半导体成膜设备、晶圆自动定位卡紧结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了半导体成膜设备、晶圆自动定位卡紧结构，包括M个定位卡紧结构，所述M个定位卡紧结构与所述基座同轴心地环形分布在所述基座上表面的周围，用于在工艺过程中卡紧所述衬底；其中，M为大于等于3的整数；所述定位卡紧结构包括：贯穿所述基座的定位孔洞；自定位卡紧支架，所述自定位卡紧支架包括相互销轴连接的竖直升降导向杆和卡爪，以及位于所述基座下方的支座；所述卡爪销轴连接于所述竖直升降导向杆的顶部，所述卡爪的一端朝向轴心，另一端远离轴心；所述远离轴心的外端包括高于卡爪上表面的定位台阶和凹入定位台阶内侧的卡紧锐角卡槽；所述竖直升降导向杆穿过所述定位孔洞，其底部与所述支座相抵接。
【专利说明】
半导体成膜设备、晶圆自动定位卡紧结构
技术领域
[0001]本发明涉及半导体设备技术领域，特别是涉及一种半导体成膜设备和半导体晶圆的自动定位卡紧结构。
【背景技术】
[0002]近年来，半导体设备发展迅速，涉及半导体、集成电路、太阳能电池板、平面显示器、微电子、发光二极管等，而这些器件主要是由在衬底(即晶圆，为表述一致，后文中统一用“衬底”)上形成的数层材质厚度不同的薄膜组成，因此，作为半导体设备之核心的成膜设备，是决定半导体器件薄膜生长的质量和成品率的重要因素。
[0003]通常，半导体成膜设备在反应腔室内包括用于放置衬底的基座，机械手将衬底与反应气体喷淋头同心放置于基座上表面后，就可以进行成膜工艺过程。然而，现有技术的成膜方法往往会导致薄膜不均匀，其原因在于:
[0004]第一，当衬底被放置于基座上后，反应腔室内的压力会降压到工艺压强，由于衬底没有固定，该抽气过程会导致不固定衬底的漂移，从而使得成膜过程中衬底与反应气体喷淋头不同心；
[0005]第二，当执行基座升降时，由于衬底不固定，基座的升降过程会造成衬底漂移，使得衬底无法落在基座要求位置；
[0006]第三，当基座旋转时，由于衬底不固定，基座的旋转也会造成衬底移动，使得衬底无法落在基座要求位置，甚至是将衬底甩出基座，造成衬底破碎；
[0007]第四，衬底的漂移也会造成衬底片间的不均匀成膜。
[0008]也就是说，半导体成膜设备要求衬底与反应气体喷淋头同心才能长出均匀高质量的膜，而上述现有技术中存在的问题会显著降低成膜的均匀性，从而增加产品的不合格率。
[0009]然而，半导体成膜过程需要一个密闭的环境中进行，操作人员无法实时观察衬底在反应腔室内的位置变化。通常，只有当机械手取出长出膜的衬底后，发现衬底不在要求的位置上，才能知道衬底已经移动过，而此时工艺过程已经完成，增加了不必要的时间成本。
[0010]因此，如何提供一种用于半导体成膜设备腔体中的衬底自动定位卡紧结构及卡紧方法，使其在成膜过程中可以对衬底进行定位，已成为本领域技术人员需要解决的技术。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于解决衬底无定位卡紧的缺陷，且提供一种半导体成膜设备、半导体衬底的自动定位卡紧结构及卡紧方法，其可以自动对衬底进行固定定位，避免由于衬底移动造成成膜不均匀甚至失败。同时，本发明的半导体成膜设备、半导体衬底的自动定位卡紧结构及卡紧方法不会影响基座热场的均匀性，可以使成膜更加均匀，更大程度上消除片间的差异性。为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0012]—种半导体成膜设备，包括反应腔室和承载衬底的基座，所述基座具有支撑轴;其特征在于，还包括M个定位卡紧结构，所述M个定位卡紧结构与所述基座同轴心地环形分布在所述基座上表面的周围，用于在工艺过程中卡紧所述衬底;其中，M为大于等于3的整数；所述定位卡紧结构包括:
[0013]贯穿所述基座的定位孔洞；
[0014]自定位卡紧支架，所述自定位卡紧支架包括相互销轴连接的竖直升降导向杆和卡爪，以及位于所述基座下方的支座;所述卡爪销轴连接于所述竖直升降导向杆的顶部，所述卡爪的一端朝向轴心，另一端远离轴心;所述远离轴心的外端包括高于卡爪上表面的定位台阶和凹入定位台阶内侧的卡紧锐角卡槽;所述竖直升降导向杆穿过所述定位孔洞，其底部与所述支座相抵接;其中，
[0015]当没有加载所述衬底时，所述M个卡爪外端在自身重心的作用下以销轴为支点朝下倾斜一个预定角度；
[0016]当所述衬底下表面与所述卡爪的上表面接触后，所述M个卡爪外端在所述定位卡紧支架与所述衬底组成的配合体重心的作用下，以所述销轴为支点向上抬升至水平位置，以使所述衬底卡紧在所述卡紧锐角卡槽中。
[0017]在本发明一些优选的实施例中，所述基座的上表面具有定位凹槽，所述定位凹槽与所述卡爪的形状相配合，且所述基座的定位孔洞位于定位凹槽内。
[0018]在本发明一些优选的实施例中，所述M个定位卡紧结构与所述基座同轴心地环形均匀分布。
[0019]在本发明的一些优选的实施例中，所述定位孔洞具有长圆形开口，所述竖直升降导向杆可以在所述定位孔洞内自由上下滑动但不能随意转动。
[0020]在本发明一些优选的实施例中，所述卡紧锐角卡槽与水平面之间的夹角为0.1°?
10。。
[0021 ]在本发明一些优选的实施例中，所述卡紧锐角卡槽与水平面之间的夹角为1°。
[0022]在本发明一些优选的实施例中，所述卡槽的开口夹角为5°?85°。
[0023]在本发明一些优选的实施例中，所述支座为热反射板。
[0024]在本发明的一些优选的实施例中，所述M个定位卡紧结构所处的圆周不在热反射板的热场区域内。
[0025]为实现上述目的，本发明还提供一种技术方案如下:
[0026]—种半导体成膜设备的定位卡紧结构，半导体成膜设备包括反应腔室和承载衬底的基座，所述基座具有支撑轴;所述定位卡紧结构包括:
[0027]位于所述基座的上表面的定位凹槽，且所述定位凹槽内设有贯穿所述基座的定位孔洞；
[0028]自定位卡紧支架，所述自定位卡紧支架包括相互销轴连接的竖直升降导向杆和卡爪，以及位于所述基座下方的支座;所述卡爪销轴连接于所述竖直升降导向杆的顶部，所述卡爪的一端朝向轴心，另一端远离轴心;所述远离轴心的外端包括高于卡爪上表面的定位台阶和凹入定位台阶内侧的卡紧锐角卡槽;所述竖直升降导向杆穿过所述定位孔洞，其底部与所述支座相抵接;其中，
[0029]当没有加载所述衬底时，所述M个卡爪外端在自身重心的作用下以销轴为支点朝下倾斜一个预定角度；
[0030]当所述衬底下表面与所述卡爪的上表面接触后，所述M个卡爪外端在所述定位卡紧支架与所述衬底组成的配合体重心的作用下，以所述销轴为支点向上抬升至水平位置，以使所述衬底卡紧在所述卡紧锐角卡槽中。
[0031 ]为实现上述目的，本发明再提供一种技术方案如下:
[0032]—种采用上述衬底自动定位卡紧结构的卡紧方法，包括如下步骤:
[0033]步骤S1:利用升降单元将所述基座降至低位，使得所述竖直升降导向杆的底部与所述热反射板接触;在重力的作用下，所述卡爪向远离所述基座圆心的外端打开；
[0034]步骤S2:利用机械手将衬底置于所述自定位卡紧支架上方，并向下至所述衬底下表面接触所述卡爪的上表面；
[0035]步骤S3:所述衬底脱离机械手，其自身重力作用于所述卡爪，并带动所述卡爪向着基座圆心方向运动，使得所述定位台阶与所述衬底的外圆接触；
[0036]步骤S4:利用升降单元带动基座上升至所述竖直升降导向杆的底部脱离所述热反射板；
[0037]步骤S5:所述卡爪在重力作用下配合地陷于所述定位凹槽中并自动卡紧所述衬底。
[0038]从上述技术方案可以看出，本发明提供的衬底自动定位卡紧结构，其依据重力、杠杆机构配合，结构简单，且无需外部提供动力就能实现自动定位卡紧的功能，从而保证了衬底在基座上位置固定不变，使其膜生长更加均匀，同时也消除了片间的差异性。本发明提供的衬底自动定位卡紧结构的另一个有益特点在于，所述M个自动定位卡紧结构所处的圆周以及自动定位卡紧结构都不在热反射板的热场区域内，可以不影响热场均匀性，从而进一步保证了成膜的高质量。
【附图说明】
[0039]图1示出为本发明具有单片不旋转式基座的半导体成膜设备腔体一个实施例的剖面图
[0040]图2所示为本发明自动定位卡紧结构中的自定位卡紧支架的立体结构示意图
[0041]图3所示为本发明自动定位卡紧结构和基座的立体结构示意图
[0042]图4示出了根据本发明的一个实施例的自定位卡紧支架在基座处于低位时的结构图和受力示意图
[0043]图5示出了根据本发明的一个实施例的自定位卡紧支架卡紧衬底时的受力示意图
【具体实施方式】
[0044]下面参照附图更详细地说明本发明，其中示出了本发明的优选实施例。本发明可以，但是以不同的方式体现，但是不应该局限于在此所述的实施例。
[0045]需要说明的是，本发明半导体衬底的自动定位卡紧结构及卡紧方法，可以使用于需要在基座上固定衬底的任何一种半导体设备的腔体。具体地，本发明半导体衬底的自动定位卡紧结构及卡紧方法，按基座的功能分，可以适用于具有升降基座或具有旋转功能基座的半导体膜设备腔体中，当然，也同样适用于具有固定基座的半导体膜设备腔体中；按基座能承载晶圆片数分，本发明半导体衬底的自动定位卡紧结构及卡紧方法，可以适用于多片旋转式基座、单片旋转式基座和单片不旋转式基座。为叙述方便起见，下面的实施例仅以单片不旋转式基座为例，进行详细说明。
[0046]请参阅图1，图1示出为本发明具有单片不旋转式基座的半导体成膜设备腔体一个实施例的剖面图。如图1所示，半导体成膜设备反应腔室I中具有用于放置衬底4的基座2、自动定位卡紧支架3、机械手5、热反射板6、升降单元7和反应气体喷淋头8。其中，反应腔室I为衬底4提供密闭洁净的反应场所，反应气体喷淋头8在反应腔室I上面且与反应腔室I同心，升降单元7与反应腔室I底面连接，基座2与升降单元7连接并且保证基座2与反应腔室I同心，升降单元7可带动基座2做上下运动，热反射板6固定在反应腔室I底面且与反应腔室I同心；自定位卡紧支架3在基座2上与定位孔洞10(如图4所示)配合，机械手5可以用于传送衬底4，在执行工艺过程中，衬底4通过自定位卡紧支架3坐落在基座2的上表面。
[0047]请参阅图2，图2所示为本发明定位卡紧结构中的一个定位卡紧支架的立体结构示意图。如图所示，自定位卡紧支架3包括竖直设置的竖直升降导向杆21和卡爪22，竖直升降导向杆21和卡爪22的材料可以与基座相同，优选地，可以为陶瓷、石英或者石墨等。其中，卡爪22通过销轴23连接于竖直升降导向杆21的顶部，且卡爪22的上表面26为平面，卡爪22的一端朝向轴心，另一端远离轴心，远离轴心的外端包括高出卡爪22上表面26的定位台阶27，定位台阶27用于卡紧衬底4。定位台阶21的内侧(朝向轴心的侧面)具有卡紧锐角卡槽24，卡槽24为嵌入定位台阶27内侧内的一个契形空间。其中，该卡槽24上端到下端的角度优选地为5°?85°，更优选地，卡槽22的角度为10°。
[0048]在本发明的一个较佳实施例中，竖直升降导向杆21为长圆柱体结构，其顶部具有开口，卡爪22位于该开口内，通过销轴连接于竖直升降导向杆21。卡爪22远离轴心的外端具有第一支点25，且卡爪22的重心位置在所述销轴23的外端，当不放置衬底时，可以保证所述卡爪22以所述销轴23为支点，带动第一支点25朝下倾斜。数值升降导向杆21与定位孔洞相配合，可以自由在定位孔洞内上下滑动但不能随意转动。
[0049]请参阅图3，图3所示为本发明自动定位卡紧结构和基座的立体结构示意图。在本发明的实施例中，M个自动定位卡紧结构与基座2同轴心地环形均匀分布在基座2的周围，较佳地，自动定位卡紧结构的数量至少为3个。自动定位卡紧结构包括自定位卡紧支架3通过贯穿基座2上的定位孔洞与热反射板6相抵接。从图3可以看出，本发明的该实施例中，自动定位卡紧结构所处的圆心以及自动定位卡紧结构都不处在热反射板的热场区域内，这样的结构不会影响热场的均匀性，从而可以保证成膜的质量。
[0050]请参阅图4，图4示出了根据本发明的一个实施例的自动定位卡紧结构在基座处于低位时的结构图。如图所示，基座2上表面具有定位凹槽11，定位孔洞10开口于该定位凹槽11内，当升降单元7带动基座2降至低位时，竖直升降导向杆21贯穿定位孔洞10，底部与热反射板6相抵接。当衬底4被放置与卡爪22的上表面时，由于卡爪22上增加了衬底4的重量，所述M个卡爪的外端在所述卡爪22与所述衬底组成的配合体重心的作用下，以所述销轴23为支点，向上收缩抬升至水平位置。在收缩的过程中，所述M个卡爪与衬底4组成的配合体重心逐渐靠近卡爪22的竖直中心，当M个卡爪22垂直时，其与衬底4组成的配合体便相对稳定，使得M个卡爪不再向内收缩，从而通过定位台阶27将衬底4卡紧定位在所述卡槽24中。即使所述衬底被机械手偏置放置，一个首先接触衬底4边缘的卡爪22会将所述衬底4推向其他卡爪，当所有卡爪都与衬底4的边缘接触后，衬底4就被卡紧在M个卡爪的卡槽组成的圆内，SP衬底4被定位。此时，由所述衬底4的重力32和所述卡爪22组成一个杠杆机构，通过杠杆作用产生第一卡紧力31.其中，该第一卡紧力31的水平分力将衬底4卡紧，同时其垂直方向的分力将所述衬底4压紧在所述卡爪22的上表面26之上。
[0051]请参阅图5，升降单元7(图5中未示出)带动所述基座2上升，至所述竖直升降导向杆21的底部与热反射板6脱离时，所述卡爪22配合地陷于所述定位凹槽11中。同时，衬底4的下表面与所述基座2的上表面接触，因此由所述衬底4自身重力提供的第一^^紧力31 (如图4所示)消失，但同时所述第一支点25与位于定位凹槽11上相应位置的第二支点43接触，形成以所述第二支点43为支点的杠杆结构，该杠杆结构在所述定位卡紧支架3的重力42作用下形成第二卡紧力41。其中所述第二卡紧力41可分解成水平指向基座圆心方向的力和垂直向下的力，其中水平指向基座圆心方向的力再次卡紧所述衬底4，垂直向下的力可将所述衬底4压紧在所述基座2的上表面。
[0052]以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种半导体成膜设备，包括反应腔室和承载衬底的基座，所述基座具有支撑轴;其特征在于，还包括M个定位卡紧结构，所述M个定位卡紧结构与所述基座同轴心地环形分布在所述基座上表面的周围，用于在工艺过程中卡紧所述衬底;其中，M为大于等于3的整数;所述定位卡紧结构包括: 贯穿所述基座的定位孔洞； 自定位卡紧支架，所述自定位卡紧支架包括相互销轴连接的竖直升降导向杆和卡爪，以及位于所述基座下方的支座;所述卡爪销轴连接于所述竖直升降导向杆的顶部，所述卡爪的一端朝向轴心，另一端远离轴心;所述远离轴心的外端包括高于卡爪上表面的定位台阶和凹入定位台阶内侧的卡紧锐角卡槽;所述竖直升降导向杆穿过所述定位孔洞，其底部与所述支座相抵接;其中， 当没有加载所述衬底时，所述M个卡爪外端在自身重心的作用下以销轴为支点朝下倾斜一个预定角度； 当所述衬底下表面与所述卡爪的上表面接触后，所述M个卡爪外端在所述定位卡紧支架与所述衬底组成的配合体重心的作用下，以所述销轴为支点向上抬升至水平位置，以使所述衬底卡紧在所述卡紧锐角卡槽中。2.根据权利要求1所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述基座的上表面具有定位凹槽，所述基座的定位孔洞位于定位凹槽内。3.根据权利要求1所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述M个定位卡紧结构与所述基座同轴心地环形均匀分布。4.根据权利要求1所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述卡紧锐角卡槽与水平面之间的夹角为0.1°?10°。5.根据权利要求4所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述卡紧锐角卡槽与水平面之间的夹角为1°。6.根据权利要求1所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述卡槽的开口夹角为5°?85。。7.根据权利要求1所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述支座为热反射板。8.根据权利要求7所述的半导体成膜设备，其特征在于，所述M个自动定位卡紧结构及其所处的圆周均不在所述热反射板的热场区域内。9.一种半导体成膜设备的晶圆自动定位卡紧结构，半导体成膜设备包括反应腔室和承载衬底的基座，所述基座具有支撑轴;所述晶圆自动定位卡紧结构包括: 位于所述基座的上表面的定位凹槽，且所述定位凹槽内设有贯穿所述基座的定位孔洞； 自定位卡紧支架，所述自定位卡紧支架包括相互销轴连接的竖直升降导向杆和M个卡爪，以及位于所述基座下方的支座，其中M为大于等于3的整数;所述卡爪销轴连接于所述竖直升降导向杆的顶部，所述卡爪的一端朝向轴心，另一端远离轴心;所述远离轴心的外端包括高于卡爪上表面的定位台阶和凹入定位台阶内侧的卡紧锐角卡槽;所述竖直升降导向杆穿过所述定位孔洞，其底部与所述支座相抵接;其中， 当没有加载所述衬底时，所述M个卡爪外端在自身重心的作用下以销轴为支点朝下倾斜一个预定角度； 当所述衬底下表面与所述卡爪的上表面接触后，所述M个卡爪外端在所述定位卡紧支架与所述衬底组成的配合体重心的作用下，以所述销轴为支点向上抬升至水平位置，以使所述衬底卡紧在所述卡紧锐角卡槽中。
【文档编号】H01L21/687GK205452244SQ201521130330
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】王勇飞, 兰云峰
【申请人】北京七星华创电子股份有限公司