[0001] 本申请涉及半导体晶圆技术领域，特别涉及一种定位卡盘及半导体晶圆分析装置。

[0002] 轻元素(LE，Light Elements)主要是指原子序数4～20之间的元素，如B、C、Al、Si等元素，其是半导体晶圆中元素分析的必测成分。在半导体晶圆制造流程中，对于轻元素测量的精确度以及测量速度都提出了很高的要求。在半导体晶圆技术领域里，分析轻元素有着重要的意义，例如，量测BPSG(Boro‑phospho‑silicate Glass，硼磷硅玻璃)精确组分，提高第一层金属前介电质PMD/金属层间介电质AVID性能；精确测量HMC(hard mask carbon，碳硬掩模)厚度，提升深硅刻蚀良率；精确量测Al膜厚度，分析镀膜工艺等。在稳定的真空环境下，利用轻元素X射线荧光(LE‑XRF)分析装置对轻元素荧光进行分析，可以有效降低背景，提高峰背比，达到准确的定性和定量分析。

[0003] 另外，半导体晶圆制造过程中可能会受到污染，通常采用全反射荧光X射线(TXRF)分析装置在真空环境下对半导体晶圆的清洁度进行检测，以保证产品品质。

[0004] 由于上述两种分析装置均是在真空环境中进行分析测试，因此无法利用真空吸盘对样品吸附固定，通常利用静电吸附卡盘对样品吸附固定。而静电吸附卡盘不仅成本相对较高，而且无法对样品精确定位。

[0043] 下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

[0044] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

[0045] 在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0046] 在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

[0047] 在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0048] 在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。

[0049] 在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

[0050] 在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

[0051] 本申请第一方面的实施例提出一种定位卡盘。请同时参照图1、图2、图3和图5，定位卡盘100包括底座10、转盘20、样品座30以及多个夹爪组件40。转盘20转动安装在底座10上，样品座30处于转盘20背向底座10的一侧并固定在底座10上；多个夹爪组件40沿转盘20的周向间隔布置，夹爪组件40包括夹持结构41、支撑杆42和滑座44，夹持结构41通过支撑杆42连接在滑座44上，夹持结构41具有朝向样品座30的倾斜夹持面41241；底座10上设有多个沿转盘20径向延伸的滑轨11，滑轨11具有外端111和内端112，滑轨11由外端111至内端112逐渐远离转盘20，滑座44滑动安装在滑轨11上；转盘20上设有多个沿转盘20周向延伸的长孔21，长孔21具有第一端211和第二端212，长孔21由第一端211至第二端212逐渐靠近转盘
20的中心，支撑杆42穿过长孔21。

[0052] 底座10用于安装转盘20、样品座30和多个夹爪组件40，底座10的形状本申请不作限制，例如，底座10可以为圆形结构、多边形结构等。

[0053] 本实施例中，底座10上设有沿转盘20径向延伸的滑轨11，可以理解，滑轨11可以为沿转盘20径向延伸的直形滑轨、弧形滑轨等。其中，滑轨11的数量根据夹爪组件40的数量布置。

[0054] 其中，滑轨11由外端111至内端112逐渐远离转盘20，即滑轨11的外端111在X方向上与转盘20的距离小于滑轨11的内端112在X方向上与转盘20的距离。

[0055] 转盘20转动安装在底座10上，可以理解，转盘20可以直接转动安装在底座10，转盘20也可以通过第二轴承80转动安装在底座10上。其中，转盘20在其轴向上(即图2中X方向)与底座10间隔布置，以形成安装滑轨11的空间。

[0056] 转盘20的形状本申请不作限制，例如，转盘20可以为圆形盘、多边形盘等。可以理解，转盘20在X方向上的投影可以完全处于底座10内；或者，转盘20在X方向上的投影也可以部分处于底座10内、部分处于底座10外。

[0057] 本实施例中，转盘20上设有沿转盘20周向延伸的长孔21，可以理解，长孔21可以为沿转盘20周向延伸的弧形长孔、直形长孔等。其中，长孔21的数量根据夹爪组件40的数量布置。

[0058] 长孔21由第一端211至第二端212逐渐靠近转盘20的中心，即长孔21的第一端211与转盘20的中心的距离大于长孔21的第二端212与转盘20的中心的距离。

[0059] 其中，长孔21在转盘20的厚度方向上(即图2中X方向)贯通布置，长孔21供支撑杆42穿过，并在转盘20转动时引导支撑杆42在转盘20的径向上移动。

[0060] 样品座30处于转盘20背向底座10的一侧，即转盘20处于底座10和样品座30之间；样品座30固定在底座10上，即样品座30相对于底座10固定不动。其中，样品座30用于放置样品200，例如，晶圆。

[0061] 可选地，样品座30为板形结构，例如，样品座30可以为圆形板、多边形板。可以理解，样品座30在X方向上的投影可以完全处于转盘20内；或者，样品座30在X方向上的投影也可以部分处于转盘20内、部分处于转盘20外，此时，需要在样品座30上设置用于避让支撑杆42的避让孔或避让缺口。

[0062] 多个夹爪组件40沿转盘20的周向间隔布置，是指夹爪组件40沿转盘20的周向可以间隔布置三个或三个以上。

[0063] 本实施例中，夹持结构41通过支撑杆42连接在滑座44上，支撑杆42穿过转盘20上的长孔21，且滑座44滑动安装在滑轨11上，即夹持结构41和滑座44分别处于转盘20在X方向上的相对两侧。

[0064] 倾斜夹持面41241在X方向上具有最高点和最低点，倾斜夹持面41241朝向样品座30，即倾斜夹持面41241的最高点与样品座30中心的距离小于倾斜夹持面41241的最低点与样品座30中心的距离。其中，夹持结构41的倾斜夹持面41241用于夹持样品200的边缘，以实现样品200的定位和夹紧。

[0065] 本申请实施例提供的定位卡盘100包括底座10、转盘20、样品座30以及多个夹爪组件40，转盘20处于底座10和样品座30之间，夹爪组件40的支撑杆42穿过转盘20上的长孔21，夹爪组件40的滑座44在底座10的滑轨11上滑动。由于滑轨11沿转盘20的径向延伸且滑轨11由外端111至内端112逐渐远离转盘20，长孔21沿转盘20的周向延伸且长孔21由第一端211至第二端212逐渐靠近转盘20的中心；因此，当转盘20转动时，在长孔21对支撑杆42的引导下，夹爪组件40的夹持结构41沿转盘20的径向逐渐靠近样品座30，同时在滑轨11对滑座44的引导下，夹爪组件40的夹持结构41沿转盘20的轴向逐渐靠近样品座30，即夹持结构41做一个复合动作。这样，夹持结构41的倾斜夹持面41241既能沿转盘20的径向靠近样品座30以定位样品200，又能沿转盘20的轴向靠近样品座30以压紧样品200，同时实现样品200的定位和压紧，解决现有静电吸附卡盘无法对样品200精确定位的问题。

[0066] 请同时参照图2和图3，在一些实施例中，夹持结构41包括安装座411、夹持头412和弹性件413，安装座411连接在支撑杆42上，夹持头412活动安装在安装座411上，倾斜夹持面41241设于夹持头412上，弹性件413处于夹持头412和安装座411之间。

[0067] 安装座411的结构不申请不作限制，只要满足对夹持头412和弹性件413的安装即可。

[0068] 安装座411连接在支撑杆42上，可以理解，安装座411可以固定连接在支撑杆42上，固定连接方式包括但不限于紧固件连接、卡接、焊接、过盈连接等方式；或者，安装座411可以与支撑杆42一体成型。

[0069] 夹持头412活动安装在安装座411上，且弹性件413处于夹持头412和安装座411之间，可以理解为，夹持头412可压缩弹性件413靠近安装座411，夹持头412也可在弹性件413的弹力作用下远离安装座411，但夹持头412不会脱出安装座411。

[0070] 可以理解，弹性件413可以为弹簧、橡胶等。

[0071] 本申请实施例提供的夹持头412活动安装在安装座411上，并在夹持头412和安装座411之间设置弹性件413，以在夹爪组件40对样品200进行快速定位压紧时，通过弹性件413的缓冲，夹持头412上的倾斜夹持面41241对样品200微压，避免对样品200造成损坏。

[0072] 在其他实施例中，夹持结构41包括安装座411和夹持头412，但不包括弹性件413，夹持头412可以固定连接在安装座411上，固定连接方式包括但不限于紧固件连接、卡接、焊接、过盈连接等方式；或者，夹持头412可以与安装座411一体成型。当然，为了避免夹持头412对样品200过压而导致样品200损坏，可以在夹持结构41上设置压力传感器，当检测到压力传感器检测到压力较大时，可以向驱动装置发送信号使驱动装置停止。

[0073] 请参照图3，在一些实施例中，夹持结构41除了包括安装座411、夹持头412和弹性件413，夹持结构41还包括活动安装在安装座411上的活动杆414，夹持头412铰接在活动杆414上，夹持头412通过活动杆414活动安装在安装座411上。

[0074] 可选地，安装座411上设有穿孔4114，穿孔4114沿转盘20的径向延伸，且穿孔4114由外端至内端逐渐靠近转盘20；活动杆414活动安装在穿孔4114内，活动杆414的一端与夹持头412铰接，活动杆414的另一端设有限位凸部4142，限位凸部4142与安装座411的外侧限位配合，使得夹持头412在弹性件413的弹力作用下不会脱出安装座411。其中，弹性件413处于穿孔4114内。

[0075] 可以理解，限位凸部4142可以为环形凸部、C形凸部，或者，限位凸部4142可以包括多个沿活动杆414的周向间隔布置的点状凸部。

[0076] 夹持头412铰接在活动杆414上，可以理解，夹持头412可以通过铰接轴铰接在活动杆414上，此时铰接轴的轴线方向平行于样品200的表面，以使夹持头412能够在X方向相对活动杆414进行摆动；或者，夹持头412可以通过球头铰接在活动杆414上，此时夹持头412可以在任意方向相对活动杆414进行摆动。

[0077] 需要说明的是，夹持头412与安装座411之间应该有一定的空间，以避免安装座411影响夹持头412摆动。

[0078] 本申请实施例通过将夹持头412铰接在活动杆414上，使得夹持头412可以摆动以自适应样品200的边缘，从而有利于对样品200的定位和夹紧。

[0079] 在其他实施例中，夹持头412可以不铰接在活动杆414上，夹持头412直接固定在活动杆414上，此时，夹持头412只能沿活动杆414的轴向移动，而不能相对活动杆414摆动。

[0080] 请参照图3，在一些实施例中，在夹持结构41包括活动杆414时，安装座411包括座本体4111和固定套4112，活动杆414穿过固定套4112与夹持头412铰接，活动杆414的限位凸部4142与固定套4112限位配合。其中，座本体4111上还设有螺钉孔4113。

[0081] 具体地，座本体4111通过穿过螺钉孔4113的固定螺钉4115固定在支撑杆42上，固定套4112固定在座本体4111内并经过螺钉孔4113，弹性件413的一端抵接在夹持头412上，弹性件413的另一端抵接在固定套4112上。

[0082] 这样设计，使得夹持结构41的整体结构较为紧凑，同时固定套4112能够对固定螺钉4115起到限位作用，使得固定螺钉4115不容易松动，保证夹持结构41在支撑杆42上固定的稳定性。

[0083] 其中，固定套4112可以通过紧固件连接、螺纹连接、卡接、焊接、过盈连接等方式固定在座本体4111上。

[0084] 请参照图3，在一些实施例中，在夹持结构41包括活动杆414时，夹持头412球铰在活动杆414上。

[0085] 可选地，夹持头412包括夹持主体4122、球头座4123以及卡环4121，夹持主体4122的一侧设有安装槽，球头座4123安装在安装槽内并通过卡环4121固定；活动杆414的一端设有球头4141，球头4141与球头座4123配合，以实现夹持头412球铰在活动杆414上。其中，弹性件413的一端顶压在球头座4123上。

[0086] 当然，也可以将球头座4123设置在活动杆414上，而夹持头412包括设于夹持主体4122上的球头4141。

[0087] 通过采用上述技术方案，夹持结构41可相对活动杆414任意摆动，进一步有利于夹持结构41的倾斜夹持面41241夹紧样品200的边缘。

[0088] 请参照图3，在一些实施例中，夹持头412包括夹持主体4122和设于夹持主体4122上的柔性垫4124，倾斜夹持面41241设于柔性垫4124上。

[0089] 可以理解，柔性垫4124可以直接设于夹持主体4122朝向样品座30的一侧侧面；或者夹持主体4122朝向样品座30的一侧侧面设有凹槽，柔性垫4124设于凹槽内。

[0090] 当柔性垫4124直接设于夹持主体4122的侧面上时，柔性垫4124可以粘贴固定在夹持主体4122上；当柔性垫4124设于夹持主体4122侧面的凹槽内时，柔性垫4124可以粘贴或过盈安装在凹槽内。

[0091] 可选地，柔性垫4124可以为橡胶，例如，全氟醚橡胶(FFKM)。

[0092] 可选地，夹持主体4122为圆柱体结构，对应地，柔性垫4124为圆形垫。当然，夹持主体4122也可以为其他形状，例如，棱柱结构，对应地，柔性垫4124可以为矩形垫。

[0093] 本实施例中通过在夹持主体4122上设置柔性垫4124，通过柔性垫4124夹持样品200的边缘，防止样品200损坏。

[0094] 请参照图2和图4，在一些实施例中，夹爪组件40还包括滚动套43，滚动套43套设在支撑杆42上，滚动套43与长孔21的孔壁滚动配合。

[0095] 可选地，滚动套43在X方向上的尺寸大于长孔21在X方向上的尺寸，这样，在滚动套43随支撑杆42沿X方向运动的过程中，滚动套43能够始终与长孔21的全部孔壁接触。当然，在其他实施例中，滚动套43在X方向上的尺寸也可以等于或小于长孔21在X方向上的尺寸，但要保证滚动套43随支撑杆42沿X方向运动的过程中，滚动套43始终与长孔21的部分孔壁接触。

[0096] 可选地，滚动套43与支撑杆42之间设有第一轴承45，第一轴承45沿支撑杆42的轴向可以设置一个、两个或三个及以上。在其他实施例中，也可以不设置第一轴承45，滚动套43自身为自润滑套，或者，滚动套43与支撑杆42之间设有自润滑套，例如，自润滑套可以为尼龙套、铜套等。

[0097] 通过采用上述技术方案，可以减少支撑杆42相对长孔21移动时的摩擦力，以利于支撑杆42相对长孔21移动。

[0098] 请同时参照图4和图6，在一些实施例中，滑座44包括滑块442和固定在滑块442上的连接板441，连接板441具有朝向转盘20的第一侧面4411和朝向滑块442的第二侧面4412，第一侧面4411平行于转盘20，第二侧面4412平行于滑轨11。

[0099] 其中，滑座44通过滑块442在滑轨11上滑动，滑座44通过连接板441与支撑杆42连接。

[0100] 可以理解，连接板441可以通过紧固件连接、卡接、焊接等方式固定在滑块442上。

[0101] 通过连接板441可以将倾斜面转变成水平面，有利于支撑杆42与滑座44的固定连接。

[0102] 在其他实施例中，连接板441也可以与滑块442一体成型。

[0103] 请参照图1和图5，在一些实施例中，夹爪组件40沿转盘20的周向间隔布置有三个。对应地，底座10上沿转盘20的周向设有三个滑轨11，转盘20上沿其周向设有三个长孔21。其中，三个长孔21分别处于三个滑轨11的上方。

[0104] 可选地，三个滑轨11的结构相同，三个长孔21的结构相同。

[0105] 可选地，三个夹爪组件40沿转盘20的周向均匀间隔布置。

[0106] 本实施例中通过三个夹爪组件40同时夹持样品200，可实现三点定位以自动定心，保证样品200定位的精准度。

[0107] 在其他实施例中，夹爪组件40沿转盘20的周向可以间隔布置四个、五个、六个等。

[0108] 请同时参照图5和图6，在一些实施例中，转盘20为齿轮盘，定位卡盘100还包括力控电机60和驱动齿轮70，力控电机60固定在底座10上，驱动齿轮70连接在力控电机60的输出轴上，且驱动齿轮70与齿轮盘啮合。

[0109] 可选地，齿轮盘和驱动齿轮70均为圆柱齿轮，可以理解，齿轮盘和驱动齿轮70的外周面同为直齿或斜齿，此时，驱动齿轮70处于齿轮盘的径向一侧，力控电机60竖向布置。

[0110] 可选地，齿轮盘和驱动齿轮70均为圆锥齿轮，可以理解，齿轮盘和驱动齿轮70的外周面同为直齿或斜齿，此时，驱动齿轮70处于齿轮盘的下侧或上侧，力控电机60横向布置。

[0111] 可选地，力控电机60为伺服电机，其具有力控功能，以避免损伤样品200。

[0112] 在其他实施例中，定位卡盘100不包括力控电机60和驱动齿轮70，定位卡盘100包括伸缩缸、滑块和连杆，滑块与伸缩缸的驱动端连接，连杆的一端连接转盘20、另一端连接滑块，伸缩缸驱动滑块沿直线运动，滑块带动连杆运动以驱动转盘20转动。

[0113] 在其他实施例中，定位卡盘100包括力控电机60和带传动机构，力控电机60通过带传动机构驱动转盘20转动。当然，带传动机构也可以由链传动机构代替。

[0114] 如图7所示，在一些实施例中，样品座30上设有支撑筋31，样品座30通过支撑筋31支撑样品200。

[0115] 可以理解，支撑筋31可以为环形筋、弧形筋、直形筋等。其中，支撑筋31的数量可以根据需要设置。

[0116] 可选地，样品座30上还设有两个第一避让槽32，两个第一避让槽32用于避让机械手的插臂；在机械手的插臂将样品200放置在样品座30上后，机械手的插臂向下移动从第一避让槽32内退出。

[0117] 当然，在其他实施例中，样品座30上可以不设置支撑筋31，而是将样品200直接放置在样品座30的上表面上。

[0118] 如图8所示，定位卡盘100还包括盖板50，盖板50固定在底座10上，以起到美观作用。其中，盖板50上设有用于避让支撑杆42的第二避让槽52，第二避让槽52的数量与夹爪组件40的数量一致。

[0119] 可选地，盖板50具有翻边51，翻边51上设有固定孔511，盖板50通过螺钉固定在底座10上。当然，盖板50也可以卡接固定在底座10上。

[0120] 请同时参照图2和图6，在一些实施例中，底座10上设有固定柱12，固定柱12的顶部设有固定盘13，样品座30固定在固定盘13上。其中，样品座30可以通过紧固件连接、卡接、焊接等方式固定在固定盘13上。

[0121] 可选地，固定柱12上套设有第二轴承80，转盘20通过第二轴承80转动安装在固定柱12上。其中，第二轴承80可以沿固定柱12的周向设置一个、两个或三个及以上。

[0122] 在一些实施例中，底座10具有凹槽，凹槽的底壁上设有楔形座14，楔形座14具有倾斜安装面；滑轨11固定在楔形座14的倾斜安装面上，其中，楔形座14的数量与滑轨11的数量一致。

[0123] 如图9所示，本申请的第二方面提出了一种半导体晶圆分析装置1。半导体晶圆分析装置1包括如第一方面的定位卡盘100，定位卡盘100用于定位并夹紧样品200。

[0124] 具体地，半导体晶圆分析装置1还包括真空腔体300和置于真空腔体300内的运动平台400，定位卡盘100处于真空腔体300内并安装在运动平台400上。可选地，运动平台400为四轴运动平台。

[0125] 其中，该半导体晶圆分析装置可以为X射线荧光分析装置或全反射X射线荧光分析装置。

[0126] 以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。