專(zhuān)利名稱(chēng)：用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，屬于真空等離子體工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體芯片以及其它種類(lèi)的微電子芯片的生產(chǎn)制造過(guò)程中，等離子體工藝技術(shù)，尤其是等離子體刻蝕技術(shù)和氣相薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用。等離子體刻蝕，就是在襯底材料表面有局域選擇性地去除物質(zhì)；氣相薄膜生長(zhǎng)，就是在襯底表面有局域選擇性地生長(zhǎng)出新的物質(zhì)。而實(shí)現(xiàn)這種局域選擇性，則要利用敷蓋在襯底表面的掩膜板產(chǎn)生精確的圖形轉(zhuǎn)移，使襯底表面有的區(qū)域被遮蓋，有的區(qū)域則被裸露出來(lái)。通常所涉及到的襯底材料，大致有三類(lèi)元素半導(dǎo)體(如硅、鍺等)、化合物半導(dǎo)體(如砷化鎵、碳化硅等)和其它材料(如石英、藍(lán)寶石、玻璃等)。在大多數(shù)情況下，襯底材料呈現(xiàn)晶體形態(tài)，并且以圓形薄片的形式應(yīng)用于芯片制造過(guò)程。當(dāng)晶片襯底暴露在等離子體中時(shí)，由于電場(chǎng)和等離子體介質(zhì)的作用，能量被傳遞到晶片襯底的表面。如果 這種能量不能有效地散除，襯底溫度就會(huì)升高。在大多數(shù)時(shí)候，襯底溫度升高如果得不到有效控制，就會(huì)對(duì)芯片的制造工藝造成有害影響。比如，在許多工藝中，人們使用有機(jī)光阻膠材料作為掩膜板，在溫度超過(guò)120-150°C時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生焦糊現(xiàn)象，既降低掩膜板的選擇保護(hù)功能，又對(duì)后續(xù)清除光阻膠的工藝步驟造成困難。又比如，有些芯片的制造工藝要求晶片襯底保持較低溫度，否則芯片的功能就會(huì)受到損害。在另一方面，為了提高芯片制造工藝的生產(chǎn)效率，人們往往要通過(guò)增加等離子體的能量密度和介質(zhì)密度來(lái)提高薄膜生長(zhǎng)或刻蝕的速率，其結(jié)果是增大晶片襯底在工藝過(guò)程中升溫的趨向。去除晶片襯底從等離子體中所獲得的熱量，就需要在真空環(huán)境下對(duì)晶片襯底進(jìn)行冷卻。一般的技術(shù)辦法是將晶片襯底放置于電極上，在襯底背面與電極表面之間的空隙內(nèi)引入氣體作為導(dǎo)熱介質(zhì)，對(duì)晶片襯底進(jìn)行冷卻。使用最多的氣體是惰性氣體氦氣(He)，因?yàn)樗哂休^好的導(dǎo)熱性能。為了達(dá)到足夠的冷卻效率，晶片襯底背面的氦氣壓力一般要維持在幾托至幾十托(Torr)的范圍內(nèi)?？墒?，等離子體工藝腔室的工作壓力一般只有幾十毫托(mTorr)，因此，對(duì)晶片襯底背面的氦氣需要進(jìn)行密封處理，否則氦氣就會(huì)泄漏到工藝氣氛中。通常使用機(jī)械式卡壓裝置，從晶片襯底正面的周?chē)吘墝?duì)晶片施加機(jī)械壓力，將襯底緊密地壓固在電極表面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氦氣的密封。另一種辦法是采用靜電吸盤(pán)的方式，從晶片襯底背面施加較大的吸附力，從而將襯底均勻緊密地吸固在電極表面，起到密封氦氣的效果。機(jī)械式卡壓裝置比靜電吸盤(pán)簡(jiǎn)單，具有適用范圍較廣、機(jī)械可靠性較好、制造成本較低等特點(diǎn)。目前，在各種類(lèi)型的真空等離子體工藝設(shè)備中，有一半以上的設(shè)備采用機(jī)械式卡壓裝置來(lái)緊固晶片襯底。傳統(tǒng)的機(jī)械式卡壓裝置由幾部分組成，主要包括陶瓷壓環(huán)、壓環(huán)連桿、支架，以及與支架直接連接在一起的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。一般而言，陶瓷壓環(huán)和金屬連桿的一部分要置于真空工藝腔室內(nèi)，壓環(huán)連桿的其余部分、支架和驅(qū)動(dòng)電機(jī)要置于工藝腔室外，處在大氣壓環(huán)境中，因此，在系統(tǒng)中還需要能夠?qū)崿F(xiàn)真空密封的機(jī)構(gòu)。陶瓷壓環(huán)的外徑大于電極的外徑；陶瓷壓環(huán)的內(nèi)徑小于晶片襯底的外徑，以便于在與晶片襯底對(duì)準(zhǔn)位置的條件下，能夠完全覆蓋晶片襯底的邊緣。在使用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作豎直方向的上下運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)與該電機(jī)直接相連的支架和與支架直接相連的連桿，帶動(dòng)陶瓷壓環(huán)發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)。晶片襯底放置在等離子體工藝設(shè)備的電極上表面，但是處于陶瓷壓環(huán)的下方。陶瓷壓環(huán)向下運(yùn)動(dòng)，直到與晶片襯底的上表面相接觸，從而到達(dá)其至最低位置。在此位置上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)并且鎖緊，繼續(xù)對(duì)支架、壓環(huán)連桿和陶瓷壓環(huán)施加向下的拉力。依靠這個(gè)拉力，就可以將晶片襯底緊密地壓固在電極表面上，實(shí)現(xiàn)密封氦氣的目的。陶瓷壓環(huán)向上運(yùn)動(dòng)，與晶片襯底脫離接觸，直到可允許的最高位置。此時(shí)，晶片襯底在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，也可以向上運(yùn)動(dòng)，與電極表面脫離接觸，升至某個(gè)特定的位置，等待機(jī)械手將其移卸和傳送。在這里描述的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，涉及到幾個(gè)特定的位置，包括陶瓷壓環(huán)的最低位置、陶瓷壓環(huán)的最高位置和晶片襯底的最高位置，這些位置需要通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如在裝置中設(shè)置限位開(kāi)關(guān)或者行程開(kāi)關(guān)，或/和預(yù)先通過(guò)校準(zhǔn)調(diào)節(jié)來(lái)設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同步驟下的運(yùn)動(dòng)行程，等等。傳統(tǒng)的機(jī)械式晶片卡壓裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，尤其是對(duì)陶瓷壓環(huán)運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)的控制方式存在弊端。首先，不同晶片襯底的厚度會(huì)不一樣，表面平整度也會(huì)不一樣。對(duì)同一批同一直徑規(guī)格的晶片襯底,其厚度和表面平整度有一定的公差范圍；在極端的情況下，陶瓷壓環(huán)能“感知”的厚度差異可以達(dá)到O. 1-0. 2毫米。這樣，在使用同一工藝處理多個(gè)晶片襯底的情況下，當(dāng)陶瓷壓環(huán)運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)置的最低位置時(shí)，稍薄的晶片襯底有可能不會(huì)被有效地壓緊，稍厚的晶片襯底則有可能會(huì)被壓得過(guò)緊而破損。其次，由于陶瓷壓環(huán)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間采用硬連接的方式，在陶瓷壓環(huán)的下表面與晶片襯底表面接觸的瞬間，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)當(dāng)即時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，以使陶瓷壓環(huán)也即時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)沒(méi)有即時(shí)停止或者停止的時(shí)間稍晚，比如只有O. 1-0. 2秒，就會(huì)對(duì)晶片襯底產(chǎn)生很大的瞬間沖擊力。晶片襯底材料往往具有較大的易脆性，這種瞬間沖擊力很可能造成晶片襯底的表面損傷或者破裂。在現(xiàn)實(shí)中，不可能徹底消除晶片襯底在厚度和表面平整度上的差異，也不可能頻繁地打斷生產(chǎn)節(jié)奏，對(duì)機(jī)械式卡盤(pán)裝置的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的校準(zhǔn)調(diào)節(jié)，以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)每一次的停機(jī)時(shí)機(jī)都恰到好處。因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式晶片卡壓裝置進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，利用永磁體的磁力耦合連接陶瓷壓環(huán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，改善陶瓷壓環(huán)在接觸晶片襯底時(shí)和接觸后對(duì)晶片襯底的施力方式，以增強(qiáng)對(duì)不同厚度和表面平整度的晶片襯底的適應(yīng)性，降低晶片襯底的破損。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，包括晶片襯底03和電極02，所述晶片襯底03放置于電極02上，其特征在于還包括陶瓷壓環(huán)04、壓環(huán)連桿05、連桿支架06、永磁體組對(duì)07、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、電機(jī)支 架11 ;所述陶瓷壓環(huán)04設(shè)置在晶片襯底03上方，通過(guò)壓環(huán)連桿05與連桿支架06相連接；所述永磁體組對(duì)07包括兩個(gè)相對(duì)應(yīng)設(shè)置相互磁力耦合的第一組永磁體和第二組永磁體；所述第一組永磁體與連桿支架06固定連接，所述第二組永磁體固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)10上,所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)10活動(dòng)連接設(shè)置在電機(jī)支架11上。還包括真空腔體01，所述電極02與真空腔體01形成一個(gè)閉合的真空腔室，所述晶片襯底03和陶瓷壓環(huán)04置于所述真空腔室內(nèi)；所述壓環(huán)連桿05上端設(shè)置在真空腔室內(nèi)與陶瓷壓環(huán)04相連，穿過(guò)真空腔體01的腔壁，另一端設(shè)置在真空腔室外與連桿支架06相連。還包括軟性真空波紋管12，在所述真空腔體01外表面與連桿支架06之間的壓環(huán)連桿05外套置有起真空密封作用的軟性真空波紋管12。還包括永磁體支架08和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09，所述第一組永磁體通過(guò)永磁體支架08與連桿支架06固定連接，所述永磁體支架08活動(dòng)連接設(shè)置在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09上。還包括晶片頂針13和頂針支架15，所述晶片頂針13穿過(guò)電極02，頂端與晶片襯底03的下表面接觸，底端抵在頂針支架15上；和/或，還包括驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16，所述連桿支架06上固定設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)晶片頂針13作上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16，所述驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16上端結(jié)構(gòu)與頂針支架15底部相配合 。還包括軟性波紋管14，在所述電極02與頂針支架15之間的晶片頂針13外套置有起真空密封作用的軟性波紋管14。所述第一組永磁體和第二組永磁體為一塊或多塊永磁體，且平行設(shè)置在同一平面上相對(duì)應(yīng)位置；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體平行端面之間的垂直距離為2-20暈米。所述第一組永磁體和第二組永磁體為剩磁度在O. 5-1. 5特斯拉的永磁體；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體為稀土永磁體；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體為釹鐵永磁體或釤鈷永磁體。所述第一組永磁體和第二組永磁體設(shè)置有用于實(shí)現(xiàn)磁力耦合的加強(qiáng)體，和/或，所述加強(qiáng)體的材質(zhì)對(duì)永磁體的磁力不產(chǎn)生屏蔽、衰減或發(fā)散，同時(shí)對(duì)高頻電磁輻射能起到屏蔽作用；和/或，所述加強(qiáng)體的材質(zhì)為金屬鋁、鋁合金、陶瓷或硬質(zhì)塑料。所述加強(qiáng)體的厚度比第一組永磁體和第二組永磁體平行端面之間的垂直距離小2-10毫米。有益效果本發(fā)明提供的一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，能夠克服傳統(tǒng)的機(jī)械式晶片卡壓裝置不能兼容不同厚度和表面平整度的晶片襯底的技術(shù)缺陷，增加了裝晶片卡壓裝置的使用可靠性；還能夠有效地降低甚至消除在陶瓷壓環(huán)在接觸到晶片襯底表面時(shí)對(duì)晶片襯底廣生的瞬間沖擊力，從而減少晶片襯底的表面損傷或者晶片破裂的幾率，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)利用成永磁體組對(duì)的強(qiáng)磁力耦合，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為施加到到晶片襯底表面的壓力。放置在真空腔室外面與耦合永磁體組對(duì)中的一塊或一組永磁體，和驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定連接在一起，隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)作上下運(yùn)動(dòng)；耦合永磁體組對(duì)中的另一塊或一組和陶瓷壓環(huán)連接在一起，通過(guò)磁力耦合，帶動(dòng)放置在真空腔室內(nèi)的陶瓷壓環(huán)作上下運(yùn)動(dòng)，發(fā)生陶瓷壓環(huán)在真空腔室內(nèi)對(duì)晶片襯底的卡壓或松開(kāi)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與陶瓷壓環(huán)之間的這種連接方式不是機(jī)械式的“硬連接”，而是一種具有自我調(diào)節(jié)特性的“軟連接”方式。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2和圖3為本發(fā)明另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)不意 圖4為本發(fā)明中永磁體組對(duì)之間的水平方向吸引力隨相對(duì)位移的變化 圖5為本發(fā)明的晶片卡壓裝置的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意 圖6為本發(fā)明述在驅(qū)動(dòng)電機(jī)行程過(guò)量的情形下施加于晶片襯底表面的壓力狀態(tài)圖。其中真空腔體01、電極02、晶片襯底03、陶瓷壓環(huán)04、壓環(huán)連桿05、連桿支架06、永磁體組對(duì)07、永磁體支架08、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、電機(jī)支架11、軟性真空波紋管
12、晶片頂針13、軟性波紋管14、頂針支架15、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，包括電極02、晶片襯底03、陶瓷壓環(huán)04、壓環(huán)連桿05、連桿支架06、永磁體組對(duì)07、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、和電機(jī)支架11 ;所述晶片襯底03放置于電極02上，所述陶瓷壓環(huán)04設(shè)置在晶片襯底03上方，通過(guò)壓環(huán)連桿05與連桿支架06相連接；所述永磁體組對(duì)07包括兩個(gè)相對(duì)應(yīng)設(shè)置相互磁力耦合的第一組永磁體和第二組永磁體；所述第一組永磁體與連桿支架06固定連接，所述第二組永磁體固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)10上,所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)10活動(dòng)連接設(shè)置在電機(jī)支架11上。還包括真空腔體01，所述電極 02與真空腔體01形成一個(gè)閉合的真空腔室，所述晶片襯底03和陶瓷壓環(huán)04置于所述真空腔室內(nèi)；所述壓環(huán)連桿05上端設(shè)置在真空腔室內(nèi)與陶瓷壓環(huán)04相連，穿過(guò)真空腔體01的腔壁，另一端設(shè)置在真空腔室外與連桿支架06相連。還包括軟性真空波紋管12，所述真空腔體01外表面與連桿支架06之間的壓環(huán)連桿05外套置有起真空密封作用的軟性真空波紋管12。還包括永磁體支架08和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09，所述第一組永磁體通過(guò)永磁體支架08與連桿支架06固定連接，所述永磁體支架08活動(dòng)連接設(shè)置在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09上。如圖2和圖3所示，一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，包括真空腔體01、電極02、晶片襯底03、陶瓷壓環(huán)04、壓環(huán)連桿05、連桿支架06、永磁體組對(duì)07、永磁體支架08、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、電機(jī)支架11、軟性真空波紋管12、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16 ;還包括晶片頂針13和頂針支架15，所述晶片頂針13穿過(guò)電極02，頂端與晶片襯底03的下表面接觸，底端抵在頂針支架15上；和/或，還包括驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16，所述連桿支架06上固定設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)晶片頂針13作上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16，所述驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16上端結(jié)構(gòu)與頂針支架15底部相配合。還包括軟性波紋管14，所述電極02與頂針支架15之間的晶片頂針13外套置有起真空密封作用的軟性波紋管14。作為優(yōu)選方案，所述第一組永磁體和第二組永磁體為一塊或多塊永磁體，且平行設(shè)置在同一平面上相對(duì)應(yīng)位置；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體平行端面之間的垂直距離為2-20毫米。作為優(yōu)選方案，所述第一組永磁體和第二組永磁體為剩磁度在O. 5-1. 5特斯拉的永磁體；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體為稀土永磁體；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體為釹鐵永磁體或衫鈷永磁體。
作為優(yōu)選方案，所述第一組永磁體和第二組永磁體設(shè)置有用于實(shí)現(xiàn)磁力耦合的加強(qiáng)體，和/或，所述加強(qiáng)體的材質(zhì)對(duì)永磁體的磁力不產(chǎn)生屏蔽、衰減或發(fā)散，同時(shí)對(duì)高頻電磁輻射能起到屏蔽作用；和/或，所述加強(qiáng)體的材質(zhì)為金屬鋁、鋁合金、陶瓷或硬質(zhì)塑料。作為優(yōu)選方案，所述加強(qiáng)體的厚度比第一組永磁體和第二組永磁體平行端面之間的垂直距離小2-10毫米。本發(fā)明中，晶片襯底03和陶瓷壓環(huán)04都放置于真空腔室內(nèi)，壓環(huán)連桿05穿過(guò)真空腔體01的腔壁，其余構(gòu)件都可以放置于真空腔室外的大氣壓環(huán)境中。為了實(shí)現(xiàn)真空密封，在所述真空腔室的腔壁開(kāi)孔處和連桿支架06之間還安裝了具有真空密封功能的軟性真空波紋管12。陶瓷壓環(huán)04、壓環(huán)連桿05和連桿支架06 —體固定連接；永磁體組對(duì)07中左邊的一塊永磁體塊固定連接在永磁體支架08上,永磁體支架08固定安裝在連桿支架06的底部。這樣，這幾個(gè)構(gòu)件便組成了一個(gè)一體連接的機(jī)構(gòu)。當(dāng)所述永磁體塊作上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以帶動(dòng)這個(gè)一體連接的機(jī)構(gòu)作上下運(yùn)動(dòng)。為了控制上下運(yùn)動(dòng)的方向和準(zhǔn)確性，永磁體支架08還需要同固定的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09密切配合安裝；通過(guò)選用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械零件結(jié)構(gòu)(比如滾軸滑輪)、導(dǎo)桿材料以及加工精度，永磁體支架08和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09之間的運(yùn)動(dòng)摩擦力可以很小。永磁體組對(duì)07中右邊的永磁體塊與驅(qū)動(dòng)電機(jī)10固定連接在一起。所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要安裝在固定的電機(jī)支架11上，當(dāng)電機(jī)的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)10就可以沿著電機(jī)支架11作上下運(yùn)動(dòng)。在這里，所述電機(jī)支架11還起到控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向和準(zhǔn)確性的作用。所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)，也可以是伺服電機(jī)，需要輸出O. 001 - O.1米/秒的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度和10-100牛頓的驅(qū)動(dòng)力。為了保證通過(guò)永磁體磁力傳遞運(yùn)動(dòng)的有效性和準(zhǔn)確性，所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿09和電機(jī)支架11需要平行安裝。本發(fā)明與傳統(tǒng)的裝置有很大的不同。在傳統(tǒng)的卡壓裝置中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與陶瓷壓環(huán)之間是通過(guò)機(jī)械的連桿和支架直接 進(jìn)行固定連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力，以機(jī)械的方式直接傳遞給陶瓷壓環(huán)，施加到晶片襯底上。在本發(fā)明的卡壓裝置中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與陶瓷壓環(huán)之間沒(méi)有通過(guò)機(jī)械的支架和連桿直接進(jìn)行固定連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力，以磁場(chǎng)耦合的物理方式傳遞給陶瓷壓環(huán)，并施加到晶片襯底上。通過(guò)耦合永磁體的磁力方式傳遞動(dòng)力，其原理在于兩塊相互吸引的永磁體會(huì)在磁場(chǎng)的作用下保持一個(gè)穩(wěn)定的相對(duì)位置。當(dāng)一對(duì)永磁體中的一塊永磁體發(fā)生運(yùn)動(dòng)并且偏離原來(lái)的穩(wěn)定位置時(shí)，磁力線(xiàn)就會(huì)推動(dòng)這一塊永磁體或者另一塊永磁體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，以求恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定的相對(duì)位置。因此，兩塊永磁體之間的耦合磁力的大小就成為能否實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)力有效傳遞的關(guān)鍵指標(biāo)。首先，兩塊永磁體需要能有效地實(shí)現(xiàn)耦合。在實(shí)際應(yīng)用中，可將永磁體組對(duì)中兩塊永磁體的端面相對(duì)平行設(shè)置，保持一定的空間間隙，并且在兩塊永磁體之間的間隙內(nèi)不放置其它任何阻隔物，如圖1所示。為了盡量提高永磁體組對(duì)之間的磁力，兩塊永磁體平行端面之間的垂直距離保持在2-20毫米的范圍內(nèi)，而且在晶片卡壓裝置的整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，所述永磁體組對(duì)始終保持端面相對(duì)平行的狀態(tài)，并且端面之間的垂直距離保持恒定不變。在實(shí)際應(yīng)用的其它情形下，兩塊永磁體的平行端面之間可能需要放置其它物體。t匕如，在永磁體組對(duì)所處的局部空間里，可能存在較強(qiáng)的射頻電磁輻射。為了避免電磁輻射對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器的干擾，需要在其周?chē)O(shè)置金屬板，以屏蔽和保護(hù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器。當(dāng)一塊具有一定厚度的材料置于兩塊永磁體之間時(shí)，如果材料選擇得當(dāng)，磁力線(xiàn)還是可以會(huì)穿越該材料，達(dá)到磁力耦合，只是磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)受到一定程度的衰減或者發(fā)散。因此，阻隔材料不應(yīng)是不銹鋼系列材料，比如304或316系列的不銹鋼材料，因?yàn)殍F質(zhì)材料會(huì)在磁力線(xiàn)的作用下發(fā)生磁化，導(dǎo)致磁力耦合失效，但可以是鋁、鋁合金、陶瓷、硬質(zhì)塑料等任何不易磁化并且對(duì)射頻電磁波有良好的屏蔽性能的材料。為了減少磁場(chǎng)的衰減程度，材料的厚度不宜過(guò)厚，并且厚度小于永磁體組對(duì)平行端面之間的垂直距離。使用鋁或鋁合金材料時(shí)，材料厚度在2-5毫米的范圍內(nèi)，而且在永磁鐵組對(duì)運(yùn)動(dòng)的行程范圍內(nèi)，材料厚度不能顯著地發(fā)生變化，以免耦合的磁力在行程范圍內(nèi)發(fā)生較大的變化。其次，兩塊永磁體組對(duì)之間的磁力的大小需要與傳動(dòng)的有效負(fù)荷相匹配。換言之，如果磁力較弱，就不足以推動(dòng)過(guò)重的傳動(dòng)負(fù)荷，那么通過(guò)磁力傳遞運(yùn)動(dòng)的有效性就會(huì)降低。因此，在設(shè)計(jì)和使用本發(fā)明所描述的傳動(dòng)裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮兩點(diǎn)(1)永磁體的剩磁強(qiáng)度需要足夠大，(2)被傳遞的有效負(fù)荷需要盡量小。永磁體組對(duì)，如果是由剩磁度較大的永磁體組成，則其間的磁力就較大。在上世紀(jì)八十年代，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了具有超強(qiáng)磁力的稀土系列的釹鐵永磁體(Nd2Fel4B)和釤鈷永磁體(SmCo),它們的剩磁度分別在O. 6—1. 4特斯拉和O. 8—1. 2特斯拉，大約是普通鐵鎳磁永磁體的5 —10倍或者更高。在今天，具有超強(qiáng)磁力并且體積緊湊的釹鐵永磁體已經(jīng)成為常見(jiàn)商品，在市場(chǎng)上可以適宜的價(jià)格廣泛獲得。如圖1至圖3所示，同陶瓷壓環(huán)一體連接的機(jī)構(gòu)往往具有O. 5-5公斤的自重；可以再包括裝置中彈簧構(gòu)件(未在圖上標(biāo)出)的作用力和構(gòu)件之間的摩擦力，一體連接的機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的有效負(fù)荷可能達(dá)到2-20公斤。永磁體組對(duì)07則要提供能夠驅(qū)動(dòng)該有效負(fù)荷的磁力。

本發(fā)明的真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置的另一種實(shí)現(xiàn)方式的實(shí)例如圖2所示。除了如圖1所述的機(jī)械構(gòu)件外，還包括晶片頂針13和頂針支架15。在這個(gè)實(shí)例中，晶片頂針13穿過(guò)電極02，其頂端與晶片襯底03的下表面接觸。由于真空密封的需要，在所述電極的開(kāi)孔處和頂針支架15之間還安裝了具有真空密封功能的軟性波紋管14。為了驅(qū)動(dòng)晶片頂針13作上下運(yùn)動(dòng)，在連桿支架06和頂針支架15之間還安裝了驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16，所述驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿與連桿支架06固定連接在一起，并且與頂針支架15底部的錐形套有位置上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在晶片卡壓裝置處于最低位置時(shí)，頂針支架15與驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16處于分離狀態(tài)。如圖3所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)10沿電機(jī)支架11向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，永磁體組對(duì)07之間的磁力帶動(dòng)永磁體支架08向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿支架06和壓環(huán)連桿05，驅(qū)動(dòng)陶瓷壓環(huán)04運(yùn)動(dòng)到最高位置。在此過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16也向上運(yùn)動(dòng)，并且與頂針支架15底部的錐形套實(shí)現(xiàn)對(duì)接配合，推動(dòng)晶片頂針13向上運(yùn)動(dòng)，使晶片襯底03離開(kāi)電極表面并到達(dá)其最高位置，從而為晶片襯底03被傳送退出等離子體工藝腔室做準(zhǔn)備。當(dāng)然，對(duì)陶瓷壓環(huán)04和晶片襯底03而言，其各自的最高位置不能一樣。此時(shí)，晶片襯底03的上表面應(yīng)當(dāng)比陶瓷壓環(huán)04的最下端的表面低2-5毫米，以便于晶片襯底03便捷地由機(jī)械手(圖中未畫(huà)出)傳送離開(kāi)真空腔室。在圖3所示的最高位置上，如果晶片襯底03已經(jīng)被移走，那么下一個(gè)晶片襯底就可以由機(jī)械手傳送進(jìn)入真空腔室，并且被放置于晶片頂針13上。完成這一動(dòng)作后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)10就可以沿電機(jī)支架11向下運(yùn)動(dòng)。在永磁體組對(duì)07之間的磁力作用下，永磁體支架08也跟隨向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿支架06、壓環(huán)連桿05和陶瓷壓環(huán)04向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16也向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)頂針支架15和晶片頂針13向下運(yùn)動(dòng)；最終，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿16與頂針支架15底部的錐形套脫離，晶片襯底03被放置于電極02的表面(參見(jiàn)圖2)。隨后，陶瓷壓環(huán)04也運(yùn)動(dòng)到接近其最低位置，開(kāi)始與晶片襯底03的上表面接觸，對(duì)其施加向下的壓力。此時(shí)，陶瓷壓環(huán)04與晶片襯底03的上表面接觸的方式，同永磁體組對(duì)之間的磁力特性有直接關(guān)系，如圖4所示在一對(duì)端面呈平行狀態(tài)并且分開(kāi)放置的永磁體之間，存在一個(gè)穩(wěn)定的相對(duì)位置，通常是當(dāng)兩塊永磁體互相對(duì)齊的位置。在此位置上，沒(méi)有水平方向的吸引力。但是，只要兩塊永磁體之間的相對(duì)水平位置偏離這一穩(wěn)定的相對(duì)位置，就會(huì)在兩塊永磁體之間產(chǎn)生水平方向的吸引力，而且其大小同永磁體之間的相對(duì)水平位移密切相關(guān)。在很小的范圍內(nèi)，比如2-5毫米，水平方向的吸引力隨著相對(duì)水平位移的增加而急劇增加；在此范圍之外，水平方向的吸引力隨著相對(duì)水平位移的增加而減小。正是這種水平方向的吸引力，使永磁體組對(duì)有恢復(fù)和保持在穩(wěn)定的相對(duì)位置的趨向。進(jìn)一步，當(dāng) 永磁體組對(duì)中的一塊永磁體(主動(dòng)永磁體)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí),另一塊永磁體(被動(dòng)永磁體)需要在水平方向吸引力產(chǎn)生之后才能發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因此，被動(dòng)永磁體的運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上要滯后于主動(dòng)永磁體。這種滯后效應(yīng)，是消除由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程過(guò)量而對(duì)晶片襯底表面造成的瞬間沖擊力的前提?，F(xiàn)在來(lái)看一看實(shí)際可能發(fā)生的情形，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程過(guò)量或者晶片襯底厚度過(guò)大，在陶瓷壓環(huán)接觸到晶片襯底表面的瞬間，驅(qū)動(dòng)電機(jī)還在繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，在如圖5所示中，只畫(huà)出了等離子體工藝設(shè)備的電極02、晶片襯底03、陶瓷壓環(huán)04、壓環(huán)連桿
05、連桿支架06、永磁體組對(duì)07、永磁體支架08和驅(qū)動(dòng)電機(jī)10，其中永磁體組對(duì)07以虛線(xiàn)圓圈標(biāo)示出來(lái)。在這里，在陶瓷壓環(huán)04接觸到晶片襯底03的瞬間，驅(qū)動(dòng)電機(jī)10還在繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。可是，由于晶片襯底03放置于固定的電極02表面上，所以一旦陶瓷壓環(huán)接觸到晶片襯底，其運(yùn)動(dòng)即刻停止，在永磁體組對(duì)07中左邊的永磁體也不得不即刻停止運(yùn)動(dòng)。在陶瓷壓環(huán)04接觸到晶片襯底03的瞬間，永磁體組對(duì)07中兩塊永磁體之間存在一個(gè)相對(duì)位置，不妨將此位置稱(chēng)為“位置I”。在此位置上，陶瓷壓環(huán)在瞬間施加到晶片襯底03表面的壓力相當(dāng)于在正常運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的永磁體耦合磁力。由于耦合永磁體的滯后效應(yīng)，所述耦合磁力較小，因此，施加到晶片襯底表面的壓力也較小，如圖6所示。在永磁體組對(duì)07中左邊的永磁體停止運(yùn)動(dòng)之后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)10和固定連接在電機(jī)上的另一塊永磁體繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)“位置2”，此時(shí)永磁體組對(duì)07中的兩塊永磁體之間的相對(duì)位移增加，導(dǎo)致由陶瓷壓環(huán)04施加到晶片襯底03表面的壓力加大，進(jìn)一步增加對(duì)晶片襯底的卡壓力。不過(guò)，這種壓力是在陶瓷壓環(huán)和晶片襯底都處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)施加的，所以不會(huì)有任何沖擊的效果。驅(qū)動(dòng)電機(jī)10繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到“位置3”才停止。同樣的道理，陶瓷壓環(huán)04施加到晶片襯底03表面的壓力進(jìn)一步加大，更增加了對(duì)晶片襯底的卡壓力，但是這種壓力還是不會(huì)對(duì)晶片襯底有任何沖擊的效果。本發(fā)明涉及到的機(jī)械式晶片卡壓裝置的技術(shù)優(yōu)良性可以從前面的描述中得到說(shuō)明。在傳統(tǒng)的晶片卡壓裝置中，晶片襯底所承受的壓力相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直接輸出力，該輸出力的大小取決于電機(jī)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；馬達(dá)的轉(zhuǎn)速越低，輸出力越大。而人們通常所關(guān)注的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度可能很低，而輸出力卻很大。這樣，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力傳送到晶片襯底的表面時(shí)，就可能造成對(duì)晶片襯底的損傷。但是，通過(guò)永磁體組對(duì)傳輸動(dòng)力時(shí)，情形就大不一樣。輸送到晶片襯底表面的力的大小，同驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力的關(guān)系不大，反而同驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度直接相關(guān)；直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的速度越低，輸送力越小。這樣，只要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度合適，比如O. 005-0. 01米/秒，在陶瓷壓環(huán)接觸到晶片襯底表面的瞬間，施加到晶片襯底上的力就很小。更進(jìn)一步，從前面的說(shuō)明中還可以理解，利用永磁體組對(duì)傳輸動(dòng)力，由于磁力的滯后效應(yīng)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)行程過(guò)量不能適時(shí)停止運(yùn)動(dòng)的情況下，卡壓裝置具有很大的施力柔韌性，因而對(duì)應(yīng)用于不同厚度和表面平整度的晶片襯底有很大的兼容性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，包括晶片襯底(03)和電極(02)，所述晶片襯底(03)放置于電極(02)上，其特征在于還包括陶瓷壓環(huán)(04)、壓環(huán)連桿(05 )、連桿支架(06 )、永磁體組對(duì)(07 )、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(10 )、電機(jī)支架(11);所述陶瓷壓環(huán)(04 )設(shè)置在晶片襯底(03)上方，通過(guò)壓環(huán)連桿(05)與連桿支架(06)相連接；所述永磁體組對(duì)(07)包括兩個(gè)相對(duì)應(yīng)設(shè)置相互磁力耦合的第一組永磁體和第二組永磁體；所述第一組永磁體與連桿支架(06)固定連接，所述第二組永磁體固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)(10)上，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(10)活動(dòng)連接設(shè)置在電機(jī)支架(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于還包括真空腔體(01)，所述電極(02)與真空腔體(01)形成一個(gè)閉合的真空腔室，所述晶片襯底(03)和陶瓷壓環(huán)(04)置于所述真空腔室內(nèi)；所述壓環(huán)連桿(05)上端設(shè)置在真空腔室內(nèi)與陶瓷壓環(huán)(04)相連，穿過(guò)真空腔體(01)的腔壁，另一端設(shè)置在真空腔室外與連桿支架(06)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于還包括軟性真空波紋管(12 )，在所述真空腔體(01)外表面與連桿支架(06 )之間的壓環(huán)連桿(05 )外套置有起真空密封作用的軟性真空波紋管(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于還包括永磁體支架(08 )和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿(09 )，所述第一組永磁體通過(guò)永磁體支架(08 )與連桿支架(06)固定連接，所述永磁體支架(08)活動(dòng)連接設(shè)置在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿(09)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于還包括晶片頂針(13)和頂針支架(15)，所述晶片頂針(13)穿過(guò)電極(02)，頂端與晶片襯底(03)的下表面接觸，底端抵在頂針支架(15)上；和/或，還包括驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿(16)，所述連桿支架(06)上固定設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)晶片頂針(13)作上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿(16)，所述驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿(16)上端結(jié)構(gòu)與頂針支架(15)底部相配合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于還包括軟性波紋管(14)，在所述電極(02)與頂針支架(15)之間的晶片頂針(13)外套置有起真空密封作用的軟性波紋管(14)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于所述第一組永磁體和第二組永磁體為一塊或多塊永磁體，且平行設(shè)置在同一平面上相對(duì)應(yīng)位置；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體平行端面之間的垂直距離為2-20毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于所述第一組永磁體和第二組永磁體為剩磁度在O. 5-1. 5特斯拉的永磁體；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體為稀土永磁體；和/或，所述第一組永磁體和第二組永磁體為釹鐵永磁體或釤鈷永磁體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于所述第一組永磁體和第二組永磁體設(shè)置有用于實(shí)現(xiàn)磁力耦合的加強(qiáng)體，和/或，所述加強(qiáng)體的材質(zhì)對(duì)永磁體的磁力不產(chǎn)生屏蔽、衰減或發(fā)散，同時(shí)對(duì)高頻電磁福射能起到屏蔽作用；和/或，所述加強(qiáng)體的材質(zhì)為金屬鋁、鋁合金、陶瓷或硬質(zhì)塑料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，其特征在于 所述加強(qiáng)體的厚度比第一組永磁體和第二組永磁體平行端面之間的垂直距離小2-10毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于真空等離子體工藝的機(jī)械式晶片卡壓裝置，包括晶片襯底和電極、陶瓷壓環(huán)、壓環(huán)連桿、連桿支架、永磁體組對(duì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)支架；晶片襯底放置于電極上，陶瓷壓環(huán)設(shè)置在晶片襯底上方，通過(guò)壓環(huán)連桿與連桿支架相連接；永磁體組對(duì)包括兩個(gè)相對(duì)應(yīng)設(shè)置相互磁力耦合的第一組永磁體和第二組永磁體；第一組永磁體與連桿支架固定連接，第二組永磁體固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)活動(dòng)連接設(shè)置在電機(jī)支架上。能夠克服現(xiàn)有的機(jī)械式晶片卡壓裝置不能兼容不同厚度和表面平整度的晶片襯底的技術(shù)缺陷，使用可靠；降低和消除在陶瓷壓環(huán)在接觸到晶片襯底表面時(shí)對(duì)晶片襯底產(chǎn)生的瞬間沖擊力，減少晶片襯底的表面損傷或破裂的幾率，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)H01L21/687GK103066003SQ201210523699
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者賴(lài)守亮 申請(qǐng)人:賴(lài)守亮