CN112720119A - 一种晶圆快速定位装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超精密加工领域，并具体公开了一种晶圆快速定位装置及方法，其包括旋转动力单元、真空吸附单元和定位环，真空吸附单元安装在旋转动力单元上，并可由旋转动力单元带动旋转，其包括真空吸盘以及与真空吸盘相连的真空发生器，真空吸盘上开设有若干个均匀分布的吸附孔；定位环套装在真空吸盘的外部且覆盖部分吸附孔，以此通过真空发生器的作用将定位环吸附在真空吸盘上，并且定位环的内径与晶圆的外径相适应，以此实现晶圆的快速准确定位。本发明可实现晶圆的快速精确定位，并且降低晶圆与外物碰撞发生碎裂的概率，提高晶圆加工的精度和效率。

Description

一种晶圆快速定位装置及方法
技术领域
本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种晶圆快速定位装置及方法。
背景技术
晶圆是硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，其需求大，切割精度要求高，为了提高晶圆在加工过程中的加工速率和精度，需要快速和高精度的定位晶圆，因此，晶圆的快速精确定位对于提高晶圆加工效率至关重要。
由于晶圆很薄，只有数十微米，不易拿放，且碰撞后容易碎裂。在传统的晶圆定位的方法和装置里，经常出现定位时间过长、定位精度难以保证或者晶圆在定位过程中损坏的情况，导致晶圆的高精度加工效率低下。因此，本领域有必要进行研究，以获得一种适用于晶圆快速定位的装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种晶圆快速定位装置及方法，其通过整体结构的设计，可实现晶圆的快速精确定位，并且可降低晶圆与外物碰撞发生碎裂的概率，提高晶圆加工的精度和效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种晶圆快速定位装置，其包括旋转动力单元、真空吸附单元和定位环，其中：
所述真空吸附单元安装在所述旋转动力单元上，并可由旋转动力单元带动旋转，其包括真空吸盘以及与该真空吸盘相连的真空发生器，所述真空吸盘上开设有若干个均匀分布的吸附孔；
所述定位环套装在真空吸盘的外部且覆盖部分吸附孔，以此通过真空发生器的作用将定位环吸附在真空吸盘上，并且该定位环的内径与待定位晶圆的外径相适应，以此实现晶圆的快速准确定位。
作为进一步优选的，所述真空吸盘呈阶梯圆柱形，其大端与所述旋转动力单元相连，并通过管道与所述真空发生器连通，所述吸附孔开设在真空吸盘的小端上，并且这些吸附孔与所述管道导通，所述真空吸盘大端上还开设有用于安装质量块的孔。
作为进一步优选的，所述定位环为分体式结构，其由两个结构相同的圆环结构组合而成，所述圆环结构的内壁与真空吸盘小端的侧壁过盈配合，该圆环结构上还设置有沿其径向延伸的环形凸台，该环形凸台与真空吸盘小端的上表面贴合，且其内径与晶圆的外径相等。
作为进一步优选的，所述吸附孔以真空吸盘的中心为圆心呈环形分布，且设计时满足如下条件：晶圆的半径比其覆盖的吸附孔区域的半径大0.5mm以上。
作为进一步优选的，所述吸附孔的直径设计为2mm～3mm。
作为进一步优选的，所述真空吸盘由不锈钢制成，所述定位环由钛合金制成。
作为进一步优选的，所述旋转动力单元包括主轴电机以及与其相连的旋转主轴，所述真空发生器安装在所述主轴电机上，所述真空吸盘安装在所述旋转主轴上。
作为进一步优选的，所述旋转动力单元外部还设置有基座。
按照本发明的另一方面，提供了一种晶圆快速定位方法，其采用所述的定位装置实现，其包括如下步骤：
(1)将定位环安装在真空吸盘上，使定位环与真空吸盘的端面和周面紧密接触；
(2)将晶圆放置在定位环内，使晶圆与定位环的环壁紧密接触，同时启动真空发生器进行低真空吸附，以将晶圆吸附在真空吸盘的表面；
(3)将定位环从垂直于主轴的方向取下，同时利用真空发生器进行高真空吸附，以此实现晶圆在真空吸盘上的定位。
作为进一步优选的，低真空吸附时压强为-12psi～-20psi，优选为-16psi，高真空吸附时压强为-25psi～-30psi，优选为-27psi。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过定位装置整体结构的设计，可以实现晶圆的快速精确定位，缩短了传统安装过程中晶圆对中步骤的时间，避免晶圆安装时带来的损坏，同时也方便后续晶圆工件的动平衡调节，大大优化晶圆加工的前期准备环节，提高了晶圆的加工效率。
2.本发明通过真空吸盘的结构设计，可实现定位环和晶圆的有效吸附，且通过将其设计为阶梯圆柱形，可防止加工刀具例如磨削砂轮等与其的干涉，保证晶圆后续磨削加工的有效进行。
3.本发明的定位环设计为分体式结构，一方面便于定位环快速准确的装配在真空吸盘上，另一方面便于在晶圆定位后沿垂直旋转主轴的方向取下，避免了定位环与晶圆的摩擦，避免晶圆发生磨损碎裂。
4.本发明还对吸附孔的具体设计要求及尺寸进行了研究，可有效避免晶圆边缘由于吸附孔的吸附力在加工过程中产生破损的现象，保证晶圆的质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种晶圆快速定位装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种晶圆快速定位装置的剖视图；
图3是本发明实施例提供的真空吸盘的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的晶圆工件定位示意图；
图5是本发明实施例提供的晶圆工件定位完成后的示意图；
图6是本发明实施例提供的不同尺寸晶圆工件定位完成后的示意图；
图7是图6的A处放大图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-真空发生器，2-旋转动力单元，3-真空吸盘，4-定位环，5-圆板形晶圆工件，6-吸附孔，201-基座，202-旋转主轴，203-主轴电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种晶圆快速定位装置，其包括旋转动力单元、真空吸附单元和定位环4，其中，定位环4用于安装定位待加工的晶圆，其安装在真空吸附单元上，真空吸附单元安装在旋转动力单元上，旋转动力单元用于带动真空吸附单元及其上的定位环以及定位环上的晶圆旋转。通过上述各部件的配合，可实现晶圆的快速精确定位，并且可降低晶圆与外物碰撞发生碎裂的概率，提高晶圆加工的精度和效率。
参见图1-图3，真空吸附单元安装在旋转动力单元上，并可由旋转动力单元带动旋转，真空吸附单元具体包括真空吸盘3以及与该真空吸盘3相连的真空发生器1，真空吸盘3上开设有若干吸附孔6。
具体的，旋转动力单元包括主轴电机203以及与其相连的旋转主轴202，真空发生器1安装在主轴电机203上，真空吸盘3安装在旋转主轴202上。进一步的，真空吸盘的材料为不锈钢，其呈阶梯圆柱形，吸附孔6开设在阶梯圆柱形的小端上，能够通过吸附孔实现负压吸附，真空吸盘的大端能够与旋转主轴高同轴度完美连接以随着旋转主轴快速转动，并且通过管道与真空发生器有效连通，管道可相对于真空发生器旋转。真空吸盘的大端上还开设有用于安装质量块的孔，优选开设在真空吸盘大端的侧面，孔内可根据需要安装不同质量的质量块，便于后续的动平衡测试。吸附孔均匀分布在真空吸盘小端凸台上，通过真空吸盘凸台上均匀分布的吸附孔形成小孔负压，提供可靠的负压吸附力，将晶圆和定位环牢牢吸附在真空吸盘上，大孔孔深比真空吸盘凸台的高度小约5mm，避免定位环无法在真空吸盘上轴向定位，真空吸盘具有一定高度的凸台可以防止加工刀具例如磨削砂轮等与真空吸盘干涉。真空吸盘3上设置有螺纹孔，可通过螺栓穿过螺纹孔将真空吸盘3安装在旋转主轴上。
更为具体的，真空吸盘上的吸附孔6根据常规晶圆的尺寸进行设计，适用于不同规格的晶圆，根据晶圆尺寸，所设计的吸附孔分布满足晶圆工件半径比其覆盖的吸附孔的分布区域的半径大0.5mm以上，且孔径为2mm～3mm，以此确保在正确定位晶圆后，晶圆的边缘不会位于吸附孔上，避免晶圆边缘由于吸附孔的吸附力在加工过程中产生破损。
如图6和图7所示，晶圆的边缘覆盖在真空吸盘未开设吸附孔处，且晶圆工件半径比其覆盖的吸附孔的分布区域的半径大0.5mm以上，即晶圆的边缘与其覆盖的最近一个吸附孔的间距大于0.5mm，之所以这样设计是因为本发明的发明人在实际试验中发现，吸附孔不能随意开设，当晶圆的边缘覆盖在吸附孔上时，磨削加工时容易造成晶圆破损，当晶圆覆盖在真空吸盘实体处(即未开设吸附孔处)时，而晶圆边缘与吸附孔的间距在0.5mm以下时，磨削加工时晶圆仍然容易破损，因此通过多次的改进和设计，本发明提出设计吸附孔时，吸附孔呈环形分布，且需满足晶圆工件半径比其覆盖的吸附孔分布区域的半径(即真空吸盘的中心到靠近晶圆边缘的吸附孔孔壁间的距离)大0.5mm以上，此时可有效避免晶圆边缘由于吸附孔的吸附力在加工过程中产生破损。
进一步的，真空发生器1能够提供足够的真空负压，拥有无真空、低真空、高真空三种模式，并且低真空吸附和高真空吸附的吸附力可以根据需要进行调节。其中，低真空吸附时压强为-12psi～-20psi，优选为-16psi，高真空吸附时压强为-25psi～-30psi，优选为-27psi。
参见图4，定位环4套装在真空吸盘3的外部且覆盖部分吸附孔6，具体装配在真空吸盘小端凸台上，以此通过真空发生器1的作用将定位环4吸附在真空吸盘3上，其中真空发生器1提供负压以在吸附孔6处形成负压吸力，将定位环4吸附在真空吸盘3上。该定位环4的内径与待定位晶圆的外径相适应，通过该定位环实现晶圆的夹紧和定位，同时通过真空发生器提供的负压将晶圆吸附在真空吸盘3上，以此通过定位环与真空发生器和吸附孔的配合实现晶圆的快速准确定位。
具体的，定位环的材料为钛合金，具有高强度、良好的机械性能等特点，不易磨损和产生变形，能长期使用并且稳定可靠。定位环采用分体式结构，由完整的圆柱形结构超精密加工成两部分得到，属于薄壁件，圆柱内部有阶梯型孔，其大孔直径和真空吸盘小端凸台外径构成过盈配合，定位环能够紧密贴靠在真空吸盘小端凸台上，保证大孔和真空吸盘小端的同轴度，定位环的小孔能够用于安放圆板形晶圆工件，其尺寸等于晶圆工件的外径。定位环的两部分可以快速在真空吸盘上进行安装，通过两部分协同作用，实现晶圆的快速准确定位，获得与真空吸盘很高的同轴度，较于一体式的结构，分体式结构制造简单，且便于更换，其互换性强。即定位环4为分体式结构，由两个结构相同的圆环结构组合而成，圆环结构的内壁与真空吸盘小端的侧壁过盈配合，圆环结构上设置有沿其径向延伸的环形凸台，环形凸台与真空吸盘小端的上表面贴合，且其内径与晶圆的外径相等。
本发明的定位环分为两部分，通过一个有阶梯孔的圆柱形零件以不影响其精度的方式加工成两部分得到，因此在晶圆被吸附在真空吸盘后，定位环可以从垂直于主轴的方向取下，可有效避免定位环与晶圆的摩擦，避免晶圆发生磨损碎裂
为了便于定位装置的安装固定及与外部部件的装配，旋转动力单元的外部设置有安装基座201，即旋转动力单元安装在安装基座201内，安装基座201两端分别布置真空发生器1和真空吸盘3，通过安装基座201可以将本发明的定位装置装配在任意装备上，例如数控机床上，此时也可将真空发生器1安装在基座201上。
参见图4和图5，圆板形晶圆工件5由定位环4约束，圆板形晶圆工件5安装在定位环4小孔区域内，圆板形晶圆工件的面积大于所覆盖的真空吸盘凸台上吸附孔的分布区域面积，即圆板形晶圆工件的外圆轮廓落在小孔外部，晶圆直径比所覆盖的吸附孔区域的直径大，晶圆边缘超过小孔区域0.5mm以上，以确保在加工时工件边缘依附于真空吸盘3的实体表面，能够承受更大的加工力。圆板形晶圆工件与真空吸盘小端上表面紧密接触，能够与定位环的小孔形成紧密配合，其能够快速放入定位环的小孔内，以在真空吸盘上快速安装，实现快速精确定位。
本发明中的旋转动力部件可采用普通机床，例如四轴联动超精密机床等，将本发明的真空吸附单元和定位环安装在普通的数控机床的旋转主轴上，即可使普通数控机床进行晶圆的快速定位。本发明将真空吸附单元进行模块化设计，其与定位环构成的整体直接装配在现有数控机床的旋转主轴上即可，无需对机床进行改造和专门的设计，可实现晶圆相对机床旋转主轴的快速精确定位，实现晶圆的高精度磨削加工。
本发明的定位装置由真空吸盘和定位环组合起来实现圆板形晶圆工件在真空吸盘上定位的装置，其将真空吸盘与旋转主轴和真空发生器连接起来，在真空吸盘上安装固定定位环，真空吸盘和定位环可以采用现有的高精度制造工艺实现高精度的制造，其中，真空吸盘和定位环的外圆精度可达0.01mm，圆柱度可达0.01mm/100mm，端面平面度可达0.02mm/200mm，真空吸盘和定位环之间的同轴度可达到0.005mm，高制造精度的定位环能在真空吸盘上快速安装，并且定位环、真空吸盘可与旋转主轴的同轴度很高。定位时，将圆板形晶圆工件放入定位环的小孔内，由于定位环上的孔的高精度圆度和真空吸盘凸台平面的高面形精度，圆板形晶圆工件能够快速在真空吸盘上定位，并通过低压负压吸力吸附在真空吸盘的凸台上。本发明可以实现晶圆在动力部件超精密机床上的快速精确定位，缩短了传统安装过程中晶圆对中步骤的时间，避免晶圆安装时带来的损坏，同时也方便后续晶圆工件的动平衡调节，大大优化晶圆加工的前期准备环节，提高了晶圆的加工效率。
下面对本发明的定位装置的具体工作过程进行说明，具体包括如下步骤：
首先，保持真空发生器1为关闭状态，将定位环4装在真空吸盘3的凸台上，定位环4的大孔内径与真空吸盘3的凸台外径为过盈配合，将定位环4紧靠在真空吸盘3的凸台上，可以精确的定位定位环，从而定位环的小孔也实现了精确定位；
然后，将圆板形晶圆工件5放入定位环的小孔中，则圆板形晶圆工件5实现了快速精确定位，此时令真空发射器1在低真空吸附状态下工作，则晶圆工件被吸附在真空吸盘3小端表面上，低真空吸附时压强为-12psi～-20psi，优选为-16psi；
最后，将定位环4的两个部分从垂直于主轴的方向取下，即可避免定位4环与圆板形晶圆工件5发生摩擦碰撞，减少了晶圆破损的可能，同时令真空发射器1在高真空吸附状态下工作，此时圆板形晶圆工件5即精确定位在真空吸盘3上，实现加工所需要的高同轴度，高真空吸附时压强为-25psi～-30psi，优选为-27psi。
由于采用本发明的定位装置进行晶圆的定位，其定位精度很高，可以使得晶圆工件始终位于真空吸盘的中间，并与真空吸盘保持很高的同轴度，因此无需进行晶圆的对中操作，节省时间，晶圆定位后可进行后续的动平衡测试以及磨削加工。动平衡测试时，主轴电机带动旋转主轴旋转，安装在旋转主轴上的真空吸盘及吸附在真空吸盘上的晶圆工件随着主轴高速旋转，由于晶圆工件被高真空吸附在真空吸盘上，因此在动平衡测试时不会脱落，且基于晶圆工件的高定位精度，动平衡调试过程所需时间也大大缩短。
动平衡测试时，可通过超精密机床自带的动平衡测试软件进行测试，其为现有技术，在此不赘述，如果动平衡测试结果不达标，可通过调整真空吸盘上的质量块，直至满足要求，而现有的定位装置其定位精度低，不仅需要进行对中操作，同时低定位精度还会影响动平衡测试，在一次动平衡测试后，换下一个晶圆时，由于定位不准还需重新进行对中和动平衡测试，调试过程复杂、耗时耗力。本发明在一次动平衡测试后，由于晶圆的定位精度高，进行后续的磨削加工时，无需再进行动平衡调试，可直接将晶圆定位在真空吸盘上然后进行后续的磨削加工。磨削加工时，旋转主轴带动晶圆高速旋转，利用磨削装置对晶圆进行磨削加工。
本发明可以实现晶圆工件在真空吸盘及机床旋转主轴上的快速精确定位，其不仅适用于晶圆工件，也适用于其他材料的圆板形工件的快速定位，不仅大幅缩短工件的定位时间，且定位精度高，在后续的加工过程中，不需要反复的对旋转主轴进行动平衡调试，为后续加工缩短工序时间，从而进一步提高了晶圆等圆板形工件的加工效率，并且定位环从垂直于主轴方向取下，减少了晶圆因摩擦碰撞而损坏的可能，兼顾加工质量和时间成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆快速定位装置，其特征在于，包括旋转动力单元、真空吸附单元和定位环(4)，其中：
所述真空吸附单元安装在所述旋转动力单元上，并可由旋转动力单元带动旋转，其包括真空吸盘(3)以及与该真空吸盘(3)相连的真空发生器(1)，所述真空吸盘(3)上开设有若干个均匀分布的吸附孔(6)；
所述定位环(4)套装在真空吸盘(3)的外部且覆盖部分吸附孔(6)，以此通过真空发生器(1)的作用将定位环(4)吸附在真空吸盘(3)上，并且该定位环(4)的内径与待定位晶圆的外径相适应，以此实现晶圆的快速准确定位。
2.如权利要求1所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述真空吸盘(3)呈阶梯圆柱形，其大端与所述旋转动力单元相连，并通过管道与所述真空发生器(1)连通，所述吸附孔(6)开设在真空吸盘(3)的小端上，并且这些吸附孔(6)与所述管道导通，所述真空吸盘(3)大端上还开设有用于安装质量块的孔。
3.如权利要求2所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述定位环(4)为分体式结构，其由两个结构相同的圆环结构组合而成，所述圆环结构的内壁与真空吸盘小端的侧壁过盈配合，该圆环结构上还设置有沿其径向延伸的环形凸台，该环形凸台与真空吸盘小端的上表面贴合，且其内径与晶圆的外径相等。
4.如权利要求1所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述吸附孔(6)以真空吸盘(3)的中心为圆心呈环形分布，且设计时满足如下条件：晶圆的半径比其覆盖的吸附孔区域的半径大0.5mm以上。
5.如权利要求1所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述吸附孔(6)的直径设计为2mm～3mm。
6.如权利要求1所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述真空吸盘(3)由不锈钢制成，所述定位环(4)由钛合金制成。
7.如权利要求1所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述旋转动力单元包括主轴电机(203)以及与其相连的旋转主轴(202)，所述真空发生器(1)安装在所述主轴电机(203)上，所述真空吸盘(3)安装在所述旋转主轴(202)上。
8.如权利要求1所述的晶圆快速定位装置，其特征在于，所述旋转动力单元外部还设置有基座(201)。
9.一种晶圆快速定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的定位装置实现，其包括如下步骤：
(1)将定位环安装在真空吸盘上，使定位环与真空吸盘的端面和周面紧密接触；
(2)将晶圆放置在定位环内，使晶圆与定位环的环壁紧密接触，同时启动真空发生器进行低真空吸附，以将晶圆吸附在真空吸盘的表面；
(3)将定位环从垂直于主轴的方向取下，同时利用真空发生器进行高真空吸附，以此实现晶圆在真空吸盘上的定位。
10.如权利要求9所述的晶圆快速定位方法，其特征在于，低真空吸附时压强为-12psi～-20psi，优选为-16psi，高真空吸附时压强为-25psi～-30psi，优选为-27psi。
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