晶圆抓取装置及半导体工艺设备的制作方法

本实用新型涉及半导体集成电路的制造领域，特别涉及一种晶圆抓取装置及半导体工艺设备。

背景技术：

在半导体集成电路的制造工艺中，经常需要通过机械臂将晶圆从晶圆盒中抓取出来并运输到下一个工艺制程的加工机台上。在实际生产中，除了正常保养以外，加工机台都是在不停运转生产作业的，而机械臂在经过长时间的机械运动之后，可能会出现固定机械臂的螺丝松动等问题，进而导致机械臂向下倾斜。如果没有及时发现机械臂向下倾斜，而是使用机械臂继续去抓取晶圆，可能会导致机械臂在抓取晶圆时刮擦或碰撞到晶圆，从而使晶圆表面产生刮伤等缺陷，甚至导致晶圆的破损，最终导致晶圆的报废。参阅图1，图1是机械臂抓取晶圆的示意图，从图1中可看出，机械臂12由前端121和后端122构成，后端122连接有电机13，电机13通过带动机械臂12的后端122运动，进而带动机械臂12的前端121运动来抓取晶圆10。机械臂12的前端121进入到晶圆盒11中抓取晶圆10时，一般机械臂12的前端121进入到晶圆盒11中的位置为靠近相邻晶圆10之间的间距的中间位置，若相邻的晶圆10之间的间距为5mm，机械臂12的前端121的厚度为1.5mm，那么，机械臂12的前端121可向下倾斜的最大距离可能只有2mm，当超出2mm时，很大可能会导致机械臂12的前端121刮擦到下方的晶圆10的顶表面。因此，如何及时检测出抓取晶圆的机械臂是否发生倾斜，以避免机械臂在抓取晶圆时刮擦或碰撞到晶圆而导致晶圆表面刮伤等缺陷成为亟须解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种晶圆抓取装置及半导体工艺设备，能够及时检测出机械臂是否发生倾斜，以避免机械臂在抓取晶圆时刮擦或碰撞到晶圆而导致晶圆表面刮伤等缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种晶圆抓取装置，包括：

机械臂，具有设置于所述机械臂上的光线反射器，用于从晶圆盒中抓取晶圆的前端，以及，连接所述前端并带动所述前端运动的后端；

用于驱动所述机械臂运动的电机，所述电机连接所述机械臂的后端；

用于向所述光线反射器发射光线的光线发射器；以及，

用于接收所述光线反射器反射的光线的光线接收器。

可选的，所述光线发射器为激光发射器或红外光发射器。

可选的，所述光线反射器位于所述机械臂的前端的底表面和/或顶表面上。

可选的，所述光线反射器嵌在所述机械臂的底表面和/或顶表面上，且所述光线反射器不超出其所在的所述机械臂的表面。

可选的，所述光线反射器具有用于反射所述光线发射器发出的光线的反射面。

可选的，所述光线接收器包括接收所述光线反射器反射的光线的光电位置敏感器以及电连接所述光电位置敏感器的信号输出端的信号处理电路。

可选的，所述光电位置敏感器包括一维光电位置敏感器或二维光电位置敏感器。

可选的，还包括与所述光线接收器电连接的信息存储器。

可选的，所述机械臂的前端上设有用于固定晶圆的部件。

本实用新型还提供了一种半导体工艺设备，包括：加工机台以及本实用新型提供的所述晶圆抓取装置。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下效果：

1、本实用新型提供的晶圆抓取装置，通过设置于机械臂上的光线反射器将光线发射器发出的光线反射到光线接收器上，使得所述机械臂发生倾斜时能够被所述光线接收器感应到，并对所述机械臂的倾斜程度进行放大，使得能够及时检测出所述机械臂是否发生倾斜，进而可以避免所述机械臂在抓取晶圆时刮擦或碰撞到晶圆而导致晶圆表面刮伤等缺陷。

2、本实用新型提供的半导体工艺设备，由于加工机台上安装有本实用新型提供的所述晶圆抓取装置，能够及时检测出所述晶圆抓取装置中的机械臂是否发生倾斜，以使得所述机械臂的倾斜程度保持在规格内，进而避免所述机械臂在抓取晶圆时对晶圆造成划伤、破损等缺陷，以使得晶圆的良率可以得到有效提高。

附图说明

图1是机械臂抓取晶圆的示意图；

图2a是本实用新型一实施例的光线反射器位于机械臂的底表面上的示意图；

图2b是本实用新型一实施例的光线反射器位于机械臂的顶表面上的示意图；

图2c是本实用新型一实施例的光线反射器位于机械臂的顶表面和底表面上的示意图；

图3是本实用新型一实施例的晶圆抓取装置中的机械臂倾斜时的示意图；

图4a是本实用新型一实施例的一维光电位置敏感器的结构的截面示意图；

图4b是图4a所示的一维光电位置敏感器的等效电路图；

图5是本实用新型一实施例的二维光电位置敏感器的原理示意图。

其中，附图1～5的附图标记说明如下：

10-晶圆；11-晶圆盒；12-机械臂；121-前端；122-后端；13-电机；21-机械臂；211-光线反射器；212-前端；213-后端；22-电机；23-光线发射器；24-光线接收器；G1、G2、G3、G4-光线；P-顶层；I-中间层；N-底层；I1、I2-光电流；R1、R2-等效电阻；RL-负载电阻；P1、P2-信号输出电极；H1、H2、H3-距离；L1-机械臂的长度；L2、L3-距离；α1、α2、α3-角度。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图2a～5对本实用新型提出的晶圆抓取装置及半导体工艺设备作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

本实用新型一实施例提供一种晶圆抓取装置，参阅图2a～2c，从图2a～2c中可看出，所述晶圆抓取装置包括机械臂21、电机22、光线发射器23和光线接收器24，其中，所述机械臂21具有设置于所述机械臂21上的光线反射器211，用于从晶圆盒中抓取晶圆的前端212，以及，连接所述前端212并带动所述前端212运动的后端213；所述电机22连接所述机械臂21的后端213，用于驱动所述机械臂21运动；所述光线发射器23用于向所述光线反射器211发射光线；以及，所述光线接收器24用于接收所述光线反射器211反射的光线。

下面参阅图2a～图5对所述晶圆抓取装置进行详细说明：

所述机械臂21具有机械臂本体，所述机械臂本体具有相对的前端212和后端213，所述前端212用于从晶圆盒中抓取晶圆，所述后端213连接所述前端212并带动所述前端212运动。所述机械臂21还具有设置于所述机械臂本体上的光线反射器211。由于所述晶圆盒中相邻的所述晶圆之间的间距很小，为了使得所述机械臂21在抓取所述晶圆时，所述光线反射器211不占用相邻的所述晶圆之间的空间，优选地，所述光线反射器211嵌在所述机械臂21的表面上，且所述光线反射器211不超出其所在的所述机械臂21的表面。从图2a～2c中可看出，所述光线反射器211可以嵌在所述机械臂21的底表面或顶表面上，或者所述光线反射器211分别嵌在所述机械臂21的底表面和顶表面上。在本实用新型的其它实施例中，所述光线反射器211也可以超出所述机械臂21的表面，但是所述光线反射器211超出所述机械臂21的表面的部分的厚度需很薄，以防止所述机械臂21在未发生倾斜的状态下仍会刮伤所述晶圆。同时，为了使得所述光线接收器24能够更准确地反馈所述机械臂21倾斜时对应的信息，优选地，所述光线反射器211位于所述机械臂21的前端212的底表面或顶表面上，或者所述光线反射器211分别位于所述机械臂21的前端212的底表面和顶表面上。在本实用新型的其它实施例中，所述光线反射器211也可以位于所述机械臂21的靠近所述后端213的表面上，但是当所述机械臂21发生倾斜时，位于靠近所述后端213的表面上的所述光线反射器211反射的光线会使得所述光线接收器24反馈的信息不太明显，从而影响对所述机械臂21的倾斜程度的判定。

另外，所述光线反射器211具有用于反射所述光线发射器23发出的光线的反射面(未图示，也可以称为反射镜)。由于所述机械臂21在将所述晶圆从某些设备的工艺腔体中抓取出来时，所述晶圆的温度很高，所以，所述反射面的材质需耐高温，而且，为了使得所述光线反射器211能够很好的将所述光线发射器23发射的光线反射给所述光线接收器24，所述反射面的材质的反射率需较高，所以，所述反射面的材质优选为铝、铜、铬和银中的至少一种，或者碳化硅等。同时，所述机械臂21的前端212上设有用于固定所述晶圆的部件(未图示)，以防止所述晶圆在传送过程中在所述机械臂21的前端212上滑动或从所述机械臂21的前端212上掉落，进而造成所述晶圆的表面划伤或受损，固定所述晶圆的部件可以包括真空吸附部件、凹槽结构或夹持部件等。

所述电机22连接所述机械臂21的后端213，用于驱动所述机械臂21运动。具体地，所述电机22驱动所述机械臂21的后端213运动，进而带动所述机械臂21的前端212运动。在需要抓取所述晶圆时，电机22可以通过驱动所述机械臂21的后端213运动，以带动所述机械臂21的前端212水平移动到晶圆与晶圆之间的安全位置，使得所述机械臂21的前端212能够将待抓取的晶圆托起，然后，所述电机22再驱动所述机械臂21的后端213运动，以带动所述机械臂21的前端212从晶圆盒中运动出来，并将抓取的晶圆继续传送到相应的晶圆加工工序的机台上。另外，在需要检测所述机械臂21是否发生倾斜时，所述电机22可以通过驱动所述机械臂21的后端213运动，以带动所述机械臂21的前端212先水平移动到设定好的检测位置，然后，所述电机22再驱动所述机械臂21在垂直方向移动到设定好的检测高度所在的位置，以为后续的检测做好准备。

所述光线发射器23用于向所述光线反射器211发射光线。从图2a～2c中可看出，当所述光线反射器211位于所述机械臂21的底表面上时，所述光线发射器23位于所述机械臂21的下方；当所述光线反射器211位于所述机械臂21的顶表面上时，所述光线发射器23位于所述机械臂21的上方；当所述光线反射器211分别位于所述机械臂21的底表面和顶表面上时，所述机械臂21的下方和上方各设置有所述光线发射器23。所述光线发射器23可以为激光发射器或红外光发射器，所述光线发射器23发射的为平行光，使得所述光线发射器23发出的光线的角度保持一致，且优选地，所述光线发射器23的光源为点光源或线光源，以使得反射到所述光线接收器24上的光线为光点或尺寸较小的光斑，使得所述光线接收器24对接收到的光线的位置判定更加准确。同时，所述光线发射器23的位置固定不变，以为后续测试所述机械臂21是否发生倾斜做好准备。

所述光线接收器24用于接收所述光线反射器211反射的光线。从图2a～2c中可看出，当所述光线反射器211位于所述机械臂21的底表面上时，所述光线接收器24位于所述机械臂21的下方；当所述光线反射器211位于所述机械臂21的顶表面上时，所述光线接收器24位于所述机械臂21的上方；当所述光线反射器211分别位于所述机械臂21的底表面和顶表面上时，所述机械臂21的下方和上方各设置有所述光线接收器24，由于此时所述机械臂21的下方和上方也各设置有所述光线发射器23，所以，可通过所述机械臂21上方和下方的所述光线接收器24共同反馈的信息对所述机械臂21的倾斜程度进行监控，进一步保证了对所述机械臂21的倾斜程度的判定的准确性。所述光线接收器24可以包括接收所述光线反射器211反射的光线的光电位置敏感器以及电连接所述光电位置敏感器的信号输出端的信号处理电路。其中，所述光电位置敏感器是一种对其感光面上接收到的光线的位置敏感的光电器件，即当光线落在所述光电位置敏感器的感光面上的不同位置时，所述光电位置敏感器通过所述信号输出端向所述信号处理电路对应输出不同的电信号，通过对输出的电信号进行处理，即可确定接收到的光线在所述光电位置敏感器上的位置。接收到的光线的强度和尺寸大小与所述光电位置敏感器输出的位置信号均无关，所述光电位置敏感器输出的位置信号只与接收到的光线的“重心”位置有关，所以，所述光电位置敏感器可以接收的光线的范围较大。

另外，所述光电位置敏感器包括一维光电位置敏感器或二维光电位置敏感器。所述一维光电位置敏感器可以检测接收到的光线的一维的位置坐标，所述二维光电位置敏感器可以检测接收到的光线的平面位置坐标。所述一维光电位置敏感器可以为PIN三层结构，其截面参阅图4a，从图4a中可看出，PIN三层结构包括顶层P、中间层I和底层N，其中，所述顶层P为感光面，所述顶层P的两端各有一信号输出电极P1和P2，当接收到的光线G1到达所述一维光电位置敏感器的顶层P上的某点时，由于接收到的光线G1到达的位置与所述信号输出电极P1和P2之间存在横向电势，使得从所述信号输出电极P1和P2上分别得到光电流I1和I2，所述光电流I1和I2的大小取决于接收到的光线G1的位置与所述信号输出电极P1和P2之间的等效电阻R1和R2。如果所述一维光电位置敏感器的顶层P的电阻是均匀的，则所述一维光电位置敏感器的等效电路如图4b所示，从图4b中可看出，等效电阻R1和R2的阻值取决于接收到的光线的位置，假设负载电阻RL的阻值相对等效电阻R1和R2的阻值可忽略，则所述光电流I1和I2与接收到的光线的强度无关，所以，所述一维光电位置敏感器仅对接收到的光线的位置敏感。所述二维光电位置敏感器的正面和背面之间是个PN结，且正面和背面都是均匀的电阻层，参阅图5，从图5中可看出，X轴电极A、B安装在正面，Y轴电极C、D垂直于X轴安装在背面，所述二维光电位置敏感器接收到的光线产生的电流分为正面和背面两部分，其中，反偏压加在正面电极A、B与背面电极C、D之间(信号电极与偏置电极不独立)。若IA～ID分别为电极A～D的光电流，当光线落在所述二维光电位置敏感器的任一位置时，在X轴和Y轴方向各有一个唯一的信号与其对应，则所述二维光电位置敏感器接收到的光线的中心的位置坐标为(X,Y)，那么位置坐标(X,Y)的计算公式如下，其中，K0和K1为常量：

X＝K0(IA-IB)/(IA+IB)

Y＝K1(IC-ID)/(IC+ID)

应当认识到，所述光线接收器24基于何种原理来确定光线的位置的过程，并不是本实用新型的技术方案的重点，即本实用新型的重点不是对所述光线接收器24的改进，而是对所述光线接收器24的使用，因此所述光线接收器24可以采用本领域技术人员熟知的任意合适的光线接收器件。

另外，在采用所述晶圆抓取装置检测所述机械臂21是否发生倾斜之前，需先在所述光线接收器24上设定所述机械臂21处于未倾斜状态时的基准位置。以所述光线反射器211嵌在所述机械臂21的前端212的底表面上，以及所述光线发射器23和所述光线接收器24位于所述机械臂21的下方为例，具体地，参阅图2a，从图2a中可看出，先将所述机械臂21安装在机台上，安装之后保证所述机械臂21处于水平状态，采用电机22驱动所述机械臂21，使得所述机械臂21移动到检测位置，其中，检测位置在以后的检测过程中固定不变，所述机械臂21的长度为L1；然后，将所述光线发射器23固定在所述机械臂21的下方，所述光线发射器23与所述机械臂21的底表面(即所述光线反射器211)之间在垂直方向上的距离为H1，所述光线发射器23向所述光线反射器211发射的光线G2的入射角为α1；最后，所述光线发射器23向所述光线反射器211发出光线G2之后，所述光线反射器211反射出光线G3，反射角也为α1，移动所述光线接收器24，使得所述光线接收器24可以接收到所述光线G3，为了使得所述机械臂21向任意方向发生倾斜时，所述光线接收器24都可以接收到所述光线反射器211反射的光线，优选地，可以调整所述光线接收器24的位置，使得所述光线G3的重心可以落在所述光线接收器24的中心位置，所述光线接收器24的位置调整好之后，将所述光线接收器24的位置固定，且所述光线发射器23和所述光线接收器24位于同一水平面上，所述光线发射器23与所述光线接收器24之间的距离为L2，此时，所述光线接收器24接收到的所述光线G3的重心位置设定为基准位置。

当所述机械臂21向下发生倾斜时，由于所述光线发射器23的位置固定不变，使得所述光线发射器23发射的光线的角度不变，而所述光线反射器211的位置向下移动，使得所述光线反射器211接收到的光线的入射角和反射的光线的反射角发生变化，进而使得所述光线接收器24接收到的光线的位置相对于所述机械臂21未发生倾斜时的基准位置发生位移。当所述机械臂21向下倾斜的距离越大，即所述机械臂21向下倾斜的角度越大时，使得所述光线接收器24接收到的光线的位置相对于所述机械臂21未发生倾斜时的基准位置发生位移的距离越大，可以将所述机械臂21的倾斜程度达到最大时对应的所述光线接收器24接收到的光线的位移距离设定为报警值，另外，可以设定一个小于报警值的预警值，使得所述机械臂21的倾斜程度达到对应的预警值时即对所述机械臂21进行重新调整，以避免所述机械臂21继续倾斜而可能导致的在抓取晶圆时刮擦或碰撞到晶圆，进而避免导致晶圆表面刮伤等缺陷。可以对所述机械臂21发生倾斜时对应的所述光线接收器24接收到的光线的位置相对于所述机械臂21未发生倾斜时的基准位置发生的位移距离进行计算，计算过程可以以所述光线反射器211嵌在所述机械臂21的前端212的底表面上，以及所述光线发射器23和所述光线接收器24位于所述机械臂21的下方为例进行说明，具体地，参阅图3，图3是本实用新型一实施例的晶圆抓取装置中的机械臂倾斜时的示意图，从图3中可看出，首先，若所述机械臂21向下倾斜的距离为H2，则所述机械臂21向下倾斜的角度为α2，其中，α2＝arctan(H2/L1)，那么当所述光线反射器211位于所述机械臂21的前端212的底表面上时，所述光线反射器211与所述光线发射器23在垂直方向上的距离为H3，且H3＝H1-H2；然后，由于所述光线发射器23的位置不变，而所述光线反射器211的位置发生了变化，使得所述光线发射器23向所述光线反射器211发射的光线仍为光线G2，但是所述光线反射器211向所述光线接收器24反射的光线为光线G4，此时，所述光线G2的入射角和反射角都为α3，且α3＝α1+α2；最后，计算所述光线接收器24接收到的光线G4的位置与所述光线G3的位置之间的距离L3，其中，L3＝H3*tan(α2+α3)-0.5*L2，为方便计算，所述光线G2与光线G3的角平分线向所述光线发射器23的方向平移一段距离，由于此距离很小，在计算所述距离L3的过程中可忽略不计。例如，当L1＝320mm、L2＝1000mm、H1＝866mm、H2＝2mm、α1＝30°时，计算获得α2＝arctan(H2/L1)＝arctan(2/320)＝0.358°，α3＝α1+α2＝30°+0.358°＝30.358°，H3＝H1-H2＝866-2＝864mm，L3＝H3*tan(α2+α3)-0.5*L2＝864*tan(0.358°+30.358°)-0.5*1000＝13.33mm，即当所述机械臂21向下倾斜2mm时，对应的所述光线接收器24接收到的光线G4的位置相对于所述机械臂21未发生倾斜时的基准位置(即所述光线接收器24接收到的光线G3的位置)发生的位移距离为13.33mm，所以，所述光线接收器24将所述机械臂21的倾斜程度进行放大之后反馈出来，使得所述机械臂21即使发生很小的倾斜，也能够被所述光线接收器24接收并反馈出来。

另外，所述晶圆抓取装置还可包括与所述光线接收器24电连接的信息存储器(未图示)，所述信息存储器可以与所述光线接收器24中的信号处理电路相连接，使得所述光线接收器24中的光电位置敏感器接收到的光线的位置信息可以传递给信息存储器。

同时，所述晶圆抓取装置还可包括控制芯片(未图示)，所述控制芯片可以与所述信息存储器电连接，所述信息存储器将所述光线接收器24接收到的光线的位置信息传递给所述控制芯片，使得所述控制芯片对所述机械臂21的倾斜程度进行判定；同时，所述控制芯片可以与所述电机22电连接，当所述控制芯片判定所述机械臂21的倾斜程度已达到预警值或报警值时，所述控制芯片可以通过高低电平的切换来关停所述电机22，以使所述电机22不再对所述机械臂21进行驱动，使得所述机械臂21停止运动。

当然，所述控制芯片可以是用于控制所述机械臂21和所述电机22的原有控制器，在其中加入根据所述光线接收器24采集的信息而进一步得到所述机械臂21的倾斜程度的功能。但是在本实用新型的其他实施例中，也可以将所述机械臂21的倾斜程度的计算过程直接采用人工来实现，即基于本实用新型的所述晶圆抓取装置的所述光线接收器24采集的信息而进一步得到所述机械臂21的倾斜程度，可以不依赖于软件实现。

综上所述，本实用新型提供的晶圆抓取装置包括：机械臂，具有设置于所述机械臂上的光线反射器，用于从晶圆盒中抓取晶圆的前端，以及，连接所述前端并带动所述前端运动的后端；用于驱动所述机械臂运动的电机，所述电机连接所述机械臂的后端；用于向所述光线反射器发射光线的光线发射器；以及，用于接收所述光线反射器反射的光线的光线接收器。本实用新型提供的晶圆抓取装置可以及时检测出所述机械臂是否发生倾斜，进而避免所述机械臂在抓取所述晶圆时刮擦或碰撞到晶圆而导致晶圆表面刮伤等缺陷。

本实用新型一实施例提供一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括：加工机台以及本实用新型提供的所述晶圆抓取装置。所述加工机台可以包括氧化炉、固化炉、光刻机台、刻蚀机台、沉积机台、化学机械研磨机台、清洗机台等，所述晶圆抓取装置安装在所述加工机台的晶圆入口处。可以按照上述描述的过程及时对所述晶圆抓取装置中的机械臂的倾斜程度进行检测，以保证所述机械臂的倾斜程度在规格内，进而避免所述机械臂在抓取晶圆时对晶圆造成划伤、破损等缺陷，以使得安装有所述晶圆抓取装置的所述加工机台生产出来的晶圆的良率可以得到有效提高。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。