CN101770969A - 机械手臂的末端执行器及其制作方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可提供晶片较大的摩擦力的机械手臂的末端执行器，其具有一平板用以承载晶片。在平板的两端且对齐晶片的边缘之处设置有多个凸块，每一个凸块均具有一个接触面用以直接接触晶片的背面。其中，每一接触面的中心线平均粗糙度均介于约20微寸到约50微寸之间。由于接触面的粗糙度较大，故可提供晶片较大的摩擦力。

Description

机械手臂的末端执行器及其制作方式

技术领域

本发明是有关于一种半导体晶片的运送装置，且特别是有关于一种稳固地将晶片固定于其上的运送装置。

背景技术

在半导体工艺中，晶片通常是由机械手臂的末端执行器(Robot blade)将其传送至反应室(process chamber)内的处理位置上，以进行材料层的沉积、光刻(Photolithography)、蚀刻、或是离子注入(Ion Implantation)等等的处理步骤。

生产在线的生产速度决定于反应室的作用速度和机械手臂的运送速度。以目前的科技而言，每片晶片在反应室中的作用时间已大幅缩减，然而受限于机械手臂的运送速度，使得生产速度迟迟无法提升。

一般而言，机械手臂的末端执行器的表面会涂布高摩擦系数的材料或陶瓷，以增加机械手臂的末端执行器与晶片之间的摩擦力，以免晶片在运送途中产生滑动。在实际操作中，当晶片随着机械手臂快速移动时，常常会产生晶片相对于机械手臂的末端执行器滑动的问题。

须知，晶片是否适当地固定于机械手臂的末端执行器上对工艺的合格率有很大的影响，尤其是光刻工艺或蚀刻工艺等。举例而言，在蚀刻工艺中晶片产生偏移时，很容易导致过度蚀刻或将不须蚀刻的部分蚀刻等问题，导致工艺的控制度以及可靠度下降。换句话说，在现行的工艺中，为了避免晶片相对于机械手臂的末端执行器滑动而使得合格率下降，所以机械手臂的运送速度无法提高。因此，晶片的生产速度也不能加快。

经仔细探究缘由，其核心问题是在于晶片和机械手臂的末端执行器之间的固定能力不足。仔细来说，当机械手臂带着晶片一起高速移动时，机械手臂的末端执行器必须提供晶片足以抵抗惯性作用和离心力的作用力，才能使得晶片安稳的位于机械手臂的末端执行器上。

现行的机械手臂的末端执行器固定晶片的方法不外乎两种：其一是利用其表面接触晶片的背面以利用两者之间的摩擦力固定晶片；其一是利用其外缘加高的挡条挡在晶片的外侧以避免晶片在运送途中被甩出。

以美商应用材料公司(Applied Materials)所出产的适用于Centura Dxz平台的机械手臂的末端执行器为例。该机械手臂的末端执行器的主体是由可耐高温且表面光滑的陶瓷材料制成，表面镀上一层可导电的碳硅化合物(SiCx)。受限于材料的特性，此种机械手臂的末端执行器的中心线平均粗糙度不会超过16微寸(micro inch)，其中1微寸等于0.0254微米。当晶片随着机械手臂高速移动时，机械手臂的末端执行器和晶片之间的摩擦力会过小，使得晶片容易产生位移。

再者，由于镀膜材料的硬度小于晶片的硬度，因此随着使用时间的增长、重复装载晶片以及温度变化等因素而损耗，意即镀膜容易被磨损，进而裸露出光滑的陶瓷底材。如此一来，又会降低晶片和机械手臂的末端执行器之间的摩擦力，使得晶片易在高速运送途中偏离其位置。

另一方面，虽然在该机械手臂的末端执行器的外缘具有加高的挡条，其可以挡住晶片。但是，当晶片在运输途中因摩擦力不足而滑动时，晶片可能会撞击挡条，进而产生如碎屑沾附在晶片表面的污染问题，降低生产合格率。

有鉴于此，需要一种新的机械手臂的末端执行器，可以提高与晶片间的摩擦力，以便提高晶片的生产速度和合格率。

发明内容

本发明一方面在于提供一种机械手臂的末端执行器，其可提供晶片较大的摩擦力。机械手臂的末端执行器具有一平板，可用以承载晶片。在平板的两端且对齐晶片的边缘之处设置有多个凸块。每一个凸块均具有一个接触面，用以直接接触晶片的背面。其中，每一接触面的中心线平均粗糙度均介于约20微寸到约50微寸之间。其中，每微寸等于0.0254微米，即2.54×10^-8公尺。

由于机械手臂的末端执行器用以接触晶片的接触面的粗糙度较大，故可提供晶片较大的摩擦力。因此，既使当机械手臂在高速移动的情况下，晶片也较不易相对于机械手臂的末端执行器滑动。

在本发明的一实施例中，各个凸块的接触面的面积总和相较于晶片面积的比例介于约1.2％到约2.0％之间。以八寸晶片换算，各个凸块的接触面的面积总和介于约390平方公厘到约650平方公厘之间。当晶片与凸块之间接触面积越大，两者之间的摩擦力就越大。

在本发明的另一实施例中，机械手臂的末端执行器是由同一种材料一体成形。具体来说，平板与凸块的材质均为导体陶瓷(conductive ceramic)。导体陶瓷具有可导电的特性，因此可通过凸块电性连接晶片，以移除积聚于晶片上的静电。另一方面，导电陶瓷的硬度大于晶片的硬度，因此就算经过长时间的使用，凸块上的接触面也不易损耗。

本发明另一方面提供一种机械手臂的末端执行器，可提供晶片的足以应付高速移动时所产生的惯性力和离心力的摩擦力。机械手臂的末端执行器至少包含一平板和多个凸块。平板可用以承载晶片。凸块分别设置于平板的两端，且对齐晶片的边缘之处。每一个凸块均具有一个接触面，用以直接接触晶片的背面。其中，每个接触面均是利用喷沙工艺所形成的，且接触面的中心线平均粗糙度均介于约20微寸到约50微寸之间。

本发明另一方面提供一种机械手臂的末端执行器的制作方式。首先，先利用一导体陶瓷形成一平板和多个凸块，凸块位于平板的两端，其中每一凸块具有一接触面。接着，烘烤平板和凸块，使其固化。最后，执行喷沙制程于凸块上，使得每一个凸块的接触面的中心线平均粗糙度介于约20微寸到约50微寸之间。

利用本发明的机械手臂的末端执行器，可以提高与晶片间的摩擦力，从而提高晶片的生产速度和合格率。

附图说明

图1A是根据本发明一实施例的机械手臂的末端执行器的立体图；

图1B是如图1A所示的机械手臂的末端执行器的俯视图；

图2是如图1A所示的机械手臂的末端执行器的侧视图；

图3是依照本发明另一实施例的一种机械手臂的末端执行器的制作方式的流程图。

【主要组件符号说明】

10：晶片                100：机械手臂的末端执行器

110：平板            112：第一端

114：第二端          120、120a、120b、120c：凸块

122：接触面          130：挡条

300：制作方法        310-330：步骤

具体实施方式

请同时参考图1A、图1B和图2。图1A绘示根据本发明一实施例的一种机械手臂的末端执行器100和晶片10的立体图。图1B绘示机械手臂的末端执行器100的俯瞰图。图2绘示机械手臂的末端执行器100装载晶片10的侧视图。机械手臂的末端执行器100可用来承载晶片10，并载送晶片10往返于各个反应室之间。

机械手臂的末端执行器100具有一平板110以承载晶片10。平板110的长度大于晶片10的直径。当晶片10放置于平板110上时，平板110的两端会突出于晶片10之外。平板110的第一端112可设置连接组件(未绘示)，用以连接传动轴(robot)(未绘示)。

机械手臂的末端执行器100具有多个凸块120设置于平板110上。凸块120分别位于平板110的两端且对齐晶片10的边缘之处。换句话说，当晶片10放置于机械手臂的末端执行器100上时，晶片10的边缘恰好会位于各个凸块120上。

平板110具有互相相对的第一端112和第二端114。部分凸块120可设置于第一端112，且至少一个凸块120设置位于第二端114上。在本发明之实施例中，一对凸块120a设置于第一端112的两侧。在第二端设有一凸块120b和另一对凸块120c。凸块120b顺着晶片10的边缘的弧度设置，并对齐晶片10的边缘。两凸块120c均设置于凸块120b的同一侧并对齐晶片10。

每一个凸块120都各具有一个面对晶片10的接触面122。当晶片10放置于机械手臂的末端执行器100上时，凸块120的接触面122可用以直接接触晶片10的背面。由于凸块120略微突出于平板110之上，因此晶片10会被凸块120架高，使得晶片10约略平行于平板110，且不直接接触平板110。

换句话说，在正常使用情况下，整个机械手臂的末端执行器100上只有凸块120的接触面122会接触到晶片10，其余部分应不会接触到晶片10。由此可知，真正能够与晶片10之间产生摩擦力者仅有凸块120上的接触面122。

本技术领域具有通常知识者均知，摩擦力的大小取决于两物体接触表面的性质以及正向力的大小。一般来说，接触的表面越是粗糙，其摩擦系数越高，则可望产生较高的摩擦力，不论是静摩擦力或动摩擦力。表面的粗糙度可由中心线平均粗糙度来加以定义。

在本发明的实施例中，凸块120的接触面122是被施以喷沙工艺，使得接触面122的中心线平均粗糙度介于约20微寸到约50微寸之间。其中，1微寸等于0.0254微米，即2.54×10^-8公尺。较佳的情况下，接触面122的中心线平均粗糙度为约32微寸。请注意，粗糙度的测量数值存在着误差。在本发明的实施例中，其误差偏移量在10％之内。

另一方面，摩擦力也会随着接触面积的增大而变大。换句话说，当接触面122和晶片10背面的接触面积增大时，两者之间的摩擦力也可望变大。在本发明的实施例中，所有凸块120的接触面122的面积总和占晶片10的背面的面积的比例介于约1.2％到约2.0％之间，较佳为1.9％。

以八寸的晶片10为例，晶片10的面积约为32429.28平方公厘。所有凸块120的接触面122的面积的总和介于约390平方公厘到约650平方公厘之间，较佳为630.35平方公厘。随着晶片10的尺寸变大，接触面122的面积也将随比例变大。

机械手臂的末端执行器100在承载并运送晶片10的过程中，往往会受到各个处理腔的作用或影响，例如高温或化学药剂的作用。为了避免因受上述作用而变形或变质，机械手臂的末端执行器100可利用陶瓷材料来制作。在本发明的实施例中，机械手臂的末端执行器100是以导体陶瓷(conductive ceramic)制作而成。

导体陶瓷是一种耐高温、高硬度且可导电的陶瓷材料。导体陶瓷包含氧化铝(Al₂O₃)和其它材料。其中，氧化铝的含量大于导体陶瓷的总重的约90％。在本发明的实施例中，氧化铝的含量占导体陶瓷的总重的约92％。在本发明另一实施例中，氧化铝的含量占导体陶瓷的总重的约96％。

具体而言，机械手臂的末端执行器100的凸块120的材质为导体陶瓷，而平板110的材质可为导体陶瓷或其它可耐高温的陶瓷材料。在本发明的实施例中，平板110和凸块120的材质均是导体陶瓷。换句话说，本发明的实施例中，机械手臂的末端执行器100的平板110和凸块120是一体成形的。

一般工艺过程中，晶片10的表面往往会累积静电。当累积的静电压过大时，电压可能会击穿晶片10表面上的电子组件，如晶体管。为了移除静电，机械手臂的末端执行器100可电性接地，并且透过凸块120电性连接晶片10，进而将晶片10上的静电导出。其中，凸块120本身可利用可导电的材质制成，或者在凸块120的接触面122上设置导垫材料如导线等。

在本发明的实施例中，凸块120和平板110是利用可导电的导体陶瓷制成。因此当凸块120的接触面122直接接触晶片10时，凸块120便可电性连接晶片10。在本发明另一实施例中，仅凸块120的材质为导体陶瓷，平板110的材质为一般陶瓷材质，则可在平板110设置导线或导体材料连接凸块120。

一般来说，当机械手臂的末端执行器100装载或卸下晶片10时，晶片10的背面难免会与接触面122产生摩擦。须知两物互相摩擦的过程中，硬度较小的一方较易受到损耗。为了避免接触面122随着使用次数的增多而磨损，使得其粗糙度下降，接触面122的硬度可大于晶片10的硬度。在本发明的实施例中，凸块120的材质为导体陶瓷，其硬度大于晶片10的硬度，故其接触面122的硬度也大于晶片10的硬度。

在本发明的实施例中，机械手臂的末端执行器100进一步包含一对挡条130，用以限制晶片10的位置，避免晶片10相对机械手臂的末端执行器100滑动过度而突出于机械手臂的末端执行器100之外。挡条130分别设置平板110的两端且突出于晶片10边缘之外的位置，并且凸块120全部都设置在两挡条130之间。如前所述，当晶片10放置于机械手臂的末端执行器100上时，晶片10的边缘应位于凸块120的接触面122上，而且晶片10应可位于两挡条130之间。

挡条130的高度大于凸块120的高度。当发生如晶片10相对机械手臂的末端执行器100滑动或位移等的错误情况时，挡条130可阻挡晶片10继续滑动。挡条130和凸块120之间的高度差不必受限于晶片10的厚度，亦即挡条130和凸块120之间的高度差可大于、等于或小于晶片10的厚度。在本发明的实施例中，挡条130和凸块120之间的高度差可小于晶片10的厚度。

当机械手臂的末端执行器110在装载或卸下晶片10的过程中，晶片10每次落在机械手臂的末端执行器100上的相对位置不禁相同。为了避免晶片10在装卸过程中撞击挡条130，挡条130的设置位置应在预定承载晶片10位置的边缘之外，以允许晶片10装卸时位置的误差。由此可知，两挡条130之间的间距d1应大于晶片10的直径。

在本发明的实施例中，两挡条130顺着晶片10的边缘而形成弧线，两弯曲的挡条130之间的最大间距d1会大于晶片10的直径。挡条130之间的间距d1与晶片10的直径的差值为约2公厘。另外，两挡条130也可以互相平行设置。

由上述实施例可知，本发明所揭露的机械手臂的末端执行器100上用以接触晶片10的接触面122的粗糙度较大，故可提供晶片10较大的摩擦力。同时，凸块120的接触面122的面积也可增大，使得摩擦力增大。因此，即使当机械手臂的末端执行器100在高速移动的情况下，接触面122仍可提供晶片10足够的摩擦力，足以应付因惯性所产生的作用力或因旋转所产生的离心力。如此，晶片10将较不易相对于机械手臂的末端执行器100滑动。

请参考图3，其绘示根据本发明另一实施例的一种机械手臂的末端执行器的制作方式300。制作机械手臂的末端执行器的第一个步骤310为利用导体陶瓷形成平板和多个凸块。导体陶瓷是一种耐高温、高硬度且可导电的陶瓷材料，其特性均已详述于上，在此不再多加赘述。

如前所述，平板将用于承载晶片，且平板的长度大于其所欲承接的晶片的直径，使得平板的两端可突出于晶片之外。在平板的一端可设置连接组件以连接传动轴。

多个凸块位于平板的两端。凸块可位于平板的两端且对齐晶片的边缘之处，且凸块120可略微突出于平板110之上。其中，每一凸块各具有一接触面。

如前所述，所有凸块的接触面的面积总和占晶片的面积的比例约1.2％到约2.0％之间，较佳为1.9％。以八寸的晶片为例，晶片10的面积约为32429.28平方公厘。所有接触面的面积的总和介于约390平方公厘到约650平方公厘之间，较佳为630.35平方公厘。随着晶片的尺寸变大，接触面的面积也将随比例变大。

接着执行步骤320，烘烤平板和凸块，使其固化。

最后为步骤330，执行喷沙工艺于凸块上。透过喷沙工艺，将凸块的表面粗糙化。在本发明的实施例中，透过喷沙工艺使得每一个凸块的接触面的中心线平均粗糙度介于约20微寸到约50微寸之间，较佳为约32微寸。

虽然本发明已以多个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种机械手臂的末端执行器，其特征在于，至少包含：

一平板，用以承载一晶片；以及

多个凸块，分别设置于该平板的两端且对齐该晶片的边缘之处，每一该凸块具有一接触面用以直接接触该晶片的背面，每一该接触面的中心线平均粗糙度均介于约20微寸到约50微寸之间。

2.根据权利要求1所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，每一该接触面的中心线平均粗糙度均为约32微寸。

3.根据权利要求1所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，所述多个凸块的该接触面的总和相较于该晶片的比例介于约1.2％到约2.0％之间。

4.根据权利要求2所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，该多个凸块的该接触面的总和介于约390平方公厘到约650平方公厘之间。

5.根据权利要求1所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，该接触面的材质为一导体陶瓷。

6.根据权利要求5所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，该平板和该多个凸块的材质均为该导体陶瓷。

7.根据权利要求5所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，该导体陶瓷包含氧化铝，氧化铝的含量大于该导体陶瓷的总重的90％。

8.根据权利要求1所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，还包含一对挡条设置于该平板的两端，所述多个凸块均设置在所述挡条之间，其中所述挡条的高度大于所述凸块的高度。

9.根据权利要求1所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，所述挡条之间具有一间距，该间距大于该晶片的一直径，且该间距与该直径的差值约2公厘。

10.根据权利要求1所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，当每一该凸块以该接触面直接接触该晶片时，该平板约平行于该晶片且不接触晶片。

11.一种机械手臂的末端执行器，其特征在于，至少包含：

一平板，用以承载一晶片；以及

多个凸块，设置于该平板的两端且对齐该晶片的边缘之处，每一该凸块具有利用喷沙工艺形成的一接触面，每一该接触面的中心线平均粗糙度均介于约20微寸到50微寸之间，用以直接接触该晶片的背面。

12.根据权利要求11所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，每一该接触面的中心线平均粗糙度均介于约32微寸。

13.根据权利要求11所述的机械手臂的末端执行器，其特征在于，所述多个凸块的该接触面的总和相较于该晶片的比例介于约1.2％到约2.0％之间。

14.一种机械手臂的末端执行器的制作方式，其特征在于，至少包含：

利用一导体陶瓷形成一平板和多个凸块，所述凸块位于该平板的两端，其中每一该凸块具有一接触面；

烘烤该平板和所述凸块；以及

执行喷沙工艺于所述凸块上，使得每一该凸块的该接触面的中心线平均粗糙度介于约20微寸到约50微寸之间。

15.根据权利要求14所述的机械手臂的末端执行器的制作方式，其特征在于，每一该接触面的中心线平均粗糙度均介于约32微寸。

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