半导体工艺设备及其承载装置

技术领域

本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，本申请涉及一种半导体工艺设备及其承载装置。

背景技术

目前，在半导体工艺设备中，例如用于执行刻蚀工艺的半导体工艺设备，使用静电卡盘来固定晶圆的应用已经越来越广泛。晶圆的温度对于半导体工艺制程来说十分重要，如何能够实时得到晶圆的准确温度，对于半导体工艺制程至关重要。

现有技术中静电卡盘通过基座及接口盘设置于工艺腔室内，热电偶通过固定螺钉固定在接口盘上，其测温端与安装在静电卡盘内部的导热块接触。为了测量晶圆的工艺温度，热电偶通过导热块获得静电卡盘的温度，间接测得晶圆表面的温度。但是由于加工误差及工作磨损原因导致导热块与热电偶接触不良，从而使得测温结果误差较大，并且由于热电偶通过导热块和静电卡盘间接测量晶圆表面温度，进一步导致测量误差增大。另外，当晶圆与静电卡盘的距离较远时，热电偶测得的静电卡盘温度无法表征晶圆表面的温度，从而无法实时对晶圆温度进行测量。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种半导体工艺设备及其承载装置，用以解决现有技术存在晶圆测量误差较大以及无法实时测量晶圆温度的技术问题。

第一个方面，本申请实施例提供了一种承载装置，设置于半导体工艺设备的工艺腔室内，用于承载待加工工件，包括：基座、支撑组件及测温组件；所述基座包括用于承载待加工工件的承载面，所述支撑组件包括多个升降杆，多个所述升降杆滑动设置于所述基座内，多个所述升降杆用于相对于所述基座升降，以带动所述待加工工件选择性放置于所述承载面上；所述升降杆内设有沿轴向延伸的通孔；所述测温组件包括测温杆和驱动件，所述测温杆可升降地设置于通孔内，所述测温杆的一端为测温端，所述测温端用于获取所述待加工工件的温度，所述测温杆的另一端与所述驱动件连接，所述驱动件用于驱动所述测温杆相对所述升降杆运动；当所述升降杆的顶端位于所述承载面上方时，所述测温端与所述升降杆的顶端平齐或低于所述顶端，用于对所述升降杆承载的待加工工件测温；当所述升降杆的顶端位于所述基座内的预设位置时，所述驱动件驱动所述测温杆朝向所述承载面移动，减少所述测温端和所述待加工工件的间距。

于本申请的一实施例中，所述驱动件为压电材质的伸缩件，所述伸缩件的两端分别连接所述测温杆和所述升降杆，通过控制输入所述伸缩件的电信号，改变所述伸缩件的长度，以带动所述测温杆相对于所述升降杆运动。

于本申请的一实施例中，所述支撑组件还包括支撑臂，所述支撑臂设置于所述基座的下方，多个所述升降杆的底端设置于所述支撑臂上；所述测温杆的底端滑动并限位于所述支撑臂上。

于本申请的一实施例中，所述测温组件还包括有限位台，所述限位台设置于所述测温杆的底端，用于与所述支撑臂配合以对所述测温杆进行轴向限位。

于本申请的一实施例中，所述升降杆的顶端设置有定位槽，所述定位槽与所述通孔连通；所述测温端的外周设置有与所述定位槽对应设置定位块，所述定位槽与所述定位块配合以对所述测温杆进行轴向限位。

于本申请的一实施例中，所述定位槽沿所述升降杆轴向深度具有第一尺寸，所述定位块沿所述测温杆轴向的高度具有第二尺寸，所述第一尺寸大于或等于所述第二尺寸。

于本申请的一实施例中，当所述升降杆的顶端位于所述基座内的预设位置时，所述测温端与所述承载面之间具有第三尺寸，所述限位台与所述支撑臂的之间具有第四尺寸，所述第四尺寸小于或等于所述第三尺寸。

于本申请的一实施例中，所述定位槽为沿所述升降杆轴线设置的矩形凹槽，所述定位块为对应于所述定位槽设置的矩形凸块。

于本申请的一实施例中，所述测温杆包括测温电偶，所述伸缩件包括压电弹簧，所述压电弹簧设置于所述通孔内，所述压电弹簧套设于所述测温电偶外周，所述压电弹簧的一端与所述升降杆的底端连接，另一端与所述测温杆的外周连接。

第二个方面，本申请实施例提供了一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室及如第一个方面提供的承载装置，所述承载装置设置于所述工艺腔室内。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：

本申请实施例通过在升降杆内设置有测温杆，测温杆可以根据升降杆的位置调节其自身的位置，即根据不同需求实现测温杆相对于待加工工件的距离进行调节，从而实现对待加工工件表面温度的实时测量。由于测温杆设置于升降杆内，并且根据升降杆的位置进行调节，使得测温杆始终距离待加工工件较近，从而大幅提高待加工工件温度检测的精确性。另外，由于测温杆设置升降杆内，避免由于接触不良而导致测温误差较大，并且由于测温组件无需占用工艺腔室内空间，从而大幅降低了工艺腔室的空间占用。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的一种承载装置处于传片状态的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种承载装置处于工艺状态的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种支撑臂的结构示意图；

图4A为本申请实施例提供的一种升降杆的剖视示意图；

图4B为本申请实施例提供的一种升降杆的俯视示意图；

图5A为本申请实施例提供的一种测温杆的剖视示意图；

图5B为本申请实施例提供的一种测温杆的俯视示意图；

图6为本申请实施例提供的一种承载装置处于传片状态的局部放大示意图；

图7为本申请实施例提供的一种承载装置处于工艺状态的局部放大示意图；

图8为本申请的一相关技术方案提供的承载装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为了便于理解本申请实施例的技术方案及有益效果，以下结合附图对本申请的一相关技术方案进行说明如下。如图8所示，承载装置包括静电卡盘201、陶瓷基座202、接口盘203、第一导热块204、热电偶205、紧固件206及第二导热块207。热电偶205通过紧固件206固定在接口盘203上，其测温端面与第一导热块204接触，第一导热块204安装在第二导热块207内部，第二导热块207安装在静电卡盘201内部。工艺时为了测量晶圆200的工艺温度，热电偶205通过导热性能良好的第一导热块204和第二导热块207测量静电卡盘201的温度，间接测得晶圆200表面的温度。该技术方案中由于静电卡盘201上的开孔加工较深或用于安装第二导热块207的开孔内螺纹加工精度不高，并且当长期工作后热电偶205的受热形变、紧固件206的松动等原因均会导致测温结果误差较大，并且由于难以判断接触是否良好，因此发生接触不良时也无法及时调整热电偶来减小测温误差。热电偶通过导热块和静电卡盘间接测量晶圆表面的温度，导致传热误差较大。此外，当晶圆升起时与静电卡盘的距离较远，热电偶测得的静电卡盘温度无法表征晶圆表面的温度，热电偶无法自适应调节测温位置而达到实时准确监控晶圆表面温度的目的。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

参考图1至图7所示，本申请实施例提供了一种承载装置，设置于半导体工艺设备的工艺腔室内，用于承载待加工工件100，该承载装置的结构示意图如图1所示，包括：基座1、支撑组件2及测温组件3；基座1包括用于承载待加工工件100的承载面11，支撑组件2包括多个升降杆21，多个升降杆21滑动设置于基座1内，多个升降杆21用于相对于基座1升降，以带动待加工工件100选择性放置于承载面11上；升降杆21内设有沿轴向延伸的通孔212；测温组件3包括测温杆31和驱动件，测温杆31可升降地设置于通孔212内，测温杆31的一端为测温端311，测温端311用于获取待加工工件100的温度，测温杆31的另一端与驱动件连接，驱动件用于驱动测温杆31相对升降杆21运动；当升降杆21的顶端位于承载面11上方时，测温端311与升降杆21的顶端平齐或低于顶端，用于对升降杆21承载的待加工工件100测温；当升降杆21的顶端位于基座1内的预设位置时，驱动件驱动测温杆31朝向承载面11移动，减少测温端311与待加工工件的间距。

如图1所示，基座1具体设置于半导体工艺设备的工艺腔室(图中未示出)内，基座1的上表面为承载面11以用于承载待加工工件100，待加工工件100具体可以为晶圆，但是本申请实施例并不以此为限。支撑组件2具体可以包括三个升降杆21，三个升降杆21均穿设于基座1内，并且围绕基座1的轴心沿圆周方向均匀分布，三个升降杆21能相对于基座1升降，即带动待加工工件100上升以远离基座1的承载面11，或者带动待加工工件100下降以将待加工工件100放置于基座1的承载面11上。测温组件3包括测温杆31及驱动件，测温杆31可以滑动设置于至少一个升降杆21内，测温杆31的一端为测温端311，测温端用于获取待加工工件100的温度；另一端与驱动件连接，驱动件可以用于驱动测温杆31能相对于升降杆21运动。当承载装置处于传片状态时，升降杆21的顶端上升至承载面11的上方，此时测温杆31的测温端311与升降杆21的顶端平齐或低于顶端，半导体工艺设备的机械手(图中未示出)将待加工工件100传输至三个升降杆21顶端，此时测温杆31可以对待加工工件100进行测温，并且由于测温端311与升降杆21的顶端平齐或低于顶端，因此提高了待加工工件100温度检测的精确性，具体可参照如图1所示。当承载装置处于工艺状态时，升降杆21的顶端下降至承载面11的下方的预设位置时，驱动件可以驱动测温杆31相对升降杆21运动，使测温杆31的测温端311与升降杆21的顶端平齐或高于顶端，以减少测温端311与待加工工件100的间距，从而进一步提高温度检测的精确性，此时工艺腔室可以通入工艺气体以对待加工工件100执行处理工艺，此时测温杆31的测温端311可以对待加工工件100进行实时测温，并且由于测温端311距离待加工工件100较近，因此大幅提高待加工工件100温度检测的精确性，具体可参照如图2所示。

本申请实施例通过在升降杆内设置有测温杆，测温杆可以根据升降杆的位置调节其自身的位置，即根据不同需求实现测温杆相对于待加工工件的距离进行调节，从而实现对待加工工件表面温度的实时测量。由于测温杆设置于升降杆内，并且根据升降杆的位置进行调节，使得测温杆始终距离待加工工件较近，从而大幅提高待加工工件温度检测的精确性。另外，由于测温杆设置升降杆内，避免由于接触不良而导致测温误差较大，并且由于测温组件无需占用工艺腔室内空间，从而大幅降低了工艺腔室的空间占用。

需要说明的是，本申请实施例并不限定升降杆21的具体数量，例如升降杆21具体为三个以上，并且均匀分布于基座1的圆周方向。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1及图2所示，驱动件为压电材质的伸缩件32，伸缩件32的两端分别连接测温杆31和升降杆21，通过控制输入伸缩件32的电信号，以改变伸缩件32的长度，以带动测温杆31相对于升降杆21运动。

如图1所示，伸缩件32具体可以采用压电制成，伸缩件32的一端可以与升降杆21的底端连接，另一端缠绕测温杆31的外周上以固定连接，但是本申请实施例并不以此为限，例如伸缩件32设置于通孔312内，而测温杆31的底端设置于伸缩件32上。当伸缩件32未接收到电信号时处于自由伸缩状态下，测温杆31在自身重力状态下压缩伸缩件32，从而使得测温杆31的测温端311不伸出升降杆21的顶端，以便于多个升降杆21承载待加工工件100。当伸缩件32接收一电信号后，伸缩件32可以为测温杆31提供一向上的作用力，例如在实际执行工艺时，升降杆21的顶端位于基座1的承载面11的下方，此时测温杆31相对于升降杆21上升，以使得测温杆31的测温端311近距离测量待加工工件100表面的温度。采用上述设计，使得测温杆31可以根据不同需求调节自身的高度，从而实现了精确且实时的对待加工工件100温度进行检测。另外，由于伸缩件32设置于升降杆21内，从而进一步节省了空间占用。

需要说明的是，本申请实施例并不限定驱动件的具体实施方式，例如驱动件具体采用伺服电机或者伸缩缸。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1至图3所示，支撑组件2还包括支撑臂22，支撑臂22设置于基座1的下方，多个升降杆21的底端设置于支撑臂22上；测温杆31的底端滑动并限位于支撑臂22上。

如图1及图3所示，支撑臂22具体为金属材质制成板状结构，支撑臂22包括一体成型的承载部221及连接部222。承载部221具体为可以圆盘形结构，三个升降杆21均匀分布于承载部221上，以便于配合承载待加工工件100。三个升降杆21的底端设置于连接部222的上表面，两者之间例如采用螺接或粘接方式固定连接，但是本申请实施例并不以此为限。测温杆31整体套设于升降杆21的通孔212内，测温杆31的顶端为测温端311，底端可以穿过支撑臂22后并与支撑臂22限位连接，用于当伸缩件32对测温杆31提供向上的作用力时，对测温杆31进行限位，防止测温端311顶抵待加工工件100，从而避免对待加工工件100的表面造成滑痕。连接部222位于承载部221外周的一侧，用于与一驱动机构(图中未示出)连接，并且在驱动机构的驱动下带动多个升降杆21相对于基座1升降。采用上述设计，使得本申请实施例结构设计合理，从而有效降低故障率以延长使用寿命。

需要说明的是，本申请实施例并不限支撑臂22的具体结构，只要能使三个升降杆21均匀间隔设置即可。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1及图2所示，测温组件3还包括有限位台33，限位台33设置于测温杆31的底端，用于与支撑臂22配合以对测温杆31进行轴向限位。具体来说，限位台33为圆形板状结构，其可以由测温杆31的底端一体成型，但是申请实施例并不以此为限。当伸缩件32处于自由伸缩状态时,限位台33可以与支撑臂22的下表面之间可以设置有2毫米的间距，测温杆31的测温端311与待加工工件100之间可以设置有3毫米的间距。当伸缩件32接收到电信号后带动测温杆31向上运动，由于限位台33的限位作用,可以防止测温杆31撞击待加工工件100造成划片或磨损，从而大幅提高待加工工件的成品率。

于本申请的一实施例中，如图4A至图5B所示，升降杆21的顶端设置有定位槽211，定位槽211与通孔212连通；测温端311的外周设置有与定位槽211对应设置定位块312，定位槽211与定位块312配合以对测温杆31进行轴向限位。

可选地，定位槽211沿升降杆21轴向深度具有第一尺寸，定位块312沿测温杆31轴向的高度具有第二尺寸，第一尺寸大于或等于第二尺寸。当升降杆21的顶端位于基座1内的预设位置时，测温端311距离承载面11之间具有第三尺寸，限位台33与支撑臂22的之间具有第四尺寸，第四尺寸小于或等于第三尺寸。

可选地，定位槽211为对称于升降杆21轴线设置的矩形凹槽，定位块312为对应于定位槽211设置的矩形凸块。

如图4A至图7所示，在一具体实施例中，升降杆21的直径具体可以为5毫米，升降杆21内具有沿轴向延伸设置的通孔212，该通孔212的直径具体可以为2毫米。升降杆21的顶部设置有矩形凹槽以形成定位槽211，该定位槽211的尺寸具体为长3毫米、宽1毫米、深度为2毫米，即定位槽211的第一尺寸可以为2毫米。测温端311的两侧可以设置矩形凸块以形成定位块312，该定位块312整体与定位槽211对应设置为矩形，定位块312的外形尺寸略小于定位槽211的尺寸，并且定位块312的高度为1毫米，即定位块312的第二尺寸为1毫米。当测温杆31安装于升降杆21内时，定位块312及测温端311均低于升降杆21的顶端，以便于升降杆21传输待加工工件100。但是本申请实施例并不以此为限，例如定位块312的第二尺寸还可以为2毫米，即第二尺寸与第一尺寸相同，从而提高本申请实施例的适用性。定位槽211与定位块312配合可以防止由于伸缩件32失效，导致测温杆31下降以滑出升降杆21，即对测温杆31下降过程中进行轴向限位，从而进一步降低本申请实施例的故障率，进而大幅提高使用寿命。进一步的，测温端311位于基座1内，此时测温端311的顶面距离承载面11为3毫米，即第三尺寸为3毫米；限位台33的上表面距离支撑臂22之间具有第四尺寸，该第四尺寸为2毫米，当伸缩件32为测温杆31提供向上的作用力时，由于第四尺寸小于或等于第三尺寸，即限位台33在测温杆31上升的过程中进行轴向限位，以防止测温端311顶抵待加工工件100，从而避免对待加工工件100的表面造成滑痕。

需要说明的是，本申请实施例对于定位槽211与定位块312的具体实施方式并不进行限定，例如定位槽211也可以采用圆形凹槽，定位块312对应定位槽211设置即可。定位块312即为测温端311一部分，并一体成型。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1所示，测温杆31包括测温电偶，伸缩件32包括压电弹簧，压电弹簧设置于通孔312内，压电弹簧套设于测温电偶外周，压电弹簧的一端与升降杆21的底端连接，另一端与测温杆31的外周连接。

如图1所示，测温杆31整体可以为测温电偶，或者测温杆31采用金属材质制成，而测温电偶设置于测温杆31的顶部，但是本申请实施例并不以此为限。伸缩件32包括压电弹簧，压电弹簧的具体可以套设于测温杆31的外周，由于测温杆31的设置于升降杆21内部，因此压电弹簧位于测温杆31外周与升降杆21的内壁之间，即压电弹簧的一端可以与升降杆21的底端连接，另一端缠绕测温杆31的外周上以固定连接。采用上述设计，由于压电弹簧的伸缩行程较大，使得测温杆31相对于升降杆21的运动行程较大，使得本申请实施例可以根据不同需求调节测温杆31高度，从而实现了精确且实时的对待加工工件100温度进行检测。

需要说明的是，本申请实施例并不限定伸缩件32的具体实施方式，例如伸缩件32也可以采用压电陶瓷材料制成的其它形状，只要其具有根据电信号变形的特性即可。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。

于本申请的一实施例中，如图1所示，多个测温杆31对应设置于多个升降杆21内。具体来说，多个升降杆21具体为三个，三个升降杆21内均设置有测温杆31，由此可以得到三个测温点的待加工工件100表面温度测量值，以平均值作为待加工工件100温度的标定值，并且对三个温度测量值进行误差分析，当偏差过大(例如大于3％)时，便会停止进一步工艺动作，防止单一测温杆31失效或加热不均匀对工艺结果的影响，从而大幅降低废片风险，提高待加工工件100的成品率。

于本申请的一实施例中，如图1所示，基座1包括由上至下层叠设置的静电卡盘12及绝缘层13。具体来说，静电卡盘12通过基座1设置半导体工艺设备的工艺腔室内，静电卡盘12用于固定和支撑待加工工件100，避免待加工工件100在工艺过程中出现移动或者错位现象。静电卡盘12采用静电引力来固定待加工工件100，相对于现有技术中采用的机械卡盘和真空卡盘具有很多优势，例如静电卡盘12减少了机械卡盘时由于压力、碰撞等原因造成的待加工工件100破损；增大了待加工工件100可被有效加工的面积；减少了待加工工件100表面腐蚀物颗粒的沉积；并且可以在真空工艺环境下工作。

为了进一步说明本申请实施例的有益效果，以下结合附图对本申请的一具体实施方式说明如下。如图1、图2、图6至图7所示，当需要传输待加工工件100时，半导体工艺设备的机械手将待加工工件100放置在三个升降杆21上，测温杆31的测温端311两侧的定位块312在重力作用下坐落在升降杆21顶端的定位槽211内，此时测温端311距离待加工工件100表面为1毫米，伸缩件32未接收到电信号处于自由伸缩状态，伸缩件32不会推动测温杆31产生抵抗重力的作用而向上运动，待加工工件100虽然距离基座1较远，但测温杆31仍能在升降杆21的带动下近距离测量待加工工件100表面的温度。当需要执行工艺时，半导体工艺设备的上位机向支撑组件2发送下降信号，升降杆21下降至基座1的承载面11以下，例如使升降杆21低于承载面11为2mm，测温端311顶面低于承载面11为3mm，待加工工件100落在基座1的承载面11上。此时测温杆31跟随升降杆21下降至待加工工件100表面相对较远的位置,例如限位台33距离支撑臂22为2mm，为了近距离测量待加工工件100温度，下降信号同时通入伸缩件32以对伸缩件32施加一定的电压，伸缩件32变形带动测温杆31向上运动，运动方向如图7中黑色箭头所示，并且由于限位台33的存在，测温端311可移动距离不超过2mm，即当测温端311运动到距离待加工工件100表面1毫米的位置处时，限位台33与支撑臂22下表面贴合，测温杆31停止向上运动以防止测温杆31撞击待加工工件100造成划片或磨损，此时测温杆31便可以更加准确的测量待加工工件100表面的温度。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室及如上述各实施例提供的承载装置，承载装置设置于工艺腔室内。

应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：

本申请实施例通过在升降杆内设置有测温杆，测温杆可以根据升降杆的位置调节其自身的位置，即根据不同需求实现测温杆相对于待加工工件的距离进行调节，从而实现对待加工工件表面温度的实时测量。由于测温杆设置于升降杆内，并且根据升降杆的位置进行调节，使得测温杆始终距离待加工工件较近，从而大幅提高待加工工件温度检测的精确性。另外，由于测温杆设置升降杆内，避免由于接触不良而导致测温误差较大，并且由于测温组件无需占用工艺腔室内空间，从而大幅降低了工艺腔室的空间占用。

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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。