用于非接触晶片夹持的系统和方法与流程

本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张2013年12月23日提交、标题为“在背侧上无接触的晶片边缘握紧卡盘机构(WAFER EDGE GRIPPING CHUCK MECHANISM WITHOUT CONTACT ON BACK SIDE)”、将黄鲁平(Luping Huang)指名为发明者的美国临时申请案第61/920,456号的权利，所述申请案的全部内容以引用的方式并入在本文中。

技术领域

本发明大体上涉及一种用于晶片特性化系统中的晶片卡盘，且特定来说，涉及一种非接触晶片卡盘。

背景技术：

随着半导体装置制造工艺的容限持续变窄，对经改善半导体晶片检视工具的需求持续增大。一种此检视工具包含晶片检验工具，例如，晶片边缘检验工具。在此光学系统中，相关联晶片卡盘可用来在边缘检验期间旋转晶片。一些晶片卡盘可提供将晶片提升到晶片卡盘表面上方的空气轴承。然而，这些系统随着晶片相对于下层晶片卡盘旋转而遭受相关联于晶片卡盘的高度变化。因此，将有利的是，提供消除先前技术中所识别的缺陷的系统和方法。

技术实现要素：

根据本发明的说明性实施例，揭示一种用于非接触夹持晶片的设备。在一个说明性实施例中，所述设备包含晶片卡盘。在一个说明性实施例中，所述晶片卡盘包含一或多个加压气体元件，所述一或多个加压气体元件经配置以跨所述晶片卡盘的表面产生一或多个加压气体区域，所述一或多个加压气体区域适合于将所述晶片提升到所述晶片卡盘的表面上方。在另一说明性实施例中，所述晶片卡盘进一步包含一或多个真空元件，所述一或多个真空元件经配置以跨所述晶片卡盘的表面产生一或多个减压区域。在一个说明性实施例中，所述减压区域具有低于所述加压气体区域的压力。在另一说明性实施例中，所述一或多个减压区域适合于将所述晶片紧固在所述晶片卡盘上方而不接触所述晶片卡盘。在另一说明性实施例中，所述设备包含耦合到所述晶片卡盘的一部分的夹具组合件。在另一说明性实施例中，所述设备包含机械地耦合到所述晶片卡盘的旋转驱动单元。在另一说明性实施例中，所述旋转驱动单元经配置以选择性地旋转所述晶片卡盘。在另一说明性实施例中，所述夹具组合件可逆地耦合到所述晶片的一或多个边缘部分，以便横向紧固所述晶片，使得所述晶片和所述夹具组合件在所述晶片卡盘通过所述旋转驱动单元旋转期间与所述晶片卡盘同步地旋转。

根据本发明的说明性实施例，揭示一种光学系统。在一个说明性实施例中，所述光学系统包含晶片夹持子系统。在另一说明性实施例中，所述光学系统包含照明源，所述照明源经配置以照明由所述晶片夹持子系统紧固的所述晶片的一或多个部分。在另一说明性实施例中，所述光学系统包含检测器，所述检测器经配置以收集来自所述晶片的经照明的一或多个部分的照明。在一个说明性实施例中，晶片夹持子系统包含晶片卡盘。在一个说明性实施例中，所述晶片卡盘包含一或多个加压气体元件，所述一或多个加压气体元件经配置以跨所述晶片卡盘的表面产生一或多个加压气体区域，所述一或多个加压气体区域适合于将所述晶片提升到所述晶片卡盘的表面上方。在另一说明性实施例中，所述晶片卡盘进一步包含一或多个真空元件，所述一或多个真空元件经配置以跨所述晶片卡盘的表面产生一或多个减压区域。在一个说明性实施例中，所述减压区域具有低于所述加压气体区域的压力。在另一说明性实施例中，所述一或多个减压区域适合于将所述晶片紧固在所述晶片卡盘上方而不接触所述晶片卡盘。在另一说明性实施例中，所述晶片夹持子系统包含耦合到所述晶片卡盘的一部分的夹具组合件。在另一说明性实施例中，所述晶片夹持子系统包含机械地耦合到所述晶片卡盘的旋转驱动单元。在另一说明性实施例中，所述旋转驱动单元经配置以选择性地旋转所述晶片卡盘。在另一说明性实施例中，所述夹具组合件可逆地耦合到所述晶片的一或多个边缘部分，以便横向紧固所述晶片，使得所述晶片和所述夹具组合件在所述晶片卡盘通过所述旋转驱动单元旋转期间与所述晶片卡盘同步地旋转。

根据本发明的说明性实施例，揭示一种用于晶片的非接触夹持的设备。在一个说明性实施例中，所述方法包含跨晶片卡盘的表面产生一或多个加压气体区域，以便将所述晶片提升到所述晶片卡盘的表面上方。在另一说明性实施例中，所述方法包含跨所述晶片卡盘的表面产生一或多个减压区域，以便将所述晶片紧固在所述晶片卡盘上方而不接触所述晶片卡盘。在另一说明性实施例中，所述方法包含将夹具组合件可逆地耦合到所述晶片的边缘部分，以便相对于所述晶片卡盘旋转地紧固所述晶片。在另一说明性实施例中，所述方法包含以选定旋转速度同步地旋转所述晶片、夹具组合件和所述晶片卡盘。

应了解，前文大体描述和下文详细描述两者仅为示范性和解释性且未必限制本发明。并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例且连同大体描述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

所属技术领域的熟练人员通过参考附图可更好地理解本发明的众多优势，在附图中：

图1A是根据本发明的一个实施例的非接触晶片夹持系统的横截面图。

图1B是根据本发明的一个实施例的非接触晶片夹持系统的晶片卡盘的横截面图。

图1C是根据本发明的一个实施例的非接触晶片夹持系统的晶片卡盘的俯视图。

图1D是根据本发明的一个实施例的非接触晶片夹持系统的示意仰视图。

图1E是根据本发明的一个实施例的非接触晶片夹持系统的示意俯视图。

图1F是根据本发明的一个实施例的具有处于脱离状态的夹具组合件的非接触晶片夹持系统的示意仰视图。

图1G是根据本发明的一个实施例的具有处于接合状态的夹具组合件的非接触晶片夹持系统的示意仰视图。

图2A是根据本发明的一个实施例的配备有非接触晶片夹持系统的晶片检验系统的简化示意图。

图2B是根据本发明的一个实施例的配备有非接触晶片夹持系统的晶片检验系统的简化示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的配备有非接触晶片夹持系统的晶片边缘检验系统的简化示意图。

图4是描绘根据本发明的一个实施例的用于晶片的非接触夹持的方法的流程图。

具体实施方式

现将详细参考附图中说明的所揭示标的。

大体上参考图1A到4，描述根据本发明的用于晶片的非接触夹持的系统和方法。在2013年5月21日发布的希伯特(Siebert)等人的第8,444,126号美国专利中大体上描述非接触晶片卡盘的使用，所述专利的全部内容以引用的方式并入在本文中。

本发明的实施例是有关晶片卡盘和适合于将晶片(例如，半导体晶片(例如，200mm到500mm的晶片))提升和紧固在晶片卡盘上方的夹具装置。本发明的实施例进一步是有关同步地旋转晶片和晶片卡盘，使得在给定扫描期间晶片与晶片卡盘之间不存在相对运动。此配置有助于避免由晶片卡盘的高度变化和振动所致的扫描误差。应进一步注意，本发明的晶片夹持系统可在多种光学测量环境中实施，例如(但不限于)晶片边缘检验系统。

图1A说明根据本发明的一个实施例的非接触晶片夹持系统100的简化横截面图。在一个实施例中，晶片夹持系统100包含晶片卡盘100，用于将晶片104紧固在晶片卡盘102的表面上方而不接触晶片卡盘102。在另一实施例中，晶片夹持系统100包含夹具组合件106。在另一实施例中，晶片夹持系统100包含旋转驱动单元116。旋转驱动单元116经耦合到晶片卡盘102且经配置以在晶片扫描过程期间可选择性地旋转晶片卡盘102、夹具组合件106和晶片104。

在一个实施例中，如图1A到1B中所展示，晶片卡盘102包含一或多个加压气体元件103。在一个实施例中，加压气体元件103在相应加压气体元件103的输出处或附近产生相关联加压区域107。加压区域107用来在晶片104上提供向上力。就此而言，一或多个加压气体元件103可跨晶片卡盘102的表面产生一或多个加压气体区域107，所述一或多个加压气体区域107适合于将晶片104提升到晶片卡盘102的表面上方。在一个实施例中，晶片卡盘102可包含多个加压气体元件103，如图1B中所描绘。就此而言，多个加压气体元件103可产生跨晶片卡盘的表面分布的一或多个加压气体区域107，所述一或多个加压气体区域107适合于将晶片104提升到晶片卡盘102的表面上方。在本文中应注意，加压气体区域107未必形成为与加压气体元件103一一对应。举例来说，两个或更多个气体元件103(例如，气体喷嘴、气体通道、多个气体喷嘴、多个气体通道)可有助于形成单个加压气体区域107。

在一个实施例中，晶片卡盘102的一或多个加压元件103形成加压气穴，用于将晶片104提升到晶片卡盘102的表面上方。就此而言，一或多个加压元件103可形成一或多个加压气穴(或其它气体)，此在晶片104的底部上施加凈向上力，从而使晶片104垂直稳定在晶片卡盘104上方的某个位置处。

在另一实施例中，如图1A到1B中所展示，晶片卡盘102包含一或多个真空元件105。在一个实施例中，真空元件105在相应真空气体元件105的输入处或附近产生相关联减压或真空区域109。举例来说，一或多个减压区域109可具有低于一或多个加压区域107的压力。一或多个真空元件105可跨晶片卡盘102的表面产生一或多个减压区域109，所述一或多个减压区域109适合于将晶片104紧固在晶片卡盘102的表面上方而在晶片104与晶片卡盘102之间不发生接触。就此而言，减压区域109用来在晶片104上提供向下力。来自真空元件105的向下力与来自一或多个加压气体元件的向上力的组合用来将晶片102的垂直位置稳定在晶片卡盘102上方的某个位置处。

在一个实施例中，晶片卡盘102可包含多个真空元件105，如图1B中所描绘。就此而言，多个真空元件105可产生跨晶片卡盘102的表面分布的一或多个减压区域109，所述一或多个减压区域109适合于将晶片104紧固在晶片卡盘102的表面上方。在本文中应注意，减压区域109未必形成为与真空元件105一一对应。举例来说，两个或更多个真空元件105可有助于形成单个减压区域109。在本文中应进一步注意，一些量的“交叉流”可存在于加压气体区域107与减压区域109之间。就此而言，来自相关联于区域107的加压气体元件103的气体可流动到减压区域109且由真空元件105抽出。

在一个实施例中，一或多个加压气体元件103包含一或多个气体喷嘴。举例来说，一或多个加压气体元件103可包含(但不限于)一或多个气体喷嘴，所述一或多个气体喷嘴经配置以从晶片卡盘104的表面向上引导气体(例如，空气)，以便产生一或多个加压区域10。举例来说，加压气体喷嘴可包含(但不限于)从晶片卡盘102的表面机械加工(或模制/铸造到表面中)的钻孔，其中一或多个气体输送管线流体地耦合到孔，所述一或多个气体输送管线用来将气体(例如，空气)输送到孔。

在一个实施例中，一或多个加压气体元件103包含一或多个气体通道。举例来说，一或多个加压气体元件103可包含(但不限于)一或多个气体通道，所述一或多个气体通道经配置以从晶片卡盘104的表面向上引导气体(例如，空气)，以便产生一或多个加压区域107。举例来说，加压气体通道可包含(但不限于)从晶片卡盘102的表面机械加工的凹入区域，其中一或多个气体输送管线流体地耦合到凹槽，所述一或多个气体输送线用来将气体(例如，空气)输送到凹入通道。

在一个实施例中，一或多个真空元件105包含一或多个气体喷嘴。举例来说，一或多个真空元件105可包含(但不限于)一或多个气体喷嘴，所述一或多个气体喷嘴经配置以从晶片卡盘104的表面向下抽出气体(例如，空气)，以便产生一或多个减压区域109。举例来说，真空喷嘴可包含(但不限于)从晶片卡盘102的表面机械加工(或模制/铸造到表面中)的钻孔，其中一或多个气体输送管线流体地耦合到孔，所述一或多个气体输送管线用来从孔附近的区域抽出气体(例如，空气)。

在一个实施例中，一或多个真空元件105包含一或多个气体通道。举例来说，一或多个真空元件105可包含(但不限于)一或多个气体通道，所述一或多个气体通道经配置以从晶片卡盘104的表面向下抽出气体(例如，空气)，以便产生一或多个减压区域109。举例来说，真空气体通道可包含(但不限于)从晶片卡盘102的表面机械加工的凹入区域，其中气体输送管线流体地耦合到凹槽，所述气体输送管线用来从凹槽通道附近的区域抽出气体(例如，空气)。

在一个实施例中，如图1B中所展示，真空元件105的至少一部分与加压气体元件103的一部分交错。就此而言，一或多个真空元件105可经排列，以便与加压气体元件103中的一或多者交替。在本文中应认识到，加压气体元件103和真空气体元件105可跨晶片卡盘102的表面排列成任何图案。举例来说，加压气体元件103和真空气体元件105可排列成所属技术领域中已知的任何一个(或多个)几何图案。

举例来说，加压气体元件103和真空气体元件105可排列成线性格栅，其中根据X-Y位置使一或多个真空元件105与一或多个加压气体元件103交替。在另一例项中，加压气体元件103和真空气体元件105可排列成圆形格栅，其中根据绕晶片卡盘102的角位置使一或多个真空气体元件105与一或多个加压气体元件103交替。在另一例项中，加压气体元件103和真空元件105可排列成同心径向格栅，其中根据晶片卡盘102上的径向位置使一或多个真空气体元件105的同心环与一或多个加压气体元件103的同心环交替。

图1C说明根据本发明的一个实施例的加压气体元件103和真空元件105的排列。在一个实施例中，晶片卡盘102包含加压气体元件103的多个组122。在另一实施例中，晶片卡盘102包含真空气体元件105的多个组124。如图1C中所展示，加压气体元件103的组122可与真空元件105的组124交错。在本文中应注意，图1C中所描绘的排列并非限制性且仅出于说明性目的而提供。再者，应认识到，加压气体元件(或加压气体元件组)和真空元件(或加压气体元件组)可跨晶片卡盘的表面排列成任何合适图案。

在本文中应注意，一或多个加压气体元件103可与气体输送系统和/或网络(未展示)流体连通。就此而言，气体源可耦合到输送系统/网络，其中气体经由输送系统/网络输送到加压气体元件103。在一个实施例中，输送系统/网络可包含一或多个气泵，用于将气体(例如，空气)泵抽到加压气体元件103。在另一实施例中，输送系统/网络可包含一或多个气体过滤器(例如，空气过滤器)，以便在给定气体通过加压气体元件103输出之前过滤所述给定气体。在本文中应进一步注意，一或多个真空元件105可与真空系统和/或网络(未展示)流体连通。就此而言，气泵可流体地耦合到真空元件105且经配置以通过真空元件105抽出气体并将气体抽出到外部贮槽(例如，气体容器、周围大气和类似物)。所属技术领域的熟练人员应认识到，存在适合于在本发明的系统100中实施的多种气体输送和气体真空机构。

图1D说明根据本发明的一或多个实施例的晶片卡盘102和夹具组合件106的示意仰视图。如图1D中所展示，夹具组合件106的夹具元件108用来横向紧固晶片104。此外，凸轮单元114经机械地耦合到晶片卡盘102且用于在紧固晶片104时驱动夹具元件108的运动。一旦紧固，随着晶片卡盘102通过旋转驱动单元114(图1D中未展示)旋转，夹具组合件106的夹具元件使晶片104与晶片卡盘102同步地旋转。图1E说明根据本发明的一或多个实施例的紧固晶片104的晶片卡盘102的示意俯视图。如图1E中所展示，晶片卡盘102可包含一组径向对准的加压气体元件103的行。另外，晶片卡盘102可包含一组径向对准的真空元件105的行。

再次参考图1A，在一个实施例中，夹具组合件106经机械地耦合到晶片卡盘102的一部分。在一个实施例中，夹具组合件106可逆地耦合到晶片104的一或多个边缘部分。就此而言，夹具组合件106可横向紧固晶片104。举例来说，如图1A中所展示，夹具组合件106可用来沿着水平方向紧固晶片104而不在垂直方向上施加明显接触力。在另一实施例中，夹具组合件106可横向地且旋转地紧固(相对于晶片卡盘102)晶片104，使得在晶片卡盘102和夹具组合件106通过旋转驱动单元116旋转时，也旋转晶片104。就此而言，虽然晶片104相对于外部参考系旋转，但晶片104在晶片扫描过程期间并不相对于晶片卡盘102的表面明显移动。

在另一实施例中，夹具组合件106可用来在扫描过程期间调整晶片104的横向位置，以便在晶片104旋转之前基本上以晶片104为中心。

在一个实施例中，晶片夹持系统100的夹具组合件106包含一或多个夹具元件108。在另一实施例中，夹具组合件106的夹具元件108包含一或多个连接臂或杆110和一或多个夹头112。在另一实施例中，一或多个夹头112可包含所属技术领域中已知的适合于紧固晶片104的任何机构。举例来说，一或多个夹头112可包含(但不限于)用于紧固晶片的弹簧加载装置。通过另一实例，一或多个夹头112可包含(但不限于)经配置以经由摩擦紧固晶片104的摩擦部分。

在一个实施例中，夹具组合件106可包含(但不限于)两个或更多个夹具元件108(例如，2、3、4、5等等)。举例来说，如图1D和1E中所展示，夹具组合件106可包含三个夹具元件108。在另一例项中，尽管未展示，但夹具组合件106可包含四个夹具元件108。

在另一实施例中，夹具组合件106包含凸轮单元114。在一个实施例中，凸轮单元114经机械地耦合到夹具组合件106。在一个实施例中，如图1F和1G中所展示，凸轮单元经配置以驱动夹具组合件106的一或多个夹具元件108的线性运动。就此而言，凸轮单元114可选择性地使夹具元件108与晶片104的一或多个部分接合和/或脱离。举例来说，如图1F中所展示，凸轮单元114可使夹具元件108移动到扩张或脱离状态中。此配置允许用户(或机械臂)在旋转扫描过程之前将晶片104加载到晶片卡盘102上。另外，在用户或机械臂(未展示)从卡盘102卸除晶片104时，凸轮单元114可经放置处于脱离状态。通过进一步实例，如图1G中所展示，凸轮单元114可使夹具元件108移动到收缩或接合状态中。此配置用来横向紧固晶片102，而卡盘102在旋转扫描过程期间将晶片紧固在卡盘102上方。

再次参考图1A，晶片卡盘102(和所连接夹具组合件106)是由旋转驱动单元117的轴件116或转轴支撑。举例来说，轴件117可连接到马达119。就此而言，马达119可经配置以按选定旋转速度旋转轴件117，从而绕垂直于晶片卡盘102的表面的轴旋转晶片卡盘102、夹具组合件106和晶片104。举例来说，晶片卡盘102、夹具组合件106和晶片104可以大于每分钟1,000转(rpm)(例如，1,000rpm到10,000rpm)的速度旋转。

图2A和2B说明根据本发明的一或多项实施例的配备有非接触晶片夹持系统100的检验系统200、210的高阶框图。在一个实施例中，本发明的晶片检验系统200、210可包含非接触晶片夹持系统100，如先前在本文中所描述。在一个实施例中，检验系统200、210进一步包含至少一个光源202(例如，一或多个激光、一或多个宽带光源等等)，所述至少一个光源202经配置以照明晶片104的表面上的区。在另一实施例中，检验系统200、210包含一或多个检测器204或相机，所述一或多个检测器204或相机适合于检测从由光源202照明的区反射、绕射或散射的光。在一个实施例中，一或多个检测器204可包含(但不限于)CCD或TDI-CCD检测器或光电倍增器检测器。另外，检验系统200、210可包含一组光学元件(例如，照明光学设备、收集光学设备、分束器206、滤光器和类似物)，所述组光学元件经配置以用于将来自光源202的照明引导(和聚焦)到晶片104的表面上，且继而，将来自晶片104的表面的照明引导到检验系统200、210的检测器204的成像部分。举例来说，用于系统200、210的所述组光学元件可包含(但不限于)初级成像透镜，所述初级成像透镜适合于将晶片的经照明区成像到检测器204的(多个)收集部分上。此外，成像检测器204可通信地耦合到图像处理计算机，所述图像处理计算机可识别和存储从检测器204获取的图像数据。

本发明的检验系统200、210可经配置为所属技术领域中已知的任何检验系统。举例来说，如图2A中所展示，本发明的检验系统200可经配置为明场(BF)检验系统。替代性地，如图2B中所展示，检验系统210可经配置为暗场(DF)检验系统。申请人应注意，图2A和2B中所描绘的光学配置仅出于说明性目的而提供且不应被解释为限制性。在一般意义上，本发明的检验系统200、210可包含适合于使晶片104的表面成像的任何成像和光学元件组。在第7,092,082号美国专利、第6,702,302号美国专利、第6,621,570号美国专利和第5,805,278号美国专利中详细描述晶片检验工具的实例，所述专利各自以引用的方式并入在本文中。

图3说明根据本发明的一或多项实施例的配备有非接触晶片夹持系统100的边缘检验300的高阶框图。出于简明的目的，未在图3中描绘夹具组合件106，然在本文中应认识到，在此边缘检验设置中存在夹具组合件106。如图3中所展示，边缘检验系统300可包含检测器304，所述检测器304适合于收集来自晶片104的边缘区域302的图像数据。应进一步认识到，检验系统300允许使用检测器304检验边缘302的各个部分。举例来说，如图3中所展示，检测器304可在晶片104的边缘302的顶部部分(例如，晶片斜面的顶部部分)处的位置A处收集图像数据。通过另一实例，如图3中所展示，检测器304可在晶片104的边缘302的中心部分(例如，晶片斜面的中心)处的位置B处收集图像数据。通过另一实例，如图3中所展示，检测器304可在晶片104的边缘302的底部部分(例如，晶片斜面的底部部分)处的位置C处收集图像数据。

图4说明描绘根据本发明的一或多个实施例的用于晶片的非接触夹持的方法400的步骤的流程图。在步骤402中，跨晶片卡盘的表面产生一或多个加压气体区域，以便将晶片提升到晶片卡盘的表面上方。在步骤404中，跨晶片卡盘的表面产生一或多个减压区域，以便将晶片紧固在晶片卡盘上方而不接触晶片卡盘。在步骤406中，将一或多个夹具元件可逆地耦合或附接到晶片的边缘部分，以便相对于晶片卡盘旋转地紧固晶片。在步骤408中，以选定旋转速度同步地旋转晶片、多个夹具元件和晶片卡盘。

本文中所描述的标的有时说明包含在其它组件内或与其它组件连接的不同组件。应了解，这些描绘的架构仅为示范性，且事实上可实施达成相同功能性的诸多其它架构。在概念意义上，用来达成相同功能性的组件的任何布置有效地“相关联”，使得达成所要功能性。因此，在本文中经组合以达成特定功能性的任何两个组件可被视为彼此“相关联”，使得达成所要功能，而无关于架构或中间组件。同样地，如此相关联的任何两个组件也可被视为“连接”或“耦合”到彼此以达成所要功能性，且能够如此相关联的任何两个组件也可被视为“可耦合”到彼此以达成所要功能性。可耦合的特定实例包含(但不限于)可实体配接和/或实体相互作用的组件和/或可无线相互作用和/或无线相互作用的组件和/或逻辑相互作用和/或可逻辑相互作用的组件。

据信，通过前文描述将理解本发明和其诸多伴随优势，且将明白，在不脱离所揭示标的或不牺牲所有其实质优势的情况下可对组件的形式、构造和布置作出各种改变。所描述形式仅为解释性，且下文权利要求书旨在涵盖和包含这些改变。此外，应了解，本发明是由所附权利要求书界定。