一种等离子体刻蚀机的传片系统设计

张钦亮，苏静洪，王 谟，平志韩

（天通吉成机器技术有限公司，海宁 314400）

0 引言

刻蚀是半导体制造工艺、微电子IC制造工艺及微纳制造工艺中的一种相当重要的工艺环节，是利用化学或物理方法有选择性地从硅片或蓝宝石衬底片等待刻蚀材料表面去除不需要的材料的过程[1]。随着半导体器件的集成度提高，半导体器件的线宽越来越小，关键尺寸的控制也越来越重要，对刻蚀工艺的要求也越来越高。刻蚀最简单最常用的分类是干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀种类很多，包括光辉发、气相腐蚀和等离子体刻蚀等，其中最常用的是等离子体刻蚀，其原理是在等离子体处理装置中通入刻蚀气体，并将其电离成等离子体，利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，通过轰击被刻蚀物表面将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的[2]。优点是各向异性好、选择比高、可控性、灵活性及重复性好，易实现自动化和洁净度高，缺点是成本较高、设备复杂。

一般等离子体刻蚀机由工艺腔（刻蚀腔）、传片腔、射频电源、真空系统、进排气系统、温控系统和软件控制系统等组成，如图1所示。工艺进行时，首先在传片腔中放入装有所需刻蚀晶片的片盘，通过传片装置送至工艺腔室；随后软件系统控制射频电源在上下电极中产生等离子体，进行刻蚀工艺；工艺结束后再由传片装置将片盘送至传片腔，随后从传片腔中取出片盘，完成一次刻蚀，再次放入片盘可以进行新一轮刻蚀。

图1 一般等离子体刻蚀机结构原理示意图

传片腔是刻蚀系统的重要组成部分，其作用表现在：作为人机交流窗口，在刻蚀过程开始前将片盘放入传片腔，刻蚀完成后，再从中取出片盘。现有的一般等离子体刻蚀机的传片系统存在诸多问题，主要是片盘吞吐量较小，甚至是单片刻蚀，不能实现连续自动化和批量加工，无法适应大规模工业化生产需求。

本文提供了一种等离子体刻蚀机的新型传片系统，实现了多盘连续自动化批量刻蚀，提高刻蚀效率，较好的满足大规模工业化生产的要求。

1 设计原理和工作过程

本文设计的新型传片系统由机械手腔和预装腔两部分组成，如图2所示，机械手传输运动和片盘的预装作业分别在两个独立的腔体内完成，图中3个腔体之间均设由插板阀控制隔断和连通。工作状态时，工艺腔内为约10-5Pa的高真空，机械手腔和预装腔则为10-2Pa的低真空状态。采用两个独立腔体后，机械手腔可有更大空间采用全自动真空机械手，预装腔则可形成多工位式片盘预装，提高生产效率。

图2 新型等离子体刻蚀机腔体系统示意图

机械手腔主要有腔体、腔盖和机械手组成，如图3所示。机械手采用全自动SCARA结构型钢带传动手臂，铝合金专用手指，可在3个腔体内预定位置平稳高速运动。腔盖上设有4个观察窗孔，窗孔处设有光电信号检测装置，不仅可直观观察机械手运动情况，还可将运动及负载情况反馈至控制系统。

预装腔主要有腔体、底盘、托盘架、上盖和升降旋转系统组成。其中托盘架上有3个工位，如图3（b），可一次预装3盘晶片，托盘架固定在底盘上，由安装在其下端的升降旋转系统引导其定位和运动。升降旋转系统主要有滚珠丝杠、波纹管和伺服电机等组成，可实现平稳、匀速的升降和旋转。

工艺开始时，开启预装腔上盖，此时底盘处于零点位置（即托盘架上3个工位中有一个会正对机械手取送片位置），将所需刻蚀晶片的片盘（1-3盘，按需放置）放入托盘架，托盘架边缘留有防护台阶，片盘可自动调整安放位置，确保片盘稳定。片盘安放完成后，关闭上盖。开启真空泵抽真空，真空达到预定值后，机械手开始取片。此时，软件控制系统会自动检测托盘架上片盘数量及位置，确保零点位置有片盘（如没有，控制系统会自动指令托盘架旋转，将有片盘的工位旋转至零点位置）后，托盘架自动升起至预定位置，预装腔和机械手腔中间的插板阀（插板阀1）打开，机械手进入预装腔，进入完全后，托盘架下降，托盘架上的片盘自动落入机械手臂中间，机械手回缩至机械手腔并旋转至工艺腔取送片处，插板阀1关闭。控制系统检测信号到位后，机械手腔和工艺腔之间的插板阀（插板阀2）开启，机械手将片盘送入工艺腔后并回缩，插板阀2关闭，刻蚀工艺正式开始。

刻蚀完成后，插板阀2开启，机械手将刻蚀好的片盘从工艺腔取出，回缩并旋转至预装腔取送片出，插板阀2关闭，插板阀1开启，机械手将片盘送入预装腔，托盘架上升托起片盘，机械手回缩，托盘架回落至起始位置，至此，第一个片盘刻蚀完成。

此后，底盘自动旋转，将下一个载有片盘的托盘架工位旋至零点，并升起，重复上述第1盘片盘的取送过程，开始第2、3盘的刻蚀。

全部3个片盘刻蚀完成、机械手将片盘都送至预装腔后，插板阀1关闭，进排气系统给预装腔充氮气进行吹扫和充压，待腔内气压和外界气压相当时，开启预装腔上盖，即可取出刻蚀后的片盘。在托盘架3个工位处都安装有信号检测装置，这样不论托盘架上放有几盘晶片，在全部刻蚀完成后都会及时检测并反馈给控制系统。

图3 传片系统结构示意图

此外，预装腔还可根据工艺要求，在上述单层托盘架基础上对升降旋转结构稍作调整可改装成2层或以上结构，即可同时放置6盘或更多片盘，更大程度上提高生产效率。

2 结束语

本文提出的上述等离子体刻蚀机的新型传片系统采用了机械手腔和预装腔两腔独立结构，机械手采用全自动SCARA结构型钢带传动手臂，铝合金专用手指，预装腔设有可升降旋转的3工位式托盘架结构，托盘架边缘处采用保护式台阶保证片盘在升降、旋转及机械手取送片时的平稳，实现了多盘不间断连续自动化生产，提高了生产效率，适应工业化大规模生产需求，具有明显的技术和经济优势。

[1] 钱振型.固体电子学中的等离子体技术[M].北京:电子工业出版社.1987:20-22.

[2] 蒲以康.等离子体放电原理与材料处理[M].北京:科学出版社,2007:474-481.