CN103594406A - 自定心定位卡盘及半导体晶圆的定心定位方法 - Google Patents

Abstract

一种自定心定位卡盘及半导体晶圆的定心定位方法，所述自定心定位卡盘包括托盘、定位组件、中央吸附组件和卡盘外壳，所述托盘上有辐射状分布的、可轴向自由伸缩的伸缩杆，与气源联通的针形气缸通过锥面轴作用于伸缩杆，使伸缩杆伸出；所述伸缩杆的中段套有其推动作用的弹簧，伸缩杆在弹簧的作用下收缩夹持晶圆定心；托盘中心内有吸盘，吸盘可以作上升或旋转运动；所述卡块可夹持和放开晶圆，使晶圆定心；传感器测量晶圆外缘的定位口，对晶圆进行定位。本发明提供了一种对半导体晶圆进行自定心和定位的装置，该装置可应用到IC行业中对芯片进行检测的设备上，也可应用到对晶圆进行加工的设备上。

Description

自定心定位卡盘及半导体晶圆的定心定位方法

技术领域

本发明涉及半导体晶圆的定位设备，特别涉及一种可以对晶圆进行定心、定位的自定心定位卡盘及半导体晶圆的定心定位方法。

背景技术

在IC行业中，晶圆直径在不断增大，集成电路器件朝小体积、高密度的方向发展，集成度越来越高，对于检测设备的要求也越来越高，为避免人为接触造成芯片污染，高智能和自动化成为研究热点。

对于大直径晶圆的芯片检测设备的要求是实现自动测量，所以在晶圆传输环节中需要对晶圆进行精确定心和定位。

目前，现有技术公开的晶圆定位装置，通过光学传感器测定半导体晶圆的周缘位置，计算出晶圆的中心位置，还算出晶圆外周的槽口、定位平面等定位部位的相位位置。现有技术中依据传感器测量周缘信息同时进行定心和定位，信息关联性强，且对于晶圆直径大小适应性不强，定位准确度有待提高。

发明内容

本发明提供一种自定心定位卡盘及半导体晶圆的定心定位方法，解决现有技术中依据传感器测量周缘信息同时进行定心和定位、信息关联性强、且对于晶圆直径大小适应性不强，定位准确度有待提高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自定心定位卡盘，包括托盘、卡盘定位组件、中央吸附组件和卡盘外壳，所述卡盘外壳包括底座和中间座套，其特征在于：

所述托盘为中心有通孔的圆盘，所述圆盘的下端面上有两个同心的内圆环和外圆环，所述内圆环和外圆环的环壁上分别开有径向的、均匀分布的内通孔和外通孔，所述内通孔和外通孔内外一一对应；

所述卡盘定位组件包括能轴向自由伸缩的伸缩杆和卡块，所述伸缩杆穿过内通孔和外通孔，靠近托盘中心的一端与锥面轴的斜面相适应，另一端紧固有夹持晶圆的卡块，所述伸缩杆的中段套有其推动作用的弹簧；所述弹簧的两端分别为伸缩杆的轴肩和外圆环的内壁面上的卡板；所述锥面轴套在中央吸附组件的外面，其上段为锥面，锥面与轴面的连接部分为水平方向的下端面；所述托盘上开有轴向的气孔，所述气孔通过气管与外部的气源相连通；所述卡盘驱动组件为与外界气源相连通的针形气缸和与锥面轴平行安装的压簧。

所述托盘的上端面上有多个环形槽，所述环形槽与气孔相连通，所述环形槽之间通过多个以托盘中心为中心作放射式排布的直线槽相连通。

所述外圆环的内壁面上开有与外通孔同心的方形槽，所述方形槽的槽底为凸起的平台，所述平台处安装有对伸缩杆具有导向和固定作用的卡板。

所述伸缩杆与内通孔和外通孔之间均设有自润滑轴承。

所述中央吸附组件包括能作旋转运动或上下运动的吸盘和芯轴，所述吸盘位于托盘中心的通孔内，其底部与芯轴的顶端连接；所述芯轴底部由两个直线轴承支承；所述吸盘和芯轴中心均有通孔，所述通孔相连通组成气道，所述气道通过气管与外部的气源连通。

所述中央吸附组件的驱动设备包括旋转驱动设备和上下驱动设备，所述旋转驱动设备为微型电机，所述微型电机上固定安装有动力齿轮，所述动力齿轮与安装在芯轴上齿轮相啮合，所述齿轮与芯轴之间有平键连接；所述上下驱动设备包括通过作用于推力轴承起作用的微型气缸和助力弹簧，所述微型气缸通过气管连接到外部气源。

所述吸盘上与晶圆接触的端面有多个环形槽，所述环形槽之间有以吸盘中心为圆心呈放射状的直线槽连通，所述直线槽与吸盘中心的气道连通。

利用所述自定心定位卡盘进行半导体晶圆定心定位的工作过程为：

1）针形气缸连通气源，推动锥面轴，锥面轴推动伸缩杆，伸缩杆伸出；

2）机械手从料盒中拾取晶圆，将晶圆放置于圆盘上；

3）针形气缸断开气源，锥面轴在压簧的作用下返回，伸缩杆在弹簧的作用下收缩夹持晶圆定心；

4）气道接通气源，吸盘吸住晶圆；

5）针形气缸连通气源，推动锥面轴移动，锥面轴推动伸缩杆放开晶圆；

6）微型气缸连通外部气源，向上推动芯轴，此时晶圆离开托盘；

7）微型电机得电转动，芯轴在齿轮和动力齿轮的作用下转动，带动吸盘和被吸盘吸住的晶圆转动；

8）外部的传感器对晶圆外缘的定位槽进行检测，当检测到定位槽后电机停止转动；

9）微型气缸断开气源，缸杆收缩，芯轴在助力弹簧的作用下归位，晶圆落到圆盘上；

10）气道与外部气源断开，吸盘停止吸附晶圆；

11）针形气缸断开气源，锥面轴在压簧的作用下返回，伸缩杆在弹簧的推动下再次夹持晶圆定心；

12）托盘上的气孔连通气源，使托盘吸附晶圆，这样使晶圆定心定位。

本发明提供了一种能够对晶圆进行自定心定位的装置，与气源联通的针形气缸通过锥面轴作用于伸缩杆，使伸缩杆伸出，伸缩杆又在弹簧的作用下收缩夹持晶圆定心；托盘中心内有吸盘，吸盘可以作上升或旋转运动。卡块可夹持和放开晶圆，使晶圆定心；传感器测量晶圆外缘的定位口，对晶圆进行定位。本发明可同时实现晶圆的定心和定位，解决现有技术中依据传感器测量周缘信息同时进行定心和定位、信息关联性强、且对于晶圆直径大小适应性不强，定位准确度有待提高的问题。

附图说明

图1是本发明自定心定位卡盘的结构示意图；

图2是本发明的托盘7的上端面结构示意图；

图3是本发明的托盘7下端面朝上时的立面结构示意图；

图4是本发明的托盘7的横切面的结构示意图； 

图5是本发明的锥面轴3的纵切面的结构示意图。

附图标记：1-芯轴、2-吸盘、3-锥面轴、4-自润滑轴承、5-伸缩杆、6-弹簧、7-托盘、9-卡块、10-螺钉、11-卡板、12-直线轴承、14-压簧、15-环形板、19-固定衬套、20-动力齿轮、21-微型电机、23-底座、24-上压盖、27-下压盖、29-旋转接头、30-锁母、32-微型气缸、33-气缸支架、35-气管、36-压套、37-推力轴承、38-轴承套、39-助力弹簧、40-压盖、42-轴承、43-平键、44-齿轮、45-支承座、46-轴承、48-固定环座、50-针形气缸、51-固定板、52-气管接头、53-中间座套、55-下端面、56-气孔、57-气道、58-通孔、59-环形槽、60.1-内通孔、60.2-外通孔、61-斜面、62.1-内圆环、62.2-外圆环、63-直线槽。

具体实施方式

本发明涉及一种自定心定位卡盘及半导体晶圆的定心定位方法，下面结合附图1~5中具有特定代表性的实施例描述本发明的结构和方法。

附图1为自定心定位卡盘剖切内部结构图，一种自定心定位卡盘，包括托盘7、卡盘定位组件、中央吸附组件和卡盘外壳，所述卡盘外壳包括底座23和中间座套53，其特征在于：托盘7为中心有通孔58的圆盘，所述圆盘的下端面上固定连接有两个同心的内圆环62.1和外圆环62.2，所述内圆环62.1和外圆环62.2的环壁上分别开有径向的、均匀分布的内通孔60.1和外通孔60.2，所述内通孔60.1和外通孔60.2的直径相同且内外一一对应；圆孔的方向由圆心以射线形式向外；卡盘定位组件包括能轴向自由伸缩的伸缩杆5和卡块3，所述伸缩杆5穿过内通孔60.1和外通孔60.2，其靠近托盘中心的一端与锥面轴3的斜面61相适应，另一端紧固有夹持晶圆的卡块9，所述伸缩杆5的中段套有起推动作用的弹簧6；所述弹簧6的两端分别为伸缩杆5的轴肩和外圆环62.2内壁面上的卡板11；所述锥面轴3套在中央吸附组件的外面，其上段为锥面，锥面与轴面的连接部分为水平方向的下端面55。

图中托盘7经螺钉与中间座套53紧固连接，中间座套53经螺钉安装到底座23上。托盘7上有气孔56，气孔56通过紧固到托盘7上的气管接头52与气管35相通，并连接到外部气源。伸缩杆5在通孔内安装的自润滑轴承4中做直线运动，弹簧6可推动伸缩杆5；锥面轴3与中间座套53之间有自润滑轴承4，锥面轴3可以沿中间座套53的轴线方向往复运动，其动力来源于针形气缸50和压簧14；所述针形气缸50与固定板51连接，固定板51紧固连接到中间座套53上，针形气缸50通过气管35连接到外部气源；针形气缸50作用锥面轴3的下端面55，锥面轴3在气缸的推动下运动，返回时由压簧14推动环形板15，环形板15通过螺钉与锥面轴3连接，此时针形气缸50排气；锥面轴3的运动推动伸缩杆5伸出，伸缩杆5在弹簧6的作用下缩回，伸缩杆5的末端通过螺钉10将卡块9紧固，可夹持晶圆。

所述中央吸附组件包括能作旋转运动或上下运动的吸盘2和芯轴1，所述吸盘位于托盘7中心的通孔58内，其底部与芯轴1的顶端连接；所述芯轴1底部由两个直线轴承12支承；所述吸盘2和芯轴1中心均开有通孔，所述通孔相连组成气道57，所述气道57通过旋转联接头29与外部的气源连通；所述中央吸附组件的驱动设备包括旋转驱动设备和上下驱动设备，所述旋转驱动设备为微型电机21，所述微型电机21上固定安装有动力齿轮20，所述动力齿轮20与安装在芯轴上的齿轮44相啮合，所述齿轮44与芯轴1之间有平键43连接；所述上下驱动设备包括通过作用于推力轴承37起作用的微型气缸32和助力弹簧39，所述微型气缸32通过气管连接到外部气源。芯轴1由直线轴承12支承，并由固定衬套19定位，固定衬套19固定连接到固定环座48上，固定环座48经螺钉紧固链接到中间座套53上，芯轴1上安装齿轮44，齿轮44两侧安装轴承42，并安装于支承座45上定位，压盖40压到轴承42的外圈，并通过螺钉紧固到支承座45上，支承座45经螺钉紧固到固定衬套19上；在齿轮44与芯轴1之间有平键43，平键43紧固安装于芯轴1上，齿轮44的孔与芯轴1和平键43之间为间隙配合，芯轴1可在齿轮44孔内滑动；推力轴承37经压套36和锁母30紧固到芯轴1上，推力轴承37安装于轴承套38内，两侧由上压盖24和下压盖27经螺钉紧固，助力弹簧39的两端分别作用于上压盖24和压盖40上，微型气缸32的缸杆作用到紧固推力轴承的下压盖27上，微型气缸32安装到气缸支架33上，气缸支架33固定于底座23上，气缸32通过气管与外界气源连接；芯轴1中心有通孔与吸盘2的通孔连通形成气道57；旋转接头29安装到芯轴1的轴端，并通过气管连接到外部气源；与齿轮44啮合的齿轮20安装在微型电机21上，微型电机21紧固安装在中间座套53上。

附图2是托盘7上端面结构示意图，托盘7上通孔58的外围有多个环形槽59，环形槽59之间有多个以托盘中心为中心作放射式排布的直线槽63相通；直线槽63上有小孔形成气孔56；直线槽63上有小孔，形成气道56，连通气管接头52 连接气管35与外部气源连接。

图3是本发明的托盘7下端面朝上时的立面结构示意图；图4是本发明的托盘7的横切面的结构示意图，从附图3和4中可以看出，托盘7为中心有通孔58的圆盘，所述圆盘的下端面上固定连接有两个同心的内圆环62.1和外圆环62.2，所述内圆环62.1和外圆环62.2的环壁上分别开有径向的、均匀分布的内通孔60.1和外通孔60.2，所述内通孔60.1和外通孔60.2的直径相同且内外一一对应；圆孔的方向由圆心以射线形式向外；所述外圆环62.2的内壁面上开有与外通孔60.2同心的方形槽，所述方形槽的槽底为凸起的平台，平台两侧有凹槽，此处安装卡板11。

图5是本发明的锥面轴3的纵切面的结构示意图，锥面轴3位于吸盘7的底部且套在芯轴1的外面，中心设有通孔，其上段为锥面，所述锥面的斜面61与伸缩杆5靠圆心侧的斜面相适应，锥面轴3的下端面55与针形气缸50相作用。

本发明自定心定位卡盘的具体工作过程为：

1 针形气缸50连通气源，推动锥面轴3，锥面轴3推动伸缩杆5，伸缩杆5伸出；

2机械手从料盒中拾取晶圆，将晶圆放置于托盘7上；

3 针形气缸50断开气源，锥面轴3在压簧14的作用下返回，伸缩杆5在弹簧6的作用下收缩夹持晶圆定心；

4 气道57接通气源，吸盘2吸住晶圆；

5 针形气缸50连通气源，推动锥面轴3移动，锥面轴3推动伸缩杆5放开晶圆；

6 微型气缸32连通外部气源，向上推动芯轴1，此时晶圆离开托盘7；

7 微型电机21得电转动，芯轴1在齿轮44和动力齿轮20的作用下转动，带动吸盘2和被吸盘2吸住的晶圆转动；

8 外部的传感器对晶圆外缘的定位槽进行检测，当检测到定位槽后电机停止转动；

9 微型气缸32断开气源，缸杆收缩，芯轴1在助力弹簧39的作用下归位，晶圆落到圆盘7上；

10 气道57与外部气源断开，吸盘2停止吸附晶圆；

11 针形气缸50断开气源，锥面轴3在压簧14的作用下返回，伸缩杆5在弹簧6的推动下再次夹持晶圆定心；

12 托盘7上的气孔56连通气源，使托盘7吸附晶圆，这样使晶圆定心定位。  

    本发明的结构和方法能够有效的将晶圆进行自定心和定位，该装置可应用到IC行业中的芯片检测设备上，同时也可应用到对晶圆进行加工过程中的设备上。

Claims (8)

1.一种自定心定位卡盘，包括托盘（7）、卡盘定位组件、中央吸附组件和卡盘外壳，所述卡盘外壳包括底座（23）和中间座套（53），其特征在于：

所述托盘（7）为中心有通孔（58）的圆盘，所述圆盘的下端面上有两个同心的内圆环（62.1）和外圆环（62.2），所述内圆环（62.1）和外圆环（62.2）的环壁上分别开有径向的、均匀分布的内通孔（60.1）和外通孔（60.2），所述内通孔（60.1）和外通孔（60.2）的直径相同且内外一一对应；

所述卡盘定位组件包括能轴向自由伸缩的伸缩杆（5）和卡块（3），所述伸缩杆（5）穿过内通孔（60.1）和外通孔（60.2），其靠近托盘中心的一端与锥面轴（3）的斜面（61）相适应，另一端紧固有夹持晶圆的卡块（9），所述伸缩杆（5）的中段套有起推动作用的弹簧（6）；所述弹簧（6）的两端分别为伸缩杆（5）的轴肩和外圆环（62.2）内壁面上的卡板（11）；所述锥面轴（3）套在中央吸附组件的外面，其上段为锥面，锥面与轴面的连接部分为水平方向的下端面（55）；

所述托盘（7）上还开有轴向的气孔（56），所述气孔（56）通过气管（35）与外部的气源相连通；

所述卡盘驱动组件为与外界气源相连通的针形气缸（50）和与锥面轴平行安装的压簧（14）。

2.根据权利要求1所述的自定心定位卡盘，其特征在于：所述托盘（7）的上端面上有多个环形槽（59），所述环形槽（59）与气孔（56）相连通，所述环形槽（59）之间通过多个以托盘中心为中心作放射式排布的直线槽（63）相连通。

3.根据权利要求1所述的自定心定位卡盘，其特征在于：所述外圆环（62.2）的内壁面上开有与外通孔（60.2）同心的方形槽，所述方形槽的槽底有凸起的平台，所述平台上安装有对伸缩杆有固定和导向作用的卡板（11），所述卡板（11）两侧有凹槽。

4.根据权利要求1所述的自定心定位卡盘，其特征在于：所述伸缩杆（5）与内通孔（60.1）和外通孔（60.2）之间设有自润滑轴承（4）。

5.根据权利要求1所述的自定心定位卡盘，其特征在于：所述中央吸附组件包括能作旋转运动或上下运动的吸盘（2）和芯轴（1），所述吸盘位于托盘（7）中心的通孔（58）内，其底部与芯轴（1）的顶端连接；所述芯轴（1）底部由两个直线轴承（12）支承；所述吸盘（2）和芯轴（1）中心均开有通孔，所述通孔相连组成气道（57），所述气道（57）通过旋转接头（29）与外部的气源连通。

6.根据权利要求5所述的自定心定位卡盘，其特征在于：所述中央吸附组件的驱动设备包括旋转驱动设备和上下驱动设备，所述旋转驱动设备为微型电机（21），所述微型电机（21）上固定安装有动力齿轮（20），所述动力齿轮（20）与安装在芯轴上的齿轮（44）相啮合，所述齿轮（44）与芯轴（1）之间有平键（43）连接；所述上下驱动设备包括通过作用于推力轴承（37）起作用的微型气缸（32）和助力弹簧（39），所述微型气缸（32）通过气管连接到外部气源。

7.根据权利要求5或6所述的自定心定位卡盘，其特征在于：所述中央吸附组件上的吸盘（2）上与晶圆接触的端面有多个环形槽（59），所述环形槽（59）之间有以吸盘中心为圆心呈放射状的直线槽（63）连通，所述直线槽（63）与吸盘中心的气孔（56）连通。

8.一种利用权利要求1~7任意一项所述自定心定位卡盘进行半导体晶圆的定心定位方法，其特征在于：应用权利要求1~7任意一项所述自定心定位卡盘，其方法步骤为：

针形气缸（50）连通气源，推动锥面轴（3），锥面轴（3）推动伸缩杆（5），伸缩杆（5）伸出；

机械手从料盒中拾取晶圆，将晶圆放置于托盘（7）上；

针形气缸（50）断开气源，锥面轴（3）在压簧（14）的作用下返回，伸缩杆（5）在弹簧（6）的作用下收缩夹持晶圆定心；

气道（57）接通气源，吸盘（2）吸住晶圆；

针形气缸（50）连通气源，推动锥面轴（3）移动，锥面轴（3）推动伸缩杆（5）放开晶圆；

微型气缸（32）连通外部气源，向上推动芯轴（1），此时晶圆离开托盘（7）；

微型电机（21）得电转动，芯轴（1）在齿轮（44）和动力齿轮（20）的作用下转动，带动吸盘（2）和被吸盘（2）吸住的晶圆转动；

外部的传感器对晶圆外缘的定位槽进行检测，当检测到定位槽后电机停止转动；

微型气缸（32）断开气源，缸杆收缩，芯轴（1）在助力弹簧（39）的作用下归位，晶圆落到圆盘（7）上；

气道（57）与外部气源断开，吸盘（2）停止吸附晶圆；

针形气缸（50）断开气源，锥面轴（3）在压簧（14）的作用下返回，伸缩杆（5）在弹簧（6）的推动下再次夹持晶圆定心；

托盘（7）上的气孔（56）连通气源，使托盘（7）吸附晶圆，这样使晶圆定心定位。

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