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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vereinzeln von scheibenförmigen
Substraten, insbesondere Wafern.
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Für
die Halbleiter-, die MST-(Mikrostrukturtechnologie) und die Photovoltaik
Industrie werden zum Herstellen ihrer Produkte scheibenförmige
Substrate (zum Beispiel sogenannte Wafer) aus Halbleitermaterialien
benötigt; die unter anderem aus polykristallinem und monokristallinem
Silizium hergestellt werden.
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Um
diese scheibenförmigen Substrate zu erhalten, werden Blöcke
oder Zylinder dieser Halbleitermaterialien mit Hilfe von Drahtsägen
in scheibenförmige Substrate zerschnitten. Dies geschieht
durch einen Schneideprozeß, währenddessen dieser
Draht (Stärke 200 μm) mit Hilfe eines Schleifmittels,
das sich in einer Aufschlämmung (genannt Slurry) befindet,
in vielen Wicklungen parallel durch den Block oder den Zylinder
gezogen wird. So ergeben sich derzeit Waferstärken von
270 μm–320 μm. Nach diesem Schneiden
werden die zu Wafer geschnittenen Blöcke bzw. Zylinder
in einem Reinigungsschritt von der Aufschlämmung gereinigt.
Da der Bedarf an hochreinem Silizium weltweit stark gestiegen ist,
weil die Hersteller von Wafern für die Photovoltaik Industrie
im Augenblick nicht in ausreichenden Mengen Wafer für Solaranlagen
liefern können, ist es notwendig, daß die Waferstärken
insbesondere für diesen Anwendungsbereich reduziert werden,
um aus einem Block oder Zylinder eine höhere Anzahl von
Wafern zu gewinnen. Angestrebt werden Waferstärken von
weniger als 130 μm. Die Vereinzelung derartiger scheibenförmiger
Substrate wird derzeit durch mechanische Greif- oder Schiebemechaniken
realisiert, die auf die Ränder der Wafer einwirken und
damit zu einem erhöhten Bruchanteil der Wafer führen.
Ein derartiges Verfahren wird in der europäischen Patentschrift
EP 0 802 028 A2 beschrieben.
Dort werden die einzelnen Wafer abgeschnitten und mittels eines
Transportbandes zur Aufnahmevorrichtung gebracht.
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Eine
weitere Methode Wafer zu vereinzeln, ist in der deutschen Patentschrift
DE 199 00 671 A1 beschrieben.
Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Wafer durch Einblasen
von Fluidströmen voneinander getrennt. Diese Art der Trennung
dürfte nur für Wafer mit Standardstärken
geeignet sein.
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Die
geringen Stärken von weniger als 130 μm machen
die ohnehin schon sehr bruchempfindlichen Wafer noch anfälliger
gegen mechanische Belastungen, so daß Wafervereinzelungsverfahren,
die Druck-, Zug- oder Scherkräfte auf die Wafer ausüben,
möglichst vermieden werden müssen. Dies verbietet
auch eine Vereinzelung von Hand, da auch diese Handhabung zu großen
Bruchverlusten bei Wafern führt und darüber hinaus
zu einer stark verminderten Reproduzierbarkeit führt.
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Deshalb
ist es wegen der sehr komplizierten und empfindlichen Handhabung
notwendig, Vereinzelungsprozesse weitgehend zu automatisieren.
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Um
die vorne beschriebene Problemstellung zu lösen, wird die
Vorrichtung zur Vereinzelung von scheibenförmigen Substraten
nach der Adhäsionsmethode vorgeschlagen.
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Weil
die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Trägerelement
aufweist, das eine Oberfläche hat, die zum Ausbilden einer
Adhäsionskraft zwischen der Oberfläche und einem
an dieser angrenzenden scheibenförmigen Substrat zum Abziehen
des scheibenförmigen Substrats von einem Stapel scheibenförmiger
Substrate ausgebildet ist, läßt sich so auch ein
sehr dünnes Substrat beschädigungsfrei und trotzdem
sicher abziehen. Im Einzelnen wirkt die Adhäsionskraft
zwischen der Oberfläche des Trägerelementes und
dem Substrat vollflächig, so daß hier keine Gefahr
der Beschädigung oder Beeinträchtigung der Qualität
des Substrates durch das Vereinzeln gegeben ist. Bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird mittels Adhäsion eine Kraft zwischen der
Oberfläche des Trägerelementes und einem an diese
angrenzenden scheibenförmigen Substrat erzeugt und sodann
mittels dieser Adhäsionskraft das scheibenförmige
Substrat von einem Stapel scheibenförmiger Substrate abgezogen.
Es wird dadurch eine homogene Kraftverteilung an dem Substrat erzeugt,
mit der sich einerseits sicher das Substrat abziehen läßt
und andererseits eine Beschädigung zuverlässig
vermieden wird.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Trägerelement
zum Ausbilden der Oberfläche eine Schicht aus einem Kunststoffmaterial
auf. Als derartiges Kunststoffmaterial eignet sich beispielsweise
eine Schicht einer glasfaserverstärkten Polyethylenfolie.
Es ist aber auch möglich, daß das Kunststoffmaterial
eine Schicht aus Polymethylmetacrylat (PMMA) aufweist. Mit derartigen
Kunststoffen lassen sich gute Adhäsionskräfte
erzielen. Darüber hinaus kann die Oberfläche des
Trägerelementes hydrophil sein. In diesem Fall läßt
sich ein Wasserfilm an der Oberfläche anbringen, mit dem
gute Adhäsionskräfte erzielbar sind. Es ist außerdem
von Vorteil, wenn die Oberfläche des Trägerelementes
vergrößert ist. Beispielsweise kann die Oberfläche
des Trägerelementes aufgeraut sein. Besonders gute Ergebnisse
lassen sich erzielen, wenn die Oberfläche des Trägerelementes
feinstrukturiert ist. Mittels einer derart vergrößerten
Oberfläche in die dann beispielsweise in einer hydrophilen
Ausgestaltung Wasser eingelagert sein kann, lassen sich gute und
gleichmäßige Adhäsionskräfte
zwischen der Oberfläche und dem Substrat ausbilden, so
daß sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Rückhaltevorrichtung
zum Zurückhalten der nicht abgezogenen scheibenförmigen
Substrate des Stapels vorgesehen. Weil auch zwischen den Substraten
Adhäsionskräfte wirken können, ist dafür
Sorge zu tragen, daß mittels des Trägerelementes
nur das oberste Substrat des Stapels von diesem abgezogen wird und
daß die übrigen Substrate des Stapels in diesem
verbleiben. Die Rückhaltevorrichtung kann beispielsweise
eine oder mehrere flexible Abstreifkanten aufweisen. Hierdurch läßt
sich mit einem einfachen Aufbau ein zuverlässiges Zurückhalten
der verbleibenden Substrate des Stapels bewirken.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung sind Trennmittel zum Trennen des
Trägerelementes von dem daran haftenden scheibenförmigen
Substrat vorgesehen. Diese Trennmittel ermöglichen ein
Aufheben der Adhäsionskräfte zum definierten Ablegen des
Substrates an einer gewünschten Position. Es ist beispielsweise
möglich, daß das Trennmittel einen Kanal zum Leiten
eines Fluids zwischen Trägerelement und Substrat aufweist.
Das Trennmittel kann aber auch ein mit einer Flüssigkeit
gefülltes Becken aufweisen. In diesem Fall wird das Substrat
in die Flüssigkeit eingetaucht, so daß mittels
Kapillarwirkung der Wasserfilm zwischen Substrat und Trägerelement
dicker wird, bis das Substrat von dem Trägerelement löst.
Unterstützt werden kann dieses Lösen durch eine
ruckartige Abstreifbewegung in der Flüssigkeit.
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Es
ist außerdem von Vorteil, wenn eine Aufnahme für
die vereinzelten Substrate vorgesehen ist. Die Aufnahme kann ein
Förderband, ein Aufnahmegestell oder ein Montagerahmen
sein.
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In
diesem Fall können die vereinzelten Substrate jeweils gezielt
abgelegt und weiterbearbeitet werden.
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Wenn
bei einer Weiterbildung der Erfindung ein Roboterarm zum Betätigen
des Trägerelementes vorgesehen ist, läßt
sich das Vereinzeln auf einfache Weise zuverlässig automatisieren.
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Bei
einer anderen Weiterbildung ist ein Sensor zum Erkennen eines schadhaften
Substrates vorgesehen. Auf diese Weise können in dem automatisierten
Prozess in einem Arbeitsgang die Substrate vereinzelt und schadhafte
Substrate aussortiert werden.
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Um
die scheibenförmigen Substrate – unabhängig
von Ihrer Dicke – zu vereinzeln, wurde von folgender Überlegung
ausgegangen:
Es wird der Effekt ausgenutzt, daß zwischen
sehr glatten Flächen intermolekulare Kräfte im
Grenzschichtbereich eine Rolle spielen. Beispiel: Zwei hochpolierte
völlig ebene Flächen (Metall-Metall oder Glas-Glas)
können nur gegeneinander verschoben werden, aber nicht
voneinander abgehoben werden. Dies ist unter Anderem bedingt durch
die Adhäsionskräfte (van-der-Waal'sche Bindungen
bzw. Wasserstoff-Brückenbindungen), die bei solchen Prozessen wirksam
sind.
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Der
gleiche Effekt wird auch bei der Wechselwirkung von glatten Flächen,
die ein scheibenförmiges Substrat, zum Beispiel ein Siliziumwafer,
mit einer glatten Oberfläche mit anderen Werkstoffen hat,
beobachtet.
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Dazu
kann es notwendig sein, daß sich zwischen den beiden Oberflächen
ein Flüssigkeitsfilm befindet. Auf diesem Flüssigkeitsfilm
lassen sich die beiden Oberflächen aufeinander verschieben
und bleiben dennoch aneinander haften. Der Begriff Adhäsionskraft
wird bei der vorliegenden Erfindung synonym für diese Kräfte
verwendet.
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Dazu
muß jedoch der dazu geeignete Werkstoff mit der dafür
notwendigen Oberflächenbeschaffenheit für das
Trägerelement des Vereinzelungssystems für Wafer
ausgesucht werden. Ein gutes Ergebnis hat sich mit Kunststoffen
erzielen lassen, die eine feinstrukturierte Oberfläche
besitzen.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 Die
geschnittenen scheibenförmigen Substrate (2) mit
der dazwischen haftenden Flüssigkeit (3),
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2 einen
ersten Schritt zur Vereinzelung der scheibenförmigen Substrate
(2): Aufsetzen des Trägerelementes (1))
auf das scheibenförmige Substrat (2) und Abschieben
des scheibenförmigen Substrates (2) vom Stapel
der scheibenförmigen Substrate (2),
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3 einen
zweiten Schritt zur Vereinzelung der scheibenförmigen Substrate
(2): Abstreifen des scheibenförmige Substrates
(2) an der Rückhaltevorrichtung (4),
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4 einen
letzten Schritt nach Alternative 1: Ablage des scheibenförmigen
Substrates (2) in der Aufnahmevorrichtung (6),
das scheibenförmige Substrat (2) ist vollständig
in die Flüssigkeit (3) eingetaucht und abgelöst
vom Tragelement (1),
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5 einen
letzten Schritt nach Alternative 2: Unterspülen
mit Flüssigkeit (3) des am Trägerelement
mit feinstrukturierter Oberfläche (1) haftenden scheibenförmigen
Substrates (2) und Ablegen in geeigneter Vorrichtung, und
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6 eine
Vorrichtung zum Vereinzeln scheibenförmiger Substrate.
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Die
scheibenförmigen Substrate (2), die in einem bereits
geschnittenen und gereinigten Block oder Zylinder aneinander haften,
(1) sollen als feuchte scheibenförmige
Substrate voneinander getrennt und einzeln abgelegt werden.
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Dazu
wird das erste scheibenförmige Substrat (2), das
mit der Flüssigkeit (3) benetzt ist, mit dem Trägerelement
mit feinstrukturierter Oberfläche (1), an der
ebenfalls die Flüssigkeit (3) haftet, vom Stapel der
scheibenförmigen Substrate abgezogen. (2)
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Durch
die bereits erwähnten intermolekularen Kräfte
im Grenzschichtbereich, die selbstverständlich auch zwischen
den einzelnen scheibenförmigen Substraten (2)
wirksam sind, weil sich zwischen den einzelnen scheibenförmigen
Substraten ebenfalls ein Flüssigkeitsfilm befindet, werden
in der Regel durch die auch hier wirkenden Adhäsionskräfte
weitere scheibenförmige Substrate (2) mitgezogen,
die zurückgehalten werden müssen. (3)
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Dazu
wird an der Seite des Stapels der scheibenförmigen Substrate
in Höhe des ersten scheibenförmigen Substrates
(2) eine Rückhaltevorrichtung (4) benutzt,
die den bzw. die scheibenförmigen Substrate (2),
der (die) beim Abziehen des ersten scheibenförmigen Substrates
(2) mitgezogen wird (werden), zurückhält.
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Die
Rückhaltevorrichtung (4) besteht aus einem Material,
das über ausreichend hohe Adhäsionskräfte
gegenüber den zu trennenden scheibenförmigen Substraten
(2) verfügt und deren Gestaltung eine sichere
Trennung der scheibenförmigen Substrate (2) gewährleistet.
Diese Rückhaltevorrichtung kann auch als feststehende Abstreifkante
ausgestaltet sein.
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Durch
die Auswahl der geeigneten Werkstoffe wird sichergestellt, daß die
Adhäsionskräfte, die zwischen den einzelnen scheibenförmigen
Substraten (2) wirksam sind, durch die größeren
Adhäsionskräfte, die zwischen der Rückhaltevorrichtung
(4) und den folgenden scheibenförmigen Substraten
(2) wirken, überwunden werden. Diese Kräfte
sind ihrerseits geringer als die Adhäsionskräfte,
die zwischen dem ersten scheibenförmigen Substrat (2)
und dem Trägerelement mit feinstrukturierter Oberfläche
(1) wirksam sind, so daß jedes scheibenförmige
Substrat (2) einzeln abgezogen werden kann.
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Die
Rückhaltevorrichtung (4) zeigt also eine genügend
hohe Adhäsionskraft, um das (die) mitgezogene(n) scheibenförmige(n)
Substrat(e) (2) zurückzuhalten, d. h. daß die
Adhäsionskraft, die von der Rückhaltevorrichtung
(4) auf das zweite und die folgenden scheibenförmigen
Substrate (2) wirkt, größer ist als die
Adhäsionskraft, die das erste und die folgenden scheibenförmigen
Substrate (2) aneinander haften läßt.
Wenn als Rückhaltevorrichtung (4) eine feststehende
Abstreifkante benutzt wird, stößt das dem obersten
scheibenförmigen Substrat (2) folgende scheibenförmige
Substrat (2) gegen diese Kante und wird zurückgehalten.
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Nachdem
das erste scheibenförmigen Substrat (2) am Trägerelement
(1) haften geblieben ist, wird dieses am Trägerelement
(1) haftend dorthin transportiert, wo es abgelegt werden
soll.
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Diese
Stelle (z. B. Aufnahmegestell oder Montagerahmen (6)) liegt
vollständig in einer Flüssigkeit (3),
die sich in einem Becken (5) befindet. (4)
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Um
die einzelnen scheibenförmigen Substrate (2) in
einer Aufnahmevorrichtung abzulegen, ist es notwendig, die Adhäsionskräfte,
die das scheibenförmige Substrat am Trägerelement
mit feinstrukturierter Oberfläche (1) haften läßt,
zu verringern. Damit das scheibenförmige Substrat sich
vom Trägerelement mit feinstrukturierter Oberfläche
(1) löst, ist es notwendig, daß die Dicke
des Flüssigkeitsfilms (3) erhöht wird.
Dies geschieht entweder dadurch, daß die Flüssigkeit
durch eine Bohrung (7) im Trägerelement mit feinstrukturierter
Oberfläche (1) zwischen die Oberfläche
des scheibenförmigen Substrates (2) und die feinstrukturierte
Oberfläche des Trägerelementes (1) eingespült
wird oder durch das Eintauchen des Trägerelementes mit
feinstrukturierter Oberfläche (1) in die Flüssigkeit
(3). In diesem Fall wir durch die einsetzende Kapillarwirkung
die Dicke des Flüssigkeitsfilms (2) erhöht
und damit die Adhäsionskräfte aufgehoben.
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In
beiden Fällen werden die Adhäsionskräfte aufgehoben
und ein weiteres Haften verhindert. So kann das scheibenförmigen
Substrat (2) in der dafür vorgesehenen Aufnahmevorrichtung
(6) äußerst genau plaziert werden.
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Auf
die gleiche Art werden auch die übrigen scheibenförmigen
Substrate (2) getrennt.
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Wesentlich
bei diesem Verfahren zur Vereinzelung von scheibenförmigen
Substraten (2) nach der Adhäsionsmethode ist,
daß bei diesem Verfahren nur äußerst
geringe mechanische Belastungen auf die scheibenförmigen
Substrate (2) einwirken und sie nicht mit Kräften
belastet werden, die derart wirken können, daß sie
beschädigt werden, denn durch die Reduzierung der mechanischen
Belastungen mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Bruchgefahr
für die scheibenförmige Substrate (2)
weit herabgesetzt.
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Darüber
hinaus ist bei diesem Verfahren wichtig, daß es die Möglichkeit
bietet, vollständige scheibenförmige Substrate
(2) von beschädigten scheibenförmigen
Substraten (2) zu trennen, indem sie am Trägerelement
(1) haftend zu unterschiedlichen Orten gebracht werden
können, nachdem durch Sensoren die Vollständigkeit
bzw. Fehlerhaftigkeit des einzelnen scheibenförmigen Substrates
(2) festgestellt wurde. Denn es kann durchaus vorkommen,
daß einzelne bereits geschnittene scheibenförmige
Substrate (2) durch den Sägeprozeß beschädigt
und damit für das Endprodukt unbrauchbar werden.
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Einen
zusätzlichen Vorteil bietet dieses Verfahren hinsichtlich
des Zeitaufwandes bei der Trennung der scheibenförmigen
Substrate (2). Die Trennung des einzelnen scheibenförmigen
Substrates (2) vom Stapel der scheibenförmigen
Substrate läßt sich in relativ kurzer Zeit durchführen.
Der Zeitaufwand beläuft sich vom Aufsetzen des Trägerelements
(1) bis zum Ablösen des obersten scheibenförmigen Substrates
(2) vom Stapel der scheibenförmigen Substrate
auf ca. 2–3 sec (Dies gilt für scheibenförmigen
Substrate (2) mit einer Größe von 140
mm × 140 mm). Diese Zeitangabe kann variieren, da die Größe der
scheibenförmigen Substrate (2) auf den Zeitraum des
Vereinzelns Einfluß hat.
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Damit
wird durch das Verfahren zur Vereinzelung von scheibenförmigen
Substraten nach der Adhäsionsmethode eine erhöhte
Ausbeute an vollständigen scheibenförmigen Substraten
(2) pro geschnittenem Block bzw. Zylinder erzielt und die
Wirtschaftlichkeit wesentlich verbessert.
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6 zeigt
eine Vereinzelungsvorrichtung mit den Erfindungsmerkmalen. Gleiche
Elemente tragen die gleichen Bezugsziffern wie in den vorhergehenden
Figuren. Wie sich der Fig. entnehmen läßt, ist das
Trägerelement 1 am Ende eines Roboterarmes 9 schwenkbar
angeordnet. Mittels des Trägerelementes 1 läßt
sich in der vorstehend bereits beschriebenen Weise ein Substrat 2 mittels
Aufbau einer Adhäsionskraft zwischen dem Trägerelement 1 und
dem Substrat 2 von einem Stapel abheben. Der Stapel Substrate 2 ist
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Rückhaltevorrichtung 4 angeordnet,
die sich in einem Becken 10 befindet. In dem Becken 10 ist
eine Flüssigkeit 3 angeordnet. Nach Abziehen eines
Substrates 2 von dem Stapel mit dem Trägerelement 1 schwenkt
der Roboterarm 9 derart um seine Achse, daß das
Substrat 2 einem Sensor, im hier gezeigten Beispiel einem
optischen Bildaufnehmer 11, zugewandt wird. Mittels des
optischen Bildaufnehmers 11 wird die Qualität
und insbesondere das Vorhandensein von Beschädigungen an
dem Substrat 2 überprüft. Bei Feststellen
einer Beschädigung wird das Substrat durch Ablegen an einer
nicht in der Fig. dargestellten Position aussortiert. Wird von dem
optischen Bildaufnehmer 11 eine gute Qualität
und insbesondere das Fehlen einer Beschädigung festgestellt,
so wird das Substrat 2 als nächstes in einem mit
Flüssigkeit 3 gefüllten Becken 12 auf
Förderbändern 13 abgelegt. Dieses Ablegen
erfolgt wie vorstehend bereits erläutert. Nach dem Ablegen
auf den Förderbändern 13 wird das jeweilige
Substrat 2 zur Weiterverarbeitung an eine nicht in der
Fig. dargestellte Position gefahren. Es ist aber auch möglich, den
Förderbändern 13 benachbart einen Träger
mit einer Vielzahl Einzelaufnahmen für jeweils ein Substrat 2 anzuordnen.
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In
der Praxis kann es zweckmäßig sein, wenn der Roboterarm 9 an
Stelle einer Schwenkbewegung lediglich eine Linearbewegung macht.
Hierbei wäre eine geeignete Aufnahme, wie beispielsweise
das in dem Becken 12 angeordnete Förderband 13 in
Richtung des Roboterarms 9 vor oder hinter dem Stapel Substrate 2 angeordnet.
Der Roboterarm 9 nimmt in diesem Fall lediglich durch Abziehen
eines Substrates 2 von dem Stapel ein solches Substrat
auf und legt es sodann gleich auf den Förderbändern 13 ab.
Der Sensor 11 zum Überprüfen der Beschädigungsfreiheit
des Wafers 2 wäre dann beispielsweise über
den Förderbändern 13 angeordnet. Bei
dieser Ausgestaltung läßt sich eine höhere
Vereinzelungsgeschwindigkeit erzielen, da der Roboterarm 9 lediglich
für das Vereinzeln zuständig ist und eine Überprüfung
der Qualität der Wafer nachfolgend auf den Förderbändern 13 mit
anschließender Aussortierung erfolgen kann, während
der Roboterarm 9 bereits das nächste Substrat 2 vom
Stapel zieht.
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- 1
- Trägerelement
- 2
- scheibenförmiges
Substrat (Wafer)
- 3
- Flüssigkeit
- 4
- Rückhaltevorrichtung
- 5
- Becken
mit Flüssigkeit
- 6
- Ablagevorrichtung
- 7
- Flüssigkeitsbohrung
- 8
- Vereinzelungsvorrichtung
- 9
- Roboterarm
- 10
- Becken
- 11
- Sensor
- 12
- Becken
- 13
- Förderband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0802028
A2 [0003]
- - DE 19900671 A1 [0004]