一种自带晶圆寻边传感器的机械手的制作方法

本申请基于2016年5月24日提出申请的第201610349537.8号要求优先权。以参照的方式在本说明书中引用该申请的所有内容。

技术领域

本发明涉及一种用于取送晶圆的机械手，尤其涉及一种自带晶圆寻边传感器的晶圆机械手。

背景技术：

目前，晶圆传送机械手多是和晶圆寻边机构分开的，也有少数是托着晶圆寻边机构在水平方向移动的，如日本RORZE公司生产的四盒（loadport）Sorter中的寻边传感器Aligner（x2）即将寻边机构固定设置在该设备的两侧。

现有晶圆传送机械手的工作程序是：先将晶圆从晶圆片盒中取出并传送至晶圆寻边机构的托盘上，启动中心旋转托盘电机并带动晶圆快速旋转，通过固定在寻边机构（大于晶圆直径300MM）的缺口传感器检测到晶圆缺口（Notch）后快速定位并由专用照相机（OCR）解读编码，之后再由机械手托起晶圆离开托盘并送到指定的位置。

晶圆传送机械手的现有技术存在如下几个方面的技术缺陷：（1）现有的寻边机构都是托盘带着晶圆高速旋转，检测缺口的传感器及专用照相机不旋转，这样的结构设置易使高速旋转的晶圆产生振动和位移，进而极易造成纳米级颗粒及晶圆的背部划痕以致晶圆芯片特征的损坏，而这些微小的损坏都会造成晶圆制造工艺过程中不良品率灾难性的上升，尤其当前是芯片产业的高速发展期，现在的晶圆电路特征尺寸已达到19纳米，晶圆厚度也在不断地减小，任何微小的振动都会产生纳米级的颗粒，从而使晶圆造成二次污染；造成不可挽回的损失（2）现有技术中的晶圆传送时间长，机械手需要先从片盒中取出并放到机柜一侧固定的寻边机构上，等待该机构完成寻边、照相OCR、重新定位后，机械手再取回晶圆继续传送到指定位置，使整体晶圆传送时间拖长，这会使芯片生产效率低，芯片制造成本增高；（3）半导体12寸芯片制造业中几乎每道工序都离不开机械手的传送，而机械手的制造商都是以多种功能为一体成套供应（EFEM），因此，现有技术中机械手整体系统EFEM中多了最少一套（有时需二套）独立的寻边机构使整体系统EFEM成本大幅提高。

专利号为ZL200810224701.8的中国发明专利公开了一种取送硅片的机械手，包括一水平驱动机构，一垂直驱动机构、一旋转驱动机构和安装三个驱动机构的机架；水平驱动机构包括一水平驱动电机，水平驱动电机通过第一传动装置连接一沿两水平光杠水平移动的支架；垂直驱动机构包括一连接在支架上的垂直驱动电机，垂直驱动电机通过第二传动装置连接一沿两垂直光杠上下移动的升降架；旋转驱动机构包括一连接在升降架上的旋转驱动电机，旋转驱动电机通过第三传动装置连接一主臂，主臂顶部穿出支架顶部连接一手爪，手爪上表面设置有吸盘，在主臂的中心和手爪上设置有一连通吸盘的真空气道。该发明结构简单，体积小，成本低，可以广泛用于各种硅片的取送搬运过程中。但该发明存在如下技术缺陷：该发明仅可在X向托着传统寻边机构在一固定平面内水平移动而不能随主臂升降，每片寻边时都要上下往复双程不能提高效率，无法真正实现寻边和照相（OCR）工作和机械手的二体合一。此外，该发明手叉较长不能将托住的硅片（晶圆）放到主臂中轴线上并围其轴旋转达到硅片不转主臂旋转寻边的新方式。

技术实现要素：

为了解决上述现有用于取送晶圆的机械手存在的技术缺陷，本发明采用的技术方案如下：

一种自带晶圆寻边传感器的机械手，包括主臂和芯轴组件，所述主臂包含寻边传感器、前臂中空减速机和主臂中空减速机，所述寻边传感器与所述主臂为一体式结构并能够随所述主臂一起升降并进行旋转动作，所述主臂采用第一中空结构，所述芯轴组件贯穿所述第一中空结构并设置成相对所述主臂不旋转但能相对所述主臂进行上下局部位移的状态。

优选的是，所述芯轴组件包含芯轴轴体，所述芯轴轴体贯穿所述第一中空结构。

在上述任一方案中优选的是，所述芯轴组件包含托盘，所述托盘位于所述芯轴轴体的顶端，当托盘与晶圆接触后托盘支撑表面与晶圆底面之间保持一定距离，托盘支撑表面与晶圆底面之间所围成的空间与大气相通。

在上述任一方案中优选的是，所述芯轴轴体设有第二中空结构，所述第二中空结构采用中空轴形成，所述芯轴轴体的顶部设有开口，所述开口的水平位置低于托盘支撑面的水平位置，所述第二中空结构的底部安装有气嘴。

在上述任一方案中优选的是，所述托盘为爪式托盘，所述爪式托盘的爪部用于支撑并托住晶圆的底面并保留一定空间，所述爪部与晶圆的底面之间的空间处于大气之中。

在上述任一方案中优选的是，所述芯轴组件包括芯轴升降机构，所述芯轴升降机构包括第三电机、芯轴丝杠、芯轴升降螺母、芯轴升降底座和芯轴升降导柱。

在上述任一方案中优选的是，所述寻边传感器固定安装在所述主臂上，所述寻边传感器包括晶圆缺口传感器（Notch）和相机，所述寻边传感器具有图像识别系统（OCR）的功能，所述寻边传感器能够随所述主臂进行升降以及旋转动作。

在上述任一方案中优选的是，所述主臂包括机械手升降机构，所述机械手升降机构包括机械手升降底座、机械手升降丝杠、机械手升降导柱、机械手升降螺母和第四电机。通过机械手升降机构可以对主臂进行升降控制。

在上述任一方案中优选的是，还包括升降限位机构，所述升降限位机构包括限位柱和主臂限位片，所述限位柱设置于机械手升降机构上，所述主臂限位片设置于设置于所述主臂下端并可随主臂旋转。所述限位柱上的设置有多个间隔限位柱限位片，所述限位柱限位片上装有第一电极，所述主臂限位片装有第二电极。

在上述任一方案中优选的是，所述相邻限位柱限位片的距离与片盒中相邻晶圆的距离相等。

在上述任一方案中优选的是，所述主臂包括第一主臂组件、第二主臂组件和第三主臂组件，所述第二主臂组件采用前臂中空减速机，控制第一主臂组件的旋转，所述第三主臂组件采用主臂中空减速机，控制第二主臂组件的旋转。所述前臂中空减速机包括第一电机和第一齿轮传动机构。第一电机驱动第一齿轮传动机构实现前臂中空减速机的功能。所述主臂中空减速机包括第二电机和第二齿轮传动机构。第二电机驱动第二齿轮传动机构实现主臂中空减速机的功能。通过前臂中空减速机和主臂中空减速机使得所述主臂在升降的同时，所述第一主臂组件和所述第二主臂组件可以各自旋转。

在上述任一方案中优选的是，所述第一主臂组件包括前臂和手叉，所述手叉上设有手叉传感器。机械手手叉用于取出晶圆，在取出晶圆过程中，手叉传感器可用于确定晶圆圆心的位置。

在上述任一方案中优选的是，所述机械手升降导柱上安装有配重弹簧。

在上述任一方案中优选的是所述晶圆机械手，包括滑座，所述滑座包括底座和机械手水平移动滑块，所述机械手水平移动滑块可以控制机械手水平移动。

本发明与现有技术相比的有益效果是：1）本发明将所述机械手的主臂和寻边传感器合二为一，在完成寻边、照相OCR、重新定位的同时将晶圆传送到指定位置，大幅提高了取送晶圆的工作效率；2）由于本发明在晶圆传送及寻边过程中，寻边传感器随主臂高速旋转，位于第一中空结构的芯轴组件不旋转但能相对主臂上下位移，因此有效避免了现有技术中晶圆在高速旋转时易造成的划痕和损坏现象，同时也基本消除了晶圆在传送过程中的振动，进而也有效降低了由于振动引起的纳米级颗粒对晶圆的二次污染现象；3）由于本发明所述芯轴组件和托盘之间设置有负压通道，从而使得托盘支撑结构与晶圆底面之间的空间始终处于负压状态，既确保托盘能将晶圆支撑并托住，又能有效避免现有技术中吸盘吸力过大易使硅片发生变形现象甚至直接导致破碎而报废的技术缺陷；同时，所述负压通道对于晶圆周围的环境具有清洁作用，能够有效避免纳米级颗粒对晶圆的污染；4）本发明升降限位机构可以通过主臂限位片上的电极与限位柱限位片上电极接触形成的电路控制主臂升降，克服了传统限位柱因主臂超限限位片造成限位片的挤压变形而无法继续工作的缺陷，能够在不损坏限位柱限位片的同时实现升降限位机的连续工作使用。

附图说明

图1为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的优选实施例1的立体图；

图2为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的图1所示实施例1的俯视图；

图3为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的图1所示实施例1的第二主臂组件内部局部结构示意图；

图4 为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的图1所示实施例1的第三主臂组件内部局部结构示意图；

图5为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的图1所示实施例1的芯轴升降组件内部局部结构示意图；

图6为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的图1所示实施例1的机械手升降主臂内部局部结构示意图；

图7为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的图1所示实施例1的主臂结构剖视图；

图8为本发明图1所示实施例1中的自带晶圆寻边传感器的机械手从片盒中提取晶圆的示意图；

图9为本发明图1所示实施例1中的自带晶圆寻边传感器的机械手将晶圆移送至主臂芯轴托盘的示意图；

图10为本发明图1所示实施例1中的自带晶圆寻边传感器的机械手在传输晶圆的同时寻边传感器高速旋转完成寻边照相的示意图；

图11为本发明图1所示实施例1中的自带晶圆寻边传感器的机械手将晶圆传送到指定位置完成晶圆排序工作的示意图；

图12为本发明的自带晶圆寻边传感器的机械手的优选实施例2的立体图；

图13为本发明图12所示实施例2中自带晶圆寻边传感器机械手升降限位机构示意图；

图14为本发明图12所示实施例2中自带晶圆寻边传感器机械手升降限位机构主臂限位片和限位柱限位片局部示意图；

图15为本发明图14所示实施例2中自带晶圆寻边传感器机械手升降限位机构主臂限位片和限位柱限位片局部放大示意图。

附图标记说明：

100主臂；110第一主臂组件；1101前臂；1102手叉；1103寻边传感器；1104晶圆；1105手叉传感器；120第二主臂组件；1201第一齿轮；1202第二齿轮；1203第三齿轮；1204第四齿轮；1205第五齿轮；1206第六齿轮；1207第一盘件；1208第二盘件；1209第一电机；130第三主臂组件；1301第七齿轮；1302第八齿轮；1303第九齿轮；1304第十齿轮；1305第十一齿轮；1306第十二齿轮；1307第三盘件；1308第四盘件；1309第二电机；140芯轴组件；1401芯轴轴体；1402托盘；1403芯轴升降机构；1404芯轴升降螺母；1405芯轴丝杠；1406芯轴升降固定座；1407芯轴升降导柱；1408第三电机；1409气嘴；1410芯轴升降底座；200机械手升降机构；201机械手升降螺母；202机械手升降丝杠；203机械手升降底座；204第四电机；205机械手升降导柱；206配重弹簧；300滑座；401限位柱；402主臂限位片；4021第二电极；403限位柱限位片；4031第一电极。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细的说明。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例是具有示例性的而没有限制的含义。

本发明所涉及的晶圆机械手可用于输送晶圆，晶圆的材质可以是半导体材质如硅片，但不局限于此；晶圆的形状可以是但不局限于圆形。

实施例1：

如图1、9所示，一种自带晶圆寻边传感器的机械手，所述晶圆机械手包括主臂100、芯轴组件140、机械手升降机构200以及滑座300。所述主臂100位于顶端，采用第一中空结构，其下端固定连接于机械手升降机构200，机械手升降机构200固定连接于滑座300，芯轴组件140贯穿所述第一中空结构，并与机械手升降机构200相连接。

如图1所示，主臂100包括第一主臂组件110、第二主臂组件120和第三主臂组件130。第一主臂组件110位于顶端，第一主臂组件110底端与第二主臂组件120顶端连接，第二主臂组件120底端与第三主臂组件130顶端连接，第三主臂组件130底端与芯轴组件140相连接。第一主臂组件110、第二主臂组件120、第三主臂组件130采用所述第一中空结构，芯轴组件140位于所述第一中空结构中，自第一主臂组件110顶端向下延伸，与机械手升降机构200相连接。

如图1、2所示，第一主臂组件110包括前臂1101、手叉1102和寻边传感器1103。前臂1101位于第一主臂组件110中心，手叉1102与所述前臂1101转动连接，手叉1102上设置有手叉传感器1105。机械手手叉1102用于取出晶圆1104，在取出晶圆1104过程中手叉传感器1105可用于确定晶圆1104圆心的位置。寻边传感器1103与前臂1101固定连接。寻边传感器1103可安装有晶圆缺口传感器和相机，寻边传感器1103具有图像识别系统（OCR）功能，所述相机为适用于OCR的相机。

如图3所示，第二主臂组件120包含第一盘件1207、第二盘件1208和前臂中空减速机。第一盘件1207、第二盘件1208分别固定安装于第二主臂组件120内，前臂中空减速机安装于第二主臂组件120内所述第一中空结构中，固定连接于第一盘件1207和第二盘件1208上。所述前臂中空减速机包括第一电机1209和第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构包括第一齿轮1201，第二齿轮1202，第三齿轮1203，第四齿轮1204，第五齿轮1205和第六齿轮1206。第一电机1209固定安装于第一盘件1207，第一电机1209输出端与第一齿轮1201连接，第一齿轮1201与第二齿轮1202啮合，第二齿轮1202与第三齿轮1203轴连接，并固定连接于第一盘件1207上。第三齿轮1203与第四齿轮1204啮合，第四齿轮1204与第五齿轮1205轴连接，并固定安装于第一盘件1207上。第五齿轮1205与第六齿轮1206啮合，第六齿轮1206固定连接于第二盘件1208上。所述前臂中空减速机通过第一电机1209驱动第一齿轮1201，第一齿轮1201驱动第二齿轮1202，第二齿轮1202驱动第三齿轮1203，第三齿轮1203驱动第四齿轮1204，第四齿轮1204驱动第五齿轮1205，第五齿轮1205驱动第六齿轮1206，第六齿轮1206驱动第二盘件1208转动，从而驱动第一主臂组件110旋转，使第一主臂组件110在主臂100升降的同时还能够单独旋转。在前臂中空减速机作用下，可驱动第一主臂组件110的旋转，通过前臂1101旋转可带动手叉1102伸缩，手叉1102向外伸出至晶圆1104下方，机械手升降机构200托起晶圆，完成晶圆拾取动作，手叉1102收回将晶圆放到主臂中轴线上。

如图4所示，第三主臂组件130包含第三盘件1307，第四盘件1308和主臂中空减速机。第三盘件1307、第四盘件1308分别固定安装于第三主臂组件130内，所述主臂中空减速机安装于第三主臂组件130内所述第二中空结构中，固定连接于第三盘件1307和第四盘件1308上。所述主臂中空减速机由第二电机1309和第二齿轮传动机构组成，所述第二齿轮传动机构包括第七齿轮1301，第八齿轮1302，第九齿轮1303，第十齿轮1304，第十一齿轮1305和第十二齿轮1306。第二电机1309固定安装于第三盘件1307上，第二电机1309输出端与第七齿轮1301连接，第七齿轮1301与第八齿轮1302啮合，第八齿轮1302与第九齿轮1303轴连接，并固定连接于第三盘件1307上，第九齿轮1303与第十齿轮1304啮合，第十齿轮1304与第十一齿轮1305轴连接，并固定于第三盘件1307上，第十一齿轮1305与第十二齿轮1306轴连接，第十二齿轮1306固定安装于第四盘件1308上。所述主臂中空减速机通过第二电机1309驱动第七齿轮1301，第七齿轮1301驱动第八齿轮1302，第八齿轮1302驱动第九齿轮1303，第九齿轮1303驱动第十齿轮1304，第十齿轮1304驱动第十一齿轮1305，第十一齿轮1305驱动第十二齿轮1306，第十二齿轮1306驱动第四轮盘转动，从而驱动第二主臂组件120旋转，使第二主臂组件120在主臂升降的同时还能够单独旋转。在主臂中空减速机的作用下，第一主臂组件110和第二主臂组件120一起发生旋转，第一主臂组件110和第二主臂组件120之间保持相对静止，从而调整机械手的位置，实现将晶圆向指定位置传输。另外，在寻边过程中主臂中空减速机可通过驱动第一主臂组件和第二主臂组件共同旋转，从而带动寻边传感器的高速旋转，在传输晶圆的过程中完成寻边照相的功能。

如图1、2所示，芯轴组件140包括托盘1402、芯轴轴体1401和芯轴升降机构1403，在本实施例中托盘1402为三爪托盘，但本发明不局限于此。托盘1402与晶圆1104接触后，托盘1402与晶圆1104之间形成的内部空间与大气相通，即为非密封、非真空的状态。托盘1402位于主臂100顶端，与第一主臂组件110、第二主臂组件120、第三主臂组件130同轴设置。芯轴轴体1401顶端自托盘1402中心点沿第一主臂组件110、第二主臂组件120和第三主臂组件130内所述第一中空结构向下延伸，贯穿第一主臂组件110、第二主臂组件120和第三主臂组件130，其下端与芯轴升降机构1403相连接。如图7所示，芯轴轴体1401内部采用第二中空结构，所述第二中空结构采用中空轴形成，且上端开口，所述开口与托盘1402之间存在间隙。芯轴轴体1401下端连接有气嘴1409，气嘴1409与芯轴轴体1401所述第二中空结构相通。在对气嘴1409施以负压时，通过所述第二中空结构，负压被传递到托盘1402，放置在托盘1402上的晶圆1104受到芯轴轴体1401上端开口处负压的影响，从而受到一个向下的力，将晶圆1104压在托盘1402上，增强了晶圆1104放置的稳定性。与现有技术相比，本发明通过晶圆上方形成的负压能使晶圆稳压在托盘上，同时大量气流的负压能够抽走晶圆周围新产生的微小颗粒达到洁净传送的要求，达到一举两得的技术效果。

如图5、7所示，芯轴升降机构1403位于第三主臂组件130下端，位于机械手升降机构200中心位置处。芯轴升降机构1403包括第三电机1408、芯轴丝杠1405、芯轴轴体1401、芯轴升降螺母1404、芯轴升降固定座1406、芯轴升降导柱1407、芯轴升降底座1410。第三电机1408位于芯轴升降机构1403的底部，第三电机顶部输出端与芯轴丝杠1405连接，芯轴丝杠1405向上延伸与芯轴升降螺母1404螺纹配合，芯轴升降螺母1404安装于芯轴升降底盘，与芯轴轴体1401下端连接。芯轴丝杠1405的两侧对称设置有芯轴升降导柱1407，用于芯轴升降导向。第三电机1408驱动芯轴丝杠1405转动，芯轴丝杠1405驱动芯轴升降螺母1404上下运动带动芯轴轴体1401升降，从而控制芯轴的上下位移。芯轴升降机构用于实现托盘相对于主臂的上下位移，所述芯轴轴体可相对主臂上下局部位移，在晶圆传输过程中，芯轴轴体可带动托盘与主臂发生上下位移，托盘相对于主臂向上移动，使晶圆的位置与主臂手叉脱离并在主臂高速旋转寻边时维持不动，以便完成寻边照相。

如图6所示，机械手升降机构200包括机械手升降底座203、机械手升降丝杠202、机械手升降导柱205、机械手升降螺母201和第四电机204。第四电机204底部固定安装在滑座300上，顶部输出端与机械手升降丝杠202相连接，机械手升降丝杠202向上延伸与机械手升降螺母201连接，机械手升降螺母201安装在机械手升降底座203上。机械手升降底座203与第三主臂组件130的底部连接。本实施例中机械手升降导柱205为四根，呈矩形分布在滑座300的对角线四角，用于机械手升降导向。本发明中机械手升降导柱205的数量不限于本实施例中描述的四根，也可以是2根或者6根或者更多根。第四电机204驱动机械手升降丝杠202，机械手升降丝杠202驱动机械手升降螺母201上下移动，带动机械手升降底座203的升降，从而驱动第三主臂组件130升降，实现主臂100的升降。

滑座300包括底座和机械手水平移动滑块，控制机械手水平运动。机械手在完成寻边、照相OCR、重新定位的同时，滑座将晶圆传送到指定位置，缩短了晶圆传送时间，使芯片生产效率提高，芯片制造成本降低。

图8-11具体说明了利用图1所示实施例中的自带寻边传感器的机械手取送晶圆的工艺流程。

第一步，如图8所示，机械手伸到片盒（FOUP）中待取晶圆1104的下方，由手叉1102上的传感器找到晶圆1104的圆心后使机械手完成抬起动作。

第二步，如图9所示，机械手将晶圆1104从片盒中取出并回到机械手的主臂中心位置，由主臂100上的传感器再次确认晶圆1104圆心后，使得主臂100中心的托盘1402进行上移（或主臂100下移）动作，使晶圆1104与手叉1102完成脱离动作。

第三步，如图10所示，机械手在晶圆1104下方，以较高速度进行360度旋转，同时使装在主臂100上的寻边传感器1103一同旋转，此时机械手在水平方向始终处于移动状态，机械手在移动的同时即可完成寻边照相。

第四步，如图11所示，机械手将晶圆1104传送到指定位置，至此完成一片晶圆1104的取送工作。

其余晶圆的取送工作按上述四个步骤循环进行，从而实现晶圆的排序工作，显然，本发明在确保晶圆完好无损的前提下大幅提高了取送晶圆的工作效率。

实施例2

一种自带晶圆寻边传感器的机械手，与实施例1相似，所不同的是：还包括配重弹簧206和升降限位机构。

如图12，13所示，所述升降限位机构包括主臂限位片402和限位柱401。主臂限位片402设置于主臂100下端并可随主臂100旋转。限位柱401位于机械手升降机构200上。限位柱401上设置有限位柱限位片403，限位柱限位片403可以为多个呈间隔排列的环形片，相邻限位柱限位片403之间的距离与片盒中相邻晶圆的距离相等。

如图14，15所示，位于限位柱401上全部的限位柱限位片403与限位柱401共同构成了第一电极4031，主臂限位片402上设置有第二电极4021。当机械手从片盒中拾取晶圆时，主臂100发生旋转动作，主臂限位片402也同步旋转进入限位柱401两相邻的限位柱限位片403之间。当机械手上下位移取送晶圆时，主臂100的上下位移如果超过安全距离，限位柱限位片403与主臂限位片402上的第二电极4021接触，使第一电极4031与第二电极4021接通形成电路通路，并发挥控制作用，切断电机阻止机械手进一步的升降动作，防止对限位柱限位片403造成的损坏，从而实现了在保持限位柱限位片403完好的同时通过控制电路，实现了将主臂100的升降限制在相邻两个限位柱限位片403之间。

如图12所示，机械手升降导柱205外设置有配重弹簧206，配重弹簧206的压力与主臂100自重接近。配重弹簧206可降低第四电机204的功率，减少机械手总体间隙，消除机械手在运动过程中所产生的共震谐波，使所述晶圆机械手整体在高速运动时更加平稳安全可靠。