TW201539645A - 基片保持系統和方法 - Google Patents

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Abstract

一種加工期間用於機械地保持基片的系統，該系統包括可關閉的加工室和位於加工室內構造用於通過三個機械保持組件對晶片進行保持的上塊組件。這三個機械保持組件凸出於晶片加工室的封蓋並配置為在晶片的邊緣將晶片保持住，且可從加工室的外部進行調整。機械保持組件中兩個組件可相對於晶片的邊緣鎖定在合適位置，其中一個機械保持組件用於通過預緊機構對在晶片邊緣上的保持預緊進行維持。

Description

基片保持系統和方法 共同未決申請的交叉引用
本申請要求2014年1月20日提出的申請號為61/929,192，名稱為“基片保持方法和系統”的美國臨時申請的優先權，其內容通過引用明確地併入本申請中。
本申請是2010年4月15日提出的申請號為12761044，名稱為“晶片定中心設備”的美國申請的部分繼續申請，其內容通過引用明確地併入本申請中。
本發明涉及一種用於保持基片的系統和方法，特別地地涉及一種加工期間機械地保持基片同時保持基片的同心和旋轉排布的系統和方法。
在幾個晶片接合工序中，兩片或更多排布好的晶片被相對彼此保持，然後彼此接觸。類似地，在幾個化學的或機械的半導體工序中，晶片在加工期間被保持在合適的位置。在這些半導體晶片工序中，部分工序包括晶片減薄步驟。特別地，對於某些應用，為了製造積體電路(IC)設 備，或為了3D集成接合和製造時穿過晶片孔，晶片被減薄至小於100微米的厚度。
對於大於200微米的晶片厚度，晶片通常採用固定裝置保持在合適的位置，該固定裝置利用真空卡盤或其他機械連接裝置。但是，對於小於200微米的晶片厚度，特別是對於小於100微米的晶片厚度，在加工期間機械地保持住晶片並維持對晶片排布、平面性和晶片完整性的控制變得越來越難。在這些情形下，加工期間晶片產生微小裂痕並破碎事實上是很常見的。在減薄工序期間使晶片厚度小於200微米機械地保持晶片的一種替換方案包括將器件晶片(即被加工成器件的晶片)的第一表面貼到載體晶片上，然後對暴露的、相對的器件晶片表面進行減薄。載體晶片和器件晶片之間的接合是臨時的並在減薄工序和任何其他加工步驟完成時撤除。減薄工序期間，臨時接合的器件晶片和載體晶片對被機械地保持。
加工期間機械地保持晶片的一種替代方案包括使用靜電卡盤(e卡盤)通過靜電力將晶片予以保持。但是，e卡盤通常是價格高昂、複雜的設備，需要高壓電源和高壓電纜。此外，它們通常不適用於玻璃基片的保持。
上述晶片保持機構的關鍵方面包括被保持晶片相對於彼此的定位和排布。理想的是，提供一種工業級設備，所述設備用於加工期間保持和支撐晶片同時維持晶片同心和旋轉排布，並避免晶片破裂、表面損傷或翹曲。
本發明提供一種用於加工期間機械地保持基片同時維持基片同心和旋轉排布的系統和方法。
總之，本發明的一個方面突出一種晶片加工系統，所述加工系統包括可關閉的加工室和位於加工室內構造用於通過三個機械保持組件對晶片進行保持的上塊組件。這三個機械保持組件凸出於晶片加工室的封蓋並配置為在晶片的邊緣將晶片保持住，且可從加工室的外部進行調整。機械保持組件中兩個組件可相對於晶片的邊緣鎖定在合適位置，其中一個機械保持組件設置用於通過預緊機構對在晶片邊緣上的保持預緊進行維持。
本發明這個方面的實施包括一個或一個以上如下方案。每個機械保持組件包括一個標識部件和一個樞轉驅動臂，所述標識部件通過驅動機構徑向地驅動，以便接觸到晶片的邊緣。在可鎖定的兩個機械保持組件的每一個組件中，標識部件的遠端配置為接觸晶片邊緣，而樞轉驅動臂配置成偏斜運動以便用一根插銷卡住在標識部件近端側形成的狹槽。在對預保持進行維持的機械保持組件中，預緊機構包括耐高溫軸承引導的線性滑塊。每個機械保持組件中的驅動機構包括一個氣動活塞和一個驅動臂，氣動活塞連接至驅動臂並配置成驅動所述驅動臂，而驅動臂通過傳動軸和樞轉驅動臂連接至標識部件。在兩個可鎖定的機械保持組件中的每個機械保持組件中，所述驅動機構進一步包括制動柱體，所述制動柱體配置為驅動柔性制動臂，而 所述柔性制動臂配置為通過傳動軸將制動動作傳遞給樞轉驅動臂。柔性制動臂具有平面內剛性而平面外柔性的撓曲型材料。所述標識部件為板狀並由包括在上塊組件中的卡盤支撐，具有從卡盤外緣橫跨至晶片邊緣的長度尺寸。標識部件的遠端具有臺階。標識部件的遠端是彎曲的。標識部件的遠端具有與晶片邊緣曲率匹配和互補的曲率。標識部件的遠端具有保護層，用於保護晶片邊緣的完整性，當標識部件的遠端觸碰晶片邊緣時提供減震作用，以及提供標識部件的遠端與晶片邊緣之間穩固保持的摩擦作用。保護層由耐高溫的聚醚醚酮(PEEK)層、聚醯亞胺層或特氟龍層製成。標識部件遠端的的側面輪廓是直的、有角度的或彎曲的。
一般而言，另一方面，本發明突出一種晶片保持系統，所述保持系統包括三個用於在晶片邊緣處保持晶片的機械保持組件。機械保持組件中的兩個組件可相對於晶片的邊緣鎖定在合適位置，其中一個機械保持組件用於通過預緊機構對在晶片邊緣上的保持預緊進行維持。
該系統可以用於在真空中保持基片，也用於保持受重力作用的基片。該系統也適用於在器件晶片的加工期間保持一對臨時接合的晶片。
本發明的一個或多個實施例在下面的附圖和說明書進行詳細說明。由實施例、附圖和權利要求可知，本發明的其他特徵、目的和優點將是很明顯的。
A、B、C‧‧‧區
100‧‧‧晶片接合系統
110A、110B、110C‧‧‧機械保持組件
112‧‧‧標識部件
113‧‧‧遠端邊緣
113a‧‧‧端面
114‧‧‧樞轉驅動臂
116‧‧‧線性滑塊
117‧‧‧狹槽
118‧‧‧近端
118a‧‧‧側
119‧‧‧插銷
150‧‧‧驅動機構
152‧‧‧氣動活塞
152a‧‧‧柱體
154‧‧‧驅動臂
155‧‧‧傳動軸
156‧‧‧制動柱體
157‧‧‧柔性制動臂
159a、159b‧‧‧滾珠軸承
160‧‧‧氣動或彈簧驅動預緊機構
161a、161b‧‧‧O形圈密封件
162‧‧‧殼體
165‧‧‧z軸
20‧‧‧晶片
202‧‧‧接合室
210‧‧‧晶片接合器模組
211‧‧‧載入門
212‧‧‧殼體
213‧‧‧外殼頂壁
215a、215b‧‧‧夾具
216‧‧‧夾具/驅動組件
220‧‧‧上塊組件
221‧‧‧上靜態室壁
222‧‧‧上陶瓷卡盤
224a、224b‧‧‧薄膜層
225‧‧‧鉸接蓋
230‧‧‧下塊組件
232‧‧‧加熱板
235‧‧‧密封簾
235a‧‧‧密封元件
236‧‧‧隔熱層
237‧‧‧水冷支撐法蘭
238‧‧‧傳遞插銷台
239‧‧‧Z軸塊件
240‧‧‧傳遞銷
242‧‧‧Z-導柱
243‧‧‧Z軸驅動器
244‧‧‧線性編碼器回饋
246‧‧‧伺服電機
250‧‧‧電子單元
30‧‧‧晶片
30a‧‧‧邊緣
參照附圖(各視圖中，相同的數字表示相同的部件)：圖1A是根據本發明的晶片接合器模組的透視圖；圖1B是圖1A的晶片接合器模組沿X-X’平面的橫截面圖；圖1C是圖1A的晶片接合器模組沿Y-Y’平面的橫截面圖；圖1D是圖1B的晶片接合器模組A區中的上塊組件(或加工室封蓋)的橫截面圖詳圖；圖1E是圖1A的晶片接合器模組的示意圖；圖2是根據本發明晶片接合器系統閉合結構的透視圖；圖3是圖2的晶片接合器系統打開結構的透視圖；圖4A描述圖2中保持住直徑為200mm晶片的晶片接合器模組的上塊組件(或加工室封蓋)；圖4B描述圖2中保持住直徑為300mm的晶片的晶片接合器模組上塊組件(或加工室封蓋)；圖5A是圖2中保持住直徑為200mm晶片的晶片接合器模組上塊組件(或加工室封蓋)的透視圖；圖5B是圖5A中的上塊組件(或加工室封蓋)B區斷面圖的放大詳圖；圖5C是圖2的晶片接合器模組沿X-X’平面的放大橫截面圖； 圖6A是圖5C的晶片接合器模組C區的放大詳圖；圖6B-圖6D描述圖6A中標識部件112的另一種端面輪廓；圖7A是圖4A的晶片保持組件110A的放大仰視圖；圖7B是圖4B的晶片保持組件110A的放大仰視圖；圖8A是圖4A的晶片保持組件110A的標識部件驅動機構的放大頂(俯)視圖；圖8B是圖8A的標識部件驅動機構的橫截面圖；圖8C是圖8A的標識部件驅動機構的底橫截面圖；圖8D是圖8B的標識部件驅動機構的放大橫截面圖。
本發明提供一種用於加工期間機械地保持基片同時維持基片同心和旋轉排布的系統和方法。
參照圖1A-圖1E，典型的晶片接合器模組210包括具有載入門211的殼體212、上塊組件220和相向的下塊組件230。上塊組件220和下塊組件230可運動地連接至Z-導柱242。在其他的實施例中，使用的Z-導柱少於四個或大於四個。套管式密封簾235位於上塊組件220和下塊組件230之間。在上塊組件220和下塊組件230與套管式密封簾235之間形成接合室202。密封簾235使接合室區域202外的諸多加工部件與加工室的溫度、壓力、真空和大氣壓隔絕。位於接合室區域202之外的加工部件包括導 柱242、Z軸驅動器243、照明光源、預排布機械臂和晶片定中心爪具以及其他加工部件。密封簾235還可從任何徑向方向進入接合室202。對典型的晶片接合器模組210更詳細的描述在名稱為“晶片定中心設備”的美國申請2010/0266373A1(美國專利8,764,026)中提出，其內容通過引用明確合併於此。
參照圖1B，下塊組件230包括支撐晶片20的加熱板232、隔熱層236、水冷支撐法蘭237、傳遞插銷台238和Z軸塊件239。加熱板232是陶瓷板，包括耐熱元件和集成的空冷。加熱元件設置成能夠形成兩個不同的加熱區：主區或中央區和邊緣區。對這兩個加熱區進行控制以使加熱板232的溫度是均一的。加熱板232還包括兩個分別用於保持200mm和300mm晶片的不同真空區。水冷熱隔離支撐法蘭237通過隔熱層236與加熱板隔離。傳遞插銷台238設置在下塊組件230的下方並可運動地由四根支柱242支撐。傳遞插銷台238支撐起這樣設置的傳遞銷240，即，它們能夠托起或降低不同尺寸的晶片。在一個實施例中，傳遞銷240設置成它們能夠升起或降低200mm和300mm的晶片。傳遞銷240是直的傳動軸，在一些實施例中，具有穿過中心的真空進料開口。運動期間，通過傳遞銷開口抽取的真空在合適的位置將被支撐的晶片保持在傳遞銷上並防止晶片對不齊。Z軸塊件239包括帶滾珠螺桿、直線凸輪設計的精密Z軸驅動器243、用於亞微米定位控制的線性編碼器回饋244、以及具有齒輪箱的 伺服電機246，如圖1C所示。
參照圖1D，上塊組件220包括上陶瓷卡盤222、上靜態室壁221(密封簾235採用密封元件235a緊靠上靜態室壁進行密封)、200mm的薄膜層224a和300的薄膜層224b。薄膜層224a、224b分別被夾在上卡盤222和具有夾具215a，215b的外殼頂壁213之間，形成兩個獨立的真空區，這兩個真空區設計分別用於保持住200mm和300mm的晶片。薄膜層224a、224b由彈性體材料或金屬波紋管製成。上陶瓷卡盤222非常平坦和纖薄。其品質小，同時也是半柔性的，以便在晶片20、30上施加均勻的壓力。上卡盤222輕輕地用薄膜壓力預載入，貼到三個可調的水準夾具/驅動組件216上。夾具/驅動組件216間隔120度圓形佈置。上卡盤222首先被放平，同時與下陶瓷加熱板232接觸，以便其平行於加熱板232。夾具/驅動組件216還提供球形楔誤差補償(WEC)機構，該球形楔誤差補償機構將陶瓷卡盤222繞著與被支撐晶片的中心對應的中心點轉動和/或傾斜，而不發生平移。在其他實施例中，上陶瓷卡盤222的定位由固定水準/定位銷完成，上陶瓷卡盤222貼著定位銷被束緊。
參照圖2和圖3，改進的晶片接合系統100包括改進的晶片接合室210和電子單元250。晶片接合室210包括鉸接蓋225，所述鉸接蓋包括上塊組件220。在該實施例中，晶片30通過三個機械保持組件110A、110B和110C被支撐在上卡盤222上。機械保持組件110A、110B和 110C凸出於封蓋225。
參照圖4A-8D，每個機械保持組件包括標識部件112和樞轉驅動臂114。標識部件112被徑向地驅動，使上晶片30的邊緣30a接觸驅動機械150。在其中的兩個保持組件110A、110C中，一旦標識部件112的遠端邊緣113接觸晶片30a的邊緣，樞轉驅動臂114偏斜運動，以便用插銷119卡住在標識部件112的近端118的一側118a形成的狹槽117，如圖5B和圖7A所示。驅動臂插銷119與標識部件狹槽117的卡住配合將112標識部件的位置相對於保持組件110A和110C中的晶片邊緣30a進行鎖定。在保持組件110B中，標識部件112對採用氣動或彈簧驅動預緊機構160完成的保持預緊進行維持，如圖8D所示。在一個實施例中，預緊機構包括耐高溫軸承引導的線性滑塊116，如圖7A所示。
參照圖8A-8D，每個保持組件110A、110B、110C的驅動機構150包括氣動活塞152和驅動臂154。氣動活塞152包括一端連接至驅動臂154第一端並用於引導驅動臂154的運動的柱體152a。驅動臂154具有第二端，所述第二端通過傳動軸155與標識部件112以及與樞轉驅動臂114相連接。8B和圖8D所示。活塞152、驅動臂154和傳動軸155對標識部件112的徑向運動進行驅動並引導。傳動軸155的運動由包含在殼體162內的滾珠軸承159a、159b進行引導，如圖8D所示。殼體162採用O形圈密封件161a、161b密封在上塊組件220內，如圖8D所 示。
在保持組件110A、110C每個保持部件中的驅動機構150還包括驅動柔性制動臂157的制動柱體156。柔性制動臂157也通過傳動軸155將制動動作傳遞給樞轉驅動臂114。柔性制動臂157由撓曲型材料製成，所述撓曲型材料具有平面內剛度並且提供對樞轉驅動臂114的穩固鎖定。柔性制動臂157在平面內方向上(制動臂157的x-y平面)是剛性的，而在平面方向外(z軸165)是柔性的。
操作中，晶片30採用如2010年4月15日提出的申請號為12761044，名稱為“晶片定中心設備”的美國申請描述的定中心工作臺確定中心，其內容通過引用明確地加入本申請中。此外，晶片30通過精密的機器人晶片佈置確定中心。確定中心後的晶片30被轉移到上卡盤222上並最初利用真空保持。或者，確定中心後的晶片可以通過靜電卡盤或真空與靜電卡盤的組合進行保持。
接著，三個保持組件110A、110B和110C中的標識部件112被徑向驅動以便與晶片的邊緣30a接觸。在執行該步驟期間，真空(或靜電)保持機構是主要的，而標識部件112的徑向運動是次要的。因此，標識部件112的初始位置由交接位置和保持力決定。這就使設備能夠保持住除標稱尺寸以外的不同直徑公差的圓形晶片。在一個實施例中，具有設計用於保持住300mm晶片的標識部件112的設備可用於保持直徑為301mm或299mm的晶片。
接著，保持組件110A和110C的標識部件112中的制動部件156和157，同時保持組件110B中的標識部件112採用彈簧160對保持預緊進行維持。兩個鎖定的保持組件110A、110C確定兩個固定點，保持組件110B的預緊力將晶片穩固地保持住。由於加工期間的熱膨脹或在系統中的其他撓曲，保持組件110B的預緊力對穩定的保持狀態進行補償並維持這種保持狀態。此時，可以撤去真空(或靜電)保持機構。
接下來進行晶片的加工，同時晶片30採用三個保持組件110A、110B和110C機械地保持在合適位置。晶片30在加工結束時被釋放或者通過釋放保持組件110B中的預緊機構在任何點釋放。
標識部件112為板形並具有從上卡盤222外緣橫跨至晶片30的外緣30a的長度尺寸。不同長度尺寸的標識部件用於保持直徑為200mm或直徑為300mm的晶片，分別如圖4A、圖4B、圖7A和圖7B所示。標識部件112的遠端邊緣113包括臺階111，當將兩塊晶片20、30接觸時，所述臺階為下晶片20提供足夠的間隙，如圖6A所示。遠端邊緣113的端面113a是彎曲的。端面113a的曲率與晶片30外邊緣30a的曲率匹配並互補。遠端邊緣113的端面113a塗有保護晶片邊緣30a完整性並提供兩個端面113a與30a相互觸碰時的減震功能的保護層。保護層還增加兩個端面113a與30a之間穩固保持的摩擦作用。其中端面113a保護層的例子包括耐高溫聚醚醚酮 (PEEK)塗層、聚醯亞胺塗層或特氟龍塗層等。端面113a的側面輪廓可以是直的、有角度的或彎曲的，分別如圖6B，圖6C和圖6D所示。
現已對本發明的幾個實施例進行了說明。但是，將可以理解的是，在不偏離本發明精神和範圍的情況下可以做出各種變型。因此，其他實施例也在下面的權利要求的範圍之內。
210‧‧‧晶片接合器模組
211‧‧‧載入門
212‧‧‧殼體
216‧‧‧夾具/驅動組件
220‧‧‧上塊組件
230‧‧‧下塊組件
235‧‧‧套管式密封簾
238‧‧‧傳遞插銷台
242‧‧‧Z-導柱

Claims (16)

  1. 一種晶片保持系統，包括：三個配置成在晶片邊緣處保持晶片的機械保持組件；以及其中，機械保持組件中的兩個組件相對於晶片的邊緣可鎖定在合適的位置，而其中一個機械保持組件配置成通過預緊機構對在晶片邊緣上的保持預緊進行維持。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中每個機械保持組件包括一個標識部件和一個樞轉驅動臂，其中，所述標識部件通過驅動機構徑向地驅動，以便接觸到晶片的邊緣。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的系統，其中在可鎖定的兩個機械保持組件的每一個中，標識部件的遠端配置成接觸晶片邊緣，而樞轉驅動臂配置成偏斜運動以便用插銷卡住在標識部件近端側形成的狹槽。
  4. 根據申請專利範圍第2項或第3項所述的系統，其中在對保持預緊進行維持的一個機械保持組件中，預緊機構包括耐高溫軸承引導的線性滑塊。
  5. 根據申請專利範圍第2項、第3項或第4項所述的系統，其中每個機械保持組件中的驅動機構包括氣動活塞和驅動臂；其中，氣動活塞與驅動臂連接並配置成驅動所述驅動臂；其中，驅動臂通過傳動軸和樞轉驅動臂與所述標識部件連接。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的系統，其中在兩 個可鎖定的機械保持組件的每個機械保持組件中，所述驅動機構進一步包括配置為驅動柔性制動臂的制動柱體，而所述柔性制動臂配置為通過傳動軸將制動動作傳遞給樞轉驅動臂。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的系統，其中所述柔性制動臂包括平面內剛性而平面外柔性的撓曲型材料。
  8. 根據申請專利範圍第2-7項之任一項所述的系統，其中所述標識部件是板狀的並由卡盤支撐，且具有從卡盤外緣橫跨至晶片邊緣的長度尺寸。
  9. 一種晶片加工系統，包括：可關閉的加工室；位於加工室內的上塊組件，所述上塊組件配置為通過具有三個如申請專利範圍第1-7項之任一項所述機械保持組件的晶片保持系統對晶片進行保持；其中，這三個機械保持組件凸出於晶片加工室的封蓋並配置為在晶片的邊緣將晶片保持住且可從加工室的外部進行調整。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的系統，其中所述標識部件為板狀並由包括在上塊組件內的卡盤支撐，且具有從卡盤外緣橫跨至晶片邊緣的長度尺寸。
  11. 根據申請專利範圍第9項或第10項所述的系統，其中所述標識部件的遠端包括臺階。
  12. 根據申請專利範圍第9-11項之任一項所述的系統，其中所述標識部件的遠端是彎曲的。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的系統，其中標識部件的遠端包括與晶片邊緣匹配並互補的曲率。
  14. 根據申請專利範圍第9-13項之任一項所述的系統，其中標識部件的遠端具有保護層，所述保護層配置為保護晶片邊緣的完整性，當標識部件的遠端觸碰晶片邊緣時提供減震作用，以及提供標識部件遠端與晶片邊緣之間穩固保持的摩擦作用。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的系統，其中所述保護層包括耐高溫的聚醚醚酮(PEEK)層、聚醯亞胺層或特氟龍層中的一種。
  16. 根據申請專利範圍第9-15項之任一項所述的系統，其中所述標識部件的遠端是直的、有角度的或彎曲的。
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