CN117219555A - 一种半导体晶圆的定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体晶圆的定位装置及定位方法，涉及半导体晶圆定位技术领域，包括装置底座，其顶面设有定位底板，装置底座的四角位置均设有Z轴液压缸，Z轴液压缸的顶端插接有Z轴液压杆，在装置底座的两侧顶部设置有Y轴轨道杆，在两根Y轴轨道杆之间设有X轴驱动机构，在X轴驱动机构上设有气压定位机构，气压定位机构对半导体晶圆的边缘位置施加倾斜向半导体晶圆的圆心方向的气压力，定位底板对半导体晶圆的底面施加垂直向上的气压力，在装置底座上装载控制模块；保证半导体晶圆悬浮在半空中，不与其他设备接触，保证半导体晶圆在进行定位的过程中不会受到碰擦，保证半导体晶圆表面不会出现划痕，提高了半导体晶圆的良率。

Description

一种半导体晶圆的定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及半导体晶圆定位技术领域，具体涉及一种半导体晶圆的定位装置及定位方法。

背景技术

晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅，硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，即半导体晶圆，半导体晶圆表面的微小损伤会直接影响半导体晶圆的良品率；

现有的半导体晶圆的定位装置在进行半导体晶圆的定位时，直接与半导体晶圆接触，如授权公告号为CN101777509B的中国专利公开的半导体晶圆的定位装置、授权公告号为CN216871935U的中国专利公开的半导体晶圆的定位装置，此类定位装置在进行半导体晶圆的定位时直接与半导体晶圆接触，导致半导体晶圆的表面容易出现划痕，从而影响了半导体晶圆的良率。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种半导体晶圆的定位装置及定位方法，以解决现有技术中，半导体晶圆的定位装置在进行半导体晶圆的定位时，直接与半导体晶圆接触，导致半导体晶圆的表面容易出现划痕，从而影响了半导体晶圆的良率的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

具体是提供一种半导体晶圆的定位装置，包括装置底座，其顶面设有定位底板，装置底座的四角位置均设有Z轴液压缸，Z轴液压缸的顶端插接有Z轴液压杆，在装置底座的两侧顶部设置有Y轴轨道杆，在两根Y轴轨道杆之间设有X轴驱动机构，在X轴驱动机构上设有气压定位机构，气压定位机构对半导体晶圆的边缘位置施加倾斜向半导体晶圆的圆心方向的气压力，定位底板对半导体晶圆的底面施加垂直向上的气压力，在装置底座上装载控制模块，控制模块预设半导体晶圆的重量数据和体积数据，控制模块根据重量数据和体积数据控制定位底板和气压定位机构的气压力。

作为本发明进一步的方案：所述X轴驱动机构包括两个机构主体，两个机构主体之间安装有螺纹杆和限位杆，螺纹杆和限位杆水平横向设置。

作为本发明进一步的方案：所述机构主体靠近Y轴轨道杆的一侧固定连接有与Y轴轨道杆相匹配的滑块。

作为本发明进一步的方案：所述装置底座的内腔底面设有鼓风机，鼓风机的输出端连接有伸缩管，伸缩管远离鼓风机的一端连接有移动座，移动座的顶面安装有调节头，调节头的顶面与定位底板的底面相接触。

作为本发明进一步的方案：所述调节头的内侧一端位置通过轴承座安装有调节齿轮，调节齿轮远离轴承座的一侧与调节头另一端的外侧啮合。

作为本发明进一步的方案：所述装置底座的内腔设有两组调节轨道，两组调节轨道用于调节移动座水平面的位置。

作为本发明进一步的方案：所述气压定位机构包括定位环，定位环的内侧设有若干倾斜喷气端口，定位环的侧面固定连接有驱动臂，驱动臂的侧面固定连接有滚珠螺母和限位套，滚珠螺母与螺纹杆相匹配，限位套与限位杆相匹配。

作为本发明进一步的方案：所述控制模块同时控制定位环和调节头，使定位环和调节头的中心处于同一垂直线上。

作为本发明进一步的方案：所述控制模块控制定位底板和气压定位机构的气压力为：

底板气压力=（重量数据+定位气压力×cosA/L2）×L1；

其中底板气压力为定位底板提供的推动力，定位气压力为气压定位机构提供的推动力，L1为半导体晶圆的重心与定位底板顶面的距离，L2为半导体晶圆的重心与气压定位机构底面的距离。

一种半导体晶圆的定位方法，其基于上述的一种半导体晶圆的定位装置实现，包括以下步骤：

S1：通过控制模块预设半导体晶圆的重量数据和体积数据；

S2：控制模块根据半导体晶圆的厚度预设半导体晶圆在定位底板与气压定位机构（5）之间的位置，获取半导体晶圆的重心与定位底板顶面的距离L1，半导体晶圆的重心与气压定位机构底面的距离L2；

S3：控制模块根据半导体晶圆的厚度预设定位气压力，然后根据“底板气压力=（重量数据+定位气压力×cosA/L2）×L1”计算出底板气压力；

S4：控制模块同时控制定位环和调节头，带动半导体晶圆，使半导体晶圆移动至设定位置；

S5：减小定位气压力的同时降低气压定位机构的高度，在半导体晶圆停在定位底板的顶面后，关闭定位气压力。

本发明的有益效果：

1、本发明中，通过设置的定位底板和气压定位机构，定位底板为半导体晶圆提供向上的支撑力，气压定位机构为半导体晶圆提供倾斜方向的气压力，根据力的分解，半导体晶圆的边缘会受到垂直向下和水平向半导体晶圆的圆心两种力的综合作用，水平向半导体晶圆的圆心的作用力会实现对半导体晶圆的定位，保证定位环在移动过程中会驱动半导体晶圆同步移动，垂直向下的作用力会配合定位底板竖直向上作用力，实现半导体晶圆在半空中的稳定，保证半导体晶圆悬浮在半空中，不与其他设备接触，保证半导体晶圆在进行定位的过程中不会受到碰擦，保证半导体晶圆表面不会出现划痕，提高了半导体晶圆的良率。

2、本发明中，通过设置的调节头，当调节齿轮转动时，由于调节齿轮远离轴承座的一侧与调节头另一端的外侧啮合，所以调节头围成的圈会自动调节，工作前，控制模块会预设半导体晶圆的体积数据，控制模块根据预设的半导体晶圆的体积数据控制该电动机，使用该电动机控制调节头围成的圈的大小，保证调节头围成的圈契合半导体晶圆，使定位底板可以根据半导体晶圆的大小提供不同范围的气压力，提高了定位底板的适用性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中X轴驱动机构的结构示意图；

图3是本发明中装置底座的内部结构示意图；

图4是本发明中调节头的俯视图；

图5是本发明中调节轨道的俯视图；

图6是本发明中气压定位机构的结构示意图；

图7是本发明中控制模块的流程框图；

图8是本发明中半导体晶圆的定位方法的流程框图。

图中：1、装置底座；11、Z轴液压缸；12、Z轴液压杆；13、鼓风机；14、伸缩管；15、移动座；16、调节头；161、调节齿轮；17、调节轨道；171、纵向螺杆；172、驱动电机；173、纵向螺母；174、横向螺杆；2、定位底板；3、Y轴轨道杆；4、X轴驱动机构；41、机构主体；42、螺纹杆；43、限位杆；44、滑块；5、气压定位机构；51、定位环；52、倾斜喷气端口；53、驱动臂；54、滚珠螺母；55、限位套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种半导体晶圆的定位装置，包括装置底座1，其顶面设有定位底板2，装置底座1的四角位置均设有Z轴液压缸11，Z轴液压缸11的顶端插接有Z轴液压杆12，在装置底座1的两侧顶部设置有Y轴轨道杆3，在两根Y轴轨道杆3之间设有X轴驱动机构4，在X轴驱动机构4上设有气压定位机构5，气压定位机构5对半导体晶圆的边缘位置施加倾斜向半导体晶圆的圆心方向的气压力，定位底板2对半导体晶圆的底面施加垂直向上的气压力，在装置底座1上装载控制模块，控制模块预设半导体晶圆的重量数据和体积数据，控制模块根据重量数据和体积数据控制定位底板2和气压定位机构5的气压力；

需要说明的是，四个Z轴液压缸11同时移动，两根Y轴轨道杆3的底面分别固定连接有两根Z轴液压杆12，当打开Z轴液压缸11时，Z轴液压缸11会驱动Z轴液压杆12，实现Z轴液压杆12沿竖直方向移动，以装置底座1建立立体坐标系，Z轴液压杆12就是沿着立体坐标系的Z轴方向移动，由于两根Y轴轨道杆3的底面分别固定连接有两根Z轴液压杆12，所以Z轴液压杆12会带动Y轴轨道杆3实现Z轴方向移动；

X轴驱动机构4则会在Y轴轨道杆3上沿着Y轴方向移动，气压定位机构5在X轴驱动机构4上沿着X轴方向移动，因此，通过Z轴液压缸11、Y轴轨道杆3和X轴驱动机构4的配合，会实现气压定位机构5在立体坐标系内沿X、Y、Z轴方向移动，保证气压定位机构5可以移动至定位底板2的顶面任意位置，保证了半导体晶圆定位的可调性。

如图2所示，X轴驱动机构4包括两个机构主体41，两个机构主体41之间安装有螺纹杆42和限位杆43，螺纹杆42和限位杆43水平横向设置；

需要说明的是，两个机构主体41分别对应两根Y轴轨道杆3，两个机构主体41之间的螺纹杆42通过轴承安装在机构主体41上，其中一个机构主体41的内部设置电机，电机的输出轴通过联轴器与螺纹杆42的一端固定连接，控制模块直接与电机的驱动电路相连，保证控制模块可以直接控制该电机的启闭，限位杆43的两端则是与两个机构主体41的侧面固定连接。

如图2所示，机构主体41靠近Y轴轨道杆3的一侧固定连接有与Y轴轨道杆3相匹配的滑块44；

需要说明的是，滑块44需要在Y轴轨道杆3顶面沿水平方向移动，因此采用以下方法：

第一种：Y轴轨道杆3采用中空设置，在Y轴轨道杆3内部通过轴承安装一根可以转动的螺杆，Y轴轨道杆3的顶部开设滑槽，滑块44的底面固定连接与螺杆相匹配的螺母，螺杆的一端通过联轴器连接电机，当该电机启动后，电机的输出轴会带动螺杆转动，由于螺母与滑块44的底面固定连接，所以螺杆通过螺母带动滑块44，使滑块44沿着Y轴轨道杆3的顶面移动；

第二种：在Y轴轨道杆3的顶面设置电动推杆，电动推杆的输出端与滑块44的端面固定连接，通过电动推杆驱动滑块44来实现滑块44沿着Y轴轨道杆3的顶面移动。

如图3所示，装置底座1的内腔底面设有鼓风机13，鼓风机13的输出端连接有伸缩管14，伸缩管14远离鼓风机13的一端连接有移动座15，移动座15的顶面安装有调节头16，调节头16的顶面与定位底板2的底面相接触；

需要说明的是，鼓风机13打开后，鼓风机13的输出端会向伸缩管14输送高压空气，伸缩管14则会将高压空气输送至移动座15，移动座15则向定位底板2的底面输出高压空气，由于定位底板2的表面贯穿多个通孔，所以高压空气可以穿过定位底板2作用在半导体晶圆的底面，为半导体晶圆提供向上的支撑力，该支撑力使半导体晶圆保持在半空中，不与其他设备接触，保证半导体晶圆在进行定位的过程中不会受到碰擦，保证半导体晶圆表面不会出现划痕，提高了半导体晶圆的良率。

如图4所示，调节头16的内侧一端位置通过轴承座安装有调节齿轮161，调节齿轮161远离轴承座的一侧与调节头16另一端的外侧啮合；

需要说明的是，调节头16与移动座15之间连接有密封布料，调节齿轮161的底面通过联轴器连接电动机，电动机的输出轴可直接带动调节齿轮161转动，当调节齿轮161转动时，由于调节齿轮161远离轴承座的一侧与调节头16另一端的外侧啮合，所以调节头16围成的圈会自动调节，工作前，控制模块会预设半导体晶圆的体积数据，控制模块根据预设的半导体晶圆的体积数据控制该电动机，使用该电动机控制调节头16围成的圈的大小，保证调节头16围成的圈契合半导体晶圆，使定位底板2可以根据半导体晶圆的大小提供不同范围的气压力，提高了定位底板2的适用性。

如图5所示，装置底座1的内腔设有两组调节轨道17，两组调节轨道17用于调节移动座15水平面的位置；

需要说明的是，调节轨道17包括两根纵向螺杆171，其中一根纵向螺杆171的一端固定连接有驱动电机172，两根纵向螺杆171的侧面均嵌套有纵向螺母173，两个纵向螺母173之间固定连接有横向螺杆174，移动座15穿过两根横向螺杆174，并且移动座15的内部靠近横向螺杆174的位置安装有与横向螺杆174相配的螺母，移动座15的内部还安装有电机，该电机的输出轴与螺母动力连接，会直接带动该螺母转动；

当需要移动座15向水平纵向移动时，打开驱动电机172，驱动电机172带动纵向螺杆171转动，转动的纵向螺杆171转动则会通过纵向螺母173带动横向螺杆174向水平纵向移动，横向螺杆174就会带动移动座15向水平纵向移动；

当需要移动座15向水平横向移动时，打开移动座15内部的电机，电机的输出轴直接带动螺母转动，转动的螺母会驱动移动座15，使移动座15沿横向螺杆174的方向移动。

如图6所示，气压定位机构5包括定位环51，定位环51的内侧设有若干倾斜喷气端口52，定位环51的侧面固定连接有驱动臂53，驱动臂53的侧面固定连接有滚珠螺母54和限位套55，滚珠螺母54与螺纹杆42相匹配，限位套55与限位杆43相匹配；

需要说明的是，由于其中一个机构主体41的内部设置电机，电机的输出轴通过联轴器与螺纹杆42的一端固定连接，控制模块直接与电机的驱动电路相连，保证控制模块可以直接控制该电机的启闭，所以驱动臂53在螺纹杆42转动时，会沿着螺纹杆42的方向移动，实现了定位环51的水平横移；

定位环51需要通过管道连接气泵，气管通过管道向定位环51内侧的倾斜喷气端口52提供高压空气，倾斜喷气端口52的倾斜角度可以设置为四十五度，当定位环51处于半导体晶圆的顶部时，倾斜喷气端口52会将高压空气吹到半导体晶圆的边缘位置，对半导体晶圆的边缘施加气压力，由于倾斜喷气端口52的倾斜角度是四十五度，所以半导体晶圆的边缘会受到倾斜方向的气压力作用，根据力的分解，半导体晶圆的边缘会受到垂直向下和水平向半导体晶圆的圆心两种力的综合作用，水平向半导体晶圆的圆心的作用力会实现对半导体晶圆的定位，保证定位环51在移动过程中会驱动半导体晶圆同步移动，垂直向下的作用力会配合定位底板2竖直向上作用力，实现半导体晶圆在半空中的稳定。

控制模块同时控制定位环51和调节头16，使定位环51和调节头16的中心处于同一垂直线上，这样可以保证定位装置在进行半导体晶圆的位置调整时，半导体晶圆不会接触外部设备，保证了半导体晶圆的安全性。

如图7所示，控制模块控制定位底板2和气压定位机构5的气压力为：

底板气压力=（重量数据+定位气压力×cosA/L2）×L1；

其中底板气压力为定位底板2提供的推动力，定位气压力为气压定位机构5提供的推动力，L1为半导体晶圆的重心与定位底板2顶面的距离，L2为半导体晶圆的重心与气压定位机构5底面的距离；

需要说明的是，底板气压力P_底和定位气压力P_定由控制模块来控制，具体的来说，对该半导体晶圆进行定位前，先获取半导体晶圆的重量数据h和体积数据v，重量数据h和体积数据v都是固定的，同一批的半导体晶圆有其特定的重量数据g和体积数据v，定位气压力P_定根据重量数据g来确定；

具体是：

P_定=g×k；

系数k由控制模块来测定，为保证重量为g的半导体晶圆稳定所施加的最小定位气压力，可以先预设一组定位气压力，然后观察重量为g的半导体晶圆稳定所需要的最小定位气压力，然后获取不同重量的半导体晶圆的所需的最小定位气压力，控制模块根据这些最小定位气压力测定k的值；

当k的值获取到后，可以根据公式：

P_底=（g+P_定×cosA/L2）×L1；

计算出P_底，其中A为倾斜喷气端口52的倾斜角度，此处为四十五度。

实施例2

如图8所示，当使用该半导体晶圆的定位装置进行半导体晶圆的定位时，按照以下步骤进行操作：

S1：通过控制模块预设半导体晶圆的重量数据和体积数据，半导体晶圆的重量数据和体积数据根据该半导体晶圆的批次获取，不同批次的半导体晶圆对应不同的重量数据和体积数据，不同批次的半导体晶圆所需要的P_定根据公式“P_定=g×k”确定；

S2：控制模块根据半导体晶圆的厚度预设半导体晶圆在定位底板2与气压定位机构5之间的位置，获取半导体晶圆的重心与定位底板2顶面的距离L1，半导体晶圆的重心与气压定位机构5底面的距离L2；

S3：控制模块根据半导体晶圆的厚度预设定位气压力，然后根据“底板气压力=（重量数据+定位气压力×cosA/L2）×L1”计算出底板气压力，由此得出的底板气压力可以克服半导体晶圆的重量和定位气压力竖直向下的分解力，保证半导体晶圆悬浮在半空中；

S4：控制模块同时控制定位环51和调节头16，带动半导体晶圆，使半导体晶圆移动至设定位置，具体是四个Z轴液压缸11同时移动，两根Y轴轨道杆3的底面分别固定连接有两根Z轴液压杆12，当打开Z轴液压缸11时，Z轴液压缸11会驱动Z轴液压杆12，实现Z轴液压杆12沿竖直方向移动，以装置底座1建立立体坐标系，Z轴液压杆12就是沿着立体坐标系的Z轴方向移动，由于两根Y轴轨道杆3的底面分别固定连接有两根Z轴液压杆12，所以Z轴液压杆12会带动Y轴轨道杆3实现Z轴方向移动；

X轴驱动机构4则会在Y轴轨道杆3上沿着Y轴方向移动，气压定位机构5在X轴驱动机构4上沿着X轴方向移动，因此，通过Z轴液压缸11、Y轴轨道杆3和X轴驱动机构4的配合，会实现气压定位机构5在立体坐标系内沿X、Y、Z轴方向移动，保证气压定位机构5可以移动至定位底板2的顶面任意位置；

S5：减小定位气压力的同时降低气压定位机构5的高度，在半导体晶圆停在定位底板2的顶面后，关闭定位气压力。

实施例3

与实施例1和实施例2不同的是，倾斜喷气端口52活动安装在定位环51的内侧，即定位环51的内侧靠近倾斜喷气端口52的位置安装有转轴，倾斜喷气端口52会以转轴为圆心自由转动，由此可以控制倾斜喷气端口52的倾斜方向，保证定位环51契合不同体积的半导体晶圆。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，包括：

装置底座（1），其顶面设有定位底板（2），定位底板（2）的表面贯穿若干通孔，装置底座（1）的四角位置均设有Z轴液压缸（11），Z轴液压缸（11）的顶端插接有Z轴液压杆（12）；

Y轴轨道杆（3），设于装置底座（1）的两侧顶部；

X轴驱动机构（4），设在两根Y轴轨道杆（3）之间；

气压定位机构（5），设于X轴驱动机构（4）上，气压定位机构（5）对半导体晶圆的边缘位置施加倾斜向半导体晶圆的圆心方向的气压力，定位底板（2）对半导体晶圆的底面施加垂直向上的气压力；

控制模块，设于装置底座（1）上，控制模块预设半导体晶圆的重量数据和体积数据，控制模块根据重量数据和体积数据控制定位底板（2）和气压定位机构（5）的气压力。

2.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述X轴驱动机构（4）包括两个机构主体（41），两个机构主体（41）之间安装有螺纹杆（42）和限位杆（43），螺纹杆（42）和限位杆（43）水平横向设置。

3.根据权利要求2所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述机构主体（41）靠近Y轴轨道杆（3）的一侧固定连接有与Y轴轨道杆（3）相匹配的滑块（44）。

4.根据权利要求3所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述装置底座（1）的内腔底面设有鼓风机（13），鼓风机（13）的输出端连接有伸缩管（14），伸缩管（14）远离鼓风机（13）的一端连接有移动座（15），移动座（15）的顶面安装有调节头（16），调节头（16）的顶面与定位底板（2）的底面相接触。

5.根据权利要求4所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述调节头（16）的内侧一端位置通过轴承座安装有调节齿轮（161），调节齿轮（161）远离轴承座的一侧与调节头（16）另一端的外侧啮合。

6.根据权利要求5所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述装置底座（1）的内腔设有两组调节轨道（17），两组调节轨道（17）用于调节移动座（15）水平面的位置。

7.根据权利要求6所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述气压定位机构（5）包括定位环（51），定位环（51）的内侧设有若干倾斜喷气端口（52），定位环（51）的侧面固定连接有驱动臂（53），驱动臂（53）的侧面固定连接有滚珠螺母（54）和限位套（55），滚珠螺母（54）与螺纹杆（42）相匹配，限位套（55）与限位杆（43）相匹配。

8.根据权利要求7所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述控制模块同时控制定位环（51）和调节头（16），使定位环（51）和调节头（16）的中心处于同一垂直线上。

9.根据权利要求8所述的一种半导体晶圆的定位装置，其特征在于，所述控制模块控制定位底板（2）和气压定位机构（5）的气压力为：

底板气压力=（重量数据+定位气压力×cosA/L2）×L1；

其中底板气压力为定位底板（2）提供的推动力，定位气压力为气压定位机构（5）提供的推动力，L1为半导体晶圆的重心与定位底板（2）顶面的距离，L2为半导体晶圆的重心与气压定位机构（5）底面的距离，A为倾斜喷气端口（52）的倾斜角度。

10.一种半导体晶圆的定位方法，其基于权利要求1-9任一所述的一种半导体晶圆的定位装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过控制模块预设半导体晶圆的重量数据和体积数据；

S2：控制模块根据半导体晶圆的厚度预设半导体晶圆在定位底板（2）与气压定位机构（5）之间的位置，获取半导体晶圆的重心与定位底板（2）顶面的距离L1，半导体晶圆的重心与气压定位机构（5）底面的距离L2；

S3：控制模块根据半导体晶圆的厚度预设定位气压力，然后根据“底板气压力=（重量数据+定位气压力×cosA/L2）×L1”计算出底板气压力；

S4：控制模块同时控制定位环（51）和调节头（16），带动半导体晶圆，使半导体晶圆移动至设定位置；

S5：减小定位气压力的同时降低气压定位机构（5）的高度，在半导体晶圆停在定位底板（2）的顶面后，关闭定位气压力。