无线类基片传感器的制作方法

专利名称：无线类基片传感器的制作方法
背景技术：
半导体处理系统的特征在于极其洁净的环境和极其精密的半导体晶片移动。工业上广泛依赖于高精密度的机器人系统来以必需的精密度，在半导体处理系统内相对于各种处理台移动诸如半导体晶片之类的基片。
这种机器人系统的可靠且有效的操作取决于元件的精密定位、对准和/或平行。准确的晶片定位使晶片偶然擦过晶片处理系统的壁面的机会最小化。可以要求在处理室的处理底座上的准确的晶片定位，以便优化该工艺的产量。半导体处理系统内的表面之间的精确平行对于确保在从机器人末端效应器传送到晶片承载架、预对准真空吸盘、装卸用闸室(load lock)升降架、处理室传送管脚和/或底座期间的最小基片滑动或移动是重要的。当晶片在支撑物上滑动时，也许会刮掉微粒，引起产量损失。错放或未对准组件，即使是毫米量级的小部分，也会影响半导体处理系统内各个组件的协作，使产品产量和/或质量降低。
在初始的制造中必须实现这种精密的定位，并且在系统使用期间必须保持这种精密的定位。由于正常磨损，或者作为维护、修理、改变或替换的过程结果，会改变组件定位。因此，自动地测量并补偿半导体处理系统的各个组件中的相对微小的位置变化是非常重要的。
过去，曾经尝试过提供例如晶片的基片形式的类基片传感器，该传感器可以移动通过半导体处理系统，以便无线地传递信息，例如半导体系统内的基片斜率和加速度。如此处所用，“类基片(substrate-like)”意欲表示基片形式的传感器，诸如半导体晶片、液晶显示玻璃板或刻度片之类。曾经尝试过提供无线类基片传感器，包括附加类型的检测器，使得类基片传感器能够测量半导体处理系统的处理环境内的大量内部状况。无线类基片传感器能够在减少破坏内部环境以及减少干扰基片处理机制和制造工艺(例如烘烤、蚀刻、物理气相沉积、化学气相沉积、涂覆、冲洗、干燥等)的情况下，在整个处理设备内的各个点进行测量。例如，无线类基片传感器不需要排出或抽空真空室；也不会对超洁净环境造成比实际处理期间所经受的污染更严重的污染。无线类基片传感器形成因素能够以最小的观察不确定性来测量处理状况。
由于在实际半导体处理环境中传送无线类基片传感器，这些传感器不会负面影响环境本身是重要的。因此，这种传感器应该不允许从其中脱落微粒，也不允许漏气。此外，为了确保这种传感器可以移动到正常的基片可以移动到的半导体处理环境内的各个位置，传感器的尺寸应该至少与最大基片大小一样小，优选地比这更小。最后，为了确保传感器的测量准确度，传感器的重量不会引起处理设备的任何显著的弯曲(deflection)或其它形式的偏移。因此，这种传感器应该相对重量较轻。
因此，当前存在对洁净、轻质和窄板设计(low profile)的无线类基片传感器的需求。

发明内容
根据本发明的一个方面，一种无线类基片传感器被配置成窄板设计。一个示范的窄板设计包括使用无引线陶器芯片承载器上的图像获取系统。然后，向电路板或刚性互连提供凹槽，以便容纳图像获取系统。图像获取系统位于凹槽内，并且通过无引线陶瓷芯片承载器的外围与电路板相连。


图1是半导体晶片处理环境的图示。
图2是根据本发明实施例的无线类基片传感器的顶部透视图。
图3是根据本发明实施例的无线类基片传感器的仰视图。
图4是根据本发明实施例的中央部分120的图示。
图5是位于印刷电路板上的图像获取系统的图示。
图6是根据本发明实施例、安装在印刷电路板内的图像获取系统的图示。
图7是示出了根据本发明实施例、在印刷电路板的凹槽内安装CLCC插件的透视图。
图8是根据本发明实施例、安装到印刷电路板的图像获取系统的图示。
图9是根据本发明实施例、具有通风口的无线类基片传感器的透视图。
图10是根据本发明实施例、具有可形变压力均衡构件的无线类基片传感器的截面图。
具体实施例方式
图1是半导体晶片处理环境的图示，所述环境包括晶片容器100、机器人102和简单图示为盒形的系统组件站104。晶片容器100被示出为包含三个晶片106、108和110以及根据本发明实施例的无线类基片传感器112。从图1中可见，优选地，按照使其能够以与晶片本身相同的方式在半导体晶片处理环境内移动的形式因素来具体实现传感器112。因此，本发明实施例提供了一种类基片无线传感器，具有足够低的高度以使类基片传感器能够移动通过系统，就像它是例如晶片的基片一样。例如，认为小于大约9.0mm的高度是可接受的。优选地，传感器具有1至2个晶片的重量，例如，认为大约125克和大约250克之间的重量是可接受的。认为大约25mm的间隔距离满足多数应用的要求；然而，一些应用也许要求不同的间距。如此处所用，“间距”是从传感器的底部到目标的标称距离。传感器的直径优选地与标准半导体晶片直径之一相匹配，例如300mm、200mm或150mm。
优选地，传感器112由重量轻、尺寸稳定的材料构成。优选地，传感器112由具有高硬度的基材构成，例如铝合金、铝、镁和/或陶瓷。传感器框架本身可以涂覆有任何适当的涂层，包括氧化铝、镍或陶瓷，以便改进机械或化学属性。
为了类基片传感器准确地测量三维偏移，对于传感器而言，重要的是按照与实际基片类似的方式进行形变。可以在以下规范中找到普通晶片的尺寸和特性SEMI M-0302，“Specification for PolishedMonocrystaline Silicon Wafers”，Semiconductor Equipment and MaterialsInternational，www.semi.org。在边缘处支撑的300mm硅晶片的中央在其自身的重力下将下陷约0.5mm。传感器的形变和实际晶片的形变之间的差异应当远小于传感器测量的准确度。在优选实施例中，类基片传感器的硬度导致几乎与实际硅晶片相同的弯曲。因此，不需要补偿来校正任何弯曲差异。可选地，可以将补偿因子添加到测量中。类似地，类基片传感器的重量也使其支撑物弯曲。基片支撑物包括但不局限于末端效应器、底座、传送管脚、支架等。不同的支撑物弯曲既是传感器和基片的重量的函数，也是基片支撑物的机械硬度的函数。由传感器和由基片所引起的支撑物弯曲之间的差异同样应该远小于传感器测量的准确度，或者应该通过适当的计算来补偿弯曲差异。
在现有技术中，技术人员通过在去掉处理室的盖子之后或者通过盖子中的透明窗来观看，来反复地调整真空传送机器人末端效应器与处理室底座的对准。有时，必须首先在处理底座上放置相当适合的工件夹具或夹具，以提供适当的基准标记。类基片传感器提供了一种改进的、技术人员辅助的对准方法。类基片传感器提供要对准的对象的图像，而不需要去掉盖子，比通过窗观看更清晰。无线类基片传感器节约了大量时间，并且改进了对准的可重复性。
无线类基片传感器可以通过无线发送模拟摄像图像。
优选实施例使用类基片无线传感器的机器视觉子系统来向外部系统发送存储在存储器中的全部或部分数字图像，用于显示或分析。显示器可以位于接收机附近，或者可以通过数据网络来中继图像数据以用于远程显示。在优选实施例中，发送按照数字数据流编码的摄像图像，以使通信信道噪声所引起的图像质量下降最小化。可以使用任意一种公知数据简化方法来压缩数字图像，以便使所需数据率最小化。通过仅发送与前一图像变化的图像部分，也可以显著地降低数据率。类基片传感器或显示器可以涂有电子叉丝(cross hair)或其它适当的标志以帮助技术人员评价对准质量。
尽管视觉辅助技术比手动方法更方便，技术人员判断仍然会影响对准的可重复性和可再现性。可以使用包括归一化二维相关的多种公知方法来分析类基片无线传感器摄像机所获取的图像，以测量样式与其预期位置的偏离。样式可以是训练视觉系统来识别的图像的任意部分。样式可以由系统记录。可以数学地向系统描绘样式。数学地描述的样式可以在制造时固定，或者在要使用时进行编程。传统的归一化二维相关对于样式图像大小的改变敏感。当使用简单的透镜系统时，放大率与物距成比例地变化。通过反复地缩放图像或参考物，可以获得增强的样式偏离测量性能。假设已知样式的大小或已知放大率，如同在记录参考样式时一样，则导致最佳相关的比例表示了放大率。
当已知图像平面中象素与物平面中象素的大小之间的对应时，以对于技术人员或机械控制器而言比例如象素的绝对单位更容易解释的标准测量单位来报告偏离。例如，可以按照毫米来提供偏离，使得操作员可以简单地将系统调整所报告的量。可以手动地、由外部计算机或优选地在传感器本身内来执行获得标准单位的偏离所需的计算。当传感器从图像中提取所需的信息时，发送了最小量的信息，并给技术人员或外部控制器带来最小的计算负担。按照这种方式，可以使用客观标准来改进对准的可重复性和可再现性。自动偏离测量通过去除由于技术人员的判断而引起的变化，改进了对准的可再现性。
在半导体处理系统的对准和校准期间，不仅相对于第二支撑结构来正确地放置末端效应器是重要的，确保两个基片支撑结构彼此平行也是重要的。在优选实施例中，使用无线类基片传感器的机器视觉子系统来测量两个基片支撑物之间的三维关系。例如，机器人末端效应器可以使无线类基片传感器保持靠近传送位置，并且由传感器摄像机对位于相对基片支撑物上的样式进行六自由度的三维偏离测量。一组六自由度包括方位角、俯仰角、倾斜角以及笛卡儿坐标系统的x、y和z轴的位移。然而，本领域的技术人员可以认识到，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以使用其它坐标系统。同时测量平行和笛卡儿偏离使得技术人员或控制器能够客观地确定令人满意的对准。当使用控制器时，可以完全自动地进行不需要技术人员干涉的对准。可以将自动对准并入预定的预防性例行维护中，以优化系统性能和可用性。
一般而言，通过命令机器人102选择传感器112并将其传递到参考目标114，来执行机器人系统102的操作和自动校准。一旦发出命令，机器人102适当地驱使各个连接来滑动传感器112下的末端效应器116，从而从容器100中移出传感器112。一旦移出了，机器人102直接在参考目标114上移动传感器112，以使传感器112内的光学图像获取系统(未在图1中示出)获得参考目标114的图像。根据目标图像的先验知识，测量传感器和目标114之间的三维偏离。测量计算可以发生在传感器内或者在外部计算机内。根据参考目标114的精确位置和朝向的先验知识，可以分析其三维偏离来确定拾取传感器112的机器人102所产生的拾取误差。内部或外部计算都使得系统能够补偿由传感器112的拾取过程所引入的任何误差。
该信息使得传感器112能够获取附加目标的图像，所述目标例如系统组件104上的目标116，以便计算系统组件104的精确位置和朝向。重复该过程使得机器人102的控制器能够精确地描绘半导体处理系统内的所有组件的确切位置。优选地，该描绘产生至少三个、优选为六个自由度(x、y、z、方位角、俯仰角、倾斜角)的位置和朝向信息。可以由技术人使用描绘信息来机械地调整任意组件相对于任意其它组件的六自由度的位置和朝向。优选地，将类基片无线传感器所提供的准确测量用于最小化或减小由于技术人员的判断所引起的可变性。优选地，向自动进行校准处理的机器人或系统控制器报告该位置信息。最终完成了所有机械调整；可以将类基片传感器用于测量其它的对准误差。可以使用六自由度的偏离测量来调整存储在机器人和/或系统控制器的存储器中的点的坐标。这些点包括但不局限于当末端效应器位于FOUP槽#1基片传送点处时大气基片(atmosphericsubtrate)处理机器人的位置；当末端效应器位于FOUP槽#25基片传送点时大气基片处理机器人的位置；当末端效应器位于基片预对准器基片传送点处时大气基片处理机器人的位置；当末端效应器位于交换基片传递点处时大气基片处理机器人的位置；当末端效应器位于附着在大气基片处理系统的框架上的参考目标处时大气基片处理机器人的位置；当末端效应器位于交换传送点处时真空传送机器人的位置；以及当末端效应器位于附着在真空传送系统的框架上的目标处时真空传送机器人的位置。
本发明的可选实施例存储并报告测量。在一些半导体处理系统中，实时无线通信是不实际的。系统的结构也许干扰无线通信。无线通信能量也许干扰基片处理系统的正确操作。在这些情况下，优选地，传感器112在向各个目标传递值时记录这些值，用于稍后发送到主机。使用其图像获取系统或其它适当检测器，当传感器112意识到它不再移动时，传感器112优选地记录偏离的时间和值。稍后，当传感器112返回到其机座(holster)(未示出)时，传感器112可以重新记起存储的时间和值，并且将这些信息发送到主机。可以通过电传导、光信令、电感耦合或任意其它适当的手段来实现该发送。无线类基片传感器的存储和报告操作可能增加可靠性、降低成本并缩短系统的调整批准周期。此外，这避免了RF能量干扰传感器及其机座附近的灵敏设备的可能性。存储和报告操作还可以被用于克服实时无线通信信道的暂时中断。
图2是根据本发明实施例的无线类基片传感器118的顶部透视图。传感器118与图1所示的传感器112的不同仅在于实现重量减轻的方式。具体地，传感器112采用大量撑材(strut)118来将中央传感器部分120悬挂在可以容纳例如300毫米直径晶片的标准晶片大小的外径122内。相反地，传感器118采用多个通孔124，通孔124同样减轻了传感器118的重量。可以使用其它样式的孔来实现所需的重量减轻。此外，可以单独使用如图1所示的加强肋，或者结合减重孔来使用，以针对强度、硬度和重量来优化框架设计。还可以设想其它的重量减轻设计，例如包括使部分传感器中空；和/或用轻质材料来填充一部分。可以使用的其它重量减轻和加强硬度的属性包括圆形孔、辐条、格子、蜂窝结构等。可选地，例如，可以通过蚀刻到例如单晶硅的晶体基片中来形成孔。通过去除不需要的材料所节约的重量可以用于提供更长周期的无线操作的更大电池和/或提供更强的信号调整、其它传感模式和/或实时无线通信的其它组件。
传感器112和传感器118都采用中央区域120。中央部分120下侧的一部分直接位于如图3所示的检查孔126上。检查孔126使得照明器128和图像获取系统120可以在机器人102移动传感器118时获取位于传感器118之下的目标的图像。
图4是根据本发明实施例的部分120的图示。优选地，部分120包括电路板140，在电路板140上安装了大量组件。具体地，电池142优选地被安装在电路板140上，并且通过功率管理模块146与数字信号处理器(DSP)144相连。功率管理模块146确保将正确的电压电平提供给数字信号处理器144。优选地，功率管理模块146是可从德州仪器获得的商标标示TPS5602下的功率管理集成电路。此外，数字信号处理器144优选地是可从德州仪器获得的商标标示TM320C6211下的微处理器。数字信号处理器144与存储模块148相连，存储模块148可以是任意类型的存储器。然而，优选地，存储器148包括具有16Mx16大小的同步动态随机存取存储器(SDRAM)的模块。模块148还优选地包括具有256Kx8大小的闪存。闪存对于存储诸如程序、校准数据和/或需要的其它不变数据之类的非易失性数据是有用的。随机存取存储器对于存储诸如获取的图像或与程序操作有关的数据之类的易失性数据是有用的。
优选地，包括多个发光二极管(LED)的照明模块150以及图像获取系统152通过摄像机控制器154与数字信号处理器144相连。摄像机控制器154便于图像获取和照明，因此按照数字信号处理器144的命令来给LED和图像获取系统152提供相关信令。优选地，图像获取系统152包括面阵列器件，例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像器件，这些器件优选地与将图像聚焦到阵列上的光学系统156相连。优选地，图像获取器件可从柯达的商标标示KAC-0310下获得。优选地，数字信号处理器144还包括多个I/O端口158、160。这些端口优选地是串行端口，便于数字信号处理器144和其它设备之间的通信。具体地，串行端口158与射频模块162相连，使得通过端口158发送的数据通过射频模块162与外部设备相连。在一个优选实施例中，射频模块162根据可从Bluetooth SIG(www.bluetooth.com)获得的公知蓝牙标准、蓝牙核心规范版本1.1(2001年2月22日)来进行操作。模块162的一个示例可从Mitsumi的商标标示WML-C11下获得。
检测器164可以具有任意适当形式，并且提供与半导体处理系统内的任何附加状况相关的有关信息。这种检测器可以包括一个或多个温度计、加速度计、倾角计、指南针(磁场方向检测器)、光检测器、压力检测器、电场强度检测器、磁场强度检测器、酸度检测器、声音检测器、湿度检测器、化学分支(moiety)活性检测器或适当的其它任意类型的检测器。
图5是安装在电路板202上的图像获取系统152的图示。标记204通常位于电路板202的背面。透明涂层或透镜206位于图像获取设备152附近。其中具有透镜214的管状通道208延伸通过电路板212内的孔210。优选地，透镜214的外径和管子208的内径带螺纹，使得使透镜214在管子208内旋转来改变图像焦点。一个或多个LED 216与电路板212相连，并且提供照明以用于图像获取。使用市场上可获得的材料和器件的图5所示的配置导致整体厚度t近似8.5毫米。在传感器本身必须通过厚度小于8.5毫米的槽或其它开口的一些无线类基片应用中会出现问题。根据本发明的一个实施例，按照窄板设计配置来布置这些市场上可获得的组件，以使整个传感器的高度(profile)近似减少电路板的厚度。
图6是根据本发明实施例、与电路板250相连的图像获取系统154的图示。图6所示的系统的一些组件与参考图5所示的组件类似，并且类似地对相同组件进行编号。电路板250被适配具有开口252，开口252的大小能够容纳图像获取系统154。如上所述，图像获取系统154优选地是可从柯达获得的型号KAC-0310。该系统被设置在每一侧具有12个附着区的48管脚陶瓷无引线芯片承载器(CLCC)中。该设置使得图像获取系统154能够陷入开口252中至少电路板250的厚度处。由于典型的电路板厚度近似为1毫米，这导致节约了1毫米厚度，导致图6所示的配置的整体厚度近似为7.5毫米。
图7是示出了图像获取系统154和其中具有开口252的电路板250的透视图。如图7所示，图像获取系统154包括围绕其外围的多个连接点254。为了啮合图像获取系统154的点254，电路板250具有设置在开口252内表面周围的多个接触位置256，以便连接系统154的点254。可以以任意适当的方式来产生接触位置256，这些方式包括但不局限于在接触位置256的每个位置处在电路板250中形成蚀刻通孔，然后穿通电路板250，以在电路板250中留下每个蚀刻通孔的一部分，从而形成焊点。然后，可以手动地或者通过机器来应用焊接以使位置256与点254啮合。
图8是根据本发明另一个实施例、与电路板260电连接的图像获取系统的图示。代替在图像获取系统154和电路板260之间直接设置电接触，设置柔性电路262，以与图像获取系统154和电路板260电接触。柔性电路通常是由位于两层绝缘材料之间的一个或多个导电路径(trace)形成的非常薄的电路。柔性电路公知薄至2毫米。在另一个实施例中，图像获取系统内的CMOS芯片本身可以被移开并直接附着在印刷电路板上，而不是被装载在其传统陶瓷无引线芯片承载器中。然而，在这种实施例中，难以保持成像器的光学表面的洁净。此外，认为显著地增加了组装成本并且降低了整体的可靠性。
根据本发明的另一个实施例，无线类基片传感器设置有改进的保护，以避免污染半导体晶片处理室。这种传感器测量物理属性而不污染处理室是非常重要的。此外，这种传感器必须在尺寸上是稳定的。公知的传感器材料和组件也许脱落微粒，会污染晶片处理室。如果将无线类基片传感器密封以隔离传感器内可能污染的材料，在内部和外部之间会产生压力差。如果足够极端，压力差可能使框架变形，或者甚至会引起破裂。尤其是对于轻质类基片传感器框架，由于希望使框架的整体重量最小化，框架在机械上是脆弱的。
无线类基片传感器通常具有内部空间和外部空间。一些传感器被容纳在内部空间中。传感器框架包括避免气体、微粒或分子除了通过为此目的而专门设置的通风口之外进入或离开内部空间的封口。在通风口两端设置过滤器，以通过气体，但是防止通过微粒或分子，这些太大而难以适合通过过滤器。优选地，传感器的外表面具有或涂覆有或沉积有化学惰性材料，例如镍、聚乙烯或聚碳酸酯。同样优选地，选择传感器框架的形状和涂层，使得传感器本身易于清洁。同样优选地，使会捕获微粒的外部裂缝最小化。
图9是其上具有传感器框架270的传感器118的透视图。传感器框架270包括一个或多个穿孔272，这些穿孔272是框架270的内部和外部之间的唯一通道。优选地在框架270内在穿孔272附近放置适当高分子重量的通气过滤器(breather filter)。在图9中以虚线示出过滤器274。可以将通孔272的位置和位于其附近的过滤器设置在框架270上的任意适当的位置。因此，如图9所示，可以将它们设置在顶部表面上，或者如果希望，可以设置在侧表面上。通孔272保护脆弱的过滤器274避免机械受损，并且相对容易制造。通孔272和过滤器274的使用避免了微粒离开传感器框架270，否则会污染半导体处理室。通孔272使得框架270内的压力与室内的压力相等，从而避免了框架270的变形或者更坏的结果。
图10是根据本发明另一个实施例、具有抗污染传感器框架280的无线类基片传感器118的截面图。密封传感器框架280。利用可形变压力均衡构件284来完全密封开口282。优选地，构件284由弹性材料组成，使得当撤掉了给定的压力时它会回到其原始形状。优选地，构件284包括波纹管286，但是可以具有能够响应于压力差而形变的任意适当的形状。因此，构件284可以是气球、囊状物或者任意其它适当的配置。在本实施例中，由于构件284的变形，传感器框架280内的压力与室的压力相等，不需要使框架280变形。
尽管参考优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员可以认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。
权利要求
1.一种在半导体处理工具中使用的窄板设计类基片传感器，所述传感器包括框架，具有支撑单元和位于其上的感测电子器件；以及其中，所述感测电子器件包括具有凹槽部分的刚性互连，感测单元位于凹槽部分中，并且与传感电子器件电连接。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述感测单元是图像传感器。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，凹槽部分是通过所述刚性互连的孔。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，凹槽部分是挖空部分。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，挖空部分是U形的。
6.根据权利要求4所述的传感器，其中，挖空部分是矩形的。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，感测单元被承载在陶瓷无引线芯片承载器内。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，凹槽部分包括柔性互连。
9.一种在半导体处理工具中使用的窄板设计类基片传感器，所述传 感器包括框架，具有支撑平台和位于所述支撑平台上的感测电子器件；以及其中，感测电子器件包括其上放置有图像获取芯片的电路，并且与感测电子器件电连接。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中，图像获取芯片通过倒装芯片技术与感测电子器件相连。
11.根据权利要求9所述的传感器，其中，图像获取芯片通过芯片粘附和引线键合技术与感测电子器件相连。
全文摘要
根据本发明的一个方面，一种无线类基片传感器(112，118)被配置为窄板设计。一个示范的窄板设计包括使用无引线陶瓷承载芯片上的图像获取系统(154)。然后，电路板(250)或刚性互连配备有凹槽(252)，以容纳图像获取系统(154)。图像获取系统(154)被放置在凹槽(252)内，并且通过无引线陶瓷承载芯片的外围与板(250)相连。
文档编号H05K1/18GK1930658SQ200580007349
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月9日 优先权日2004年3月9日
发明者克雷格·C·拉姆齐, 德尔克·H·加德纳, 杰弗里·K·拉萨恩 申请人:赛博光学半导体公司