CN105051882A - 基板位置对准器 - Google Patents

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Abstract

一种基板位置对准器包括基板保持组件、多个辊、旋转机构及传感器。基板保持组件被配置成将基板保持在竖直方向上。所述多个辊包括至少两个惰轮辊及驱动辊。各辊具有在该辊的周边上的点，该点与基板旋转中心间隔公共半径，该基板旋转中心界定于该基板保持组件内部。传感器大约定位于公共半径上，且该传感器被配置成当定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间的范围内时检测基板中定向切口的存在。一种对准具有定向切口的基板的方法包括以下步骤：当定向切口未被定向于以上所述的范围内时，感测该定向切口的存在。

Description

基板位置对准器
发明背景
发明领域
本发明的实施方式涉及基板位置对准器(aligner)。更准确地说，所公开的实施方式涉及用于对准竖直基板的方法及设备。
现有技术描述
在半导体制造中常使用基板运输器，以便将基板传送通过各种制造工艺。基板运输器通常包括具有基板夹持器的传送机械手，该基板夹持器用于通过保持(hold)基板的边缘来保持该基板。然而，基板经常包括诸如平口(flat)或槽口(notch)之类的切口(cut)，该切口制成于一个或更多个侧面中，以指示基板的结晶定向(crystalorientation)及在一些情况下指示基板的掺杂定向(dopingorientation)。因而，在竖直定向工艺(例如化学机械抛光(CMP)系统中的清洁模块)中，基板中的定向切口可能干扰基板夹持器，从而引起不正确地保持基板或使基板落下。这提出了一个挑战，尤其对150mm基板的处理提出挑战，在150mm基板中定向切口的长度相对于基板直径过长，因此使得既难以绕中心旋转基板，又难以在避开定向切口的同时适当地夹持基板。
因此，存在对用于改良基板夹持器保持竖直基板的能力的方法及设备的需要。
发明内容
提供用于基板位置对准器的方法及设备，这些方法及设备改良基板夹持器保持竖直基板的能力。在一个实施方式中，基板位置对准器包括基板保持组件、多个辊、旋转机构及传感器。基板保持组件被配置成将基板保持在竖直方向上。多个辊包括至少两个惰轮辊(idlerroller)及驱动辊。各辊具有在其周边上的点，该点与基板旋转中心间隔公共半径(commonradius)，该基板旋转中心界定于该基板保持组件的内部。该旋转机构被配置成有选择地旋转驱动辊。传感器大约定位于公共半径上，且该传感器被配置成当定向切口未被定向在与水平方向(horizontal)所成的约-44度与约+44度之间的范围内时检测基板中定向切口的存在。
在另一个实施方式中，基板对准器包括基板保持组件、至少三个惰轮辊及驱动辊、旋转机构及第一、第二及第三传感器。基板保持组件被配置成将基板保持在竖直方向上，且具有界定于基板保持组件内部的基板旋转中心。这些辊每一个都具有在该辊的周边上的点，该点与基板旋转中心间隔公共半径。该旋转机构被配置成旋转这些驱动辊。第一传感器被配置成当基板位于基板保持组件中时检测该基板。第二传感器及第三传感器每一个都被配置成当基板邻近或在切口向下(cut-down)方向上时检测基板中定向切口的存在。
在又一个实施方式中，一种用于对准具有定向切口的基板的方法包括以下步骤：在多个辊上放置基板，其中这些辊为分布式的(distributed)，使得将该基板始终支撑在至少三个辊上。该方法亦包括以下步骤：感测这些辊上的基板的存在，及当定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间的范围内时感测该定向切口的存在。
附图简单说明
因此，以可详细理解并获得上文所述的本发明的实施方式的方式，上文简要概述的本发明的更详细的描述可参阅本发明的实施方式来获得，这些实施方式在附图中图示。然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施方式，且因此不能被视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他等效的实施方式。
图1图示半导体基板化学机械平坦化系统的俯视图，该系统包括本发明的基板位置对准器的一个实施方式；
图2为基板位置对准器的一个实施方式的背部分解侧视图；
图3为图1的基板位置对准器的横截面视图；以及
图4A-4E为可使用图2的基板位置对准器来实践的对准工艺的示意图。
为便于理解，已尽可能使用相同的附图标记来指示各图所共有的相同元件。此外，一个实施方式的元件可有益地适用于本文所述的其他实施方式中。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及一种用于基板位置对准器的方法及设备。在一个实施方式中，基板位置对准器可用于CMP系统，该CMP系统具有处理竖直定向的基板的清洁系统。然而可预计，本文所述的基板位置对准器可适用于其他半导体制造工艺，且尤其适用于基板在竖直方向上的工艺。
图1图示具有清洁系统116的半导体基板化学机械平坦化(CMP)系统100的俯视图，该清洁系统116包括颗粒清洁模块182的一个实施方式。除清洁系统116外，CMP系统100大体还包括工厂接口(factoryinterface)102、装载机械手104及平坦化模块106。装载机械手104设置在工厂接口102及平坦化模块106附近，以助于在工厂接口102与平坦化模块106之间传送基板122。
提供控制器108，以助于控制且整合CMP系统100的模块。控制器108耦接至CMP系统100的各种部件，以助于控制例如平坦化清洁及传送工艺。
工厂接口102大体包括接口机械手120、一个或更多个基板盒118及基板位置对准器180。采用接口机械手120，以在基板盒118、清洁系统116与输入模块124之间传送基板122。输入模块124被定位成助于在平坦化模块106与工厂接口102之间传送基板122。在一个实施方式中，输入模块124位于基板位置对准器180附近，基板位置对准器180被配置成在基板122从平坦化模块106被传送之后定位基板122。以下将进一步讨论基板位置对准器180的细节。
平坦化模块106包括至少一个CMP站。可预计，CMP站可被配置为电化学机械平坦化站。在图1所描绘的实施方式中，平坦化模块106包括设置于环境受控壳(environmentallycontrolledenclosure)188中的多个CMP站(图示为第一站128、第二站130及第三站132)。在一个实施方式中，第一站128、第二站130及第三站132包括传统的CMP站，这些CMP站被配置成使用含有抛光流体的研磨剂来执行平坦化工艺。应预计，可交替地执行用以平坦化其他材料的CMP工艺，包括使用其他类型的抛光流体。因为CMP工艺实际上为传统工艺，为简洁起见，已省略对CMP工艺的进一步的描述。
平坦化模块106亦包括设置在机器基座140的上侧或第一侧面138上的传送站136及转盘(carousel)134。在一个实施方式中，传送站136包括输入缓冲站142、输出缓冲站144、传送机械手146及装载罩(loadcup)组件148。装载机械手104被配置成从输入模块124撷取(retrieve)基板，且将基板传送至输入缓冲站142。装载机械手104亦用以将经抛光的基板从输出缓冲站144返回至输入模块124，然后在借助接口机械手120被返回至耦接至工厂接口102的盒118之前，这些经抛光的基板从输入模块124前进通过清洁系统116。传送机械手146用以在缓冲站142、144及装载罩组件148之间移动基板。
在一个实施方式中，传送机械手146包括两个夹持器组件，每个夹持器组件都具有气动夹持器指状件，这些气动夹持器指状件通过保持基板的边缘来保持基板。传送机械手146在将经处理的基板从装载罩组件148传送至输出缓冲站144的同时，可同步(simultaneously)将待处理基板从输入缓冲站142传送至装载罩组件148。2000年12月5日颁予Tobin的美国专利申请第6,156,124号中描述了可使用以获益的传送站的实例。
转盘134设置在基座140的中心。转盘134通常包括多个臂150，每个臂都支撑抛光头152。在图1中所描绘的这些臂150中的两个臂以虚线(phantom)图示，使得第一站128的抛光垫126的平坦化表面及传送站136可见。转盘134是可转位的(indexable)，使得抛光头组件152可在平坦化站128、130、132及传送站136之间移动。1998年9月8日颁予Perlov等人的美国专利第5,804,507号中描述了可使用以获益的转盘。
清洁系统116将抛光后剩余的抛光碎片、研磨剂和/或抛光流体从经抛光的基板移除。清洁系统116包括多个清洁模块160、基板运输器166、干燥器162及输出模块156。基板运输器166从邻近于输入模块124的基板位置对准器180撷取从平坦化模块106返回的经处理基板122，且将基板122传送通过多个清洁模块160及干燥器162。干燥器162对退出清洁系统116的基板进行干燥，且促进借助接口机械手120在清洁系统116与工厂接口102之间进行的基板传送。干燥器162可为旋转清洗干燥器或其他适当的干燥器。可发现适当干燥器162的实例作为MESATM或基板清洁器的零部件，MESATM或基板清洁器两者均可购自SantaClara,California(加利福尼亚州圣克拉拉市)的AppliedMaterials,Inc.(应用材料公司)。
图1中描绘的实施方式中，用于清洁系统116中的清洁模块160包括兆频超声波(megasonic)清洁模块164A、第一刷子模块164B及第二刷子模块164C。模块160每一个都被配置成处理竖直定向的基板，即基板中经抛光的表面是实质上竖直的平面。竖直的平面由Y轴表示，Y轴垂直于图1中图示的X轴及Z轴。
在操作中，随着基板被接口机械手120从盒118之一传送至输入模块124，CMP系统100启动。装载机械手104随后将该基板从输入模块124移动至平坦化模块106的传送站136。将基板122载入抛光头152中，随后在水平方向的同时基板122在抛光垫126上移动，且与抛光垫126相抵(against)进行抛光。一旦基板经抛光，抛光基板122被返回至传送站136，从传送站136机械手104可将基板122从平坦化模块106传送至输入模块124。在一个实施方式中，机械手104可将基板传送至输入模块124，同时将基板旋转至竖直方向。基板运输器166随后从输入模块124撷取基板122，且将基板传送通过清洁系统116的清洁模块160。这些模块160每一个都适于在整个清洁工艺中将基板支撑于竖直方向上。一旦经清洁，经清洁的基板122到达输出模块156。经清洁的基板122被接口机械手120返回至盒118之一，同时使经清洁的基板122返回至水平方向。
尽管可使用任何适当的基板运输器，但是图1中所描绘的基板运输器166包括机械手168，机械手168具有至少一个夹持器(图示为两个夹持器174、176)，该夹持器被配置成传送基板于输入模块124、清洁模块160及干燥器162之间。视需要可选地，基板运输器166可能包括第二机械手(未图示)，该第二机械手被配置成传送基板于最后的清洁模块160与干燥器162之间，以减少交叉污染。
在图1中所描绘的实施方式中，基板运输器166包括轨道172，轨道172耦接至隔板158，隔板158使盒118及接口机械手120与清洁系统116分离。机械手168被配置成沿轨道172横向(laterally)移动，以助于进出(accessto)清洁模块160、干燥器162及输入及输出模块124、156。
在一个实施方式中，装载机械手104被配置成把在水平方向的经抛光基板122传送至输入模块124。机械手168亦被配置成将基板122传送至基板位置对准器180，同时将基板122旋转至竖直方向。在另一个实施方式中，装载机械手104被配置成将经抛光的基板122直接传送至基板位置对准器180，同时将基板122旋转至竖直方向。
图2图示基板位置对准器180的一个实施方式的分解视图。基板位置对准器180被配置成定位基板122(即旋转基板的方向)，使得诸如槽口或平口之类的定向切口202被旋转至诸如基板122的底部处之类的已知位置中。在一些实施方式中，定向切口202的长度在约52mm至约63mm之间，例如是57mm或58mm。然而，定向切口202的长度可以是适合该基板尺寸的任意长度，且不限于以上范围。这有益地使机械手168的夹持器174、176得以适当地从基板122周围的相对侧边缘(opposinglateraledge)来夹持基板122，同时避开定向切口202。尽管基板位置对准器180特别有益于对定向在竖直方向上的基板122进行定向，如本文所描述，但基板位置对准器180不限于使用竖直定向工艺。
在一个实施方式中，基板位置对准器180包括基板保持器组件204、基板旋转机构206、驱动辊208、多个惰轮辊210、基板存在传感器212及主要定向切口传感器214。基板位置对准器180可包括次要定向切口传感器418(图示于图4A-4E中)。基板位置对准器180亦可包括水源(未图示)，以使基板122保持湿润。基板位置对准器180的部件可由陶瓷、聚醚醚酮或适合于湿式工艺的任何其他材料制成。
基板保持器组件204具有新月形的主体，该主体具有由弧界定的基板旋转中心236，该弧由惰轮辊210界定，当基板122设置在对准器180中时，基板旋转中心236与基板122的中心重合。基板保持器组件204包括第一板216及第二板218，第一板216及第二板218被配置成将基板122保持在实质上竖直的方向且在第一板216与第二板218之间。第一板216包括被配置成容纳驱动辊208的一部分的第一驱动辊孔220。第二板218具有被配置成容纳驱动辊208的一部分的第二驱动辊孔222。第一板216及第二板218包括被配置成容纳惰轮辊210的相反端的多个惰轮辊孔224。图1中的视图隐藏了在第一板216中形成的惰轮辊孔224。另外，第一及第二板216、218包括穿过第一及第二板216、218而形成的一个或更多个排泄孔302(图示于图3中)，以使基板位置对准器180中的流体得以通过基板保持器组件204。
惰轮辊210中的至少一个与驱动辊208之间的径向距离可被选择为大于定向切口202的长度，基板对准器180针对该定向切口202而设计。例如，对于具有约58mm长度的定向切口202，惰轮辊210中的至少一个与驱动辊208之间的径向距离在约59mm至约65mm之间，例如是约61mm。借助第一板216及第二板218各自的孔220、222、224中的驱动辊208及这些惰轮辊210，第一板216及第二板218耦接在一起。在一个实施方式中，驱动辊及惰轮辊208、210两者每一个都具有在各辊的周边上的点，该点与基板旋转中心236间隔公共半径。在一个实施方式中，公共半径在约65mm至约85mm之间，例如是约75mm。
在一个实施方式中，第一板216可耦接至基板位置对准器托架232。基板位置对准器托架232被配置成将基板位置对准器180耦接至输入模块124。
基板旋转机构206被配置成旋转驱动辊208，驱动辊208又旋转惰轮辊210上的基板122。基板旋转机构206可为马达、致动器或用于旋转基板122的任何其他适当的机构。在一个实施方式中，基板旋转机构206为借助轴226耦接至驱动辊208的马达。基板旋转机构206可借助可选的马达托架228耦接至第一板216。轴226从基板旋转机构206延伸，穿过马达托架228及第一板216，到达驱动辊208。
尽管图2中所描绘的实施方式显示三个惰轮辊210，但基板位置对准器180可配置有任何数量的惰轮辊210。在一个实施方式中，基于基板122的尺寸及定向切口202的长度来选择惰轮辊210的数目。例如，基板位置对准器180包括至少三个惰轮辊210及一个驱动辊208。在一个实施方式中，基板位置对准器180包括用于150mm基板的至少三个惰轮辊210及一个驱动辊208。视需要可选地，可驱动这些惰轮辊210中的一个或更多个。在一个实施方式中，驱动辊及惰轮辊208、210位于基板保持器组件204中，使得驱动辊及惰轮辊208、210位于基板122的水平直径之下(图示于图4A-4E中)。
基板存在传感器212被配置成检测基板保持器组件204中基板122的存在。主要定向切口传感器214被配置成当定向切口202位于传感器214的前面时检测定向切口202的存在。在一个实施方式中，主要定向切口传感器214被配置成当定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间(例如与水平方向所成的约-38度与约+38度之间)的范围内时检测定向切口的存在。亦预计，在一个实施方式中，主要定向切口传感器214可被定位成当定向切口202在切口向上(cutup)的方向上时(即当定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间的范围内时)检测定向切口202。次要定向切口传感器418被配置成当定向切口202位于次要定向切口传感器418的前面时检测定向切口202的存在。基板存在传感器212被配置成通过使用传感器212与基板122之间的场上方所投射的光来检测基板122的存在。类似地，定向切口传感器214、418被配置成通过使用传感器214、418与定向切口202之间的距离上方所投射的光来检测定向切口202的存在。传感器212、214及418找寻场中的变化或返回信号。传感器212、214及418可为光电传感器、接近式传感器(proximitysensor)或用于检测基板122或定向切口202的存在的其他适当传感器。
在一个实施方式中，基板存在传感器212及主要定向切口传感器214由传感器托架230来保持。传感器托架230被配置成相对于基板保持器组件204来定位传感器212、214，使得传感器214能检测基板122的定向切口202的存在。传感器托架230被配置成横跨基板保持器组件204的正面232及背面234。尽管图2描绘了耦接至传感器托架230的传感器212、214，但预计传感器212、214可以任何其他适当的方式耦接至基板位置对准器180。例如，传感器212、214可耦接至基板保持器组件204的正面232及背面234上的第一板216及第二板218，且直接从第一板216及第二板218延伸。
图3为放置于基板保持器组件204中的基板122的横截面视图。在一个实施方式中，基板122的惰轮辊210的顶端与板216、218的顶端邻近边缘之间的距离形成锥形唇部300。唇部300的高度“H”在约0.5mm与约1.5mm之间，例如是约1mm。唇部300被配置成容纳基板122的底部，使得当将基板122竖直地保持于基板保持器组件204中时基板122的重量及高度平衡。
图4A–4E为可使用基板位置对准器180来实施的对准顺序的示意图。在图4A中，基板122定位于驱动辊208及惰轮辊210之上且介于第一板216及第二板218的这些唇部300之间(为清晰起见，传感器托架230未在图4A-4E中图示)。基板存在传感器212检测基板保持器组件204中基板122的存在。当基板存在传感器212指示存在基板122时，主要定向切口传感器214确定是否存在定向切口202。如果主要定向切口传感器214检测到定向切口202的存在，如图4D中所示，那么机械手168的边缘夹持器402将适当地夹持基板122的侧边缘，同时避开定向切口202。然而，如果定向切口202不存在(即传感器214、418未检测到定向切口202)，如图4B-4C所示，那么基板旋转机构206开始旋转驱动辊208，以旋转基板122。在图4B-4C中所描绘的实施方式中，驱动辊208以顺时针运动方向旋转。在一个实施方式中，基板旋转机构206被配置成以约170rpm至约190rpm例如180rpm的速度旋转基板122。如图4B-4C中所示，基板旋转机构206将继续旋转基板122直至主要定向切口传感器214检测到在基板122的底部且在切口向下的方向上(即如图4D中所示，定向切口202竖直地对准基板122的中心)的定向切口202的存在，以便夹持器402能紧固地啮合基板122的周边而远离定向切口202。
在一个实施方式中，如图4A-4E中所示，次要定向切口传感器418邻近于主要定向切口传感器214，且从主要定向切口传感器214偏移。传感器214、418与由弧界定的基板旋转中心236的间隔实质上是等距的，该弧由惰轮辊210界定。驱动辊208可定位于传感器418与214之间。次要定向切口传感器418起到与主要定向切口传感器214相同的作用。如果主要定向切口传感器214未检测到定向切口202的存在，那么基板旋转机构206将继续旋转基板122直至检测到定向切口202或直至已过预定时间(诸如约5秒钟)。在定向切口202防止基板122与驱动辊208接触且从而防止基板122旋转至该定向切口202可被传感器214检测到的位置的情况下，次要定向切口传感器418起到检测定向切口202的作用。在一个实施方式中，定向切口202接近如图4E中所示的切口向下的方向，且远离夹持器402。在一些实施方式中，传感器418相对于对准器180的中心可与竖直方向(vertical)成不大于80度的角度，以便切口122保持远离夹持器402。如果次要定向切口传感器418检测到定向切口202的存在，那么基板122将处于切口向下的位置，这使机械手168得以适当地夹持基板122于基板122的周边处，同时避开定向切口202。然而，如果主要定向切口传感器214及次要定向切口传感器418两者均未检测到定向切口202，那么基板位置对准器180将发出用于启动硬件故障的警报。在一个实施方式中，如果在预定量的时间或预定量的基板旋转之后未检测到定向切口202的存在，那么基板位置对准器180将发出警报。
以上描述的基板位置对准器有利地将基板对准在切口向下的方向上，这使终端受动器或机械手的夹持器得以适当地夹持基板，同时避开基板的定向切口。此举特别有益于处理150mm基板，在150mm基板中该定向切口的长度相对过长(例如与200mm基板中的切口一样长)，且夹持非定向基板可能存在问题。
尽管上文针对本发明的实施方式，但在不背离本发明的基本范围的情况下，可设计本发明的其他及另外的实施方式，且本发明的范围由以下权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种基板位置对准器，所述基板位置对准器包括：
基板保持组件，所述基板保持组件被配置成将基板保持在竖直方向上；
多个辊，所述多个辊包括至少两个惰轮辊及驱动辊，各辊具有在所述辊的周边上的点，所述点与基板旋转中心间隔公共半径，所述基板旋转中心界定于所述基板保持组件内部；
旋转机构，所述旋转机构被配置成有选择地旋转所述驱动辊；及
传感器，所述传感器大约定位于所述公共半径上，且所述传感器被配置成当定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间的范围内时检测所述基板中所述定向切口的存在。
2.如权利要求1所述的基板位置对准器，其中基板保持组件包括新月形主体，所述主体具有第一板及第二板，所述第一板及所述第二板被配置成将所述基板保持在所述第一板及所述第二板之间。
3.如权利要求2所述的基板位置对准器，其中所述新月形主体由陶瓷或聚醚醚酮制成。
4.如权利要求1所述的基板位置对准器，其中所述公共半径为约75mm。
5.如权利要求1所述的基板位置对准器，其中这些惰轮辊与所述驱动辊之间的径向距离在约59mm至约65mm之间。
6.如权利要求2所述的基板位置对准器，其中所述驱动辊的顶端与所述第一板及所述第二板的顶端邻近边缘之间的距离界定锥形唇部。
7.如权利要求6所述的基板位置对准器，其中所述锥形唇部具有一种高度，所述高度在约0.5mm与约1.5mm之间。
8.如权利要求1所述的基板位置对准器，其中所述旋转机构为马达或致动器。
9.如权利要求1所述的基板位置对准器，其中所述传感器被配置成通过使用所述传感器与所述基板中的所述定向切口之间所投射的光来检测所述基板中的所述定向切口的存在。
10.一种基板位置对准器，所述基板位置对准器包括：
基板保持组件，所述基板保持组件被配置成将基板保持在竖直方向上，其中所述基板保持组件具有基板旋转中心，所述基板旋转中心界定于所述基板保持组件的内部；
至少三个惰轮辊及驱动辊，其中各辊具有在所述辊的周边上的点，所述点与所述基板旋转中心间隔公共半径；
旋转机构，所述旋转机构被配置成旋转这些驱动辊；
第一传感器，所述第一传感器被配置成当基板位于所述基板保持组件中时检测所述基板；以及
第二传感器及第三传感器，所述第二传感器及所述第三传感器每一个都被配置成当所述基板接近或在切口向下的方向上时检测所述基板中定向切口的存在。
11.如权利要求10所述的基板位置对准器，其中所述第二传感器及第三传感器每一个都被配置成当所述定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间的范围内时检测所述基板中所述定向切口的存在。
12.如权利要求10所述的基板位置对准器，其中所述第二传感器及所述第三传感器与所述基板旋转中心的间隔实质上是等距的，且所述第二传感器或所述第三传感器中的至少一个相对于所述基板位置对准器的中心线与竖直方向成不大于约80度的角度。
13.如权利要求11所述的基板位置对准器，其中所述驱动辊设置在所述第二传感器与所述第三传感器之间。
14.一种对准具有定向切口的基板的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述基板放置在多个辊上，其中这些辊是分布式的，使得将所述基板始终支撑在至少两个辊上；
感测这些辊上的所述基板的存在；以及
当所述定向切口未被定向在与水平方向所成的约-44度与约+44度之间的范围内时，感测所述定向切口的存在。
15.如权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
旋转所述驱动器辊，直至检测到定向切口的所述存在。
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