TWI449115B - A wafer bearing device and a semiconductor processing device having the same - Google Patents

A wafer bearing device and a semiconductor processing device having the same Download PDF

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Description

晶圓承載裝置及具有它的半導體處理設備
本發明涉及微電子技術領域，特別涉及一種晶圓承載裝置及具有它的半導體處理設備。
在半導體、發光二極體(LED)、微機電系統(MEMS)等加工領域一般採用電漿蝕刻設備，該蝕刻設備一般由製程模組和傳輸模組組成。製程模組包括製程腔室，蝕刻製程通常在製程腔室中進行，從而在晶圓上蝕刻出所需要的圖形；傳輸模組則負責將待加工的晶圓傳入製程腔室並將處理完的晶圓傳出製程腔室。對於LED領域使用的蝕刻設備，由於單個晶圓的直徑一般為2寸、4寸或者6寸，而製程腔室的尺寸通常要遠大於晶圓直徑，因此為了提高產能，LED蝕刻機往往用到托盤，具體地，將多個晶圓放到托盤上，然後將托盤傳入製程腔室，以對晶圓進行批量製程處理。
圖1A示出了用於支撐晶圓的習知托盤，圖1B示出了具有習知托盤的晶圓承載裝置。如圖1A和1B所示，在製程腔室100’內部設有靜電卡盤200’。機械手將托盤300’傳輸進入製程腔室100’，並將托盤300’放在靜電卡盤200’上，晶圓400’被設置在托盤300’的凹槽內。靜電卡盤200’的作用是將托盤300’固定，並對托盤300’進行溫度控制，托盤300’再對晶圓400’進行溫度調節。為了更好的溫度控制，靜電卡盤200’與托盤300’ 之間會充有氦(He)氣，具體地，He氣需填充在靜電卡盤200’與托盤300’接觸面的空隙處，以增大兩者的熱交換面積。
上述晶圓承載裝置中，儘管可以通過在靜電卡盤200’與托盤300’的接觸面的空隙處通入He氣來實現對托盤300’的溫度控制並進而實現對晶圓400’的溫度控制，但是由於其對晶圓400’的溫度控制是間接的，因而其溫度控制的效率及效果都有待進一步提高。事實上，倘若類似於前面所述的熱交換方式而在晶圓400’與托盤300’之間的接觸面處通入諸如He等的氣熱傳導氣體，則又會帶來新的問題：具體地，如果直接在托盤300’上的放置晶圓400’的位置打孔並通入He氣，則所打的孔需要具有一定的直徑，因為如果孔的直徑太小，則無法達到熱交換的目的；而如果孔的直徑較大，則通入He氣時會對晶圓400’產生向上的推力，由於晶圓400’離靜電卡盤200’的距離較大，靜電卡盤200’對晶圓400’的吸附力本身就不大，因此在抵消了He氣對晶圓400’向上的推力之後就會進一步減弱靜電卡盤200’對晶圓400’的吸附力，而靜電卡盤200’對晶圓400’的吸附力的降低會導致晶圓400’與托盤300’接觸不緊密，從而導致He氣洩漏，當He氣大量洩露到製程腔室中時，將會達不到良好的溫度調節和控制要求。
綜上所述，如何提供一種晶圓承載裝置，使其能夠對所承載的晶圓進行快速且有效的溫度控制，已成為所屬領 域通常知識者極待解決的一個技術問題。
本發明的目的係為了至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決無法快速有效地對晶圓進行溫度調節的缺陷。
為此，本發明的目的在於提供一種晶圓承載裝置，該晶圓承載裝置可以快速有效地對晶圓進行溫度控制，從而能夠更好地控制晶圓的溫度，提高晶圓的溫度均勻性，提升晶圓的處理效果。
本發明的另一目的在於提供一種具有上述晶圓承載裝置的半導體處理設備。
為達到上述目的，本發明提供一種晶圓承載裝置，其係包括：一卡盤、一托盤和一升降元件，所述卡盤係包括：一卡盤本體，所述卡盤本體內具有一中空腔，且所述卡盤本體的頂壁設有一第一通孔；和一移動部，所述移動部容納在所述中空腔內，所述移動部的上表面設有一與所述第一通孔對應的凸出部；所述托盤設在所述卡盤本體上，所述托盤設有一與所述第一通孔對應且用於容納一晶圓的第二通孔，其中所述第二通孔的上端的直徑大於所述晶圓的直徑且所述第二通孔的下端的直徑小於所述晶圓的直徑；所述升降元件與所述移動部相連，用於驅動所述移動部在所述中空腔內升降以使所述凸出部與所述晶圓接觸或脫離。
根據本發明所述的晶圓承載裝置，通過升降元件控制卡盤的移動部升降，從而使移動部上的凸出部可以與晶圓 接觸或脫離，當凸出部與晶圓接觸時可以實現移動部與晶圓之間的熱交換，從而實現卡盤對晶圓的直接溫度控制，進而能夠快速有效地對晶圓進行溫度調節，提高了晶圓的溫度均勻性，提高製程性能。當凸出部與晶圓脫離時，由於第二通孔的下端的直徑小於晶圓的直徑，且托盤的第二通孔的上端的直徑大於晶圓的直徑，因此晶圓可以支撐在托盤的第二通孔的上端處且距離第二通孔的下端具有預定距離，從而可以通過移動托盤以實現對晶圓的快速取放，提高處理效率。
較佳的，所述第二通孔為臺階狀，所述第二通孔包括第一孔段和位於所述第一孔段下面的第二孔段，其中所述第一孔段的直徑大於所述晶圓的直徑且所述第二孔段的直徑小於所述晶圓的直徑。
由此，當移動部下降而凸出部與晶圓脫離時，晶圓可以由第二通孔內的在所述第一孔段和第二孔段的連接處形成的臺階支撐。
較佳的，所述晶圓承載裝置還包括一用於對所述晶圓產生靜電吸附力的電極，所述電極的一端設在所述移動部內且所述電極的另一端延伸出所述移動部。
較佳的，所述電極包括一電極本體、一電極分支和一引出段，所述電極分支的一端與所述電極本體相連且所述電極分支的另一端延伸到所述凸出部內，所述引出段的一端與所述電極本體相連且所述引出段的另一端向下延伸出所述移動部。
由於電極分支的一端延伸到凸出部內，因此，可以增大晶圓承載裝置對晶圓的吸附力。
較佳的，所述移動部內設有一用於供給溫控氣體的第一氣體通道和一第一通氣孔，所述第一通氣孔的一端與所述第一氣體通道連通且所述第一通氣孔的另一端從所述凸出部的上表面露出。
由此，在對所述晶圓進行製程處理時，通過第一氣體通道和第一通氣孔供給的溫控氣體可以對所述晶圓進行溫度控制，以進一步提高晶圓的溫度均勻性。
較佳的，所述卡盤本體設有一用於供給溫控氣體的第二氣體通道和一第二通氣孔，所述第二通氣孔的一端與所述第二通道連通且所述第二通氣孔的另一端從所述卡盤本體與所述托盤接觸的表面露出。
由此，在對所述晶圓進行製程處理時，通過第二氣體通道和第二通氣孔供給的溫控氣體可以對所述托盤進行溫度控制。
較佳的，所述溫控氣體為He氣。
較佳的，所述第一通孔、第二通孔和所述凸出部三者的數量相同且均為多個，並且所述第一通孔、第二通孔和所述凸出部三者一一對應。
較佳的，所述升降元件可以為氣缸、液壓缸、電缸和螺桿傳動裝置中的一種。
本發明更提供一種半導體處理設備，其係包括：一晶圓承載裝置，所述晶圓承載裝置可以為前述的晶圓承載裝 置。
較佳的，所述半導體處理設備為LED(發光二極體)或MEMS(微機電系統)蝕刻機。
較佳的，所述LED或MEMS蝕刻機為感應耦合電漿蝕刻機(inductively coupled plasma etcher)。
本發明附加的特徵和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐而瞭解。
下面詳細描述本發明的實施例，所述之實施例的示例在圖式中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考圖2與圖3描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於圖式所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的 規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介而間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域之通常知識者而言，可以依據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”、“複數”的含義是兩個或兩個以上。
以下配合圖2和圖3描述本發明之晶圓承載裝置200的一較佳實施例。本發明之晶圓承載裝置200係包括一卡盤210、一托盤220和一升降元件230。
如圖2和圖3所示，本發明之一較佳實施例的卡盤210係包括一卡盤本體211和一移動部212。具體地，卡盤本體211內具有一中空腔213，卡盤本體211的頂壁設有多個第一通孔2111。移動部212容納在卡盤本體211的中空腔213中，且移動部212的上表面設有多個凸出部2121。凸出部2121與第一通孔2111對應，具體地，二者數量相同、位置相對應且尺寸相匹配，以便凸出部2121可以沿上下方向移動而向上或向下穿過第一通孔2111。
托盤220設在卡盤210上，如圖2和圖3所示，更具體而言，托盤220設在卡盤210的卡盤本體211的頂面上。托盤220設有多個與第一通孔2111對應且用於容納晶圓240的第二通孔2201，並且第一通孔2111與第二通孔2201的數量相同、位置相對應，且第二通孔2201的直徑大於凸 出部2121的直徑，以便允許凸出部2121在第二通孔2201內上下運動。第二通孔2201的上端的直徑大於晶圓240的直徑，而第二通孔2201的下端的直徑小於晶圓240的直徑，由此晶圓240可以容納(或部分容納)在托盤220的第二通孔2201內且晶圓240的下表面距離托盤220的下表面預定距離。在本實施例中，第二通孔2201為臺階狀，即，第二通孔2201包括第一孔段2202和位於第一孔段2202下面的第二孔段2203，第一孔段2202的直徑大於晶圓240的直徑，第二孔段2203的直徑小於晶圓240的直徑，因此在第一孔段2202和第二孔段2203的連接處形成臺階。由此，保證晶圓240能夠至少部分地容納和支撐在托盤220的第一孔段2202內；較佳的，晶圓240厚度大於第一孔段2202的深度，即，使晶圓240的上表面凸出托盤220的上表面。
升降元件230與移動部212相連，用於驅動移動部212在中空腔213內升降，以使凸出部2121與晶圓240接觸或脫離。
具體地，如圖2所示，升降元件230驅動移動部212下降，凸出部2121向下運動並使其上表面與晶圓240脫離，直至凸出部2121的上表面與卡盤本體211的上表面平齊。由此，可以方便地傳輸托盤220，進而連帶傳輸其所承載的晶圓240，從而提高了處理效率。
如圖3所示，升降元件230驅動移動部212上升，凸出部2121在第一通孔2111和第二通孔2201內向上運動， 使凸出部2121的上表面向上而凸出卡盤本體211的上表面並與晶圓240接觸。
上面雖然描述了第一孔段2202和第二孔段2203的直徑與晶圓240的直徑的關係，可以理解的是，第一孔段2202和第二孔段2203並不限於圓形孔，例如也可以為方形孔，只要晶圓240可以支撐和容納在第一孔段2202內而不下落到第二孔段2203內即可。
同理，第一通孔2111和凸出部2121的橫截面形狀也不限於圓形，在本發明的描述中，除非特別說明，以第一通孔2111和第二通孔2201以及凸出部2121均為圓形為例進行描述。
較佳的，第一通孔2111和第二通孔2201以及凸出部2121均為多個且一一對應，從而可以同時處理多個晶圓240。
升降元件230的位置沒有特別限制，在本發明的具體實施例中，升降元件230位於卡盤210下方且與移動部212相連。升降元件230的形式也沒有特別限制，例如升降元件230可以為氣缸、液壓缸、電缸或螺桿傳動裝置。
在對晶圓240進行製程處理時，升降元件230推升移動部212上升，以使移動部212的凸出部2121穿過第一通孔2111和第二通孔2201的一部分而與晶圓240接觸且可以將晶圓240頂起脫離托盤220。如圖3所示，此時，移動部212的凸出部2121與晶圓240直接接觸，實現了移動部212與晶圓240之間的直接熱交換，從而實現卡盤210 對晶圓240的直接溫度控制，進而能夠快速有效地對晶圓240進行溫度調節，提高了晶圓240的溫度均勻性，提高了製程效果。
當晶圓240處理完畢後，升降元件230使移動部212下降以使移動部212的凸出部2121與晶圓240脫離，晶圓240的至少一部分容納和支撐在第二通孔2201內，由此可以通過傳輸托盤220而將處理完畢的晶圓240傳輸出製程腔室，實現了晶圓240的快速取放，提高了處理效率。
如圖2和圖3所述，根據本發明實施例的晶圓承載裝置200還包括一用於對晶圓240產生靜電吸附力的電極250，電極250的一端設在移動部212內；電極250的另一端延伸出移動部212，例如與一電源(未示出)相連。
電極250在被通電時對晶圓240產生靜電吸附力，使移動部212的凸出部2121與晶圓240之間的接觸更加穩固，防止晶圓240脫落及溫控氣體(下面將會描述)洩露至製程腔室，從而提高了氣體利用率，提高了晶圓240的溫度均勻性，使晶圓240的冷卻效果更好。
較佳的，電極250包括一電極本體2502、一電極分支2501和一引出段2503。電極分支2501的一端與電極本體2502相連且電極分支2501的另一端延伸到凸出部2121內。引出段2503的一端與電極本體2502相連，引出段2503的另一端向下延伸出移動部212而可以與電源等相連。
通過使電極250的電極分支2501引入到凸出部2121內，凸出部2121與晶圓240接觸時可以更好地吸附晶圓 240。當凸出部2121以及電極分支2501為多個時，通過每個凸出部2121內的電極分支2501吸附晶圓240，提高了吸附力。
請配合圖3所示，在本發明的一些較佳實施例中，在移動部212內設有一用於供給溫控氣體的第一氣體通道(未示出)和一第一通氣孔(未示出)。第一通氣孔的一端與第一氣體通道連通，第一通氣孔的另一端延伸到凸出部2121的上表面(即，凸出部2121上的能夠與晶圓240相接觸的表面)，即第一通氣孔的另一端從凸出部2121與晶圓240接觸的表面露出。第一氣體通道可以與氣源(未示出)相連。
在對晶圓240進行製程處理時通過由第一氣體通道和第一通氣孔傳輸的溫控氣體對晶圓240進行溫度控制。通過在凸出部2121與晶圓240接觸的表面處通入溫控氣體，可以有效地對晶圓240進行冷卻。另外，溫控氣體通常為惰性氣體，其可以達到對晶圓240快速冷卻的目的。較佳的，溫控氣體例如為氦氣(He)。
根據本發明實施例的晶圓承載裝置200，當升降元件230驅動卡盤210的移動部212垂直向上移動預定距離並到達圖3所示的位置時，移動部212的凸出部2121與晶圓240接觸，卡盤210的移動部212與晶圓240之間發生熱交換，從而藉由卡盤210的移動部212與晶圓240之間的接觸而實現對晶圓240的直接溫度控制，以便能夠快速有效地對晶圓240進行冷卻，使晶圓240的溫度更加均勻， 從而提高了製程性能。並且通過在卡盤210的移動部212與晶圓240的接觸面的間隙內通入氦氣，可以進一步提高對晶圓240的冷卻效果，而且通過對電極250通電，可以增加移動部212的凸出部2121與晶圓240之間的吸附力，這不僅可以防止氦氣洩漏到製程腔室內，而且也可以對晶圓240進行有效的冷卻。
根據本發明實施例的晶圓承載裝置200，當升降元件230驅動卡盤210的移動部212垂直向下移動預定距離並到達圖2所示的位置時，晶圓240脫離移動部212的凸出部2121，由於托盤220的第二通孔2201的下端口直徑小於晶圓240的直徑，且托盤220的第二通孔2201的上端口直徑大於晶圓240的直徑，因而晶圓240將被支撐在托盤220的第二通孔2201的上端口處，進而通過移動托盤220實現對晶圓240的快速取放，從而提高了晶圓承載裝置200的效率。
另外，較佳的，如圖3所示，卡盤本體211還可以設有一用於供給溫控氣體的第二氣體通道(未示出)和一第二通氣孔(未示出)，第二通氣孔的一端與第二氣體通道連通且第二通氣孔的另一端從卡盤本體211的與所述托盤220相接觸的表面露出，從而在卡盤本體211與托盤220之間的縫隙內通入溫控氣體，以對托盤220進行溫度控制，第二氣體通道與氣源(未示出)相連。如上所述，溫控氣體例如也可以為氦氣(He)。由於托盤220與晶圓240接觸，因此通過對托盤220進行溫控，可以間接地實現對晶 圓240的溫度調節，從而降低了晶圓240的冷卻時間，提高了處理效率。
根據本發明實施例的晶圓承載裝置，通過卡盤的移動部對晶圓進行直接溫度控制，可以提高晶圓的溫度均勻性，快速達到對晶圓的冷卻目的，提升了晶圓的製程效果。至於晶圓的形狀，可以不必局限於圖1A所示的形狀，而是可以根據實際情況為任意能夠獲得的形狀。
本發明的實施例還提供了一種半導體處理設備，其包括一晶圓承載裝置，所述晶圓承載裝置可以為根據本發明上述任一實施例描述的晶圓承載裝置。根據本發明實施例的半導體處理設備可以為蝕刻設備或外延設備等。可以理解的是，根據本發明實施例的半導體處理設備的其他結構和操作對於本領域的技術人員而言都是已知的，這裡不再詳細描述。
在本發明的一個實施例中，半導體處理設備例如可以為LED或MEMS蝕刻機，具體地，該LED或MEMS蝕刻機可為電感耦合電漿蝕刻機。
根據本發明實施例的半導體處理設備具有上述晶圓承載裝置帶來的優點和有益效果，這裡不再詳細描述。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的 是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的通常知識者而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同限定。
100’‧‧‧製程腔室
200’‧‧‧靜電卡盤
300’‧‧‧托盤
400’‧‧‧晶圓
200‧‧‧晶圓承載裝置
210‧‧‧卡盤
211‧‧‧卡盤本體
212‧‧‧移動部
213‧‧‧中空腔
220‧‧‧托盤
230‧‧‧升降元件
240‧‧‧晶圓
250‧‧‧電極
2111‧‧‧第一通孔
2121‧‧‧凸出部
2201‧‧‧第二通孔
2202‧‧‧第一孔段
2203‧‧‧第二孔段
2501‧‧‧電極分支
2502‧‧‧電極本體
2503‧‧‧引出段
圖1A為承載晶圓的習知托盤的示意圖；圖1B為具有圖1A所示習知托盤的習知晶圓承載裝置的剖面圖；圖2為本發明之晶圓承載裝置一較佳實施例的示意圖，其中示出升降元件驅動移動部的凸出部下降並使該凸出部與晶圓脫離；和圖3為本發明之晶圓承載裝置一較佳實施例的示意圖，其中示出升降元件驅動移動部的凸出部上升並使該凸出部與晶圓接觸。
200‧‧‧晶圓承載裝置
210‧‧‧卡盤
211‧‧‧卡盤本體
212‧‧‧移動部
213‧‧‧中空腔
220‧‧‧托盤
230‧‧‧升降元件
240‧‧‧晶圓
250‧‧‧電極
2111‧‧‧第一通孔
2121‧‧‧凸出部
2201‧‧‧第二通孔
2202‧‧‧第一孔段
2203‧‧‧第二孔段
2501‧‧‧電極分支
2502‧‧‧電極本體
2503‧‧‧引出段

Claims (12)

  1. 一種晶圓承載裝置，其係包括：一卡盤，所述卡盤係包括：一卡盤本體，所述卡盤本體內具有一中空腔，且所述卡盤本體的頂壁設有一第一通孔；和一移動部，所述移動部容納在所述中空腔內，所述移動部的上表面設有一與所述第一通孔對應的凸出部；一托盤，所述托盤設在所述卡盤本體上，所述托盤設有一與所述第一通孔對應且用於容納一晶圓的第二通孔，其中所述第二通孔的上端的直徑大於所述晶圓的直徑且所述第二通孔的下端的直徑小於所述晶圓的直徑；及一升降元件，所述升降元件與所述移動部相連，用於驅動所述移動部在所述中空腔內升降以使所述凸出部與所述晶圓接觸或脫離。
  2. 如請求項1所述之晶圓承載裝置，其中所述第二通孔為臺階狀，所述第二通孔包括一第一孔段和一位於所述第一孔段下面的第二孔段，其中所述第一孔段的直徑大於所述晶圓的直徑且所述第二孔段的直徑小於所述晶圓的直徑。
  3. 如請求項1所述之晶圓承載裝置，其更包括一用於對所述晶圓產生靜電吸附力的電極，所述電極的一端設在所述移動部內且所述電極的另一端延伸出所述移動部。
  4. 如請求項3所述之晶圓承載裝置，其中所述電極包括一電極本體、一電極分支和一引出段，所述電極分支的一端與所述電極本體相連且所述電極分支的另一端延伸到所述 凸出部內，所述引出段的一端與所述電極本體相連且所述引出段的另一端向下延伸出所述移動部。
  5. 如請求項1所述之晶圓承載裝置，其中所述移動部內設有一用於供給溫控氣體的第一氣體通道和一第一通氣孔，所述第一通氣孔的一端與所述第一氣體通道連通且所述第一通氣孔的另一端從所述凸出部的上表面露出。
  6. 如請求項1所述之晶圓承載裝置，其中所述卡盤本體設有一用於供給溫控氣體的第二氣體通道和一第二通氣孔，所述第二通氣孔的一端與所述第二通道連通且所述第二通氣孔的另一端從所述卡盤本體與所述托盤接觸的表面露出。
  7. 如請求項5或6所述之晶圓承載裝置，其中所述溫控氣體為氦(He)氣。
  8. 如請求項1至6項中任一項所述之晶圓承載裝置，其中所述第一通孔、第二通孔和所述凸出部三者的數量相同且均為多個，並且所述第一通孔、第二通孔和所述凸出部三者一一對應。
  9. 如請求項1所述之晶圓承載裝置，其中所述升降元件為氣缸、液壓缸、電缸和螺桿傳動裝置中的一種。
  10. 一種半導體處理設備，其係包括：一晶圓承載裝置，所述晶圓承載裝置為如請求項1至9項中任一項所述之晶圓承載裝置。
  11. 如請求項10所述之半導體處理設備，其中所述半導體處理設備為發光二極體(LED)或微機電系統(MEMS)蝕刻 機。
  12. 如請求項11所述之半導體處理設備，其中所述LED或MEMS蝕刻機為電感耦合電漿蝕刻機。
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