一種等離子體刻蝕機(jī)的傳片系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張欽亮，蘇靜洪，王 謨，平志韓

（天通吉成機(jī)器技術(shù)有限公司，海寧 314400）

0 引言

刻蝕是半導(dǎo)體制造工藝、微電子IC制造工藝及微納制造工藝中的一種相當(dāng)重要的工藝環(huán)節(jié)，是利用化學(xué)或物理方法有選擇性地從硅片或藍(lán)寶石襯底片等待刻蝕材料表面去除不需要的材料的過程[1]。隨著半導(dǎo)體器件的集成度提高，半導(dǎo)體器件的線寬越來(lái)越小，關(guān)鍵尺寸的控制也越來(lái)越重要，對(duì)刻蝕工藝的要求也越來(lái)越高。刻蝕最簡(jiǎn)單最常用的分類是干法刻蝕和濕法刻蝕。干法刻蝕種類很多，包括光輝發(fā)、氣相腐蝕和等離子體刻蝕等，其中最常用的是等離子體刻蝕，其原理是在等離子體處理裝置中通入刻蝕氣體，并將其電離成等離子體，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，通過轟擊被刻蝕物表面將被刻蝕物材料的原子擊出，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]。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，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和潔凈度高，缺點(diǎn)是成本較高、設(shè)備復(fù)雜。

一般等離子體刻蝕機(jī)由工藝腔（刻蝕腔）、傳片腔、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)等組成，如圖1所示。工藝進(jìn)行時(shí)，首先在傳片腔中放入裝有所需刻蝕晶片的片盤，通過傳片裝置送至工藝腔室；隨后軟件系統(tǒng)控制射頻電源在上下電極中產(chǎn)生等離子體，進(jìn)行刻蝕工藝；工藝結(jié)束后再由傳片裝置將片盤送至傳片腔，隨后從傳片腔中取出片盤，完成一次刻蝕，再次放入片盤可以進(jìn)行新一輪刻蝕。

圖1 一般等離子體刻蝕機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

傳片腔是刻蝕系統(tǒng)的重要組成部分，其作用表現(xiàn)在：作為人機(jī)交流窗口，在刻蝕過程開始前將片盤放入傳片腔，刻蝕完成后，再?gòu)闹腥〕銎P。現(xiàn)有的一般等離子體刻蝕機(jī)的傳片系統(tǒng)存在諸多問題，主要是片盤吞吐量較小，甚至是單片刻蝕，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化和批量加工，無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需求。

本文提供了一種等離子體刻蝕機(jī)的新型傳片系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多盤連續(xù)自動(dòng)化批量刻蝕，提高刻蝕效率，較好的滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

1 設(shè)計(jì)原理和工作過程

本文設(shè)計(jì)的新型傳片系統(tǒng)由機(jī)械手腔和預(yù)裝腔兩部分組成，如圖2所示，機(jī)械手傳輸運(yùn)動(dòng)和片盤的預(yù)裝作業(yè)分別在兩個(gè)獨(dú)立的腔體內(nèi)完成，圖中3個(gè)腔體之間均設(shè)由插板閥控制隔斷和連通。工作狀態(tài)時(shí)，工藝腔內(nèi)為約10-5Pa的高真空，機(jī)械手腔和預(yù)裝腔則為10-2Pa的低真空狀態(tài)。采用兩個(gè)獨(dú)立腔體后，機(jī)械手腔可有更大空間采用全自動(dòng)真空機(jī)械手，預(yù)裝腔則可形成多工位式片盤預(yù)裝，提高生產(chǎn)效率。

圖2 新型等離子體刻蝕機(jī)腔體系統(tǒng)示意圖

機(jī)械手腔主要有腔體、腔蓋和機(jī)械手組成，如圖3所示。機(jī)械手采用全自動(dòng)SCARA結(jié)構(gòu)型鋼帶傳動(dòng)手臂，鋁合金專用手指，可在3個(gè)腔體內(nèi)預(yù)定位置平穩(wěn)高速運(yùn)動(dòng)。腔蓋上設(shè)有4個(gè)觀察窗孔，窗孔處設(shè)有光電信號(hào)檢測(cè)裝置，不僅可直觀觀察機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況，還可將運(yùn)動(dòng)及負(fù)載情況反饋至控制系統(tǒng)。

預(yù)裝腔主要有腔體、底盤、托盤架、上蓋和升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成。其中托盤架上有3個(gè)工位，如圖3（b），可一次預(yù)裝3盤晶片，托盤架固定在底盤上，由安裝在其下端的升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)引導(dǎo)其定位和運(yùn)動(dòng)。升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要有滾珠絲杠、波紋管和伺服電機(jī)等組成，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、勻速的升降和旋轉(zhuǎn)。

工藝開始時(shí)，開啟預(yù)裝腔上蓋，此時(shí)底盤處于零點(diǎn)位置（即托盤架上3個(gè)工位中有一個(gè)會(huì)正對(duì)機(jī)械手取送片位置），將所需刻蝕晶片的片盤（1-3盤，按需放置）放入托盤架，托盤架邊緣留有防護(hù)臺(tái)階，片盤可自動(dòng)調(diào)整安放位置，確保片盤穩(wěn)定。片盤安放完成后，關(guān)閉上蓋。開啟真空泵抽真空，真空達(dá)到預(yù)定值后，機(jī)械手開始取片。此時(shí)，軟件控制系統(tǒng)會(huì)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（如沒有，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)指令托盤架旋轉(zhuǎn)，將有片盤的工位旋轉(zhuǎn)至零點(diǎn)位置）后，托盤架自動(dòng)升起至預(yù)定位置，預(yù)裝腔和機(jī)械手腔中間的插板閥（插板閥1）打開，機(jī)械手進(jìn)入預(yù)裝腔，進(jìn)入完全后，托盤架下降，托盤架上的片盤自動(dòng)落入機(jī)械手臂中間，機(jī)械手回縮至機(jī)械手腔并旋轉(zhuǎn)至工藝腔取送片處，插板閥1關(guān)閉。控制系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)到位后，機(jī)械手腔和工藝腔之間的插板閥（插板閥2）開啟，機(jī)械手將片盤送入工藝腔后并回縮，插板閥2關(guān)閉，刻蝕工藝正式開始。

刻蝕完成后，插板閥2開啟，機(jī)械手將刻蝕好的片盤從工藝腔取出，回縮并旋轉(zhuǎn)至預(yù)裝腔取送片出，插板閥2關(guān)閉，插板閥1開啟，機(jī)械手將片盤送入預(yù)裝腔，托盤架上升托起片盤，機(jī)械手回縮，托盤架回落至起始位置，至此，第一個(gè)片盤刻蝕完成。

此后，底盤自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，將下一個(gè)載有片盤的托盤架工位旋至零點(diǎn)，并升起，重復(fù)上述第1盤片盤的取送過程，開始第2、3盤的刻蝕。

全部3個(gè)片盤刻蝕完成、機(jī)械手將片盤都送至預(yù)裝腔后，插板閥1關(guān)閉，進(jìn)排氣系統(tǒng)給預(yù)裝腔充氮?dú)膺M(jìn)行吹掃和充壓，待腔內(nèi)氣壓和外界氣壓相當(dāng)時(shí)，開啟預(yù)裝腔上蓋，即可取出刻蝕后的片盤。在托盤架3個(gè)工位處都安裝有信號(hào)檢測(cè)裝置，這樣不論托盤架上放有幾盤晶片，在全部刻蝕完成后都會(huì)及時(shí)檢測(cè)并反饋給控制系統(tǒng)。

圖3 傳片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

此外，預(yù)裝腔還可根據(jù)工藝要求，在上述單層托盤架基礎(chǔ)上對(duì)升降旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)稍作調(diào)整可改裝成2層或以上結(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。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的上述等離子體刻蝕機(jī)的新型傳片系統(tǒng)采用了機(jī)械手腔和預(yù)裝腔兩腔獨(dú)立結(jié)構(gòu)，機(jī)械手采用全自動(dòng)SCARA結(jié)構(gòu)型鋼帶傳動(dòng)手臂，鋁合金專用手指，預(yù)裝腔設(shè)有可升降旋轉(zhuǎn)的3工位式托盤架結(jié)構(gòu)，托盤架邊緣處采用保護(hù)式臺(tái)階保證片盤在升降、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手取送片時(shí)的平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了多盤不間斷連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)需求，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

[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.