CN103887222B - 一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置 - Google Patents

Abstract

一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，包括有底座和设置在底座上的用于夹持晶圆的前夹、后夹，底座上还设有控制前夹和后夹移动的驱动机构，该驱动机构由前夹连接机构、后夹连接机构和动力源组成，所述动力源包括有传动带、驱动单元和驱动单元支座，所述驱动单元通过驱动单元支座放置在底座上，所述传动带与驱动单元啮合、在驱动单元的驱动下左右交替往复运动，并且传动带的一端通过后弹簧张紧机构与前夹连接，传动带的另一端通过前弹簧张紧机构与后夹连接。本装置有效解决了真空吸附式夹持装置因为与晶圆背面接触而造成的晶圆的传输污染的难题，既保证了晶圆夹持的可靠性，又避免了晶圆之间的交叉污染。

Description

一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置

技术领域

本发明涉及一种应用在半导体晶圆加工设备的晶圆传输环节中的晶圆夹持装置。

背景技术

在半导体晶圆加工过程中，在片盒-片盒、片盒-工作台之间存在大量的晶圆传输工作，而晶圆夹持装置作为晶圆传输的关键部件，直接决定了晶圆的传输效果。

现有的晶圆夹持装置多为真空吸附式晶圆夹持装置，但真空吸附式晶圆夹持装置与晶圆背面接触，易造成晶圆的传输污染，且仅适用于小尺寸晶圆。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，要解决传统的晶圆夹持装置容易造成晶圆传输污染的技术问题；并解决传统的晶圆夹持装置不适用于大尺寸晶圆的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，包括有底座和设置在底座上的用于夹持晶圆的前夹、后夹，其特征在于：底座上还设有控制前夹和后夹移动的驱动机构，该驱动机构由前夹连接机构、后夹连接机构和动力源组成。

所述动力源设置在后夹后方的底座上，包括有传动带、驱动单元和驱动单元支座，所述驱动单元通过驱动单元支座放置在底座上，所述传动带与驱动单元啮合、在驱动单元的驱动下左右交替往复运动，并且传动带的一端通过后弹簧张紧机构与前夹连接，传动带的另一端通过前弹簧张紧机构与后夹连接；

所述后弹簧张紧机构包括前拉杆、前弹簧杆、前弹簧支座和前弹簧组，所述传动带的一端通过前拉杆与前弹簧杆的一端连接，前弹簧杆的另一端又与所述前夹连接，所述前弹簧杆通过前弹簧支座支撑放置在底座上，所述前弹簧组连接在前弹簧杆与前弹簧支座之间。

所述前弹簧张紧机构由后弹簧杆、后弹簧组、后弹簧支座和后拉杆组成，所述传动带的另一端通过后拉杆与后弹簧杆的一端连接，后弹簧杆的另一端又与所述后夹连接，所述后弹簧杆通过后弹簧支座支撑放置在底座上，所述后弹簧组连接在后弹簧杆与后弹簧支座之间。

所述前弹簧支座可设有两个，一个位于前弹簧杆的前部，另一个位于前弹簧杆的后部。

所述后弹簧张紧机构还可包括支撑放置前弹簧杆用的中间支座，该中间支座设置在两个前弹簧支座之间的底座上。

所述后弹簧支座可设有两个。

所述前拉杆与驱动单元之间的传动带上可设有前张力传感器，后拉杆与驱动单元之间的传动带上可设有后张力传感器。

所述前夹与后夹之间的底座上可设有用于距离检测的晶圆检测装置。

所述晶圆检测装置可由通过传感器安装座连接在在底座上的距离传感器A、距离传感器B和距离传感器C组成，并且距离传感器A、距离传感器B和距离传感器C成三角形布置。

所述后弹簧组可由两个弹簧座和夹在两个弹簧座之间的一个弹簧组成，所述弹簧座的内壁由两个平面和两段半径相同的弧形面构成，所述后弹簧杆与弹簧座配合接触的位置上设有与弹簧座的内壁相对应的平面和弧形面。所述前弹簧组的结构与后弹簧组相同。

所述前夹可由两个独立夹指组成，并且每个独立夹指与晶圆相接触的一面的形状与晶圆的边缘相适应，所述后夹可为凹字形，并且后夹与晶圆相接触的一面的形状与晶圆的边缘相适应。

所述底座上可设有防护罩。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明主要应用于半导体晶圆加工设备的晶圆传输环节中的大尺寸、大重量晶圆的夹持，可完成晶圆的抓取和释放。

本发明是一种四面接触晶圆边缘的夹持装置，有效解决了真空吸附式夹持装置因为与晶圆背面接触而造成的晶圆的传输污染的难题。

本发明既保证了晶圆夹持的可靠性，又避免了晶圆之间的交叉污染。

本发明具有行程放大（通过驱动机构可调节前夹与后夹之间的距离）的功能。

本发明具有弹簧自锁（通过弹簧组来控制前夹与后夹夹持晶圆）功能，所以具有了晶片保护的功能。

本发明具有力反馈控制（通过前张力传感器和后张力传感器来监控夹持晶圆的力）的功能。

本发明具有距离检测（通过晶圆检测装置）的功能。

本发明尤其适合应用于300mmCMP系统的晶圆传输，可提高晶圆传输质量，降低碎片风险，逐步替换进口末端执行器。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的轴测示意图。

图2 是本发明的工位示意图。

图3是驱动机构的轴测示意图。

图4是驱动机构的详细立体示意图。

图5 是驱动机构的主视示意图。

图6是驱动机构的俯视示意图。

图7是本发明的正视示意图（夹紧工位）。

图8是本发明的俯视示意图（夹紧工位）。

图9是本发明的正视示意图（释放工位）。

图10是本发明的俯视示意图（释放工位）。

图11是后夹的主视示意图。

图12是图11中A-A剖面的示意图。

图13是前夹的立体示意图。

图14是弹簧组的工位图，弹簧组安装在前张紧装置中称为前弹簧组，安装在后张紧装置中称为后弹簧组。

图15是弹簧座的轴测透视示意图。

图16是夹持装置夹紧晶圆示意图。

附图标记：10－底座；

20－前夹、201－独立夹指；

30－防护罩；

40－后夹；

50－驱动机构、501－后弹簧杆、502－后弹簧组、5021－弹簧座、5021a－平面、5021b－弧形面、5022－弹簧、503－后弹簧支座、504－后拉杆、505a－后张力传感器、505b－前张力传感器、506－传动带、507－驱动单元、508－驱动单元支座、509－前拉杆、510－前弹簧杆、511－前弹簧支座、512－前弹簧组、513－中间支座；

60－晶圆检测机构、601－距离传感器A、602－距离传感器B、603－距离传感器C、604－传感器安装座；

70－晶圆。

具体实施方式

实施例参见图1-3所示，这种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，包括有底座10和设置在底座10上的用于夹持晶圆的前夹20、后夹40。底座10上还设有控制前夹20和后夹40移动（即调节夹持距离）的驱动机构50。

参见图3-6，驱动机构50由前夹连接机构、后夹连接机构和动力源组成。

所述动力源设置在后夹40后方的底座10上，包括有传动带506（同步带或链条）、驱动单元507和驱动单元支座508，所述驱动单元507通过驱动单元支座508放置在底座10上，所述传动带506与驱动单元507啮合、在驱动单元507的驱动下左右交替往复运动，并且传动带506的一端通过后弹簧张紧机构与前夹20连接，传动带506的另一端通过前弹簧张紧机构与后夹40连接。动力源也可以叫带传动或链传动装置。本实施例中，传动带506优先采用同步齿形带，可有效的避免传动带506与驱动单元507之间的滑动。当然，在其它实施例中，传动带506也可采用传动链或采用其他类型的传动带。

所述后弹簧张紧机构包括前拉杆509、前弹簧杆510、前弹簧支座511和前弹簧组512，所述传动带506的一端通过前拉杆509与前弹簧杆510的一端连接，前弹簧杆510的另一端又与所述前夹20连接，所述前弹簧杆510通过前弹簧支座511支撑放置在底座10上，所述前弹簧组512连接在前弹簧杆510与前弹簧支座511之间。

所述前弹簧张紧机构由后弹簧杆501、后弹簧组502、后弹簧支座503和后拉杆504组成，所述传动带506的另一端通过后拉杆504与后弹簧杆501的一端连接，后弹簧杆501的另一端又与所述后夹40连接。所述后弹簧杆501通过后弹簧支座503支撑放置在底座10上，所述后弹簧组502连接在后弹簧杆501与后弹簧支座503之间。

驱动机构50具有行程放大功能，当驱动单元507驱动传动带506转动行程ΔL时，前夹和后夹之间的相对位置间距变化为Δ2L。

本实施例中，前弹簧杆510是两根，后弹簧杆501也是两根，即前、后弹簧张紧机构均采用双弹簧杆结构。但在其它实施例中，也可以是一根、三根或更多，即前、后弹簧张紧机构采用单弹簧杆结构、三弹簧杆结构或多弹簧杆结构。

本实施例中，后弹簧张紧机构还包括支撑放置前弹簧杆510用的中间支座513，该中间支座513设置在两个前弹簧支座511之间的底座10上。

为了保证本发明夹紧晶圆的稳定性，本发明使用串、并联弹簧组的方式：本实施例中，在后弹簧张紧机构中同一后弹簧杆501上串联两个后弹簧组502和两个后弹簧支座503，同一后弹簧支座503上固连两个后弹簧组502。同理，前弹簧张紧机构中的同一前弹簧杆510上串联两个前弹簧组512和两个前弹簧支座511，同一前弹簧支座511上固连两个前弹簧组512。

本实施例中，前弹簧支座511设有两个，一个位于前弹簧杆510的前部，另一个位于前弹簧杆510的后部，后弹簧支座503也设有两个，也就是说，前、后弹簧杆上均串联两个弹簧座。在其它实施例中，前弹簧支座511和后弹簧支座503的数量也可以是一个、三个或更多。

参见图14、图15，所述后弹簧组502由两个弹簧座5021和夹在两个弹簧座之间的一个弹簧5022组成，所述弹簧座5021的内壁由两个平面和两段半径相同的弧形面构成，所述后弹簧杆501与后弹簧组502配合接触的位置上设有与弹簧座5021的内壁相对应的平面和弧形面（即后弹簧杆501上、与后弹簧组502的配合接触面同样有两段半径相同的弧形面和两个平面），这样可以保证后弹簧组和后弹簧杆的配合尺寸。所述前弹簧组512的结构与后弹簧组502相同，前弹簧杆510上、与前弹簧组512的配合接触面同样有两段半径相同的弧形面和两个平面，这样可以保证前弹簧组和前弹簧杆的配合尺寸。

参见图7-10、图14，本发明具有两个基本工位：夹紧工位和释放工位。

夹紧工位如图2中实线图形所示，或图7、图8所示；在夹紧工位时（夹紧晶圆时），晶圆的边缘与本发明的前夹20和后夹40接触。

释放工位如图2中虚线图形所示，或图9、图10所示；在释放工位时（释放晶圆时），晶圆的边缘与本发明的前夹20和后夹40分离。

本发明在驱动机构50处于待机状态(夹紧工位)时，驱动机构中的前弹簧组和后弹簧组均处于压缩状态、且长度相同,均为X，即后弹簧组502和前弹簧组512的长度均等于弹簧组初始压缩后的长度x；当本发明在驱动机构50处于释放状态时（释放工位），驱动机构中的前弹簧组伸长Δx，后弹簧组压缩Δx，此时，后弹簧组502的长度为弹簧组的长度x-Δx，前弹簧组512的长度为弹簧组的长度x+Δx，前夹和后夹的相对间距增加2Δx。也就是说，释放工位时的前夹20和后夹40的相对位置间距，比夹紧工位时的前夹20和后夹40的相对位置间距增加2Δx。

抓取晶圆70时，驱动单元507驱动传动带506正转位移Δx（图7中实线箭头），后弹簧组502伸张Δx，前弹簧组512压缩Δx，驱动后夹40、前夹20同时向晶圆中心分别移动Δx（此过程中后夹40与前夹20的移动方向图7中虚线箭头），最终与晶圆70的边缘成四面接触。

释放晶圆时，驱动单元驱动传动带反转位移Δx（图9中实线箭头），后弹簧组502压缩Δx，前弹簧组512伸张Δx，驱动后夹40、前夹20同时远离晶圆中心（此过程中后夹40与前夹20的移动方向如图9中虚线箭头所示），最终与晶圆70分离。

夹紧晶圆的过程中，当驱动单元掉电时，本发明的前夹与后夹分别在前弹簧组512的收缩作用和后弹簧组502的伸张作用下具有向晶圆中心移动的趋势。在驱动单元不工作时，在弹簧力的作用下，晶圆夹持装置的前夹和后夹与晶圆边缘保持接触，形成弹簧自锁，防止掉片。也就是说，前弹簧支座511、前弹簧组512、后弹簧支座503和后弹簧组502属于晶片保护装置（具有弹簧自锁功能）。

所述传动带506上还设有检测夹持晶圆的力的反馈机构，即前拉杆509与驱动单元507之间的传动带506上设的前张力传感器505b，以及后拉杆504与驱动单元507之间的传动带506上设的后张力传感器505a。前张力传感器505b和后张力传感器505a与计算机连接，在晶圆夹紧的过程中，计算机通过安装在传动带506上的前张力传感器505b和后张力传感器505a进行数据采集、处理和控制，实现夹持力在线控制。前张力传感器505b和后张力传感器505a用于检测晶圆夹持过程中的夹紧力，可以使本发明在夹持晶圆的过程中具有力反馈控制功能。

所述前夹20与后夹40之间的底座10上设有用于距离检测的晶圆检测装置60。

所述晶圆检测装置60由通过传感器安装座604连接在在底座10上的距离传感器A601、距离传感器B602和距离传感器C603组成，并且距离传感器A601、距离传感器B602和距离传感器C603成三角形布置。本实施例中，三个传感器成等腰三角形布置。

利用三个距离传感器其中的任意一个或两个可以在夹持过程中检测晶圆的存在，比如通过检测距离传感器A601的信号有无，可以判断本发明上是否存在晶圆。

三个距离传感器具有检测晶圆与夹持面距离的功能，利用三个距离传感器检测晶圆与夹持面的距离，可以计算本发明相对于晶圆面的空间位置，以此调节本发明的空间位置，从而提高夹持准确性。具体来说，在抓取晶圆时，通过测量晶圆与传感器基准面的距离，可以计算晶圆面与夹持面之间的倾斜角度，以此，调整本发明与晶圆之间的相对位置，可以提高本发明抓取晶圆的准确性。

所述前夹20和后夹40均采用PPS、PVDF、PEEK或陶瓷材料。

所述前夹20由两个独立夹指201组成，独立夹指201与晶圆相接触的一面的形状与晶圆的边缘相适应，即前夹20的夹持面为半径为R（R为晶圆半径）的弧形面（这样可以保证在夹紧晶圆时，其与晶圆边缘成四面接触）。

所述后夹40为凹字形，并且后夹40与晶圆相接触的一面的形状与晶圆的边缘相适应，即后夹40的夹持面为半径为R（R为晶圆半径）的弧形面（这样可以保证在夹紧晶圆时，其与晶圆边缘成四面接触），并由左夹持面和右夹持面组成（后夹的夹持面为两段半径为R的弧形面，且弧形面的轴线重合）。

本发明与晶圆70在夹紧状态下的示意图如图16所示，此时，前夹20和后夹40与晶圆边缘面成四面接触。

本实施例中，底座10上设有防护罩30，防护罩30用于保护器件，同时还可以支撑前弹簧支座511（即前弹簧支座511通过防护罩30和后弹簧支座503支撑在底座10上）。

Claims (10)

1.一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，包括有底座（10）和设置在底座（10）上的用于夹持晶圆的前夹（20）、后夹（40），其特征在于：底座（10）上还设有控制前夹（20）和后夹（40）移动的驱动机构（50），该驱动机构（50）由前夹连接机构、后夹连接机构和动力源组成；

所述动力源设置在后夹（40）后方的底座（10）上，包括有传动带（506）、驱动单元（507）和驱动单元支座（508），所述驱动单元（507）通过驱动单元支座（508）放置在底座（10）上，所述传动带（506）与驱动单元（507）啮合、在驱动单元（507）的驱动下左右交替往复运动，并且传动带（506）的一端通过后弹簧张紧机构与前夹（20）连接，传动带（506）的另一端通过前弹簧张紧机构与后夹（40）连接；

所述后弹簧张紧机构包括前拉杆（509）、前弹簧杆（510）、前弹簧支座（511）和前弹簧组（512），所述传动带（506）的一端通过前拉杆（509）与前弹簧杆（510）的一端连接，前弹簧杆（510）的另一端又与所述前夹（20）连接，所述前弹簧杆（510）通过前弹簧支座（511）支撑放置在底座（10）上，所述前弹簧组（512）连接在前弹簧杆（510）与前弹簧支座（511）之间；

所述前弹簧张紧机构由后弹簧杆（501）、后弹簧组（502）、后弹簧支座（503）和后拉杆（504）组成，所述传动带（506）的另一端通过后拉杆（504）与后弹簧杆（501）的一端连接，后弹簧杆（501）的另一端又与所述后夹（40）连接，所述后弹簧杆（501）通过后弹簧支座（503）支撑放置在底座（10）上，所述后弹簧组（502）连接在后弹簧杆（501）与后弹簧支座（503）之间。

2.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述前弹簧支座（511）设有两个，一个位于前弹簧杆（510）的前部，另一个位于前弹簧杆（510）的后部。

3.根据权利要求2所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述后弹簧张紧机构还包括支撑放置前弹簧杆（510）用的中间支座（513），该中间支座（513）设置在两个前弹簧支座（511）之间的底座（10）上。

4.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述后弹簧支座（503）设有两个。

5.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述前拉杆（509）与驱动单元（507）之间的传动带（506）上设有前张力传感器（505b），后拉杆（504）与驱动单元（507）之间的传动带（506）上设有后张力传感器（505a）。

6.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述前夹（20）与后夹（40）之间的底座（10）上设有用于距离检测的晶圆检测装置（60）。

7.根据权利要求6所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述晶圆检测装置（60）由通过传感器安装座（604）连接在底座（10）上的距离传感器A（601）、距离传感器B（602）和距离传感器C（603）组成，并且距离传感器A（601）、距离传感器B（602）和距离传感器C（603）成三角形布置。

8.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述后弹簧组（502）由两个弹簧座（5021）和夹在两个弹簧座之间的一个弹簧（5022）组成，所述弹簧座（5021）的内壁由两个平面（5021a）和两段半径相同的弧形面（5021b）构成，所述后弹簧杆（501）与弹簧座（5021）配合接触的位置上设有与弹簧座（5021）的内壁相对应的平面和弧形面；所述前弹簧组（512）的结构与后弹簧组（502）相同。

9.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述前夹（20）由两个独立夹指（201）组成，并且每个独立夹指（201）与晶圆相接触的一面的形状与晶圆的边缘相适应，所述后夹（40）为凹字形，并且后夹（40）与晶圆相接触的一面的形状与晶圆的边缘相适应。

10.根据权利要求1所述的一种利用弹簧张紧和电机驱动的力反馈晶圆夹持装置，其特征在于：所述底座（10）上设有防护罩（30）。