刻蚀装置的压环机构及其刻蚀装置的制作方法

1.本实用新型涉及刻蚀设备技术领域，尤其是涉及一种刻蚀装置的压环机构及其刻蚀装置。


背景技术：

2.在半导体集成电路工艺中刻蚀为其中非常关键的工艺环节。一般采用等离子体刻蚀方式，在真空反应腔内进行刻蚀，在真空反应腔内设有机械电极，晶圆位于机械电极的上表面，在基座顶部的电极中施加射频，使在处理腔室内形成引入的反应气体的等离子体对晶圆进行加工处理。
3.主要的工艺过程为：传输腔与工艺腔(即真空反应腔室)腔压平衡时，载有晶圆的机械手传输至机械电极上方—压环机构上升，顶针上升并顶起机械手上的晶圆—载有晶圆的顶针下降，晶圆支撑在机械电极的上表面，压环机构下降并将晶圆压在机械电极表面—机械手退出工艺腔。
4.在此过程中，由于工艺腔内处于真空状态，机械电极和晶圆之间通入氦气(即背氦)，背氦的存在会使晶圆和机械电极之间形成背压，很容易将晶圆向上顶起甚至吹走，故压环机构的作用至关重要。在工艺时使用压环将晶圆压紧在电极表面，同时晶圆被压紧后会使得晶圆背面的氦气被封住，形成背压，背压的存在可以用来判断晶圆是否被损坏。
5.在相关技术中的等离子刻蚀设备中，压环机构采用气缸驱动，带动压环进行升降动作，压环在压紧晶圆时的压紧力是依靠气缸向下的拉紧力来确定，但是在实际应用中，对于不同的背氦压力而言，对晶圆压紧力需求也会不同，由于依靠气缸下拉的压紧力不可调节，存在压碎晶圆的风险。故此需要对上述技术问题进行改进。


技术实现要素：

6.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.为此，本实用新型提出一种刻蚀装置的压环机构，所述压环机构对晶圆的压紧力可调，可避免压碎晶圆。
8.本实用新型还提出了一种具有上述压环机构的刻蚀装置。
9.根据本实用新型第一方面的刻蚀装置的压环机构，所述刻蚀装置包括真空腔体、设在所述真空腔体内的电极、支撑在所述电极上的晶圆和用于压紧固定所述晶圆的压环机构，所述压环机构包括：压环，所述压环压住所述晶圆的外边缘以使所述晶圆紧贴在所述电极上表面；配重组件，所述配重组件和所述压环的外边缘通过第一压杆连接，且在上下方向上所述配重组件位于所述压环的下方；驱动装置和升降装置，所述驱动装置和升降装置均设在所述配重组件的下方，所述驱动装置和所述升降装置相连用以驱动所述升降装置在上下方向上升降；所述升降装置上升并顶起所述配重组件、进而推动所述压环向上脱离所述晶圆至预定间隙；所述配重组件跟随所述升降装置下降而下降至预定位置、进而带动所述压环压紧所述晶圆的外边缘，继而所述升降装置继续下降并脱离所述配重组件，所述配重
组件用于调节所述压环对所述晶圆的压紧力。
10.根据本实用新型的刻蚀装置的压环机构，可以根据晶圆对压紧力的需求自动进行调节，既可以保证压紧晶圆、防止晶圆在电极上移动，又可以有效地避免由于压紧力过大从而压碎晶圆。
11.根据本实用新型的一个实施例，所述配重组件包括：
12.配重腔体，所述配重腔体内限定出容纳腔，在所述配重腔体上设有排气孔；
13.第一配重块，所述第一配重块固定在所述容纳腔内。
14.进一步地，所述配重组件还包括：第二配重块，所述第二配重块设在所述容纳腔内，所述第二配重块配合在所述第一配重块上，所述第二配重块通过连接柱分别与所述配重腔体和所述第一配重块固定相连。
15.根据本实用新型一个可选示例，所述配重腔体形成为环形腔体，所述第一配重块和所述第二配重块均形成为环形块。
16.根据本实用新型另一个可选示例，所述配重腔体包括：包覆上壳和底板，所述包覆上壳和所述底板共同限定出所述容纳腔，所述包覆上壳和所述底板可拆卸地相连。
17.根据本实用新型又一个可选示例，所述第一压杆的朝向所述配重组件的一端由上至下依次穿过所述配重腔体的顶壁、所述第二配重块和所述第一配重块、并与所述第一配重块的底部配合固定。
18.可选地，所述压环上的外周设有沿周向均匀分布的多个凸起，每个所述凸起分别沿所述压环的径向向外延伸，所述第一压杆包括多个，所述凸起和所述第一压杆一一对应相连。
19.可选地，所述压环的内周侧设有多个卡爪，多个所述卡爪沿所述压环的周向均匀间隔开布置，所述压环通过所述卡爪压住所述晶圆的外边缘。
20.进一步地，每个所述卡爪的自由端的下表面形成为平面，每个所述卡爪的自由端的上表面形成为向上且沿径向向外延伸的倾斜面。
21.根据本实用新型另一个实施例，所述升降装置包括：多个第二压杆，每个所述第二压杆的朝向所述配重组件的一端形成为球状，与所述配重组件抵接配合；连接盘，在上下方向上所述连接盘连接在所述第二压杆和所述驱动装置之间，所述多个第二压杆沿所述连接盘的周向均匀间隔开布置，所述第二压杆的球状端处于同一水平高度。
22.进一步地，所述连接盘和所述驱动装置均位于所述真空腔体外，每个所述第二压杆的朝向所述连接盘的一端由所述真空腔体底壁穿出并与所述连接盘相连，每个所述第二压杆外套设有波纹管。
23.根据本实用新型第二方面的刻蚀装置，包括上述实施例中所述的刻蚀装置的压环机构。
24.根据本实用新型的刻蚀装置，设置有如第一方面任一种所述的刻蚀装置的压环机构。所述刻蚀装置与上述的压环机构相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
25.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
26.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
27.图1是根据本实用新型实施例的刻蚀装置的剖视图；
28.图2是根据本实用新型另一实施例的刻蚀装置的剖视图。
29.图3是图2中沿a-a线的剖视图；
30.图4是根据本实用新型实施例的压环机构的部分结构立体图；
31.图5是根据本实用新型实施例的压环机构的一个剖视图；
32.图6是根据本实用新型实施例的压环机构的另一个剖视图；
33.图7是根据本实用新型实施例的配重腔体的包覆上壳的结构示意图；
34.图8是根据本实用新型实施例的另一视角的配重腔体的包覆上壳的结构示意图。
35.附图标记：
36.刻蚀装置1000，真空腔体200，电极300，晶圆400，
37.压环110，凸起111，卡爪112，第一压杆120，底部台阶121，配重组件130，配重腔体131，容纳腔130a，排气孔130b，包覆上壳1311，第二沉头通孔131a，贯穿孔131b,底板1312，第一配重块132，第二螺纹孔1321，第二配重块133，第二安装孔1331，连接柱134，第三螺纹孔134a，螺纹柱1341，第二压杆140，球状端141，波纹管142，连接盘150，驱动装置160。
具体实施方式
38.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
39.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
40.下面参考图1-图8描述根据本实用新型第一方面实施例的刻蚀装置1000的压环机构。
41.如图1所示，根据本实用新型实施例的刻蚀装置1000的压环机构，刻蚀装置1000包括真空腔体200、设在真空腔体200内的电极300、支撑在电极300上的晶圆400和用于压紧固定晶圆400的压环机构。
42.可以理解的是，基于背景技术中的介绍，在进行等离子体刻蚀时，需要压环机构压紧晶圆400，一方面可以避免晶圆400和电极300之间的氦气吹跑晶圆400；另一方面需要将晶圆400和电极300之间的氦气封住，在晶圆400和电极300之间形成背压，进而可以根据背压变化实时判断晶圆400是否受损。另外，在刻蚀工艺过程中会有大量的热量集聚在晶圆400的表面，通常情况下通过晶圆400和电极300之间的氦气将晶圆400表面的热量传递至电
极300上，同时采用冷水机来对电极300进行降温，实现对晶圆400和电极300的冷却。
43.进一步地，压环机构包括压环110、配重组件130、驱动装置160和升降装置。压环110压住晶圆400的外边缘以使晶圆400紧贴在电极300上表面。配重组件130和压环110的外边缘通过第一压杆120连接，且在上下方向上配重组件130位于压环110的下方，驱动装置160和升降装置均设在配重组件130的下方，驱动装置160和升降装置相连用以驱动升降装置在上下方向上升降。
44.压环机构的具体动作过程为：在需要顶起压环110时，升降装置上升并顶起配重组件130、进而推动压环110向上脱离晶圆400至预定间隙。在需要压紧压环110时，配重组件130跟随升降装置下降而下降至预定位置、进而带动压环110压紧晶圆400的外边缘，继而升降装置继续下降并脱离配重组件130，在配重组件130脱离升降装置后通过配重组件130调节压环110对晶圆400的压紧力。
45.根据本实用新型实施例的刻蚀装置1000的压环机构，可以根据晶圆400对压紧力的需求自动进行调节，既可以保证压紧晶圆400、防止晶圆400在电极300上移动，又可以有效地避免由于压紧力过大从而压碎晶圆400。
46.可选地，压环110的材质一般为陶瓷，石英或者表面镀有硬质氧化层、聚四氟乙烯或碳化硅的铝。
47.根据本实用新型的一个实施例，配重组件130包括配重腔体131和第一配重块132。配重腔体131内限定出容纳腔130a，可以容纳对应的配重块，如图5所示，第一配重块132固定在容纳腔130a内。由于配重块一般采用不锈钢材质，在等离子体刻蚀的真空腔体200内，不锈钢材质的存在会影响真空腔体200内的清洁度，故通过配置配重腔体131可以包覆在配重块的外部，配重腔体131采用铝材质，同时对配重腔体131的表面做硬质阳极氧化处理，以防止等离子体的腐蚀。
48.进一步地，在配重腔体131上设有排气孔130b，用以排空容纳腔130a内的空气，使得容纳腔130a内和真空腔体200内均保持真空状态。
49.如图5所示，第一配重块132在上下方向上的厚度小于容纳腔130a的高度，容纳腔130a内除了第一配重块132所占用的空间外的剩余空间内，在该剩余空间内残余的空气会影响真空腔体200内真空的维持，通过在配重腔体131的顶壁上设有排气孔130b，在真空腔体200抽真空时，容纳腔130a内的空气会通过该排气孔130b向外排出，保证容纳腔130a的内部也为真空状态。
50.如图5和图6所示，进一步地，配重组件130还包括：第二配重块133，第二配重块133设在容纳腔130a内，第二配重块133配合在第一配重块132上，第二配重块133通过连接柱134分别与配重腔体131和第一配重块132固定相连。
51.根据本实用新型一个可选示例，配重腔体131形成为环形腔体，第一配重块132和第二配重块133均形成为环形块。
52.根据本实用新型另一个可选示例，配重腔体131包括：包覆上壳1311和底板1312，包覆上壳1311和底板1312共同限定出容纳腔130a，包覆上壳1311和底板1312可拆卸地相连。包覆上壳1311和底板1312共同配合将第一配重块132或第二配重块133完全覆盖住，避免将配重块的不锈钢材质暴露在真空腔体200内的等离子体环境中。包覆上壳1311和底板1312可拆卸地相连可以方便在容纳腔130a内取放配重块，譬如在需要增加配重块时，可以
拆开底板1312和包覆上壳1311，向容纳腔130a内添置一个或多个配重块。
53.根据本实用新型又一个可选示例，第一压杆120的朝向配重组件130的一端(如图5所示的第一压杆120的下端)由上至下依次穿过配重腔体131的顶壁、第二配重块133和第一配重块132、并与第一配重块132的底部配合固定。
54.需要说明的是，配重块可以是一个整体结构，也可以为多层结构，如图5和图6所示，第一压杆120的下端通过包覆上壳1311的贯穿孔131b进入容纳腔130a内，第一配重块132和第二配重块133分别为两个单独的环形结构，其中第一配重块132为基础配重，在第一配重块132上设有三个第一沉头通孔，第一压杆120可以穿过第一沉头通孔并且第一压杆120的底部台阶121可以和第一沉头通孔的台阶部进行配合。在第一配重块132上设有第一螺纹孔，配重腔体131的底板1312可以通过第一螺纹孔固定在第一配重块132上。在单独使用第一配重块132时，使用多个连接柱134来实现第一配重块132、包覆上壳1311和底板1312的整体固定，从而形成一整个配重单元。连接柱134的底部具有突出的螺纹柱1341，可以与第一配重块132上表面的第二螺纹孔1321配合固定，同时连接柱134的顶部具有第三螺纹孔134a，第三螺纹孔134a与包覆上壳1311的第二沉头通孔131a相对，使用螺钉紧固后可以实现包覆上壳1311与第一配重块132的固定。
55.当在刻蚀工艺时晶圆400和电极300之间的背氦压力较大时，氦气对于晶圆400的压力作用也会增大，为了减少氦气的泄漏，需要增大压环机构对晶圆400的压紧力，此时可以在第一配重块132上增设第二配重块133，其中第二配重块133的重量可以小于第一配重块132的重量。在第二配重块133上设有三个第一安装孔，第一压杆120可以通过安装孔穿过第二配重块133。此外，在第二配重块133上设有比连接柱134的横截面的径向尺寸略大的第二安装孔1331，用于穿过连接柱134。实现第二配重块133与第一配重块132的贴合，同时为了防止第二配重块133在容纳腔130a内晃动，使用螺栓将其固定在第一配重块132上。根据实际背氦的压力需求以及晶圆400的特性，可适当增减第二配重块133的数量，如果背氦压力大，则可以增加第二配重块133的数量，直到填满容纳腔130a，如果背氦压力小，则可以减少或者不设置第二配重块133。
56.可选地，压环110上的外周设有沿周向均匀分布的多个凸起111，每个凸起111分别沿压环110的径向向外延伸，第一压杆120包括多个，凸起111和第一压杆120一一对应相连。通过凸起111的设置可以避免第一压杆120对电极300造成干扰，避让出电极300所占用的空间。
57.可选地，压环110的内周侧设有多个卡爪112，多个卡爪112沿压环110的周向均匀间隔开布置，压环110通过卡爪112压住晶圆400的外边缘，这样，可以减少压环110对晶圆400外边缘的覆盖面积，使得对晶圆400的刻蚀充分完全。
58.进一步地，每个卡爪112的自由端的下表面形成为平面，有利于对晶圆400进行压紧固定，每个卡爪112的自由端的上表面形成为向上且沿径向向外延伸的倾斜面，这样，可以减少卡爪112对晶圆400表面的遮挡，有利于对晶圆400的刻蚀完全。
59.根据本实用新型另一个实施例，升降装置包括：多个第二压杆140和连接盘150，每个第二压杆140的朝向配重组件130的一端(如图1和图3中第二压杆140的上端)形成为球状，与配重组件130抵接配合。
60.在上下方向上连接盘150连接在第二压杆140和驱动装置160之间，可选地，连接盘
150形成为三叉盘。多个第二压杆140沿连接盘150的周向均匀间隔开布置，第二压杆140的球状端141处于同一水平高度。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。在需要顶起压环110时，驱动装置160驱动第二压杆140上升并顶起配重组件130，在上升过程中第二压杆140的球状端141抵接住配重组件130，进而推动压环110向上脱离晶圆400至预定间隙。在需要压紧压环110时，驱动装置160驱动第二压杆140下降，配重组件130跟随第二压杆140下降而下降至预定位置，在下降过程中第二压杆140的球状端141抵接住配重组件130，进而带动压环110压紧晶圆400的外边缘，然后第二压杆140继续下降并脱离配重组件130，此时第二压杆140的球状端141和配重组件130分离，在配重组件130脱离升降装置后通过配重组件130调节压环110对晶圆400的压紧力。
61.进一步地，连接盘150和驱动装置160均位于真空腔体200外，每个第二压杆140的朝向连接盘150的一端由真空腔体200底壁穿出并与连接盘150相连，每个第二压杆140外套设有波纹管142。第二压杆140的朝向配重组件130的球状端141位于真空腔体200内，通过第二压杆140和波纹管142的配合，既可以实现真空与大气之间的直线运动传递，同时又能实现对真空腔体200内的真空密封。
62.本实用新型实施例中的刻蚀装置1000的压环机构具体的工作过程为：在机械手传送晶圆400进入真空腔体200之前，气缸驱动第二压杆140同步上升，第二压杆140的球状端141接触到配重组件130的底部，三个第二压杆140同时运动，将配重组件130、第一压杆120和压环110顶起至距离电极300预定间隙，然后载有晶圆400的机械手从压环110与电极300之间进入，顶针将晶圆400从机械手上取下，机械手退出，之后顶针将晶圆400放置到电极300上。
63.之后气缸驱动第二压杆140下降，压环110及配重组件130等随之下降，当压环110的底部接触到晶圆400上表面时，配重组件130以及第一压杆120不再下降，而气缸的行程还未结束，气缸继续驱动第二压杆140下降，第二压杆140与配重组件130完全分离，此时施加在晶圆400表面的压紧力则为压环110、第一压杆120和配重组件130的整体所受重力，尤其是配重组件130的重量为压紧力的最主要来源。压环110低位压紧晶圆400的结构如图3所示。
64.根据本实用新型实施例的刻蚀装置1000的压环机构的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
65.根据本实用新型第二方面实施例的刻蚀装置1000，包括上述实施例中的刻蚀装置1000的压环机构。
66.根据本实用新型实施例的刻蚀装置1000，可以根据晶圆400对压紧力的需求自动进行调节，既可以保证压紧晶圆400、防止晶圆400在电极300上移动，又可以有效地避免由于压紧力过大从而压碎晶圆400。
67.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
68.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：
在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。