TWI436448B - 夾盤結構與半導體製程設備 - Google Patents

Description

夾盤結構與半導體製程設備

本發明係關於一種夾盤結構以及一種使用該夾盤結構之半導體製程設備，特別關於一種夾盤結構，其係使用改良之導引環，而非習知頂針來載入一半導體基板至一夾盤上，以及使用上述夾盤結構之半導體製程設備。

在半導體製程中，沉積製程或蝕刻製程常被實施以在一基板上形成一薄膜，且該薄膜可具有一所需圖案。其中形成薄膜之一方法為電漿技術，而電漿技術包含電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)製程以及電漿蝕刻(plasma etching)製程。

電漿製程設備依據電漿產生的方式可以分為電容式耦合電漿(capacitive coupled plasma,CCP)以及電感式耦合電漿(inductive coupled plasma,ICP)兩類。在電容式耦合電漿製程設備中，一上電極係設置於一反應腔室之頂部，並且一下電極係設置於一夾盤(chuck)之底部，以為產生電漿，其中一基板或一基板托盤係設置於夾盤上。另外，在電感式耦合電漿製程設備中，一感應線圈係設置於反應腔室之頂部或是頂部的周圍，並且下電極設置於夾盤之底部。電容式以及電感式耦合電漿製程設備係供應射頻交流電(RF power)或直流電(DC power)給上、下電極、或是感測線圈及下電極，以在反應腔室內產生電漿。

此外，電漿製程設備更包含反應腔室以及一傳輸腔室(transfer chamber)或一晶圓承載腔室(load-lock chamber)，以將單一基板或承載複數基板之一基板托盤傳送至反應腔室。枚葉式(cluster type)電漿製程設備係包含複數反應腔室，並包含晶圓承載腔室及傳送腔室，以將真空處理過之基板或基板托盤從晶圓承載腔室經由傳輸腔室傳送至反應腔室。相對地，對於僅具有單一反應腔室之電漿製程設備並無配置傳輸腔室，因此基板或基板托盤係直接從晶圓承載腔室傳送至反應腔室，而不經由傳輸腔室。

當晶圓或晶圓托盤在傳輸腔室或晶圓承載腔室以及反應腔室之間進行載入及卸載的過程時，一傳輸臂(transfer arm)係進入反應腔室之內部。同時，複數頂針係穿過夾盤並可上下移動，其中先向上移動以支撐晶圓或晶圓托盤，然後再向下移動，以使基板或基板托盤置放於夾盤之上。

另外，化學氣相沉積裝置包含一加熱構件，其係設置於夾盤之底部以加熱夾盤，以提升沉積於基板上之薄膜的品質。由於製程係在一較低的壓力條件下進行，因而夾盤與加熱構件之間的熱傳係藉由熱傳導進行。若是基板材料對熱傳較敏感者，例如用於製造發光二極體晶片之藍寶石基板，則夾盤之表面的溫度分佈會直接影響基板的溫度分佈。

另外，由於上述裝置係使用頂針來達到支撐作用，因而夾盤內需設置複數穿孔以讓頂針通過，使得加熱構件之一加熱元件(如加熱導線)就需繞過該等穿孔，造成夾盤之穿孔周圍無法有均勻的熱傳，因而使得基板同樣無法有均勻的溫度分佈。此外，在基板或基板托盤置放在夾盤上之後，頂針就向下移動至夾盤之上表面；然而，頂計係由陶瓷材料製成，由於陶瓷材料不利熱傳導，使得頂針周圍產生溫度差。

有鑒於上述問題，本發明之一目的為提供一種能夠改善夾盤之溫度分佈之夾盤結構與半導體製程設備。

為達上述目的，本發明之一種夾盤結構具有一夾盤以及一主體支撐夾盤。夾盤結構包含一固定導引環、至少一移動導引環以及一驅動針。固定導引環固設於夾盤之一外周緣。至少一移動導引環固定部形成於固定導引環。移動導引環設置於移動導引環固定部，並上下移動。驅動針驅動移動導引環上下移動。

在一實施例中，夾盤結構具有相對之二移動導引環固定部，其係位於固定導引環之一上端之一缺口。然而，移動導引環固定部可從固定導引環之一頂部延伸至其一底部，使得固定導引環被分割成兩部分。

在一實施例中，夾盤結構具有至少二移動導引環，並且其係藉由一移動導引環連接件而連接。藉此，當移動導引環被驅動針驅動而上下移動時，該等移動導引環之作動可相同。此外，移動導引環連接件之尺寸係讓固定導引環通過。藉此可避免移動導引環連接件之向下移動被固定導引環阻擋。

在一實施例中，移動導引環可包含一對位凹部以座落一基板。對位凹部之一曲率與基板或基板組件之一外周緣之曲率相同。此外，基板可座落於對位凹部，並且對位凹部可具有一由外向內之傾斜，藉此，當基板置放於移動導引環時，基板可藉由對位凹部之傾斜而自動對準。

在一實施例中，夾盤結構可更包含一氣壓驅動單元，其設置於主體內，並驅動驅動針上下移動。氣壓驅動單元可使用氣壓而驅動一驅動針連接件，藉此可垂直驅動由驅動針連接件所支撐之驅動針。

一夾持環可設置於移動導引環之上。夾持環可包含一間隔部，間隔部耦接於移動導引環之頂部。

此外，一加壓環可耦接於移動導引環連接件之一外周緣，藉此以讓夾持環更可靠地加壓於基板。在此態樣中，移動導引環連接件可包含一加壓環固定凹部，並且加壓環包含一固定凸部對加壓環固定凹部，使得加壓環可耦接於移動導引環連接件。

此外，本發明提供一種半導體製程設備，其係包含一反應腔室以及上述之夾盤結構。

夾盤結構可藉由一懸臂方式而支撐於反應腔室內。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種夾盤結構與半導體製程設備，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明較佳實施例之一種半導體製程設備的示意圖。

半導體製程設備1包含一反應腔室3以及一夾盤結構10，夾盤結構10設置於反應腔室3內。如圖1所示之半導體製程設備1，一感應線圈5設置於反應腔室3之頂部，以藉由電感式耦合電漿方法產生電漿。然而，本發明之半導體製程設備1不限制於電感式耦合電漿式，亦可為一電感式耦合電漿式。而在電感式耦合電漿式之態樣中，反應腔室3上並無設置感應線圈5，而是一上電極設置於反應腔室3之頂部以藉由電感式耦合電漿方法產生電漿。當然，其他不使用電漿之半導體製程設備只要其不脫離本發明之精神，即落入本發明之範圍內。

如圖1所示，夾盤結構10可藉由懸臂方式而被支撐，其中，一組合式之固定單元7係從反應腔室3之一側的開口伸出並支撐、驅動夾盤結構10。懸臂式之夾盤結構可讓在反應腔室3內之反應氣體變得均勻。當然，夾盤結構10亦可用其他方式來支撐，例如藉由從反應腔室3之底部延伸之一支撐部來支撐。

一基板或一基板組件W(以下統稱基板)係設置於夾盤結構10之上。在本實施例中，基板W係在沒有頂針的情況下，設置於夾盤結構10之一夾盤。

圖2為本發明較佳實施例之一種夾盤結構的分解示意圖，圖3為夾盤結構的組合示意圖，圖4為夾盤結構的剖面示意圖。

夾盤結構10包含一主體12、一夾盤14、一固定導引環20以及複數移動導引環32a、32b。夾盤14設置於主體12上，固定導引環20固定於夾盤14之一外周緣，移動導引環32a、32b可在固定導引環20之移動導引環固定部22a、22b作上、下移動。

主體12可支撐夾盤14。在懸臂式夾盤態樣中，主體12係耦合於如圖1所示之組合式固定單元7。而在使用支撐部支撐夾盤14的態樣中，主體12可為一風箱式支撐構件以支撐夾盤14之一下表面。

請參照圖4，夾盤14藉由主體12支撐，並有一加熱元件46設置於夾盤14內。另外，一降溫元件(圖未顯示)亦可與加熱元件46設置於夾盤14之一底部，以控制夾盤14之溫度。在一實施例中，降溫元件可呈環狀，並含有一冷卻液在其中循環。夾盤14係耦接於主體12，而為使主體12與夾盤14彼此電性隔離，一絕緣環48設置於主體12與夾盤14之間。

固定導引環20固設於夾盤14之外周緣。固定導引環20與移動導引環32a、32b會在以下有進一步的說明。固定導引環20與移動導引環32a、32b之材質可包含陶瓷材料。此外，固定導引環20可設計作為一種對焦環。一般而言，對焦環可避免半導體製程設備之夾盤14被電漿所損壞，並可使電漿集中於基板W上。

固定導引環20之一頂部係有一缺口以形成移動導引環固定部22a、22b。並且較佳者係移動導引環固定部22a、22b係形成於固定導引環20之相對側。另外，如圖2所示，固定導引環20之移動導引環固定部22a、22b係藉由在固定導引環20之頂部之一預設位置形成缺口而形成。然而，在一實施例中，移動導引環固定部22a、22b可藉由將固定導引環20之一端在垂直方向上完全切除而形成。在此狀況下，固定導引環20非一連續的環形，而是被分割成複數部位，並且移動導引環32a、32b位於該等部位之間。

移動導引環固定部22a、22b形成於固定導引環20，而移動導引環32a、32b可在移動導引環固定部22a、22b作上、下移動。當基板W藉由一傳輸臂傳輸至夾盤結構10之上時，移動導引環32a、32b係從傳輸臂接受基板W，並將基板W載入至夾盤14上。此外，當基板W從夾盤14上卸載時，移動導引環32a、32b係使基板W從夾盤14上向上移動，並將基板W傳給傳輸臂。

在複數移動導引環32a、32b的態樣中，一移動導引環連接件30係使移動導引環32a、32b之作動相同。各移動導引環32a、32b係藉由對應之驅動針16a、16b所驅動。若驅動針16a、16b之一端部藉由焊接或其他方式而固定於移動導引環32a、32b，則移動導引環32a、32b可藉由驅動針16a、16b所支撐。然而，為使移動導引環32a、32b之作動相同以及增加移動導引環32a、32b之支撐的強度，較佳者係使移動導引環32a、32b固定於移動導引環連接件30。在一實施例中，複數移動導引環裝設孔36係設置於移動導引環連接件30內，並且複數通孔38設置於移動導引環32a、32b內，使得移動導引環32a、32b可使用螺栓或螺釘而裝設至移動導引環連接件30。移動導引環連接件30之形狀可讓固定導引環20穿設於其內。

另外，為了基板W在置放於移動導引環32a、32b上時能夠對準移動導引環32a、32b，複數對位凹部34係形成於移動導引環32a、32b。較佳者係各對位凹部34之一曲率與基板W之一外周緣之曲率相同。此外，基板W係座落於各對位凹部34，各對位凹部34具有一由外向內之傾斜以利基板W之座落。

以下係說明移動導引環32a、32b之驅動結構。

為驅動移動導引環32a、32b上、下移動，驅動針16a、16b係凸設而超過主體12之頂部。複數驅動針穿設孔24a、24b係設置於固定導引環20之移動導引環固定部22a、22b內，以方便驅動針16a、16b之驅動。驅動針16a、16b支撐移動導引環32a、32b之底部。移動導引環32a、32b係藉由驅動針16a、16b之上下作動而被驅動進行上、下運動。

一轉動馬達、一齒輪組件(pinion-rack gear assembly)、一線性馬達或一電磁圈(solenoid)可使用作為驅動針16a、16b之驅動機構。此外，由於反應腔室3之內部為高溫環境，因此較佳者係一氣壓驅動構件被使用來驅動驅動針16a、16b上下移動。圖4顯示一氣壓驅動構件，其包含一氣壓驅動單元40以及一驅動針連接件42，用以驅動驅動針16a、16b。驅動針連接件42係藉由氣壓驅動單元40之驅動而上、下移動，並且驅動針連接件42之端部與驅動針16a、16b連接。氣壓驅動單元40使用氣壓來驅動驅動針連接件42上下移動，因而被驅動針連接件42所支撐之驅動針16a、16b可藉由驅動針連接件42之垂直作動而上下移動。另外，較佳者係驅動針16a、16b之外緣由保護風箱44a、44b所保護。

圖5(a)至圖5(d)為本實施例之半導體製程設備之夾盤結構載入基板的示意圖。

請參照圖5(a)，當移動導引環32a、32b藉由驅動針16a、16b之作動而向上移動時，設置於傳輸臂50之基板W係被轉移。其中，傳輸臂50之寬度係小於兩移動導引環32a、32b之間距，並且基板W之寬度係大於移動導引環32a、32b之間距。

請參照圖5(b)，當傳輸臂50位於移動導引環32a、32b之上時，傳輸臂50係向下移動。傳輸臂50之寬度係小於移動導引環32a、32b之間距，並且基板W之寬度係大於移動導引環32a、32b之間距。因此，當傳輸臂50向下移動時，傳輸臂50係穿設移動導引環32a、32b之間，並且基板W座落於移動導引環32a、32b上。另外，形成於移動導引環32a、32b之對位凹部34可讓基板W自動對準並且座落於移動導引環32a、32b上。

請參照圖5(c)，在基板W座落於移動導引環32a、32b之後，傳輸臂50係退去。

請參照圖5(d)，隨著驅動針16a、16b向下移動，移動導引環32a、32b亦向下移動，並且基板W被載入至夾盤14上。

上述係說明基板W載入至夾盤14的過程。而使基板W從夾盤14卸載之過程之次序係與載入過程相反。

以下說明本發明另一實施例之半導體製程設備之一夾盤結構。

圖6為本發明另一實施例之半導體製程設備之一夾盤結構的分解示意圖，圖7為圖6所示之夾盤結構的組合示意圖，圖8為圖6之夾盤結構的剖面示意圖。

由於圖6至圖8所示之夾盤結構10大部分的構件係與圖2至圖4所示之夾盤結構10相同，因此以下係說明兩者之不同處。

在本實施例中，夾盤結構10更包含一夾持環60。夾持環60係施加壓力給載入至夾盤14之基板W之頂部的外周緣，使得基板W能緊貼於夾盤14。

夾持環60係與移動導引環32a、32b之頂部耦合，並藉由複數間隔部62a、62b而與移動導引環32a、32b相距一預設距離。間隔部62a、62b確保一空間，以讓傳輸臂50可將基板W傳輸至移動導引環32a、32b之頂部。

在一實施例中，為裝設夾持環60，複數夾持環裝設孔64a、64b係設置於移動導引環32a、32b內，並且通孔66a、66b係形成於夾持環60內，使得夾持環60可藉由螺栓或螺釘而裝設於移動導引環32a、32b。

此外，夾盤結構10可更包含一加壓環70，以輔助夾持環60之加壓作業。較佳者係加壓環70固設於移動導引環連接件30，因而能施加壓力給夾持環60、移動導引環32a、32b以及移動導引環連接件30。

請參照圖6至圖8，在一實施例中，加壓環固定凹部31a、31b係形成於移動導引環連接件30，並且固定凸部72a、72b係形成於加壓環70。加壓環70之內周緣係相等或較大於移動導引環連接件30之外周緣。當加壓環70固設於移動導引環連接件30之外周緣時，固定凸部72a、72b係卡合於加壓環固定凹部31a、31b。藉此，加壓環70可耦接於移動導引環連接件30之外周緣。另外，第一切面33a、33b係形成於移動導引環32a、32b，並與加壓環固定凹部31a、31b之凹面形狀相對應，並且第二切面74a、74b係形成於加壓環70之固定凸部72a、72b之內部。

圖9(a)至圖9(d)為圖6之半導體製程設備之夾盤結構載入基板的示意圖。

請參照圖9(a)，當移動導引環32a、32b藉由驅動針16a、16b之作動而向下移動時，設置於傳輸臂50之基板W係被轉移。其中，傳輸臂50之寬度係小於兩移動導引環32a、32b之間距，並且基板W之寬度係大於移動導引環32a、32b之間距。另外，夾持環60之間隔部62a、62b之間距係大於基板W之寬度。

請參照圖9(b)，夾持環60與移動導引環32a、32b藉由間隔部62a、62b而形成垂直方向的間距，並且傳輸臂50係在夾持環60與移動導引環32a、32b之間移動。當傳輸臂50位於移動導引環32a、32b之上時，傳輸臂50係向下移動。當傳輸臂50向下移動，傳輸臂50係穿設於移動導引環32a、32b之間，並且基板W座落於移動導引環32a、32b上。

請參照圖9(c)，在基板W座落於移動導引環32a、32b上之後，傳輸臂50係退去。

請參照圖9(d)，隨著驅動針16a、16b向下移動，移動導引環32a、32b亦向下移動，並且基板W係載入至夾盤14上。

上述係說明基板W載入至夾盤14的過程。而使基板W從夾盤14卸載之過程之次序係與載入過程相反。

依據本發明，由於夾盤內不需設置習知用以載入或卸載基板之頂針，因而能避免夾盤內溫度不均勻之現象。

此外，本發明係藉由一對移動導引環支撐基板，因而使得基板更穩定地被支撐。此外，本發明藉由在各移動導引環形成對位凹部，藉此在對位凹部自動對準基板之位置後，基板可座落於夾盤上。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．半導體製程設備

3．．．反應腔室

5．．．感應線圈

7．．．固定單元

10．．．夾盤結構

12．．．主體

14．．．夾盤

16a、16b．．．驅動針

20．．．固定導引環

22a、22b．．．移動導引環固定部

24a、24b．．．驅動針穿設孔

30．．．移動導引環連接件

31a、31b．．．加壓環固定凹部

32a、32b．．．移動導引環

33a、33b．．．第一切面

34．．．對位凹部

36．．．移動導引環裝設孔

38．．．通孔

40．．．氣壓驅動單元

42．．．驅動針連接件

44a、44b．．．保護風箱

46．．．加熱元件

48．．．絕緣環

50．．．傳輸臂

60．．．夾持環

62a、62b．．．間隔部

64a、64b．．．夾持環裝設孔

66a、66b．．．通孔

70．．．加壓環

72a、72b．．．固定凸部

74a、74b．．．第二切面

W．．．基板

圖1為本發明較佳實施例之一種半導體製程設備的示意圖；

圖2為本發明較佳實施例之一種夾盤結構的分解示意圖；

圖3為本發明較佳實施例之一種夾盤結構的組合示意圖；

圖4為本發明較佳實施例之一種夾盤結構的剖面示意圖；

圖5(a)至圖5(d)為本發明較佳實施例之半導體製程設備之夾盤結構載入基板的示意圖；

圖6為本發明另一較佳實施例之半導體製程設備之一夾盤結構的分解示意圖；

圖7為圖6所示之夾盤結構的組合示意圖；

圖8為圖6之夾盤結構的剖面示意圖；以及

圖9(a)至圖9(d)為圖6之半導體製程設備之夾盤結構載入基板的示意圖。

10．．．夾盤結構

12．．．主體

14．．．夾盤

16a．．．驅動針

20．．．固定導引環

22a、22b．．．移動導引環固定部

24a、24b．．．驅動針穿設孔

30．．．移動導引環連接件

32a、32b．．．移動導引環

34．．．對位凹部

36．．．移動導引環裝設孔

38．．．通孔

Claims (14)

1. 一種夾盤結構包含一夾盤以及一主體，該主體支撐該夾盤，包含：一固定導引環，固設於該夾盤之一外周緣，至少一移動導引環固定部形成於該固定導引環；至少一移動導引環，設置於該移動導引環固定部，並上下移動；以及一驅動針，驅動該移動導引環上下移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之夾盤結構，其中該固定導引環具有相對設置之二移動導引環固定部，該等移動導引環固定部位於該固定導引環之一上端之缺口。
3. 如申請專利範圍第1項所述之夾盤結構，其中該夾盤結構包含二移動導引環，其係藉由一移動導引環連接件而連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之夾盤結構，其中該移動導引環連接件之尺寸係讓該固定導引環通過。
5. 如申請專利範圍第1項所述之夾盤結構，其中該移動導引環包含一對位凹部以座落一基板。
6. 如申請專利範圍第5項所述之夾盤結構，其中該基板座落於該對位凹部，該對位凹部具有一由外向內之傾斜。
7. 如申請專利範圍第1項所述之夾盤結構，更包含：一氣壓驅動單元設置於該主體內，並驅動該驅動針上下移動。
8. 如申請專利範圍第3項所述之夾盤結構，其中一加壓環係耦接於該移動導引環連接件之一外周緣。
9. 如申請專利範圍第8項所述之夾盤結構，其中該移動導引環連接件包含一加壓環固定凹部，並且該加壓環包含一固定凸部對該加壓環固定凹部。
10. 如申請專利範圍第1項至第9項任一項所述之夾盤結構，其中一夾持環係設置於該移動導引環之上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之夾盤結構，其中該夾持環包含一間隔部，該間隔部耦接於該移動導引環之頂部。
12. 一種半導體製程設備，包含：一反應腔室；以及如申請專利範圍第1項至第9項任一項所述之一夾盤結構，該夾盤結構設置於該反應腔室內。
13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體製程設備，其中一夾持環係設置於該移動導引環之上。
14. 如申請專利範圍第12項所述之半導體製程設備，其中該夾盤結構係藉由一懸臂方式而支撐於該反應腔室內。