TWI623477B - 用以運送晶圓狀物件之設備及方法 - Google Patents

Abstract

用以運送晶圓狀物件之設備，包含支架，該支架用以握持具有預定直徑之晶圓狀物件，並透過連桿附接至可水平移動的機器人臂。支架相對於機器人臂的遠端，係可經由連桿從縮回位置到延伸位置垂直移動。

Description

用以運送晶圓狀物件之設備及方法

本發明大致關於用以運送晶圓狀物件，如半導體晶圓，之設備和方法，其中晶圓狀物件係傳送至處理腔室中。

半導體晶圓遭受各種表面處理程序，如蝕刻、清潔、研磨及材料沉積。為了提供此等程序，單一晶圓相對於一或更多處理流體噴嘴、可由與可旋轉式托架相連之夾盤支撐，例如美國專利第4,903,717號及和5,513,668號所描述之範例。可替代地，為環形轉子之形式、用以支撐晶圓的夾盤可在沒有實際接觸的情況下，透過主動磁軸承驅動，如在國際公開號WO 2007/101764及美國專利第6,485,531號中所描述。

此等夾盤有時候安裝在封閉的處理腔室中，以控制用於晶圓處理之有害物質，以及為了那些需要高於大氣壓之壓力的處理維持此狀態。關閉的處理腔室設置門或蓋以使晶圓可裝載和卸載至處理腔室內的夾盤上。

習知地，晶圓係藉由晶圓搬運機器人從開放的處理模組裝載和卸載，其中該等機器人之末端受動器藉由任何各種技術握持晶圓，諸如例如在美國專利第5,022,695、5,700,046、5,955,858、6,100,677、6,491,330號中所描述的僅邊緣接觸(ECO)技術，或藉由應用柏努力原理(Bernoulli principle)之技術，例如在DE 19948572A1和美國專利第7,100,954號中所描述者。

通常晶圓係裝載至封閉腔室內之夾盤的頂部上。為了增進晶 圓從末端受動器至夾盤之傳遞，提供升降銷以幫助將晶圓從末端受動器上的較高位置下降至夾盤上之較低位置。

然而，用於裝載和卸載晶圓的傳統末端受動器不適合用與放置在封閉的處理腔室內之夾盤一起使用，除非該處理腔室設置相對大的門或蓋，當其在裝載和卸載晶圓期間打開時，會不必要地暴露腔室的環境。如果在封閉腔室內之開口高度低於由夾盤握持之晶圓的高度時，裝載將特別麻煩。

本發明人已經開發一種用以運送晶圓狀物件之改良的設備及方法，其中攜帶晶圓狀物件之支架可水平通過相對狹窄的處理腔室門，並在那之後可以垂直方向在處理腔室內運送晶圓狀物件，以將該晶圓狀物件運送至裝載和卸載位置。

支架可具有刀刃或叉子的形式，其上放置晶圓。晶圓可經由晶圓的下側放置在刀刃上，或可僅經由其邊緣或其外圍斜面區域接觸刀刃。晶圓亦可由支架的夾持銷所夾持，在此情況下，支架可稱為夾持器。

因此，本發明之一實施態樣關於一種用以運送晶圓狀物件之設備，包含用以握持具有預定直徑的晶圓狀物件的支架、可水平移動的機器人臂、以及將機器人臂的遠端和支架相互連接的連桿。支架相對於機器人臂的遠端經由連桿可從縮回位置到延伸位置垂直移動。

在根據本發明之較佳實施例的設備中，機器人臂的遠端、支架和連桿共同擁有在縮回位置中的第一垂直伸展度以及在延伸位置中的第二垂直伸展度，該第二垂直伸展度為第一垂直伸展度的至少兩倍。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，支架和連桿構成晶圓運送機械臂的末端受動器。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，末端受動器可穿過垂直間隙低於6公分的開口。更佳地，末端受動器可穿過垂直間隙小於3公分的開口。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，連桿為包含至少兩個 連接件的平行四邊形連桿。有利地，該設備係用以使當晶圓狀物件放置在支架上時，在該晶圓狀物件下方之連桿的垂直伸展度為小於2公分。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，通電致動元件與該至少兩個連接件中的其中至少一者接合，且可操作以使該連接件繞其樞軸銷之一者樞轉，以使支架從摺疊的入口位置移動至延伸的裝載和卸載位置。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，通電致動元件包含氣缸。可替代地，通電致動元件可為壓電驅動式。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，通電致動元件可操作以當機器人臂的遠端維持靜止時垂直移動支架。較佳地，機器人臂相對於該垂直軸線保持靜止。然而，若需要時，機器人臂可水平移動以當支架垂直移動時，補償支架的水平移動。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，支架係設計以僅由邊緣接觸握持晶圓狀物件。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，支架係用以握持具有預定厚度的晶圓狀物件，且其中連桿使支架可相對於機器人臂的遠端垂直移動一段距離，該距離比晶圓狀物件之預定厚度大至少15倍。

本發明之另一實施態樣關於運送晶圓狀物件之方法，包含將晶圓狀物件放置於機器人臂的支架上、移動機器人臂以使支架水平通過在處理腔室中之側向開口、以及相對於該機器人臂垂直位移支架以將該晶圓狀物件運送至裝載和卸載位置。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，位移係藉由連接支架和機器人臂遠端之連桿所造成。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，安裝在機器人臂上的通電致動元件作用於連桿上以產生位移。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，側向開口的寬度大於30公分，並具有小於6公分的垂直間隙。垂直間隙仍較佳地小於3公分。

本發明在另一實施態樣中關於從處理腔室中卸載晶圓狀物件之方法，包含：移動機器人臂，機器人臂包含安裝在該機器人臂的遠端之支架，以使該支架可通過處理腔室中的側向開口水平穿過進入處理腔 室；相對於該機器人臂的遠端垂直位移該支架以使支架到達卸載位置；將晶圓狀物件放置在支架上的卸載位置；以及將晶圓狀物件從處理腔室取出，其係藉由相對於機器人臂的遠端垂直位移支架，以及藉由移動機器人臂，以使支架穿過側向開口水平穿出處理腔室而達成。

10‧‧‧末端受動器

12‧‧‧遠端

13‧‧‧遠端

14‧‧‧機器人臂

16‧‧‧連接件

17‧‧‧連接件

18‧‧‧連接件

19‧‧‧連接件

20‧‧‧支架

21‧‧‧支架

22‧‧‧氣缸

30‧‧‧旋轉夾盤

32‧‧‧銷

40‧‧‧晶圓運送機器人

50‧‧‧處理腔室

52‧‧‧開口

54‧‧‧門

W‧‧‧半導體晶圓

本發明之其它目的、特徵、和優點於閱讀以下關於本發明之較佳實施例的詳細描述、參照隨附圖式後將變得更顯而易見，其中：圖1為利用根據本發明之設備的一個實施例的末端受動器之從上方的透視圖，該設備具有晶圓放置其上；圖2為圖1中所描繪的配置之從下方的透視圖；圖3為對應於圖1之視圖的視圖，其中支架相對於機器人臂的遠端垂直位移；圖4為圖3中所描繪的配置之從下方的透視圖；圖5為一局部側視圖，更詳細地示出圖3和圖4之配置中的連桿；圖6為一局部側視圖，更詳細地示出圖1和2之配置中的連桿；圖7是在圖1和圖2所描繪之配置中的受動器臂的示意性側視圖；圖8為圖3和圖4所描繪之配置中的受動器臂的示意性側視圖；圖9為根據本發明之設備的另一個實施例中使用的末端受動器從下方的透視圖，該受動器具有晶圓設置其上；圖10為對應於圖9之視圖的視圖，其中支架相對於機器人臂的遠端垂直位移；圖11為圖9中所描繪之配置的側視圖；圖12為圖10中所描繪之配置的側視圖；圖13顯示將晶圓傳送進入封閉的處理腔室後，根據圖9-12 之實施例的設備；以及圖14顯示在晶圓已相對於機器人臂垂直位移後，繪示於圖13中的後續步驟。

現在參照圖1，根據本發明之用以運送晶圓狀物件的設備之實施例包含：末端受動器10，其包含機器人臂14的遠端12；握持半導體晶圓W的支架20；平行四邊形連桿，其包含側連接件16和將遠端12與支架20互相連接的中間連接件18；以及安裝至遠端12上、具有連接至中間連接件18之可伸縮軸的氣缸22。

如圖2所示，本實施例之支架20大致具有像音叉之形狀，且係為「僅邊緣接觸」類型，例如在美國專利第6,100,677號和第6,491,330號中所描述者，雖然亦可使用其他類型的支架。連接件16和18形成一個平行四邊形連桿，每個連接件係可樞轉地安裝在其至機器人臂14的遠端12的近端處，並且可樞轉地安裝在其至支架22之遠端處。氣缸22之可伸縮軸係樞轉地安裝至中間連接件18的一點，該點在與連接件18之近端樞軸相比，更靠近連接件18之遠端樞軸。氣缸本身係樞轉地安裝在其至機器人臂14之遠端12的近端。

因此，當氣缸22的軸縮回時，如圖3和圖4所示，氣缸稍微從遠端12抬起，並亦抬起中間連接件18。此進而導致支架20垂直向上位移，且側連接件16跟隨其運動，並確保當支架向上移動時，支架20及因此晶圓W維持相同的角度方向(在此情況下為水平方向)。

由支架20握持的半導體晶圓W為例如直徑為300毫米的矽晶圓。300毫米晶圓在半導體產業中為標準尺寸，且此等晶圓之相對應的厚度大約為775微米。在本實施例中的支架20係因此設計為可握持具有該直徑和厚度的晶圓。然而，支架20可配置為握持其它直徑和厚度之晶圓，例如，直徑為200毫米和厚度為726微米的晶圓，或直徑為450毫米和厚度為925微米的晶圓。

在本實施例中的連桿係由三個連接件所形成，中間連接件 18為驅動連接件且側連接件16從動連接件。可替代地，可使用僅具有兩個連接件的連桿，其中一連接件為驅動連接件且另一連接件為從動連接件，在此情況下，兩個連接件的近端和遠端樞轉點係較佳地彼此平行並且偏移，而不是與側連接件16對準。

亦可使用其他類型的連桿以將機器人臂的遠端與支架互相連接，前提是此連桿能相對於該機器人臂垂直位移支架，並不會使末端受動器在支架的縮回位置中變得太高，如將於本文以下所描述。例如，可使用一組在一側連接至支架且在相反之一側連接至機器人臂的遠端之伸縮構件。

圖5和圖6凸顯運用於圖1-4的實施例中的平行四邊形連桿之結構。如這些圖中所示，當連桿位於圖5中所繪示之卸載和裝載位置時，使支架可大幅升高。另一方面，當支架20係如圖6中所示縮回時，受動器臂之高寬比係相當低，且受動器臂可從而通過形成於處理腔室壁中之非常窄的開口。

例如，如圖7和圖8中所示，當支架相對於機器人臂14的遠端12縮回時(圖7)，末端受動器組件將具有總垂直伸展度“a”。然而，當支架相對於機器人臂14的遠端12垂直位移時，垂直伸展度之值係增加至“b”。在此範例中，伸展度“b”係為伸展度“a”的約2.6倍。更普遍而言，“b”係較佳地為“a”的至少1.5倍，更佳地為“a”的至少2倍，且最佳地為“a”的至少2.5倍。“b”和“a”之間的差距為測量晶圓W垂直位移之距離的方法，在此情況下300毫米直徑的晶圓大約是26毫米。在實務上，末端受動器可較佳地相對於機器人臂造成支架臂至少10毫米的垂直位移，較佳地至少20毫米，且更佳地為至少25毫米。

圖7和圖8亦繪示遠端12之厚度為“c”，在本實施例中為約11毫米，而在本實施例中距離“b”約為42毫米且在本實施例中距離“a”為約16毫米。假設使用300毫米之晶圓，在此實施例中末端受動器在圖7之配置的高寬比為約0.05且在圖8之配置的高寬比約為0.14。

現參照圖9-12，根據這些圖之實施例的末端受動器提供更小的支架21、以及由連接件17、19所組成的連桿，連桿與遠端13一起提 供比前述實施例之更小的高寬比。然而，如圖9至圖10和圖11至圖12中之比較可明顯看出，此實施例中之連桿仍可使支架21和晶圓W相對於遠端13垂直位移相當大的距離。

在圖13和14中，圖9-12之實施例的設備係顯示為使用中，該設備將晶圓W裝載至封閉的處理腔室中的旋轉夾盤上。尤其圖13和圖14中所繪示之旋轉夾盤30和處理腔室50係更充分地描述於2011年10月19日提出之共同擁有的美國專利申請案第13/276,940號。在本實施例中的旋轉夾盤30係為磁轉子型，且晶圓W係經由向下懸掛銷32定位在夾盤30上，俾使晶圓從夾盤垂下。

在圖13中，覆蓋腔室50之開口52的門54已開啟，且以40示意性描繪的晶圓運送機器人已移動其包含遠端部13之臂部進入腔室50，俾使晶圓W係定位於夾盤30之下方。接著，如圖14所示，通電致動器，例如如前所述之氣缸係致動以便相對於機器人臂的遠端13，通過連接件17、19將支架21提高至裝載位置，於該處偏心銷32可以旋轉至與晶圓W的邊緣嚙合。

將晶圓W從夾盤30處卸載係藉由反向執行上述操作之程序而達成。

本發明之設備和方法當然亦可用於藉由從夾盤向上突出之銷件，將晶圓握持於其中的旋轉夾盤中。在此情況下，連桿係配置以相對於機器人臂垂直向下而非向上位移支架。

雖然在圖13和14中之機器人臂的遠端13係位於腔室50內，但該遠端13可在晶圓之裝載和卸載期間，取決於腔室及末端受動器之特定配置，完全位於腔室以外，或部分位於腔室內且部分位於腔室外。

Claims (15)

1. 一種用以運送晶圓狀物件之設備，包含：用以握持具有預定直徑的晶圓狀物件的支架；可水平移動的機器人臂；以及將該機器人臂的遠端和該支架相互連接的連桿，如此一來該支架及該連桿自該機器人臂的該遠端側向地突出，其中該支架相對於該機器人臂的該遠端經由該連桿可從縮回位置到延伸位置垂直移動，且其中在該支架自該縮回位置移動到該延伸位置的期間該機器人臂的該遠端維持靜止。
2. 如申請專利範圍第1項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該機器人臂的該遠端、該支架和該連桿共同擁有在該縮回位置中的第一垂直伸展度以及在該延伸位置中的第二垂直伸展度，該第二垂直伸展度為該第一垂直伸展度的至少兩倍。
3. 如申請專利範圍第1項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該支架和該連桿構成晶圓運送機械臂的末端受動器。
4. 如申請專利範圍第3項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該末端受動器可穿過垂直間隙低於6公分的開口。
5. 如申請專利範圍第1項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該連桿為包含至少兩個連接件的平行四邊形連桿。
6. 如申請專利範圍第5項之用以運送晶圓狀物件的設備，更包含通電致動元件，與該至少兩個連接件中的其中至少一者接合，且可操作以繞該至少兩個連接件其中該至少一者之樞軸銷樞轉該連接件，以使該支架從摺疊的入口位置移動至延伸的裝載和卸載位置。
7. 如申請專利範圍第6項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該通電致動元件包含氣缸。
8. 如申請專利範圍第6項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該通電致動元件可操作以當該機器人臂的該遠端維持靜止時垂直移動該支架。
9. 如申請專利範圍第1項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該支架係設計以僅由邊緣接觸握持該晶圓狀物件。
10. 如申請專利範圍第1項之用以運送晶圓狀物件的設備，其中該支架係用以握持具有預定厚度的晶圓狀物件，且其中該連桿使該支架可相對於該機器人臂的該遠端垂直移動一段距離，該距離比該晶圓狀物件之該預定厚度大至少15倍。
11. 一種運送晶圓狀物件之方法，包含：將晶圓狀物件放置於支架上，該支架經由側向地突出的連桿自機器人臂側向地突出；移動該機器人臂以使該支架水平通過在處理腔室中之側向開口；以及相對於該機器人臂垂直位移該支架及該連桿，且同時使該機器人臂維持靜止，以將該晶圓狀物件運送至裝載和卸載位置。
12. 如申請專利範圍第11項之運送晶圓狀物件之方法，其中該垂直位移係藉由連接該支架和該機器人臂的遠端之該連桿所造成。
13. 如申請專利範圍第12項之運送晶圓狀物件之方法，其中安裝在該機器人臂上的通電致動元件作用於該連桿上以產生該垂直位移。
14. 如申請專利範圍第11項之運送晶圓狀物件之方法，其中該側向開口的寬度大於30公分，並具有小於6公分的垂直間隙。
15. 一種運送晶圓狀物件之方法，該方法包含：移動機器人臂，該機器人臂包含經由側向地突出的連桿自該機器人臂的遠端側向地突出之支架，以使該支架可通過處理腔室中的側向開口水平穿過進入該處理腔室；相對於該機器人臂的該遠端垂直位移該支架及該連桿，且同時使該機器人臂維持靜 止，以使該支架到達卸載位置；將晶圓狀物件放置在位於該卸載位置的該支架上；以及將該晶圓狀物件從該處理腔室取出，其係藉由相對於該機器人臂的該遠端垂直位移該支架，以及藉由移動該機器人臂，以使該支架穿過該側向開口水平穿出該處理腔室而達成。