一种卡盘的水平调节装置以及使用该装置对卡盘进行水平调节的方法

摘要

本发明提供了一种卡盘的水平调节装置，包括卡盘、旋转轴、固定座和数字千分表，卡盘的中心为O，旋转轴的中心轴为Y且竖直，卡盘的中心O在Y轴上；所述旋转轴与卡盘由n个螺丝螺接，n≥3，且n个螺丝在O点所在的水平面上的投影构成一个n边形α的n个顶点；所述固定座上设置有固定杆，该固定杆固定安装有调节螺母，所述数字千分表搭载于调节螺母上，该调节螺母适于调节并锁死数字千分表在竖直方向的高度位置；所述数字千分表的测量端抵住卡盘的表面至有读数，数字千分表的测量端到中心O点的距离为R。同时，本发明还提出了利用上述装置对卡盘进行水平调节的方法。

说明书

技术领域

本发明归属于测量测试领域，尤其涉及一种应用于半导体设备中的卡盘的水平调节装置，以及使用该装置对卡盘进行水平调节的方法。

背景技术

在科学技术与工业工程领域，对一些精密的仪器在水平度上往往有着极高的要求，以确保获得的实验数据或产品足够理想。因此，选取一种优良的水平调节装置并配合科学的调节方法，能够大大提高科研的精准度，并增强说服力。

作为高精尖科学的代表，半导体领域对水平调节同样有着一套严苛的标准，尤其是那些用于固持晶圆的卡盘，在使用时必须调至水平状态，以避免在工艺过程中各种机械部件近距离接触晶圆时由于晶圆倾斜而触碰到晶圆，造成划伤或击碎。

以图1为例，给出了一种半导体设备上常用的卡盘结构。由于工艺的需要，半导体设备上的卡盘101往往需要带动晶圆一起旋转，所以该卡盘101通常会由若干个螺丝103固定连接在一根旋转轴102上。旋转轴102的另一端连接驱动马达，在驱动马达的驱动下，旋转轴102绕自身的中心轴旋转，进而带动卡盘101做圆周运动。而传统的卡盘101所使用的螺丝103通常只能起固定作用，对卡盘101的调节十分有限，且由于没有一个量化的标准，调节的很不准确。图1所示的是一种理想状态，各个螺丝103进入的深度恰好相同，从而使卡盘达101达到了水平状态。参考图2可以理解，各个螺丝103的进入深度对卡盘101的水平程度有着至关重要的影响。在安装卡盘101时，由于没有准确的、量化的指标，操作人员只能通过目测对卡盘101的水平程度进行调节，而螺丝103拧得过松则卡盘固定不牢，高速旋转时有可能掉落或抖动；而旋紧到一定程度，螺丝103的进入深度将达到极限，无法达到继续调节的目的。而任一一个螺丝103的进入深度与其它螺丝103存在差异，都会导致卡盘101沿着相应的方向倾斜，且大部分情况下，这种倾斜是难以察觉但实际存在的。在对精确度要求极高的半导体领域中，这种水平程度的不确定性是不能被允许的。

现有技术中鲜有能够满足要求的装置和方法，对卡盘的水平程度作出修正或调节，而对于处在工作状态的旋转卡盘的水平调节，更是难上加难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种卡盘的水平调节装置，并给出了相应的水平调节方法，使用本发明的技术方案能够精确地对卡盘的水平度进行掌控，且即使是工作状态的旋转卡盘，也可用该技术方案保证其水平。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种卡盘的水平调节装置，包括卡盘、旋转轴、固定座和数字千分表，所述卡盘的中心为O，所述旋转轴的中心轴为Y且竖直，所述中心O在所述中心轴Y上；所述旋转轴与所述卡盘由n个螺丝螺接，n≥3，且所述n个螺丝在O点所在的水平面上的投影构成一个n边形α的n个顶点；所述固定座上设置有固定杆，该固定杆上固定安装有调节螺母，所述数字千分表搭载于所述调节螺母上，该调节螺母适于调节并锁死所述数字千分表在竖直方向的高度位置。

进一步地，所述螺丝为旋进螺丝，所述卡盘的水平程度通过旋进螺丝的进动或退出加以控制，其中所述旋进螺丝每旋拧一周，其进动或退出的深度为h。

进一步地，所述螺丝嵌入所述卡盘。

进一步地，所述旋转轴绕中心轴Y旋转。

进一步地，所述旋转轴沿中心轴Y的径向延出有凸片结构，所述凸片结构上打有n个用于螺接所述卡盘的螺丝孔。

可选地，所述中心O在所述n边形α的内部，或者在所述n边形α的边上，或者在所述n边形α的顶点上。

优选地，所述n边形为正n边形，且所述中心O为所述正n边形的几何中心。

进一步地，所述水平调节装置与计算机相连，所述数字千分表将读取的高度数据反馈至所述计算机用于计算，并由所述计算机绘制位置与高度对应关系图。

进一步地，所述固定座和所述固定杆的位置均固定。

一种使用权利要求1中所述的装置对卡盘进行水平调节的方法，包括步骤：

旋拧所述调节螺母调试所述数字千分表的竖直高度，以使所述数字千分表的测量端调至抵住所述卡盘且有读数的位置，驱动所述旋转轴绕中心轴Y旋转，所述卡盘在旋转轴的带动下以中心O为圆心旋转，使数字千分表在卡盘转满一周的过程中始终有读数，所述数字千分表的测量端遍历所述卡盘上以O为圆心、以R为半径的圆周上的各点；

在所述卡盘旋转的状态下由所述数字千分表读取所述圆周上各点的高度数据；

在所述n个螺丝中选取其中的至少三个螺丝A1、A2和A3，并从数字千分表所读取的整个圆周的高度数据中筛选出OA1所指的圆周上B1点位置处的高度值H1、OA2所指的圆周上B2点位置处的高度值H2以及OA3所指的圆周上B3点位置处的高度值H3；

测量出OA2的长度r2以及OA3的长度r3；

以圆周上的B1点为基准，计算B2点与B1点之间的台阶差G21，G21＝H2-H1；计算B3点与B1点之间的台阶差G31，G31＝H3-H1；

计算螺丝A2和螺丝A1之间的台阶差g21，g21＝G21*r2/R；计算螺丝A3和螺丝A1之间的台阶差g31，g31＝G31*r3/R；

计算螺丝A2需要旋拧的周数x2并确定相应的旋拧方向，抬升或降低所述卡盘在相应位置处的高度，x2＝(G21*r2)/(R*h)；计算螺丝A3需要旋拧的周数x3并确定相应的旋拧方向，抬升或降低所述卡盘在相应位置处的高度，x3＝(G31*r3)/(R*h)；

在所述卡盘旋转的状态下，由所述数字千分表读取新的高度数据，并根据新的高度数据判断所述卡盘是否已达到水平。

本发明针对现有技术存在的不足，给出了新的水平调节装置和方法，能够很好的保证卡盘的水平度，大大提高了对晶圆进行加工的准确性和稳定性，最终反映为晶圆产品的良率提高。

附图说明

图1是本发明涉及到的一种旋转卡盘的结构示意图；

图2是图1中所示旋转卡盘被倾斜安装时的示意图；

图3是本发明所述水平调节装置第一实施例的正视图；

图4是本发明第一实施例旋转轴的结构示意图；

图5是本发明所述水平调节装置第一实施例的俯视图；

图6是本发明所述水平调节装置第一实施例的仰视图；

图7是使用本发明第一实施例中的水平调节装置测绘出的一张角度与卡盘高度的对应关系表；

图8是本发明所述水平调节装置第二实施例的正视图；

图9是本发明所述水平调节装置第二实施例的仰视图；

图10是本发明所述水平调节方法的原理演示图。

具体实施例及实施方式

为了使本领域技术人员更清晰、明确地理解本发明的设计思路及发明意图，申请人特准备了如下多个翔实的具体实施例加以阐述和说明，敬请结合附图知会：

图3-6是对本发明第一实施例中的水平调节装置做出的展示。观察图3(第一实施例的正视图)，该水平调节装置包括卡盘201、旋转轴202、固定座207以及数字千分表206。由于半导体工艺通常要求卡盘201能够带动晶圆一起旋转，所以该卡盘201专门设计为旋转卡盘，该水平调节装置调好水平之后，卡盘201即使在高速旋转的工作状态，亦将处于水平状态，而不必担心卡盘201会有所倾斜。当然，对于那种单纯静止的卡盘，经本装置调节同样可以处于静止的水平状态。

在卡盘201的中心位置O处，竖直的树有一根细长的旋转轴202,旋转轴202自身的中心轴为Y轴203，该Y轴显然地将经过卡盘的中心O点，旋转轴202能够在驱动装置的驱动下绕Y轴旋转，所述的驱动装置通常为电动马达，图中并未画出。本实施例中，该旋转轴202的下端在抵达O点位置处截止，但这并非限制性的，实际上旋转轴202更长一点，穿过O点也是可以的，并不会影响本发明技术方案的实现。

该水平调节装置还具有固定座207，在图3中固定座207看起来分为两部分，其实它们是一体成型的，同时，在固定座207中心留有一条细长的通孔，供旋转轴202穿过。该通孔的直径只比旋转轴202的直径略大一点，旋转轴202插入通孔后将紧贴固定座207的内壁，这有助于限定旋转轴202的位置，进一步保证旋转轴202处于竖直状态。从固定座207上伸出有一根固定杆204,固定杆204的末端安装有一个调解螺母205，数字千分表206就搭载在调节螺母205的下方。旋拧该调节螺母205，能够控制数字千分表206在竖直方向上的高度，调节数字千分表206向上或向下运动。该调节螺母205还具有锁死功能，当数字千分表206到达理想位置时，锁死调节螺母205，数字千分表206的竖直高度即被固定，不会继续在竖直方向发生任何位移，从而保证了测量的准确性。在本发明中，出于在卡盘不同半径处测量多组数据的考虑，固定座、固定杆以及调节螺母的位置并不必须是完全固定的，在测量之前允许进行调节和变动。但是，在测量阶段，应当保证三者的位置不会发生改变，否则将影响测量结果，所以最直接的办法就是将它们全部都焊死固定，以保证其位置不会发生变动。

在本发明中，由于卡盘需要由旋转轴带动一起旋转，所以有必要将二者固定起来。实施例一中的卡盘201和旋转轴202是采用螺接方式进行固定的，也就是通过向卡盘201和旋转轴202打螺丝的方式将卡盘201和旋转轴202固定在一起。仰视该水平调节装置，如附图6，即可看到该实施例中所使用的三颗螺丝，更具体地说，是一种旋进螺丝210。三颗旋进螺丝210嵌在卡盘201之中，不仅起到了固定卡盘201和旋转轴202的作用，还肩负着精确调节卡盘201水平度任务。由于旋进螺丝201每旋转一周进动或退出的深度h是一定的，如实施例一中h＝1mm，所以只要计算出需要调节的深度，然后根据计算的深度旋拧对应的旋进螺丝210至相应的周数，即可精确调平。卡盘201与旋转轴202的连接方式可以参考背景技术中的附图1和附图2，实施例中的旋进螺丝210同样采用的是嵌入卡盘、由下而上的打入的。如果以图1、图2中的螺丝103比对为实施例一中的旋进螺丝210，则调节旋进螺丝210向内进动一定深度，即可抬升卡盘210；相反地，拧松旋进螺丝210使其退出一定距离，则卡盘201相应的一侧将降低。

而如图4所示，由于该实施例中的旋转轴202比较细，为了打入旋进螺丝210，在旋转轴202的底端设计有一方形的凸片结构208，该凸片结构208实际上与旋转轴202是一体的，其上打有三个与旋进螺丝210位置对应的螺孔209，三个螺孔209在同一个圆上。在图4中，对旋转轴202及凸片结构208的尺寸有所放大。

实施例一中总共打了三个旋进螺丝210，如图4和6所示。旋进螺丝210的数目至少应该有三个，因为三点才能确定一个平面。另外，由于调节水平时通常以其中一颗螺丝为基准，旋拧另外两个螺丝即可实现卡盘201的水平，所以打入更多的旋进螺丝210的意义并不大。

在图6中展示了，第一实施例中的三颗螺丝A1、A2和A3在O点所在的平面构成了一个正三角形α的三个顶点，且O点为这个正三角形α的几何中心。这样的设计对未来进行调节时的计算是有好处的，使O点到螺丝A1、A2及A3的距离r1、r2和r3均相等，即r1＝r2＝r3＝r，这对简化后续的计算过程十分有利。当然的，本发明中卡盘的中心O点也可以不用如此特殊，但O点至少应该在n个螺丝构成的n边形的内部、边上或端点处，而不宜在n边形外，这是因为螺丝打太偏，不利于调节，凸片结构或旋转轴的尺寸也将增大，且计算也很不方便。

本发明中使用的数字千分表，如第一实施例中的数字千分表206是一种灵敏的对长度、高度或深度进行测量的电子千分表，不仅能够读取高度数据，还能将连续测量的数据记录并反馈给计算机进行处理。数字千分表206的测量端，也即图3中数字千分表206的下端具有一定的伸缩性，当其抵住卡盘201后由于弹力的作用，将向内收缩，在表内精密的机械结构的作用下能够准确地给出卡盘201在相应位置处的高度数据，为计算和调节提供方便。因此，根据数字千分表206的工作原理，有必要使数字千分表206在进行测量时，也即卡盘201旋转时保证其测量端始终抵住卡盘201且有读数。否则，如果卡盘201的倾斜度过大，数字千分表206在下倾位置处将没有读数，也就无从对该处的卡盘201高度进行调节了。测量时，卡盘201旋转一周，相当于数字千分表206在卡盘201上画了一个圆周211，该圆周211的圆心为O，半径为R，其上任意一点的高度数据都得到了测量和记录。

结合图3和图5展示的是本发明第一实施例的俯视图，可以看到固定座207的上表面为一个方形的平面，其下方与一个圆柱形结构连为一体并与旋转轴202的凸片结构208相固定。本发明对固定座的形状并没有特殊要求，也并不一定与旋转轴必然相连，见后续实施例。

半导体工艺设备通常都能实现自动化，所以该水平调节装置在使用时一般会与计算机相连，由计算机根据数字千分表206反馈的信息进行计算或绘图。图7就给出了一张由该水平调节装置对卡盘201进行调平处理后所生成角度与卡盘高度数据的对应关系表。其中的横轴为数字千分表206以某一起始位置(0°)开始，旋转一周(360°)的各角度位置，其中的纵轴为相应位置处数字千分表206的读数。根据该关系表可以很明显的看出，图7中的曲线212对应卡盘201未调平的状况，不同角度位置处数字千分表206的读数不尽相同；而曲线213对应卡盘201已经被调平的状况，数字千分表206在各处的读数都相同，曲线213呈现为一条水平的线段。

图8-9是本发明的第二实施例，对比图3可以看到第二实施例基本具备了第一实施例的全部部件。第二实施例中的水平调节装置同样包括卡盘301、旋转轴302、固定座307和数字千分表306，固定座307上连接有一根固定杆304，在固定杆304的末端安装了调节螺母305，能够对数字千分表306的竖直高度进行调节，并将数字千分表306锁死在相应位置。旋转轴302绕其中心轴Y303旋转，并带动卡盘301一起转动，旋转轴302始终处于竖直状态，且中心轴Y过卡盘的中心O点。不过，该实施例中的固定座307并没有与旋转轴302安装在一起，而是设置于整个卡盘301和旋转轴302的外侧，但这并不影响本发明技术方案的实施。当然地，固定杆304、固定座307以及调节螺母305在测试时的位置仍然需保持固定。

在本实施例中，旋转轴302相较于第一实施例的旋转轴202略粗，这是由于旋转轴302上并没有设置凸片结构，所以需要较粗的旋转轴302以便将螺孔309直接打在了旋转轴302与卡盘301相连接的端部位置，参见第二实施例的仰视图图9。本实施例中为了使卡盘301与旋转轴302连接在一起，共使用了四颗旋进螺丝310。这四颗旋进螺丝310分别为A1、A2、A3和A4，其在O点所在的水平面上构成一个不规则的四边形α的四个顶点，而且A1所在的位置与O点重合。虽然使用了四颗旋进螺丝310，但由于三点即可确定一个平面，所以在调节过程中只要选取其中的三颗进行调节即可实现卡盘301的水平。

下面将介绍与本发明两个具体实施例相对应的有关本发明水平调节方法的两个具体实施方式。

首先将结合附图10对本发明的原理进行阐释，图10中水平面401展示了卡盘恰好处于水平的状态，也就是本发明所最终期望达到的状态；而倾斜面402展示的是实际情况下由于各螺丝有高有低，导致卡盘倾斜的情形。A1为其中一颗螺丝与卡盘表面的交点，而B1为数字千分表所测圆周上的一点；同时，B1也是OA1所指方向上与数字千分表所测圆周的交点，OB1＝R。B1到水平面401的距离可由数字千分表测量获得，根据图中的相似关系可知，螺丝的进入深度(也即A1到水平面401的距离)与B1到水平面401的距离成比例，而且不同螺丝之间的台阶差也与圆周上对应点的台阶差成比例，因此可以利用这一关系计算螺丝需要调节的进入深度，进而根据螺丝每进动一周所进入或退出的深度h算出每颗螺丝需要旋拧的周数，即可实现对卡片的水平调节，使其最终达到水平面401所示的效果。

本发明的第一实施方式对应于上述第一实施例中的水平调节装置，具体为：

一种使用第一实施例中所述的装置对卡盘201进行水平调节的方法，包括步骤：

旋拧调节螺母调试数字千分表206的竖直高度，将数字千分表206的测量端调至抵住所述卡盘201且有读数的位置，驱动所述旋转轴202绕中心轴Y旋转，卡盘201在旋转轴202的带动下以中心O为圆心，以R为半径旋转，使数字千分表206在卡盘201转满一周的过程中始终有读数，数字千分表206的测量端遍历卡盘201上以O圆心、以R为半径的圆周上的各点；

测量数字千分表206的测量端到中心O点的距离R，得R＝280mm；

控制卡盘201再次旋转，并由数字千分表206读取圆周上各点的高度数据；

在3个旋进螺丝210中选取其中的三个螺丝A1、A2和A3，并从数字千分表206所读取的整个圆周的高度数据中筛选出OA1所指的圆周上B1点位置处的高度值H1、OA2所指的圆周上B2点位置处的高度值H2以及OA3所指的圆周上B3点位置处的高度值H3，其中H1＝8.33mm，H2＝5.21mm，H3＝3.32mm；

测量出OA2的长度r2以及OA3的长度r3，测得r2＝r3＝r＝50mm；

以圆周上的B1点为基准，计算B2点与B1点之间的台阶差G21，G21＝H2-H1＝-3.12mm；计算B3点与B1点之间的台阶差G31，G31＝H3-H1＝-5.01mm；

计算螺丝A2和螺丝A1之间的台阶差g21，g21＝G21*r2/R≈-0.56mm；计算螺丝A3和螺丝A1之间的台阶差g31，g31＝G31*r3/R≈-0.89mm；

计算螺丝A2需要旋拧的周数x2并确定相应的旋拧方向，抬升或降低所述卡盘在相应位置处的高度，其中h＝1mm，正负号代表方向，算得x2＝(G21*r2)/(R*h)≈-0.6周；计算螺丝A3需要旋拧的周数x3并确定相应的旋拧方向，抬升或降低所述卡盘在相应位置处的高度，x3＝(G31*r3)/(R*h)≈-0.9周；

控制所述卡盘再次旋转，由所述数字千分表读取新的高度数据，并根据新的高度数据判断所述卡盘是否已达到水平。

本发明的第二实施方式对应于上述第二实施例中的水平调节装置，具体为：

一种使用第二实施例中所述的装置对卡盘301进行水平调节的方法，包括步骤：

旋拧调节螺母调试数字千分表306的竖直高度，将数字千分表306的测量端调至抵住所述卡盘301且有读数的位置，驱动所述旋转轴302绕中心轴Y旋转，卡盘301在旋转轴302的带动下以中心O为圆心，以R为半径旋转，使数字千分表306在卡盘301转满一周的过程中始终有读数，数字千分表306的测量端遍历卡盘301上以O圆心、以R为半径的圆周上的各点；

测量数字千分表306的测量端到中心O点的距离R，得R＝290mm；

控制卡盘301再次旋转，并由数字千分表306读取圆周上各点的高度数据；

在4个旋进螺丝310中选取其中的至少三个螺丝A1、A2和A3，并从数字千分表306所读取的整个圆周的高度数据中筛选出OA2所指的圆周上B2点位置处的高度值H2以及OA3所指的圆周上B3点位置处的高度值H3，其中由于O与A1重合，所以H1＝0mm，而测得的H2＝3.21mm，H3＝3.32mm；

测量出OA2的长度r2以及OA3的长度r3，测得r2＝40mm，r3＝45mm；

以圆周上的B1点为基准，计算B2点与B1点之间的台阶差G21，G21＝H2-H1＝3.21mm；计算B3点与B1点之间的台阶差G31，G31＝H3-H1＝3.32mm；

计算螺丝A2和螺丝A1之间的台阶差g21，g21＝G21*r2/R≈0.44mm；计算螺丝A3和螺丝A1之间的台阶差g31，g31＝G31*r3/R≈0.52mm；

计算螺丝A2需要旋拧的周数x2并确定相应的旋拧方向，抬升或降低所述卡盘在相应位置处的高度，其中h＝0.5mm，正负号代表方向，算得x2＝(G21*r2)/(R*h)≈0.9周；计算螺丝A3需要旋拧的周数x3并确定相应的旋拧方向，抬升或降低所述卡盘在相应位置处的高度，x3＝(G31*r3)/(R*h)≈1.0周；

控制所述卡盘再次旋转，由所述数字千分表读取新的高度数据，并根据新的高度数据判断所述卡盘是否已达到水平。

本发明所给出的技术方案，其突出的实质性特点和卓越的进步效果是显而易见的，附图及具体实施例所描述的技术细节也是清晰和可重现的。任何人在此基础上的等效的、不具创造力的变换或变式仍将落入本发明的保护范围之内。