CN101366110B - 用于保持衬底的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在处理过程，例如弯液面处理中保持衬底，例如半导体晶片的装置和方法，所述衬底具有第一侧面和第二侧面。该装置包括一个或多个保持部件，例如卡爪，其构造为在不与衬底的第一侧面显著接触的情况下与衬底的第二侧面相接触。至少一个保持部件可以构造为在处理期间移动，以便防止所述至少一个保持部件影响处理，例如，接触弯液面。在衬底包括其上具有至少一个结构或特征的顶部侧面时可以使用这种方案，人们希望保持部件在处理期间避免与所述结构或特征相接触。

Description

用于保持衬底的装置和方法
相关申请
本申请以申请人于2005年11月23日提交的、共同未决的美国临时专利申请No.60/739,128为基础，并要求该临时专利申请的优先权，该临时申请的内容在此完全引入作为参考。
技术领域
本发明涉及用于保持衬底的装置和方法，更特别地，涉及以最小机械接触例如从上方保持衬底的装置和方法。
背景技术
目前存在多种已知的卡盘，包括所谓的“无接触”卡盘。通常，无接触卡盘几乎不与要保持衬底的第一表面(例如，非处理表面)形成机械接触。一种流行类型的无接触卡盘为伯努利(Bernoulli)型。
这种卡盘通过在下方引入气流而在表面上方抬起衬底(例如，该衬底可以包括并且在这里通常称作晶片)而操作并大多数情况下使晶片同时旋转。这种卡盘对朝上的第二侧面(例如，处理侧面)进行操作。这在朝下应用需要保持要处理的侧面朝下的晶片的情况中，可能是不利的方案。
目前存在可以朝下操作的其它传统的无接触型卡盘，但是这些卡盘不稳定并且经常将化学物质和/或污染物带到衬底的第二或后侧面(例如，非处理侧面)。
发明内容
本发明根据其各种实施例涉及以最小机械接触从上方保持衬底的装置。有利地，该装置可以在没有机械接触的情况下将衬底保持在顶面上并且与底面保持最小接触。而且，该装置包括用于保持衬底的保持部件(在这里还称作“卡爪(finger)”)，该卡爪能够以指定方式缩回以允许在衬底底面上进行各种处理。所述卡爪可以与衬底的侧面和底部，只与侧面，只与底部和/或其组合形成接触，并且在一些实施例中，还与第二(后侧)表面的一部分形成最小接触。
本发明的装置根据其各种实施例可用于从上方保持衬底，所述装置靠自身或者与处理设备或装置一起实现上述操作，从而在不与衬底的“非处理”侧面接触或形成最小接触的情况下，允许晶片底部接触或暴露给工艺、介质、液体、气体、喷雾以及其它类型的暴露情况。
在一个实施例中，所述装置可以保持半导体、玻璃或任何类型的装置晶片，以便例如使其下侧暴露给任何适当类型工艺，同时避免与非处理侧面形成显著接触(例如，无接触)。尽管该装置可独立使用或者整合到各种系统、工具或设备中使用，但是在与名称为“使用流体弯液面(meniscus)的湿法处理、设备和方法”，现在授权为美国专利号7,122,126的美国专利申请序列号09/675,029中描述的设备一起使用时尤为有利，其内容在此全文引入作为参考。
在一个实施例中，本发明涉及在处理，例如弯液面处理期间用于保持衬底，例如半导体晶片的装置和方法，所述衬底具有第一侧面和第二侧面。该装置包括一个或多个保持部件，例如卡爪，其构造为在不与衬底的第一侧面接触或形成最小接触的情况下与衬底的第二侧面接触。在一个实施例中，至少一个保持部件构造为在处理期间移动，以便防止所述至少一个保持部件影响所述处理过程，例如，在上文所引用申请中描述的方案的情况下防止接触弯液面。在衬底包括其上具有至少一个结构或特征的顶部侧面时可以使用这种方案，这时希望保持部件在处理期间避免与所述结构或特征接触，或者仅仅防止顶部表面(例如，非处理表面)暴露给所述处理。
在另一个实施例中，本发明涉及用于处理衬底的方法，所述衬底具有第一侧面和第二侧面。所述方法包括以下步骤：通过一个或多个保持部件保持衬底，所述保持部件构造为在不接触衬底的第一侧面的情况下接触衬底的第二侧面；使衬底和处理元件中的至少一个移动，以便使得衬底和处理元件相对于彼此移动。在一个实施例中，所述方法还包括在处理期间使至少一个保持部件移动的步骤，以便防止所述至少一个保持部件接触处理元件。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于在处理期间保持衬底的装置，所述衬底具有第一侧面和第二侧面，所述装置包括：一个或多个保持部件，所述一个或多个保持部件构造为在不与衬底的第一侧面显著接触的情况下接触衬底的第二侧面，其中，至少一个保持部件构造为在其它保持部件保持与衬底接触的同时在处理期间被致动，以便防止所述至少一个保持部件影响处理过程。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于处理衬底的方法，所述衬底具有第一侧面和第二侧面，所述方法包括以下步骤：
通过一个或多个保持部件保持衬底，所述一个或多个保持部件构造为在不显著接触衬底的第一侧面的情况下接触衬底的第二侧面；
使衬底和处理元件中的至少一个移动，以便使得衬底和处理元件相对于彼此移动；
使至少一个保持部件在其它保持部件保持与衬底接触的同时在处理期间被致动，以便防止所述至少一个保持部件与处理元件接触。
附图说明
图1(a)是根据本发明一个实施例的保持装置的顶视图；
图1(b)是图1(a)所示保持装置的一个区域的放大图；
图2(a)是根据本发明一个实施例的保持装置的局部侧面剖视图，显示了处于第一或保持位置的卡爪；
图2(b)是根据本发明一个实施例的保持装置的局部侧面剖视图，显示了处于第二或缩回位置的卡爪；
图3(a)和3(b)显示了根据本发明一个实施例的示例性处理过程，通过该处理过程，可以使保持装置的卡爪在操作期间移动；
图4是根据本发明一个实施例的保持装置的侧视图；
图5是根据本发明一个实施例的保持装置的局部侧视图；
图6(a)显示了根据本发明一个实施例的侧面接触卡爪；
图6(b)显示了根据本发明的另一实施例的侧面接触和底部接触卡爪；和
图6(c)显示了根据本发明的另一实施例的仅侧面接触卡爪。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及用于保持例如衬底的装置。本发明的一个实施例包括用于在湿法处理期间保持衬底的卡盘，如上所述。在这种特定应用中，本发明的装置可以按照与所述湿法处理设备操作相容的动作方式缩回其一个或多个卡爪。例如，当由本发明的装置保持的衬底在流体储存器上方扫过时，在流体上方(或在其附近)经过的卡爪可以按这样的方式远离所述流体缩回以避免与其接触。这种处理过程可以使用谐波驱动，其中，具有任何或任意形状和周期的“波”在卡盘于流体上方移动时来回传播，以便在卡盘位于流体正上方时缩回(例如，完全缩回位置可以与驱动波的波峰相关)。另外或可选地，根据特定应用和希望效果，当处理过程进行或在不同处理过程期间，还存在卡盘的卡爪可以采用的其它位置或运动。一种这种位置或运动例如为使多个卡爪交替地处于“接触”位置(例如，接触并保持衬底)而使其它卡爪处于“分离”位置(例如，缩回以便不接触并不保持衬底)。这些位置和运动(例如还称作状态或驱动模式)只是许多可能位置和运动中的一部分，例如，所有卡爪处于“接触”位置(例如，全部卡紧)以及所有卡爪处于“分离”位置(例如，不卡紧)，所有这些可能的位置和运动都为本发明的主题。
保持部件(例如，卡爪)可以制成或布置成在晶片侧面、晶片底部(例如，处理侧面)、顶部的小部分或其组合接触晶片。有利地，可以避免卡盘表面、卡爪或装置的任何其它部件与晶片的顶部(例如，非处理)表面形成任何显著接触。因此，根据各种实施例的本发明的保持装置可以使衬底保持朝下，而不会产生损坏顶部(例如，非处理)表面、其特征或者沉积或制造于其上的任何其它结构的风险。在一个实施例中，顶部(例如，非处理)表面可以保持为与卡盘自身的表面远离从几微米到几毫米的距离。在本发明中，更大或更小的距离也是可能和可想到的。而且，本发明适用于任何形状、厚度或材料的衬底。
图1(a)是根据本发明一个实施例的保持装置的顶视图，图1(b)是图1(a)所示保持装置的一个区域的放大图。图1(a)和1(b)显示了给卡爪2提供安装基座的卡盘板1，所述卡爪构造为可移动的，例如通过位于板1边缘处的狭缝3来回摆动。板1、卡爪2及卡盘的其它部件可以根据其用途和使用环境由任何适当的材料制成。
图2(a)和2(b)是保持装置的局部侧面剖视图，图2(a)显示了处于第一或保持位置，例如保持或支撑衬底20的卡爪10，图2(b)显示了处于第二或缩回位置，例如远离以便不保持或支撑衬底20的卡爪10。卡爪10可以具有任何形状，但是有利地具有能够使其处于保持位置时位于要保持的衬底下方的平面中(如图2(a)所示)以及在处于缩回位置时离开刚好位于被保持衬底20下方的平面(如图2(b)所示)的形状。卡爪10的运动由致动器40控制。衬底20可以具有第一(例如，非处理)侧面35和第二(例如，处理)侧面37。第一(例如，非处理)侧面35可具有希望不受机械接触干扰的精密结构或特征36。在本发明的许多实施例中，这些结构或特征36可以通过位于卡盘板15和衬底20的第一(例如，非处理)侧面35之间的间隙30而避免与保持装置的任何部分发生接触。在所示实施例中，卡爪10和衬底20的第二(例如，处理)侧面37之间的接触由位于卡爪10端部上的尖锐尖端25形成，所述尖端使接触面积最小化，并且使可能在处理流体和卡爪10之间偶然接触时产生的处理流体的任何毛细管截留情况最小化。为了进一步保护衬底的顶部(例如，非处理)侧面，气体或流体可以在围绕外周的间隙内或者在任何适当路径组合中循环。
在一个实施例中，卡爪10能够在衬底于流体弯液面上方移动(例如，扫掠)时远离衬底20的第一(例如，处理)侧面运动，所述流体弯液面例如为名称为“使用流体弯液面的湿法处理、设备和方法”，现在授权为美国专利号7,122,126的本申请人的共同未决的美国专利申请序列号09/675,029中所述。图3(a)和3(b)显示了一种示例性处理过程，通过该处理过程，可以使得保持装置的卡爪在操作期间移动。参见图3(a)，衬底20由卡盘板15的多个卡爪110、120、130、140、150保持。当衬底20和弯液面105相对于彼此移动(应当认识到，衬底20和弯液面105之一和/或两者可以移动)时，衬底20的特定区域接近弯液面105。因此，适当的卡爪(在这种情况下，卡爪120)缩回，使得卡爪不会接触或以其它方式影响弯液面105。其它卡爪110、130、140、150仍然支撑衬底20。现在参见图3(b)，当衬底20和弯液面105继续相对于彼此移动(同样，应当认识到，衬底20和弯液面105之一和/或两者可以移动)时，衬底20的另一区域接近弯液面105。因此，不同的卡爪(在这种情况下，卡爪140)缩回，使得卡爪不会接触或以其它方式影响弯液面105。卡爪120已经返回到其保持位置。另外，其它卡爪110、130、150仍然处于支撑衬底20的保持位置。当然，应当认识到，进入和离开其相应的缩回位置的多个卡爪可以根据许多不同的因素按照许多可想到的方式运动，所述因素例如为弯液面的尺寸和形状、衬底的尺寸和形状、衬底和/或弯液面相对于彼此的运动、处理过程执行速度，等等，所有这些都属于本发明的一部分。
例如，在本发明的一个实施例中，例如利用位于流体通道内或附近的节点、突起或凹陷，卡爪依次进入和离开其相应的缩回位置，以便以波状运动的方式移动。按照这种运动方式，卡爪在衬底接近液体通道时开始缩回，在大约位于液体通道上方时到达其完全缩回位置，并且在卡爪经过液体通道之后退回到与衬底的第一(例如，处理)侧面接触。在这一实施例中，波状运动的波长及其周期可以根据处理要求以及其形状细节而改变。同样，对可以使用的运动(除了例如处理参数外)没有任何限制，并且还应当认识到，任何类型的运动方式都属于本发明的一部分。
图4是根据本发明一个实施例的保持装置的侧视图。在这个实施例中，卡盘安装板340具有附接于其上的卡爪支架360。卡爪350本身安装到卡爪支架360上。卡爪350和/或卡爪支架360附接或以其他方式联接到相应的致动器300上。致动器300联接到轴套(hub)330上，所述轴套根据所用致动器300的类型可以提供空气压力、真空、电能、信号或可以使用的任何其它输入或输出，以便操作使卡爪350移动的致动器300。轴套330可又安装到轴或马达320上，或以其它适当方式安装到“头部”370上，所述头部可以安装到适于处理或应用的工具或设备上。轴套330可以安装有旋转馈入装置310以在其旋转时(如果实施了这一特征的话)给轴套330提供电能或信号。根据处理过程，可以使用适于使保持装置的一个或多个部件(例如，卡爪)移动的任何类型的致动器，例如，气动装置、压电装置、电阻装置、电磁装置、电动机、形状记忆合金，等等。可以想到与内部零件设计相关的许多其它机械装置，并且所有这些都是本发明的主题，包括但不限于由任何类型的适当致动器直接驱动卡爪。
图5是根据本发明一个实施例的保持装置的局部侧视图。在这个实施例中，形状记忆合金(还称作“肌肉金属丝(muscle wires)”以及其它商品名称)用作致动器。形状记忆合金由于其高作用力-体积比、紧凑度、简单性和响应时间而得到使用。在这个实施例中，一块形状记忆合金400(在这种情况下具有线形，但是替代地具有不同的形状，例如，条形等)的一端430附接到卡爪上，另一端440附接到轴套420上。为了使卡爪移动，通过附接到形状记忆合金丝400的一部分上的电导体410给形状记忆合金丝400施加电流。电流加热金属丝400，从而导致其改变尺寸，从而使卡爪移动。通过改变连接卡爪和致动器的卡爪支架430(例如，杠杆臂)来实现希望的运动范围。类似地，另外或替代地，除了上述装置外，还可以使用任何适当类型的致动器，例如，气动装置、电动装置、压电装置、压阻装置、磁性装置等。
应当认识到，根据例如希望的接触位置、希望的接触面积、希望的接触点数量、衬底形状、衬底刚性、衬底厚度、以及许多其它因素的各种因素，卡爪可以具有不同的形状。图6(a)到6(c)显示了几个这样的形状。例如，根据本发明的一个实施例，图6(a)显示了侧面接触卡爪510，该卡爪主要或只在衬底500的侧面(指衬底500的最外侧周向表面的侧面)与衬底500接触并且包括位于衬底500下面的区域511。根据本发明的另一实施例，图6(b)显示了侧面和底部接触卡爪520，该卡爪与衬底500在其侧面和底部(例如，非处理侧面)上接触。根据本发明的另一实施例，图6(c)显示了仅侧面接触卡爪530，该卡爪与衬底500在其侧面上接触，而不与衬底的任何其它点接触。可以想到许多其它构造、形状、接触方案以及其组合，并且所有这些都认为是本发明的一部分。
根据本发明的各种实施例，用于保持衬底的装置和方法可以具有许多不同的应用。尽管可以想到许多可能的应用，但是在本发明的特定实施例中，与传统的衬底保持装置完全不同，本发明提供了一种有效的装置和方法来保持衬底，以便使得衬底的处理表面朝下。这在湿法处理应用中尤为有利，在所述湿法处理中，第二(例如，处理)侧面暴露在通常具有腐蚀性的液体中，第一(例如，非处理)侧面希望不暴露在所述液体中。
这里描述的装置和方法对目前使用的各种现有技术应用可能尤为有利。例如，名称为“使用流体弯液面的湿法处理、设备和方法”，现在授权为美国专利号7,122,126的美国专利申请序列号09/675,029中描述的湿法处理设备和方法可以从本发明中极大受益。使用类似的朝下布置方案的其它处理工艺同样可以受益。
本发明的装置和方法还可有利地用于处理衬底，所述衬底由于特定表面(例如，其正面或非处理表面)上的特征的易损性质而应避免与所述特征发生机械接触。这种衬底包括越来越多类型的装置，例如，MEMS、光电装置、存储器、太阳能电池、CMOS、等等。这种衬底的处理对传统装置的衬底处理能力提出难题，因为这种传统装置的使用通常会产生污染、破损、低产率，或者就是不可能执行制造这种装置中的某些关键步骤。
本发明的装置和方法还可以有利地用于处理在其前(例如，非处理)表面上具有特大特征的衬底。这种特大特征使得传统的无接触卡盘不能处理某些衬底。带凸块晶片是这样一类正在发展的衬底。而且，本发明的装置和方法可用于处理在其前(例如，非处理)表面上具有特精密特征的衬底，该处理过程不适用于传统的无接触卡盘。MEMS衬底是这样一类正在发展的衬底。
本发明的装置可用于处理或应对任何类型的材料(例如任何固体和半固体)，并且形成衬底的任何其它材料、合成物、集合体(aggregate)、或材料可由本发明的任何装置保持。
应当认识到，根据本发明的各种实施例，本发明为其所用目的可以包括任何一种或多种上述装置和方法，并且进一步包括由上述装置和方法的组合、扩展或改进引起的任何其它应用。可以想到许多实施例、变形和组合，并且它们属于本发明的一部分。例如，可以利用任何适当材料或材料组合来使用本发明的装置和方法。而且，可以利用任何适当的制造过程或工序来使用本发明的装置和方法。更进一步，可以利用例如不同形状、样式、材料、几何结构或形式的部件来使用本发明的装置和方法，而不管这种部件是否具有大体上相同的用途和/或所述装置是否利用大体上相同的操作原理进行操作。同样，可以利用以如本文描述的不同形式或方式(包括根本不移动的情况)移动的卡爪或保持装置来使用本发明的装置和方法。例如，整个装置或其任意部分可以旋转、平移、向上和/或向下移动，或者进行包括一部分或所有这些运动的组合在内的运动。另外，本发明的装置和方法可以整合在更大的子系统或设备中以在本发明的主题保持衬底的情况下执行其它工艺或作为独立的装置使用。同样，本发明的装置和方法可用于这里未明确描述的其它应用。卡爪运动本身引起衬底运动(例如，旋转、平移或其任意组合)的一般情况同样属于本发明的主题。
尽管已经结合特定的优选实施例对本发明进行了详细描述，但是在考虑以上说明的情况下，许多替代方案、改进和变形对于本领域的普通技术人员显而易见。因此可以想到的是，所附权利要求书包含落入本发明的真实范围和精神内的任何此类替代方案、改进和变形。

Claims (21)

1.一种用于在处理期间保持衬底的装置，所述衬底具有第一侧面和第二侧面，所述装置包括：
一个或多个保持部件，所述一个或多个保持部件构造为在不与衬底的第一侧面显著接触的情况下接触衬底的第二侧面，其中，至少一个保持部件构造为在其它保持部件保持与衬底接触的同时在处理期间被致动，以便防止所述至少一个保持部件影响处理过程。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述衬底为晶片。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述晶片为半导体晶片。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一侧面为顶部侧面。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述顶部侧面具有位于其上的至少一个结构或特征，所述一个或多个保持部件避免在处理期间与所述结构或特征接触。
6.如权利要求1所述的装置，其中，第二侧面为底部侧面，所述底部侧面经受处理。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述处理为弯液面处理，其中，弯液面与衬底底部侧面接触，所述弯液面和衬底相对于彼此移动，以便使得弯液面与衬底底部侧面的相继的部分接触。
8.如权利要求1所述的装置，其中，构造为在弯液面处理期间被致动的所述至少一个保持部件进行移动，以便防止所述至少一个保持部件与弯液面接触。
9.如权利要求1所述的装置，其中，两个或多个保持部件构造为依次移动，以便防止所述两个或多个保持部件中的每个保持部件与弯液面接触。
10.如权利要求1所述的装置，还包括用于使所述保持部件移动的致动器。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述致动器是气动装置、压电装置、电阻装置、电磁装置、马达和形状记忆合金中的至少一种。
12.一种用于处理衬底的方法，所述衬底具有第一侧面和第二侧面，所述方法包括以下步骤：
通过一个或多个保持部件保持衬底，所述一个或多个保持部件构造为在不显著接触衬底的第一侧面的情况下接触衬底的第二侧面；
使衬底和处理元件中的至少一个移动，以便使得衬底和处理元件相对于彼此移动；
使至少一个保持部件在其它保持部件保持与衬底接触的同时在处理期间被致动，以便防止所述至少一个保持部件与处理元件接触。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述衬底为晶片。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述晶片为半导体晶片。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一侧面为顶部侧面。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述顶部侧面具有位于其上的至少一个结构或特征，所述一个或多个保持部件避免在处理期间与所述结构或特征接触。
17.如权利要求12所述的方法，其中，第二侧面为底部侧面，所述底部侧面由处理元件处理。
18.如权利要求12所述的方法，其中，所述处理元件为与衬底的底部侧面接触的弯液面，第一移动步骤包括使弯液面和衬底中的至少一个移动，以便使得所述弯液面和衬底相对于彼此移动，所述弯液面与衬底底部侧面的相继的部分相接触。
19.如权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个保持部件包括第一保持部件和第二保持部件，所述方法包括：
使第一保持部件从保持位置移动到缩回位置，以便防止第一保持部件与处理元件接触；
在处理元件不再与邻近第一保持部件的衬底区域相接触之后，使第一保持部件从缩回位置退回到保持位置；
使第二保持部件从保持位置移动到缩回位置，以便防止第二保持部件与处理元件相接触；
在处理元件不再与邻近第二保持部件的衬底区域相接触之后，使第二保持部件从缩回位置退回到保持位置。
20.如权利要求12所述的方法，其中，移动保持部件的步骤包括利用致动器使保持部件移动。
21.如权利要求20所述的方法，其中，利用致动器使保持部件移动的步骤包括利用气动装置、压电装置、电阻装置、电磁装置、马达和形状记忆合金致动器中的至少一种使保持部件移动。
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