而对晶圆进行冷却即可。

在托盘10的靠外区域具有密封槽101，在该密封槽101内可以放置密封圈13。托盘10下表面具有多圈沉头螺纹孔，如图4所示，该图上为托盘实施例中的一个，有内圈沉头螺纹通孔105和外圈沉头螺纹通孔106。在实际应用中，还可以甚至更多圈的沉头螺纹通孔，沉头螺纹通孔的圈数与金属刻蚀机需要适配的晶圆尺寸范围相关。

与实施例中的托盘对应使用的压盘之一如图5所示，压盘11的下底面设置有沉头螺纹盲孔，沉头螺纹盲孔的位置尺寸与内圈沉头螺纹通孔105或者外圈沉头螺纹通孔106相适配，使托盘10和压盘11能够在紧固螺钉15的作用下固定在一起。

压盘11也呈圆盘状，其外径比托盘10的直径小大约12～20mm，同时需要大于密封槽101的区域，保证压盘11在使用时能够完全覆盖住密封圈13。压盘11中心有通孔111，通孔111的直径比配套晶圆的直径小2～4mm，底面的中心处有沉头台阶112，直径比配套使用的晶圆略大1～2mm，同时沉头的深度比晶圆的厚度要小0.2～0.4mm，例如该压盘用于2英寸晶圆的刻蚀时，2英寸晶圆的直径约50mm，厚度为0.5mm,则该沉头台阶112的直径约51～52mm，沉头台阶112的深度为0.1～0.3mm，通孔111的直径为46～48mm，该种尺寸的设置可以保证对应晶圆可以放入沉头台阶112内部，同时晶圆又能够被通孔111外边缘给压住。通孔111朝向上的外边缘呈斜面状113，斜面与水平面的角度约25°～60°之间，这种斜面的设置可以改善压片边缘区域对晶圆上表面刻蚀效果的影响。

如图3所示，当在托盘10上刻蚀较小的晶圆时，晶圆12首先放置在压盘11背面的沉头台阶112内，之后将两者放置在托盘10上表面，在内圈沉头螺纹通孔105上使用紧固螺钉15将托盘10和压盘11固定在一起，此时晶圆12被压紧，同时密封圈13也被压缩。在外圈沉头螺纹通孔106内全部拧入填充螺钉14，填充螺钉14长度相对紧固螺钉15较短，只需要填满托盘10的螺纹通孔区域，且螺纹尺寸比紧固螺钉15的螺纹尺寸大一号，保证紧固螺钉15可以穿过托盘10上的所有沉头螺纹通孔。填充螺钉14的作用是防止在进行小尺寸晶圆刻蚀的时候托盘上外圈的沉头螺纹通孔内发生射频点火的情况。

在进行工艺时，机械手将整个托盘装置放到电极上，压环9压到托盘10的边缘，此时氦气会被封在托盘10和电极表面之间，通过托盘10上的通孔104进入托盘10的上表面并在凹槽102内蔓延，位于晶圆12底部的氦气会被封在晶圆12和托盘10之间，为晶圆12实现冷却作用，位于晶圆12以外区域的氦气会在压盘11和托盘10上表面之间的间隙200内蔓延，同时又会在边缘被压紧的密封圈13封住，既能保证氦气不会泄露，也能对压盘11进行冷却，这种冷却效果可以减小压盘11对于晶圆12压制区域和邻近区域影响，提供晶圆刻蚀的均匀性，如图6所示。

在进行大尺寸晶圆刻蚀时，其结构示意如图7所示，此时紧固螺钉15安装在外圈，用于将托盘10和压盘20固定在一起，填充螺钉14安装在内圈，用于填充内圈沉头螺纹通孔防止孔内点火。

托盘10和压盘11的材质选择较多，可以选择导热性较好的铝、SiC、陶瓷或者石英，紧固螺钉和填充螺钉的材料也可以配套选择。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述托盘装置包括托盘、压盘、紧固螺钉和密封圈；

所述托盘呈平板状，其上表面均布有分叉状凹槽，且凹槽内设置有多个用于传输冷却介质的通气孔；托盘边缘区域设置有用于放置密封圈的密封槽；

所述压盘呈圆盘状，其外径小于托盘直径但大于密封圈直径；压盘的中心区域设置有通孔，通孔的直径小于配套晶圆的直径；压盘朝向托盘的底面的中心区域设置有用于放置晶圆的沉头台阶，沉头台阶的直径大于配套晶圆的直径，沉头台阶的深度小于配套晶圆的厚度；

所述托盘上设置有多圈沉头螺纹通孔，压盘的下底面的相应位置上设置有沉头螺纹盲孔；所述紧固螺钉自托盘下表面起向上依次穿过晶圆外侧最临近的一圈沉头螺纹通孔和相应压盘上的沉头螺纹盲孔，将压盘固定在托盘上的同时，施加向下的力在托盘上，挤压密封圈，压紧晶圆。

2.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述冷却介质为氦气。

3.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述通孔朝向上的外边缘呈斜面状。

4.根据权利要求3所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述斜面与水平面的夹角的取值范围为25°～60°。

5.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述托盘装置包括填充螺钉；所述填充螺钉的直径与沉头螺纹孔相当，长度与托盘厚度相匹配，螺纹尺寸大于紧固螺钉的螺纹尺寸。

6.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述托盘上设置有两圈沉头螺纹通孔。

7.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述压盘的外径与托盘外径相差12mm～20mm。

8.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述通孔的直径比配套晶圆的直径小2mm～4mm，沉头台阶的直径比配套晶圆的直径大1mm～2mm。

9.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述沉头台阶的深度比配套晶圆的厚度小0.2mm～0.4mm。

10.根据权利要求1所述的适用多尺寸晶圆刻蚀的托盘装置，其特征在于，所述托盘和压盘采用的材质包括铝、SiC、陶瓷或者石英。

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