用于装卸半导体晶片的末端执行器的制作方法

专利名称：用于装卸半导体晶片的末端执行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于装卸半导体晶片的末端执行器设计，特别是公开了一种用于装卸 处于相对较低温度的晶片的末端执行器和一种用于装卸处于相对较高温度的晶片的末端 执行器。
背景技术：
通常，集成电路指的是一种包含于单块芯片上的电路，其包含有有源的和无源的 电路元件。集成电路通过在基片上利用各种材料以预定的图案扩散和淀积连续的层而形 成。所述材料可以包括诸如硅这样的半导电性材料、诸如金属这样的导电性材料以及诸如 氧化硅这样的低介电性材料。包含在集成电路芯片中的半导电性材料被用来形成差不多所 有的普通电路元件，比如电阻器、电容器、二极管以及晶体管。一般来说，用于成形集成电路芯片的基片由薄的硅切片或者硅晶片制成。在集成 电路芯片的制造过程中，半导体晶片一般被保持在被称作“匣(cassette)”的载体中。在所 述匣中晶片以堆叠方式相互间隔开。这些晶片利用晶片装卸设备，通常也被称作末端执行 器，单个地送入匣中和从匣中取出。末端执行器可以被固连在一个机械手上，由所述机械手 在一个、两个或者三个方向上移动该末端执行器。末端执行器被设计成在一对相邻晶片之间进入所述匣中，并且拾取出一个晶片， 例如用于送入一个处理腔内。在该处理腔中，半导体晶片经受多种工艺中的一种。例如，在 该处理腔中，可以进行化学气相淀积工艺、蚀刻工艺、退火工艺和/或外延生长工艺。在晶片的运输过程中，必须非常小心以确保晶片不会遭受损坏或者污染。由此，在 本行业已经进行了许多努力，以便设计出能够以一种非常精确的方式小心运输晶片的末端 执行器和机械手。尽管在晶片装卸领域已经进行了多种改进，但是，仍旧需要进一步改进。 例如，许多晶片装卸工具相对庞大并且笨重，以便适应许多目前固连在该工具上的器械，来 更为精确地运输晶片。但是，末端执行器的尺寸限制了该末端执行器在运输和加速时的速 度。还有，相对庞大的末端执行器要求处理腔包含相对较大的开口，以便接收该末端执行器 和承载于其上的晶片。鉴于前述内容，当前需要对末端执行器和机械手的设计进行进一步改进。还有，需 要一种相对细长的产品设计，不仅能够确保精确的晶片控制，而且可以集成一个晶片探测 系统和一个晶片推动机构，其中所述晶片推动机构可以被用来在运输过程中抓持住晶片。 还需要一种相对细长的末端执行器设计，可以在装卸冷晶片时和装卸热晶片时使用。

发明内容
本发明认识到了现有末端执行器设计上的各种缺陷和不足。因此，总体上来说，本发明涉及多种具有许多此前无法获得的明显优点和益处的末端执行器。例如，在一个实施例中，本发明涉及一种用于装卸半导体晶片的末端执行器。这种 末端执行器包括一个具有近端和远端的基座构件。例如，在一个实施例中，所述基座构件可 以包括一个以分叉方式与第二尖叉(tine)间隔开的第一尖叉。第一和第二尖叉可以终止 于所述基座构件的远端。在所述基座构件上可以设置多个支撑构件，用于接触和支撑一个 置于该末端执行器上的晶片。依据特定用途，所述支撑构件可以呈多种形式和形状。在一个 实施例中，所述支撑构件可以仅被构造成在晶片的边缘处与该晶片发生接触。在这里，“晶 片的边缘”指的是位于晶片顶表面与底表面之间的晶片边界区域。例如，在过去，许多末端 执行器沿着晶片的周边支撑起该晶片，所述周边是该晶片底表面的一部分。按照本发明的一个实施例，所述末端执行器具有一种相对细长的轮廓。例如，所述 末端执行器可以具有小于12毫米的最大轮廓高度，比如小于10毫米。 在一个实施例中，所述末端执行器还可以包括一个推动装置，用于在所述基座构 件上定位晶片。该推动装置可以包括一个可回缩活塞，该可回缩活塞被构造成与半导体晶 片的边缘发生接触。所述活塞可以在一个伸展位置与一个回缩位置之间移动。可以将一个偏压构件设置成与所述活塞工作性关联。该偏压构件，例如可以是一 根弹簧，可以朝向其回缩位置偏压所述活塞。为了使得所述活塞伸展以便与晶片发生接触，所述末端执行器还可以包括一个气 动致动器。该气动致动器可以被构造成接收高压气体，该高压气体被用来克服由所述偏压 构件施加在所述活塞上的力，并且使得所述活塞从回缩位置移动至伸展位置。在一个实施 例中，所述气动致动器可以被连接在一对气体管线上。这些气体管线可以被构造成将高压 气体供入所述气动致动器内。所述气体的力可以被用来将一个驱动构件移动入所述气动致 动器内和从所述气动致动器中移出。所述驱动构件可以由此被连接在所述活塞上，用于使 得所述活塞伸展和回缩至一个预期位置。当包含有推动装置时，所述末端执行器还可以包括一个与所述气动致动器相邻设 置的吸气装置。所述吸气装置可以被构造成产生一个吸力，用于捕获任何在所述活塞移动 的过程中释放出的颗粒。例如，在一个实施例中，所述吸气装置可以与连接于所述气动致动 器上的一根气体管线流体连通。可以在所述气体管线与吸气装置之间设置一个止回阀。当 向所述气体管线施加一个吸力时，所述止回阀可以打开，来在所述吸气装置内部产生一个 吸力。以这种方式，所述吸气装置可以被用在当晶片没有被所述推动装置夹持住时。本发明中的末端执行器还可以包括一个晶片探测系统，用于探测在该末端执行器 上是否存在晶片。例如，在一个实施例中，该晶片探测系统可以包括一条与光导管连通的送 光通道，其中该送光通道包括一个光源，和一个角型光学器件。可以由所述光源发射出一个 光束，该光束由光导管传导至所述角型光学器件。所述角型光学器件可以被构造成使得所 述光束横穿在所述基座构件上由支撑构件限定出的晶片接收区域。与所述送光通道相对，可以横跨所述晶片接收区域设置一个受光通道，用于接收 由所述送光通道发射出的光束。该受光通道可以与一个光传感器连通。所述光传感器可以 被用来在横穿所述晶片接收区域的光束被阻断时指示存在有晶片。包含于所述送光通道中的角型光学器件可以包括一个与凸透镜组合使用的反射 器件，比如镜子，其中所述凸透镜使得光束聚焦和变窄。所述送光通道还可以包括一个位于所述光导管与角型光学器件之间的光孔。该光孔的直径小于所述光导管的直径。例如，所 述光孔的直径可以从大约0. 2毫米至大约1毫米，并且所述光导管的直径可以从大约2毫 米至大约6毫米。所述光导管例如可以由一种诸如石英这样的晶体材料制成。所述受光通道还可以包括一个与光孔和光导管连通的角型光学器件。所述受光通 道还可以包括一个面对着所述送光通道的受光开口。该受光开口可以被用来使得所述受光 通道的视野变窄。按照本发明中的教导，可以根据需要构造和使用多种不同类型的末端执行器。例 如，在一个实施例中，可以制得一种特别适用于装卸温度低于250°C的冷晶片的末端执行 器。在另一个实施例中，可以设计出一种被构造成保持住热晶片的末端执行器，比如温度高 于250°C的晶片，例如高达750°C。例如，在一种晶片处理系统中，该系统可以包括一个冷晶 片末端执行器和一个热晶片末端执行器，用于在处理腔与匣之间运送晶片。用于装卸冷晶片的末端执行器可以包括一个基座构件，该基座构件由一种诸如不 锈钢这样的金属制成。包含于所述基座构件上的支撑构件可以由一种低摩擦塑性材料制 成，比如聚醚-酮醚或者聚甲醛-乙缩醛聚合物。在一个实施例中，所述支撑构件可以具有 一个用于与晶片边缘发生接触的倾斜表面。该倾斜表面可以具有一种外凸且偏心形状。例 如，在一个实施例中，所述末端执行器可以包含四个支撑构件，其中两个支撑构件位于所述 第一和第二尖叉的端部处。位于所述尖叉端部处的支撑构件可以具有外凸且偏心形状的表 面。另一方面，用于装卸热晶片的末端执行器可以由一种耐热材料制成，比如火抛光 石英或者蓝宝石。在本实施例中，所述支撑构件可以与所述基座构件整体形成。例如，所述 支撑构件可以呈一种拱形形状，该拱形形状大体上与半导体晶片的半径相匹配。各个支撑 构件均可以具有一个晶片接触表面，该晶片接触表面从一个最大半径逐渐变小至与所述基 座构件相邻的最小半径。最大半径与最小半径之间的差值可以至少为大约0. 75毫米，例如 至少为大约1毫米。在一个实施例中，所述末端执行器还可以在位于近端与远端之间的中心区域包括 位于所述基座构件上的应急销。这些应急销可以包含于用于装卸冷晶片的末端执行器上或 者包含于用于装卸热晶片的末端执行器上。这些应急销通常高度小于所述支撑构件的高 度。例如，这些应急销可以具有小于大约1毫米的高度。所述应急销并非被设计成在正常情况下与半导体晶片发生接触。但是，如果一个 包含在所述末端执行器上的晶片发生了挠曲(bowing)，那么所述应急销将支撑该晶片，并 且防止该晶片与末端执行器上的其它部件发生接触。如果所述晶片与末端执行器上的其它 部件发生了接触，那么该晶片有可能被污染或者产生温度梯度。本发明的其它特征、方面以及优点在后面更为详细地进行讨论。


下面参照附图对本发明的多个实施例进行描述图1是一个按照本发明制成的晶片处理系统实施例的透视图；图IA是两个机械手的透视图，每个机械手均被固连在一个按照本发明制成的末 端执行器上；
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图2是一个按照本发明制成的末端执行器实施例的透视图；图3是图2中所示末端执行器的平面图；图4是图2中所示末端执行器的侧视图；图5是图2中所示末端执行器的放大透视图，某些部分被切除；图6A和6B是按照本发明制成的包含有一个推动装置的末端执行器的透视图，某 些部分被切除；图7、7A和7B是一个按照本发明制成的包括晶片探测系统的末端执行器的多个视 图；图8是另外一个按照本发明的末端执行器实施例的透视图；图9A、9B、10A和IOB是不同的末端执行器实施例的侧视图，示出了按照本发明制 成的各种支撑构件；图11是图8中所示末端执行器的透视图，某些部分被切除；而图12也是图8中所示末端执行器的透视图，某些部分被切除。在本说明书和附图中重复使用的附图标记用于表示本发明中相同或者相似的特 征或者元件。
具体实施例方式下面参照本发明的实施例，在下面给出了一个或者多个示例。各个示例均用于解 释本发明，而并非对本发明加以限制。实际上，对于本技术领域那些熟练人员来说，在不脱 离本发明的范围和实质的条件下，可以在本发明中进行多种改进和变型。例如，被图示或 者描述为一个实施例中的部件的特征可以用在另外一个实施例中，来获得再一个实施例。 因此，希望本发明覆盖这些落入所附权利要求的范围以及它们的等效范围之内的改进和变 型。本技术领域的普通技术人员将会明白，目前的讨论均是对示例性实施例的描述，而并非 用于对本发明的更宽方面加以限制，其中所述更宽方面以示例性构造加以实施。总体来说，本发明涉及一种晶片处理和装卸系统。按照本发明，已经设计出了多种 末端执行器，与许多现有构造相比，提供了许多改进和优点。例如，在一个实施例中，本发明 涉及一种被设计成用于装卸低温晶片，比如温度低于250°C的晶片，的末端执行器。替代性 地，本发明还涉及被设计成用于装卸热晶片，比如温度高于250°C的晶片，的末端执行器的 构造。但是，必须明白的是，任何与用于装卸低温晶片的末端执行器相关联的特征也可以被 用在用于装卸相对高温晶片的末端执行器上。按照本发明制成的末端执行器可以包括专门设计的支撑构件，用于在该末端执行 器上支撑晶片。这些支撑构件被设计成仅在晶片的边缘处与该晶片发生接触。除了所述支撑构件之外，末端执行器还可以包括一个晶片探测系统。还有，所述末 端执行器可以包括一个推动装置，该推动装置用于在所述末端执行器上定位晶片。所述推 动装置还可以在所述末端执行器的快速运动过程中用于将晶片夹持在该末端执行器上。参照图1，示出了一个按照本发明制成的晶片处理系统实施例。如图所示，这种系 统包括多个晶片匣10、12和14。这些晶片匣被设计成用于以间隔开但堆叠的方式保持住晶 片。一个或者多个机械手16与这些匣相邻。如图所示，这些机械手均被固连在一个末端执 行器上，其中所述末端执行器被设计成用于从匣10、12和14中取出半导体晶片并且将它们置入一个晶片处理腔18内。在图1所示的实施例中，系统包括一个第一半导体晶片处理腔18和一个第二半导 体晶片处理腔20 (未示出)。半导体晶片处理腔18包括一个门22，该门22打开和关闭以 为了将晶片放入处理腔内和从处理腔中取出晶片。所述晶片处理腔可以被构造成在半导体 晶片上实施多种工艺。例如，这些处理腔可以被设计成实施化学气相淀积、退火、外延淀积、 蚀刻等等。在图1所示的实施例中，处理腔18包括一个快速热处理腔。在图1所示的实施 例中，处理腔18的盖24处于打开位置。该盖在处理过程中保持关闭，但是例如为了对处理 腔进行维护可以被打开。快速热处理腔18可以被连接在一个气室26上，该气室26保持有多种在晶片处理 过程中使用的气体。例如，为了在一个半导体晶片上淀积多个不同类型的层，可以向所述处 理腔供入多种气体。所述气体也可以是用于防止在热处理过程中在半导体晶片上发生任何 所不希望的反应的惰性气体。参照图1A，示出了一对对偶机械手28和30，均被连接在一个对应的末端执行器32 和34上。在本实施例中，末端执行器32用于装卸处于相对较低温度的半导体晶片，而末端 执行器34用于装卸处于较高温度的半导体晶片。由于具有两个机械手28和30以及两个 末端执行器32和34，所以本发明中的系统能够同时装卸两个半导体晶片。例如，末端执行 器34可以将一个半导体晶片从处理腔24中取出，同时末端执行器32将一个半导体晶片从 匣中取出，用于取代处理腔中的那一个。如图IA中所示，机械手28包括一个第一部分36和一个第二部分38，而机械手30 包括一个第一部分40和一个第二部分42。通过使用这些部分，机械手能够在两个方向(X 和Y方向)上自由地移动所述末端执行器。通过在机械手中包括合适的机构，所述末端执 行器还可以上、下移动(Z方向)。例如，如图IA中所示，所述机械手可以被连接在一个提升 装置43上，在需要时提升该机械手。再次参见图1，所述机械手还可以被安装在一条线性轨 道上，使得该机械手沿着所述匣和处理腔移动。需要明白的是，图IA中所示的机械手仅代表了一种用于移动末端执行器32和34 的机构实施例。就此而言，任何合适的机械手均可以被连接在所述末端执行器上。例如，在 其它实施例中，所述末端执行器可以被连接在一个包括线性滑块的机械手上，用于在一个、 两个或者三个方向上移动。参照图2-7B，下面将更为详细地对图IA中所示的末端执行器32进行描述。如图 2和3中所示，末端执行器32包括一个基座构件44。该基座构件44包括一个限定出末端 执行器的近端的背部46。该基座构件还包括一个第一尖叉48和一个第二尖叉50，它们均 终止于末端执行器的远端处。当用于装卸具有相对较低温度的晶片时，基座构件44可以由 一种诸如不锈钢这样的金属制成。替代性地，可以使用任何其它合适材料。为了在所述末端执行器上支撑晶片，所述末端执行器包括大量位于基座构件上的 支撑构件。在图2和3所示的实施例中，所述末端执行器包括四个支撑构件52、54、56和 58。如图3中所示，这些支撑构件均位于所述末端执行器上，以便如虚线所示那样与半导体 晶片60的边缘发生接触。支撑构件52、54、56和58可以由任何具有低摩擦系数的合适材 料制成。例如，这些支撑构件可以由一种塑性材料制成，比如聚醚-酮醚(PEEK)或者聚甲 醛-乙缩醛聚合物(POM)。替代性地，所述支撑构件可以由一种结晶材料制成，比如石英或者蓝宝石。为了仅在半导体晶片60的边缘处与该半导体晶片60发生接触，各个支撑构件均 可以具有一个倾斜表面。例如，参照图5，示出了一个按照本发明制成的支撑构件实施例56。在本实施例 中，支撑构件56包括一个具有偏心且外凸形状的表面。本发明人已经发现，在图5中示出 的特定表面形状用于当一个晶片被装载在末端执行器上时使得该晶片在支撑构件上更好 地定心。如图5中所示，由于支撑构件的外凸且偏心形状，在晶片的定心过程中该晶片被沿 着线62推动。正如后面将更为详细描述的那样，这种特定形状还将与一个推动装置更好地 协同工作。在一个实施例中，支撑构件56和58均具有一种外凸且偏心的形状。但是，支撑构 件52和54可以具有一种外凸形状但不偏心。在其它实施例中，支撑构件52和54可以包 括任何能够与晶片边缘发生配合的合适倾斜表面。在另外一些实施例中，支撑构件52和54 可以被构造成在除晶片边缘之外的区域内部的任何地方与晶片发生配合。如图3中所示，各个支撑构件52、54、56和58均环绕晶片60的边缘支撑起该晶片 60。这些支撑构件在它们之间限定出一个晶片接收区域。为了将晶片保持在晶片接收区域 中，所述末端执行器还包括位于该末端执行器近端处的周向支撑销64和66以及位于该末 端执行器远端处的止挡构件68、70、72和74。总体上说，所述周向支撑销和止挡构件的高度 大于所述支撑构件。例如，所述周向支撑销和止挡构件可以至少比所述支撑构件高出0.2 毫米左右，比如至少比所述支撑构件高出0. 5毫米左右。周向支撑销64和66以及止挡构 件68、70、72和74用于在末端执行器32的加速和减速过程中将晶片60保持在所述晶片接 收区域之内。如图3中所示，在各个尖叉的端部处环绕相应的支撑构件均设置有一对止挡构 件。例如，由于在某些实施例中半导体晶片60可以包括一个用于在各种工艺中对该晶片进 行定心的缺口，所以使用了一对止挡构件。但是，通过利用两个止挡构件，即使包含于晶片 上的缺口与一个止挡构件对齐，仍旧能够与该晶片发生接触。当然，在某些实施例中，将仅 需要一个止挡构件。替代性地，所述止挡构件的宽度可以大于包含于晶片上的缺口的宽度。按照本发明，如图2和3中特别示出的那样，末端执行器32还包括一对应急销76 和78。应急销76和78位于所述末端执行器上的尖叉上，并且总体上被设计成当半导体晶 片60支撑于所述支撑构件上时不与该半导体晶片60发生接触。就此而言，应急销76和78 的总体高度低于所述支撑构件的高度。例如，应急销76和78的高度可以至少比所述支撑 构件低0. 2毫米左右，比如低0. 5毫米左右。例如，在一个实施例中，应急销76和78的高 度比所述支撑构件低0. 7毫米左右。应急销76和78被设计和构造成当半导体晶片60没有处于合适位置或者发生挠 曲时与该晶片60发生接触。另一方面，如果所述晶片与末端执行器上的尖叉48和50发生 接触，那么该晶片可以被污染，特别是如果所述尖叉由一种金属制成时更是如此。当今，半导体晶片被制造成具有更大的尺寸并且尽可能地薄。由此，可能出现晶片 弯曲或者挠曲，特别是如果晶片具有较高温度时。因此，应急销76和78在晶片不会遭受实 质性损坏的条件下提供对挠曲晶片的支撑。通常，应急销76和78、周向支撑销64和66、以及止挡构件68、70、72和74可以由
9一种塑料或者结晶材料制成。通常，所述应急销、周向支撑销以及止挡构件可以由任何用于 制取所述支撑构件的材料制成。除了各种前述用于支撑和保持半导体晶片的无源装置之外，末端执行器32还包 括一个总体上被标记为80的推动装置。该推动装置80被包含在末端执行器32的基座构 件44中。该推动装置的机构在图6A和6B中示出。在图6A和6B中，示出末端执行器32， 且尖叉48和50未连接于背部46上。如图6A和6B中所示，推动装置80包括一个连接于触头84上的活塞82。如图6B 中所示，触头84被设计成与半导体晶片60的边缘发生接触。该触头可以具有一个平面状 表面或者一个外凸式表面。对于大多数应用领域来说，所希望的是所述触头仅在晶片的边 缘处与该晶片点状接触。推动装置80中的活塞82被连接在一个气动致动器86上。如图6A和6B中所示， 气动致动器86被连接在第一气体管线92和第二气体管线94上。第一气体管线92与第一 气体开口 88连通，而第二气体管线94与第二气体开口 90连通。气动致动器86包括一个连接于活塞82上的驱动构件96。如图6B中所示，该驱动 构件96包括一个汽缸活塞95以及一对对置导杆97和99。汽缸活塞95以及导杆97和99 被构造成移入和移出气动致动器86。尤其是，为了使得汽缸活塞95伸展，通过第一气体开 口 88和第一气体管线92供给高压气体。所述高压气体迫使汽缸活塞95移出气动致动器 86。为了使得汽缸活塞95回缩，中断流过第一气体管线92的气体，并且经由第二气体 开口 90通过第二气体管线94供给高压气体。例如，可以发送通过第二气体管线94供给的 气体，以便迫使汽缸活塞95返回气动致动器86内。例如，在一个实施例中，汽缸活塞95可 以包括一个柱塞(未示出)，该柱塞在一侧与通过第一气体管线92供给的气体发生接触， 在另外一侧与通过第二气体管线94供给的气体发生接触。以这种方式，汽缸活塞95可以 移入和移出气动致动器86。由此，当使得汽缸活塞95伸展时，通过气体管线92供给气体， 并且排出气体管线94中的气体。相反，当使得汽缸活塞95回缩时，通过气体管线94供给 气体，并且排出气体管线92中的气体。还有，当例如如图6B中所示将晶片保持在夹持位置 时，在气体管线92内部保持高压气体。通过经由汽缸活塞95移动驱动构件96，活塞82在一个回缩位置与一个伸展位置 之间移动。回缩位置在图6A中示出，而活塞82的伸展位置在图6B示出。活塞82还与一个偏压构件或者弹簧98工作性关联。弹簧98对所述活塞进行偏 压，以便保持在回缩位置。致动器86克服由所述弹簧施加在活塞上的力，促使所述活塞发 生伸展。尤其有益的是，由弹簧98施加在所述活塞上的力随着所述活塞的伸展而增大。以 这种方式，由所述推动装置施加在晶片上的力的大小受到缓冲，并且随着所述活塞远离回 缩位置，所述力减小。在活塞82的运动过程中，对于大多数应用领域来说，所希望的是不容许任何在部 件运动过程中产生的颗粒着落或者以任何方式玷污包含在末端执行器32上的半导体晶 片。就此而言，在本实施例中，活塞82被保持在邻近触头84的双列轴承100中。还有，推 动装置80中的所有移动部件均被保持在一个由末端执行器32的基座构件44限定的壳体 之内。
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在一个实施例中，末端执行器32还可以包括一个吸气装置101，该吸气装置101被 设计成捕获任何可能存在于所述基座构件中的壳体之内的颗粒。例如，如图6A和6B中所 示，一个吸气装置101与气动致动器86相邻，并且与第二气体管线94和第二气体开口 90 流体连通。吸气装置101可以例如经由一个止回阀连接在第二气体管线94上。以这种方 式，当一个真空源连接在气体开口 90上时，会在气体管线94内部产生一个吸力，促使所述 止回阀打开。一旦所述止回阀被打开，那么吸气装置101会在所述壳体内部产生一个吸力， 用于捕获任何颗粒并且防止这些颗粒逸出触头84之外。吸气装置101例如可以当在第二 气体管线94内部无需高压气体来启动气动致动器86时启动。但是，在一个替代性实施例 中，需要明白的是，可以在吸气装置101上连接一根独立的气体管线，用于在所述末端执行 器中的壳体内部一直产生一个吸力。推动装置80可以在半导体晶片的装卸过程中提供多种不同功能。例如，在一个实 施例中，推动装置80可以被用来使得位于末端执行器上的晶片对中。尤其是，推动装置80 可以被用来将晶片60推动至所述支撑构件上的合适位置。推动装置80还可以被用来将一个晶片夹持到所述末端执行器上。主动地将晶片 保持在末端执行器上可以防止该晶片在所述末端执行器加速或者减速时不再对齐。当用于 将一个晶片夹持在末端执行器上时，如图2和3中所示，推动装置80可以将半导体晶片60 压靠在止挡构件68、70、72和74上。在与晶片的边缘发生接触之后，所述推动装置例如可 以被设计成向该晶片施加一个大约1至3牛顿的力，用于将该晶片保持在合适位置。如前 所述，弹簧98用于随着所述活塞发生伸展而缓冲施加在晶片上的力的大小，以便防止对晶 片造成损伤。除了在末端执行器上对晶片进行定位之外，推动装置80也适用于协助将晶片从 匣中或者从处理腔中的基片支架上取出，以便将该晶片置于所述末端执行器上。例如，随着 末端执行器移入匣内，机械手可以受到程序控制，从而使得晶片撞击活塞82的触头84。一 旦晶片与触头84发生了接触，那么所述活塞利用气动致动器86得以伸展，用于将该晶片夹 靠在所述止挡构件上。一旦夹持住，所述末端执行器和晶片可以被高速传送，却不必担心晶 片发生移位。还有，在处理过程中，仅在晶片的边缘处抓持住该晶片，也减轻了对晶片的损 伤。如前所述，推动装置80中的活塞82和触头84被设计成使得所述活塞在向气动致 动器86供给高压气体时伸展。在过去，末端执行器被设计成带有一个弹簧，该弹簧朝向一 种伸展状态偏压推杆。在这些现有结构中，随后使用一个真空力来将所述活塞保持在回缩 位置。但是，本发明人已经发现，通过如前所述例如气动致动器86，可以减小末端执行器的 轮廓高度。减小末端执行器的高度提供了多种优点和益处。例如，细长的末端执行器更易 于操控。末端执行器可以以较小的间隙进入匣和晶片处理腔。通过利用一个细长的末端执 行器，匣可以被设计成承载更多的晶片。类似地，处理腔可以被制成具有一个供末端执行器进入的更窄开口。通过具有一 个更窄开口，当利用本发明中的末端执行器将晶片插入处理腔内时，较少发生污染和温度 变化。还有，如果处理腔包含有有害气体，那么通过减小接收所述末端执行器的开口的尺 寸，任何这种气体不太容易逸出。就此而言，参照图4，示出了末端执行器32的一个侧视图。即使当如前所述包含有一个推动装置时，末端执行器32也可以具有低于约12毫米的最大轮廓高度，比如低于约10 毫米。实际上，在一个实施例中，相信按照本发明可以制取最大轮廓高度低于约8. 5毫米的 末端执行器。除了具有推动装置之外，按照本发明制取的末端执行器还可以装备一个晶片探测 系统。参照图7、7A和7B，示出了一个按照本发明制取的晶片探测系统实施例。在本实施例 中，所示出的晶片探测系统被结合入末端执行器32内，其中末端执行器32被设计成用于装 卸处于相对较低温度的晶片。但是，必须明白的时，这种晶片探测系统同样也适合与用于装 卸处于较高温度的晶片的末端执行器一起使用。在图7、7A和7B中，再次示出了末端执行器32，其中尖叉48和50未连接于基座构 件44的背部46上。还有，所示出的晶片探测系统位于末端执行器的近端处。但是，必须明 白的是，这种晶片探测系统可以被置于末端执行器32上的晶片接收区域内部的任何其它 合适位置。通常，所述晶片探测系统包括一个光源，该光源发射出一个横穿末端执行器上的 晶片接收区域的光束。一个接收器被设置成接收所述光束，并且例如可以包括一个光传感 器。如果所述光束被阻断，那么所述晶片探测系统将指示在末端执行器上存在有一个晶片。参照图7A，所述晶片探测系统包括一条与光导管102连通的送光通道(未示出)。 光导管102最好由一种能够经受高温的材料制成。例如，在一个实施例中，光导管102包括 一根由诸如石英这样的结晶材料制成的纤维。所述光导管可以具有任何合适的直径，比如 从2毫米至5毫米。例如，在一个实施例中，光导管102可以具有3毫米左右的直径。如图 7A中所示，光导管102沿着末端执行器的外周延伸。参照图7B，更为详细地示出了所述送光通道的端部。如图所示，光导管102终止于 一个光孔104。如图所示，该光孔的直径小于所述光导管的直径。例如，该光孔的直径可以 从大约0. 1毫米至大约1. 5毫米，比如具有0. 5毫米左右的直径。总体来说，光孔104缩小 了所述光束的直径，并且具有使得光束加强的趋势。从光孔104开始，所述光束进入一个角型光学器件106。该角型光学器件例如可以 包括一个结合有透镜110的反射器件108。反射器件108例如可以包括一个改变光束方向 的镜面，从而使得所述光束横穿末端执行器上的晶片接收区域。但是，必须明白的是，取代 反射器件108，所述角型光学器件可以包括任何能够改变所述光束方向的合适器件。与反射器件108相伴的透镜110例如可以是一个凸透镜。透镜110被设计成使得 所述光束聚焦和变窄。例如，离开透镜Iio的光束的直径可以小于约1. 5毫米，比如小于约 1. 0毫米。例如，在一个实施例中，穿出透镜110的光束的可以具有约0. 5毫米左右的直径。在穿出透镜110之后，所述光束穿过一个横穿末端执行器的小孔或者光通道开口 112。小孔112通常不会对光束本身产生任何影响。与透镜110相对，如图7A中所示，所述末端执行器还包括一条受光通道。在一个 实施例中，该受光通道可以具有一种非常类似于所述送光通道的构造。例如，该受光通道可 以包括一个角型光学器件116、一个光孔118以及一个光导管120。光导管120可以与一个 光传感器连通，其中所述光传感器被设计成能够感测由所述受光通道接收的光的量。如果 光的量减少，那么所述光传感器可以被构造成指示在所述末端执行器上存在一个晶片。所述受光通道还包括一个小孔或者受光开口 122。如图7中所示，由所述送光通道发射出的光束具有发散趋势，并且随着光束朝向所述受光通道前进呈圆锥形状。通过以一 种圆锥型式行进，所述光线可以从相邻表面反射出来。经过反射的光线可以返回至探测器， 提供错误读数。但是，小孔122可以通过使得接收光线的视野变窄来避免这个问题。总体来说，小 孔122形成了一个用于所述受光通道的遮光板。由此，小孔122防止了入射光线经由所述 受光通道与光传感器连通。受光小孔122的直径可以依据特定用途而变化。例如，在一个实施例中，所述小孔 可以具有从大约1毫米至大约5毫米的直径，比如具有从大约2毫米至大约4毫米的直径。在前述参数范围中，横穿本发明中的末端执行器发生聚焦的光束可以具有从约2 毫米至4毫米的直径。例如，在一个实施例中，所述光束可以具有3毫米左右的晶片探测直 径。换句话说，在本实施例中，所述光探测系统能够在3毫米左右的Z区域中探测晶片。对 于大多数应用领域来说，为了减少不希望的光线反射，所述光束的直径必须不超过约3毫 米。下面参照图8-12，示出了一个用于装卸处于较高温度的晶片的末端执行器34。尤 其是，这种末端执行器非常适用于装卸温度高于250°C的晶片，比如高于500°C。末端执行 器34包括一个基座构件124，该基座构件124包括一个连接于第一尖叉128和第二尖叉130 上的背部126。为了装卸处于较高温度的晶片，尖叉128和130可以由一种耐热材料制成， 比如石英或者蓝宝石。优选的是，尖叉128和130被抛光成一个光滑表面。例如，在一个实 施例中，所述表面可以经过火抛光处理。如图所示，末端执行器34还包括多个支撑构件132、134、136和138。这些支撑构 件可以与所述末端执行器一体成形或者可以由独立的材料部件制成。支撑构件132、134、 136和138可以由前述材料制成，比如石英和蓝宝石。参照图11，示出了支撑构件136的分解视图，而在图12中，示出了支撑构件132的 放大视图。如图所示，支撑构件132和136均呈拱形形状。这种拱形形状被总体设计成与 即将保持在末端执行器上的半导体晶片的半径相匹配。支撑构件136还包括一个倾斜表面 140，同时支撑构件132包括一个倾斜表面142。倾斜表面140和142被设计成仅与半导体 晶片的边缘发生接触。所有这些支撑构件共同限定出一个用于在末端执行器上定位和保持 晶片的晶片捕获区域。在晶片加热过程中，已知的是半导体晶片的直径可能会增大1毫米左右。就此而 言，与各个支撑构件相关联的倾斜表面也被设计成当晶片相对较热或者相对较冷时装卸这 些晶片。就此而言，各个支撑构件上的倾斜表面在这些支撑构件的顶部处限定出一个第一 或者最大半径，并且朝向与末端执行器的基座构件相邻的支撑构件底部限定出一个第二或 者最小半径。按照本发明，所述支撑构件的最大直径与最小直径之间的差值大于约0. 5毫 米，比如大于约1毫米。以这种方式，所有支撑构件共同工作来装卸具有不同尺寸的晶片。例如，参照图9A 和9B，示出了末端执行器34的一个侧视图。尤其是，图9A和9B示出了保持着一个半导体 晶片144的支撑构件132和支撑构件138。在图9A中，半导体晶片144具有较高的温度，并 且由此具有大于图9B中所示晶片144的直径。但是，按照本发明，支撑构件132和138能 够支撑起处于热膨胀状态或者冷收缩状态的晶片。还有，所述支撑构件能够仅在晶片的边
13缘处保持住该晶片。如图9A和9B中所示，支撑构件132和138上的倾斜表面均呈内凹形状。但是，依 据特定用途，这些支撑构件上的倾斜表面可以具有其它多种形状。例如，取代内凹式，所述 表面也可以呈外凸形状。参照图IOA和10B，在本实施例中，支撑构件132和138上的倾斜 表面具有一个斜切表面。尤其是，所述支撑构件的表面在本实施例中呈直线状。类似于在 图9A和9B中示出的方式，所示出的晶片144由所述支撑表面保持住。再次参照图8，末端执行器34还包括一对类似于如图2中所示应急销76和78的 应急销146和148。应急销146和148用于在保持于末端执行器上的晶片不再对齐或者发 生弯曲或挠曲时与该晶片发生接触。实际上，处于较高温度下的晶片更易于发生挠曲并且 与应急销146和148发生接触。通常，应急销146和148可以由任何耐热材料制成，比如石 英或者蓝宝石。这些销可以与所述末端执行器分开单独制取或者可以与所述末端执行器一 体成形。如图2中所示，所述应急销的高度低于所述支撑构件的高度，并且被设计成除非晶 片真正发生了弯曲或者挠曲，不与晶片发生接触。如图8中示出的末端执行器34可以包括一个诸如在图7、7A和7B中示出的晶片 探测系统。对于大多数实施例来说，当用于承载或者装卸处于较高温度的晶片时，所述末端 执行器无需推动装置。与许多现有构造相比，如图中所示和如前所述的末端执行器32和34提供了多种 优点和益处。例如，如前所述，这些末端执行器具有一种细长轮廓并且易于操控。这些末端 执行器还包括独特形状的支撑构件、独特的晶片探测系统和/或推动装置，其中所述推动 装置可以被用来协助装载晶片和将晶片夹持在末端执行器上。实际上，通过前述的元件组 合，相信本发明中的末端执行器可以比许多过去制取的末端执行器更为高效地获取晶片。例如，存在于所述末端执行器上的支撑构件能够在晶片被置于该末端执行器上时 主动地抓持这些晶片和对这些晶片进行定心。由此，直至所述末端执行器已经获取晶片并 且开始移动之后，无需启动利用所述推动装置夹持住所述晶片。无需立即夹持住所述晶片 可以大大提高晶片处理系统的生产率。例如，在一个实施例中，本发明中的末端执行器被移入设置有晶片的晶片工位。所 述末端执行器在晶片下方移动。一旦低于晶片，所述末端执行器被在Z方向上升高，以便将 所述晶片置于该末端执行器上。尽管所述晶片处于未夹持或者非固定位置，但是晶片探测 系统随后确定出在末端执行器上是否存在有晶片。如果在所述末端执行器上存在有晶片， 那么该末端执行器立即移出所述晶片工位，并且在移动的同时可以比如利用推动装置对所 述晶片进行定心。如前所述，当将一个晶片装载到末端执行器上时，处于回缩位置的推动装置也可 以被用来将该晶片推动至所述末端执行器的尖叉上。与前述工艺相比，许多现有的末端执行器需要在使得末端执行器从晶片工位回缩 之前在该晶片工位中对晶片进行定心和夹持。由于它们的构造，本发明中的末端执行器克 服了这个缺点。在不脱离本发明的实质和范围的条件下，本技术领域中那些普通技术人员可以实 施本发明的这些以及其它改进和变型，本发明的实质和范围特别在所附权利要求中予以陈 述。此外，必须明白的是，各个实施例中的部分可以全部或者部分地进行互换。还有，本技
14术领域中那些熟练人员将明白的是，前面的描述仅作为示例，并不希望在这些所附权利要 求中局限于如此描述的本发明。
权利要求
一种用于装卸半导体晶片的末端执行器，包括具有近端和远端的基座构件；多个位于所述基座构件上的支撑构件，用于接触和支撑置于该末端执行器上的半导体晶片，这些支撑构件在它们之间限定出晶片接收区域；以及多个应急销，这些应急销在所述基座构件的近端与远端之间的中心区域中、位于所述基座构件上，每个应急销的高度均低于由所述支撑构件限定的高度，这些应急销位于所述基座构件上，以便防止支撑于所述支撑构件上的半导体晶片与所述基座构件的其它部分发生接触。
2.如权利要求1所述的末端执行器，其中，所述应急销具有这样一个高度并且设置于 这样一个位置，使得这些应急销仅在保持于所述支撑构件上的半导体晶片发生挠曲时与该 半导体晶片发生接触。
3.如权利要求1所述的末端执行器，其中，所述应急销的高度小于约1毫米。
4.如权利要求1所述的末端执行器，其中，该末端执行器在所述晶片接收区域之内包 括两个在所述基座构件上的中心区域中跨过一间隔设置的应急销。
5.如权利要求4所述的末端执行器，其中，所述基座构件包括与第二尖叉间隔开的第 一尖叉，每个尖叉均包括一个限定出所述基座构件的远端的端部，并且各个应急销位于对 应的尖叉上。
6.如权利要求1所述的末端执行器，其中，所述基座构件由包括金属的材料制成。
7.如权利要求1所述的末端执行器，其中，所述基座构件由包括石英的材料制成。
8.如权利要求6所述的末端执行器，其中，所述支撑构件和应急销均由晶体材料制成。
9.如权利要求8所述的末端执行器，其中，所述晶体材料包括石英。
10.如权利要求1所述的末端执行器，其中，至少一个所述支撑构件限定出一个呈外凸 且偏心形状的倾斜表面，该倾斜表面被构造成仅与半导体晶片的边缘发生接触。
11.如权利要求1所述的末端执行器，其中，所述支撑构件被构造成仅与半导体晶片的 边缘发生接触。
12.如权利要求1所述的末端执行器，还包括位于所述基座构件的近端处的推动装置， 该推动装置包括可回缩活塞，所述活塞被构造成半导体晶片的边缘发生接触，用于在所述 基座构件上对所述晶片进行定位。
13.如权利要求1所述的末端执行器，其中，该末端执行器的最大轮廓高度低于约12毫米。
14.如权利要求1所述的末端执行器，其中，该末端执行器的最大轮廓高度低于约10毫米。
15.如权利要求12所述的末端执行器，其中，所述推动装置中的活塞与气动致动器作 用上相关联，该气动致动器被构造成接收高压气体，用于将所述活塞从回缩位置移动至伸 展位置。
16.如权利要求15所述的末端执行器，还包括与所述气动致动器相邻设置的吸气装 置，该吸气装置被构造成产生吸力，用于捕获在所述活塞运动过程中释放出的任何颗粒。
17.如权利要求1所述的末端执行器，其中，还包括晶片探测系统，该晶片探测系统包 括跨过所述基座构件与受光通道对置的送光通道，此送光通道被构造成朝向所述受光通道发射光束，并且该晶片探测系统被构造成在所述光束被晶片阻断时探测出晶片的存在。
18.如权利要求1所述的末端执行器，其中，所述支撑构件具有拱形形状，该拱形形状 大体上与半导体晶片的半径匹配，各个支撑构件具有这样一个晶片接触表面，该晶片接触 表面从一个最大半径逐渐变小至与所述基座构件相邻的最小半径，最大半径与最小半径之 间的差值至少为约0. 75毫米，所述支撑构件仅沿着半导体晶片的边缘与该半导体晶片发 生接触。
19.如权利要求18所述的末端执行器，其中，所述支撑构件由能够经受高达至少750°C 温度的材料制成。
20.如权利要求18所述的末端执行器，其中，包括所述支撑构件和应急销的基座构件 由晶体材料制成。
21.如权利要求20所述的末端执行器，其中，所述支撑构件和应急销与所述基座构件 一体成形。
22.如权利要求20所述的末端执行器，其中，所述结晶材料包括石英。
23.如权利要求21所述的末端执行器，其中，所述石英经过火抛光处理。
24.如权利要求18所述的末端执行器，其中，所述支撑构件上的晶片接触表面呈外凸 形状。
25.如权利要求18所述的末端执行器，其中，所述支撑构件上的晶片接触表面呈内凹 形状。
26.如权利要求18所述的末端执行器，其中，所述支撑构件上的晶片接触表面被倒角。
全文摘要
本发明公开了一种用于装卸半导体晶片的末端执行器，包括具有近端和远端的基座构件；多个位于所述基座构件上的支撑构件，用于接触和支撑置于该末端执行器上的半导体晶片，这些支撑构件在它们之间限定出晶片接收区域；以及多个应急销，这些应急销在所述基座构件的近端与远端之间的中心区域中、位于所述基座构件上，每个应急销的高度均低于由所述支撑构件限定的高度，这些应急销位于所述基座构件上，以便防止支撑于所述支撑构件上的半导体晶片与所述基座构件的其它部分发生接触。
文档编号H01L21/687GK101908498SQ20101022967
公开日2010年12月8日 申请日期2004年3月23日 优先权日2003年6月27日
发明者保罗·曼茨 申请人:马特森技术公司