一種等離子體刻蝕機的傳片系統設計

張欽亮，蘇靜洪，王 謨，平志韓

（天通吉成機器技術有限公司，海寧 314400）

0 引言

刻蝕是半導體制造工藝、微電子IC制造工藝及微納制造工藝中的一種相當重要的工藝環節，是利用化學或物理方法有選擇性地從硅片或藍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]。隨著半導體器件的集成度提高，半導體器件的線寬越來越小，關鍵尺寸的控制也越來越重要，對刻蝕工藝的要求也越來越高。刻蝕最簡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、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，利用電場對等離子體進行引導和加速，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，從而達到利用物理上的能量轉移來實現刻蝕的目的[2]。優點是各向異性好、選擇比高、可控性、靈活性及重復性好，易實現自動化和潔凈度高，缺點是成本較高、設備復雜。

一般等離子體刻蝕機由工藝腔（刻蝕腔）、傳片腔、射頻電源、真空系統、進排氣系統、溫控系統和軟件控制系統等組成，如圖1所示。工藝進行時，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；隨后軟件系統控制射頻電源在上下電極中產生等離子體，進行刻蝕工藝；工藝結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行新一輪刻蝕。

圖1 一般等離子體刻蝕機結構原理示意圖

傳片腔是刻蝕系統的重要組成部分，其作用表現在：作為人機交流窗口，在刻蝕過程開始前將片盤放入傳片腔，刻蝕完成后，再從中取出片盤。現有的一般等離子體刻蝕機的傳片系統存在諸多問題，主要是片盤吞吐量較小，甚至是單片刻蝕，不能實現連續自動化和批量加工，無法適應大規模工業化生產需求。

本文提供了一種等離子體刻蝕機的新型傳片系統，實現了多盤連續自動化批量刻蝕，提高刻蝕效率，較好的滿足大規模工業化生產的要求。

1 設計原理和工作過程

本文設計的新型傳片系統由機械手腔和預裝腔兩部分組成，如圖2所示，機械手傳輸運動和片盤的預裝作業分別在兩個獨立的腔體內完成，圖中3個腔體之間均設由插板閥控制隔斷和連通。工作狀態時，工藝腔內為約10-5Pa的高真空，機械手腔和預裝腔則為10-2Pa的低真空狀態。采用兩個獨立腔體后，機械手腔可有更大空間采用全自動真空機械手，預裝腔則可形成多工位式片盤預裝，提高生產效率。

圖2 新型等離子體刻蝕機腔體系統示意圖

機械手腔主要有腔體、腔蓋和機械手組成，如圖3所示。機械手采用全自動SCARA結構型鋼帶傳動手臂，鋁合金專用手指，可在3個腔體內預定位置平穩高速運動。腔蓋上設有4個觀察窗孔，窗孔處設有光電信號檢測裝置，不僅可直觀觀察機械手運動情況，還可將運動及負載情況反饋至控制系統。

預裝腔主要有腔體、底盤、托盤架、上蓋和升降旋轉系統組成。其中托盤架上有3個工位，如圖3（b），可一次預裝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系統引導其定位和運動。升降旋轉系統主要有滾珠絲杠、波紋管和伺服電機等組成，可實現平穩、勻速的升降和旋轉。

工藝開始時，開啟預裝腔上蓋，此時底盤處于零點位置（即托盤架上3個工位中有一個會正對機械手取送片位置），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臺階，片盤可自動調整安放位置，確保片盤穩定。片盤安放完成后，關閉上蓋。開啟真空泵抽真空，真空達到預定值后，機械手開始取片。此時，軟件控制系統會自動檢測托盤架上片盤數量及位置，確保零點位置有片盤（如沒有，控制系統會自動指令托盤架旋轉，將有片盤的工位旋轉至零點位置）后，托盤架自動升起至預定位置，預裝腔和機械手腔中間的插板閥（插板閥1）打開，機械手進入預裝腔，進入完全后，托盤架下降，托盤架上的片盤自動落入機械手臂中間，機械手回縮至機械手腔并旋轉至工藝腔取送片處，插板閥1關閉。控制系統檢測信號到位后，機械手腔和工藝腔之間的插板閥（插板閥2）開啟，機械手將片盤送入工藝腔后并回縮，插板閥2關閉，刻蝕工藝正式開始。

刻蝕完成后，插板閥2開啟，機械手將刻蝕好的片盤從工藝腔取出，回縮并旋轉至預裝腔取送片出，插板閥2關閉，插板閥1開啟，機械手將片盤送入預裝腔，托盤架上升托起片盤，機械手回縮，托盤架回落至起始位置，至此，第一個片盤刻蝕完成。

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

全部3個片盤刻蝕完成、機械手將片盤都送至預裝腔后，插板閥1關閉，進排氣系統給預裝腔充氮氣進行吹掃和充壓，待腔內氣壓和外界氣壓相當時，開啟預裝腔上蓋，即可取出刻蝕后的片盤。在托盤架3個工位處都安裝有信號檢測裝置，這樣不論托盤架上放有幾盤晶片，在全部刻蝕完成后都會及時檢測并反饋給控制系統。

圖3 傳片系統結構示意圖

此外，預裝腔還可根據工藝要求，在上述單層托盤架基礎上對升降旋轉結構稍作調整可改裝成2層或以上結構，即可同時放置6盤或更多片盤，更大程度上提高生產效率。

2 結束語

本文提出的上述等離子體刻蝕機的新型傳片系統采用了機械手腔和預裝腔兩腔獨立結構，機械手采用全自動SCARA結構型鋼帶傳動手臂，鋁合金專用手指，預裝腔設有可升降旋轉的3工位式托盤架結構，托盤架邊緣處采用保護式臺階保證片盤在升降、旋轉及機械手取送片時的平穩，實現了多盤不間斷連續自動化生產，提高了生產效率，適應工業化大規模生產需求，具有明顯的技術和經濟優勢。

[1] 錢振型.固體電子學中的等離子體技術[M].北京:電子工業出版社.1987:20-22.

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