专利名称：半导体晶片举升装置以及实施方法
1.发明领域本发明涉及半导体制造设备，更具体地说，本发明涉及将半导体晶片从位于半导体加工室内的晶片座中举升并取出的改进装置。
2.相关领域描述在半导体制造中，集成电路设备是由半导体晶片经过许多加工过程制造而成的。许多加工过程通常是在加工处理室内进行的，例如，在所述加工处理室内相继应用和定型电介质层和金属化材料层，以形成多层结构。例如，一些层(如SiO2)通常是在化学蒸气淀积(CVD)处理室内淀积而成的，然后旋转涂布光阻材料，并利用照相平板定型。当在特殊表面上定义光阻掩膜时，将所述半导体晶片置于等离子蚀刻处理室内，以去除(蚀刻)部分未被光阻掩膜覆盖的底层材料。
图1A示出了半导体加工系统100，所述系统包括处理室102，用来通过蚀刻工艺加工半导体晶片。在所述范例中，所述处理室102包括用以支持半导体晶片106的晶片座104。所述处理室102也配有一上电极114。所述上电极114被配置成用来接收在加工过程中分布在等离子区112的加工气体。所述等离子区112定义在上电极114表面和晶片106表面之间。
图中也示出上电极114和匹配箱116a及RF电源118a相耦合。晶片座114也和匹配箱116a及RF电源118a相耦合。处理室102配有出口120，用于在加工过程中将处理室102中的过量气体排出。在操作中，将RF电源118a配置成对上电极114施加偏压，并以大约27MHz频率下操作。RF电源118a主要负责在等离子区112内产生大多数的等离子密度，而RF电源118b则主要负责在等离子区112内产生偏压。RF电源118b通常以大约2MHz的较低频率范围操作。
图1B和1C提供了半导体加工系统100中晶片座104的较详细的视图。图1B中示出的晶片座104是单极性的，其中在电介质材料124中仅形成一个正电极122，而等离子112电势则具有负极性。图1C中示出的晶片座104是双极性的，其中有两个电极，即在电介质材料124中形成的正电极130和负电极132。
如图1B和1C所示，晶片座104包含多个穿孔126，在加工完成时，举升柱状结构(lifting pin)128由气压推动穿过所述穿孔126，将半导体晶片106从晶片座104中举起。在加工完成时，将晶片106从晶片座104中取出的过程被称为离座过程，在最理想的离座过程中，仅仅利用气压将所述晶片举升离开晶片座104，而后再将其从加工处理室100内取出。
图1D是描述一种传统离座操作的流程图。图1D是从半导体晶片加工140完成开始的。在试图将所述晶片106举升离开晶片座104之前，所述晶片106必须被允许完全放电142。对于图1B所示的单极性晶片座，晶片通过等离子区发生放电，大多数的系统大约需要120秒的时间来完成对晶片106上最小残余电荷的放电。对于图1C所示的双极性晶片座104，一般经过等离子体112放电的晶片还需通过拥有双电极的晶片座补充放电。典型地，晶片106经过双极性晶片座放电的时间需要10到180秒。双极性晶片座配件有利于将晶片放电所需要的时间减少到最小，并直接改善加工周期和生产能力。可是，放电过程通常导致残余电荷不均匀地分布在晶片上。如以下所述，均匀或不均匀的残余电荷的存在可导致晶片受损。
晶片放电完成后，图1D继续启动144举升柱状结构128将所述晶片106从晶片座104中清除，并允许将所述晶片106从系统中取出。通常利用气压力来启动举升柱状结构(典型地为3或4个)。举升柱状结构128向上移动接触到晶片的底面，然后举升所述晶片106到一个预先调整好的转移高度。一旦到达所述转移高度，就从系统中将所述晶片106取出146。如要加工另一晶片106，则将下一晶片106放在148所述举升柱状结构128上，降低150至晶片座104，然后重复图1D中的过程。
从晶片座104中举升晶片106有时会对晶片106造成无法修复的损坏。所述损坏通常是由举升柱状结构128和晶片106之间的接触造成的。假如晶片106包含足够的通常是不均匀的残余电荷，那么当举升柱状结构128被启动时，所述晶片106将因静电仍然依附在晶片座104上。因为是气压启动举升柱状结构128，所以所述举升柱状结构128以恒定的不可调整的力和速度移动。因此，当撞击不可移动的(例如，依附着的)晶片时，举升柱状结构会对晶片106造成损坏。假如仅在一端举升晶片106(这是会想到的)，所述晶片将会滑出晶片座104而损坏。在某些情况下，晶片会破裂或对制好的电路产生无法挽回的损坏。还有，假如柱状结构举升力一开始被晶片106和晶片座104之间残余的静电引力所抗衡的话，在施加举升力而晶片放电过程又在继续时，所述晶片106可能突然从晶片座104中释放。这种突然从晶片座104中释放，可能导致晶片106的弹射动作和相关的损坏。在其它情况下，假如晶片106包含足够的残余电荷，而又向举升柱状结构施加足够的力量，那么举升柱状结构可能会实际上将所述晶片穿透。
综上所述，我们需要的是一种柱状结构举升装置，和制造及实施所述装置的方法，通过向晶片的背面施加受到监控的举升力，所述装置将帮助有效地将半导体晶片从晶片座中举升，并且所述装置还提供快速去除晶片和晶片座之间的有阻力的残余电荷的技术。
发明简述广而言之，本发明满足了这些要求，提供了一种装置和方法，用来在加工操作后，可控制地将一晶片举升离开带静电的晶片座。应当理解，本发明可以以多种方式实施，包括过程，装置，系统，设备或方法。以下描述本发明的几个实施例。
在一个实施例中，公开了一种在晶片加工处理室中，在加工完成后用于控制将晶片举升离开带静电的晶片座的晶片举升机构。所述晶片举升机构包括定位在带静电的晶片座下的柱状举升轭。所述柱状举升轭拥有一组与其连接的柱状结构，所述组柱状结构被配置成横向经过所述带静电的晶片座，并与晶片底面接触。还提供了一个与柱状举升轭相耦合的连杆。所述连杆是可移动的，从而使柱状举升轭和所述组柱状结构得以在带静电的晶片座中移动，并与晶片底面接触，并且一旦与晶片底面接触，所述组柱状结构能够将所述晶片举升离开带静电的晶片座。另外还包括用以移动连杆的马达和在举升过程中限制所述组柱状结构施加到晶片底面的作用力的作用力反馈系统。
在另一个实施例中，公开了一种在加工完成后用于控制将基底举升离开带静电的晶片座的基底举升机构。所述基底举升机构包括一柱状举升轭，所述柱状举升轭拥有一组与其连接的柱状结构，所述组柱状结构被配置成与基底底面接触。一个导向螺杆与所述柱状举升轭相连接，并提供了一个用来移动所述导向螺杆的马达。另外也包括了一个作用力反馈系统。所述作用力反馈系统包括用来测量所述组柱状结构受到的阻力的应变测量器，和用来接收有关所述阻力的数据的数字信号处理器，用来控制马达的马达控制器和编码器。所述编码器被配置成将导向螺杆位置数据传送到马达控制器和数字信号处理器。
在另一实施例中，公开了一种在加工完成后用来将晶片举升离开带静电的晶片座的方法。所述方法包括将一组柱状结构经过带静电的晶片座向晶片底面举起。然后取得所述组柱状结构和晶片底面之间的接触。所述方法还包括向晶片底面施加一举升力，并监控所述举升力。当所述监控表明到达门限级时，所述举升力被停止。
本发明有许多有价值的优点。最值得注意的是，通过在举升过程中监控与晶片接触的举升柱状机构上的应变，可以决定何时停止举起所述举升柱状结构，以防止对晶片的损坏。一旦晶片被充分放电，可以很容易地从带静电的晶片座中取出，则可继续举起，直到将晶片放在其适当的向上位置，并可由机器人的末端受动器取得为止。通过以下详细的描述和附图，本发明的其它特征和优点将变得更加明显，所述详述和附图为了举例说明本发明的原理。
附图简述参考附图及以下的详述，可以更好地理解本发明及其中的优点。
图1A示出了一种半导体加工系统，其中包括一个用来通过蚀刻操作加工半导体晶片的处理室。
图1B提供了一个半导体加工系统的单极性带静电的晶片座的详细视图。
图1C提供了一个半导体加工系统的双极性带静电的晶片座的详细视图。
图1D示出了在半导体加工系统中实施离座操作的流程图。
图2A示出了根据本发明的一个实施例，当举升柱状结构接触晶片表面时，半导体晶片举升设备的横截面图。
图2B示出了根据本发明的一个实施例，当举升柱状结构举升晶片时，半导体晶片举升设备的横截面图。
图3示出了根据本发明的一个实施例，使用半导体晶片举升设备实施离座过程的流程图。
优选实施例的详细说明本发明描述的是一种半导体晶片举升设备，所述设备帮助将一半导体晶片从位于半导体加工处理室中的晶片座中举升并离座。在以下描述中，将提出多个具体资料，以便对本发明有一个彻底的了解。可是，对于本领域的技术人员来说，在没有一些或所有的具体资料的情况下，显然也可以实施本发明。在其它例子中，众所周知的加工步骤就不再详细描述，以避免对本发明造成不必要的混淆。
本发明的实施例公开了一种半导体晶片举升设备，在处理室加工操作完成后，所述设备能使晶片被有效放电并能安全地从带静电的晶片座中将所述晶片举升。尽管本发明的半导体晶片举升设备可以用于多种不同类型的加工处理室，但是一种能从公开的晶片举升设备的发明设计特征中得益的示范性的处理室是Rainbow 4520XL加工处理室，所述处理室可从Lam Research Corporation of Fremont，California购买到。在一些处理室的定位中，晶片座可以是单极性的或双极性的。无论哪一种情况，本发明的半导体晶片举升设备都将在克服现有技术的问题的前提下，帮助晶片放电并离座。
图2A示出了根据本发明的一个实施例，当举升柱状结构228接触晶片206底面时，半导体晶片举升设备的横截面图。在所述实施例中，半导体晶片举升设备包括多个导电举升柱状结构228，所述柱状结构228通过多个穿孔226横穿过带静电的晶片座204。典型地，有3或4个举升柱状结构228。可是，本发明的所述实施例不限制举升柱状结构228的具体数目。所述举升柱状结构228和举升轭230相连接，以提供导电性。通过风箱232和密封环234将举升柱状结构228和带静电的晶片座204之间的空间和晶片座下面的空间隔离开。风箱232的使用使得轭230能够相对晶片座240移动而不影响加工处理室中的大气隔离。举升轭230通过开关装置236和可变电阻238与大地电连接。由于位于轭230中心的绝缘材料240，而使通过举升柱状结构228，轭230，开关装置236和可变电阻238的电传导和所述举升设备的其余部分隔离开来。应变测量器242置于绝缘材料240和导向螺杆244之间，所述导向螺杆244由马达246驱动，以移动所述轭230。应该注意的是，导向螺杆244可以由任何类型的连杆代替，只要它能升高或降低柱状举升轭230。
在一个实施例中，应变测量器242送出信息信号到数字信号处理器(DSP)250，接着所述数字信号处理器250又将信号送到马达控制器246，所述马达控制器246接着又将信号送到马达246，以控制导向螺杆244的位置。编码器248与马达246相接口，并被配置成向马达控制器246发送信号。由编码器248提供的信息将包含导向螺杆244的目前位置数据。
在本发明的一个优选实施例中，举升柱状结构228被配置成和晶片206的底面相接触，并施加一低作用力，使得在所述晶片和所述举升柱状结构之间建立电传导。所述低作用力被设计成在所述晶片由于静电黏附在晶片座204上时，防止施加可能对晶片产生损坏的高应变。在操作中，打开开关236，则举升柱状结构228和晶片206之间可以受控制地接触。这样，不受控制的静电放电将不会发生，直到达到合适的处理时间为止。例如，一旦在包含残余电荷的晶片206和举升柱状结构228之间建立电传导，开关236将关闭，使得所述晶片能够通过可变电阻受控制地对大地放电。在保护晶片的完整性的同时，设定可变电阻238，以使得晶片206的所需的放电时间最少。
在一个优选实施例中，举升轭230将逐步上移，以便将晶片206从晶片座204中举起。随着举升柱状结构228承受所述晶片206举升过程中的阻力，所述阻力将被通过举升轭230传送到应变测量器242。接着，由应变测量器测量出的应变将受到DSP250的监控。假如监控到的应变作用力(Fs＝质量×重力)不在容许范围内，那么DSP250(和相关联的软件，如果需要的话)将指示马达控制器252停止增进马达，并超时到允许晶片206放电，使得所述晶片206和晶片座204之间的静电引力进一步减小。在一个实施例中，当达到门限值时，停止增进。所述门限值最好是一个能辨别出由举升柱状结构施加的作用力何时达到可能损坏晶片的级别的设定值。因此，门限值是刚好不到可能损害晶片的级别，这样，在没有完成充分放电时，可以保护晶片免受过大的作用力。
在一个实施例中，重力状态下容许的应变作用力Fs限值可介于1盎司到大约5盎司之间，视晶片大小而定。假如所述受监控应变作用力是在容许范围内，DSP250和相关联软件将指示马达控制器252继续增进马达。在增进过程中，连接在马达246上的编码器248将监控导向螺杆244的位置，并发信号将导向螺杆位置通知给马达控制器252。然后，当到达期望的举升高度时，所述马达控制器252将指示马达246停止举升轭230。
图2B示出了根据本发明的另一个实施例，当举升柱状结构228举升晶片206时，半导体晶片举升设备的横截面图。图2B中所示部件和图2A所示及所述部件完全一样。图2B描述了晶片206从晶片座204中举升离开时，举升轭230的运动。此时，晶片206将已就绪被末端受动器机器人的刀片从举升柱状结构228上取走。现在，另一个晶片206被放在所述举升柱状结构228上，以便可以降低到晶片座204上进行加工。
图3示出了根据本发明的一个实施例，使用半导体晶片举升设备实施离座过程的流程图。图3在半导体晶片加工300完成时进入所述离座操作。然后，所述举升柱状结构以低作用力运动302来接触所述晶片，使得在举升柱状结构接触点及其周围处不损坏晶片的情况下建立电传导。在一个实施例中，控制举升轭和大地之间电传导的开关被关闭304，以使得晶片能够受控制地对大地放电。如图2A和2B所示的可变电阻238是可选的，因此可以直接对大地放电。当被使用时，所述可变电阻可以被有效调整来控制流过所述电阻的电流，从而将放电时间减到最短。一旦所述晶片充分放电，马达增进306以移动举升轭并举升所述晶片。在举升过程中，由应变测量器测量应变，并由DSP进行监控。
假如测量到的应变不在容许范围内310，则马达停止，并允许晶片继续放电一段时间312。此时，本发明的一个实施例允许降低312可变电阻，以加速残余电荷从所述晶片经过举升柱状结构和轭的去除。继续进行测量和监控308应变，直到应变介于容许限值内为止。
假如测量到的应变在容许限值内310，然后检查晶片举升高度314，以确定晶片是否到达期望取回高度。假如晶片没有到达期望取回高度，马达再次增进306，进一步举升所述晶片。可选地，假如晶片已经达到期望取回高度，马达不再增进，可以从加工处理室中将所述晶片取出316。假如需要加工另一个晶片，则将下一个晶片放在320举升柱状结构上，降低322至晶片座，并重复图3的过程。否则，终止图3的过程。
因此，现在在从晶片座开始举升晶片的过程中，可以针对加工后的残余电荷智能监控所述晶片。如上所述，在晶片上存在过多的残余电荷，将造成晶片和晶片座之间的静电引力，在举升柱状结构向上运动时，这将阻碍晶片移动。由于在一个实施例中，可以通过举升柱状结构迅速地去除晶片残余电荷，因此可以迅速有效地克服对晶片移动的阻力。
本发明的举升机构的一个优点在于提供了一个连续反馈回路。作用力反馈回路被配置成只有当静电引力减少到最小时才控制举升柱状结构，以减少举升晶片所需的力量。根据晶片的大小，作用力反馈回路知道足够的引力何时已经被消除，因此使得举升机构的导向螺杆得以安全增进。如果没有所述反馈回路，现有技术系统只会根据盲目的定时算法来举升所述柱状结构。不幸的是，由于静电放电通常是不均匀和不可预测的，现有技术的气压控制的举升柱状结构可能会撞穿晶片。
另外，尽管上述参数和与Lam Research Rainbow 4520XL加工处理室相容的一种半导体晶片举升设备有关，但是可以修改参数以用于其它的处理室和晶片座，并可用于不同大小和形状的晶片，如在半导体设备和平板显示器生产中使用的晶片。
虽然根据几个优选实施例对本发明进行描述，但是允许在本发明范围内的更改和变化。值得注意的是，许多不同的方法实施本发明的方法和装置。因此，应当按照包括在本发明宗旨和范围内的所有变化和更改来解释以下所附权利要求。
权利要求
1.在晶片加工处理室中，一种用于在加工完成时控制晶片举升离开带静电的晶片座的晶片举升机构，所述晶片举升机构包括定位于带静电的晶片座之下的柱状举升轭，所述柱状举升轭拥有一组与之相连接的柱状结构，所述组柱状结构被配置成横穿过带静电的晶片座，并和所述晶片的底面接触；和所述柱状举升轭相连接的连杆，所述连杆是可移动的，以便使所述柱状举升轭和所述组柱状结构得以在带静电的晶片座中移动，并和所述晶片的底面相接触，一旦和所述晶片的底面接触，所述组柱状结构就能举升所述晶片离开所述带静电的晶片座；用于移动所述连杆的马达；和作用力反馈系统，用于在举升过程中限制所述组柱状结构向所述晶片的底面施加作用力。
2.如权利要求1中所述的晶片举升机构，其中所述作用力反馈系统进一步包含应变测量器，用于测定所述组柱状结构向所述晶片的底面施加的作用力；数字信号处理器，用于接收和所述施加的作用力有关的数据；马达控制器，用于控制所述马达；和编码器。
3.如权利要求2中所述的晶片举升机构，其中所述编码器被配置成用来将连杆位置数据传送到所述马达控制器和所述数字信号处理器，使得所述数字信号处理器可以指示所述马达延迟移动所述连杆，直到所述施加的作用力回落到门限级以下。
4.如权利要求1中所述的晶片举升机构，还包括放电开关，所述放电开关被耦合在所述柱状举升轭和大地之间。
5.如权利要求4中所述的晶片举升机构，其中所述开关被配置成关闭并提供从所述柱状举升轭到大地之间的直接路径，以便加速带静电的晶片座的放电。
6.如权利要求4中所述的晶片举升机构，进一步包含电阻，所述电阻被耦合在所述开关和大地之间。
7.如权利要求1中所述的晶片举升机构，其中所述电阻是可变电阻。
8.如权利要求1中所述的晶片举升机构，其中所述连杆是由所述马达控制的导向螺杆。
9.一种用于在完成加工时控制将基底举升离开带静电的晶片座的基底举升机构，所述基底举升机构包括具有与一组柱状结构相连接的柱状举升轭，所述组柱状结构被配置成接触所述基底的底面；与所述柱状举升轭相连接的导向螺杆；用于移动所述导向螺杆的马达；以及作用力反馈系统，所述作用力反馈系统包括用于确定对所述组柱状结构的阻力的应变测量器；用于接收有关所述阻力的数据的数字信号处理器；用于控制所述马达的马达控制器；以及编码器，所述编码器被配置成用于将导向螺杆位置数据传送到所述马达控制器和数字信号处理器。
10.如权利要求9所述的基底举升机构，其中所述数字信号处理器延迟马达移动导向螺杆，直到所述阻力落在所述基底的门限级以下为止。
11.如权利要求9所述的基底举升机构，还包括放电开关，所述放电开关被耦合在所述柱状举升轭和大地之间。
12.如权利要求11所述的基底举升机构，其中所述放电开关被配置成关闭并提供从所述柱状举升轭到大地之间的直接路径，以加速带静电的晶片座的放电。
13.如权利要求11所述的基底举升机构，还包括电阻，所述电阻被耦合在所述开关和大地之间。
14.如权利要求11所述的基底举升机构，其中所述电阻是可变电阻。
15.一种用于在加工过程完成时将晶片举升离开带静电的晶片座的方法，所述方法包含经过带静电的晶片座将一组柱状结构举向所述晶片的底面；实现所述组柱状结构和所述晶片的底面之间的接触；将举升力施加到所述晶片的底面；监控所述举升力；和当所述监控表明已经到达门限级时，停止所述举升力。
16.如权利要求15中所述的举升晶片的方法，进一步包含继续向所述晶片的底面施加所述举升力；和当所述晶片被举升一举升高度时，终止所述举升力。
17.如权利要求15中所述的举升晶片的方法，其中所述监控包括处理一应变值。
18.如权利要求17中所述的举升晶片的方法，其中所述应变值被用于确定是否到达门限值。
19.如权利要求18中所述的举升晶片的方法，其中所述门限值是要施加在所述晶片背面的举升力的最大值的信号。
20.如权利要求15中所述的举升晶片的方法，还包括增强所述晶片到大地的放电。
全文摘要
提供了一种在晶片加工过程完成后用来将晶片举升离开带静电的晶片座的装置和方法。在一个特例中，定义了一种在加工完成时，用以控制将晶片举升离开带静电的晶片座的晶片举升机构。所述晶片举升机构包括定位于带静电的晶片座之下的柱状举升轭。所述柱状举升轭拥有一组与之连接的柱状结构，所述组柱状结构被配置成横穿过带静电的晶片座，并与所述晶片的底面接触。也提供了一个和所述柱状举升轭相连接的连杆。所述连杆是可移动的，因此使所述柱状举升轭和所述组柱状结构得以在带静电的晶片座中移动，并和所述晶片的底面接触，一旦和所述晶片的底面接触，所述组柱状结构就能将所述晶片举升离开晶片座。另外还包括用来移动所述连杆的马达，和用来在举升过程中限制所述组柱状结构向所述晶片的底面施加作用力的作用力反馈系统。在一个例子中，当应变级增加到可能会引起晶片损坏的级别时，中止施加作用力，就象在那些晶片因为静电引力而强有力地依附在晶片座的例子中那样。
文档编号H01L21/683GK1513200SQ02811098
公开日2004年7月14日 申请日期2002年3月21日 优先权日2001年3月30日
发明者T·W·安德森, G·S·塞克斯顿, T W 安德森, 塞克斯顿 申请人:兰姆研究有限公司