CN112071801B - 顶针升降装置和半导体工艺腔室 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种顶针升降装置和半导体工艺腔室，用于驱动工艺腔室中的多个顶针同步升降，以使顶针的顶端高于或低于基座的承载面，该顶针升降装置包括升降本体、升降连接件和气压控制结构，其中，升降本体设置在顶针的下方，且在升降本体中设置有空腔；升降连接件可升降的设置在空腔中，用于与各个顶针连接，并且升降连接件将空腔分隔成上部空间和下部空间；气压控制结构用于通过控制上部空间与下部空间的气体压力差，来驱动升降连接件升降，以带动多个顶针同步升降。本发明实施例提供的顶针升降装置和半导体工艺腔室，可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种顶针升降装置和半导体工艺腔室。
背景技术
对于半导体加工设备，通常需要利用机械手在不同的工艺腔室之间传输晶圆，以化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，以下简称CVD)工艺为例，首先，将晶圆从晶圆移载模组(EFEM)传送至传输腔室的真空机械手上；而后，再由真空机械手传送至CVD腔室中，并放置在加热基座上。但是，仅依靠加热基座的升降和机械手的配合不足以实现整个取片或放片的过程，因此，一般会在工艺腔室中配置顶针以及顶针升降装置，顶针升降装置驱动顶针升降，以配合机械手将晶圆放置在加热基座上，或者自加热基座上取出晶圆。
但是，现有的顶针升降装置为了具备在真空腔室中的升降功能，需要配置波纹管、电机、丝杠等多个元器件，不仅结构复杂、设备成本高、维护困难，而且占用空间较大，导致工艺腔室因其内部空间较大而需要填充大量的气体，从而导致使用成本增加。
发明内容
本发明实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种顶针升降装置和半导体工艺腔室，其不仅结构简单，设备成本低，而且占用空间小，从而可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种顶针升降装置，用于驱动半导体工艺腔室中的多个顶针同步升降，以使所述顶针的顶端高于或低于基座的承载面，所述顶针升降装置包括升降本体、升降连接件和气压控制结构，其中，在所述升降本体中设置有空腔；
所述升降连接件可升降的设置在所述空腔中，用于与各个所述顶针连接，并且所述升降连接件将所述空腔分隔成上部空间和下部空间；
所述气压控制结构用于通过控制所述上部空间与下部空间的气体压力差，来驱动所述升降连接件升降，以带动多个所述顶针同步升降。
可选的，所述上部空间与所述工艺腔室相连通；所述下部空间为封闭空间；
所述气压控制结构用于通过向所述下部空间中通入气体或者抽取所述下部空间中的气体，来控制所述上部空间与下部空间之间的气体压力差。
可选的，所述气压控制结构包括第一气路、第二气路、充气装置和抽气装置，其中，所述第一气路的两端分别与所述下部空间和所述抽气装置连接，且在所述第一气路上设置有第一通断阀；
所述第二气路的两端分别与所述下部空间和所述充气装置连接，且在所述第二气路上设置有第二通断阀；
所述抽气装置用于通过所述第一气路抽取所述下部空间中的气体；
所述充气装置用于通过所述第二气路向所述下部空间中通入气体。
可选的，所述充气装置包括压力平衡气路，所述压力平衡气路的一端与所述工艺腔室的内部连通，所述压力平衡气路的另一端与所述第二气路的一端连接，所述第二气路的另一端与所述下部空间连通。
可选的，所述第二气路的另一端与所述第一气路连接，以通过所述第一气路与所述下部空间连通，且所述第二气路的另一端与所述第一气路连接的连接点位于所述第一通断阀与所述下部空间之间。
可选的，所述压力平衡管路或者所述第二气路上还设置有限流装置，所述限流装置用于限制所述压力平衡管路或者所述第二气路中的气体流量。
可选的，所述顶针升降装置还包括弹性件，所述弹性件设置在所述下部空间中，且分别与所述升降连接件和所述空腔的底壁连接，用以向所述升降连接件施加弹性支撑力，所述弹性支撑力的大小被设置为当所述上部空间与下部空间的气体压力相等时，使各个所述顶针的上端高于所述基座的承载面。
可选的，所述弹性件包括至少一个压缩弹簧。
可选的，所述空腔包括间隔设置在所述升降本体中的多个子空腔，所述子空腔的数量与所述顶针的数量相同；
所述升降连接件为多个，且各个所述升降连接件一一对应地设置在各个所述子空腔中，用于与对应的所述顶针连接；并且，各个所述升降连接件将对应的所述子空腔分隔成所述上部空间和所述下部空间；
所述气压控制结构用于同时控制各个所述子空腔的所述上部空间与下部空间的气体压力差。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体工艺腔室，包括用于承载被加工工件的基座、沿同一圆周方向间隔分布的多个顶针以及用于驱动多个所述顶针同步升降的顶针升降装置，所述顶针升降装置采用本发明实施例提供的上述顶针升降装置。
可选的，所述升降本体设置在所述基座中；并且，在所述基座中，且位于所述空腔的上方设置有多个导向孔，各个所述导向孔的下端均与所述空腔相连通；各个所述顶针一一对应地设置在各个所述导向孔中，且所述顶针的下端通过所述导向孔延伸至所述空腔中，并与所述升降连接件连接。
可选的，所述顶针与所述导向孔之间具有间隙，所述上部空间通过所述间隙与所述工艺腔室相连通；
所述下部空间为封闭空间；所述气压控制结构用于通过向所述下部空间中通入气体或者抽取所述下部空间中的气体，来控制所述上部空间与下部空间之间的气体压力差。
可选的，所述升降本体设置在所述基座的下方，并且在所述升降本体中设置有多个第一导向孔，各个所述第一导向孔的上端位于所述升降本体的上表面，下端与所述空腔相连通；
在所述基座中设置有沿竖直方向贯通所述基座的多个第二导向孔，各个所述顶针一一对应地设置在各个所述第二导向孔中，且各个所述顶针的下端分别通过各个所述第二导向孔伸出所述基座，并分别通过各个所述第一导向孔延伸至所述空腔中，且与所述升降连接件连接。
可选的，所述顶针与所述第一导向孔之间具有间隙，所述上部空间通过所述间隙与所述工艺腔室相连通；
所述下部空间为封闭空间；所述气压控制结构用于通过向所述下部空间中通入气体或者抽取所述下部空间中的气体，来控制所述上部空间与下部空间之间的气体压力差。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例提供的顶针升降装置，其利用气压控制结构通过控制空腔的上部空间与下部空间的气体压力差，来驱动空腔中的升降连接件升降，以带动与之连接的各个顶针同步升降，这种驱动结构不仅结构简单，设备成本低，而且占用空间小，从而可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
本发明实施例提供的半导体工艺腔室，其通过采用本发明实施例提供的上述顶针升降装置，不仅结构简单，设备成本低，而且占用空间小，从而可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的顶针升降装置的一种剖视图；
图2为图1中I区域的放大图；
图3为本发明第一实施例提供的顶针升降装置的另一种剖视图；
图4为本发明第二实施例提供的顶针升降装置的剖视图；
图5为本发明第三实施例提供的顶针升降装置的剖视图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的顶针升降装置和半导体工艺腔室进行详细描述。
第一实施例
请参阅图1至图3，本实施例提供的顶针升降装置6，用于驱动半导体工艺腔室1中的多个顶针5同步升降，以使顶针5的顶端高于或低于基座3的承载面。顶针5的结构可以有多种，例如，在本实施例中，顶针5为至少三个，且沿同一圆周方向(例如沿基座3的圆周方向)间隔分布，并且顶针5内置于基座3中，且能够相对于基座3升降，并且在顶针5的上端形成有锥状的凸台，且对应地在基座3的导向孔31的上部形成有锥形孔，当顶针5位于如图3所示的位置处，凸台的外周壁与导向孔31的锥形孔孔壁相配合。
在本实施例中，半导体工艺腔室1的侧壁具有开口11，机械手2经由该开口11将晶圆4送入或送出半导体工艺腔室1。并且，在机械手2将晶圆4送入半导体工艺腔室1之前，在顶针升降装置6的驱动下，各个顶针5上升，直至顶端均位于高于基座3的承载面的位置处，如图1中顶针5的位置所示；然后，机械手2在指定高度(例如高于顶针5的顶端至少3mm)平移至半导体工艺腔室1中，以使晶圆4位于各个顶针5的上方；之后，机械手2下降至低于顶针5的顶端且高于基座3的承载面的高度，如图1中机械手2的高度所示，此时晶圆4被传递至各个顶针5的顶端，由顶针5支撑；然后，机械手2移出半导体工艺腔室1；最后，在顶针升降装置6的驱动下，各个顶针5下降，直至顶端均位于低于基座3的承载面的位置处，如图3中顶针5的位置所示，此时晶圆4被传递至基座3上，从而完成晶圆4的放片操作。晶圆4的取片操作与上述放片操作相类似，而仅仅是各个部件的动作顺序不同，在此不再赘述。
在本实施例中，顶针升降装置6包括升降本体，具体地，该升降本体设置在基座3中，例如，升降本体可以是基座3的一部分，即，升降本体与基座3一体成型；或者，升降本体也可以与基座3采用分体式结构，且升降本体内置在基座3中。并且，升降本体中设置有空腔61；并且，在基座3中，且位于空腔61的上方设置有多个导向孔31，各个导向孔31的下端均与空腔61相连通；各个顶针5一一对应地设置在各个导向孔31中，且顶针5的下端通过导向孔31延伸至空腔61中。
顶针升降装置6还包括升降连接件62，该升降连接件62可升降的设置在空腔61中，且与延伸至空腔61中的各个顶针5的下端连接，以使顶针5能够随升降连接件62同步升降；并且，如图2所示，升降连接件62将空腔61分隔成上部空间61a和下部空间61b。
如图1和图3所示，顶针升降装置6还包括气压控制结构，该气压控制结构用于通过控制上部空间61a和下部空间61b的气体压力差，来驱动升降连接件62升降，以带动多个顶针5同步升降。
本实施例提供的顶针升降装置，其与现有技术中需要配置波纹管、电机、丝杠等多个元器件的升降装置相比，不仅结构简单，设备成本低，而且占用空间小，从而可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
上述气压控制结构可以有多种实现方式，例如，在本实施例中，如图2所示，上部空间61a与工艺腔室相连通，具体地，顶针5与导向孔31之间具有间隙，上部空间61a通过该间隙与工艺腔室相连通。当然，在实际应用中，也可以另外设置通道，以实现上部空间61a与工艺腔室相连通。而且，下部空间61b为封闭空间；上述气压控制结构用于通过向下部空间61b中通入气体或者抽取下部空间61b中的气体，来控制上部空间61a与下部空间61b之间的气体压力差。假设上部空间61a和下部空间61b的气体压力分别为P1和P2，由于上部空间61a与工艺腔室相连通，P1始终与半导体工艺腔室1的压力相等，在这种情况下，通过气压控制结构向下部空间61b中通入气体或者抽取下部空间61b中的气体，即可以改变P2的大小，从而可以实现控制上部空间61a和下部空间61b的气体压力差，以驱动升降连接件62以及多个顶针5同步升降。
但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，也可以使上部空间61a与下部空间61b均为封闭空间，并通过分别改变上部空间61a和下部空间61b的气体压力，来控制上部空间61a和下部空间61b的气体压力差。
在本实施例中，顶针升降装置6还包括弹性件63，该弹性件63设置在下部空间61b中，且分别与升降连接件62和空腔61的底壁连接，用以向升降连接件62施加弹性支撑力，该弹性支撑力的大小被设置为当上部空间61a与下部空间61b的气体压力相等时，使各个顶针5的上端高于基座5的承载面。假设上述弹性支撑力为P3，当P1等于P2时，如图2所示，升降连接件62会弹性支撑力P3的作用下上升，直至顶端上升至高于基座5的承载面的位置A处，这样，只需使P1和P2均等于半导体工艺腔室1的压力，即可自动使顶针5上升，从而可以基于此原理简化气压控制结构的结构，进一步降低设备成本。另外，在顶针5下降的过程中，由于弹性件63始终提供一个向上的弹性支撑力，这样可以保证顶针5能够缓慢安全地下降，而不会因下降速度过快而损坏。
上述弹性件63例如为至少一个压缩弹簧，为了更容易地实现顶针5的下降，上述弹性支撑力P3不宜过大，例如选择弹簧常数小于0.05N/mm的弹簧。
在本实施例中，气压控制结构包括第一气路64、第二气路66、充气装置和抽气装置(图中未示出)，其中，第一气路64的两端分别与下部空间61b和抽气装置连接，且在该第一气路64上设置有第一通断阀65；第二气路66的两端分别与下部空间61b和充气装置连接，且在第二气路66上设置有第二通断阀68；抽气装置用于通过第一气路64抽取下部空间61b中的气体；充气装置用于通过第二气路66向下部空间61b中通入气体。
在本实施例中，上述充气装置包括压力平衡气路，该压力平衡气路例如为上述第二气路66的一部分，也就是说，第二气路66的一端延伸至半导体工艺腔室1的内部，以能够与半导体工艺腔室1的内部连通。当然，在实际应用中，也可以单设一条管路用作压力平衡管路，在这种情况下，压力平衡管路的一端与半导体工艺腔室1的内部连通，压力平衡管路的另一端与第二气路66的一端连接，第二气路66的另一端与下部空间61b连通。
在本实施例中，第二气路66的另一端与第一气路64连接，以通过第一气路64与下部空间61b连通，且第二气路66的另一端与第一气路64连接的连接点位于第一通断阀65与下部空间61b之间，通过将第二气路66经由第一气路64与下部空间61b连通，可以减少引入至基座3中的管路数量，简化设备结构。当然，在实际应用中，第二气路66也可以单独引入基座3中，并与下部空间61b连通。
当第一通断阀65关闭，第二通断阀68开启时，第二气路66被接通，由于上述第二气路66与半导体工艺腔室1的内部连通，下部空间61b可以经由第二气路66与半导体工艺腔室1的内部连通，而上部空间61a与半导体工艺腔室1的内部连通，故而上部空间61a的气压压力等于下部空间61b的气体压力，即，P1等于P2，此时在弹性件63的弹性支撑力的作用下，升降连接件62上升，直至顶端上升至高于基座5的承载面的位置A处，如图2所示。当第一通断阀65开启，第二通断阀68关闭时，第一气路64被接通，此时开启抽气装置，可以抽取下部空间61b中的气体，以减小部空间61b的气体压力，而P1的大小不变，从而产生气体压力差，即，P2小于P1，当P2和P3的合力小于P1时，实现升降连接件62下降，直至顶端下降至低于基座5的承载面的位置B处，如图2所示。由此，只需切换第一通断阀65和第二通断阀68，即可实现顶针5的升降，这种气体压力的控制结构更简单、易于实现，且不需要过多的维护，从而可以进一步降低设备成本。
需要说明的是，在本实施例中，充气装置包括压力平衡气路，但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，也可以采用其他任意结构的充气装置通过第二气路66向下部空间61b中通入气体。
在本实施例中，在第二气路66上还设置有限流装置67，用于限制第二气路66中的气体流量。当然，若单独设置有上述压力平衡管路，也可以将限流装置67设置在该压力平衡管路上。限流装置67例如为节流阀。借助限流装置67，可以将第二气路66中的气体流量限制在较小的流量范围内，例如50sccm-100sccm，从而可以使气体能够缓慢地填充至下部空间61b中，从而可以避免顶针5因上升速度过快而弹起，以造成晶圆4的损坏。
在本实施例中，空腔61包括间隔设置在基座3中的多个子空腔，该子空腔的数量与顶针5的数量相同，且一一对应地设置，图1和图3仅示出了其中一个顶针5所对应的子空腔。并且，升降连接件62为多个，且各个升降连接件62一一对应地设置在各个子空腔中，用于与对应的顶针5连接；并且，各个升降连接件62将对应的子空腔分隔成上部空间61a和下部空间61b；气压控制结构用于同时控制各个子空腔的上部空间61a和下部空间61b的气体压力差。需要说明的是，图1和图3仅示出了与其中一个顶针5对应的第一气路64和第二气路66。事实上，其他顶针5也对应设置有一条第一气路64和第二气路66，并且所有第一气路64均与抽气装置连接。
第二实施例
请参阅图4，本实施例提供的顶针升降装置6’，其与上述第一实施例相比，区别仅在于：升降本体相对于基座3独立设置，且位于基座3的下方。
具体地，图4示出了两个升降本体(69a，69b)，每个升降本体中均形成有空腔61’的一个子空腔，并且每个升降本体中均设置有第一导向孔，各个第一导向孔的上端位于升降本体的上表面，下端与空腔61’的子空腔相连通；并且，在基座3中设置有沿竖直方向贯通基座3的多个第二导向孔(其结构与上述第一实施例中的导向孔31相同)，各个顶针5一一对应地设置在各个第二导向孔中，且各个顶针5的下端分别通过各个第二导向孔伸出基座3，并分别通过各个第一导向孔延伸至空腔61’的子空腔中，且与升降连接件2连接。
另外，对于单独设置的升降本体，顶针5与第一导向孔之间具有间隙，上部空间61b可以通过该间隙与半导体工艺腔室1相连通；当然，也可以另外在升降本体中设置通道与半导体工艺腔室1相连通。
在本实施例中，图4示出了两条第一气路(64a，64b)和两条第二气路(66a，66b)，两条第一气路(64a，64b)分别与两个升降本体(69a，69b)对应连接。事实上，其他顶针5也对应设置有一条第一气路64和第二气路66，并且所有第一气路64均与抽气装置连接。
本实施例提供的顶针升降装置的其他结构与上述第一实施例相同，由于在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。
第三实施例
请参阅图5，本实施例提供的顶针升降装置6”，其与上述第二实施例相比，区别仅在于：升降本体69’为一体式的环形结构，其形成有环形的空腔61”。并且，升降连接板62设置在该空腔61”，且与各个顶针5连接。
在这种情况下，上述第一气路64可以为一条或多条，且均与空腔61”形成的下部空间相连通。
本实施例提供的顶针升降装置的其他结构与上述第一、第二实施例相同，由于在上述第一、第二实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明上述各个实施例提供的顶针升降装置，其利用气压控制结构通过控制空腔的上部空间与下部空间的气体压力差，来驱动空腔中的升降连接件升降，以带动与之连接的各个顶针同步升降，这种驱动结构不仅结构简单，设备成本低，而且占用空间小，从而可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种工艺腔室，以图1示出的半导体工艺腔室1为例，其包括用于承载被加工工件(例如图1示出的晶圆4)的基座3、沿同一圆周方向间隔分布的多个顶针5以及用于驱动多个顶针5同步升降的顶针升降装置，该顶针升降装置采用本发明上述各个实施例提供的顶针升降装置。
在上述顶针升降装置中，升降本体相对于基座3的设置方式可以有多种，例如，在上述第一实施例中，如图1所示，升降本体设置在基座3中；又如，在上述第二实施例中，如图4所示，升降本体相对于基座3独立设置，且位于基座3的下方。这两种设置方式对应的结构在上述第一、第二实施例中已有了详细说明，在此不再赘述。
本发明实施例提供的半导体工艺腔室，其通过采用本发明上述各个实施例提供的顶针升降装置，不仅结构简单，设备成本低，而且占用空间小，从而可以减小工艺腔室的内部空间，减少填充腔室的气体消耗量，进而可以降低使用成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种顶针升降装置，用于驱动半导体工艺腔室中的多个顶针同步升降，以使所述顶针的顶端高于或低于基座的承载面，其特征在于，所述顶针升降装置包括升降本体、升降连接件和气压控制结构，其中，所述升降本体设置在所述基座中，且与所述基座一体成型，在所述升降本体中设置有空腔；并且，在所述基座中，且位于所述空腔的上方设置有多个导向孔，各个所述导向孔的下端均与所述空腔相连通；各个所述顶针一一对应地设置在各个所述导向孔中；
所述升降连接件可升降的设置在所述空腔中，所述顶针的下端通过所述导向孔延伸至所述空腔中，并与所述升降连接件连接，并且所述升降连接件将所述空腔分隔成上部空间和下部空间；所述顶针与所述导向孔之间具有间隙，所述上部空间通过所述间隙与所述工艺腔室相连通；所述下部空间为封闭空间；
所述气压控制结构用于通过向所述下部空间中通入气体或者抽取所述下部空间中的气体，控制所述上部空间与下部空间的气体压力差，来驱动所述升降连接件升降，以带动多个所述顶针同步升降。
2.根据权利要求1所述的顶针升降装置，其特征在于，所述气压控制结构包括第一气路、第二气路、充气装置和抽气装置，其中，所述第一气路的两端分别与所述下部空间和所述抽气装置连接，且在所述第一气路上设置有第一通断阀；
所述第二气路的两端分别与所述下部空间和所述充气装置连接，且在所述第二气路上设置有第二通断阀；
所述抽气装置用于通过所述第一气路抽取所述下部空间中的气体；
所述充气装置用于通过所述第二气路向所述下部空间中通入气体。
3.根据权利要求2所述的顶针升降装置，其特征在于，所述充气装置包括压力平衡气路，所述压力平衡气路的一端与所述工艺腔室的内部连通，所述压力平衡气路的另一端与所述第二气路的一端连接，所述第二气路的另一端与所述下部空间连通。
4.根据权利要求3所述的顶针升降装置，其特征在于，所述第二气路的另一端与所述第一气路连接，以通过所述第一气路与所述下部空间连通，且所述第二气路的另一端与所述第一气路连接的连接点位于所述第一通断阀与所述下部空间之间。
5.根据权利要求3所述的顶针升降装置，其特征在于，所述压力平衡气路或者所述第二气路上还设置有限流装置，所述限流装置用于限制所述压力平衡气路或者所述第二气路中的气体流量。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的顶针升降装置，其特征在于，所述顶针升降装置还包括弹性件，所述弹性件设置在所述下部空间中，且分别与所述升降连接件和所述空腔的底壁连接，用以向所述升降连接件施加弹性支撑力，所述弹性支撑力的大小被设置为当所述上部空间与下部空间的气体压力相等时，使各个所述顶针的上端高于所述基座的承载面。
7.根据权利要求6所述的顶针升降装置，其特征在于，所述弹性件包括至少一个压缩弹簧。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的顶针升降装置，其特征在于，所述空腔包括间隔设置在所述升降本体中的多个子空腔，所述子空腔的数量与所述顶针的数量相同；
所述升降连接件为多个，且各个所述升降连接件一一对应地设置在各个所述子空腔中，用于与对应的所述顶针连接；并且，各个所述升降连接件将对应的所述子空腔分隔成所述上部空间和所述下部空间；
所述气压控制结构用于同时控制各个所述子空腔的所述上部空间与下部空间的气体压力差。
9.一种半导体工艺腔室，包括用于承载被加工工件的基座、沿同一圆周方向间隔分布的多个顶针以及用于驱动多个所述顶针同步升降的顶针升降装置，其特征在于，所述顶针升降装置采用权利要求1-8任意一项所述的顶针升降装置。
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