一种基于气缸驱动的晶圆翻转装置的制作方法

本发明属于晶圆加工技术领域，涉及一种基于气缸驱动的晶圆翻转装置。

背景技术：

半导体器件的加工过程包含很多工序，不同的工序经常会在晶圆不同的加工面上进行，如：晶圆上芯片加工在晶圆正面，标识晶圆信息的条码等信息刻印在晶圆的背面。为保证半导体器件加工过程的顺利进行，晶圆在进入一些工序前可能就需要预先进行翻转，以便使晶圆的加工面正对着该工序的晶圆加工方向(如将晶圆背面翻转朝上进行读码)，晶圆的翻转就成为晶圆加工过程中不可缺少的工序之一。

目前，晶圆翻转通常采用的方法是使用手臂带旋转功能的单臂机器人配合带真空吸盘的机械手手指来进行，机械手手指的真空吸盘吸附固定晶圆，机器人的手臂旋转实现晶圆的翻转。该方法中，带真空吸盘的机械手手指不可避免地要接触到晶圆的中心部位，存在划伤或污染晶圆等风险，而且当晶圆翻转朝下时，机械手手指一旦失去真空或者因某种原因(如晶圆翘曲度过大)造成机械手手指真空泄漏，晶圆将会掉落而损坏。另外，该方法如果采用双臂机器人，则手臂的旋转会造成两个机械手手指间的相互干涉，所以只能使用单臂机器人，导致生产线产能的降低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于气缸驱动的晶圆翻转装置，通过夹块夹持晶圆的外缘并利用旋转气缸翻转晶圆，使晶圆翻转平稳、可靠。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于气缸驱动的晶圆翻转装置，该装置包括底座、设置在底座上的旋转气缸、与旋转气缸传动连接的滑轨安装板、一对并列设置在滑轨安装板侧面的夹持单元以及设置在滑轨安装板侧面并与夹持单元相适配的平移限位机构，所述的夹持单元包括设置在滑轨安装板侧面的气缸驱动机构、与气缸驱动机构传动连接的夹块安装座以及一对并列设置在夹块安装座上的夹块。将晶圆置于两个夹持单元的4个夹块中间，气缸驱动机构带动两个夹块安装座相向运动，使4个夹块将晶圆夹在中间，同时平移限位机构对夹块安装座的位移进行限位，以定位晶圆的圆心位置；之后旋转气缸带动滑轨安装板在竖直平面内旋转，进而通过夹块安装座、夹块带动晶圆翻转。

优选地，所述的旋转气缸为带缓冲器的旋转气缸。

进一步地，所述的旋转气缸设置在底座的顶部侧面。

进一步地所述的滑轨安装板与旋转气缸的旋转台固定连接，所述的旋转台的旋转轴呈水平方向。旋转台的旋转带动滑轨安装板在竖直平面内旋转。

进一步地，所述的气缸驱动机构包括水平设置在滑轨安装板侧面的线性滑轨以及设置在滑轨安装板侧面并与夹块安装座传动连接的夹持气缸，所述的夹块安装座的一端与线性滑轨的滑块固定连接。

优选地，每个气缸驱动机构包括2个并列设置的线性滑轨。

进一步地，所述的夹持气缸与夹块安装座之间设有气缸轴连接板，所述的夹持气缸的气缸轴通过气缸轴连接板与夹块安装座相连。

进一步地，所述的夹块包括设置在夹块安装座上的夹块下圆柱部、设置在夹块下圆柱部上的夹块圆台部以及设置在夹块圆台部顶部的夹块上圆柱部，所述的夹块圆台部的顶部与夹块上圆柱部的底部之间开设有夹块槽口。晶圆的外缘位于夹块槽口中。

进一步地，所述的夹块圆台部的外径由上而下逐渐增大，所述的夹块圆台部的底面外径大于夹块上圆柱部的外径，所述的夹块圆台部的顶面外径小于夹块上圆柱部的外径。夹块圆台部上的斜面能够对晶圆起到导向作用。

进一步地，所述的平移限位机构包括设置在滑轨安装板侧面并与其中一个夹块安装座相适配的限位块。限位块固定设置在滑轨安装板侧面。当4个夹块对晶圆进行夹持后，通过限位块对其中一个夹块安装座的平移位置进行限位，以定位晶圆的圆心。

进一步地，所述的平移限位机构还包括设置在滑轨安装板侧面并与另一个夹块安装座相适配的缓冲组件。

进一步地，所述的缓冲组件包括设置在滑轨安装板侧面的缓冲器安装座以及设置在缓冲器安装座上的缓冲器。缓冲器便于控制夹块对晶圆的夹持力。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)通过夹块夹持晶圆的外缘来实现对晶圆的固定并定位晶圆的圆心，不接触晶圆中心部位，不存在污染晶圆等风险，并且翻转过程中，晶圆始终处在夹块槽口内，不会出现晶圆掉落的风险；

2)采用固定位置的限位块定位夹块夹持后的晶圆位置，翻转后晶圆位置准确，并进一步采用缓冲器控制夹块对晶圆的夹持力，晶圆夹持安全可靠，夹块不会伤及晶圆；

3)目前，为了便于对晶圆进行定位和校准，晶圆的外缘上一般都留有缺口，以便晶圆校准器定位晶圆的圆心并寻找晶圆上缺口的位置，但该缺口的存在会对其他工序中的晶圆夹持过程产生影响，本发明采用四个夹块夹持晶圆，这样至少有三个夹块与晶圆外缘接触，避免了其中一个夹块碰到晶圆的缺口时晶圆退让造成的晶圆位置偏离的问题；

4)采用旋转气缸翻转晶圆，晶圆翻转平稳、可靠；

5)本发明结构简单，实现容易，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中夹块与晶圆外缘的配合结构示意图；

图3为本发明夹持晶圆并翻转180°后的结构示意图；

图中标记说明：

1—底座、2—旋转气缸、3—滑轨安装板、4—线性滑轨、5—夹块安装座、6—夹块、601—夹块下圆柱部、602—夹块圆台部、603—夹块上圆柱部、604—夹块槽口、7—夹持气缸、8—气缸轴连接板、9—缓冲器安装座、10—缓冲器、11—限位块、12—晶圆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种基于气缸驱动的晶圆翻转装置，其结构如图1所示，包括底座1、旋转气缸2、滑轨安装板3、线性滑轨4、夹块安装座5、夹块6、夹持气缸7、气缸轴连接板8、缓冲器安装座9、缓冲器10和限位块11，线性滑轨4和夹块6均设有4个，夹块安装座5、夹持气缸7和气缸轴连接板8均设有2个，旋转气缸2自带两个缓冲器，两个夹持气缸7采用同一个电磁阀来控制。

如图1所示，底座1为主安装座，旋转气缸2安装在底座1的侧面顶部，滑轨安装板3安装在旋转气缸2的旋转台上，跟随旋转气缸2的旋转台一起转动，线性滑轨4安装在滑轨安装板3的侧面，夹块安装座5对称地安装在线性滑轨4的滑块上，夹块6安装在夹块安装座5上，夹块6的中心轴线处于竖直方向，夹持气缸7对称地安装在滑轨安装板3的侧面，位于线性滑轨4的内侧，通过气缸轴连接板8与夹块安装座5相连，缓冲器安装座9和限位块11对称地安装在滑轨安装板3的侧面，位于夹持气缸7的上方，缓冲器10安装在缓冲器安装座9上，缓冲器10头部朝向左侧夹块安装座5，晶圆12的圆心与四个夹块6组合的中心重合，高度方向上位于夹块槽口604中(见图2)。

下面结合图1、图2、图3对该晶圆翻转装置的使用过程作进一步说明。

1)启动：夹持气缸7的气缸轴伸出，驱动夹块安装座5连同夹块6向两侧张开；

2)上料：放置晶圆12至四个夹块6中间，高度方向上位于夹块槽口604间；

3)夹持：夹持气缸7的气缸轴缩回，驱动夹块安装座5连同夹块6向内平移，晶圆12的外缘在夹块圆台部602的斜面导向下被夹块6夹持进入夹块槽口604中(见图2)，限位块11阻挡右侧夹块安装座5继续向内平移，右侧夹块安装座5上的两个夹块6定位晶圆12的位置，缓冲器10头部顶住左侧的夹块安装座5，缓冲器10依靠弹力保证左侧夹块安装座5上的两个夹块6与晶圆12接触，并保持设定的夹持力，夹持完成；

4)翻转：晶圆12夹持完成后，旋转气缸2动作，旋转气缸2的旋转台带动滑轨安装板3、线性滑轨4、夹块安装座5、夹块6、夹持气缸7、气缸轴连接板8、缓冲器安装座9、缓冲器10、限位块11和晶圆12一起翻转180°，翻转完成。调整旋转气缸2自身两个缓冲器的位置，可以微调晶圆12翻转前后的水平度；

5)下料：机械手移动到晶圆12下方，夹持气缸7的气缸轴伸出，驱动夹块安装座5连同夹块6向两侧张开，晶圆12落到机械手上，下料完成；

6)重复步骤1)至步骤5)，直至所有晶圆12完成翻转。

实施例2：

如图1、图3所示的一种基于气缸驱动的晶圆翻转装置，包括底座1、设置在底座1上的旋转气缸2、与旋转气缸2传动连接的滑轨安装板3、一对并列设置在滑轨安装板3侧面的夹持单元以及设置在滑轨安装板3侧面并与夹持单元相适配的平移限位机构，夹持单元包括设置在滑轨安装板3侧面的气缸驱动机构、与气缸驱动机构传动连接的夹块安装座5以及一对并列设置在夹块安装座5上的夹块6。

其中，旋转气缸2设置在底座1的顶部侧面。滑轨安装板3与旋转气缸2的旋转台固定连接，旋转台的旋转轴呈水平方向。气缸驱动机构包括水平设置在滑轨安装板3侧面的线性滑轨4以及设置在滑轨安装板3侧面并与夹块安装座5传动连接的夹持气缸7，夹块安装座5的一端与线性滑轨4的滑块固定连接。夹持气缸7与夹块安装座5之间设有气缸轴连接板8，夹持气缸7的气缸轴通过气缸轴连接板8与夹块安装座5相连。

如图2所示，夹块6包括设置在夹块安装座5上的夹块下圆柱部601、设置在夹块下圆柱部601上的夹块圆台部602以及设置在夹块圆台部602顶部的夹块上圆柱部603，夹块圆台部602的顶部与夹块上圆柱部603的底部之间开设有夹块槽口604。夹块圆台部602的外径由上而下逐渐增大，夹块圆台部602的底面外径大于夹块上圆柱部603的外径，夹块圆台部602的顶面外径小于夹块上圆柱部603的外径。

平移限位机构包括设置在滑轨安装板3侧面并与其中一个夹块安装座5相适配的限位块11。平移限位机构还包括设置在滑轨安装板3侧面并与另一个夹块安装座5相适配的缓冲组件。缓冲组件包括设置在滑轨安装板3侧面的缓冲器安装座9以及设置在缓冲器安装座9上的缓冲器10。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。