专利名称：用于把持晶片状物件的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于把持诸如半导体晶片等晶片状物件的设备。
背景技术：
半导体晶片会经历各种表面处理工艺，比如蚀刻、清洁、抛光和材料沉积。为了适应这样的工艺，单个晶片可相对于一或多个处理流体喷嘴被关联于可旋转载具的卡盘支撑，例如，如美国专利第4，903，717号和5，513，668号中所描述的。上面所参考的专利按伯努利原理(Bernoulli principle)操作，因此晶片受到来自气垫的下方支撑而不与卡盘接触。不过，这样的卡盘通常包括沿置于卡盘上 的晶片径向向外设置的一圈销。这些销防止晶片相对于卡盘的横向位移。如美国专利第4，903，717号中所描述的，每一个销从各自的枢轴基座向上凸出。销轴和基座是垂直的但彼此偏移(offset)使得基座的绕轴旋转引起相关联的销沿着圆弧移动从而在其径向位置可调整。枢轴基座各自具有齿轮齿，其与和卡盘旋转轴共轴的公共齿圈的齿啮合。因此，齿圈相对于卡盘的旋转引起所有的销联合移动相同的程度。该构造使得销被径向向外移动以放置或移除晶片，然后被径向向内移动以与晶片的外围边缘接触。这样的接触不仅防止晶片相对于卡盘的横向位移，也防止在卡盘旋转时晶片和卡盘之间的相对旋转。通过将卡盘主体加工为共轴地设置于周围的环形磁性定子内的磁性转子，其它旋转卡盘在磁场的控制下运转，例如，如美国专利第6，485，531号中所描述的。在这样的卡盘中，旋转头支撑晶片。受让人利用具有与上述那些销一样的特征的销设计了这样的卡盘，但其在本文中也用来支撑晶片的重量。旋转卡盘在使用中经受极端温度和高度酸性蚀刻溶液。在一系列处理条件下无意外地执行的设计可在不同的处理条件下以较小的一致性执行。
发明内容
本发明人已发现，在上述类型的卡盘中，在极端处理条件下，销并非总是可靠地打开和关闭。根据本发明，用于把持诸如半导体晶片等晶片状物件的设备装有一系列销，所述销被设定为在公共齿圈或者一系列联合操作的齿轮段的控制下与晶片状物件的外围边缘接触。在齿圈或齿轮段啮合销总成的区域，这些元件被设计为比齿圈或齿轮段的其它区域更容易屈服，以适应在销总成附近卡盘部件的不均匀热膨胀。
参考附图，在阅读了接下来的本发明优选实施方式的详细描述之后，本发明的其他目的、特征和优点会变得更显而易见，其中图Ia是部分截面的透视图，示出了根据本发明的一实施方式的设备；图Ib是图Ia的细节Dlb的透视图，也是部分截面的透视图Ic是对应于图Ib的视图的视图,其中定子进而卡盘已相对于处理室的圆筒形壁被抬升；图Id是对应于图Ie的视图的视图，其中卡盘取不同的角方向以暴露销总成；图2是部分剖视的平面图，示出了齿圈、销总成和卡盘之间的连接，以及齿圈和其相关控制机构的相互作用；图3是根据本发明的齿圈或齿轮段的第一实施例的径向截面图；图4是根据本发明的齿圈或齿轮段的第二实施例的径向截面图；图5是根据本发明的齿圈或齿轮段的第三实施例的径向截面图；
图6是根据本发明的齿圈或齿轮段的第四实施例的径向截面图；图7是根据本发明的齿圈或齿轮段的第五实施例的径向截面图；图8是根据本发明的齿圈或齿轮段的第六实施例的径向截面图；图9是根据本发明的卡盘的第二实施方式的从上看的透视图；图IOa是图9的实施方式的从下看的透视图；以及图IOb是图IOa的细节DlOb中的齿圈30’的一实施例的示意性透视图。
具体实施例方式图Ia的设备100包括腔室、用于夹紧和旋转晶片(圆盘状物件)的环形卡盘20以及定子80。该腔室包括圆筒形壁60、底板65和顶板(未图示)。上分发管63被引导穿过顶板，下分发管67被引导穿过底板65。定子80被安装到定子基板5并与圆筒形壁60同中心。定子基板5可例如通过使用气动升降设备沿着圆筒形壁60的轴轴向地移动。定子基板5和安装在其上的定子80具有中心开口，其直径大于圆筒形壁60的外径。顶板也可被轴向地移动以打开该腔室。在其关闭位置，顶板抵靠圆筒形壁60是密封的。定子80包括若干线圈84用于轴向和径向取向以及用于驱动转子85，其是环形卡盘的一部分。这样的装置在美国专利6，485，531中有进一步的详细描述。环形卡盘20的直径小于圆筒形壁的内径使其可以在圆筒形壁60内自由飘浮(levitate)和旋转。环形卡盘20包括内卡盘基体21，环形槽环绕内卡盘基体21的外侧，该环形槽容纳齿圈30。齿圈30优选地由PEEK、铝或者不锈钢制成。齿圈30包括朝内齿31。朝内齿31转而驱动销轴27的齿(参见图lc)。该实施方式具有6个向下取向的销轴27，每一个均具有由齿圈30驱动的小齿轮。销轴27被安装使得它们可围绕平行于环形卡盘的旋转轴的轴A转动。在相对于销轴27的旋转轴A偏心的位置，销28被安装到各个销轴27或者与各个销轴27形成整体。因此，当销轴27被齿圈30转动时，销28依卡盘径向位移。由于销和齿圈30 二者均由卡盘基体21承载，因此仅当齿圈30相对于卡盘基体旋转时，销轴27被齿圈30旋转。定位销28以便在晶片的外围边缘接触晶片W。由于销28还支撑晶片W的重量，因此销28在形状上可以是圆筒形的或者在其接触晶片边缘的径向朝内侧具有凹陷部分，以防止晶片W在该晶片被夹紧过程中相对于销28的轴向位移。为了将齿圈30安装到卡盘基体21的环形槽中，齿圈30由两个独立的区段构成，当被插入环形槽中时所述区段被固定在一起。卡盘基体21和齿圈30通过一或多个螺旋弹簧40连接(参见图2)使得齿圈30将销28推进到它们径向最里面的位置，相当于夹紧晶片。两个永久磁铁33 (参见图Ib)被安装到齿轮齿圈30。多个至少二十四转子磁铁85 (其为永久磁铁)围绕卡盘基体21均匀排布。这些转子磁铁85是驱动和定位单元的一部分，即，被安装到卡盘基体21的转子(活动轴承的元件)的一部分。多个转子磁铁85和承载永久磁铁33的齿圈30被装入由卡盘基体21、外下卡盘盖22以及转子磁铁盖29提供的中空环形空间。这样的转子磁铁盖29可以是不锈钢护套。盖22和29是环形的并与卡盘基体21同中心。当组装卡盘20时，销轴27从上面插入其各自的位置使得销轴抵靠卡盘基体21紧密密封，如图Ic中所示。每个销轴27用螺钉24固定位置。此外，每个销轴可被销轴和螺钉之间的螺旋弹簧压入它的位置。 附着于定子基板5的是定子和活动定位单元80，其相对于圆筒形壁60同中心排布。定位单元80与转子磁铁85对应，从而浮起、定位和旋转卡盘20。在活动定位单元80的下面有两个安装到定子基板5的气缸50。在气缸50的杆的远端安装有锁定磁铁55 (永久磁铁)。锁定磁铁对应于齿圈30的永久磁铁33。气缸50被安装使得锁定磁铁55可相对于圆筒形壁60的轴径向移动。当销被打开例如以释放晶片时，进行如下的程序定子基板5随同升起的卡盘20被抬升使得圆筒形壁60不再处于锁定磁铁55和卡盘20之间的间隙中(参见图lc)。之后，气缸50移动靠卡盘20很近的锁定磁铁55，且该卡盘被转动使得永久磁铁33随同齿圈30被锁定磁铁锁定。现在卡盘转动而齿圈静止，因此销28打开。替代地，可以卡盘基体静止而气缸移动使得锁定磁铁切线地转动(沿着卡盘的周长)，从而齿圈被转动。但是，如上所述，本发明人已经发现，在较高的工艺温度，卡盘的销，比如所描述的那种，在处理完成时或者在处理过程中要实行晶片转换时会无法打开。当卡盘在使用中时，销及其相关激活机构是观察不到的，因为处理室可包含热硫酸或温度过热到大约120°C的水。此外，该实施方式的齿圈30位于卡盘体21的槽中。不过，本发明人认为该问题的根源在于优选地由不锈钢制成的环形齿轮230在高温下经受比优选地由诸如PVDF (聚偏二氟乙烯)或者ECTFE (乙烯三氟氯乙烯)之类的塑料制成的卡盘基体21程度较小的热膨胀。当销轴27被固定在卡盘基体21中时，卡盘基体21的相对较大的膨胀会使销总成径向向外位移，而齿圈30却没有相应位移，使得销28会被足够的力压向齿圈30的齿，导致齿圈30卡住。该现象还可被理解为齿圈30径向向内推进销总成使得销轴27卡在膨胀的卡盘基体21内。因为销总成与齿圈30啮合，所以结果是一样的，即，齿圈30卡住。在确定该问题的根源之后，本发明人对该问题设计了各种解决方案，包括至少在齿圈接触各个销总成的那些区域弱化(weaken)齿圈，以适应由卡盘基体的热膨胀引起的销总成的高温位移。图3-8图示了设计来实现本发明的结构的若干实施例。这些图中的每一个以径向截面示出了环形齿轮30的一部分，其中包括接触各个销总成的区域。因此，在该实施方式中，这些图的每一个中所描绘的结构在齿圈30的周长上会被重复6次，这6个区段通过宽度与这些图中所示宽度大约相同的齿圈30的实心或未修改区域互相连接。
对该问题的解决方案是使齿轮(30)接触销轴(27)的区域(31)以较弱的形式形成，这意指其具有降低了的杨氏模量的区域。在图3中，在齿31后面有限定较窄的并从而被显著弱化的区域33、34的封闭切口32 (cut-out).,环形齿轮30的材料具有足够的弹性，使得较窄区域33会根据卡盘基体21的热膨胀和销总成27的相关位移而径向向外偏离，还会随着卡盘基体21冷却并收缩而返回其初始位置。在图4中，切口 32’并未完全封闭，以便弱化区域33’成为悬壁构造。在图5中，齿31形成于安装在腔36内的独立块35中，腔36形成于齿圈30中。盘簧37将块35径向向内推进到与销总成27啮合，也根据卡盘基体21的热膨胀调节销总成27的径向向外位移。图6-8的实施例按基本上与图5相同的原理作用。在图6中，图5的盘簧37被片·簧38替代。在图7中，前述实施例的弹簧被弹性材料体39替代，其压缩弹性调节销总成的向外位移，如前述实施例的弹簧。最后，图8示出了未被安装在腔36’内但经由带簧41(stripspring)连接到该腔的边缘的块35’。图3-8的实施例的每一个所共有的是当打开和关闭销时，驱动销轴的齿区域相对于邻近区域中的环形齿轮的整个径向宽度被显著弱化。因此，弱化区域可被认为具有比相邻非弱化区域更低的有效杨氏模量。所有这些实施方式中，施加于销轴的每一个小齿轮的最大力由这些“弱化”区域限制，且优选地被限制为5-20N范围内的值。图9示出了按伯努利原理(Bernoulli principle)操作的旋转卡盘10’，其中晶片W就位。销总成27’被安装在上卡盘体11中，啮合晶片边缘的偏心销28’从上卡盘体11向上凸出。上卡盘体11被接合到下卡盘体12，其转而通过轴(未图示)被机械驱动。在图IOa中，卡盘10’被从下面示出，其中下基体12已被移走。与前述实施方式相比，这显示了该实施方式有些不同的齿圈30’，其中齿31被设置在齿圈的径向外边缘上。循环箭头表示卡盘的顺时针旋转，虽然由于该图中卡盘是从下面看的因而箭头本身正好是逆时针的。齿31与销总成27’上的对应齿啮合，同时销总成27的主体落在上基体11内。在齿圈30’和上基体11之间连接的盘簧43将齿圈朝相对于上基体11的成角度的方向推进，其中从上基体11的上表面凸出的销28’位于其径向最里面的位置，相当于在卡盘使用过程中夹紧晶片W。图IOa的细节DlOb在图IOb中的示意性横截面中被示出，其中为了易于理解，只描绘了齿圈。图IOb类似于图3，但由该实施方式的销总成27位于齿圈30’的径向向外部分，所以图示出了径向向外窄区域44上的齿31。不用进一步描绘，也可以认识到图4-8的实施例可类似地适用于该实施方式。虽然本发明被描述为与旋转卡盘相关，但是它也可被用在非旋转卡盘中。而且，虽然本发明被描述为与用于湿法化学处理的卡盘相关，但是它也可被用于干法工艺。虽然用这里的各个优选实施方式对本发明进行了描述，但是可以理解的是那些实施方式仅仅是提供来举例说明本发明，并不应被用作限制由所附权利要求书的真实范围和精神所赋予的保护范围的理由。
权利要求
1.用于把持晶片状物件的设备，其包括具有用于接触晶片状物件的凸出部分和被设置在所述设备的主体内的安装部分的多个能移动的接触元件、以及在所述接触元件接触置于所述设备上的晶片状物件的第一位置和第二非接触位置之间一致地驱动所述接触元件的齿轮机构，其中在啮合所述多个接触元件中的一个的至少一个区域中，所述齿轮机构包括比邻近所述至少一个区域的所述齿轮机构的其它区域更容易对横向位移的所述多个接触元件屈服的结构。
2.如权利要求I所述的设备，其中所述接触元件是一系列销，所述销能够从所述第二位置联合地移动到所述第一位置。
3.如权利要求I所述的设备，其中所述设备的所述主体由塑料制成。
4.如权利要求I所述的设备，其中所述设备是用于单晶片湿法处理的工艺模块中的旋转卡盘。
5.如权利要求2所述的设备，其中所述销被排列为圆圈，且每一个销从各自的枢轴基座沿着平行并偏离于所述枢轴基座的枢轴的轴向上凸出。
6.如权利要求I所述的设备，其中所述齿轮机构是在径向向内边缘上具有齿的齿圈，所述齿与所述接触元件上的对应齿啮合。
7.如权利要求I所述的设备，其中所述齿轮机构是在径向向外边缘上具有齿的齿圈，所述齿与所述接触元件上的对应齿啮合。
8.如权利要求I所述的设备，其中所述结构被构造使得所述齿轮机构以5-20N范围内的最大值作用在所述接触元件上。
9.如权利要求I所述的设备，其中所述结构是所述齿轮机构中的切口，其限定杨氏模量小于所述其它区域的变窄的区域。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述切口是封闭的从而使得所述齿轮机构的外缘表面没有断开。
11.如权利要求9所述的设备，其中所述切口断开所述齿轮机构的边缘表面使得所述变窄的区域成为悬臂形状。
12.如权利要求I所述的设备，其中所述结构是配合所述齿轮机构的腔的插入件，所述插入件包括与所述至少一个接触元件的对应齿啮合的齿轮齿，所述插入件被至少一个弹性元件推进至与所述对应齿啮合，所述弹簧对所述至少一个接触元件在朝所述腔的方向上的位移屈服。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述至少一个弹性元件是至少一个弹簧。
14.如权利要求12所述的设备，其中所述至少一个弹性元件是设置在所述腔内的弹性材料体。
15.用于把持晶片状物件的设备，其包括各自具有用于接触晶片状物件的凸出部分和被设置在所述设备的主体内的安装部分的多个能移动的销总成、以及在所述接触元件接触置于所述设备上的晶片状物件的第一位置和第二非接触位置之间一致地驱动所述接触元件的齿轮机构，其中在啮合所述多个接触元件中的一个的至少一个区域中，所述齿轮机构包括用于比邻近所述至少一个区域的所述齿轮机构的其它区域更容易适应横向位移所述多个接触元件的装置。
全文摘要
一种用于把持诸如半导体晶片等晶片状物件的设备，其装有一系列销，所述销被设定为在公共齿圈或者一系列联合操作的齿轮段的控制下与晶片状物件的外围边缘接触。在齿圈或齿轮段啮合销总成的区域，这些元件被设计为比齿圈或齿轮段的其它区域更容易屈服，以在销总成附近适应卡盘部件的不均匀热膨胀。
文档编号H01L21/683GK102986018SQ201180031315
公开日2013年3月20日 申请日期2011年7月5日 优先权日2010年7月23日
发明者弗朗茨·康姆尼格, 托马斯·维恩斯伯格, 赖纳·奥博威格 申请人:朗姆研究公司