旋转式晶圆自动传输装置的制作方法

日期:2019-06-22 17:58:43

专利名称:旋转式晶圆自动传输装置的制作方法
技术领域
本实用新型涉及一种晶圆输送设备。特别是一种对标准机械界面(Standard Mechanical Interface,简称SMIF)晶圆盒进行载入载出操作的结构设计合理,在制程间传输运行平 稳,实现随意旋转的晶圆匣180度反向置放动作更灵活可靠,拓展了适用范围的旋转式晶 圆自动传输装置。
技术背景目前,在半导体的制造过程中,晶圆输送对IC制造至关重要。为了确保晶圆在不同 的制程间运送时的品质,避免晶圆受到尘粒或其它污染,越来越多的运送工作采用标准的 运送容器,即采用了标准机械界面(standard mechanical interface,简称SMIF)技术。如 美国专利4532970和4534389中,就公开了一种SMIF系统。该系统是通过明显减少流 过晶圆的尘粒,来降低尘粒对晶圆的污染。该效果是通过在机械方面保证晶圆输送、存储 以及多数制程中,晶圆周围的气体相对晶圆保持静止,以及外部环境中的尘粒不会进入晶 圆环境来实现的。SMIF技术以"隔离技术"概念为中心。所谓隔离技术旨在通过将晶圆 封闭在一个超洁净的环境中,同时放宽对这个封闭环境以外的洁净度要求来防止产品 被污染。这使得节约巨额先期和运营成本成为可能,同时也使晶圆厂能够更有效、更 具成本效益。另外,美国专利5934991公开了一种晶圆盒装载设备界面改进的洁净空气系统(Pod loader interface improved clean air system),是一种集成的空气过滤系统,可以提供洁净的 微环境。该系统中的风扇、过滤器、压力通风箱和装载平台作为一个整体移动,压力通风 室通过一个成角度有孔的网屏和装载平台上的晶圆盒相通,洁净空气流均匀的在成角度有 孔网屏的所有高度上吹过晶圆表面。机械装置在微环境下举起晶圆盒外壳,然后载入和载 出晶圆匣,使晶圆匣在载入和载出过程中被污染的几率降到最低。此方法被业内人士广泛 采用。美国专利6086323公开了一种为IC制程递送晶圆的方法(Method for supplying wafers to an IC manufacturing process),该方法包括支撑箱体、升降机、上料平台以及一个 多关节机械臂,上料平台可与SMIF晶圆盒对接。提升机用于将晶圆盒盖从SMIF晶圆盒 上取下。由气缸控制的夹杆在升降机升起打开晶圆盒以前,将SMIF晶圆盒固定到提升机 上。其将晶圆盒基座与晶圆盒装载界面的上料平台对接后,打开晶圆盒盖与基座之间的锁 定机构。在使晶圆处于清洁的微环境中的同时,将晶圆盒盖从基座上提起,移动多关节机械臂的执行器到裸露的晶圆匣的位置,将晶圆匣抓紧,然后移动机械臂,将晶圆转出微环 境,递送给IC制程。多关节机械臂包括旋转肩关节、肘关节和腕关节,可以实现水平方 向的移动。螺杆垂直驱动机构使机械臂可以垂直移动晶圆匣。但机械臂的功能有限,限制 了设备的应用场合。在需要晶圆匣做更复杂动作的制程上,就无法实现自动传输。抓取机 构由气缸作为动力。采用气缸作为动力元件很难对运动过程进行精确的控制,同时还要增 加一套气动系统。安装在执行器下表面的定位机构釆用一组围绕中心安装的四个定位块。 形成一个漏斗状的结构,可以引导晶圆匣手柄达到居中的位置。但执行器定位块的安装只 能适用于固定的一种晶圆匣,随着制程设备的发展,晶圆匣的形式也越来越多样,这就使 得晶圆的自动传输受到限制。美国专利5975825中公开了一种晶圆传输装置(Transfer apparatus for wafers),它含 有一个可升降移动的线性载台,线性载台承载一机械臂。该机械臂包括两个伸展手臂(置 于晶圆匣两侧)和一个挡片装置(用于抵住晶圆片边缘)。挡片装置含有两个由弹性材料 制成的口边,使其可抵在晶圆边缘上。但此种晶圆传输装置存在一些缺点,表现在以下方 面1、 机械臂的结构复杂,两只伸展手臂限制了设备的使用场所。2、 机械臂作旋转运动所需旋转空间较大,并在机械臂旋转的同时,线性载台必须配 合升降,且在配合中保证晶圆盒的水平运行稳定性,以使各部件搭配动作精确度准确。因 此,该装置不仅占用空间较大,投入的设备成本也较高,而且受其结构的限制,无法适用 于在狭小空间作复杂动作的制程。3、 机械臂的功能单一,限制其应用场合。在需要晶圆匣做更复杂动作的特殊制程设 备上,就无法实现自动传输。4、 执行器定位块的设置只能适用于固定的一种晶圆匣,无法适应多样化制程设备所 对应的各种形状的晶圆匣的自动传输。专利公告号为CN2327664Y的"附有标准机械界面之晶圆运送装置",采用了使夹爪 升降至定点以抓取晶圆盒的夹爪垂直升降机构,用于利用倍行程设计将夹爪上的晶圆盒运 送至定点的夹爪水平移动机构和用于将晶圆在盒内归位的夹爪摆动机构。其中夹爪垂直升 降机构在晶圆盒的侧面升起带动夹爪水平移动机构和夹爪摆动机构共同运动,占用了内部 很大的空间,导致设备体积大,同时该晶圆运送装置的结构特点,限制其应用的场合。韩国专利公开号为100594371B1的"一种能运送晶圆匣的装载装置(A loader having function for carrying out cassette)",釆用一种垂直轴链接单元在晶圆盒的侧面升起带动 夹爪水平移动抓取晶圆盒侧面的两底边的机构。但由于还是采用内部抓取机构,导致设备 体积偏大,并且机械臂的功能有限,无法实现操纵晶圆匣做更复杂的动作。由于制程设备的多样性和特殊性,现有的晶圆装载设备,很难全面的满足要求。从公 布的文献来看,还未发现采用同一设备可以在自动卸载SMIF晶圆盒的同时,会自动地将 将其中的晶圆输送到下一制程所需的特定位置,即实现随意旋转的晶圆匣的升降、前后平 移,又能实现晶圆匣180度反向置放,并在加工完成后,重新收回晶圆匣的自动传输装置, 可见现有晶圆传输装置无法达到在其载入、载出的过程中,既能满足制程设备对于晶圆在 多种空间位置上的要求,又能达到在制程设备狭小空间内作更复杂动作的目的,因此,现 有晶圆传输装置有待进一步改进。 实用新型内容本实用新型的目的是提供一种旋转型晶圆自动传输装置,它除继承现有技术中的 SMIF中的隔离技术提供洁净的微环境的优点外,还能有效地克服其受结构限制,无法适 用于在制程设备的狭小空间作复杂动作等缺点,该装置结构设计合理,在制程间传输运行 平稳,动作更灵活可靠,拓展了适用范围,不仅能实现随意旋转的晶圆匣的升降、前后平 移,又能实现晶圆匣180度反向置放,使之适应在制程设备狭小空间内作更复杂动作,并 在遇到外界干涉时可挠性停止,达到精确控制的传输效果。本实用新型所采用的技术方案是该旋转型晶圆自动传输装置包括机架,固定在机架 上的上料平台,组装在机架上作升降移动的带有扣爪机构的风箱体和作升降、伸展移动的 带有抓取机构的手臂机构,其技术要点是所述手臂机构的抓取机构固定在下手臂旋转轴 上,所述下手臂旋转轴固定在大带轮上,所述大带轮及通过旋转传动带连接的步进电机驱 动的小带轮组装在下手臂固定座内,所述抓取机构的固定板连接在所述下手臂旋转轴上, 并利用大、小带轮组成的传动机构驱动所述下手臂旋转轴转动,带动所述抓取机构固定板 绕轴线转动,设置在所述抓取机构的抓取电机通过蜗轮蜗杆驱动抓取连杆带动夹爪沿所述 抓取机构固定板的抓取滑轨往复移动,所述抓取机构上的定位机构设置可调定位块。驱动所述手臂机构作升降、伸展移动的手臂升降电机和手臂伸展电机分别固定在所述 机架上和固定在沿机架的手臂升降单滑轨滑动的手臂升降基板上,所述手臂升降电机通过 三号传动带和手臂升降螺杆驱动固定在手臂升降基板上的手臂升降螺母沿螺杆轴向往复 移动,使手臂机构沿与机架的竖向作升降运动。所述手臂伸展电机通过减速机构、二号传动带驱动固定在上手臂上的手臂传动轴转 动,所述手臂传动轴带动所述上手臂绕手臂固定轴摆动,通过上手臂旋转轴与所述上手臂 铰接的下手臂在上手臂内部传动带的带动下通过上手臂旋转轴绕所述上手臂摆动,使手臂 机构沿与机架垂直方向作伸展运动。所述风箱体组装在带有风箱体升降螺母的风箱体固定座上,固定在机架上的风箱体升 降电机通过一号传动带和风箱体升降螺杆驱动风箱体升降螺母沿螺杆轴向往复移动,带动 风箱体固定座沿机架的风箱体升降单滑轨上、下滑动。所述风箱体的扣爪机构的扣爪电机通过组装其轴上的拉杆销轴与扣爪拉杆一端铰接, 扣爪拉杆另一端与扣爪轴端的曲柄铰接,扣爪轴另一端固定有扣爪,电机驱动扣爪轴上的 曲柄绕轴线转动,带动扣爪开、合。
本实用新型具有的优点及积极效果是由于本实用新型是在现有递送晶圆方法中的传 输设备的结构基础上改进设计的,所以它除继承现有技术中的SMIF中的隔离技术提供 洁净的微环境的优点外,还能有效地克服其受结构限制,无法适用于在制程的狭小空间 作复杂动作等缺点。该装置的手臂机构的抓取机构固定在下手臂旋转轴上,利用大、小带 轮组成的传动机构驱动抓取机构绕轴线转动,并使抓取机构采用抓取电机通过蜗轮蜗杆驱 动抓取连杆的结构形式来替代现有抓取机构中的气动系统带动夹爪动作,确保夹爪夹紧后 的晶圆匣不会脱落,故其结构设计更加合理,在制程间传输运行不仅平稳,而且能根据实 际需要实现360度随意旋转的晶圆匣的升降、前后平移,以实现晶圆匣180度反向置放, 动作更灵活可靠,拓展了对不同制程设备的适用范围,使之既能够满足制程设备对于晶圆 在多种空间位置上的要求,又能适应在制程设备狭小空间内作更复杂动作,并在遇到外界 干涉时可挠性停止,达到精确控制的传输效果。以下结合附图对本实用新型作进一步描述。


图1是本实用新型一种具体结构示意图。
图2是图1的右视图。
图3是图1中的手臂机构的剖视图。
图4是图1中的手臂机构伸展状态的一种结构示意图。
图5是图4的俯视图。
图6是图3中的下手臂固定座内的大、小带轮组成的传动机构示意图。 图7是图3中的抓取机构的一种结构示意图。 图8是图3中的定位机构的一种结构示意图。 图9是图2中的扣爪机构的一种结构示意图。
图中序号说明l机架、2风箱体升降电机、3—号传动带、4风箱体固定座、5风箱 体升降螺母、6风箱体升降螺杆、7风箱体升降单滑轨、8手臂升降单滑轨、9 二号传动带、 IO减速机构、ll手臂伸展电机、12手臂升降基板、13手臂升降螺杆、14三号传动带、 15手臂升降电机、16手臂升降螺母、17手臂固定座、18手臂传动轴、19手臂机构、20 扣爪机构、21上料平台、22风箱体、23定位机构、24抓取机构、25下手臂、26上手臂 旋转轴、27下手臂旋转轴、28上手臂、29手臂固定轴、30下手臂固定座、31小带轮、 32旋转传动带、33大带轮、34夹爪、35抓取电机、36抓取滑轨、37抓取连杆、38联轴器、39连杆销轴、40蜗杆、41蜗轮、42抓取机构固定板、43可调定位块、44抓取固定 板、45固定定位块、46扣爪电机、47拉杆销轴、48扣爪拉杆、49固定座、50扣爪轴、 51扣爪。
具体实施方式

根据图1 9详细说明本实用新型的具体结构。该旋转型晶圆自动传输装置是在继承 美国专利6086323的"一种为IC制程递送晶圆的方法"等专利技术优点的基础上,并根 据现有技术中存在的缺陷进行重新设计的。它包括机架l,固定在机架1上的上料平台21, 组装在机架1上作升降移动的带有扣爪机构20的风箱体22和作升降、伸展移动的带有抓 取机构24的手臂机构19等件。其中风箱体22是一个集成的空气过滤系统,可以提供洁 净的微环境。其工作原理与上述美国专利技术中的方法基本相同,在此不再赘述。
如图1、 2所示,风箱体22组装在带有风箱体升降螺母5的风箱体固定座4上,固定 在机架1上的风箱体升降电机2通过一号传动带3和风箱体升降螺杆6驱动风箱体升降螺 母5沿螺杆轴向往复移动,带动风箱体固定座4沿机架1的风箱体升降单滑轨7上、下滑 动。采用风箱体升降单滑轨7与现有技术中的风箱体升降双滑轨相比,可以简化传动结构, 不仅安装容易,而且维护时便于调整。
如图9所示,风箱体22的扣爪机构20由扣爪电机46、拉杆销轴47、扣爪拉杆48、 固定座49、扣爪轴50、扣爪51等组成。扣爪机构20采用扣爪电机46传动,不再采用气 动系统的气缸传动,这既解决了其对运动过程无法进行精确控制的问题,同时还节省一套 气动系统。扣爪机构20采用扣爪电机46并通过组装其轴上的拉杆销轴47与扣爪拉杆48 的--端铰接,扣爪拉杆48另一端与扣爪轴50—端的曲柄铰接,利用固定座49组装在风 箱体22上的扣爪轴50另一端固定有扣爪51。扣爪电机46通过拉杆销轴47和扣爪拉杆 48来驱动扣爪轴50上的曲柄绕轴线转动,带动扣爪51开、合。扣爪机构20由扣爪电机 46做动力,增强了机构的稳定性与可控性。
如图3、 4、 5所示,手臂机构19由定位机构23、抓取机构24、下手臂25、上手臂 旋转轴26、下手臂旋转轴27、上手臂28、手臂传动轴18、手臂固定轴29等组成。
如图6所示,下手臂25的下手臂固定座30内组装有由步进电机驱动的小带轮31、 旋转传动带32、大带轮33组成的传动机构。
如图7所示,抓取机构24由夹爪34、抓取电机35、抓取滑轨36、抓取连杆37、联 轴器3S、连杆销轴39、蜗杆40、蜗轮41、抓取机构固定板42等组成。
如图8所示,定位机构23由可调定位块43、抓取固定板44、固定定位块45等组成。
其中手臂机构19的抓取机构24固定在下手臂旋转轴27上,下手臂旋转轴27固定在 大带轮33上,大带轮33及通过旋转传动带32连接的步进电机驱动的小带轮31组装在下手臂固定座30内。抓取机构固定板42连接在下手臂旋转轴27上,并利用大、小带轮33、 31组成的传动机构驱动下手臂旋转轴27转动,带动抓取机构固定板42绕轴线转动。与 现有技术相比,不仅能根据实际需要实现360度旋转的晶圆匣的升降、前后平移,还可以 实现晶圆匣180度反向置放,以适应不同的制程设备结构特点的要求。设置在抓取机构 24的抓取电机35通过蜗轮41、蜗杆40驱动抓取连杆37带动夹爪34沿固定于抓取机构 固定板42的抓取滑轨36往复移动。抓取机构24上的定位机构23设置可调定位块43。
驱动手臂机构19作升降、伸展移动的手臂升降电机15和手臂伸展电机11分别固定 在机架1上和固定在沿机架1的手臂升降单滑轨8滑动的手臂升降基板12上。采用手臂 升降单滑轨8与现有技术中的手臂升降双滑轨相比,可以简化传动结构,不仅安装容易, 而且维护时便于调整。手臂升降电机15通过三号传动带14和手臂升降螺杆13驱动固定 在手臂升降基板12上的手臂升降螺母16沿螺杆轴向往复移动,使手臂机构19随手臂升 降基板12的上、下滑动而沿与机架1的竖向作升降运动。手臂伸展电机11通过减速机构 10、 二号传动带9驱动固定在上手臂28上的手臂传动轴18转动,手臂传动轴18带动上 手臂28绕手臂固定轴29摆动,通过上手臂旋转轴26与上手臂28铰接的下手臂25在上 手臂28内部传动带的带动下通过上手臂旋转轴绕上手臂28摆动(见图3中的局部剖视 图),使手臂机构19沿与机架1垂直方向作伸展运动。
该旋转型晶圆自动传输装置的动作过程是-
它由手臂机构19的升降、手臂机构19的伸展、抓取机构24的旋转、风箱体22的升 降、扣爪机构20的开合、抓取机构24的开合等部件的动作组成。采用该装置专用的控制 器作为中央处理单元和利用独有的软件控制技术,使各部件间配合运动完成晶圆的自动传输。
风箱体升降电机2通过一号传动带3、风箱体升降螺杆6驱动风箱体升降螺杆6转动; 风箱体升降螺母5沿风箱体升降螺杆6上、下移动,带动风箱体22沿风箱体升降滑轨7 上下移动。
手臂升降电机15通过三号传动带14驱动手臂升降螺杆13转动,手臂升降螺母16 沿手臂升降螺杆13上、下移动,带动手臂升降基板12沿手臂升降单滑轨8上、下移动, 实现了手臂机构19的上、下移动。手臂升降电机15由编码器作位置反馈,可以实现上升、 下降的位置精确控制。
手臂机构19在上手臂28与下手臂25的共同摆动作用下,使其绕下手臂旋转轴27 转动的抓取机构24也沿与机架1垂直方向作伸展运动,即实现了手臂机构19的伸展运动。 手臂伸展电机ll由编码器作位置反馈,可以实现伸展位置的精确控制。抓取机构24通过 下手臂旋转轴27绕下手臂25作正、反向180度的随意旋转,以实现晶圆匣180度反向置放,不需额外加装旋转台。由步进电机驱动的小带轮31由编码器作位置反馈,可以实现 旋转位置的精确控制。
抓取机构24的抓取电机35通过连轴器38带动蜗杆40和蜗轮41转动,蜗轮41通过 连杆销轴39推动抓取连杆37带动夹爪34,在抓取滑轨36的限制下,夹爪34沿抓取滑 轨36作直线往复运动,控制抓取电机35的正转、反转即可实现夹爪34的开、合。
安装在抓取机构24下端的定位机构23是用来实现晶圆匣定位的。可调定位块43和 固定定位块45均有一个倾斜的内表面,可以引导晶圆匣达到居中的位置。可调定位块43 还具有位置调整的功能,在晶圆匣外部形状有差异的情况下也可以通过调整可调定位块 43的位置使晶圆匣处于合适的位置。
扣爪机构20用于在提升晶圆盒之前,将晶圆盒固定在风箱体22上。扣爪机构20的 扣爪电机46运动时,电机轴伸出,通过拉杆销轴47拉动扣爪拉杆48摆动,扣爪拉杆48 的摆动带动扣爪轴50绕固定座49转动。扣爪51随着扣爪轴50的转动而转动,完成扣爪 51扣合的动作。反之,扣爪电机46的电机轴縮回,在扣爪拉杆48的拉动下扣爪轴50向 相反的方向转动,即带动扣爪51打开,这样就完成了扣爪机构20的扣合、打开动作。
该旋转型晶圆自动输送装置的工作过程如下
操作人员将晶圆盒放置在上料平台21上。设备开始工作,晶圆盒的锁定机构被打开, 扣爪机构20动作,扣爪51将晶圆盒的盖子固定在风箱体22上。风箱体22上升至顶部, 带动晶圆盒盖从晶圆匣上提起。此时晶圆匣处于风箱体22的微环境中。
手臂机构19下降到晶圆匣上方,定位机构23将晶圆匣定位到中央位置,抓取机构 24动作,夹爪34将晶圆匣夹住;手臂机构19上升,将晶圆匣从上料平台21上提起。
手臂机构19伸展,将晶圆匣送于制程设备的加工位置上方;手臂机构19下降,将晶 圆匣放置在加工位置。与此同时,如果制程设备需要晶圆匣180度反向置放,手臂机构 19在运送晶圆匣的过程中可使抓取机构24绕轴转动,将晶圆匣作180度的旋转,然后放 置在加工位置。
当晶圆的加工操作完成后,设备执行相反的流程,将晶圆匣重新装回设备的晶圆盒中, 以便操作者取走。
权利要求1、一种旋转型晶圆自动输送装置,包括机架,固定在机架上的上料平台,组装在机架上作升降移动的带有扣爪机构的风箱体和作升降、伸展移动的带有抓取机构的手臂机构,其特征在于所述手臂机构的抓取机构固定在下手臂旋转轴上,所述下手臂旋转轴固定在大带轮上,所述大带轮及通过旋转传动带连接的步进电机驱动的小带轮组装在下手臂固定座内,所述抓取机构的固定板连接在所述下手臂旋转轴上,并利用大、小带轮组成的传动机构驱动所述下手臂旋转轴转动,带动所述抓取机构固定板绕轴线转动,设置在所述抓取机构的抓取电机通过蜗轮蜗杆驱动抓取连杆带动夹爪沿所述抓取机构固定板的抓取滑轨往复移动,所述抓取机构上的定位机构设置可调定位块。
2、 根据权利要求l所述的旋转型晶圆自动传输装置,其特征在于驱动所述手臂机 构作升降、伸展移动的手臂升降电机和手臂伸展电机分别固定在所述机架上和固定在沿机 架的手臂升降单滑轨滑动的手臂升降基板上,所述手臂升降电机通过三号传动带和手臂升 降螺杆驱动固定在手臂升降基板上的手臂升降螺母沿螺杆轴向往复移动,使手臂机构沿与 机架的竖向作升降运动。
3、 根据权利要求1或2所述的旋转型晶圆自动传输装置,其特征在于所述手臂伸 展电机通过减速机构、二号传动带驱动固定在上手臂上的手臂传动轴转动,所述手臂传动 轴带动所述上手臂绕手臂固定轴摆动,通过上手臂旋转轴与所述上手臂连接的下手臂在上 手臂内部传动带的带动下绕所述上手臂摆动,使手臂机构沿与机架垂直方向作伸展运动。
4、 根据权利要求l所述的旋转型晶圆自动传输装置,其特征在于所述风箱体组装 在带有风箱体升降螺母的风箱体固定座上,固定在机架上的风箱体升降电机通过一号传动 带和风箱体升降螺杆驱动风箱体升降螺母沿螺杆轴向往复移动,带动风箱体固定座沿机架的风箱体升降单滑轨上、下滑动。
5、 根据权利要求l所述的旋转型晶圆自动传输装置,其特征在于所述风箱体的扣 爪机构的扣爪电机通过组装其轴上的拉杆销轴与扣爪拉杆一端铰接,扣爪拉杆另一端与扣 爪轴端的曲柄铰接,扣爪轴另一端固定有扣爪,电机驱动扣爪轴上的曲柄绕轴线转动,带 动扣爪开、合。
专利摘要一种旋转式晶圆自动传输装置,它除继承现有技术中的SMIF中的隔离技术提供洁净的微环境的优点外,还能有效地克服无法适用于在制程的狭小空间作复杂动作等缺点,包括机架、上料平台、风箱体和手臂机构,其技术要点是手臂机构的抓取机构利用组装在下手臂固定座内的大、小带轮组成的传动机构绕轴转动,设置在抓取机构的抓取电机通过蜗轮蜗杆驱动抓取连杆带动夹爪沿抓取滑轨往复移动,抓取机构上的定位机构设置可调定位块。该装置结构设计合理,在制程间传输运行平稳,动作更灵活可靠,拓展了适用范围,能完成晶圆的自动传输,同时能实现晶圆匣随意旋转和180度反向置放,以适应在制程设备的狭小空间内作更复杂动作的自动传输。
文档编号H01L21/67GK201345357SQ20092001006
公开日2009年11月11日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者功 吴 申请人:富创得科技(沈阳)有限公司


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