TWI638422B - 用於固持、旋轉並且加熱及／或冷卻一基板之裝置及方法 - Google Patents

用於固持、旋轉並且加熱及／或冷卻一基板之裝置及方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種用於固持、旋轉且加熱一基板之裝置及方法。

Description

用於固持、旋轉並且加熱及／或冷卻一基板之裝置及方法
本發明係關於一種根據屬於專利技術方案之用於固持、旋轉並且加熱及/或冷卻一基板之裝置及方法。
在工業中，眾多類型之樣本固持器用來固定基板，尤其晶圓。此等樣本固持器需要執行各種物理任務。一方面，樣本固持器用來固定基板。固定通常藉由機械夾持、真空軌道、靜電荷、電場或磁場、或黏著表面來達成。
極多樣本固持器亦執行次級任務，諸如冷卻或加熱一基板。尤其加熱型樣本固持器極常見且存在於諸多不同實施例中。
樣本固持器通常根據在其中使用樣本固持器之設備進行定製。以每分鐘數千轉旋轉之用於旋塗設備之樣本固持器必須以具高度的對稱性、輕便且靈活的方式建構。特定言之，樣本固持器必須正確配重。此類型之樣本固持器通常需要具有輔助功能，諸如加熱。
一加熱型樣本固持器之溫度經由一加熱元件直接控制，該加熱元件必須藉由一適當供應電流啟動。最大問題出現於電流至旋轉樣本固持器之傳輸中。兩個旋轉部件之間的電流傳輸通常經由滑動接觸件實現。滑動接 觸件具有數個缺點。首先，在滑動接觸件與集電器之間存在一高磨損程度。其次，此類型之接觸件可導致火花放電。諸多流體尤其溶劑係相對高度易燃的且具有一相對高蒸汽壓力。因此，必須始終假定在一加熱型樣本固持器周圍可能存在易燃氣體，此可能導致一爆炸。定期使用離心機單元來塗佈或清潔基板表面。為此目的，使用可能易燃的化學品。若此等流體亦具有高蒸汽壓力，則甚至一小火花可導致一爆炸或一火災。
因此，本發明之要求係提供一種用於固持、旋轉並且加熱及/或冷卻一基板之裝置及方法，其不具有目前最先進技術之缺點且尤其儘可能無磨損且提供儘可能高的操作安全程度。
下文描述之本發明之實施例適於用作一塗佈機或一清潔機。在前一種情況下，其等亦稱為旋塗機。
此等要求/任務藉由屬於專利技術方案之標的來滿足。在附屬技術方案中陳述本發明之其他有利發展。
在實施方式、技術方案及/或圖式簡單說明中陳述之特性之至少兩者之任何組合亦落於本發明之範疇內。在指示值範圍之情況下，落於該等限度內之所有值應被認為以任何隨機組合揭示及主張。
根據本發明，提供一種用於固持、旋轉並且加熱及/或冷卻一基板尤其一晶圓之裝置，該裝置具有：1)一轉子，其具有：a)至少一個次級繞組；b)一基板固持器，其具有一基板固持器表面及用於固定該基板之固定元件； c)一旋轉軸件，其用於使該基板固持器繞一旋轉軸旋轉；d)用於加熱該基板固持器表面之至少一個電加熱器及/或用於冷卻該基板固持器表面之一冷卻器；e)視情況，一電子控制系統，其用來控制該至少一個初級繞組中之一電流及/或一電壓；2)一定子，其具有：a)至少一個初級繞組；b)視情況，一電子控制系統，其用來控制該至少一個初級繞組中之一電流及/或一電壓；c)一環狀基座，其中該轉子之該旋轉軸件至少部分配置於該基座內側；其中該裝置經設計使得可藉由該至少一個初級繞組在該至少一個次級繞組中感應一電流及/或一電壓，其中在該至少一個次級繞組中感應之該電流或電壓可用來操作該至少一個加熱器及/或冷卻器，使得可加熱及/或冷卻該基板固持器表面。
用於冷卻該基板之裝置通常稱為冷卻器。珀耳帖元件尤其可用於冷卻該基板。根據本發明，加熱器及/或冷卻器可內建至本發明之樣本固持器中。
一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組配置於該基座之一表面上。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組配置於該基座內側。此具有可實行一特別節省空間設計之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組及該至少一個次級繞組 經設計為扁平線圈，較佳地為螺旋線圈，且甚至更佳地為阿基米德螺旋線圈。此具有可實行一特別節省空間設計之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組及該至少一個次級繞組彼此平行配置。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組及該至少一個次級繞組配置於一平面中及/或平行於一平面配置，其中該平面與旋轉軸成直角。此具有一實現特別節省空間及實行一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組面向該基板固持器配置於該基座之一基座表面上。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個次級繞組面向該基座配置於該基板固持器之一背側上。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組及該至少一個次級繞組經設計為圓柱形線圈。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組及該至少一個次級繞組相對於該旋轉軸同心地配置。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組面向該旋轉軸件配置於一內基座表面上，且該至少一個次級繞組面向該內基座表面配置於該旋轉軸件之一軸件表面上。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少一個初級繞組及該至少一個次級繞組相對於該旋轉軸偏心地配置。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，至少兩個初級繞組配置於該基座內側，且至少兩個次級繞組配置於該旋轉軸件內側。此具有達成一極佳的能量傳遞之優點。
另一較佳實施例規定，該至少兩個初級繞組及該至少兩個次級繞組繞該旋轉軸以相同角距離配置。此具有達成一極佳的能量傳遞連同可能最節省空間設計之優點。
另一較佳實施例規定，該裝置具有：一量測裝置，其用於量測該加熱器、該基板固持器、該基板固持器表面及/或該基板之溫度；以及一裝置，其用於較佳地經由該至少一個初級繞組與該至少一個次級繞組之間的電感耦合將針對該加熱器、該基板固持器、該基板固持器表面及/或該基板之該等溫度量測從該轉子傳輸至該定子。此具有可極佳地控制溫度之優點。
另一較佳實施例規定，該轉子具有用於該轉子之明確且尤其全自動識別之一識別晶片，尤其一RFID晶片，其中該識別晶片較佳地定位於該旋轉軸件之邊緣上。此具有可特別容易地交換該轉子之優點。
另一較佳實施例規定，該裝置具備用於使用一氣體流沖洗該轉子之一沖洗劑。此具有該裝置操作特別安全之優點。
此外，本發明提供一種用於利用下列步驟尤其利用具有下列特性之一裝置固持、旋轉並且加熱及/或冷卻一基板尤其一晶圓之方法：-使用一轉子固持並旋轉該基板，該轉子包括具有一基板固持器表面及用於固定該基板之固定元件的一基板固持器，其中該基板固持器與該基板藉由一旋轉軸件而繞一旋轉軸轉動；-尤其憑藉旋轉該轉子，藉由一定子之至少一個載流初級繞組在該轉子之至少一個次級繞組中感應一電流；-其中藉由在該至少一個次級繞組中感應之該電流操作至少一個加熱器及/或冷卻器，使得加熱及/或冷卻該基板固持器表面及藉此加熱及/或冷 卻該基板。
一較佳實施例規定，由一氣體流尤其一惰性氣體流沖洗該轉子，其中較佳地沖洗外部附接的電組件，尤其一初級側電容器組件及一次級側電容器組件，其中較佳地在該轉子與該定子之間形成大於一環境壓力之一超壓力。此具有該裝置操作特別安全之優點。
在下文中，「定子側」亦被描述為「初級側」，且「轉子側」被描述為「次級側」。在下文中，一「繞組」亦被描述為「線圈」。在下文中，「基板固持器」亦被描述為「樣本固持器」。
本發明之核心尤其在於藉由電磁感應將電功率/電壓及/或電流從一定子傳輸至一轉子。此外，本發明揭示量測信號之無接觸傳輸之數種可能性。
本發明之實施例使機械組件與電組件分離。特定言之，不再需要滑動接觸件，該等滑動接觸件尤其在氧化氣氛中構成來自火花之一顯著安全風險。
特定言之，本發明描述一種用於藉由電磁感應之電磁去耦電流傳輸以及藉由電感、電容或電磁方法之電磁去耦溫度量測及藉由該等程序實現之控制的方法及系統。
電磁感應
本發明之基礎係用於將功率、電壓/電流傳輸至加熱元件之一電感耦合的基本原理。電感耦合亦可被理解為變壓器。變壓器由一初級側及一次級側組成。初級側及次級側各具有至少一個導體環，尤其一線圈。隨著下文的發展，「導體環」及「線圈」將用作同義詞。線圈之配置及數目可根據本發明之實施例而變化。
特定言之，線圈具有恰好1個繞組，較佳地大於5個繞組，甚至更佳地大於10個繞組，最佳地大於100個繞組，尤佳地大於1000個繞組。在尤佳實施例中，使用具有5個繞組與100個繞組之間的線圈。
初級側係定子之一部分。次級側係轉子之一部分。定子由所有靜態機械組件之量組成，該等靜態機械組件係靜態的。轉子由作為整體旋轉之機械部件之量組成。轉子及定子彼此完全電磁去耦。藉由電磁去耦，應理解，從一第一機械部件(尤其定子)至第二機械部件(尤其轉子)之功率傳輸並非經由電力線及/或滑動接觸件實現，而是經由電磁感應實現。因此，不同於目前最先進技術，功率傳輸只藉由電磁感應實現。
根據法拉第感應定律，若一導體環中之磁通量隨時間變更，則始終由導體環產生一電壓。此可以每單位面積之磁場線數目(即，穿過導體環之場線之密度)隨時間變更來更清楚地解釋。此變更可藉由不同物理效應產生。
可能藉由產生磁場之電流之一週期性變動變更場線密度。在此程序中唯一關聯係與磁場強度相關之電流強度變更之事實。出於此原因，同樣可能使用一脈衝或振盪直流電或一交流電。一交流電可藉由電流之變更方向及因此藉由磁場中之極性之一重複反轉來識別，而一脈衝或振盪直流電從不變更其正負號，但場線密度及因此磁通量仍會改變。
一進一步替代方案由經產生磁場與減小的導體環之間的純機械相對運動表示。此處，導體環穿過具有高及低場線密度之區域。此相對運動亦導致磁通量之一時間變動。類似考量適用於無關於磁通量之時間變動但關於磁感應或磁場強度之時間變動採用之方法。本發明之實施例係關於相對運動，且只關於轉子相對於定子之一旋轉移動。在此情況下，重要的是， 在一旋轉移動期間，次級線圈穿過初級線圈之一不對稱磁場。
在一進一步替代方案中，上述兩種效應彼此組合。
在本發明之一例示性實施例中，電功率傳輸藉由在初級側上施加一振盪直流電，但較佳地透過一經施加交流電來達成。在初級側及次級側上使用扁平線圈。由於施加於初級側上之磁場並非關於初級側扁平線圈之一軸Ap徑向對稱，故亦可純粹地藉由旋轉在次級側上產生一電壓，而無需施加一振盪直流電或一交流電。扁平線圈尤其建構為螺旋線圈，更佳地為阿基米德螺旋線圈。初級側上之扁平線圈可安裝於定子中或定子上。次級側上之扁平線圈可安裝於轉子中或轉子上，尤其於樣本固持器中。
在本發明之另一例示性實施例中，電功率傳輸藉由在一初級側線圈上施加一振盪直流電但較佳地藉由一經施加交流電來達成。
由於在本發明之此實施例中，初級線圈之軸Ap與次級線圈之軸As彼此重合，且初級側上之所得磁場繞線圈軸Ap徑向對準，故次級線圈之磁通量之變動永遠無法純粹地藉由一相對運動來達成，但只藉由一振盪直流電然而較佳地藉由一經施加交流電來達成。
在本發明之另一例示性實施例中，電功率傳輸藉由彼此不對稱地安裝且朝向彼此旋轉之兩個線圈來達成。儘管在初級側上產生之磁場關於軸Ap對稱，但軸Ap與As彼此不重合。因此，在定子與轉子之間存在一相對運動之情況下，從次級線圈之角度來看，磁場不一致。次級線圈可謂穿過具有高場線密度之區域及具有低場線密度之區域，此繼而可導致一次級側電壓之感應。在此特殊實施例中，必需確保初級側上之線圈數目不增加至磁場之重疊產生一對稱磁場之程度，此無法再導致純粹地藉由旋轉移動感應一次級側電流。儘管如此，在本發明之此實施例中仍可能藉由施加一振 盪直流電(然而較佳地一經施加交流電)在次級線圈中產生一電壓。
經施加交變場之頻率在0Hz與100kHz之間，較佳地在5Hz與75kHz之間，更佳地在10Hz與50kHz之間，最佳地在15Hz與25kHz之間，尤佳地在20Hz與20kHz之間。
施加於初級繞組上之電壓介於0伏與1000伏之間，較佳地介於5伏與750伏之間，更佳地介於10伏與600伏之間，最佳地介於15伏與500伏之間，尤佳地介於24伏與400伏之間。
在樣本固持器之旋轉期間，尤其在加速階段期間，經傳遞次級電壓及因此經傳遞功率較佳地保持恆定。在其中於初級側上形成一不對稱磁場之實施例中，在次級側上感應之電壓將明顯取決於樣本固持器之旋轉速度。為了保持次級側電壓及因此功率恆定，在任何情況下必須於初級側上施加一連續、可調整交流電。在本發明之實施例中提及，於初級側上施加一直流電，因此不允許一恆定功率傳遞。
綜上所述，可因此認為在本發明之所有實施例中，施加一交流電始終係較佳選擇。
樣本固持器
樣本固持器較佳地經建構使得其發射由加熱器在其所附接之基板之方向上產生之熱量。
因此，樣本固持器較佳地建構有一絕緣下側及周邊。絕緣主要藉由使用具有極低導熱率之材料來達成。
亦較佳地併入進一步阻礙熱流之真空室。在下側及週邊之方向上之導熱率小於1W/(m*K)，較佳地小於0.05W/(m*K)，甚至更佳地小於0.025W/(m*K)，最佳地小於0.01W/(m*K)。
樣本固持器較佳地經建構使得其在基板之方向上具有最大導熱率。高導熱率主要藉由使用具有高導熱率之材料來達成。在基板之方向上之導熱率介於0.1W/(m*K)與5000W/(m*K)之間，較佳地介於1W/(m*K)與2500W/(m*K)之間，甚至更佳地介於10W/(m*K)與1000W/(m*K)之間，最佳地介於100W/(m*K)與450W/(m*K)之間。
樣本固持器較佳地經建構使得其繞旋轉軸之慣性離心力矩係零。若樣本固持器具有一非零慣性離心力矩，則使用重量來糾正不平衡並消除慣性離心力矩。
樣本固持器具有固定件。固定件用來固定基板。「固定件」可意謂：‧機械固定件，尤其：○夾具‧真空固定件，尤其具有：○個別控制真空軌道，○互連真空軌道，‧電固定件，尤其：○靜電固定件，‧磁性固定件‧黏著固定件，尤其：○Gel-Pak固定件，○具有黏著(尤其可控)表面之固定件。
固定件尤其電子可控。真空固定件係較佳類型之固定件。一真空固定件主要包括從樣本固持器之表面露出之數個真空軌道。真空軌道較佳地個別可控。在一技術上更可行應用中，一些真空軌道經組合以形成個別可 控且可因此被抽空或淹沒之真空軌道段。然而，各真空段獨立於其他真空段。以此方式，可能建構個別可控之真空段。真空段較佳地係環狀。以此方式，實現從內側至外側之一針對性徑向對稱固定及/或基板從樣本固持器之卸離。
關於基板，一晶圓係較佳的。晶圓係具有明確界定的標準化直徑之標準化基板。然而，基板通常可採取任何所要形式。基板之直徑通常可係任何大小，但主要係下列標準直徑之一者：1英寸、2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、18英寸或25.4mm、50.8mm、76.2mm、100mm、125mm、150mm、200mm、300mm、450mm。
亦可使用正方形基板。
隨著描述的進展，「基板」係通用術語。然而，特定言之，本發明之實施例主要涉及晶圓。
旋轉頻率以每分鐘轉數(英制：「每分鐘轉數」；rpm)給定。樣本固持器可以大於0rpm、較佳地大於10rpm，更佳地以大於100rpm，最佳地以1000rpm，尤佳地以3000rpm之頻率旋轉。
加速度以每秒rpm(英制：「每秒每分鐘轉數」；rpm/s)給定。樣本固持器可以大於0rpm/s、較佳地大於100rpm/s，更佳地以大於1000rpm/s，最佳地以大於10,000rpm/s，尤佳地以大於40,000rpm/s加速。
加熱器
加熱器係一可控且可調整的加熱器。可以若干方式控制加熱器。
在本發明之一項實施例中，加熱器及次級側上之線圈彼此直接連接，使得僅由負責熱輸出之經感應電壓之大小控制電流。
在本發明之另一實施例中，在次級側中存在一電子控制系統。由一 電子控制系統調節次級側上產生之電流。以此方式，對至加熱器之電流之一針對性影響及因此對熱輸出之控制係可能的。
在本發明之一進一步發展中，若干加熱器可分佈於樣本固持器中。據此，加熱器皆連接至次級側上之電線。歸因於若干(尤其對稱配置)加熱器之使用，可特定地預設一溫度分佈。在樣本固持器中存在大於1個，較佳地大於3個，更佳地大於5個，甚至更佳地大於10個，最佳地大於25個，尤佳地大於100個加熱器。加熱器數目越多，用於控制加熱器之電子控制系統將越複雜。加熱器可對稱地或不對稱地分佈於基板樣本固持器中。在本發明之一較佳實施例中，加熱器以使得其等允許設定一溫度梯度之一方式分佈。在此背景中尤佳的是在邊緣處具有一最大溫度且在中心處具有一最小溫度之溫度梯度。此可藉由在邊緣處具有一較高加熱器密度來達成。然而，更佳的是導致一均勻加熱器密度之一加熱器分佈。
接著可使用控制軟體及加熱器之針對性控制來設定且更優地控制溫度分佈。
加熱器包含：
‧陶瓷加熱器
‧薄膜加熱器
‧紅外線加熱器
加熱器可將樣本固持器尤其基板加熱至室溫與400℃之間，較佳地在50℃與300℃之間，更佳地在100℃與200℃之間的溫度。
根據本發明之藉由電感耦合之功率傳遞可產生極高加熱速率。加熱速率在0℃/min與60℃/min之間，較佳地在0℃/min與50℃/min之間，更佳地在0℃/min與25℃/min之間，更佳地在0℃/min與15℃/min之間，最 佳地在0℃/min與10℃/min之間，尤佳地在0℃/min與5℃/min之間。
由加熱器產生之溫度之均勻性佳於10%，較佳地佳於7.5%，更佳地佳於5%，最佳地佳於2.5%，尤佳地佳於1%。此意謂著，在一理想情況下，溫度隨著位置變化在所要溫度值周圍的波動係小於1%，前提是需要一均勻溫度分佈。然而，藉由使用若干加熱器、適當電子器件及適當控制，仍可產生所要溫度梯度。
溫度之精度佳於10%，較佳地佳於7.5%，更佳地佳於5%，最佳地佳於2.5%，尤佳地佳於1%。溫度之精度被理解為意謂可在一個位置處設定一溫度值之精度。精度係平均值偏離設定值之程度。
本發明之實施例之經傳遞功率在0瓦特與2000瓦特之間，較佳地在50瓦特與1500瓦特之間，更佳地在100瓦特與1000瓦特之間，最佳地在150瓦特與800瓦特之間，尤佳地在200瓦特與600瓦特之間。用於加熱一200mm晶圓之典型輸出在200瓦特之區域中。
量測
本發明之實施例之一進一步任務係將量測信號(尤其樣本固持器中之溫度，更佳地基板中之溫度)從轉子傳輸至定子。
在本發明之一較佳實施例中，從加熱器之熱膨脹間接地判定溫度。此熱膨脹導致電阻之一變更。電阻與比電阻成正比，且與電流流過之導體之長度成反比。此外，電阻直接取決於該導體之截面。在直流電技術中，可在一側上之電阻與比電阻、另一側上之導體之截面及長度之間發現下列關係：
次級側上之一電流之感應引起一電流流過加熱器。加熱器加熱其環 境且自身亦以此方式被加熱。由於溫度升高，故加熱器膨脹並變更其電阻。可在次級側上量測，但較佳地在初級側上量測此電阻變更。對於一次級側量測，較佳地由一電子系統判定電阻。由電子系統產生且藉由本發明之方法無接觸地傳輸一對應地產生之量測信號。
在本發明之一尤佳實施例中，經由次級側上之阻抗間接地量測溫度。阻抗被理解為意謂交流電阻。可從一消費型裝置處之電壓降及經汲取電流計算阻抗。流過一消費型裝置之電流I之強度及電壓降U首先取決於其電阻：
另一方面，可藉由量測電壓及電流判定電阻：
在交流電技術中，吾人使用週期性變更變數U(t)及I(t)，且藉由下列方程式判定阻抗，即，交流電阻：
阻抗係可容易地視情況描繪於一極座標系中之一向量變數。藉由量測週期性變更交流電壓U(t)及週期性變更電流I(t)(其在由於電阻變更而使次級側上之溫度升高時必須變更)，可得出關於溫度之結論。由於根據本發明之此方法係關於一間接溫度量測，故較佳地實行系統之一校準。在此背景中，最佳的是，使經量測阻抗與由一外部(尤其一極精確)溫度量測裝置量測之一溫度相關。以此方式，在根據本發明之一控制程序中，可能藉由量測阻抗來得出關於溫度之結論。因此同時，根據本發明之電感耦合傳輸量測信號。本發明之此實施例無需其自身的量測電路。
在本發明之另一較佳實施例中，量測信號經由一電容耦合件從轉子 去耦至定子。由至少一個感測器尤其一熱元件記錄量測信號。較佳地在定位於樣本固持器中之一電子系統中適當地預處理該信號。為此目的，該裝置包括定子側電容器組件及轉子側電容器組件。
在本發明之另一較佳實施例中，量測信號藉由一輻射量測尤其一紅外線量測從轉子傳輸至定子。由至少一個感測器尤其一熱元件接收量測信號。較佳地在定位於樣本固持器中之一電子系統中適當地預處理該信號。一適當傳輸器尤其一紅外線傳輸器定位於轉子上，且一適當接收器尤其一紅外線接收器定位於定子上。原理上，使用在2000nm與1000μm之間，較佳地在1500nm與1000μm之間，更佳地在1000nm與1000μm之間，最佳地在780nm與1000μm之間的波長範圍中之電磁射線。
在本發明之另一較佳實施例中，信號傳輸藉由無線電來達成。為此目的，需要適當無線電傳輸器及接收器。因此，該裝置具有定子側接收器及轉子側無線電傳輸器。特定言之，轉子側上之無線電模組必須使用適當電子器件及一恆定電壓或電流來操作。一般言之，該原理適用於電子器件定位於轉子、定子中，或適用於與本發明之實施例分離地設置之一電腦。波長範圍高於紅外線波長。波長在1mm與10km之間，較佳地在1cm與1km之間，更佳地在1cm與100m之間，最佳地在1cm與50m之間，尤佳地在1cm及25m之間。
控制配置
在本發明之另一較佳實施例中，在電感耦合與量測系統之間存在一控制配置。控制配置連續地判定量測值，尤其溫度或溫度變動，且取決於各自規定目標值調節溫度。較佳地使用PID控制器。PID控制器可係軟體及/或硬體PID控制器。較佳地使用在一PLC系統上實施之一軟體控制器實 施控制。此控制器之初始控制變數影響加熱器之初級電壓之振幅。
為了保持根據本發明之一較佳實施例之經傳輸功率恆定，樣本固持器之旋轉速度必須可用作用於功率電路之自適應控制之一輸入變數。
可交換性
不同轉子可藉由轉子與定子之一機電去耦而極快速地交換。例如可能轉子具有在下側上具一凹槽之一軸件，一驅動軸件之挺桿接合至該凹槽中以便傳遞動量。此等建構容易建置及維護。歸因於根據本發明之轉子與定子之機電去耦及滑動接觸件免除，轉換可完全毫不費力地(尤其甚至藉由一機器人自動地)達成。
較佳地，個別地校準本發明之實施例中之轉子。一旦轉子之一者已變更，軟體便必須實行一新校準或至少載入一舊校準。轉子之自動識別(尤其在RFID晶片之協助下)係本發明之一進一步提出的發展。插入、自動地辨識轉子，且在所採用軟體中啟動適當校準程式。此確保轉子明確分配至正確校準。
囊封
由於加熱元件以及用於傳輸量測信號之元件定位於一個室內側，故本發明之實施例具有滿足特定消防要求之優點。最重要消防要求係：
‧抵著轉子密封定子
‧在一超壓力下用一惰性氣體沖洗轉子
由於通常採用易燃介質，故亦必須確保遵循防爆措施：
‧無熱表面-安全溫度限度
‧無火花
‧無靜電荷
1‧‧‧裝置/第一裝置
1’‧‧‧裝置/第二裝置
1”‧‧‧裝置/第三裝置
2‧‧‧基板固持器
2o‧‧‧基板固持器表面
3‧‧‧加熱器
4‧‧‧固定元件
5‧‧‧電纜/電線
5’‧‧‧電纜/電線
6p‧‧‧初級繞組/初級線圈
6p’‧‧‧初級繞組/初級線圈
6p”‧‧‧初級繞組
6s‧‧‧次級繞組/次級線圈
6s’‧‧‧次級繞組/次級線圈
6s”‧‧‧次級繞組
7‧‧‧基座
7o‧‧‧基座表面
7i‧‧‧基座內表面/內基座表面
8‧‧‧旋轉軸件/軸件
8o‧‧‧軸件表面
9‧‧‧轉子
10‧‧‧定子
11‧‧‧電子器件
12‧‧‧熱元件
13p‧‧‧初級側電容器部件/初級側環形段/初級側電容器組件
13s‧‧‧次級側電容器部件/次級側環形段/次級側電容器組件
14p‧‧‧初級側紅外線接收器
14s‧‧‧次級側紅外線傳輸器
15p‧‧‧初級側無線電接收器
15s‧‧‧次級側無線電傳輸器
16‧‧‧驅動軸件
17‧‧‧挺桿
18‧‧‧凹槽
19‧‧‧識別晶片
20‧‧‧孔
21‧‧‧銷
22‧‧‧氣體流/惰性氣體
23‧‧‧紅外線窗口/紅外線透明窗口
24‧‧‧偵測器臂
25‧‧‧偵測器
Ap‧‧‧初級側對稱軸
As‧‧‧次級側對稱軸
R‧‧‧旋轉軸
E‧‧‧平面
p1‧‧‧壓力/環境壓力
p2‧‧‧壓力/超壓力
本發明之進一步優點、特徵及細節在較佳例示性實施例之下列描述中並且藉由圖式予以顯現，在圖式中：圖1a展示貫穿本發明之一第一實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖1b展示本發明之第一實施例之部分之一示意性不按比例俯視圖，圖2a展示貫穿本發明之一第二實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖2b展示本發明之第二實施例之部分之一示意性不按比例俯視圖，圖3a展示貫穿本發明之一第三實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖3b展示本發明之第三實施例之部分之一示意性不按比例俯視圖，圖4a展示貫穿具有電容量測之本發明之另一實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖4b展示貫穿具有紅外線量測之本發明之另一實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖4c展示貫穿具有無線電量測之本發明之另一實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖4d展示貫穿具有輻射量測之本發明之另一實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖4e展示貫穿具有輻射量測之本發明之另一實施例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖5a展示在一耦合件接合之前貫穿具有耦合件之本發明之另一實施 例之一部分之一截面之一示意性不按比例圖式，圖5b展示在耦合件接合之後貫穿耦合件之一截面之一示意性不按比例圖式，圖6展示本發明之另一實施例。
在圖中，用相同元件符號標記相同組件或具有相同功能之組件。
在下列圖1a至圖3b中，尤其用於控制一加熱器3之電子器件11可存在於初級電路及/或次級電路中。較佳地，只經由在一次級繞組6s(下文中亦稱為次級線圈6s)中感應之一電壓對加熱器3供應功率，而由一定子中之電子器件11控制加熱器3只在初級側上發生。
圖1a展示貫穿根據本發明之一第一裝置1之一截面之一示意性不按比例圖式。特定言之，圖1a表示傳遞電功率所必需之組件，而圖4a至圖4c中展示用於量測一溫度之組件。
裝置1包括一轉子9及一定子10，轉子9具有具一旋轉軸R之一旋轉軸件8(下文中亦稱為軸件8)。一初級繞組6p(下文中亦稱為初級線圈6p)內建至定子10中。初級繞組6p尤其關於一扁平線圈。初級繞組6p可安裝於基座7之一基座表面7o上或如圖中表示安裝於基座7中。
電流尤其交流電經由電線5流過初級繞組6p。根據本發明，藉此在次級繞組6s中產生之交變磁場感應一電壓。經感應電壓允許產生流過加熱器3之一電流，且允許加熱具有一樣本固持器表面2o及固定元件4之樣本固持器2，且尤其係一固定基板。
為了完整起見，應注意，一扁平線圈尤其初級繞組6p並非相對於一軸A徑向對稱，軸A通常位於扁平線圈所在之一平面E上。因此，由一直流 電產生之一靜態磁場亦將並非徑向對稱。根據法拉第感應定律，因此必須在不對稱磁場中旋轉之一導體環(尤其亦經設計為扁平線圈之旋轉次級繞組6s)中感應一電壓。然而，由於控制技術及其他物理原因，穿過由一交流電引起之一交變磁場之一電感耦合係較佳的。特定言之，經感應電壓始終與磁通量之週期性變動成正比。經施加交流電之頻率越高，磁通量之變動越快且經感應電壓越高。
圖1b展示具有初級線圈6p及次級線圈6s之裝置1之一示意性不按比例俯視圖。兩個線圈6p、6s建構為扁平線圈，尤其螺旋線圈，更佳地阿基米德線圈。阿基米德螺旋遵循數學方程式：
其中r(Φ)係角度位置Φ處之半徑，且a係一常數。常數a越小，螺旋臂之間的距離越小。沿從座標原點輻射出之一射線之一阿基米德螺旋之兩個臂之間的距離始終等於2πa。為了清楚起見，在圖1b中描繪具有比圖1a中更大之一常數a之兩個扁平線圈6p、6s。圖2a展示貫穿根據本發明之一第二裝置1’之一截面之一示意性不按比例圖式。
圖2b尤其描繪傳遞電功率所必需之組件，而圖4a至圖4c中展示用於量測溫度之組件。
根據本發明之裝置1’包括一轉子9及一定子10。存在一初級繞組6p’及一次級繞組6s’，其等係彼此同心地配置之圓柱形線圈。初級繞組6p’可內建至基座7之一內基座表面7i中，或如圖2a中描繪內建至基座7內側。一交流電經由電線5穿過初級繞組6p’。如圖2a中描繪，次級繞組6s’可定位於一軸件表面8o上或定位於軸件8中。
圖2b展示具有初級繞組6p’及次級繞組6s’之裝置1’之一示意性不按比 例俯視圖。兩個線圈6p’、6s’實現為圓柱形線圈。初級線圈6p’及次級線圈6s’相對於旋轉軸R之同心位置係可見的。
圖3a展示貫穿根據本發明之一第三裝置1”之一截面之一示意性不按比例圖式。
圖3a尤其描繪傳遞電功率所必需之組件，而圖4a至圖4c中展示用於量測溫度之組件。
在根據本發明之裝置1”中，在定子10中存在至少一個初級繞組6p”，且在轉子9中存在至少一個次級繞組6s”。
初級繞組6p”之一對稱軸Ap及次級繞組6s”之一對稱軸As並非一致地配置。對稱軸Ap及對稱軸As相對於旋轉軸R偏心地配置。特定言之，若干此類初級繞組6p”可定位於定子10中及/或若干次級繞組6s”可定位於轉子9中。初級繞組6p”及/或次級繞組6s”可對稱地或不對稱地定位於定子10或轉子9中。對稱軸Ap及/或As可與旋轉軸R成任何角度。然而，對稱軸Ap及/或As較佳地平行於旋轉軸R。
圖3b展示一示意性不按比例截面視圖，其中彼此以120°之一角距離配置於定子10中之三個初級繞組6p”及彼此以120°之一角距離配置於轉子9中之三個次級繞組6s”係可見的。
圖1a至圖3a同時亦展示建構根據本發明之一第一量測及資料傳輸裝置(下文中亦稱為量測系統)所必需之所有組件，其中例如可使用電感耦合以藉由使用一阻抗量測來判定加熱器3之溫度。此領域之任何專家將清楚，在加熱器之溫度增大之情況下，次級側阻抗變更。然而，歸因於電感耦合，初級側阻抗亦變更，此可容易地藉由量測電壓及電流來判定，如上文已進一步描述。因此，初級側阻抗量測提供判定次級側溫度之可能性。 較佳地使用經量測次級側溫度或溫度變動來校準初級側阻抗。以此方式，對於各阻抗值或阻抗變動，獲得一對應溫度或溫度變動。
圖4a展示貫穿根據本發明之另一裝置1之一截面之一示意性不按比例圖式，其中描繪根據本發明之一第二量測系統。為了清楚起見，未展示根據圖1a至圖3b之用於傳遞功率之組件。
樣本固持器2含有用於啟動至少一個熱元件12之電子器件11。根據本發明，可存在若干熱元件12。熱元件12較佳地附接至樣本固持器2之樣本固持器表面2o，以便能夠量測一固定基板之溫度。在特殊實施例中，溫度元件12亦可定位於樣本固持器2中。安裝於樣本固持器2中及安裝於樣本固持器表面2o上之熱元件12之一組合亦可能。
電子器件11係經由初級側電容器部件13p及次級側電容器部件13s及電線5’閉合之一電路之部分。初級側電容器部件13p及次級側電容器部件13s較佳地係完全閉合環。亦可行的是，使用初級側環形段13p及/或次級側環形段13s。若初級側電容器部件13p及次級側電容器部件13s係環形段，則電路將僅在一完全旋轉之後短暫地閉合。
圖4b展示貫穿根據本發明之另一裝置1之一截面之一示意性不按比例圖式，其中描繪根據本發明之一第三量測系統。為了清楚起見，未展示根據圖1a至圖3b之用於傳遞功率之組件。
樣本固持器2含有用於控制至少一個熱元件12之電子器件11。根據本發明，可存在若干熱元件12。熱元件12較佳地附接至樣本固持器2之樣本固持器表面2o，以便能夠量測一固定基板之溫度。在特殊實施例中，溫度元件12亦可定位於樣本固持器2中。安裝於樣本固持器2中及安裝於樣本固持器表面2o上之熱元件12之一組合亦可能。
電子器件11係經由初級側紅外線接收器14p及次級側紅外線傳輸器14s閉合之一電路之部分。紅外線接收器14p及紅外線傳輸器14s構成一光耦合器。紅外線接收器14p及紅外線傳輸器14s較佳地係環狀。
圖4c展示貫穿根據本發明之另一裝置1之一截面之一示意性不按比例圖式，其中描繪根據本發明之一第四量測系統。為了清楚起見，未展示根據圖1a至圖3b之用於傳遞功率之組件。
樣本固持器2含有用於啟動至少一個熱元件12之電子器件11。根據本發明，可存在若干熱元件12。熱元件12較佳地附接至樣本固持器2之樣本固持器表面2o，以便能夠量測一固定基板之溫度。在特殊實施例中，溫度元件12亦可定位於樣本固持器2中。安裝於樣本固持器2中及安裝於樣本固持器表面2o上之熱元件12之一組合亦可能。
電子器件11係經由一初級側無線電接收器15p及一次級側無線電傳輸器15s閉合之一電路之部分。次級側無線電傳輸器15s不一定必須定位於定子10中，但亦可定位於該次級側無線電傳輸器15s之範圍內之任何地方，尤其定位於一電腦中。
圖4d展示貫穿根據本發明之另一裝置1之一截面之一示意性不按比例圖式，其中描繪根據本發明之一第五量測系統。為了清楚起見，未展示根據圖1a至圖3b之用於傳遞功率之組件。根據本發明之量測系統允許使用輻射功率判定樣本固持器2之溫度。根據已提及之本發明實施例，基板固持器2之下側及/或邊緣係絕熱的。根據本發明之本實施例，一紅外線透明窗口23定位於基板固持器2之下側上，輻射尤其紅外線輻射可經由該下側離開基板固持器2。一偵測器25可量測以此方式發射之輻射，且輻射曲線或輻射功率可用來計算樣本固持器2之溫度。偵測器25較佳地係一紅外線偵 測器。然而，可在比紅外線更寬之一頻率範圍內量測輻射功率之偵測器亦可行。
圖4e展示貫穿根據本發明之另一裝置1之一截面之一示意性不按比例圖式，其中描繪根據本發明之一第六量測系統。為了清楚起見，未展示根據圖1a至圖3b之用於傳遞功率之組件。根據本發明之量測系統具有一偵測器臂24，一偵測器25安裝於偵測器臂24上，偵測臂24可量測樣本固持器2之表面，然而尤其位於該表面上之一基板(未展示)之表面。偵測器25較佳地係一紅外線偵測器。然而，可在比紅外線更寬之一頻率範圍內量測輻射功率之偵測器亦可行。
圖5a展示在耦合之前的一轉子9之一旋轉軸件8之下部，其中一孔20及一凹槽18位於具有挺桿17及銷21之一驅動軸件16上方。一識別晶片19尤其一RIFD晶片可定位於軸件8之邊緣上，以允許轉子9之明確且尤其全自動識別。識別晶片19亦可安裝於軸件8中，或安裝於轉子9之任何其他部分中。軸件8之孔20以使得挺桿17由凹槽18圍封之一方式位於一驅動軸件16之銷21上。
圖5b展示在耦合至驅動軸件16時的軸件8之下部。圖5a及圖5b兩者僅展示可由屬類上類似的耦合系統代替之一極簡化例示性耦合系統。然而，耦合系統較佳地始終經設計使得可能經由軸件8(尤其藉由一機器人)全自動耦合轉子9與驅動軸件16。
圖6展示根據本發明之另一裝置，其中一氣體流尤其一惰性氣體流沖洗轉子9。以此方式，亦沖洗且因此保護所有外部放置的電組件，例如初級側電容器部件13p及次級側電容器部件13s。
藉由用一惰性氣體22沖洗此等外部放置的載流或載荷組件，火花再 次減少多倍。然而，使用此一惰性氣體22之主要原因主要係在轉子9與定子10之間形成大於環境壓力p1之一超壓力。
以此方式，潛在易燃流體、蒸汽或氣體進入於轉子9與定子10之間更困難，或甚至完全被阻止。

Claims (19)

  1. 一種用於固持、旋轉、加熱及/或冷卻一基板尤其一晶圓之裝置(1、1’、1”)，該裝置具有： 1)一轉子(9)，其具有： a)至少一個次級繞組(6s、6s’、6s”)， b)一基板固持器(2)，其具有一基板固持器表面(2o)及用於固定該基板之固定元件(4)， c)一旋轉軸件(8)，其用於使該基板固持器(2)繞一旋轉軸(R)旋轉， d)用於加熱該基板固持器表面(2o)之至少一個電加熱器(3)及/或用於冷卻該基板固持器表面(2o)之一冷卻器； 2)一定子(10)，其具有： a)至少一個初級繞組(6p、6p’、6p”)， b)一環狀基座(7)，其中該轉子(9)之該旋轉軸件(8)至少部分配置於該基座(7)內側； 其中該裝置(1、1’、1”)經設計使得可藉由該至少一個初級繞組(6p、6p’、6p”)在該至少一個次級繞組(6s、6s’、6s”)中感應一電流及/或一電壓，其中在該至少一個次級繞組(6s、6s’、6s”)中感應之該電流及/或電壓可用來對該至少一個加熱器(3)及/或冷卻器供電，使得可加熱及/或冷卻該基板固持器表面(2o)。
  2. 如請求項1之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p、6p’、6p”)配置於一基座表面(7o、7i)上。
  3. 如請求項1之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p、6p’、6p”)配置於該基座(7)內側。
  4. 如請求項1之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p)及該至少一個次級繞組(6s)經設計為扁平線圈，較佳地為螺旋線圈，且甚至更佳地為阿基米德螺旋線圈。
  5. 如請求項4之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p)及該至少一個次級繞組(6s)彼此平行配置。
  6. 如請求項4之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p)及該至少一個次級繞組(6s)配置於一平面(E)中及/或平行於一平面(E)配置，其中該平面(E)配置成與該旋轉軸(R)成直角。
  7. 如請求項4之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p)面向該基板固持器(2)配置於該基座(7)之一基座表面(7o)上。
  8. 如請求項4之裝置，其中該至少一個次級繞組(6s)面向該基座(7)配置於該基板固持器(2)之一背側上。
  9. 如請求項1之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p’、6p”)及該至少一個次級繞組(6s’、6s”)經設計為圓柱形線圈。
  10. 如請求項9之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p’)及該至少一個次級繞組(6s’)相對於該旋轉軸(R)同心地配置。
  11. 如請求項9之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p’)面向該旋轉軸件(8)配置於該基座(7)之一內基座表面(7i)上，且該至少一個次級繞組(6s’)面向該內基座表面(7i)配置於該旋轉軸件(8)之一軸件表面(8o)上。
  12. 如請求項9之裝置，其中該至少一個初級繞組(6p”)及該至少一個次級繞組(6s”)相對於該旋轉軸(R)偏心地配置。
  13. 如請求項9之裝置，其中至少兩個初級繞組(6p”)配置於該基座(7)內側，且至少兩個次級繞組(6s”)配置於該旋轉軸件(8)內側。
  14. 如請求項13之裝置，其中該至少兩個初級繞組(6p”)及該至少兩個次級繞組(6s”)繞該旋轉軸(R)以一相等角距離配置。
  15. 如請求項1之裝置，該裝置具有一量測裝置，其用於量測該加熱器(3)、該基板固持器(2)、該基板固持器表面(2o)及/或該基板之溫度；以及具有一裝置，其用於較佳地經由該至少一個初級繞組(6p、6p’、6p”)與該至少一個次級繞組(6s、6s’、6s”)之間的電感耦合將針對該加熱器(3)、該基板固持器(2)、該基板固持器表面(2o)及/或該基板之該等溫度量測從該轉子(9)傳輸至該定子(10)。
  16. 如請求項1之裝置，該轉子(9)具有用於該轉子(9)之明確且尤其全自動識別之一識別晶片(19)，尤其一RFID晶片，其中該識別晶片(19)較佳地定位於該旋轉軸件(8)之邊緣上。
  17. 如請求項1之裝置，其具有用於使用一氣體流(22)沖洗該轉子(9)之一沖洗劑。
  18. 一種用於利用下列步驟尤其利用如請求項1之一裝置來固持、旋轉且加熱及/或冷卻一基板尤其一晶圓之方法： 使用一轉子(9)固持該基板，該轉子(9)包括具有一基板固持器表面(2o)及用於固定該基板之固定元件(4)的一基板固持器(2)， 使用一定子(10)之至少一個載流初級繞組(6p、6p’、6p”)在該轉子(9)之至少一個次級繞組(6s、6s’、6s”)中感應一電流， 其中在該至少一個次級繞組(6s、6s’、6s”)中感應之該電流用來對至少一個加熱器(3)及/或冷卻器供電，使得加熱及/或冷卻該基板固持器表面(2o)及因此加熱及/或冷卻該基板。
  19. 如請求項18之方法，其中由一氣體流(22)尤其一惰性氣體流沖洗該轉子(9)，其中較佳地沖洗外部附接的電組件，尤其一初級側電容器組件(13p)及一次級側電容器組件(13s)，其中較佳地在該轉子(9)與該定子(10)之間形成大於一環境壓力(p1)之一超壓力(p2)。
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