TWI473537B - 真空密封射頻及低頻導通致動器 - Google Patents

Description

真空密封射頻及低頻導通致動器

本發明係概括地有關用於半導體加工之設備。更具體而言，本發明係有關於可於真空環境中操作且為射頻(radio frequency，RF)或低頻能量電導通之致動器機構。

半導體裝置之外型自數十年前首度引進以來已顯著地縮減尺寸。由當時開始，積體電路已普遍地遵循摩爾定律(Moore’s Law)。摩爾定律認為未來安裝於積體電路上之電子元件的數目每兩年增加一倍。現今之晶圓製造設備慣常地在300mm晶圓上製造65nm及45nm特徵尺寸的裝置。吾人已規劃在450mm晶圓上結合甚至還更小的設計法則之製造設備。

當裝置之特徵尺寸變得更小且積體密度增加時，先前未被半導體工業認為重要的問題成為更大的顧慮。舉例而言，製程工具必須更加有能力處理具有極小特徵部設計及製造於其上的大晶圓尺寸。此外，製程工具必須在包含高度腐蝕性氣體且經常在電漿中作業之高真空環境中適當地運作。在具有漸增的高要求計量數值如平均故障時間(mean-time-to -failure，MTTF)、平均清潔時間(mean-time-to-clean，MTTC)以及平均修理時間(mean-time-to-repair，MTTR)之工具中，亦必須符合這些具挑戰性的問題。

製造現代半導體裝置的主要步驟之一為在半導體基材上形成各種層，包含介電層及金屬層。如同已熟知者，這些疊層可由化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)或物理氣相沉積法(physical vapor deposition，PVD)沉積而成。在習知的熱CVD程序中，係將反應性氣體供給至發生熱致化學反應(勻相或非勻相)之基材表面，以製成所需的薄膜。在電漿增強CVD(plasma-enhanced CVD，PECVD)程序中，形成受控制的電漿，以分解及/或激發反應性物種而製成所需的薄膜。

一般而言，熱或電漿程序中的反應速率可由以下一個或更多者控制：溫度、壓力、電漿密度、反應物氣體流速、功率頻率、功率位準、腔室物理幾何形狀及其他。在示範性的PVD系統中，係將靶材(待沉積材料之平板)連接至負電壓供應(直流(DC)或射頻(RF))，而將面對靶材之基材支架接地、浮動、偏壓、加熱、或冷卻或其某種組合。將氣體(如氬氣)導入一般使壓力維持在數毫托(mtorr)與約100mtorr之間的PVD系統中，以提供可使輝光放電開始並維持的媒介。當輝光放電開始時，正離子衝擊靶材，且靶材原子藉動量傳遞而去除。這些靶材原子隨後聚集至基材上的薄膜內，該基材係於基材支架上。於是，射頻能量(如400KHz、2MHz及13.56MHz等等)至真空環境中之不同導電表面(例如靜電夾盤及電漿圍阻襯套)的耦接非常重要。

此外，矽蝕刻應用方法係極端關鍵，因為該應用方法可用於形成例如電晶體閘極，其結果決定所完成裝置之效能。因此，閘極蝕刻帶有對隔離及密集區域中之臨界尺寸(CD)均一性、不良率及微負載之嚴苛加工需求。此外，就地(in-situ)加工能力及應用方法，如淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)及間隔件形成，需要大型製程視窗。就地加工使如STI蝕刻之先進應用方法得以進行，且提高當背面抗反射塗層(backside antireflective coating，BARC)、遮罩開啟以及主要蝕刻在相同腔室中進行時的閘極蝕刻效率。就地加工增加良率、需要較少的加工步驟、減少晶圓移動、以及降低運送附加費用。

製造這些高積體裝置需要日益嚴苛的條件，且習知的加工工具及用於工具內與伴隨工具一同使用之附加組件無法適當地滿足這些條件。此外，隨著裝置設計進化，製程工具需要更先進的能力以實現這些裝置。舉例而言，形成各種製程工具的組件及機構在日益惡劣的作業環境中必須更加耐用。

在示範性的實施例中，本發明為一種高頻線性致動器，該致動器包含具有第一部及第二部的致動器本體。第一及第二部各沿致動器本體之縱軸設置。將真空伸縮囊同中心地定位於致動器本體之第一部內，並用以密封連通於該真空伸縮囊內之真空環境，而隔開該致動器本體之第二部。將線性運動軸同中心地大體上定位於致動器本體內並用以沿致動器本體之縱軸朝線性方向移動。將線性運動軸之導電部同中心地大體上定位於真空伸縮囊內並與真空伸縮囊電絕緣。將線性運動軸之導電部用以接收及傳導高頻信號。將線性運動軸之上升力產生部同中心地大體上定位於致動器本體之第二部內。電接觸墊係與線性運動軸之導電部作電交流且用以在啟動線性運動軸之時電耦接至另一表面。

在另一示範性實施例中，本發明為一種高頻線性致動器，該致動器包含具有第一部及第二部的致動器本體。第一及第二部各沿致動器本體之縱軸設置。將真空伸縮囊同中心地定位於致動器本體之第一部內，並用以密封連通於真空伸縮囊內之真空環境，而隔開致動器本體之第二部。將線性運動軸同中心地大體上定位於致動器本體內並配置用於以線性方向沿致動器本體之縱軸移動。將線性運動軸之導電部同中心地大體上定位於真空伸縮囊內並與真空伸縮囊電絕緣。將線性運動軸之導電部用以接收及傳導高頻信號。將線性運動軸之上升力產生部同中心地大體上定位於致動器本體之第二部內。射頻連接桿電耦接至線性運動軸之導電部，該射頻連接桿被用以與外部射頻能量源電耦接。電接觸墊係與線性運動軸之導電部作電交流，且用以在啟動線性運動軸之時電耦接至另一表面。

在另一示範性實施例中，本發明為一種高頻線性致動器，該致動器包含具有第一部及第二部的致動器本體。第一及第二部各沿致動器本體之縱軸設置。將真空伸縮囊同中心地定位於致動器本體之第一部內，並用以密封連通於該真空伸縮囊內之真空環境，而隔開該致動器本體之第二部。將線性運動軸同中心地大體上定位於致動器本體內並用以沿致動器本體之縱軸朝線性方向移動。將線性運動軸之導電部同中心地大體上定位於真空伸縮囊內並與真空伸縮囊電絕緣。將線性運動軸之導電部用以接收及傳導高頻信號。將線性運動軸之上升力產生部同中心地大體上定位於致動器本體之第二部內。電接觸墊係與線性運動軸之導電部作電交流，且用以在啟動線性運動軸之時電耦接至另一表面。將固定電接點用以電耦接至電接觸墊且依據線性運動軸之位置對其提供射頻能量。將固定電接點用以電耦接至外部射頻能量源。

本發明涵蓋不同的高頻電能導通線性致動器之設計。線性致動器能在真空與大氣之間密封，同時提供在致動器軸的一端與位於沿致動器軸之數點的接地點之間的低阻抗導電路徑。致動器係特別設計用於經由在動作範圍內，舉例而言，0至2.5英吋之間的線性運動軸為高頻能量提供低阻抗路徑。

參照圖1A，本發明之高頻電能導通線性致動器的示範性實施例之前視圖100包含致動器本體101、複數個運動感測器103、複數個氣動接頭105、以及真空伸縮囊107。此外，線性致動器更進一步包含射頻連接桿109及上電接觸墊111。

致動器本體101可由不同材料如鋁(如T6061)、不鏽鋼(如316L)、或各種其他材料所形成。此外，致動器本體101可由非導電材料如氧化鋁(Al₂ O₃ )或聚甲醛(Delrin)，或各種其他能成形或加工為具有足夠公差以確保於以下說明之內部致動器軸的適當啟動之材料所形成。依據選定之運作環境，致動器本體101亦可由各種此技藝中已知之非腐蝕性材料所形成。

複數個運動感測器103可為光學感測器、霍爾效應(Hall effect)感測器、或各種不同類型為熟悉本技藝之一者所知之感測器。複數個運動感測器可經由接近複數個運動感測器其中之一的射頻連接桿而決定線性致動器的位置。

複數個氣動接頭105易於由各供應商如Swagelok(Solon，OH，USA)、Eaton/Aeroquip(Maumee，OH，USA)、Parker Hannifin(Cleveland,OH)、或各種其他製造商得到。複數個氣動接頭105包含快速耦接連接器及半永久連接器二者。依據特定用途，可選擇複數個適用於超潔淨環境(例如等級10(Class 10)以上之半導體製造設備)之氣動接頭105。在其他用途中，複數個氣動接頭105可以液壓接頭或其他設置用於容許於以下說明之致動器軸在致動器本體101內移動的連接器類型來代替。

真空伸縮囊107係位於致動器本體101之第一部108中，且可由各種材料包含金屬如AISI 316L、AM350、Inconel®、或其他為熟悉本技藝者之一已知的抗腐蝕伸縮囊材料而建構。在某些用途中，真空伸縮囊107可能需要耐受超高真空環境，且因此可選擇建構真空伸縮囊用之材料。

參照圖1B，高頻電能導通線性致動器之上視圖120提供射頻連接桿109關於線性致動器之示範性實施例的其他組件之相對概觀。射頻連接桿109提供電接點，經由該電接點可連接射頻能量導管或捆紮帶(strapping)(未顯示)。射頻連接桿109可由任何能易於傳導高頻能量的材料製成。對熟悉本技藝者顯而易見的，除了射頻之外的頻率電能亦可輕易經由射頻連接桿109而傳導。

上電接觸墊111在以下討論之致動器軸的最高部分提供電接點。上電接觸墊111可由各種導電材料如鎳、銠、銥或類似高度抗腐蝕及導電材料建構作為抗腐蝕墊。可將上電接觸墊111設置成自射頻連接桿109電耦接射頻能量至不同接點。

舉例而言，在具體的示範性實施例中，形成上電接觸墊111，以傳導射頻電能至襯套，該襯套係針對電漿圍阻及電對稱性、幾何對稱及電對稱性、具有電對稱性之高氣體導電性、具有電對稱性之腔室壁防護、或以上各項之任何組合所設計。電漿圍阻系統常為各種半導體製造工具類型(如電漿加強化學氣相沉積(PECVD)系統、電漿蝕刻、或其他於半導體技藝中已知之工具)的組件。由高度抗腐蝕材料形成上電接觸墊111，容許致動器之電接點在無來自例如O型環或其他隔絕材料(未顯示)之裝置的保護下存留於高度腐蝕性化學物中，該高度腐蝕性化學物存在於例如蝕刻反應器室內。

圖1C及1D分別顯示本發明之高頻電能導通線性致動器的側視圖140及等角視圖160。圖1A至1D的組合容許熟悉本技藝者 伴隨各組件之相對互動及配置，輕易想見於此說明之示範性實施例的各組件。

現參照圖2，顯示為了清晰表示而將特定組件剖開的移動式接地搭板(strap)配置200之示範性實施例。具體而言，高頻電能導通線性致動器之致動器部201包含可動式致動器軸203(可將之稱為線性運動軸)。將可動式致動器軸203之下段靠在致動器本體101之下方(或第二)部204的內表面緊密安裝，該致動器本體101之下方部204容許例如經由複數個氣動接頭105耦接之加壓氣體在一範圍之線性移動中壓迫可動式致動器軸203。可動式致動器軸203之下段可用O型環靠著致動器本體內壁緊密安裝。

在具體的示範性實施例中，可動式致動器軸203由陽極化鋁所組成。陽極化鋁提供低電阻電力路徑(因鋁之導電本質)以及因可動式致動器軸203的陽極處理表面所致之高抗腐蝕性。陽極處理本身可為第三類(type Ⅲ)硬陽極處理、混合酸陽極處理、乙二酸陽極處理、或一些其他強韌、高度抗腐蝕之陽極處理塗層。可動式致動器軸203經由電絕緣凸緣205與真空伸縮囊107接合。電絕緣凸緣205可由不同的介電材料(如陶瓷或塑膠)形成，且可被黏著或以某種方式附著(例如以O型環拴住或緊密壓配)至可動式致動器軸203，從而提供真空密封。電絕緣凸緣205確保射頻能量僅經由致動器軸行進且不經由真空伸縮囊107，於是確保受控制的、非常一致的電力路徑。

在另一具體的示範性實施例中，一旦射頻能量經由電絕緣凸緣205發送時(即一旦經由真空屏障時)，電力路徑可經由接面支架(未顯示但輕易想見)而自可動式致動器軸203分開，該接面支架具有導電撓性搭板所使用之安裝連接點。然後導電撓性搭板可被引導傳送至所需之接地點，但仍容許可動式致動器軸203在所設計的線性方向上移動。在搭板連接點下方為可動式致動器軸203之上升力產生部206。在連接點上方，為了縮小整體的電力阻抗，可動式致動器軸203之表面無複雜外觀或繁複的電力路徑。然而，在連接點下方，可自由地結合不同的材料(導電性或非導電性)，且 以會產生導通射頻能量用之高阻抗路徑的方式變換形狀。

在如以上所述之使用不同材料之具體示範性實施例中，可動式致動器軸203可由兩部分所形成-包含於致動器部201內之非導電性下段；以及包含於真空伸縮囊107內且直接與射頻連接桿109及上電接觸墊111等二者電傳輸之導電部208(其範例係顯示於圖4)。藉由容許下段在某些應用中以非導電材料建構，可實現較低的製造成本。此外，射頻能量可更容易地傳導及容納於更直接通往上電接觸墊111的路徑內。

參照圖3，高頻電能導通線性致動器的另一示範性實施例顯示固定式接地搭板配置300。在固定式接地搭板配置300中，射頻能量之電接點僅當線性致動器在運作位置時(即其中可動式致動器軸203依據裝置的特定用途而縮回或伸出)耦接至導電表面。在固定式接地搭板配置300中，不需要搭板且電接觸係經由可動式致動器軸203透過固定接觸墊303而建立，該固定接觸墊303然後經由固定接點而貼附至射頻接地平面。將固定接觸墊303藉由電本體絕緣器301而與致動器本體101隔離，使得射頻電流路徑無法行經除了由規劃之組接地路徑所界定之元件以外的任何元件。由於對線性致動器的電連接係經由固定接觸墊303而作成，所以不需要射頻連接桿109(圖2)。反之，軸高指示器305容許複數個運動感測器103決定線性致動器之位置。

現參照圖4，剖切部400顯示具體實施例中之接地路徑絕緣的示範性細節。剖切部400包含射頻接地軸405、在射頻接地軸405上之真空密封墊401、以及在射頻接地軸405及其他線性致動器組件之間提供電絕緣的陶瓷絕緣體403。這些組件之每一者係易於為熟悉本技藝之一者了解。

在圖5之示範性實施例中，可將在以上不同實施例中所說明之高頻電能導通線性致動器另外用於供給低頻功率至不同裝置，包含例如加熱器及半導體設備的其他部分。在本文中，低頻可包含60Hz、直流、以及各種其他典型低頻範圍。

在具體的示範性實施例中，可將功率供給至加熱器，以在由 各種於此說明之致動器實施例所接地之零件上執行溫度控制。交流(AC)(或直流)功率饋送501可經由致動器桿503之中心同軸傳送，該致動器桿503藉由使用真空及與處理氣體相容之材料(如鋁或石英)而隔離真空。此外，經由交流功率饋送501加以引導之交流饋送路徑會與射頻饋送路徑及系統之一般性接地電絕緣，以避免射頻電力或交流電力之直接電短路。致動器桿503亦可作為射頻功率饋送或回程路徑。

在之前的詳述中，已將本發明參照其具體實施例說明。然而，對熟悉本技藝者顯而易見地，在不悖離如申請專利範圍所提出之本發明更廣泛的精神與範疇之狀況下，可對其作成不同的變更及改變。舉例而言，所述之不同的實施例利用特定組件及材料達到用於，舉例而言，無塵室環境內之半導體製造工具的特定設計。然而，熟悉本技藝者將察覺在其他環境中之用途可不需特定材料如高度抗腐蝕接觸墊。其他用途，如非位於無塵室環境內而位於維修槽內之致動器，可不需使用超高純度接線及連接器。更進一步而言，所顯示及說明之組件的大小及尺寸可被變更。這些用途及材料之每一者係可為熟悉本技藝者辨識。

此外，許多與半導體產業相關之產業可利用本發明之真空密封導通線性致動器。舉例而言，資料儲存產業中之薄膜頭(thin-film head，TFH)製程或平面顯示器產業中之主動矩陣液晶顯示器(active matrix liquid crystal display，AMLCD)可輕易利用於此說明並適合該些工業中特有的製程及工具之本發明。專有名詞『半導體』應視為包含前述及相關產業。這些及各種其他實施例均於本發明之範疇內。因此，說明及圖式將以說明性觀點而非限制性觀點視之。

100‧‧‧前視圖

101‧‧‧致動器本體

103‧‧‧運動感測器

105‧‧‧氣動接頭

107‧‧‧真空伸縮囊

108‧‧‧第一部

109‧‧‧射頻連接桿

111‧‧‧上電接觸墊

120‧‧‧上視圖

140‧‧‧側視圖

160‧‧‧等角視圖

200‧‧‧移動式接地搭板配置

201‧‧‧致動器部

203‧‧‧可動式致動器軸

204‧‧‧下方部(第二部)

205‧‧‧電絕緣凸緣

206‧‧‧上升力產生部

208‧‧‧導電部

300‧‧‧固定接地搭板配置

301‧‧‧電本體絕緣器

303‧‧‧固定接觸墊

305‧‧‧軸高指示器

400‧‧‧剖切部

401‧‧‧真空密封墊

403‧‧‧陶瓷絕緣體

405‧‧‧射頻接地軸

501‧‧‧功率饋送

503‧‧‧致動器桿

圖1A為本發明之高頻電能導通線性致動器的示範性實施例之前視圖；圖1B為圖1A中本發明之示範性高頻電能導通線性致動器的上視圖；圖1C為圖1A中本發明之示範性高頻電能導通線性致動器的 側視圖；圖1D為圖1A中本發明之示範性高頻電能導通線性致動器的等角視圖；圖2為剖切等角視圖，指示圖1A至1D中示範性高頻電能導通線性致動器之移動接地搭板配置的細節；圖3為剖切等角視圖，指示高頻電能導通線性致動器的另一示範性實施例中之移動接地搭板配置的細節；圖4為剖切等角視圖，指示高頻電能導通線性致動器的示範性接地路徑細節；圖5為示範性低頻電能導通線性致動器之等角視圖。

101‧‧‧致動器本體

103‧‧‧運動感測器

105‧‧‧氣動接頭

107‧‧‧真空伸縮囊

109‧‧‧射頻連接桿

111‧‧‧上電接觸墊

200‧‧‧移動式接地搭板配置

201‧‧‧致動器部

203‧‧‧可動式致動器軸

205‧‧‧電絕緣凸緣

206‧‧‧上升力產生部

Claims (25)

1. 一種線性致動器，包含：一致動器本體，具有一第一部及一第二部，各沿該致動器本體之一縱軸而設置；一真空伸縮囊，同中心地位於該致動器本體之該第一部內，該真空伸縮囊用以密封一連通於該真空伸縮囊內之真空環境，而隔開該致動器本體之該第二部；一線性運動軸，同中心地大體上位於該致動器本體內，且用以沿該致動器本體之該縱軸朝一線性方向移動，該線性運動軸之一導電部用以接收及傳送一信號，該導電部同中心地大體上位於該真空伸縮囊內且與該真空伸縮囊電絕緣，該線性運動軸之一上升力產生部同中心地大體上位於該致動器本體之該第二部內；以及一電接觸墊，與該線性運動軸之該導電部作電交流，且用以在啟動該線性運動軸之時電耦接至另一表面。
2. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，其中該線性運動軸係由具有一低電阻抗之一材料所形成。
3. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，更包含一射頻連接桿，其電耦接至該線性運動軸之該導電部，並用以對其提供射頻能量。
4. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，更包含一固定接觸墊，該固定接觸墊用以與該電接觸墊電耦接，並依據該線性運動軸之一位置而對其提供射頻能量。
5. 如申請專利範圍第4項之線性致動器，其中射頻能量係僅於該線性運動軸處於伸展位置時，由該固定接觸墊電耦接至該電接觸墊。
6. 如申請專利範圍第4項之線性致動器，其中射頻能量係僅於該線性運動軸處於縮回位置時，由該固定接觸墊電耦接至該電接觸墊。
7. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，更包含運動感測器，該運動感測器用以指示該線性運動軸之一位置。
8. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係與該上升力產生部電絕緣。
9. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係與該上升力產生部電耦接。
10. 如申請專利範圍第1項之線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係由具有一低電阻抗之一材料所形成。
11. 一種高頻線性致動器，包含：一致動器本體，具有一第一部及一第二部，各沿該致動器本體之一縱軸而設置；一真空伸縮囊，同中心地位於該致動器本體之該第一部內，該真空伸縮囊用以密封一連通於該真空伸縮囊內之真空環境，而隔開該致動器本體之該第二部；一線性運動軸，同中心地大體上位於該致動器本體內，且用以沿該致動器本體之該縱軸朝一線性方向移動，該線性運動軸之一導電部用以接收及傳送一高頻信號，該導電部同中心地大體上位於該真空伸縮囊內且與該真空伸縮囊電絕緣，該線性運動軸之一上升力產生部同中心地大體上位於該致動器本體之該第二部內；一射頻連接桿，電耦接至該線性運動軸之該導電部，該射頻連接桿用以與一外部射頻能量源電耦接；以及 一電接觸墊，與該線性運動軸之該導電部作電交流，且用以在啟動該線性運動軸之時電耦接至另一表面。
12. 如申請專利範圍第11項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸係由具有一低電阻抗之一材料所形成。
13. 如申請專利範圍第11項之高頻線性致動器，更包含運動感測器，該運動感測器用以指示該線性運動軸之一位置。
14. 如申請專利範圍第11項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係與該上升力產生部電絕緣。
15. 如申請專利範圍第11項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係與該上升力產生部電耦接。
16. 如申請專利範圍第11項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係由具有一低電阻抗之一材料所形成。
17. 一種高頻線性致動器，包含：一致動器本體，具有一第一部及一第二部，各沿該致動器本體之一縱軸而設置；一真空伸縮囊，同中心地位於該致動器本體之該第一部內，該真空伸縮囊用以密封一連通於該真空伸縮囊內之真空環境，而隔開該致動器本體之該第二部；一線性運動軸，同中心地大體上位於該致動器本體內，且用以沿該致動器本體之該縱軸朝一線性方向移動，該線性運動軸之一導電部用以接收及傳送一高頻信號，該導電部同中心地大體上位於該真空伸縮囊內且與該真空伸縮囊電絕緣，該線性運動軸之一上升力產生部同中心地大體上位於該致動器本體之該第二部內； 一電接觸墊，與該線性運動軸之該導電部作電交流，且用以在啟動該線性運動軸之時電耦接至另一表面；以及一固定接觸墊，用以電耦接至該電接觸墊，且依據該線性運動軸之一位置對其提供射頻能量，該固定接觸墊用以電耦接至一外部射頻能量源。
18. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中射頻能量係僅於該線性運動軸在伸出位置時，由該固定接觸墊電耦接至該電接觸墊。
19. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中射頻能量係僅於該線性運動軸在縮回位置時，由該固定接觸墊電耦接至該電接觸墊。
20. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸係由具有一低電阻抗之一材料形成。
21. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，更包含運動感測器，該運動感測器被配置用於指示該線性運動軸之一位置。
22. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係與該上升力產生部電絕緣。
23. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係與該上升力產生部電耦接。
24. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中該線性運動軸之該導電部係由具有一低電阻抗之一材料形成。
25. 如申請專利範圍第17項之高頻線性致動器，其中該固定接觸 墊被附著至該致動器本體，並與該致動器本體電絕緣。