CN1075422C - 晶片自动研磨系统 - Google Patents

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Abstract

一种晶片自动研磨系统，包括一把晶片从一盒一片片装入一研磨机上的一晶片架中的机械手。该机械手可把经研磨的晶片送到一测厚装置而测量厚度，从而在进行下一批晶片的研磨前校正该研磨机。晶片架上用来插入晶片的孔的大小做成与晶片的大小很接近，从而尽量减小晶片与晶片架的相对运动。一对中夹具和机械手的搜索程序可使晶片迅速定位在孔上。该研磨系统还检查晶片的疵点，从而在研磨后检出废品。

Description

晶片自动研磨系统
本发明一般涉及晶片研磨系统，特别涉及晶片自动研磨系统。
在半导体工业中半导体材料一般做成具有至少一个反射性很好、大致没有疵点的表面的薄晶片。该晶片原来为一按照Czochralski法生成的单晶锭块(坯)的一部分。该锭块大致呈圆柱形，然后修整成更精确的圆柱形。然后把该锭块切成一片片晶片。然后进行本领域技术人员公知的若干工序而制成晶片成品。紧接着切片工序就是本发明所特别涉及的晶片研磨工序。在晶片的正反两个表面上都进行研磨而获得更精确的厚度、除去切片时留下的不平整疵点并提高平行度和平直度。经研磨的晶片的厚度稍大于最终厚度，因为在其后进行抛光之类的工序时厚度会减小。
用来进行研磨工序的研磨机一般包括若干一般呈圆形的晶片架，晶片架中有若干相间距的孔。每一孔的大小做成可放置一晶片，其直径稍大于晶片的直径。晶片架的厚度小于晶片的厚度。这些晶片架支撑在该研磨机的一环形下部板上。这些晶片架的圆周上有分别与位于该环形下部板的内外圆周上的内外圆销环中的圆销啮合的齿。研磨机的一上部板有一臂支撑成可上下移动并可摆入或摆离与下部板对齐的位置。研磨机工作时驱动内圆销环而使这些夹在上下板之间的晶片架围绕研磨机的圆心旋转，同时上下板以相反方向转动。
在现有技术中，技工向上移动上部板并使之摆离下部板后用手把晶片装入研磨机下部板上的晶片架的各孔中。装完晶片后，把上部板摆动到下部板的上方后降下而把晶片夹在上下板之间。然后如上所述开动研磨机转动晶片架而造成晶片与上下板之间的相对运动。该相对运动产生研磨机的机械研磨作用，该作用被有助于研磨晶片的软膏或其他研磨剂加强。然后技工用手卸下研磨好的晶片。
在现有研磨工艺中是无法在整个研磨工艺中跟踪某一晶片的。经研磨的晶片的厚度必须保持在很紧的公差范围内。因此，技工对研磨好的一批晶片进行测量后在下一个研磨周期之前调节研磨机。进行测量和调节研磨机都会延误下一个研磨周期。为了减少延误，只对研磨好的一批晶片进行抽样测量。
当前已有减小人的工作量的晶片自动研磨系统。美国专利No.5,174,067(简称′067专利)公开了把晶片架从研磨机上取下的晶片自动研磨装置。晶片被逐个装入晶片架中，晶片架装满后放回到研磨机的下部板上。这一装片过程一直进行到所有晶片架装满并被放置到研磨机的下部板上为止。完成研磨后，把晶片架和晶片一起从研磨机送到一卸片工段卸下晶片。′067专利虽然是自动的，但增加了在从晶片架上卸下晶片之前卸下整个晶片架的工序。如果要调节研磨机以保持晶片厚度的紧公差，技工在开始下一个研磨周期之前就必须对上一批晶片至少进行抽样测量。没有公开在整个研磨工艺中跟踪各个晶片的同一性。
美国专利No.5,333,413(简称′413专利)公开的自动研磨机无需把整个晶片架从研磨机上卸下。一机械手每次拾起四块晶片把它们放入研磨机下部板上的晶片架的相应四个孔中。研磨机上的一传感器停下研磨机而使一晶片架处于预定的角位。装在机械手上的各传感器使晶片架的中心定位，从而使晶片架上的孔定位而可放置和取下晶片。但在′413专利的装置中，晶片的厚度测量并未自动化。′413专利并未公开在整个研磨工艺中跟踪晶片的同一性。
本发明的目的和特征包括：提供一种可使研磨各批晶片之间的延误时间最短的晶片自动研磨系统；提供自动测量晶片厚度从而调节研磨机的晶片自动研磨系统；提供自动检查晶片疵点的晶片自动研磨系统；提供可使晶片在通过该系统时保持同一性的晶片自动研磨系统；提供可精确确定晶片架在研磨机上的位置的晶片自动研磨系统；提供只要作最少改变即可研磨不同大小的晶片的晶片自动研磨系统；以及提供可防止损坏晶片的晶片自动研磨系统。
本发明的目的和特征还包括提供一种可达到上述优点的晶片研磨方法。
一般来说，晶片自动研磨系统包括一用来存储许多待研磨晶片的晶片存储工段和一包括上下研磨板的研磨机。一般位于下部研磨板上的多个晶片架各有用来放置晶片并把晶片夹持在研磨机上下板之间而强使晶片与晶片架一起运动的多个穿孔。晶片研磨机构作成可使晶片架和上下板相对运动，从而把晶片研磨到预定厚度。上部板可在一位于下部板上方的位置与一转离下部板而露出晶片架的位置之间移动，以便装卸晶片。一设置在晶片存储工段和晶片研磨机旁的晶片传送机构构作成可依次把存储工段中的晶片从存储工段中举起后传送到晶片研磨机而把晶片放置在下部研磨板上的晶片架的相应孔中，从而把晶片装到晶片架上以便进行研磨。
按照本发明的另一个方面，晶片研磨系统包括如上所述的一研磨机和一晶片测厚装置。该测厚装置放置成可接受经研磨机研磨的晶片并测量这些晶片的厚度。该测厚装置与一研磨机控制器电连接，从而可向该研磨机控制器发出信号而纠正存储在研磨机控制器中的目标厚度与晶片测厚装置所测得的经研磨的晶片的实际目标厚度的偏差。
按照本发明的另一个方面，晶片研磨系统包括如上所述的晶片研磨机和晶片传送机构。一控制器用来控制该晶片传送机构。一晶片架方位检测器可检测晶片架在晶片研磨机上的一原始位置上的方位并向该控制器发出一表示该方位的信号。该控制器做成可对在装载晶片架时处于原始位置上的晶片架的方位与在研磨后卸下晶片时的处于原始位置上的晶片架的方位进行比较，从而可保持经研磨的晶片的同一性。
按照本发明的又一个方面，一种晶片研磨方法包括提供一晶片研磨机和晶片测厚装置，该晶片测厚装置具有主动的反馈功能而把晶片厚度保持在实际目标厚度上。
按照本发明的另一个方面，一种晶片研磨方法包括用如上所述的晶片研磨机、控制器和晶片方位检测器在整个研磨操作中保持晶片的同一性。
本发明的其他目的和特征一部分是自明的，一部分在下文中说明。
图1为一半导体晶片研磨系统的示意俯视图；
图2为该研磨系统的一晶片存储工段的局部剖视而示出内部结构的右侧视图；
图3为该晶片存储工段的局部剖视而示出内部结构的局部正视图；
图4为该研磨系统的一关节式机械手的侧视图；
图5为该机械手自由端处的一晶片操纵手的局部正视图；
图6为该研磨系统的一晶片对中夹具的正视图，其局部剖视而示出细节并以虚线示出该夹具中的一晶片；
图7为其俯视图；
图8A为处于第一位置的一晶片架的示意俯视图；
图8B示出图8A的晶片架从第一位置转到第二位置；
图9为该研磨系统的一转盘的一晶片夹具的侧视图，其局部剖视而示出结构细节；
图10为该晶片夹具的正视图；
图11为该研磨系统的一晶片冲洗工段的侧视图，其局部剖视而示出内部结构；
图12为该研磨系统的一晶片测厚工段的侧视图；
图13为该晶片测厚工段的后视图；
图14为该研磨系统的一晶片检查工段的侧视图；
图15为该研磨系统的一晶片卸载工段的侧视图；
图16为该晶片研磨系统的一系统控制器的方框图；
图17为第二实施例的晶片研磨系统的示意俯视图；
各附图中的相同部件用相同标号表示。
各附图、特别是图1示出按照本发明原理构作的一晶片自动研磨系统，包括一晶片研磨机和一晶片处理装置(分别用标号20和22表示)。晶片处理装置22的各部件装在晶片研磨机20旁的一隔离台24的台面上。在优选实施例中，隔离台24和晶片研磨机20为安全起见布置在一透明罩(未示出)中。如下面详述，隔离台24上的一机械手26可从该台的两晶片存储工段(分别用标号28A和28B表示)中拾起晶片W后把它们传送到一对中夹具30。机械手26然后把晶片W从对中夹具30传送到研磨机20，依次进行这一过程而把一片片晶片装载到研磨机上。研磨后，机械手依次把一片片晶片W取下后送到晶片处理装置22的一转盘34上的各晶片夹具32上。转盘34使晶片W依次经过第一冲洗工段36、晶片测厚工段38、晶片检查工段40和第二冲洗工段42。机械手26可从转盘34上拾起晶片W后把它放置在两卸载工段(分别用标号44A、44B表示)之一中或报废工段46中。
待研磨的晶片W存储在位于两个边靠边的晶片存储工段28A、28B中的盒C1中。由于晶片存储工段28A、28B的结构相同，因此只须说明晶片存储工段28A。从图2和3可看到，晶片存储工段28A包括一由一支架54的一上部板52上的一对角撑架50支撑的滑板48，该支架54还包括一(比方说用螺栓58)装在隔离台24的台面上的底板56。一装在滑板48顶面上的接滴盘60中有一用来放置装满待研磨的晶片W的晶片盒C1的晶片平台62。图2和3中以虚线所示的晶片盒中只装有一部分晶片W。该晶片盒平台62包括一板64、一阶梯形底座66和一对用螺栓连接在该底座上并从该底座上向上竖起的相间距的竖杆68。每一竖杆68的顶上有一沿该竖杆长度方向伸展的P形片70。
晶片盒C1的底部有一开口，从而当把该盒向下放置到晶片平台62上时竖杆68穿过该底部开口而上举晶片W而使晶片W的一部分如图所示露出在盒外。晶片W的下边缘部分抵靠P形片70而受其支撑。晶片平台62的各阶梯(分别表为72A-72C)使得存储工段28A可放置不同大小的晶片盒并使该盒紧固在其横向位置上以及相对机械手26的固定高度上。一用角撑架77装在晶片平台62上的夹子76使盒C1紧抵接滴盘60的外壁74。夹子76向上张开而把盒C1夹在它与角撑架77之间。
滑板48可从隔离台24向外(即图4所示向左)滑动到把晶片盒C1装到平台62上的一装载位置后回到其供片位置。滑板48通过可在滑板48与支架54之间滑动的两相配的轨道(分别表为78A、78B)装到角撑架50上。一装载上部板52上的支架80上装有一止档82和一接近传感器84。当从滑板48上下垂的一板86在供片位置上抵靠止档82时，接近传感器84检测到它而向系统控制器88(图16)表明滑板48处于供片位置。一把滑板48牢牢固定在供片位置上的锁紧机构90包括一在一部件94上的击锤92，而该部件94用铰链装在支架54上的一突片96上。部件94受一也用铰链装在突片96上的杆98的操纵而可在一锁紧位置(图2中实线所示)与一松开位置(图2中虚线所示)之间运动，在该锁紧位置上，击锤92抵靠下垂板86而使它紧抵止档82，而在松开位置上滑板48可自由向外移动到装载位置。
从图1、4和5可见，首先由关节式机械手26对晶片处理装置22中的晶片进行处理，该机械手26有一装在隔离台24上而紧靠晶片研磨机20的底座100。如图4所示，该关节式机械手26还包括一从底座100上竖起的支柱102和一由该支柱支撑并从该支柱沿水平向外伸展的关节臂104。该关节臂104包括装在支柱102上而可以该支柱的垂直纵向轴线为枢轴转动的第一部件106。该臂104的第二部件108用枢轴连接在第一部件106的肘部处而可围绕一垂直轴线相对第一部件转动。一内装直线运动/转动致动器122的圆筒110装在第二部件108的自由端上，圆筒中插有一杆114，杆114的自由端上有一操纵手116。可开动直线运动/转动致动器112而升降操纵手116(更广义地讲，为“抓紧装置”)。以上所述的机械手26为市场上有售的现有四轴线机械手。但是，应该看到，在本发明的范围内也可使用其他类型的机械手。
操纵手116包括一装在杆114的底端上的平台118和一套在一装在平台底面上的转动致动器124的转轴上的支架120。该转动致动器124与一压缩空气装置(为示出)连接而可围绕转轴122的轴线转动转轴122和支架120(图5)。这一转动轴线成为机械手26的第五轴线。支架120包括一对位于一中心件128两边的安装件126。这两安装件126套在转轴122上。支架120的中心件128上向外突起有三个手指130。手指130的顶端上有用真空抓住晶片W之一的吸杯(132A-132C)。手指130包括一套在一外管130B中的内管130A，从而外管与内管可相对运动而伸缩手指。弹簧(未示出)沿轴向把外管130B推离内管130A。每一手指130与一真空装置(为示出)连接而可在吸杯132A-132C中产生或不产生真空。此外，可通过手指130施加正气压而使机械手26放开晶片。
转动致动器124可使支架120在第一位置(图4)与第二位置(图1和5)之间转动，在第一位置上，手指130向下伸展而把晶片握住在水平位置上，在第二位置上，手指水平伸展而把晶片握住在垂直位置上。平台118的两边上装有两个接近传感器(分别表示为134A、134B)。两安装件126的形状做成：传感器134A(图3所示左边传感器)在支架120位于第一位置上时检测两安装件之一，另一传感器(图3中右边的传感器)在支架120位于第二位置上时检测另一个安装件。传感器134A、134B所检测到的支架120的位置信息传到系统控制器88(图16)。
机械手26可把晶片W一片片举出晶片存储工段28A中的盒C1。晶片W在装入晶片研磨机20(图1)上的五个晶片架136之一中的一个孔中前被传送到对中夹具30在操纵手116上精确对中。对中夹具30装在隔离台24上而一般位于存储工段28A、28B与机械手26的底座100之间。从图6和7可看到，对中夹具30包括支架138和一装在一箱140(图6中局部剖视)中的气动直线运动致动器142。一对相对的夹爪144装在相应各对的穿过箱140而穿入直线运动致动器142中的杆146上而可在两夹爪分开的一打开位置与两夹爪相互抵靠的一关闭位置之间移动。
每一夹爪144上有三个弧形台阶148，在同一水平上的每一对相对的台阶可把一定大小的晶片支撑在基本水平的位置上。这些台阶148包括其形状和位置设置成可抵靠放置在该台阶上的晶片W的边缘的肩150。图6和7中虚线所示的一晶片支撑在最上层台阶148上。在打开位置时，用来支撑晶片W的台阶148的两肩150之间的距离大大大于晶片的直径而可把操纵手116上的(偏心)晶片放置到台阶上。然后开动直线运动致动器142而把两夹爪移动到关闭位置而使相对两夹爪的肩互相靠拢到稍大于晶片直径的最小距离。视晶片圆心与对中夹具30的圆心的偏心程度，一个肩或同时两个肩150抵靠晶片W的边缘而把它移动到与对中夹具基本同心的位置。
机械手26然后取回晶片W而把操纵手116上经对中的晶片传送到晶片研磨机20。该晶片研磨机的结构除了下面要指出的以外与现有晶片研磨机相同。因此只对研磨机20作一般的说明。如图1所示，该研磨机包括一上部研磨板152和一环形下部研磨板154。上部研磨板152装在一装在研磨机20的一底座158上的支撑臂156上而可围绕一垂直轴线在一离开下部板154的位置(如图1所示)与一位于该下部板正上方的位置之间摆动。
研磨机20的下部板154上有五个晶片架136。每一晶片架136有五个围绕该晶片架圆心等角距分布的穿孔160。晶片架的数量和每一晶片架的穿孔数量视不同的研磨机和待研磨的晶片的直径而变。待研磨的半导体晶片W放置在所有晶片架136的孔160中。每一晶片架136的圆周上的齿(未示出)与分布在该环形板的内外圆周旁的直立销(未示出)啮合。
工作时，上部板152摆动到下部板154上方后下降而使晶片架136中的晶片W的正反两面各接触一板。驱动内圆周旁的直立销而使晶片架136一边围绕一同时通过上下板的圆心的轴线旋转，一边围绕其本身的圆心转动。上部板和下部板152、154以相反方向同时转动。晶片研磨机20有一可监测每一个晶片架136的位置的控制器162(图16)，从而在研磨终止时可把一已知晶片架转回到原始位置164(即最靠近机械手的一位置)上。(图1中示意出的)喷水喷嘴166装在研磨机20上原始位置164旁而在研磨后冲洗原始位置上的晶片架136。研磨结束后，上部板152升起后由支撑臂156转回到图1所示位置，以便用关节式机械手26取下晶片W。
把晶片W放置到晶片架136的相应孔160中要求机械手26有很高的准确性。取下晶片W时对准确性的要求没有那么高，但为了保持晶片的同一性，机械手26必须知道原始位置164处晶片架136中的每一晶片的位置。一包括一装在原始位置中心上方的摄像机(更广泛讲为“晶片架方位探测器”)、用来监视原始位置上的晶片架136的监视装置确定晶片架的方位并从而探明每一晶片的位置。该摄像机168可从市场上售得，它由控制机械手26的系统控制器88操纵。摄像机168监测晶片架136上位于一与晶片架圆心C同心的圆上而角距为144°(216°)的一对圆点170A、170B。当然，在本发明范围内圆点(更广泛地讲为“记号”)170A、170B之间的角距可以定为其他值。摄像机168连接到系统控制器88，从而比较晶片架136的原来位置(即在研磨前的位置，见图8A)与最终位置(即研磨后的位置，见图8B)而确定某一晶片的所在位置，这在下文详述。
研磨后的晶片W由机械手26从晶片架136传送到装在转盘传送带34(图1)的转盘172上的夹具32上。该夹具32为装在转盘172上的六个结构相同的夹具中位于接片位置174上的一个夹具。转盘172可围绕其圆心转动而由一装在隔离台24上接滴盘178下方的电动机176选择生地驱动其转动。从图9和10可看到，夹具32包括一用螺栓182紧固在转盘172的圆周边缘上而从转盘圆周沿径向向外伸展的支撑板180。一固定在支撑板180的自由端上的平台184上装有左右外部立柱186、左右内部立柱188和一中心晶片支撑件190。如图10所示，外部立柱上有向里伸展的突起192，突起192的内端有供晶片W的圆周边缘插入的槽194。中心支撑件190上也有供晶片圆周边缘的另一部分插入的槽196。图10中中心支撑件190、左边的立柱186和晶片W局部剖视而示出槽194、196以及插入在这些槽中的晶片(其局部用虚线表示)。内部立柱188上有弧形表面198抵靠并支撑夹具32中的晶片。
从图1可清楚看到，系统控制器88操纵电动机176而转动转盘172，从而使夹具32和夹持在其中的晶片顺时针转过六个位置(包括接片位置174)。由夹具32夹持的晶片W首先进入图11所示第一冲洗工段36，该冲洗工段包括一由相间距的两后部立柱200、两脚202和两臂204构成的支架。图11中只示出两立柱200、两脚202和两臂204之一，另一个位于所示出的一个的后方。该支架上装有防溅罩，包括一右壁206(图11中局部剖视而示出内部结构)、一左壁208、一前壁210、一顶壁212和一后壁(未示出)。左右两壁206、208的形状基本相同，包括其形状做成可供夹具32和晶片穿过左右壁而进入和离开第一冲洗工段36的直角形槽口214(只示出右壁上的槽口)。前壁210向下只到达槽口214处，从而转盘172可穿过防溅罩。
右壁206上的槽口214的一部分由一用铰链218装到该右壁上的门216盖住。门216和铰链218以虚线表示局部剖视部分而示出第一冲洗工段36的内部结构。一气缸220的圆筒222的端部以枢轴连接到右立柱200上，而一杆224的自由端以枢轴连接到门216上的一小孔226上。杆224缩入圆筒222而使门216围绕其铰链218从其图11所示关闭位置转动到打开位置(未示出)，从而槽口打开而夹具32和晶片W可进入第一冲洗工段36。左壁208上也有基本相同的门和气缸(未示出)打开和关闭左壁上的槽口而让夹具32和晶片W离开第一冲洗工段36。还有一用铰链装在顶壁212上的盖228，可用手抓住其手柄向上提起并向后翻转而打开该盖而从顶壁通向第一冲洗工段36。
分别穿过防溅罩的前壁210和后壁(未示出)并受其支撑的进水管2 32可把冲洗液输送到位于该进水管在第一冲洗工段内部的端部上的喷嘴2 34。如图11所示，喷嘴234把呈P形的喷水喷到晶片W的两面上。一装在防溅罩左右两壁206、208之间的水槽236防止冲洗液溅到转盘172上并向里引导冲洗液而使之降落到防溅罩的底壁238中。底壁238呈长方形漏斗状而把所有冲洗液引导到底壁上的一排水管240而把冲洗液送到一排水装置(未示出)。
夹具32在冲洗后转位到测厚工段38(图1)。从图12和13可看到，测厚工段38包括一用螺栓246紧固到隔离台24上的支架242。从该支架242顶端向转盘172圆心向里伸出的一悬臂248上支撑着测厚工段38的各工作部件。一安装在臂248的底面上的导轨250支撑着一从该臂上下垂的探头车252。该探头车252包括其上有一圆锥形止档256的上部件254、一下部件258和一其上有一通过电缆与系统控制器88连接的线电压测距转换器(LVDT)式探头262的探头支架260。该导轨上支撑有一基准车266，它包括其上装有一对基准球270的一下垂件268。该下垂件268上有一其大小可供探头车252上的圆锥形止档256插入的圆锥形凹座272。探头车252和基准车266可在导轨250上滑动而使夹具32可进入测厚工段38并用来测量晶片W的厚度。
如图14所示，转动转盘172把夹具32转动到晶片检查工段40而使晶片W位于装在一细长形横档件276的前后摄像机274之间，以便检查晶片上的疵点。摄像机274与系统控制器88(图16)连接而可如上所述影响机械手26的运行。横档件276沿转盘172的径向伸展，从而在晶片W进入该工段时其位置使得晶片的两面与摄像机274的视线正交。摄像机用滑块278装在横档件276上，松开定位螺丝280，把摄像机滑动到一新位置后重新旋紧定位螺丝，这样就可调节摄像机在横档件上的纵向位置。横档件276连接在一直立地安装在隔离台24上的立柱282上。
回到图1，下一步把夹具32从晶片检查工段40转动到其结构与第一冲洗工段基本相同的第二冲洗工段42。然后再转动转盘172而把夹具32转动到卸载位置284，在这里机械手26又拾起晶片。晶片W在转盘传送带34上的全部时间中始终是湿的。位于转盘172下方的接滴盘178收集从转盘传送带34上的晶片滴下的液体并把这些液体引导到一中心孔(未示出)后送入排水装置。
机械手26可抓取位于卸载位置上的夹具32中的晶片而按照系统控制器88从晶片检查工段40收到的信息把它或是放到两卸载工段44A、44B的任一个中，或是把它放置到报废工段46中(图1)。晶片卸载工段44A与44B的结构相同。因此只须说明其中之一的工段44A。从图15可看到，晶片卸载工段44A的结构与图2和3所示的晶片存储工段28A大致相同。确切说，滑板286、支架288、底座290、角撑架292、锁紧机构294和接近传感器296都与存储工段28A的滑板48、支架54、底座56、角撑架50、锁紧机构90和接近传感器84完全相同。卸载工段44A的容器(298)的四壁比存储工段28A的接滴盘60的四壁高，从而容器内所装的液体容量足以完全浸没该容器中的(虚线所示)晶片盒C2中的晶片。但在该容器298中，晶片盒平台300、夹子302和角撑架303与晶片存储工段28A的对应物(平台62、夹子76和角撑架77)基本相同。卸载工段44A的平台上没有立柱。机械手26把每一晶片W放入晶片盒中约半途处就放开晶片。晶片W在卸载工段中在液体中向下漂动，直到完全座落在晶片盒C2中。滑板286使盒C2可从隔离台24移出到罩(未示出)外，以便从该晶片研磨系统上取下经研磨的晶片。报废工段46的结构与卸载工段44A基本相同。
工作情况
以上说明了本发明晶片研磨系统的构造，下面说明其工作情况。该晶片研磨系统由系统控制器88控制。如图16所示，该系统控制器88与系统的各部件连接。虽然研磨机20有其自身的控制器162，但该控制器162从属于控制器88。作为第一步操作，技工在研磨机20的下部板154上把晶片架136放置成每一晶片架可由研磨机转动到原始位置164上。然后松开晶片存储工段之一(例如晶片存储工段28A)的滑板48而把它向外滑动到其装载位置而把晶片W的盒C1装入该存储工段。晶片W的一部分由竖杆68举出其盒，以便晶片在滑板48滑动回供片位置时可由机械手26拾起。
打开喷嘴166向原始位置163上的晶片架136喷水冲洗掉晶片架上的废物。监视装置的摄像机168对在其初始的原始位置上的晶片架摄像而确定该晶片架上的圆点170A、170B的位置。图8A和8B中的虚线表示的摄像机168表示原始位置164上的摄像机164的视野。在优选实施例中，系统控制器88确定两个可能的圆心C和C′的位置。控制器88已知通过圆点170A、170B、其圆心与晶片架136的圆心重合的圆的半径。两个可能的圆心C和C′为分别以圆点170A、170B为圆心、该圆的半径为半径所作两圆的两个交点。控制器然后画出分别以C和C′为圆心、通过圆点170的两个圆S1、S2。圆心为C′的圆S2位于摄像机的视野之外。因此，该系统能识别完全在该视野中的圆S1的圆心C才是晶片架136的实际圆心C。
识别出晶片架136的圆心C和以晶片架的圆心为圆心的圆S1后，控制器测量从每一圆点开始、顺时针转动而得到的两圆点170A、170B之间的角度。从圆点170A开始围绕圆心C顺时针转动到圆点170B，所测得的角度为216°。从圆点170B开始围绕圆心C顺时针转动到圆点170A，所测得的角度为144°。控制器88预先编程成把据以测得144°角的圆点170B作为定位点。从圆心C画出一通过定位点170B的直线L1。直线L1的顺时针方向上的第一个孔为“第一个”孔160′。其他孔按其从第一个孔160′开始围绕晶片架136的圆心C顺时针转动时的位置而编号。控制器88运行而从第一孔到第五孔把晶片放到晶片架上并以相同次序取下经研磨的晶片。
机械手26运行而把操纵手手指130(其方向为如图5所示第二位置)端部上的最下方吸杯132A移动到抵靠晶片存储工段28A中的最靠里晶片W。通过吸杯132A施加真空气压抓住晶片W。机械手的直线运动/转动致动器112开动而笔直向上把晶片举出盒C1后机械手26把晶片移出存储工段28A。操纵手116的转动致动器124开动而把该手向下转动到其第一位置而把晶片W握持在水平位置上(图4)。机械手26把操纵手116移动到一使晶片W的圆心与对中夹具30的圆心基本对齐的位置上。直线运动/转动致动器112然后把晶片W向下移入对中夹具30中而使晶片抵靠两相对夹爪144上的与该晶片的大小对应的阶梯148。撤去吸杯132A的真空吸力，从而晶片只由对中夹具30中的阶梯148支撑。开动对中夹具30的直线运动致动器142而把两夹爪144从其打开位置(图6和7所示)移动到两夹爪互相抵靠的关闭位置(未示出)。根据晶片圆心与对中夹具30圆心的偏心度，两夹爪144上的肩150抵靠晶片而把它移动到对中位置。
机械手26重新开动而首先使操纵手116的中心点E与对中夹具30的圆心对齐，然后向下移动手指130的吸杯132A-132C而使之抵靠对中夹具30中的晶片W。施加吸力抓住晶片而由机械手26把它举出对中夹具30，此时晶片圆心与操纵手116的中心点E完全对齐。机械手26转动到原始位置162处的晶片架136的第一个孔160′的上方。如上所述，第一孔160′由摄像机168所检测的圆点170A、170B的方位确定。直线运动/转动致动器112向下移动操纵手116把晶片W放入孔160′中，或者，若有偏差，至少一部分晶片抵靠在晶片架136在该孔旁的顶面上。
在该优选实施例中，晶片W与任何晶片架孔160之间的间隙约为千分之二到四英寸，以在研磨时尽量减小晶片W与晶片架136的相对运动。如晶片起先未能落入孔160′中，机械手26会开动而迅速找到该孔。操纵手继续向下移动而使手指130紧抵晶片W从而该手指的内套管130A被推入外套管130B中而压缩弹簧。被压缩的弹簧用更大的力沿轴向向外推动外套管130B而使吸杯132A-132C紧抵晶片。撤去吸杯132A-132C的吸力从而手指130只以弹簧的偏置力紧抵晶片W。
系统控制器88操纵机械手26而使操纵手116的中心点E围绕一垂直轴线以越来越大的圆旋转。只要晶片在晶片架孔160′之外，手指130与晶片W摩擦啮合足以使晶片随着划圆的手指一起旋转。但当晶片W旋转到与孔160′对齐的位置时，它落入孔160′中而抵靠该孔的边而无法再随手指1 30旋转。在该优选实施例中，机械手26以两个圆旋转操纵手116，一个圆的直径为2mm，另一个圆的直径为4mm。但应看到，在本发明范围内，控制器88可编程成以不同直径、不同数量的圆或以非圆图形移动晶片。
机械手26把操纵手116移回到晶片存储工段28A并反复进行上述步骤直到装满晶片架136的所有孔160。第一孔160′之后所装的晶片架孔160为从第一孔的顺时针方向(从图8A中的摄像机的有利位置看去)上的下一个孔。系统控制器88然后指令研磨机20转动晶片架136而把下一个晶片架转动到原始位置164上。第二晶片架136重复进行上述装片过程。当所有晶片架1 36装满晶片时，系统控制器88指令研磨机20开始研磨周期。上部板152从其图1所示位置摆动到下部板152、154上方位置后下降而抵靠晶片W。内部销环(未示出)和上下板154转动而研磨晶片的正反两面直到获得由研磨机的控制器162所测量的预定厚度。与现有技术一样，把软膏或其他合适的研磨剂加到板152、154上以提高研磨效果和平整度。
开动研磨机20把第一晶片架136转回到原始位置164。当向上举起上部板152并转回到图1所示位置而露出下部板154和下部板上的晶片时，打开喷嘴166冲洗位于原始位置上的该晶片架136和晶片。监视装置的摄像机136又对原始位置上的该晶片架136(比方说如图8B所示)拍照而以上述同样方式确定其角位并从而确定第一孔160′的位置。图8B中为简明起见未示出用来确定晶片架136的优选C的圆S1和S2。系统控制器88开动机械手26而把它转动到内有装到第一晶片架136上的第一晶片的孔160′的上方。轴线运动/转动致动器112向下移动操纵手116而使吸杯132A-132C和手指130的端部抵靠晶片。继续向下移动直到手指130的外套管130B被压缩约1/4英寸而抵靠该晶片。然后直线运动/转动致动器112慢慢向上移动操纵手116约1/2英寸，同时直线运动/转动致动器112转动该手而轻轻地克服使晶片粘住在下部板154上的余下的软膏的表面张力。
机械手26把晶片W传送到转盘传送带34的位于接片位置176上的夹具32处。在传送过程中，转动致动器124把操纵手116向上转动到其第二位置而垂直握持晶片。直线运动/转动致动器112向下移动操纵手116而使晶片滑过外部立柱186上的槽194而进入夹具32。机械手26一旦放开晶片W并转开，转盘172转动而把夹具32转动到第一冲洗工段36冲洗晶片。第一冲洗工段36上的门216起先打开而使晶片W和夹具32可进入第一冲洗工段。在转盘172停下而夹具32位于该冲洗工段中时，开动该冲洗工段上的汽缸而关上门216。门216一旦关上，就把冲洗液送到喷嘴234而喷到晶片W的正反面上。与此同时，机械手26转回晶片存储工段28A从盒C1中拾起一未经研磨的新晶片W。该晶片被移动到对中夹具30后由机械手26放入刚由正在第一冲洗工段36进行冲洗的晶片空出的孔中。
机械手26以同样方式拾起原始位置164上的晶片架136中的经研磨的第二晶片后把它传送到现在占据着转盘传送带34上的接片位置174的夹具32。第一冲洗工段36中的第一晶片完成冲洗后开动汽缸220打开第一冲洗工段的门216(图中只示出一个门和汽缸)。转盘172转动而把经研磨的第二晶片转动到第一冲洗工段36，同时第一晶片进入晶片测厚工段38。在第一晶片进入该工段之前，探头车252与基准车266互相靠拢而使圆锥形止档256插入圆锥形凹座272中而精确固定基准球270与探头262的顶尖之间的间距。探头262的顶尖前伸而抵靠两基准球270之一而确立起“零厚度”。然后探头车252和基准车266滑动到互相分开的位置上使晶片可移入晶片测厚工段38中而位于它们之间。探头车252和基准车266重新互相靠拢而使探头车上的止档256插入基准车上的圆锥形凹座272中。探头262的顶尖前伸而抵靠晶片W。顶尖抵靠基准球270所经距离与抵靠晶片W所经距离之差即为晶片厚度。然后探头车252和基准车266分开而使第一晶片可离开工段38而第二晶片可进入工段38。晶片测厚工段38至少在研磨机20送来的最后一个经研磨的晶片通过该工段之前不再确立零厚度。
机械手26在由第二晶片空出的孔160中装入另一个未经研磨的晶片并在(分别)测量和冲洗第一晶片和第二晶片的同时从晶片架136移动第三晶片而把它放置到位于接片位置上的另一夹具中。再次转动转盘172，从而第一晶片转动到晶片检查工段40中的两摄像机274之间。这两个摄像机检查该晶片是否有擦伤、边缘有缺口或破裂。然后通知系统控制器88该晶片是合格的还是废品。机械手26再次把一未经研磨的新晶片装入晶片架136中后如上所述移动第四个晶片。转盘172转动而把其上有第一晶片的夹具32转动到工作情况与第一冲洗工段36相同的第二冲洗工段42。
当从晶片架上取下第一晶片架136上的第五即最后一个晶片而把它放置到转盘传送带34的第五夹具32中后，转盘172转动而把其上有第一晶片的夹具转动到卸载位置。机械手26从卸载位置上的该夹具32上取下第一晶片后把它放入卸载工段之一(例如工段44A)的盒C2中，或者，若该晶片为废品，则把它放入报废工段46中。不难看出，对第二以及以后的晶片的处理与对第一晶片的处理相同。然后机械手26把第五即最后的未经研磨的晶片装入第一晶片架136中后转动研磨机21而使第二晶片架进入原始位置164。第二晶片架136的卸载和重新装载次序与第一晶片架相同。这一过程一直进行到所有晶片架136都已卸载而重新装上未经研磨的晶片。
系统控制器88存储在晶片测厚工段38测得的厚度值。在测量完所有经研磨的晶片(在该优选实施例中为25个晶片)后，系统控制器88算出平均厚度。应该看到，在本发明范围内所测量的晶片数可比经研磨的晶片总数少。把算出的平均值传给研磨机的控制器162，必要时按照实际测得的晶片厚度重新校正存储在该研磨机控制器中的目标厚度，以使以后研磨出的晶片的厚度保持在实际目标厚度的紧公差范围内。校正后重新开动研磨机2 0研磨第二批晶片。机械手26继续从转盘传送带34上的位于卸载位置284的夹具32上卸下晶片直到第一批晶片或被放入晶片卸载工段44A，或被放入报废工段46。技工可从卸载工段44A取走装满晶片的盒C1而换上空盒。同样，晶片存储工段28A、28B的空盒可取走而换上装满需要研磨的晶片的盒。
图17示出第二实施例的晶片研磨系统，包括结构与第一实施例的晶片研磨机20相同的一晶片研磨机400和一包括一机械手404的晶片处理装置402。晶片处理装置402的各部件装在一隔离台405上。与上面一样，晶片研磨机400和晶片处理装置402套在一罩(未示出)中。第二实施例的监视装置的摄像机406的结构和工作情况也与第一实施例的摄像机168相同。第一和第二实施例的主要区别在于，第二实施例的晶片处理装置402没有晶片检查工段或转盘传送带，而用两个直线运动机械手(分别表示为408和410)方便地用盒C3装卸晶片。
第二实施例的晶片研磨系统还包括其大小可装有多个(在所示实施例中为三个)装满晶片的盒C3的晶片存储箱412。箱412装有标准的超声波晶片清洗设备(未示出))清洗有待由机械手拾起进行研磨的晶片。第一直线运动机械手408有一可沿存储箱412的一边作纵向运动的臂414。一操纵手(未示出，但与机械手26上的操纵手116基本相同)用枢轴装在臂414的底面上。该臂作直线运动而使该操纵手靠近有待由该手拾起的第一晶片。该手用吸力抓取晶片后把它向上举出箱412并把它移动到第一对中夹具416。该手转动而使晶片呈水平位置后把它向下放入第一对中夹具416中。第一对中夹具416的结构与第一实施例的对中夹具30相同。
关节式机械手404与第一实施例的机械手26基本相同。但其自由端上有三个保持垂直方向的的手指(未示出)。该关节式机械手404把晶片举出第一对中夹具416后把它放入晶片研磨机400上的位于原始位置的晶片架420的第一孔中。此时，第一直线运动机械手408已把第二晶片放入第一对中夹具416中。关节式机械手404从第一对中夹具416拾起第二和其后的各晶片直到所有晶片架420都装满晶片。然后开动研磨机400如上所述把晶片研磨到预定厚度。
研磨完成后，研磨机400把第一晶片架420转动到原始位置。与第一实施例一样，用喷嘴422清洗第一晶片架和其中的晶片的顶面。监视装置的摄像机418同样确定晶片架中第一孔的位置。机械手404从晶片架420中拾起第一晶片后把它送到第二对中夹具424。该夹具底面上的喷嘴(未示出)冲洗晶片无法由喷嘴422清洗的另一面。对中夹具416、424的下方有一接滴盘425。除了喷嘴外，第二对中夹具424的结构与第一对中夹具416相同。机械手420然后可以把晶片送到晶片测厚工段422。与第一实施例的晶片测厚工段38完全相同，该晶片测厚工段也用LVDT装置测量厚度。但在第二实施例中，探头和基准球(未示出)在垂直方向上互相间距。机械手在晶片测厚工段422中把晶片放置成水平方向进行测厚。
为了提高生产率，并不测量所有晶片的厚度。在第二实施例中，只测量每一晶片架420中最后一个晶片的厚度，因此可在研磨机400把下一个晶片架转动到原始位置以便卸下晶片的同时进行测厚。因此，晶片架420中的从研磨机放入第二对中夹具424的最后一个晶片之前的晶片装入晶片卸载存储箱426的盒C4中。结构与第一直线运动机械手408相同的第二直线运动机械手410的臂427从第二对中夹具424拾起晶片后把它放入卸载存储箱426中的三个晶片盒C4之一中。
机械手404回到第一对中夹具416而抬起一未经研磨的晶片并把它放入由第一晶片空出的晶片架孔418中。机械手404从第一晶片架420中拾起经研磨的第二晶片后把它送到第二对中夹具中(它因第二直线运动机械手410已拾起其中的第一晶片而空着)。第二直线运动机械手410把经冲洗的第二晶片放入第一晶片旁的一槽(未示出)中的盒C4中。上述过程一直进行到所有经研磨的晶片被取走而晶片研磨机400重新装满未经研磨的晶片。
从每一晶片架420上卸下的最后一个经研磨的晶片由机械手404从第二对中夹具424中取下经冲洗后送到测厚工段428。然后机械手404取下经测量的晶片后送回第二对中夹具424，以便第二直线运动机械手410拾起后放入盒C4之一中。测厚工段428测得的厚度的平均值用来在研磨第二批晶片前即时校正研磨机400。
从上可看到，本发明的若干目的得以实现并获得其他优点。
由于在本发明范围内可对上述结构作出种种改动，因此上述说明或附图所示所有内容应看成是例示性的而非限制性的。

Claims (10)

1．一种晶片自动研磨系统，它包括：
一用来存储许多待研磨晶片的晶片存储工段；
一晶片研磨机，包括上下研磨板和一般位于下部研磨板上的多个晶片架，每一晶片架有用来放置晶片并把晶片夹持在研磨机上下板之间而强使晶片与晶片架一起运动的多个开孔，该晶片研磨机构作成可使晶片架和上下板相对运动，从而把晶片研磨到预定厚度，上部板可在一位于下部板上方的位置与一转离下部板而露出晶片架的位置之间移动，以便装卸晶片；
一设置在晶片存储工段和晶片研磨机旁的晶片传送机构，该晶片传送机构构作成可把存储工段中的晶片每次一片且一片接一片地举出该存储工段、把晶片从该存储工段每次一片且一片接一片地传送到晶片研磨机后把晶片每次一片且一片接一片地放置在下部研磨板上的晶片架的相应孔中，从而把晶片装到晶片架上以便进行研磨；并可从研磨机上把晶片每次一片且一片接一片地卸下。
2．按权利要求1所述的晶片研磨系统，进一步包括一使晶片相对晶片传送机构定位的晶片对中夹具，从而把晶片放置成可插入晶片架的孔之一中，该晶片对中夹具包括两位于该夹具两边离夹具中心等距处的夹爪，两夹爪可在两夹爪分开从而晶片可插入其中的一打开位置与两夹爪靠拢从而把晶片的圆心移动到与夹具中心重合的位置上的一关闭位置之间来回移动，该晶片传送机构可把晶片放置到该夹具上和把对中后的晶片从该夹具上取下。
3．按权利要求2所述的晶片研磨系统，其中，该晶片传送机构包括：其顶端有一抓取装置的第一机械手，该抓取装置可每次可放开地抓取一晶片；可每次可放开地抓取一晶片而把晶片从该存储工段送到该对中夹具的第二机械手；该第一机械手可从该对中夹具上拾起晶片而把它装入研磨机上晶片架之一的孔之一中；另一个对中夹具和一卸载工段；该第一机械手可从研磨机上卸下经研磨的晶片并把该经研磨的晶片送到所述另一个对中夹具中；其中，该传送机构还包括从所述另一个对中夹具上拾起经研磨的晶片后把它放入该卸载工段的第三机械手。
4．按权利要求2所述的晶片研磨系统，进一步包括一控制该传送机构的控制器和一晶片架方位检测器，该检测器检测晶片研磨机上位于一原始位置上的晶片架的方位并向该控制器发出表示该方位的信号，该控制器构作成可在装载晶片时确定原始位置上的每一晶片架的方位并在卸下经研磨的晶片时确定原始位置上的每一晶片架的方位，从而在完成研磨后保持每一晶片的同一性。
5．按权利要求4所述的晶片研磨系统，其中，该控制器可操纵该传送机构而使晶片围绕一垂直轴线以直径越来越大的圆旋转而使晶片与晶片架上的一相应孔对齐。
6．按权利要求1所述的晶片研磨系统，进一步包括一与晶片研磨机分开的晶片测厚装置，该传送机构可把经研磨的晶片从研磨机送到该晶片测厚装置，该测厚装置测量经研磨的晶片的厚度并指令研磨机纠正研磨机所存储的目标厚度与由晶片测厚装置测得的经研磨的晶片的实际目标厚度之间的偏差。
7．按权利要求1所述的晶片研磨系统，进一步包括：放置成可接受来自晶片研磨机的经研磨晶片并检查这些晶片上的疵点的晶片检查装置；一接受没有疵点的晶片的卸载工段和一接受有疵点的晶片的报废工段；该控制器可接收来自该晶片检查装置的信号而操纵该传送机构从而把各晶片按照所收到的信号放入晶片之一中或报废工段中；该传送机构包括一放置成可把晶片从对中夹具装入研磨机上的晶片架和从研磨机上卸下经研磨晶片的机械手；该系统还包括一包括一转盘的转盘传送带和一装在该转盘上、用来夹持晶片的晶片夹具；该转盘安装成可围绕一轴线转动而使晶片通过晶片测厚装置和晶片检查装置后回到一由机械手拾起晶片的位置上。
8．按权利要求1所述的晶片研磨系统，其中，
所述研磨机包括一控制器，该控制器在晶片达到目标厚度时停止研磨机的研磨动作；所述晶片研磨系统还包括：
一与晶片研磨机分开的晶片测厚装置，该晶片测厚装置放置成可接受来自研磨机的经研磨晶片并测量经研磨晶片的厚度；该晶片测厚装置与晶片研磨机的控制器电连接，从而指令研磨机纠正研磨机的控制器所存储的目标厚度与由晶片测厚装置测得的经研磨的晶片的实际目标厚度之间的偏差。
9．按权利要求8所述的晶片研磨系统，其中，晶片测厚装置构造成可求出与实际目标厚度的偏差的平均值并指令晶片研磨机的控制器校正其目标厚度值。
10．一种晶片自动研磨系统，它包括：
一用来存储许多待研磨晶片的晶片存储工段；
一晶片研磨机，包括上下研磨板和一般位于下部研磨板上的多个晶片架，每一晶片架有用来放置晶片并把晶片夹持在研磨机上下板之间而强使晶片与晶片架一起运动的多个开孔，该晶片研磨机构作成可使晶片架和上下板相对运动，从而把晶片研磨到目标厚度，上部板可在一位于下部板上方的位置与一转离下部板而露出晶片架的位置之间移动，以便装卸晶片；
一设置在晶片存储工段和晶片研磨机旁的晶片传送机构，该晶片传送机构构作成可把存储工段中的晶片举出该存储工段、把晶片从该存储工段传送到晶片研磨机后把晶片放置在下部研磨板上的晶片架的相应孔中，从而把晶片装到晶片架上以便进行研磨；并可在研磨后从研磨机上把晶片卸下；
一控制该传送机构的控制器；
一晶片架方位检测器，该检测器检测晶片研磨机上位于一原始位置上的晶片架的围绕一穿过该晶片架的圆心的垂直轴线的方位并向该控制器发出表示该方位的信号，该控制器构作成可在该晶片架装载晶片时识别该晶片架上的每一孔的位置并在卸下经研磨的晶片时识别该晶片架上的每一孔的位置，从而在完成研磨后保持每一晶片的同一性；
该晶片架方位检测器包括一可监视晶片研磨机上位于原始位置上的晶片架的摄像机，每一晶片架上有受该摄像机监视的标记，根据所检测到的标记的方位即可确定晶片架的方位。
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