CN205192672U - 静电卡盘静电力的检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种静电卡盘静电力的检测系统，包括：一晶片；一静电卡盘，该静电卡盘具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面用于放置所述晶片，第二表面具有一进气口；一微力探头单元，该微力探头单元设置于所述晶片远离所述静电卡盘的一侧，用于接触所述晶片；一气体背吹控制单元，该气体背吹控制单元与所述静电卡盘的进气口连通，用于向所述静电卡盘提供气体；一自动控制与采集单元，实时采集并存储所述微力探头单元和气体背吹控制单元中的数据，自动控制所述静电卡盘静电力检测系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种静电卡盘静电力的检测系统。
背景技术
静电卡盘是各类集成电路制造装备中重要的通用组件，广泛用于晶片的夹持、搬运等场合，其主要工作原理为通过在静电电极上施加高电压，产生均匀分布的静电力，将晶片吸附在其表面的陶瓷介电层上。静电力是静电卡盘最主要的性能指标，其大小及均匀程度直接或间接影响晶片温度的大小及分布、晶片平面度等其他性能指标，是设计优化的主要目标之一。由于静电力属于晶片与静电卡盘组成系统中的内力，因而不易直接测量。
目前，利用已有的检测静电力的系统检测到晶片与静电卡盘分离时，实际上晶片可能早已发生部分脱离，晶片与静电卡盘的间隙也早已改变，导致测得的静电力往往小于实际工作状态的静电力，产生较大的系统误差。
实用新型内容
有鉴于此，确有必要提供一种能够减小系统误差的静电卡盘静电力的检测系统。
一种静电卡盘静电力的检测系统，包括：一晶片；一静电卡盘，该静电卡盘具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面用于放置所述晶片，第二表面具有一进气口；一微力探头单元，该微力探头单元设置于所述晶片远离所述静电卡盘的一侧，用于接触所述晶片；一气体背吹控制单元，该气体背吹控制单元与所述静电卡盘的进气口连通，用于向所述静电卡盘提供气体；一自动控制与采集单元，实时采集并存储所述微力探头单元和气体背吹控制单元中的数据，自动控制所述静电卡盘静电力检测系统。
在一些实施方式中，所述微力探头单元包括至少一个子微力探头组件，
该每一个子微力探头组件包括一进给机构、一微力传感器及一探头，所述进给机构驱动所述探头向所述晶片运动，所述微力传感器实时检测所述探头的受力大小。
在另一些实施方式中，所述一个子微力探头组件设置于所述晶片中心的上方，其余子微力探头组件沿所述晶片表面的边缘均匀设置。
在另一些实施方式中，所述静电卡盘内部具有多个背吹通道，从所述进气口进入的气体经过该背吹通道与所述晶片接触。
在另一些实施方式中，所述进给机构具有一移动端，所述微力传感器的一端固定于所述进给机构的移动端，所述微力传感器的另一端用于固定所述探头。
在另一些实施方式中，所述气体背吹控制单元依次包括一气源、一电磁方向阀、一机械减压阀、一电子比例阀及一气体压强变送器。
在另一些实施方式中，所述气体背吹控制单元进一步包括一气体质量流量计，该气体质量流量计与所述气体压强变送器之间的气管与所述静电卡盘的进气口连接。
在另一些实施方式中，所述自动控制与采集单元包括数据采集卡、PLC控制器和计算机，所述数据采集卡与所述微力探头单元及气体背吹控制单元电连接，采集所述微力探头单元及气体背吹控制单元中的数据，所述数据采集卡通过一数据采集通信板与所述计算机互相通信，计算机发出逻辑指令，通信至所述数据采集卡，所述数据采集卡一方面向所述气体背吹控制单元发送电流信号，另一方面向所述PLC控制器发送电压信号。
在另一些实施方式中，所述数据采集卡包括一电桥信号采集卡、一电流信号采集卡、一电压输出卡，所述电桥信号采集卡与所述微力探头单元电连接，所述电流信号采集卡与所述气体背吹控制单元电连接，所述电压输出卡与所述PLC控制器电连接。
在另一些实施方式中，所述数据采集卡的采集频率范围为1000Hz~2000Hz。
与现有技术相比，本实用新型所提供的静电卡盘静电力的检测系统通过微力探头单元在晶片与静电卡盘间隙未明显扩大时即可快速、准确地检测到晶片脱附时的瞬态过程，该检测系统灵敏度高，从而减小了系统误差。
附图说明
图1为本实用新型提供的静电卡盘静电力检测系统的结构框图。
图2为本实用新型提供的微力探头单元、静电卡盘、晶片及气体背吹控制单元的结构示意图。
图3为本实用新型提供的气体背吹控制单元结构框图。
图4为本实用新型提供的自动控制及采集单元的结构框图。
图5为本实用新型提供的自重平衡法标定晶片气体背吹等效作用面积的原理示意图。
主要元件符号说明
| 检测系统 | 10 |
| 晶片 | 11 |
| 静电卡盘 | 12 |
| 背吹通道 | 120 |
| 基座 | 121 |
| 进气口 | 122 |
| 介电层 | 123 |
| 微力探头单元 | 13 |
| 子微力探头组件 | 130 |
| 进给机构 | 131 |
| 固定端 | 1310 |
| 移动端 | 1311 |
| 微力传感器 | 132 |
| 探头 | 133 |
| 气体背吹控制单元 | 14 |
| 气源 | 140 |
| 电磁方向阀 | 141 |
| 机械减压阀 | 1422 --> |
| 电子比例阀 | 143 |
| 气体压强变送器 | 144 |
| 气体质量流量计 | 145 |
| 自动控制与采集单元 | 15 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本实用新型实施例提供的检测静电卡盘静电力的系统。
请参阅图1，本实用新型提供一种静电卡盘静电力的检测系统10，包括：一晶片11、一静电卡盘12、一微力探头单元13、一气体背吹控制单元14、一自动控制与采集单元15。
所述静电卡盘12具有相对设置的第一表面和第二表面，该第一表面用于放置所述晶片11，所述第二表面具有一进气口122；所述微力探头单元13设置于所述晶片11远离静电卡盘12的一侧，用于接触所述晶片11；所述气体背吹控制单元14与所述静电卡盘12的进气口122连通，向所述静电卡盘12提供稳定、可控的气体压强；所述自动控制与采集单元15自动控制该静电卡盘静电力检测系统10，实时采集并存储所述微力探头单元13和气体背吹控制单元14中的各种数据。
请参阅图2，所述晶片11水平放置于所述静电卡盘12的一表面，所述晶片11可以为半导体晶片、玻璃晶片。优选地，该晶片11为圆形，该晶片11直径大于所述静电卡盘的第一表面的直径。本实施例中，所述晶片11为圆形，厚度为1毫米，所述晶片11直径为300毫米，所述静电卡盘12靠近所述晶片11的表面直径为294毫米。
所述静电卡盘12包括一基座121、一介电层123，该介电层123设置于所述基座121的一表面，所述基座121远离所述介电层123的表面具有一进气口122；所述介电层123具有多个上下贯通的背吹通道120，使气体通过基座121进入所述介电层123的背吹通道120并吹向所述晶片11与所述静电卡盘12接触的表面。所述静电卡盘12内设有一电极（图中未示），用于向所述静电卡盘12引入电能，使所述静电卡盘12与所述晶片11之间产生静电力。所述静电卡盘12可采用市场上一般的静电卡盘。
所述微力探头单元13包括至少一个子微力探头组件130。该子微力探头组件130包括一进给机构131、一微力传感器132及一探头133。所述进给机构131具有一固定端1310和一移动端1311，所述进给机构131的固定端1310固定于一平台，所述微力传感器132的一端固定于所述进给机构131的移动端1311，所述探头133固定于所述微力传感器132的另一端。所述进给机构131、所述微力传感器132及所述探头133的重心位于同一直线上。所述进给机构131的移动端1311上下垂直移动可以驱动所述探头133运动，控制所述探头133与所述晶片11接触，所述微力传感器132实时检测驱动过程中所述探头133的受力情况，通过控制进给机构131以保证所述探头133的受力在所述微力传感器132满量程的5%以内。所述微力传感器132的量程范围选择根据所述静电卡盘12的型号选择。
本实施例中，所述微力探头单元13包括4个子微力探头组件130。该进给机构131的有效行程为10毫米，重复定位精度为1.5微米，所述进给机构131的行程小、灵敏度和精度高；所述微力传感器132具有较高分辨率，该微力传感器132的量程取值范围为0mN~100mN；所述探头133为红宝石探头，具有硬度高的特点。
停止驱动所述探头133后，启动所述气体背吹控制单元14，该气体背吹控制单元14通过气管与所述静电卡盘12的进气口122连通，以便向所述静电卡盘12通入气体。请参阅图3，所述气体背吹控制单元14依次包括一气源140、一电磁方向阀141、一机械减压阀142、一电子比例阀143及一气体压强变送器144。该气源140、电磁方向阀141、机械减压阀142、电子比例阀143及气体压强变送器144之间分别通过气管连接。所述电子比例阀143与所述气体压强变送器144之间任意一处通过气管与所述静电卡盘12的进气口122连接，确保所述气体压强变送器144测量的压强始终是所述静电卡盘12的进气口122处的压强。所述气管的连接处须保证密封性良好。所述气源140用于提供气体，可以为空气、惰性气体等。所述气体依次通过所述电磁方向阀141、机械减压阀142、电子比例阀143，之后通过所述静电卡盘12的进气口122进入背吹通道120，此时，利用所述气体压强变送器144即可测得进气口122处的压强。
所述气体背吹控制单元14可进一步包括一气体质量流量计145，该气体质量流量计145连接在所述电子比例阀143与所述气体压强变送器144之间，此时气体质量流量计145与所述气体压强变送器144之间的任意一处通过气管与所述静电卡盘进气口122连接，该气体质量流量计145可以实时监测所述气体流量。本实施例中，所述气体背吹控制单元14包括气体质量流量计145。
所述电磁方向阀141主要起过压保护的作用，可以避免微力传感器132受损，当该电磁方向阀141通电时所述气源140中的气体可以通过电磁方向阀141进入所述静电卡盘12的进气口122，断电时气体则无法通过电磁方向阀141到达进气口122；所述机械减压阀142的入口与出口间有一开度可调的小孔，其开度由出口压强通过膜片负反馈控制，气体通过电磁方向阀141之后，所述机械减压阀142可以大范围调节所述气体的压强使其在所述电子比例阀143的量程范围内，保证所述电子比例阀143与机械减压阀142连接的入口压强恒定，并降低气体压强波动的影响；当气体进入所述电子比例阀143后，所述电子比例阀143进一步微小地调节所述气体压强；所述气体压强变送器145是一种压强转换为标准输出信号的传感器，实时记录进入所述静电卡盘12的进气口122处的气体压强。
请参阅图4，所述自动控制与采集单元15采用数据采集卡、PLC控制器和计算机相结合的方式，所述数据采集卡采集所述微力探头单元13及气体背吹控制单元14中的数据，并通过数据采集通信板与计算机互相通信，计算机进行存储，计算机根据存储的数据发出逻辑指令，通信至数据采集卡，所述数据采集卡一方面向所述气体背吹控制单元14发送电流信号，另一方面向所述PLC控制器发送电压信号，从而控制微力探头单元13及气体背吹控制单元14。所述数据采集卡的采集频率范围可以为1000Hz~2000Hz。
所述数据采集卡包括一电桥信号采集卡、一电流信号采集卡、一电压输出卡。所述电桥信号采集卡与所述微力传感器132电连接，所述微力传感器132向所述电桥信号采集卡发送0mV~5mV的电压信号；所述电流信号采集卡与所述气体压强变送器144电连接，所述气体压强变送器145向所述电流信号采集卡发送4mA~20mA的电流信号；计算机根据采集到的数据通信所述电压输出卡，该电压输出卡向所述电子比例阀发送4mA~20mA的电流信号，同时所述电压输出卡向所述PLC控制器输出0V~10V的电压信号，所述PLC控制器发送高速脉冲控制所述进给机构131，另一方面以24V漏型输出控制所述电磁方向阀141。所述电压输出卡向所述PLC控制器输出的电压信号包括进给机构自动寻位复位信号、电磁方向阀自动通电断电信号。
本实用新型提供的静电卡盘静电力的检测系统通过引入微力探头单元准确判断晶片脱离静电卡盘的瞬间状态，另一方面实现了检测过程的自动化，大大提高了检测效率，可在短时间内获得大量有效数据，为深入研究静电力产生与消除机理提供了必要的软硬件基础。
根据上述系统，本发明实施例进一步提供一种应用上述静电卡盘静电力检测系统检测静电卡盘静电力的方法，包括以下步骤：
S1，将晶片11吸附于静电卡盘12，正置放置；
S2，控制微力探头单元13下降，该微力探头单元13包括一微力传感器132，当该微力探头单元13与所述晶片11之间的接触力大小在所述微力传感器132满量程的5%以内时，控制所述微力探头单元13停止下降；
S3，启动气体背吹控制单元14，向所述静电卡盘12通入气体直到所述晶片11脱离所述静电卡盘12，同时自动控制与采集单元15采集所述气体背吹控制单元14及所述微力探头单元13中的数据；
S4，分析上述数据找到所述晶片11脱离所述静电卡盘12瞬间的气体背吹压强P1，将晶片11和静电卡盘12倒置放置后采用上述同样的方法得到所述晶片11脱离所述静电卡盘12瞬间的气体背吹压强P2，将P1，P2代入静电力计算
公式，
其中，P0为大气压强，S为晶片表面的总面积，G为晶片的总重量。
该S1步骤中，将晶片11放置于静电卡盘12上，确保所述晶片11的重心与所述静电卡盘12的重心重合；向所述静电卡盘12的电极施加电压，此时，静电卡盘12被充电，在晶片11与静电卡盘12之间产生静电力，调节电压使所述晶片11被静电力充分吸附并保持于静电卡盘12上。
该S2步骤中，所述微力探头单元13以至少每秒100微米的速度向所述晶片11移动。所述微力探头单元13与晶片11接触的过程中，所述接触力不断变化，该接触力数值通过所述微力探头单元13中微力传感器132反映，同时整个接触过程中该微力传感器132的数值变化被所述自动控制与采集单元15采集并存储。所述“接触力”是指所述微力探头单元中探头133与晶片11接触时所述探头133的受力，该接触力需远远小于静电力，也就是说，该接触力大小在所述微力传感器满量程的5%以内时可以忽略不计。
具体地，所述微力探头单元13与所述晶片11的接触过程为：启动所述微力探头单元13中某一个子微力探头组件130的进给机构131，驱动探头133下降并接触所述晶片11，所述自动控制与采集单元15实时采集所述微力传感器132中数值；同样的控制剩余子微力探头组件130中的探头133下降并与所述晶片11接触。优选地，所述某一子微力探头组件130中的探头133分布于所述晶片11的中心，其余子微力探头组件130中的探头沿所述晶片11表面的边缘均匀分布，以全面获得所述探头133的接触力数据。
当所述微力探头单元13停止运动后，在该S3步骤中，具体地，所述气体背吹控制单元14向所述静电卡盘12通入气体的过程为：开启所述气源140产生气体，自动控制与采集单元15中的计算机通过PLC自动控制所述机械减压阀142及所述电子比例阀143，使进入静电卡盘12进气口122的气体压强缓慢均匀地增加，当任意一个子微力探头组件130中的微力传感器132读数出现明显增加时，说明所述晶片11开始部分脱离所述静电卡盘12，此时，继续缓慢均匀地增加气体压强；当任意一个子微力探头组件130中的微力传感器132读数达到其满量程数值的60%~90%时，停止供气；所述自动控制与采集单元15中计算机通信电压输出卡，电压输出卡向所述电磁方向阀141发送停止供气的电流信号。本实施例中，所述自动控制与采集单元15在供气过程中实时采集并存储所述微力传感器132、气体压强变送器144及气体质量流量计145的数值；当任意一个微力传感器132读数达到其满量程的80%时停止提供气体。
该S4步骤中，所述自动控制与采集单元15实时采集微力传感器132数值、气体压强变送器145数值并存储在计算机中，分析达到满量程60%~90%的微力传感器132的数据，找到该微力传感器132对应探头133受力明显增大时的气体压强，即所述晶片11瞬间脱离所述静电卡盘12的气体压强P1。将所述晶片11和静电卡盘12正置装置上下倒转180°（倒置），采用同样的方法找到所述晶片11瞬间脱离所述静电卡盘12的气体压强P2；将P1，P2分别代入静电力计算公式，计算出静电力。
具体的，所述公式根据得到，其中，利用自重平衡法计算标定实际工作情况下所述晶片11的背吹气体等效作用面积S1，即气体与所述晶片11接触面积S1。如图5所示，对于晶片11与静电卡盘12正置和晶片11与静电卡盘12倒置这两种状态，分别施加相同的电压，保证相同的吸附条件，完成气体背吹平衡实验，分别得到正置和倒置状态下所述晶片11脱离所述静电卡盘12时的背吹气体压强P1和P2。
当晶片11与静电卡盘12正置时，所述晶片11的受力平衡方程为：
；
当晶片11与静电卡盘12倒置后，所述晶片11的受力平衡方程为：
；
其中，P0为大气压强，P1和P2分别为正置和倒置时所述晶片11瞬间脱离所述静电卡盘12的气体背吹压强（相对于大气压强），S1为晶片背吹气体等效作用面积，S为晶片11表面的总面积，G为晶片11的总重量，F为静电力，
上述两式相减，得：
；
即有：
。
上述静电卡盘静电力的检测方法可进一步包括一后续处理过程，具体的包括以下步骤：
S51，分别自动控制微力探头单元13上升复位；
S52，将所述静电卡盘12断电；
S53，将所述晶片11从所述静电卡盘12的第一表面取下。
在S52步骤中，将所述静电卡盘12中电极的两条引线短接，消除残余电荷，避免残余静电力影响，保证每次检测结果的独立性。
本实用新型静电卡盘静电力的检测系统通过对检测过程中采集的原始数据进行相应的分析和处理，判定晶片脱离静电卡盘的瞬间，从而得到晶片脱离时的背吹压强。该背吹压强与背吹气体等效作用面积的乘积，即为背吹通道气体对晶片的总压力，再根据平衡关系即可得到静电力大小。第一，该检测方法通过控制微力探头单元使整个检测系统处于准静态或缓慢变化的过程中，避免了瞬态过程产生的系统误差，提高了测量精度；第二，检测方法的灵敏度高，在间隙未明显扩大时即可快速、准确地检测到脱离现象，降低了局部脱离的影响，减小了测量误差；第三，本检测方法对理论和仿真不易获得的晶片的背吹气体等效作用面积进行了有效标定，操作简单，实用性强。
另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其他变化，当然，这些依据本实用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，包括：
一晶片；
一静电卡盘，该静电卡盘具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面用于放置所述晶片，第二表面具有一进气口；
一微力探头单元，该微力探头单元设置于所述晶片远离所述静电卡盘的一侧，用于接触所述晶片；
一气体背吹控制单元，该气体背吹控制单元与所述静电卡盘的进气口连通，用于向所述静电卡盘提供气体；
一自动控制与采集单元，实时采集并存储所述微力探头单元和气体背吹控制单元中的数据，自动控制所述静电卡盘静电力检测系统。
2.如权利要求1所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述微力探头单元包括至少一个子微力探头组件，该每一个子微力探头组件包括一进给机构、一微力传感器及一探头，所述进给机构驱动所述探头向所述晶片运动，所述微力传感器实时检测所述探头的受力大小。
3.如权利要求2所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述一个子微力探头组件设置于所述晶片中心的上方，其余子微力探头组件沿所述晶片表面的边缘均匀设置。
4.如权利要求1所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述静电卡盘内部具有多个背吹通道，从所述进气口进入的气体经过该背吹通道与所述晶片接触。
5.如权利要求2所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述进给机构具有一移动端，所述微力传感器的一端固定于所述进给机构的移动端，所述微力传感器的另一端用于固定所述探头。
6.如权利要求1所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述气体背吹控制单元依次包括一气源、一电磁方向阀、一机械减压阀、一电子比例阀及一气体压强变送器。
7.如权利要求6所述的静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述气体背吹控制单元进一步包括一气体质量流量计，该气体质量流量计与所述气体压强变送器之间的气管与所述静电卡盘的进气口连接。
8.如权利要求1所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述自动控制与采集单元包括数据采集卡、PLC控制器和计算机，所述数据采集卡与所述微力探头单元及气体背吹控制单元电连接，采集所述微力探头单元及气体背吹控制单元中的数据，所述数据采集卡通过一数据采集通信板与所述计算机互相通信，计算机发出逻辑指令，通信至所述数据采集卡，所述数据采集卡一方面向所述气体背吹控制单元发送电流信号，另一方面向所述PLC控制器发送电压信号。
9.如权利要求8所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述数据采集卡包括一电桥信号采集卡、一电流信号采集卡、一电压输出卡，所述电桥信号采集卡与所述微力探头单元电连接，所述电流信号采集卡与所述气体背吹控制单元电连接，所述电压输出卡与所述PLC控制器电连接。
10.如权利要求8所述静电卡盘静电力的检测系统，其特征在于，所述数据采集卡的采集频率范围为1000Hz~2000Hz。
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