CN116895594A - 带有气体轴承结构的拾取卡盘 - Google Patents

Abstract

一种用于搬运衬底的拾取卡盘，其具有卡盘主体，该卡盘主体限定出：支撑表面；用于传输气体的气体中继孔；真空孔部分，该真空孔部分构造成产生拾取衬底的真空力以及产生使所述气体流过气体中继孔到达所述支撑表面上朝向真空孔部分的流动。布置在所述支撑表面上的气体轴承结构成形为通过利用所述气体在气体中继孔和真空孔部分之间的流动在衬底和所述支撑表面之间提供气体轴承。

Description

带有气体轴承结构的拾取卡盘

技术领域

本发明涉及一种用于搬运衬底的拾取卡盘和搬运这种衬底的方法。

背景技术

在执行例如电化学沉积或其他工艺时，对可能容易翘曲的扁平物体(例如衬底、支撑芯片和硅晶圆的衬底)的加工通常需要拾取和转移这些物体。特别是，可能需要使用拾取卡盘进行非接触式(物体的非使用区域的非操作边缘除外)拾取、转移和放置物体，同时确保物体表面保持物体使用部分中的最小污染颗粒数量(通常相当于洁净室1级至100级规格)，同时将衬底的任何翘曲或偏斜保持在指定标准内。

污染会对产品质量产生负面影响，这是因为在制造过程中存在直接物理接触时，衬底的性能及其质量非常容易受到损害。重要的是，特别是在洁净室应用中，使用非接触方法来避免颗粒产生和污染。衬底的非接触式搬运有几个优点，包括避免接触或摩擦造成的污染，以及减少机械损坏的危险。污染以及由过度翘曲或弯曲引起的任何细微裂纹或断裂都会对产品质量和性能产生负面影响，尤其是在半导体行业。静电放电对于硅晶圆来说也是一个严重的问题，通过使用非接触式搬运衬底的方法可减少静电放电。在晶圆搬运和加工中，保持平整度对于产品质量和制造没有缺陷的产品也很重要。然而，当提供用于搬运衬底的拾取卡盘时可能会遇到一些问题，例如过度翘曲或偏斜。

与现有技术相比，提供一种改进的用于搬运衬底的拾取卡盘将是有益的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是寻求提供一种用于搬运衬底的拾取卡盘，其至少克服了现有技术的一些问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于搬运衬底的拾取卡盘，包括卡盘主体，该卡盘主体限定出：支撑表面；用于传输气体的气体中继孔；真空孔部分，该真空孔部分构造成产生拾取衬底的真空力以及产生使气体流过气体中继孔到达支撑表面上朝向真空孔部分的流动；以及气体轴承结构，该气体轴承结构布置在支撑表面上，并成形为利用气体在气体中继孔和真空孔部分之间的流动在衬底和支撑表面之间提供气体轴承。第一方面认识到一些现有布置的问题是它们通常依赖于高气体流速来为衬底产生必要的提升力，这使得难以保持所需的位置和平整度，并且会由于因为了产生如此高的气体流速依赖于单独的气体供应而无意中引入的颗粒导致颗粒污染。

因此，提供了一种拾取卡盘。该拾取卡盘可用于搬运衬底。该拾取卡盘可包括卡盘主体。该卡盘主体可限定出支撑表面。该卡盘主体可限定出用于传输或传送气体的气体中继孔。该卡盘主体可限定出真空孔部分。该真空孔部分可构造成在使用中产生拾取或提升衬底的真空力。该真空孔部分可构造成在使用中产生使气体通过气体中继孔到支撑表面上朝向真空孔部分的流动。该卡盘主体可限定出布置在支撑表面上的气体轴承结构。该气体轴承结构可成形为利用气体在气体中继孔和真空孔部分之间的流动在衬底和支撑表面之间提供气体轴承。以这种方式，当气体流过气体轴承结构时，流过气体轴承结构的朝向真空孔部分的气体流动在支撑表面和衬底之间产生气体轴承效应。气体轴承结构在衬底上产生的力与真空孔部分在衬底上产生的力相反，这有助于减少衬底经受的翘曲或偏斜量，并进一步有助于将翘曲或偏斜保持在指定量值内。此外，可通过非常低的真空流速实现足够的提升力，避免需要单独的气体供应，从而最大限度地降低颗粒污染的风险。

气体轴承结构可从支撑表面突出、直立或延伸。

气体轴承结构可限定出面向气体中继孔的平面前缘和弯曲前缘中的至少一个。

气体轴承结构可限定出面向真空孔部分的平面后缘和弯曲后缘中的至少一个。

气体轴承结构可限定出在前缘和后缘之间延伸的平坦气体轴承表面。通常选择气体轴承结构的形状和构造，以提供由气体轴承结构的轴承效应产生的所需力的量，从而确保衬底的翘曲或偏斜保持在可接受的界限内。

后缘可靠近或邻近真空孔部分定位。

气体轴承结构可构造成在使用中将衬底与支撑表面间隔开。由于气体轴承结构产生的气体轴承力，衬底可与支撑表面间隔开。

气体中继孔可构造成供应气体流过支撑表面。

气体中继孔可由卡盘主体的内部或中央区域或区限定出。内部区域可至少部分地被气体轴承结构包围。

气体中继孔和气体轴承结构可由在气体中继孔和气体轴承结构之间延伸的内支撑表面区域或区分开或间隔开。气体轴承结构可相对于内支撑表面区域升高、突出、直立或延伸。

气体轴承结构可至少部分地被真空孔部分包围。

气体轴承结构可包括环形结构，真空孔部分可包括沿卡盘主体的环形部分分布的多个真空孔。

卡盘主体可限定出衬底支撑件，衬底支撑件成形为从支撑表面突出、直立或延伸并至少部分地围绕真空孔部分。

衬底支撑件可成形并定位成接触沿衬底周边或边缘的非操作区域或非使用区域。

衬底支撑件可包括环形结构。

衬底支撑件的尺寸可设计成从支撑表面突出、直立或延伸大于气体轴承结构的距离。

气体中继孔可包括构造成限制气体的流动的限流器。

限流器可包括气体可透过的多孔材料。

拾取卡盘可进一步包括与真空孔部分耦合的泵。泵可构造成抽吸气体，使所述气体通过气体中继孔、跨过支撑表面、越过气体轴承结构并通过真空孔部分。

气体中继孔可与环境空气流体连通。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于搬运衬底的方法，包括：提供用于搬运衬底的拾取卡盘，该拾取卡盘包括卡盘主体，该卡盘主体限定出支撑表面、气体中继孔、真空孔部分和气体轴承结构，该气体轴承结构布置在支撑表面上并成形为在衬底和支撑表面之间提供气体轴承；使用真空孔部分产生真空力，以抽吸气体，使所述气体通过气体中继孔、到达支撑表面上朝向真空孔部分并且越过气体轴承结构，从而在衬底和支撑表面之间提供气体轴承；以及拾取衬底。

该方法可具有对应于上述第一方面的特征的步骤。

结合说明书部分、所附权利要求书和附图，将更好地理解这些和其他特征、方面和优点。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明实施例的拾取卡盘的示意图，示出了拾取卡盘的各区；

图2是图1的拾取卡盘的剖视图，示出了其流体流动方向；

图3是图1的拾取卡盘的放大剖视图；

图4是根据本发明实施例的拾取卡盘的衬底拾取侧的平面图；

图5是根据本发明实施例的拾取卡盘的与衬底拾取侧相对的一侧的立体图；以及

图6是根据本发明实施例的拾取卡盘的立体图，从衬底拾取侧示出了拾取卡盘。

在附图中，相似的部分由相似的附图标记表示。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。一些实施例提供用于搬运衬底的拾取卡盘。拾取卡盘具有真空孔部分，该真空孔部分从气体中继孔抽吸气体并且气体越过具有气体轴承结构的支撑表面。气体越过气体轴承结构的流动引起气体轴承效应，该效应产生相反的轴承力，这有助于抵消或改善由真空施加在衬底上的真空力，以防止由拾取卡盘引起的衬底的过度翘曲或偏斜。选择气体轴承结构的形状、构造和位置以适应拾取卡盘的操作和要搬运的特定衬底。在一些实施例中，气体中继孔响应于真空孔部分产生的真空来控制或限制流过支撑表面的气体量，这使得拾取卡盘能够以降低的真空流速来被操作。进而，这避免了提供单独的气体供应的需要，并且使得已经在拾取卡盘附近的环境气体(特别是大气)能够被拾取卡盘使用，这使得颗粒污染的风险最小化，这是因为加工设备所在环境中存在的环境气体已经满足颗粒浓度标准。在一些实施例中，真空力和轴承力被平衡以实现拾取卡盘和衬底之间的完全非接触。在一些实施例中，拾取卡盘设有衬底支撑件，该衬底支撑件通常接纳衬底的非使用(通常是外围)部分，这有助于维持真空力并将气流从支撑表面和气体轴承上方引导到真空孔部分中。

拾取卡盘

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的拾取卡盘100。在该实施例中，拾取卡盘100构造成拾取大致圆形的衬底(例如半导体晶圆)，因此具有大致圆形的构造。然而，拾取卡盘100的一般构造可改变以适应拾取不同形状的衬底。

拾取卡盘100具有限定出多个不同区域的支撑表面。气体轴承区102在衬底的外部区域附近产生。在衬底的边缘区域附近产生真空区101，在衬底的中央区域中提供气体中继区103。因此，拾取卡盘100具有气体中继区103、围绕气体中继区103的内支撑表面区104、围绕内支撑表面区104的气体轴承区102和围绕气体轴承区102的真空区101。这些区域的形状、构造、面积和/或宽度可根据待搬运的衬底类型、使用的方法和所需的精度水平来选择。支撑表面和衬底之间的气流通常由气体中继区103内具有适当孔径的膜或类似物控制。支撑表面的形状设计成提供气体轴承效应，该气体轴承效应在拾取卡盘100和衬底之间产生轴承力，以抵抗由真空区101产生的真空力。气体轴承区102和受控气流提供必要的提升力和平衡力，以保持衬底的平整度，从而能够在不接触衬底的情况下搬运衬底。与真空区101耦合的真空管线或入口连同气体轴承区102中面向衬底的所需形状的突起在支撑表面和衬底之间产生气体轴承效应。气体轴承效应由真空供应和位于气体中继区103中的具有所需孔径的膜两者控制。支撑表面的构造以及气体轴承区102的轮廓的深度和宽度影响气体轴承效应。真空流速和膜孔径的选择基于所需的提升力、衬底的平整度要求以及衬底的拾取、转移和放置所需的气体轴承效应。

因此，在一些实施例中，拾取卡盘100的设计类似于产生三个圆形、环形、矩形和/或多边形区域的腔室。通常，最里面的气体中继区103对环境气体开放，并且被具有所需孔径的膜(例如滤纸和/或布材料)覆盖。膜保持在大气压力下，并且膜有助于调节或控制通过膜的气体流速。气体轴承区102通常由具有所需形状和尺寸的小突起提供，以在拾取卡盘100和衬底之间产生气体轴承效应。真空区101通常通过在拾取卡盘100中形成一个或多个真空通道并将这些真空通道连接到真空入口而产生。因此，低真空供应的操作可用于与限制气流的膜结合产生气体轴承效应。一旦衬底被放置在拾取卡盘100附近所需的位置或地点，拾取卡盘100产生提升力，以将衬底朝向拾取卡盘100提升，同时气体轴承区102在拾取卡盘100和衬底之间产生气体轴承，以防止衬底不必要的弯曲并且通常防止衬底的使用部分与拾取卡盘100接触。

图2至4示出了根据一种实施例的拾取卡盘100A。这种布置提供了物体的非接触(物体边缘处的接触除外，物体例如为要拾取、转移和释放的衬底)，同时保持物体表面具有最少数量的污染颗粒(通常相当于在衬底的使用侧且在使用区域中达到洁净室1级到100级规格)，同时将物体保持在指定的翘曲或偏斜标准内。

真空流入口116A连接到真空通道107，真空通道107与包含在真空孔部分内的分布式真空孔112耦合，在卡盘外边缘区域中创建真空区101A。真空孔112通常均匀分布(见图4)并开口于拾取卡盘100A面向衬底110的表面上。拾取卡盘100A具有形成气体轴承结构108的矩形或圆形突起。气体轴承结构108的形状由所需的应用和待操纵的衬底110决定。通常，气体轴承结构108和衬底110之间的间隙是最小的，范围从约50到1000微米。气体轴承结构108在衬底110和拾取卡盘100A之间产生气体轴承区102A。多孔膜106限定出气体中继区103A。基于应用要求选择膜106的孔径。膜106的孔径大小控制气体从拾取卡盘100A的背面A流向拾取卡盘100A的面向衬底110的支撑表面B。气体中继区103A和气体轴承区102A之间的区域限定出内支撑表面区104A。

在操作中，真空被施加到真空流入口116A，这导致气体流过真空孔112进入真空通道107。当拾取卡盘100A接近衬底110时，该真空流在衬底110上产生提升效应。当衬底接近拾取卡盘100A时，这限定出支撑表面B和衬底110之间的区域。气体进入该区域的流量然后由膜106的孔径控制。通过半导体加工设备及其拾取卡盘100A所在的洁净室环境内的环境气体提供该气体，并在半导体加工设备内以环境(通常是大气压)压力提供该气体，该气体穿过膜106并流过支撑表面B和衬底110之间的区域，该气体在该区域中从真空流入口116A流出。该气流产生用于以非接触方式拾取衬底110的提升力。提升力足以高精度地承载衬底110，同时保持所需的平坦度。为了避免不需要的物理接触，由真空区101A产生的真空力使衬底100保持靠近支撑表面B，而由气体轴承结构108产生的气体轴承区102A产生保持衬底110从拾取卡盘100A的支撑表面B分离的气体轴承效应力。这些力的平衡允许以高精度搬运衬底110而没有接触其使用区或操作区的风险。衬底110的颗粒污染是不可能的，这是因为没有外部流体供应或没有使用压缩干燥空气供应并且因为存在相对低的真空压力气流。

在一些实施例中，拾取卡盘101A的部件由金属、陶瓷、塑料和/或碳材料制成。拾取卡盘101A可以是实心的刚性体或者子部件的组成件，它们一起提供所需的形状和特征。拾取卡盘101A的材料可以是金属、陶瓷、塑料或碳材料和/或它们的组合。膜106通常可以是滤纸、布、多孔材料和/或具有特定孔径的金属丝网，以适应预期的工艺或应用要求。因此，膜106可由尼龙、疏水性材料、亲水性材料、PVDF、MCE(CA-CN)、CA、PTFE、PES、PP、绕线式玻璃过滤器和/或玻璃纤维材料制成。

为各区示出的宽度仅用于说明目的，通常根据所需的应用或要执行的工艺来选择。膜106可结合到拾取卡盘100A上或利用安装部件113夹在中间。虽然膜106在加工设备内对大气压力下的气体109开放，但是应当理解，情况不必如此并且膜106可连接到保持在所需压力下的任何气体的封闭室。拾取卡盘100A可由顶板120和底板111形成。然而，在其他实施例中，可提供单个一体式主体，以形成所需形状。

如图3中更详细地示出，其示出了处于拾取模式的拾取卡盘100A，衬底110被保持在适当位置，而衬底110的操作区或使用区没有接触拾取卡盘100A(衬底支撑环115上衬底的非操作边缘或非使用边缘的外围接触除外)。取决于预期的应用或工艺，气体轴承结构108可由不同的形状形成或使用取决于所需的流体轴承力的量的多个轮廓。气体轴承结构108的形状可以是矩形、锥形和/或圆形或它们的组合，以产生所需的流体轴承力。

如图4所示，本实施例的真空孔112均匀分布在拾取卡盘100A的圆周上，位于真空区101或真空孔部分内。然而，真空孔112的尺寸、数量和分布是根据预期应用或工艺来选择的，以在衬底110上产生所需量的真空力。

如图5所示，多个真空入口116耦合到真空入口接头204。真空入口116的数量不限于4个，而是可根据应用要求更少或更多。真空入口接头204的类型也不限于如图所示的弯头接头，可以是直线接头、U型接头、T型接头或直接接头。

图6示出了根据本发明实施例的拾取卡盘的立体图，从衬底拾取侧示出了拾取卡盘。

尽管已经参照某些实施例相当详细地描述了本发明，但是其他实施例也是可能的。

因此，所附权利要求的精神和范围不应限于此处包含的实施例的描述。

Claims (20)

1.一种用于搬运衬底的拾取卡盘，包括卡盘主体，所述卡盘主体限定出：

支撑表面；

用于传输气体的气体中继孔；

真空孔部分，所述真空孔部分构造成在使用时产生拾取所述衬底的真空力，以及产生使所述气体流过所述气体中继孔到达所述支撑表面上朝向所述真空孔部分的流动；以及

气体轴承结构，所述气体轴承结构布置在所述支撑表面上，并成形为利用所述气体在所述气体中继孔和所述真空孔部分之间的流动在所述衬底和所述支撑表面之间提供气体轴承。

2.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体轴承结构从所述支撑表面突出，并限定出面向所述气体中继孔的平面前缘和弯曲前缘中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的拾取卡盘，其中，所述气体轴承结构限定出面向所述真空孔部分的平面后缘和弯曲后缘中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的拾取卡盘，其中，所述气体轴承结构限定出在所述前缘和所述后缘之间延伸的平坦气体轴承表面。

5.根据权利要求3所述的拾取卡盘，其中，所述后缘靠近所述真空孔部分定位。

6.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体轴承结构构造成在使用中将所述衬底与所述支撑表面间隔开。

7.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体中继孔构造成供应所述气体流过所述支撑表面。

8.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体中继孔由所述卡盘主体的内部区域限定出，并至少部分地被所述气体轴承结构包围。

9.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体中继孔和所述气体轴承结构由在所述气体中继孔和所述气体轴承结构之间延伸的内支撑表面区域分开，所述气体轴承结构相对于所述内支撑表面区域升高。

10.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体轴承结构至少部分地被所述真空孔部分包围。

11.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体轴承结构包括环形结构，并且所述真空孔部分包括沿所述卡盘主体的环形部分分布的多个真空孔。

12.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述卡盘主体限定出衬底支撑件，所述衬底支撑件成形为从所述支撑表面突出并至少部分地围绕所述真空孔部分。

13.根据权利要求12所述的拾取卡盘，其中，所述衬底支撑件成形并定位成接触沿着所述衬底周边的非操作区域。

14.根据权利要求13所述的拾取卡盘，其中，所述衬底支撑件包括环形结构。

15.根据权利要求13所述的拾取卡盘，其中，所述衬底支撑件的尺寸设计成以大于所述气体轴承结构的距离从所述支撑表面突出。

16.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体中继孔包括构造成限制所述气体的流动的限流器。

17.根据权利要求16所述的拾取卡盘，其中，所述限流器包括所述气体可透过的多孔材料。

18.根据权利要求1所述的拾取卡盘，还包括泵，所述泵与所述真空孔部分耦合，并且构造成抽吸所述气体，使所述气体通过所述气体中继孔、跨过所述支撑表面、越过所述气体轴承表面并通过所述真空孔部分。

19.根据权利要求1所述的拾取卡盘，其中，所述气体中继孔与环境空气流体连通。

20.一种用于搬运衬底的方法，包括：

提供用于搬运衬底的拾取卡盘，所述拾取卡盘包括卡盘主体，所述卡盘主体限定出支撑表面、气体中继孔、真空孔部分和气体轴承结构，所述气体轴承结构布置在所述支撑表面上并成形为在所述衬底和所述支撑表面之间提供气体轴承；

使用所述真空孔部分产生真空力，以抽吸气体，使所述气体通过所述气体中继孔、到达所述支撑表面上朝向所述真空孔部分并越过所述气体轴承结构，从而在所述衬底和所述支撑表面之间提供所述气体轴承；以及拾取所述衬底。