УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАЗМОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН Российский патент 1996 года по МПК H01L21/301 

Изобретение может быть применено в электротехнической и электронной промышленности, на операциях плазменной обработки плоских изделий типа полупроводниковых пластин, подложек для печатных плат и плоских дисплеев, жестких магнитных и компакт-дисков.

Известно устройство для плазмо-струйной обработки пластин при атмосферном давлении, содержащее замкнутую камеру с системой газообмена, генератор плазменной струи, источник электропитания генератора плазменной струи, систему подачи газа, привод перемещения генератора плазменной струи, систему управления, привод поворота держателей пластин. Держатели пластин закреплены на кронштейнах, жестко связанных с вертикальным валом привода поворота. Генератор плазменной струи смонтирован с возможностью перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях, а его плазменная струя обращена вниз. Держатель пластины выполнен в виде горизонтальной площадки с вакуумными присосками для удержания пластины и ориентирован вверх (1).

Данное устройство наиболее близко по технической сущности к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком устройства-прототипа является низкая эффективность использования энергии.

Это обусловлено тем, что при обработке пластин с размерами, большими, чем поперечный размер плазменной струи, чтобы обработать всю поверхность пластины, плазменной струей проходят вдоль пластин несколько раз, сдвигая генератор плазменной струи поперек пластины после каждого прохода на величину, не превышающую размера струи, для обеспечения равномерности обработки. Кроме того, после каждого прохода плазменной струей пластина должна остыть, чтобы тепло в ней не накапливалось и каждое последующее воздействие протекало в одинаковых воспроизводимых тепловых условиях. Каждая такая пауза длится от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, в это время энергия плазмы расходуется напрасно. Таким образом, в прототипе чем больше размер пластины, тем меньше эффективность использования энергии. К неэффективности использования энергии следует также отнести то, что при каждом единичном воздействии плазмы сначала часть энергии тратится на предварительный нагрев поверхности пластины до температуры, при которой начинаются требуемые физико-химические процессы на поверхности, а затем уже происходит непосредственно обработка. Во время остывания пластины энергия, затраченная на предварительный нагрев, теряется. Суммарные потери энергии на предварительный подогрев увеличиваются пропорционально возрастанию многократности плазменных воздействий. К увеличению многократности воздействий, а значит, и ухудшению использования энергии приводит также неравномерность нагрева пластины. При обработке хрупких пластин зачастую длительность единичного воздействия плазмы ограничивается не столько нагревом поверхности до предельно допустимой температуры, сколько возникновением градиентов температуры и связанных с ними термоупругих напряжений в пластине, которые могут привести к деформации и разрушению пластины.

Также к снижению эффективности использования энергии приводят затраты времени на смену пластин на держателях.

К недостаткам следует отнести также и то, что расположение генератора плазменной струи вниз плазменной струей вызывает необходимость введения мер по обеспечению охлаждения генератора плазменной струи от перегрева идущими вверх горячими газами, образующимися в процессе работы генератора.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности использования энергии, улучшение качества обработки.

Результат достигается тем, что установка для плазмо-струйной обработки пластин, включающая замкнутую камеру с системой газообмена, системы подачи газа, электропитания и управления, генератор плазменной струи и привод поворота держателей, вертикальный вал которого связан по крайней мере с одним держателем, выполненным в виде горизонтальной площадки, снабжена по крайней мере одним центрователем, выполненным в виде расположенной ниже уровня рабочей поверхности держателя горизонтальной площадки с ограничителями, соединенной с приводом ее вертикального перемещения, а каждый держатель снабжен приводом вращения вокруг вертикальной оси, причем рабочая поверхность каждого держателя обращена в сторону горизонтальной площадки центрователя, а оси каждого держателя, генератора плазменной струи и центр масс каждого центрователя равноудалены на расстояние R от вертикальной оси привода поворота держателей, которые размещены с равным угловым шагом ω относительно той же оси, а центрователи с шагом, кратным угловому шагу держателей, причем генератор ориентирован плазменной струей вверх и установлен с углом g между радиусами, соединяющими ось генератора плазмы и центр масс центрователя с осью вертикального вала привода поворота держателей, где g удовлетворяет условию:
nω+2arcsin((D+d)/4R)<(n+1)ω-2arcsin((D+d)/4R),
где n 0,1,(N-1);
ω угловой шаг между держателями;
D наибольший размер вдоль линии, приходящей через центр масс центрователя;
d поперечный размер плазменной струи;
R расстояние от вертикальной оси до осей держателей, генератора плазменной струи и центра масс центрователя.

Установка может быть снабжена размещенными противоположно от центрователя по крайней мере одним манипулятором и накопителем пластин, при этом манипулятор выполнен в виде установленного с возможностью вертикального и горизонтального перемещения захвата, а накопитель выполнен в виде горизонтальной площадки, смонтированной с возможностью вертикального перемещения, при этом горизонтальная ось захвата манипулятора размещена в плоскости, проходящей через горизонтальную ось накопителя и центр масс центрователя. При этом захват манипулятора может быть снабжен приводом поворота вокруг горизонтальной оси.

Причем держатель может быть выполнен в виде горизонтальной площадки со сплошным бортом, торцевая поверхность которого выполнена горизонтальной, а внутри сплошного борта и горизонтальной площадки выполнен по крайней мере один канал для откачки газа, а на торцевой поверхности борта выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие.

Держатель, выполненный в виде горизонтальной площадки, может быть снабжен ограничителями, закрепленными эквидистантно краям пластины, а в площадке выполнено по крайней мере одно отверстие для соединения с системой подачи газа.

Оснащение держателя приводом вращения вокруг вертикальной оси позволяет за одно плазменное воздействие обрабатывать всю поверхность пластины, которая нагревается равномерно по всей поверхности, уменьшаются градиенты температуры, что позволяет увеличить длительность каждого плазменного воздействия и сократить их количество. Кроме того, отпадает необходимость перемещения генератора плазменной струи, т. е. повышается эффективность использования энергии, а равномерная обработка поверхности пластины, снижение температурных напряжений и деформаций пластины ведут к повышению качества обработки.

Ориентация генератора плазменной струи струей вверх снижает вероятность неконтролируемых отклонений плазменной струи от заданных параметров, т.к. спутные с ней конвективные потоки газа не возмущают ее течения, что повышает качество обработки, и поскольку горячий газ, получающийся из остывающей плазмы, поднимается вверх самостоятельно, снижаются затраты на систему из улавливания и, кроме того, они не нагревают генератор, т.е. исключаются затраты энергии на охлаждение генератора плазменной струи.

Конструктивное выполнение центрователя в виде горизонтальной площадки с эквидистантно расположенными ограничителями и размещение его центра масс равноудаленным с осью генератора плазмы и осью вращения каждого из держателей от вертикальной оси привода поворота держателей позволяет снимать пластину из центрователя держателем без сдвига пластины, который не произойдет под действием центробежных сил при вращении держателя, в результате чего улучшается качество обработки, повышается надежность установки, т.к. исключается сдвиг или сброс, и, кроме того, совмещение осей и центра масс позволяет использовать держатели различных типов.

Размещение держателей пластин с угловым шагом w относительно оси привода их поворота и центрователей с угловым шагом, кратным w, обеспечивает совпадение их положений, что позволяет использовать различные держатели и автоматизировать позиции загрузки и выгрузки, что, соответственно, сокращает потери энергии за счет длительности перегрузки.

Ограничение на угол g установки генератора плазменной струи обеспечивает качественную обработку пластины, т.к. не позволит установить генератор в зонах, где возможно разрушение пластин под действием плазменной струи.

Оснащение установки манипулятором с захватом и накопителем позволяет автоматизировать процесс.

Выполнение захвата манипулятора с возможностью поворота на 180^o относительно горизонтальной оси обеспечивает двухстороннюю обработку пластин в автоматическом режиме.

Выполнение держателя с каналом для откачки газа и сквозными отверстиями в борту позволяет увеличить силу удержания пластин во время вращения держателя за счет понижения давления внутри держателя, которое обусловлено выходом газа через сквозные отверстия под действием центробежных сил. Такое выполнение держателя не приводит к отрыванию пластины.

Выполнение держателя с отверстием для подачи газа позволяет удерживать пластину параллельно дну держателя с небольшим газовым зазором (приблизительно 0,5 мм), при этом исключаются дополнительные механические напряжения.

Эквидистантное расположение ограничителей на держателе исключает возможность сдвига пластины при разгоне и торможении, вследствие этого пластина не может быть повреждена, т.е. улучшается качество.

На фиг. 1 изображена установка для плазмо-струйной обработки пластин; на фиг. 2 схемное расположение элементов внутри камеры; на фиг. 3 схема, поясняющая ограничения на размещение генератора плазменной струи; на фиг. 4 - держатель пластины (1-й вариант); на фиг. 5 держатель пластины (2-й вариант).

Установка содержит замкнутую камеру 1 с системой 2 газообмена, систему 3 электропитания, систему 4 подачи газа, систему 5 управления. Внутри замкнутой камеры 1 на основании 6 размещены генератор 7 плазменной струи, привод 8 поворота, вертикальный вал которого связан с держателями 10, центрователи 11, манипуляторы 12 и накопители 13. Генератор 7 плазменной струи, держатели 10 и центрователи 11 равноудалены от вертикального вала 9 привода поворота держателей на расстояние R.

Держатели 10 размещены с угловым шагом относительно оси вертикального вала 9, равным 360^o/N, где N число держателей 10. В данном примере с w 120^o. Три держателя 10 закреплены на полых вертикальных осях 14, связанных с приводами 15 их вращения, установленными на кронштейнах 16, жестко смонтированных на вертикальном валу 9 привода 8 поворота. На кронштейнах 16 установлены направляющие 17 для вертикальных осей 14.

Генератор 7 плазменной струи должен быть расположен таким образом, чтобы в те моменты времени, когда держатели пластин неподвижны и находятся над центрователями, плазменная струя не могла бы воздействовать на пластину. Это расположение генератора 7 плазменной струи ограничено углом g, образованным между радиусами, соединяющими ось генератора 7 плазмы и центр масс центрователя 11 с осью вертикального вала 9 привода поворота 8 держателей 10, где угол g удовлетворяет условию:

где n 0,1.(N-1);
ω угловой шаг между держателями;
D наибольший размер вдоль линии, проходящей через центр масс центрователя;
d поперечный размер плазменной струи;
R расстояние от вертикальной оси до осей держателей, генератора плазменной струи и центра масс центрователя.

Генератор плазменной струи установлен на опоре 18, высота которой выбирается такой, чтобы генератор 7 плазменной струи был расположен ниже плоскости обрабатываемой пластины, укрепленной на держателе на заданную величину.

Каждый центрователь 11 выполнен в виде горизонтальной площадки 19 с ограничителями 20, которые устанавливаются эквидистантно краям пластины. Горизонтальная площадка 19 связана с приводом 21 ее вертикального возвратно-поступательного перемещения. Центрователи 11 установлены с угловым шагом, кратным w, относительно оси вала 9 привода 8 поворота держателей 10.

Каждый манипулятор 12 включает установленную в направляющих 22 горизонтальную штангу 23 с захватом 24. Штанга 23 связана с приводом 25 ее горизонтального перемещения, например передачи винт-гайка, и приводом 26 ее поворота вокруг горизонтальной оси на 180^o, при этом ось горизонтальной штанги 23 лежит на одной горизонтальной прямой, проходящей через центр масс центрователя 11 и центр накопителя 13, который выполнен в виде горизонтальной площадки 27 с приводом 28 ее вертикального перемещения, например передачи 29 винт-гайка. На площадке 27 установлена кассета 30 для пластин.

Держатель 10 может быть выполнен, например, в виде горизонтальной площадки 31 со сплошным бортом 32, торцевая поверхность которого выполнена горизонтальной. Внутри сплошного борта 32 и площадки 31 выполнен по крайней мере один канал 33 для откачки газа, а на боковой поверхности борта выполнены отверстия 23 для выхода газа под действием центробежных сил при вращении держателя 10 и, соответственно, понижения давления.

Держатель 10 может быть выполнен также в виде горизонтальной площадки 35 с ограничителями 36 по краям, ограничители устанавливаются эквидистантно краям обрабатываемой пластины. В площадке 35 выполнено отверстие 37 для соединения с системой подачи газа, что позволяет удерживать пластину горизонтально с небольшим газовым зазором (приблизительно 0,5 мм) между рабочей поверхностью горизонтальной площадки и пластиной.

Установка для плазмо-струйной обработки пластин работает следующим образом.

Пластину 38 помещают на центрователь 11 той стороной вниз, которую необходимо обработать. Вал 9 поворачивают в положение загрузки, при котором оси 14 держателей 10 располагаются над точкой центра масс центрователя 11 и, соответственно, уложенной на него пластины.

Включают генератор 7 плазменной струи. Плазменная струя направлена вверх. Задаваемое по технологии обработки расстояние между верхней частью генератора 7 и горизонтальной плоскостью, в которой размещена пластина 38 на держателе 10, регулируют высотой опоры 18. Выполнение условия (1) на угол g, в котором может устанавливаться генератор 7 плазменной струи, исключает повреждение плазменной струей пластины 38 на держателе 10 в угловых положениях, соответствующих положению загрузки.

Приводом 21 поднимают центрователь 11 с пластиной 38 до соприкосновения верхней плоскости пластины 38 с рабочей поверхностью держателя 10. Включают держатель 10, который захватывает пластину 38.

Если используется держатель конструкции, выполненный по фиг. 4, тогда из него посредством канала 33 производится откачка воздуха, например, вакуумным насосом (не показан), пластина 38 прилипает к торцевой поверхности борта 32. При включении привода 15 вращения держателя внутри последнего образуется понижение давления за счет удаления воздуха через отверстия 34 под действием центробежных сил, возникающих в период вращения. Образующийся перепад давления дополнительно удерживает пластину 38 на держателе 10.

В держатель 10 по типу, изображенному на фиг. 5, подается газ от системы 4 подачи газа через отверстие 37. Газ выходит из отверстия 39 и, проходя между дном площадки 35 и верхней плоскостью пластины 38, создает пониженное давление в этом зазоре относительно атмосферного давления снаружи. В результате пластина 38 держится параллельно дну площадки 35 с зазором приблизительно 0,5 мм и не соприкасается с ней. В этой конструкции при вращении пластина удерживается на держателе 10 за счет трения о проходящий в зазоре газ и за счет торцевого соприкосновения с ограничителями 36. Эквидистантное расположение ограничителей 36 краям пластины с небольшим (приблизительно 0,5 мм) зазором исключает проскальзывание и трение края пластины относительно ограничителей при резком разгоне или торможении держателя 10.

Включают привод 8 поворота и поворачивают вал 9 на угол 120^o с обеспечением заданной линейной скорости точки пластины на оси вращения приблизительно 1 м/с.

При этом вращающаяся пластина 38 пересекает плазменную струю генератора 7. Зависимость угловой скорости от угла поворота вала 9 выбирают из условия обеспечения равенства количества энергии плазмы, поглощенной разными точками нижней поверхности пластины по заданной технологии.

В результате за одно плазменное воздействие поверхность пластины 38 нагревается равномерно и термоупругие напряжения в ней минимальны.

Если устройство содержит только один держатель 10 пластин 38, то после первого плазменного воздействия, описанного выше, делается пауза в течение некоторого времени для остывания пластины 39, затем повторяют поворот вала 9, т. е. повторяют плазменное воздействие одновременно на всю вращающуюся пластину, затем снова пауза для остывания пластины 38 и так повторяют циклы "плазменное воздействие-остывание" требуемое по технологии обработки количество раз. После последнего плазменного воздействия выключают привод 15 вращения держателя 10.

Выгружают пластину 38 с держателя 10 в центрователь 11. Так как держатель 10 находится над центрователем 11, то для этого поднимают центрователь 11 вверх, чтобы нижняя поверхность пластины 38 соприкоснулась с верхней поверхностью центрователя 11. Затем выключают удержание пластины 38 на держателе 10. Пластина 38 опускается в центрователь 11. Потом опускают центрователь 11 в нижнее положение и извлекают из него пластину 38.

Если устройство оснащено несколькими держателями 10 пластин 38, то паузы для остывания пластин 13 могут быть использованы либо для загрузки новыми пластинами 38 на держатели 10 или выгрузки уже обработанных пластин 38.

Для некруглых пластин 38 должно быть соблюдено условие их одинаковой угловой ориентации относительно осей 14 вращения держателей 10, что достигается любым из известных способов контроля углового положения вала привода 15.

Кроме того, остывание одной из пластин 38 может происходить одновременно с плазменным воздействием на другие пластины 38.

Если установка оснащена хотя бы двумя центрователями 11, то процесс загрузки пластины 38 на один держатель 10 может производиться одновpеменно с выгрузкой другой пластины 38 с другого держателя 10 на второй центрователь 11.

При оснащении установки манипуляторами 12 с захватами 24 и кассетами 30 с пластинами 38 в накопителях 13 выемка каждой новой пластины из кассеты 30 и укладка ее на центрователь 11 или съем обработанной пластины 38 с центрователя 11 и помещение в кассету 30 производится автоматически. С помощью привода 28 через передачу 29 изменяют вертикальное положение кассеты 30, чтобы захватом 24, перемещающимся в горизонтальной плоскости, взять нужную пластину 38 в кассете 30, например, с помощью вакуумной присоски (не показана). Затем манипулятор 12 с захватом 24 перемещается приводной передачей 25 к центрователю 11 и укладывает пластину 38 в центрователь 11 между ограничителями 20. Съем пластины 38 с центрователя 11 осуществляется в обратном порядке. Если пластины 38 в кассете 30 расположены стороной, которую следует обрабатывать, вверх, то с помощью привода 27 захват 24 вместе с пластиной 38 поворачивается на 180^o относительно горизонтальной оси и пластина 38 укладывается затем в центрователь 11 обрабатываемой стороной вниз. После обработки одной стороны пластина 38 выгружается в центрователь 11, берется захватом 24 из центрователя 11, переворачивается вместе с захватом 24 и снова укладывается в центрователь 11 вниз уже второй стороной. Далее она загружается центрователем 11 на держатель вниз второй стороной, еще не обработанной.

После этого процесс обработки повторяется. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в электротехнической и электронной технологии, в частности в установках для плазмо-струйной обработки пластин. Сущность изобретения: установка включает замкнутую камеру с системой газообмена, размещенный в камере по крайней мере один держатель пластин, соединенный с вертикальным валом углового перемещения, генератор плазменной струи и по крайней мере один центрователь пластин. Последний размещен под держателем. Каждый держатель снабжен приводом вращения вокруг своей вертикальной оси. Ось каждого держателя, ось генератора и ось, проходящая через центр масс центрователя, равноудалены от оси вертикального вала. Генератор плазменной струи расположен относительно центрователя под углом γ, измеряемым между двумя радиусами, один из которых соединяет оси генератора плазменной струи, а другой - ось, проходящую через центр масс центрователя, с осью того же вала, и удовлетворяющим условию: g > n/360/N/+2arcsin[(D+d)/4R] или g < (n+1)/360/n/-2arcsin[(D+d)/4R] , где n - 0,1...(N-1); D - наибольший размер центрователя вдоль линии, проходящей через его центр масс; d - поперечный размер плазменной струи; R - расстояние от оси вертикального вала до осей генератора плазменной струи, держателя пластин и оси, проходящей через центр масс центрователя. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для плазмоструйной обработки пластин, включающая замкнутую камеру с системой газообмена, размещенные в камере по крайней мере один держатель пластин, генератор плазменной струи, обращенный к держателю пластин, выполненному в виде горизонтальной площадки и соединенному с вертикальным валом привода углового перемещения, отличающаяся тем, что установка снабжена по крайней мере одним центрователем пластин, выполненным в виде горизонтальной площадки с ограничителями и соединенным с приводом вертикального перемещения, причем горизонтальная площадка центрователя пластин размещена под горизонтальной площадкой держателя пластин, а каждый держатель пластины снабжен приводом вращения вокруг своей вертикальной оси и установлен в угловом положении относительно оси вертикального вала привода углового перемещения, где N количество держателей; K порядковый номер держателя, при этом ось каждого держателя пластин, ось генератора плазменной струи и ось, проходящая через центр масс каждого центрователя пластин, равноудалены от вертикальной оси вала привода углового перемещения, а генератор плазменной струи расположен относительно центрователя под углом γ, удовлетворяющим условию

где γ угол между двумя радиусами, один из которых соединяет ось генератора плазменной струи с осью вертикального вала привода углового перемещения, а второй соединяет ось, проходящую через центр масс центрователя, с осью того же вала;
n 0, 1, (N 1) безразмерная величина;
D наибольший размер центрователя вдоль линии, проходящей через его центр масс;
d поперечный размер плазменной струи;
R расстояние от оси вертикального вала привода углового перемещения до осей генератора плазменной струи, держателя пластин и оси, проходящей через центр масс центрователя. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый держатель пластин снабжен бортом, выполненным с горизонтальной торцевой поверхностью, в котором образован по крайней мере один сквозной канал, а в стенде борта выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что держатель пластин снабжен ограничителями, размещенными по краям горизонтальной площадки, в котором выполнено по крайней мере одно отверстие. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена по крайней мере одним манипулятором и накопителем пластин, причем манипулятор выполнен в виде захвата с возможностью вертикального и горизонтального перемещения, а накопитель пластин выполнен в виде горизонтальной площадки с возможностью вертикального перемещения. 5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что манипулятор снабжен приводом поворота вокруг его горизонтальной оси.