一種干法刻蝕機(jī)的新型裝載腔設(shè)計(jì)

張欽亮 蘇靜洪 王 謨 平志韓 雍春娥 祝啟蒙 金志杰

（天通吉成機(jī)器技術(shù)有限公司，浙江海寧314400）

刻蝕是半導(dǎo)體制造、微電子IC制造和微納制造工藝中一種相當(dāng)重要的工藝環(huán)節(jié)，是與光刻相聯(lián)系的圖形化處理的一種主要工藝［1］。所謂刻蝕，即光刻腐蝕，先通過(guò)光刻將光刻膠進(jìn)行曝光處理，然后通過(guò)其他方式實(shí)現(xiàn)腐蝕處理掉所需除去的部分?？涛g按工藝原理來(lái)分有干法刻蝕和濕法刻蝕。干法刻蝕中最常用的是等離子體刻蝕，其原理是利用電場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速，使其具備一定能量后轟擊被刻蝕物的表面，將其材料表面原子擊出，從而達(dá)到利用物理上的能量轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)刻蝕的目的［2］。其優(yōu)點(diǎn)是各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性及重復(fù)性好，潔凈度高;缺點(diǎn)是成本較高，設(shè)備復(fù)雜。

一般干法等離子體刻蝕機(jī)由工藝腔、傳輸腔、裝載腔、射頻電源、真空系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)等部分組成。裝載腔作為人機(jī)交流窗口，其主要作用體現(xiàn)在:刻蝕開(kāi)始前，在裝載腔內(nèi)放入裝有待刻蝕晶片（如硅片、藍(lán)寶石襯底片和氮化鎵片等）的片盤，通過(guò)傳輸系統(tǒng)將其傳送到工藝腔進(jìn)行刻蝕，刻蝕完成后，再由傳輸系統(tǒng)將刻蝕好的片盤由工藝腔傳送到裝載腔，隨后取出片盤，完成一次刻蝕，再次放入片盤即可進(jìn)行新一輪刻蝕?，F(xiàn)有的大多數(shù)干法刻蝕機(jī)的裝載系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題，主要是片盤吞吐量較小，大多是單片盤裝載，效率低下，不能實(shí)現(xiàn)批量加工，無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需求。

本文設(shè)計(jì)了一種干法刻蝕系統(tǒng)的新型裝載腔，實(shí)現(xiàn)了多盤連續(xù)自動(dòng)化批量刻蝕，提高刻蝕效率，較好地滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

1 裝載腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝載腔主要由腔體、底盤、托盤架、上蓋、升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。其中腔體底面有法蘭孔和抽氣通道，底盤和升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)向柱連接，并通過(guò)法蘭和腔體連接固定。抽氣通道與真空機(jī)械泵連接。腔體一側(cè)面為機(jī)械手取送片口，該處通過(guò)插板閥和機(jī)械手腔室連接。另一側(cè)面連接真空測(cè)量裝置和充氣通道。

底盤上固定3工位式托盤架，可一次裝載3盤待刻蝕晶片。托盤架邊緣處設(shè)有臺(tái)階槽，可確保片盤在放入后自動(dòng)調(diào)整位置，在托盤架升降和旋轉(zhuǎn)時(shí)保持穩(wěn)定。安放片盤時(shí)，設(shè)定零點(diǎn)位置為任意1個(gè)工位的中心線對(duì)準(zhǔn)取送片口中心線。3個(gè)工位處均安裝有信號(hào)檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)工位上負(fù)載情況并反饋給控制系統(tǒng)。

上蓋通過(guò)連接鉸鏈與腔體連接，中心處設(shè)有觀察窗，可直觀觀察托盤架負(fù)載情況。

升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由滾珠絲杠、導(dǎo)向柱、聯(lián)軸器、伺服電動(dòng)機(jī)、減速器和真空波紋管等組成。滾珠絲杠套在升降旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向柱內(nèi)，保證絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度，導(dǎo)向柱上端和底盤固定，絲杠和導(dǎo)向柱內(nèi)置在真空波紋管內(nèi)，確保絲杠在裝載腔內(nèi)外運(yùn)動(dòng)時(shí)腔內(nèi)的真空度不受影響。波紋管外由保護(hù)套和上下端法蘭連接固定。絲杠下端通過(guò)滾動(dòng)軸承和聯(lián)軸器與減速器和伺服電動(dòng)機(jī)連接，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器控制絲杠的升降和旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動(dòng)導(dǎo)向柱控制底盤運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)底盤平穩(wěn)、勻速的升降和旋轉(zhuǎn)，在升降和旋轉(zhuǎn)的每個(gè)點(diǎn)位均有限位和信號(hào)檢測(cè)裝置，由軟件控制系統(tǒng)集中控制。

根據(jù)刻蝕工藝要求，正常工作狀態(tài)時(shí)腔體內(nèi)為低真空狀態(tài)（約0.001 Pa），故上蓋、插板閥、連接法蘭等凡是腔體與外界連接處均設(shè)有密封槽，確保真空效果。

2 裝載腔工作過(guò)程

晶片裝載時(shí)，打開(kāi)上蓋，此時(shí)托盤架上無(wú)片盤并默認(rèn)處于零點(diǎn)位置，將待刻蝕晶片的片盤（1～3盤，按需放置）放入托盤架，安放完成后，關(guān)閉上蓋。此時(shí)，軟件控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)托盤架上片盤數(shù)量及位置，確保零點(diǎn)位置有片盤（如沒(méi)有，控制系統(tǒng)自動(dòng)指令托盤架旋轉(zhuǎn)，將有片盤工位旋轉(zhuǎn)至零點(diǎn)位置）。確認(rèn)插板閥處于關(guān)閉狀態(tài)，開(kāi)啟真空機(jī)械泵，抽氣至預(yù)定真空度。

抽氣完畢后，升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將托盤架升起，插板閥打開(kāi)，機(jī)械手進(jìn)入裝載腔。進(jìn)入完全后，托盤架緩緩下降，架上的片盤自動(dòng)落入機(jī)械手臂槽內(nèi)，機(jī)械手回縮至傳輸腔，并送入工藝腔進(jìn)行刻蝕，插板閥自動(dòng)關(guān)閉。

刻蝕完成后，插板閥打開(kāi)，機(jī)械手將刻蝕好的片盤送回裝載腔，托盤架升起接住片盤，機(jī)械手收回，托盤架回落至起始位置，并旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)工位，至此，一個(gè)片盤刻蝕工藝完成。全部3個(gè)片盤刻蝕完成后，進(jìn)排氣系統(tǒng)給裝載腔充一定量的氮?dú)獯祾吆统鋲?，待腔?nèi)氣壓和外界氣壓相當(dāng)時(shí)，打開(kāi)上蓋，即可取出片盤。

上述裝載腔為單層3工位托盤架，此外還可根據(jù)工藝要求和生產(chǎn)需要，在此基礎(chǔ)上對(duì)升降結(jié)構(gòu)稍作調(diào)整可改裝成2層或更多層結(jié)構(gòu)，即可同時(shí)放置6盤或更多片盤，更大程度上提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的干法等離子體刻蝕機(jī)的新型裝載腔采用了可升降旋轉(zhuǎn)的3工位托盤架式結(jié)構(gòu)，已在我公司干法等離子體刻蝕機(jī)上試制成功，實(shí)現(xiàn)了多盤不間斷連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，升降旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)可控，提高了生產(chǎn)效率，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，該結(jié)構(gòu)已被我公司正式申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。

［1］錢振型.固體電子學(xué)中的等離子體技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1987:20－22.

［2］蒲以康.等離子體放電原理與材料處理［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:474－481.