一种晶片真空自动传输系统及传输方法与流程

本发明涉及半导体加工技术，尤其涉及一种晶片真空自动传输系统及传输方法。

背景技术：

半导体行业的发展离不开晶片(又称晶圆)，晶片在半导体设备上的传送方式很大程度上决定了设备的自动化水平，晶片沉积、镀膜及其他工艺需要将晶片在真空腔室内传递，设备内部的真空构造、对于洁净度的特殊要求以及高精度的操作，对于晶片的传送设备和方法提出了极高的要求。

目前国内的多片式设备晶片大都是手动型传送，自动化程度低、生产效率低下；少数科研型设备采用非真空型传输系统，存在碎片率高等缺陷，未能真正应用到实际生产中；国外有设备采用大气加真空两级机械手传输系统，成本高昂且传输效率低下。现有的各类设备受真空机械手Z轴行程及成本限制，通常在机械手指的末端安装检测传感器，位置检测精度较低，机械手指在片盒取放片时，由于晶片位置检测不准确导致碎片率高，且机械手指取晶片时直接从堆叠的晶片中抽取，机械手指与相邻晶片接触摩擦产生微尘，造成对相邻晶片的污染，晶片传输到工件台基片盘上方，由于工件台定位不准确或累计误差，导致晶片放置不平或不准确，对后续工艺影响较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、自动化程度高、可避免机械手指污染相邻晶片的晶片真空自动传输系统。

本发明进一步提供该晶片真空自动传输系统的传输方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种晶片真空自动传输系统，包括真空物料室、真空传输室、真空反应室及机械手，真空物料室与真空传输室连通，真空传输室与真空反应室之间设有隔离阀，所述真空物料室内设有上料片盒和下料片盒，所述机械手的机械手指位于所述真空传输室内，所述真空反应室内设有工件台，所述工件台上设有基片盘，所述上料片盒和下料片盒分别配设有升降驱动组件，所述基片盘配设有顶片组件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述基片盘设有多个，多个基片盘沿圆周方向均匀布置，所述工件台配设旋转驱动组件，工件台转动时通过行星齿轮副带动基片盘作行星运动。

所述机械手包括伸缩轴和旋转轴且不带升降轴。

还包括PLC控制组件，所述PLC控制组件包括第一传感器及与第一传感器联接的PLC，所述第一传感器安装于所述真空物料室上，当上料片盒升降时，第一传感器检测到晶片则发射一个脉冲信号至PLC，PLC计算并记录晶片的数量和位置，所述机械手、升降驱动组件、顶片组件和旋转驱动组件与所述PLC联接。

所述PLC控制组件还包括用于检测机械手指上是否具有晶片的第二传感器，第二传感器与所述PLC联接，所述真空传输室上设有观察窗口，所述第二传感器安装于所述观察窗口处。

所述隔离阀为压差阀，且真空反应室真空值低于真空传输室时隔离阀关闭，所述隔离阀与所述PLC联接，真空反应室内进行工艺过程时，真空反应室与真空传输室之间的压差为定值。

所述升降驱动组件包括升降伺服电机、联轴器、滚珠丝杆、滑块、支撑杆、承载台及波纹管，所述升降伺服电机通过所述联轴器与所述滚珠丝杆下端连接，滑块滑设于所述滚珠丝杆上端，所述支撑杆下端与所述滑块固定连接，上端与所述承载台固定连接，所述波纹管设于所述真空物料室与所述滚珠丝杆之间，所述上料片盒和所述下料片盒设于对应的承载台上。

所述旋转驱动组件包括旋转伺服电机、减速机、工件台支撑轴及用于工件台定位原点的定位销，所述旋转伺服电机的输出端与所述减速机的输入端连接，减速机的输出端与所述工件台支撑轴下端固定连接，所述工件台支撑轴上端与所述工件台固定连接，所述定位销与所述工件台支撑轴中部固定连接。

一种基于上述晶片真空自动传输系统的传输方法，包括以下步骤：

S1：取片：机械手指伸入上料片盒下方，上料片盒下降一层的距离，机械手指将上料片盒当前最下层的晶片托起；

S2：装片：打开隔离阀，机械手指经过真空传输室和隔离阀运动至基片盘上方，顶片组件上升将机械手指上的晶片顶起，然后机械手指退回至真空传输室，顶片组件下降，晶片落入基片盘内，关闭隔离阀；

S3：卸片：真空反应室内的工艺过程结束之后，顶片组件上升将基片盘内的晶片顶起，打开隔离阀，然后机械手指伸入晶片下方，顶片组件下降，机械手指将晶片托起；

S4：放片：机械手指将晶片传输至下料片盒当前最上层内，然后下料片盒上升一层的距离。

作为上述技术方案的进一步优选：

晶片真空自动传输系统的传输方法，包括以下步骤：

S1：取片及装片：

S1.1首片晶片取片及装片：

取片：机械手指伸入上料片盒下方，上料片盒下降一层的距离，机械手指将上料片盒当前最下层的晶片托起；

装片：打开隔离阀，机械手指经过真空传输室和隔离阀运动至原点位置，将某一基片盘定位至机械手指下方，该基片盘的顶片组件上升将机械手指上的晶片顶起，然后机械手指退回至真空传输室，顶片组件下降，晶片落入基片盘内；

S1.2后续晶片取片及装片：

取片：保持隔离阀处于打开状态，机械手指再次伸入上料片盒下方取当前最下层的晶片并返回至原点位置；

装片：工件台转动一定角度，第二个基片盘转动至原点位置，完成第二个基片盘装片；

工件台沿同一方向转动360°后完成所有基片盘的装片，然后机械手指退回至真空传输室，关闭隔离阀；

S2：卸片及放片：

S2.1首片晶片卸片及放片：

卸片：真空反应室内的工艺过程结束之后，将某一基片盘定位至原点位置，然后该基片盘的顶片组件上升将基片盘内的晶片顶起，打开隔离阀，然后机械手指伸入晶片下方，顶片组件下降，机械手指将晶片托起；

放片：机械手指将晶片传输至下料片盒当前最上层内，然后下料片盒上升一层的距离；

S2.2：后续晶片卸片及放片：

卸片：保持隔离阀处于打开状态，工件台转动一定角度，第二个基片盘转动至原点位置，机械手指再次伸入晶片下方，完成第二个基片盘卸片；

放片：机械手指将晶片传输至下料片盒当前最上层内，然后下料片盒上升一层的距离；

工件台沿同一方向转动360°后完成所有基片盘的卸片，然后机械手指退回至真空传输室，关闭隔离阀。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的晶片真空自动传输系统，设置真空物料室、真空传输室和真空反应室满足传输过程的高真空要求，真空传输室和真空反应室之间设置隔离阀满足工艺过程对不同真空度的要求，且真空物料室内更换片盒时不影响真空反应室真空，减少真空反应室抽本地真空时间，利用机械手搬运晶片，系统结构简单、自动化程度高；真空物料室设置上料片盒和下料片盒，将取片和放片过程分开，上料片盒和下料片盒配设升降驱动组件，基片盘配设顶片组件，取放片时，可由升降驱动组件和顶片组件带动晶片升降，机械手的高度可保持固定，大大减少成本，且可自下往上依次取片、自上往下依次放片，避免机械手指接触摩擦产生微尘导致污染相邻晶片。

本发明公开的晶片真空自动传输方法，取片时，上料片盒逐层下降，机械手指取上料片盒内当前最下层的晶片，并由机械手指托起晶片；放片时，下料片盒逐层上升，机械手指将晶片托起并将晶片传输至下料片盒当前最上层内，从而有效地避免了取放片时机械手指接触摩擦产生微尘导致污染相邻晶片。

附图说明

图1是本发明晶片真空自动传输系统的结构示意图。

图2是本发明中的升降驱动组件的结构示意图。

图3是本发明中的PLC控制组件的结构示意图。

图4是本发明中的顶片组件的结构示意图。

图中各标号表示：1、真空物料室；11、上料片盒；12、下料片盒；2、真空传输室；3、真空反应室；31、工件台；32、基片盘；321、基片盘座；4、机械手；41、机械手指；5、升降驱动组件；51、升降伺服电机；52、联轴器；53、滚珠丝杆；54、滑块；55、支撑杆；56、承载台；6、旋转驱动组件；61、旋转伺服电机；62、减速机；63、工件台支撑轴；64、定位销；7、PLC控制组件；71、第一传感器；72、PLC；73、第二传感器；8、隔离阀；9、顶片组件；91、气缸；92、下顶杆；93、上顶杆；94、支撑套筒；95、缓冲弹簧；101、太阳轮；102、行星轮。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

如图1至图4所示，本实施例的晶片真空自动传输系统，包括真空物料室1、真空传输室2、真空反应室3及机械手4，真空物料室1与真空传输室2连通，真空传输室2与真空反应室3之间设有隔离阀8，真空物料室1内设有上料片盒11和下料片盒12，机械手4的机械手指41位于真空传输室2内，真空反应室3内设有工件台31，工件台31上设有基片盘32，上料片盒11和下料片盒12分别配设有升降驱动组件5，基片盘32配设有顶片组件，该晶片真空自动传输系统设置真空物料室1、真空传输室2和真空反应室3满足传输过程的高真空要求，真空传输室2和真空反应室3之间设置隔离阀8满足工艺过程对不同真空度的要求，且真空物料室1内更换片盒时不影响真空反应室3真空，减少真空反应室3抽本地真空时间，利用机械手4搬运晶片，系统结构简单、自动化程度高；真空物料室1设置上料片盒11和下料片盒12，将取片和放片过程分开，上料片盒11和下料片盒12配设升降驱动组件5，基片盘32配设顶片组件9，取放片时，可由升降驱动组件5和顶片组件9带动晶片升降，机械手4的高度可保持固定，大大减少成本，且可自下往上依次取片、自上往下依次放片，避免机械手指41接触摩擦产生微尘导致污染相邻晶片。

本实施例中，由于采用上料片盒11和下料片盒12配设升降驱动组件5，基片盘32配设顶片组件9，实现取片、放片及装卸片过程中晶片的升降，使得机械手4仅需设置伸缩轴和旋转轴即可，不需要带升降轴(或者说机械手4的垂向高度固定)，相比现有的片盒固定、机械手4进行升降的方式，不再受机械手4的Z轴行程的限制，避免定制价格高昂的机械手4。

本实施例中，晶片真空自动传输系统还包括PLC控制组件7，PLC控制组件7包括第一传感器71及与第一传感器71联接的PLC72，第一传感器71安装于真空物料室1上，当上料片盒11升降时，第一传感器71检测到晶片则发射一个脉冲信号至PLC72，PLC72计算并记录晶片的数量和位置，机械手4、升降驱动组件5、顶片组件和旋转驱动组件6与PLC72联接，由PLC72控制各运动部件/组件的动作，检测时，利用升降驱动组件5将上料片盒11的顶部运动到第一传感器71下方，然后开始自下往上运动，第一传感器71检测到上料片盒11当层有晶片则发送一个脉冲信号给PLC72，没有则不发送，PLC72根据编码器的位置确定晶片位置并进行计数，检测完成后，PLC72记下每片晶片的位置并统计总数，上料片盒11底部运动到第一传感器71位置后，上料片盒11内的晶片全部检测完毕，结构巧妙、可靠，自动化程度高，检测准确度高。相比现有的采用机械手指41末端固定检测传感器的方式，在保证可在真空环境下使用的同时，极大地节约了成本。

本实施例中，PLC控制组件7还包括用于检测机械手指41上是否具有晶片的第二传感器73，第二传感器73与PLC72联接，真空传输室2上设有观察窗口(图中未示出)，第二传感器73安装于观察窗口处，当机械手指41托着晶片经过该处时，第二传感器73通过观察窗口进行检测。

本实施例中，隔离阀8为压差阀，也即真空反应室3与真空传输室2之间具有压差时才能实现完全密封，且真空反应室3真空值低于真空传输室2时隔离阀8关闭，隔离阀8与PLC72联接，真空反应室3内进行工艺过程时，真空反应室3与真空传输室2之间的压差为定值，意味着工艺过程中，真空传输室2真空值需要跟随真空反应室3变化。

本实施例中，升降驱动组件5包括升降伺服电机51、联轴器52、滚珠丝杆53、滑块54、支撑杆55、承载台56及波纹管，升降伺服电机51通过联轴器52与滚珠丝杆53下端连接，滑块54滑设于滚珠丝杆53上端，支撑杆55下端与滑块54固定连接，上端与承载台56固定连接，波纹管设于真空物料室1与滚珠丝杆53之间，用于密封滚珠丝杆53，上料片盒11和下料片盒12设于对应的承载台56上，升降过程为：升降伺服电机51启动，经过联轴器52带动滚珠丝杆53转动，使得滑块54在滚珠丝杆53上上下滑动，进而带动上料片盒11或下料片盒12升降。

本实施例中，顶片组件9包括气缸91、下顶杆92、上顶杆93及支撑套筒94，支撑套筒94上端与基片盘32固定连接，下端依次穿过基片盘座321和行星轮102，基片盘座321与支撑套筒94之间设有轴承，上顶杆93穿设于支撑套筒94中且上下两端的轴心线不重合以防止上顶杆93相对支撑套筒94转动，上顶杆93上端与支撑套筒94上端限位配合，上顶杆93下部与支撑套筒94内壁之间设有缓冲弹簧95，下顶杆92位于上顶杆93下方，气缸91的活塞杆与下顶杆92固定连接。顶升晶片时，气缸91的活塞杆向上伸出，下顶杆92上升一定距离后与上顶杆93下端接触，气缸91的活塞杆继续向上伸出，上顶杆93克服缓冲弹簧95的弹力之后，将基片盘32内的晶片顶出。

本实施例的晶片真空自动传输系统的传输方法，包括以下步骤：

S1：取片：机械手指41伸入上料片盒11下方，上料片盒11下降一层的距离，机械手指41将上料片盒11当前最下层的晶片托起；

S2：装片：打开隔离阀8，机械手指41经过真空传输室2和隔离阀8运动至基片盘32上方，顶片组件上升将机械手指41上的晶片顶起，然后机械手指41退回至真空传输室2，顶片组件下降，晶片落入基片盘32内，关闭隔离阀8；

S3：卸片：真空反应室3内的工艺过程结束之后，顶片组件上升将基片盘32内的晶片顶起，打开隔离阀8，然后机械手指41伸入晶片下方，顶片组件下降，机械手指41将晶片托起；

S4：放片：机械手指41将晶片传输至下料片盒12当前最上层内，然后下料片盒12上升一层的距离。

该晶片真空自动传输系统的传输方法取片时，上料片盒11逐层下降，机械手指41取上料片盒11内当前最下层的晶片，并由机械手指41托起晶片；放片时，下料片盒12逐层上升，机械手指41将晶片托起并将晶片传输至下料片盒12当前最上层内，从而有效地避免了取放片时机械手指41接触摩擦产生微尘导致污染相邻晶片。

实施例二

本实施例的晶片真空自动传输系统的结构与实施例一基本相同，不同之处在于：本实施例中，基片盘32设有五个，五个基片盘32沿圆周方向均匀布置，相邻晶片之间的夹角为72°，同一时间内5个晶片同时进行工艺过程，提高生产效率，上料片盒11最多可承载25片晶片，可待25片晶片全部生产完成后再打开真空物料室1更换上料片盒11，真空物料室1内更换片盒时也不会影响真空反应室3真空，大大缩短连续生产间隔时间，工件台31配设旋转驱动组件6，工件台31转动时通过行星齿轮副带动基片盘32作行星运动。

本实施例中，旋转驱动组件6包括旋转伺服电机61、减速机62、工件台支撑轴63及用于工件台31定位原点的定位销64，旋转伺服电机61的输出端与减速机62的输入端连接，减速机62的输出端与工件台支撑轴63下端固定连接，工件台支撑轴63上端与工件台31固定连接，定位销64与工件台支撑轴63中部固定连接，由旋转伺服电机61通过减速机62带动工件台支撑轴63转动，进而工件台支撑轴63带动工件台31转动。

本实施例的晶片真空自动传输系统由于基片盘32设有5个，需要先依次完成5个基片盘32的取片和装片，然后5个基片盘32内的晶片再同时进行工艺过程，5个基片盘32内的晶片完成工艺过程之后，需要依次将5个基片盘32的卸片和放片，单个晶片的传输过程与实施例一相同。具体如下：

S1：取片及装片：

S1.1首片晶片取片及装片：

取片：机械手指41伸入上料片盒11下方，上料片盒11下降一层的距离，机械手指41将上料片盒11当前最下层的晶片托起；

装片：打开隔离阀8，机械手指41经过真空传输室2和隔离阀8运动至原点位置，将某一基片盘32定位至机械手指41下方，该基片盘32的顶片组件上升将机械手指41上的晶片顶起，然后机械手指41退回至真空传输室2，顶片组件下降，晶片落入基片盘32内；

S1.2后续晶片取片及装片：

取片：保持隔离阀8处于打开状态，机械手指41再次伸入上料片盒11下方取当前最下层的晶片并返回至原点位置；

装片：工件台31转动72°，第二个基片盘32转动至原点位置，完成第二个基片盘32装片；

工件台31沿同一方向转动360°后完成所有基片盘32的装片，然后机械手指41退回至真空传输室2，关闭隔离阀8；

S2：卸片及放片：

S2.1首片晶片卸片及放片：

卸片：真空反应室3内的工艺过程结束之后，将某一基片盘32定位至原点位置，然后该基片盘32的顶片组件上升将基片盘32内的晶片顶起，打开隔离阀8，然后机械手指41伸入晶片下方，顶片组件下降，机械手指41将晶片托起；

放片：机械手指41将晶片传输至下料片盒12当前最上层内，然后下料片盒12上升一层的距离；

S2.2：后续晶片卸片及放片：

卸片：保持隔离阀8处于打开状态，工件台31转动72°，第二个基片盘32转动至原点位置，机械手指41再次伸入晶片下方，完成第二个基片盘32卸片；

放片：机械手指41将晶片传输至下料片盒12当前最上层内，然后下料片盒12上升一层的距离；

工件台31沿同一方向转动360°后完成所有基片盘32的卸片，然后机械手指41退回至真空传输室2，关闭隔离阀8。

该晶片真空自动传输系统的传输方法，使工件台31沿同一方向转动，可消除行星齿轮副的齿隙误差，装卸首片晶片时，将基片盘32进行原点校准(基片盘32定位至原点位置)，消除累计误差，从而达到较高的运动精度，保证晶片定位准确，保证后续工艺过程的质量。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。